温博，周传清，任秋实上海交通大学生命科学技术学院生物医学工程系，上海， 200240

高分辨率眼科频域光学相干层析成像仪的研究与设计

【作 者】温博，周传清，任秋实上海交通大学生命科学技术学院生物医学工程系，上海， 200240

本文根据频域光学相干层析成像的原理，设计并开发了基于眼科常用的裂隙灯显微镜的实用化光学相干层析成像仪。文中详细介绍了该诊断仪器的总体结构，对仪器设计中需要重点考虑的上位机与下位机的通信、固视灯与参考臂模块的设计和抗干扰措施三个方面的问题进行了详述。

频域光学相干层析成像；上位机与下位机的通信；固视灯；参考臂；抗干扰

眼睛是心灵的窗口，人们可以通过它来表达各种情感并体现内在与外表之美，而在信息爆炸的当今社会，眼睛更是收集信息的最强助手。眼睛如此重要，眼病的诊断与治疗自然成为医疗领域的一项重要课题。在众多眼病当中，青光眼、黄斑部病变等疾病的观察与诊治无疑是较为困难的，对于此类疾病的早期诊断，医生需要较为准确的观测视网膜的变化[1]，却又不宜直接扩瞳观察视网膜，因此比较棘手。光学相干层析成像技术[2]（Optical Coherence Tomography, OCT）恰恰有效的解决了这一问题。

光学相干层析成像技术是继X射线CT、超声诊断和MRI等技术之后的又一种新的层析成像法。其基础为低相干干涉测量，最早来源于网络故障检测的光学相干域反射测量技术OCDR(Optical Coherence-Domain Reflectometry)[3]。它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面处由入射的弱相干光产生的背向反射或散射信号，配合横向扫描即可得到生物组织2维或3维高分辨微观结构图像，是一种非侵入、无损伤、高分辨率、重复性好并可在体检测生物组织内部微结构的生物医学光学成像技术，已被临床医师广泛认同和接受[4]。近年来，快速发展起来的频谱OCT技术[5,6](Spectral Domain OCT, SD-OCT)与传统时域OCT技术相比，由于具有高速度和高灵敏度的优点，更适合生物组织的在体成像，代表了光学相干层析成像技术的发展方向。

上海交通大学激光与光子生物医学研究所在借鉴国内外相关产品的基础上，自主研发、生产了一种高分辨率眼科光学相干层析成像仪，在技术指标上达到了国际同类产品的水平，它可用于眼后段结构（包括视网膜、视网膜神经纤维层、黄斑和视盘）的在体查看、轴向断层和3维成像以及测量，是特别用作帮助检测和管理眼疾（包括但不限于黄斑裂孔、黄斑囊样水肿、糖尿病性视网膜病变、老年性黄斑变性和青光眼）的诊断。

本文首先介绍了频域相干层析成像技术的基本原理，然后介绍了基于该原理设计开发的一种高分辨率眼科光学相干层析成像仪的总体结构，并着重对仪器设计中较为重要的上位机与下位机的通信、固视灯与参考臂等模块的设计以及抗干扰措施等三个方面进行了探讨。

1 检测原理

传统的时域OCT为了得到深度图像，需要移动参考臂来进行纵向扫描，因此其采集的速度受到了一定的限制。频谱OCT作为时域OCT发展的结果，避免了参考臂的纵向扫描，可以实现非常高的采集速度，使扫描成像时间大为缩短，拥有了成像速度快以及探测灵敏度高等优势，因而更加适合生物组织的实时成像[7]。

典型的频谱OCT其结构图如图1所示，它的核心部分是迈克尔逊干涉仪和光谱仪。宽带光源如（SLD）发出的光波被光耦合器件分束后，一束进入参考臂照射在反射镜上反射回来成为参考光，另一束则进入样品臂照射到样品上发生背向散射返回形成样品光。这样两束光又重新在光耦合器件中相遇并发生干涉，因为从样品臂返回的样品光可以将其视为多个不同深度处产生的后向散射光的叠加，在与参考光发生干涉之后，就会产生干涉条纹。此干涉信号的频率编码中即含有样品的深度信息，由衍射光栅和CCD共同组成的光谱探测系统对其检测接收并输到数据采集卡，在计算机中进行傅里叶变换以后便得到了样品不同深度处的信息，再配合横向扫描，即可重建视网膜的3维图像。

图1 频谱OCT系统[8]Fig.1 SD-OCT System

2 仪器设计

2.1系统总体结构

为了实现用以上原理达到检测目的，快捷有效的实施眼底诊断，我们开发设计了一种高分辨率眼科频谱光学相干层析成像仪器，其总体结构如图2所示，主要包括控制与显示模块、出光模块、固视灯模块、参臂模模块、扫描模块和采集模块等。

