CN108209858A - 一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置以及图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，包括裂隙灯升降台和支撑在裂隙灯升降台上的成像装置，所述成像装置包括用于获取眼球表面视野的裂隙灯显微镜和通过光路镜筒与裂隙灯显微镜连通的用以将裂隙灯显微镜获取的眼球表面光线成像的高速摄像机，所述光路镜筒与设置在裂隙灯显微镜内的示教镜连通，所述高速摄像机与图像处理器相连。该检查装置能够准确地获取眼球表面微血管图像，通过对图像进行分析能够准确地得知眼表血管的功能性参数等定量指标，为眼球眼表炎症的判断提供一定的依据。

Description

一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置以及图像处理方法

技术领域

本发明属于光学成像领域，具体涉及一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置以及图像处理方法

背景技术

眼微血管功能是反应眼表炎症和全身微血管病变疾病的潜在指标，可为研究脑血管、心血管、及糖尿病等疾病的发病机理，病情进展以及判断治疗效果等提供重要依据。但是目前临床检查设备缺乏非侵入性的微血管功能评估和分析的方法，制约着眼表微血管研究进展。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，在该装置上能够完成对病人眼表微血管功能成像进而能够成像更加准确地评估微血管功能。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，包括裂隙灯升降台和支撑在裂隙灯升降台上的成像装置，所述成像装置包括用于获取眼球表面视野的裂隙灯显微镜和通过光路镜筒与裂隙灯显微镜连通的用以将裂隙灯显微镜获取的眼球表面视野成像的高速摄像机。

优选地，所述光路镜筒与设置在裂隙灯显微镜内的示教镜连通。

优选地，所述裂隙灯显微镜水平设置，沿着裂隙灯显微镜的进光方向，在裂隙灯显微镜的后方设置有用以对受试者的头部进行定位的定位结构。

优选地，沿着裂隙灯显微镜的进光方向，在定位结构的前方设置有光源，所述光源为绿光源。

优选地，在所述光路镜筒中设置有带通绿色滤光片。

优选地，在所述带通绿色滤光片与高速摄像机之间的光路镜筒形成有弯角，所述光路镜筒在所述弯角处设置有折射镜。

优选地，所述成像装置可相对于裂隙灯升降台在XY平面内移动，在裂隙灯升降台上设置有控制成像装置移动的控制杆。

优选地，所述成像装置还包括用以对高速摄像机所获得成像进行处理的图像处理器。

本发明提高了一种基于上述眼科功能检查装置的获取眼球表面微血管复杂度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：对高速摄像机获取的眼球表面视野图像进行预处理；

步骤二：在预处理后的图像上，以一点为中心选取一定数量的窗口，这些窗口以所述中心为中心且这些窗口的大小ε以一定的增量逐渐增大，获取这些窗口中的像素的数量N；

步骤三：通过如下公式获取每个窗口对应的复杂度DF：

DF＝log N/logε，

将获取的多个复杂度DF通过拟合获取最终的复杂度DF。

优选地，上述步骤一中的对眼球表面视野图像预处理的过程如下：

步骤a)：去除眼球表面视野图像中的高斯噪声和椒盐噪声；

步骤b):对去除噪声后的图像通过限制对比度的自适应直方图均衡增强图像对比度；

步骤c)：对步骤b中获取的图像进行二值化处理。

优选地，在上述步骤c中，在对步骤b中获取的图像进行二值化处理之前还需进行最大值滤波和均值滤波。

本发明还提供了一种基于上述眼科功能检查装置的眼球表面微血管直径的计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：对高速摄像机获取的眼球表面视野图像进行预处理；

步骤二：提取图像中眼球表面微血管的中心线，并获取中心线的垂线方程；

步骤三：获取垂线方程与眼球表面微血管边界的两交点，两交点之间的距离即为微血管直径。

优选地，上述步骤一中的对眼微血管图像预处理的过程如下：

步骤a)：去除眼微血管图像中的高斯噪声和椒盐噪声；

步骤b):对去除噪声后的图像通过限制对比度的自适应直方图均衡增强图像对比度；

步骤c)：对步骤b中获取的图像进行二值化处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的成像装置通过示教镜和光路镜筒，使成像装置可在裂隙灯显微镜下实时观察眼表血流，同时可以进行眼表血流功能性成像，通过成像能够准确地得知眼球微血管的功能好坏；