图2 系统结构Fig.2 System Structure

控制与显示模块是整个系统的核心，由一台预装了我们自主开发的OCT系统控制专用软件的电子计算机（PC）担任，主要用于协调各个模块工作，根据用户发出的指令对每个模块进行控制，并能对采集到的数据进行处理、存储和显示，最终实现预期的眼底检测结果。整个系统通过一套由不同供电设备组成的电源组对各模块分别供电，以满足各模块对电源参数的不同需求。出光模块采用低相干宽带光源，输出检测所需的840 nm红外光，并能实时进行能量调节与开关，以确保出光安全性和最佳检测效果。固视灯模块负责引导患者眼球作出适当转动，以方便观察者从最佳角度进行眼底观测。参考臂模块包含一台精密步进电机，可调节用于反射参考光的平面镜的位置，从而达到理想的观测效果。扫描模块包含了X、Y两方向的扫描振镜，由专门的振镜驱动板进行调控，完成对人眼的横向扫描。采集模块为高分辨率光谱仪，内含衍射光栅和线阵CCD，参考光与样品光在此干涉产生干涉条纹，由CCD捕获后传入控制与显示模块，经处理后便得到所需的检测图像。

整套设备按照一定的流程进行工作。在开启PC上的专用配套软件后，将对各硬件设备进行上电和初始化，并检测系统状态是否正常，若检测到异常则系统将会弹出警告框，同时显示相应的报错信息。如果没有检测到任何异常现象，系统将进入工作界面，并读出上次诊断存储的参数。再进行完相关信息（如患者信息等）录入后，开始对出光模块、参考臂模块和固视灯模块进行调节，以达到最佳检测效果。最后下达扫描和采集指令，设备将采集到的数据送入PC进行处理与显示，供使用者分析和存储，然后进入下一个工作循环。

在仪器的设计环节中，上位机与下位机的通信，固视灯与参考臂等模块的设计以及抗干扰措施是三个重要的方面，以下将分三个小节对这三方面的进行着重阐述。

2.2上位机与下位机的通信

PC在对固视灯、参考臂等模块进行控制时，要先对单片机下达指令，再由单片机的引脚实现对各个功能部件的控制。在上位机（PC）与下位机（MCU）的通信上，我们选择了功能强大的CH375芯片。它是一款USB总线的通用接口芯片，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP等控制器的系统总线上。这里我们采用设备模式进行工作，可由一台PC通过USB数据线连接多个MCU来进行指令与数据的传输，实现对各个子模块相对独立的控制，如图3所示。具体工作流程如下：

图3 上位机与下位机通信示意图Fig.3 Communication between PC and MCU

MCU端上电后先对CH375进行初始化（包括重置、工作模式设定和设备代号设定等），并为其分配存储单元，用于数据收发，随后MCU进入等待状态；PC端调用CH375提供的API函数对其进行开启、识别、编号和收发数据等操作，并产生中断信号；MCU响应中断后接收数据并执行相应模块（固视灯、参考臂等）子程序，并对PC端发送必要的反馈数据，从而完成上位机与下位机之间的通信。

通过CH375芯片，可以方便快捷地对其连接的设备进行编号并单独控制，既清晰地将各个模块区分开来，也为日后设备的功能拓展和模块添加提供了有力的技术支持。

2.3固视灯与参考臂模块的设计

固视灯模块 由一块32×16的黄绿色LED点阵组成。PC通过配套软件对基于单片机的MCU-1发送指令，从而完成对固视灯的实时控制。它能在点阵的任意位置点亮一个由LED灯组成的“十”字形“光标”，并能向任意方向移动，患者通过观察此“光标”即可使眼球进行适当的转动，以利于医生对其眼底进行更好的观测。为方便医生更好的调控，计算机显示器上还将以“点阵图”的形式实时地显示LED点阵当前的点亮状态。该模块具体工作流程为：① MCU上电后通过译码选择的方式选中默认设定的LED灯，并以扫描的方式点亮整个“十”字“光标”（共9盏灯）；② 在PC端的操作界面中点击方向键或直接选择指定点，由程序计算出相应码值发送给MCU；③ MCU接收数据后关闭当前LED灯，由译码方式点亮新的LED“十”字“光标”，并等待下一次操作。

参考臂模块 采用HML公司生产的系列混合式直线步进电机，带动反射参考光的平面镜。PC端通过配套软件的操作界面对基于单片机的MCU-2发送指令，实现对精密步进电机的实时控制，使其可以向正反两方向进行微米级的单步或连续移动，从而使平面镜的位置作出同步调节，改变参考光的光程，得到最佳观测效果。为方便医生更好的调控，计算机显示器上还将以“滑块图”的形式实时地显示电机当前的行进位置。该模块具体工作流程为：① 从PC端的操作界面按下移动方向键（单步或连续），发送电机移动命令码。MCU端接收命令后，进入电机模块子程序，对电机执行开启、方向设定和移动操作，同时将移动量数据写入FLASH存储区；② 从PC端的操作界面抬起移动方向键，发送电机停止命令码。MCU端接收命令后，对电机执行停止操作，同时将FLASH区记录的数据反馈给PC端；③ PC端根据反馈数据改变操作界面中滑块的位置以达到模拟效果（若电机移动到端点则会触发限位开关，此时将立即对电机执行关闭操作，同时对FLASH区移动量数据重置，并反馈给PC端进行滑块模拟）。图4为专用配套软件中用于控制固视灯与参考臂模块的操作界面。