2)本发明设计的光路镜筒内置带通绿色滤光片，利用血红细胞光特性，结合高速摄像机可清晰记录眼表血流血红细胞运动视频；

3)本发明还提供了一种获取眼微血管复杂度的方法，通过获取眼微血管的复杂度能够获取眼部的病变程度；

4)本发明还提供了一种获取眼微血管直径的方法，通过获取眼微血管的直径能够获取眼部的病变程度。

附图说明

图1是本发明一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置的成像装置结构原理图

图2是本发明一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置的结构原理图

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

实施例一

如图1和2所示，一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，包括裂隙灯升降台6、支撑在裂隙灯升降台6上的成像装置，所述成像装置包括裂隙灯显微镜1、通过光路镜筒4与裂隙灯显微镜1连通的高速摄像机3，所述裂隙灯显微镜1能够观察眼球反射的光线，眼球反射的光线通过光路镜筒4进入到高速摄像机3，高速摄像机3能够将眼球反射的光线形成原始图像，由于眼球反射的光线中包含有眼球表面微血管的信息，进而原始图像中包含有眼球微血管的信息。所述裂隙灯、裂隙灯升降台6的升降原理、裂隙灯显微镜1以及高速摄像机3都采用现有技术。

具体地，所述光路镜筒4的与裂隙灯显微镜1连接的一端连接在裂隙灯显微镜1的示教镜2处，这样从裂隙灯显微镜1的入光口处进入的光线通过示教镜2的反射一部分能够进入到光路镜筒4内并最终进入到高速摄像机3内。另外，另一部分光线穿过示教镜2进入到裂隙灯显微镜1的目镜中以便操作者实时观察。所述示教镜2在裂隙灯显微镜2内属于现有技术。

所述成像装置还包括图像处理器用以对高速摄像机3获得的原始图像进行处理，通过对处理后的原始图像进行分析即可获得眼球微血管的功能信息。

所述裂隙灯显微镜1在升降台6上水平设置，沿着光线进入到裂隙灯显微镜1的方向，在裂隙灯显微镜1的入光口的后方设置有支撑在裂隙灯升降台6上的定位结构8，所述定位结构8用以对受试者的头部进行支撑和定位进而能够保持眼球9的稳定性。

所述成像装置还包括绿光源5，沿着光线进入到裂隙灯显微镜1的方向，所述绿光源5设置在所述定位结构8的前方以为眼球9提供光源并使反射的光线尽可能地为绿光，由于血红细胞对绿光的吸收效果好，这样能够使微血管能够更容易被观察。并且，在光路镜筒4中还设置有带通绿色滤光片L1用以将光路镜筒4中的光线进一步过滤只保留绿光。

并且，在带通绿色滤光片L1与高速摄像机3之间的光路镜筒4中设置有折射镜L2，通过折射镜L2能够使光路发生一定角度的折射，这样可以使光路镜筒4设置成弯曲的形状，减少了整个成像装置的长度，进而减小了体积，能够充分利用空间。优选地，所述折射镜L2的折射角度为90°。

所述成像装置可移动地支撑在裂隙灯升降台6上，在裂隙灯升降台6上设置有控制杆7用以调整成像装置在裂隙灯升降台6上的位置进而能够将裂隙灯显微镜1对准眼球9。在调整过程中，所述裂隙灯显微镜1能够精确定位眼表拍摄位置，并且在调整时，操作者可以通过示教镜2的延长臂10观察同一视野给予辅助。具体地，控制杆7的控制原理采用现有技术，此处不再详述。

在使用时，首先通过裂隙灯平台的定位结构8将患者头部固定，然后根据不同的眼表血流成像需求，设置高速摄像机的光圈、角度等参数，调整绿光光源5的光照区域和形状。操作者在裂隙灯显微镜1的实时观察下，调整受试者的位置以达到理想区域，在高速摄像机3的屏幕中动态实时显示眼表血流并采集眼表血流原始图像，再经过图像处理处理器处理，最终获得包含眼表血流动力学参数的功能图像。

所述图像处理器对高速摄像机3获取的图像主要进行两方面的处理，包括眼微血管复杂度分析和血管直径的计算。

实施例二

该实施例为对实施例一中获取的眼微血管图像进行复杂度分析。

对图像中的眼微血管复杂度的分析方法包括如下步骤：

步骤一：对高速摄像机3获取的原始图像进行预处理。

具体包括如下步骤：步骤a)：去除图像中的高斯噪声和椒盐噪声，具体地，先运动高斯滤波滤除高斯噪声，然后通过中值滤波取出椒盐噪声。所述高斯滤波和中值滤波的原理属于现有技术，此处不再详述。