图4 固视灯与参考臂模块操作界面Fig.4 Operator Interface for modules of fixation lamp and reference arm

2.4抗干扰措施

因为仪器内部不同的模块之间存在着相互干扰，而应用环境中的其他设备也可能产生干扰，这就会使仪器不能正常工作，因此必须在系统设计上采取必要的抗干扰措施。

首先在MCU的设计上，选用了有超强抗干扰特性的单片机芯片STC89C58RD+。该款芯片具有以下抗干扰特性：输入/输出口经过特殊的处理，各端口均有对VCC/GND二级管钳位保护，消除了从I/O处进入的干扰；电源供电系统以及时钟电路也经过特殊的处理，能够有效防止由电源和时钟部分进入的干扰；具有经特殊处理的看门狗电路，打开后即无法关闭，因此可省去外部看门狗；复位电路同样经过特殊处理，防止由通过复位电路进入的干扰；宽电压（5.5V～3.4V），抗电源抖动；高抗静电（高ESD保护），可轻松通过4000V快速脉冲干扰（严格的日本及欧洲EFT标准[9]）。

其次在本设备中采用了双MCU的控制方式，并选用CH375通信芯片实现了上位机（PC）与下位机（MCU）间的指令与数据传输。固视灯模块中的LED“十”字“光标”需要以时钟周期扫描的方式进行点亮，而参考臂模块中的步进电机也需要时钟信号进行开动，若两时钟信号由同一单片机提供，且单片机还需响应上位机发来的中断请求来进行指令与数据的交换，这样各个信号之间可能会产生重叠和干扰，不利于功能的有效实现，而且会使程序的编写较为复杂。采用双MCU分别控制两模块的运行可以简单有效的解决这一问题，既使两模块得以相对独立的工作而不受彼此的干扰，又使得软件的更新与维护更加方便快捷。

表1 性能参数表Tab.1 Performance Parameters

3 结果与讨论

由实验测得的该仪器主要性能参数如表1中所示。

本文根据频谱OCT原理完成了一种高分辨率眼科频谱层析成像仪的设计与开发，对仪器整体结构和设计中需要着重考虑的三个方面分别进行了阐述。经反复测试，该仪器在整机运行的稳定性、可靠性以及采集到眼底图像的分辨率和清晰度等方面均达到了眼科诊断的要求，具有良好的医疗应用前景。

[1] Swanson, E.A., et al. In vivo retinal imaging by optical coherence tomography. Opt Lett, 1993, 18(21): 1864-1866.

[2] Huang, D., et al. Optical coherence tomography. Science, 1991, 254(5035): 1178-1181.

[3] Masters, B.R. Early development of optical low-coherence reflectometry and some recent biomedical applications. Journal of Biomedical Optics, 1999, 4(2): 236-247.

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[5] Hausler, G. and M.W. Lindner, "Coherence Radar'' and "Spectral Radar''---New Tools for Dermatological Diagnosis. Journal of Biomedical Optics, 1998, 3(1): 21-31.

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[7] 王纬超, 刘宇嘉, Tobias Braeuler, 席鹏, 周传清, 江旻珊, 任秋实.频域光学相干层析成像及其在眼科中的应用. 中国激光, 2009, 36: 181-184.

[8] 郭永康，姚欣. 从迈克耳孙干涉仪到光学相干层析术. 大学物理, 2007, 26(1): 1-6.

[9] 卢善好, 吴开杰, 牛金海, 任秋实. 宽谱红外光(1100～1800 nm)嫩肤仪的研究与设计. 中国医学物理学杂志, 2009, 26(6) : 1508-1512.

光学节律器调控心脏跳动

新型的光学节律器是利用激光脉冲来控制胚胎的心脏跳动。实验是用一种光纤向2～3天大的鹌鹑胚胎的心脏释放1～2μ长的红外光脉冲，心脏的跳动逐步与激光脉冲同步。而且会随着激光脉冲频率的增加或降低而发生变化，直至与激光脉冲的频率相同。这是Michael Jenkins和Andrew Rollins与同事合作，用激光脉冲控制活体心脏的律动。

应用光学方法无创地控制心脏病仍需实践验证，但至少它为应用这种方法用于人体心脏提供可行性。

（本刊讯）

Study and Design of Spectral Domain Optical Coherence
Tomography -Based High-resolution Ophthalmic Imaging System

【Writers】Wen Bo, Zhou Chuanqing, Ren Qiushi Department of Biomedical Engineering, School of Life Science &Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

SD-OCT; communication between PC and MCU; fi xation lamp; reference arm; anti-interference

】According to the mechanism of spectral domain optical coherence tomography, this paper gives a design and development of a practical OCT imaging device based on slit-lamp microscopic widely-used in ophthalmology. The paper details the device's architecture and three key points in design: communication between PC and MCU, how to design modules of fi xation lamp and reference arm and anti-interference measures.

1671-7104(2010)05-0339-04

2010-05-12

上海市科委重点项目（07dz22010）

任秋实，E-mail: renqsh@sjtu.edu.cn

R445

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.007

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