步骤b)：对去除噪声后的图像通过限制对比度的自适应直方图均衡(CLAHE)增强图像对比度。对比度增强可以定义为灰阶映射函数的斜率，当设定滑动窗口大小为MxM,则局部映射函数为：

其中，CDF(i)为滑动窗口局部直方图的累积分布函数，其导数为直方图Hist(i)(像素颜色统计分布函数)，那么局部映射函数m(i)的斜率S为：

若限定最大斜率为Smax，则允许的最大直方图高度为：

改进后的直方图为：

其中T为像素阈值。

通过该步骤能够实现图像中血管部分与背景部分对比度增加，为接下来进行二值化处理提供更小阈值选择区间。

步骤c)：采用阈值方法进行二值化处理。

由于眼结膜微血管图像采集采是通过光源照射之后采集反射光成像，固定光源在照射眼球时，由于眼球为圆形球体，靠近光源部分表现是亮，离光源较远的表现为暗，这种光照不均会影响结膜微血管图像的提取。先对图像进行最大值滤波以平滑毛刺，增强二值化效果，再通过均值滤波减去原图的方法，去除背景及亮度不均特征，能实现较好的眼结膜微血管图像的分割效果，原理如下：

假设原图为g(x,y)，则

最大值滤波：g₁(x,y)＝MAX{f(xs，yt)，(s，tW)}

均值滤波:g₂(x,y)＝MEAN{f(xs，yt)，(s，tW)}，

处理后的图像为：g₃(x,y)＝g₂(x,y)-g(x,y)。

经过预处理之后的图像g₃(x,y)，微血管灰度较为均匀，可采用阈值方法进行二值化处理以使得眼球表面微血管在图像中呈白色，非血管部分呈黑色。

具体原理如下，假定阈值为T，那么:

通过以上方法处理得到的二值血管图像，会存在少量不连续，空心，孤立点等问题，可以通过二值图像形态操作进行相关处理:

E＝A·B

A为待处理二值图像，B为结构元素，通过选取不同的结构元素，使用结构元素B对A进行形态处理，实现区域填充和形态学的开闭运算，最终获得二值图像E。

步骤二：对预处理后的图像进行复杂度分析

当眼结膜发生炎症时，眼微血管会出现相应生理特征变化，表现为局部扩张、扭曲、交叉及不确定性分布，这些表现特征从侧面反映病变的严重程度，具体的严重程度可以通过分形维度进行定性分析来计算图像的复杂程度DF，通过复杂程度DF可以判断眼结膜发生炎症的程度。

具体地，通过在预处理后的图像上选取预定数量的窗口，这些预定数量的窗口在预处理后的图像上取其中一个位置作为共同的中心并且窗口的大小以相同的增量逐渐增大，例如，窗口为正方形，最靠近中心的边长ε为5，以5的增量逐渐增大，那么预定数量的窗口的大小ε依次为5、10、15、20、……，由于这些窗口具有共同的中心，因此，这些窗口相当于尺寸大的套在尺寸小的外侧，然后通过统计这些窗口内的像素的数量N。窗口也可以为圆形等其它形状。

对上述步骤获取的数据进行统计，获取ε和N之间的关系：DF＝log N/logε，每一个大小的窗口都会获取一个DF值，然后通过对获取的多个复杂度DF采用最小二乘拟合获取最终的DF值，就可以判断眼结膜的发病程度。窗口的数量越多，最终拟合得到的DF的值就越准确。

实施例三

该实施例是对眼球表面微血管直径进行计算，在眼部发生病变时，眼微血管的直径会发生变化，因此，通过计算眼微血管的直径能够判断眼部是否发生病变以及病变的程度。

在对眼微血管直径进行计算之前，需要对高速摄像机3获取的眼微血管图像进行预处理，预处理的过程与实施例二中的预处理过程相同，此处不再详述。

在计算直径时，利用基于Hessian矩阵的中心线提取方法获取眼微血管的中心线，然后计算垂直于中心线上眼微血管的宽度即为眼微血管的直径。

设(xi，yi)为中心线上任意一点，利用中心线上的多点拟合，获得中心线上该点的切线的斜率，从而进一步获得中心线的垂线方程为：

之后，通过中心线上的点，沿垂线两边检索交界点(x1,y1)和(x2,y2),那么血管直径d为:

通过获得的血管直径可以眼部的病变进行判断。具体地，基于Hessian矩阵获取中心线的方法属于现有技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，包括裂隙灯升降台和支撑在裂隙灯升降台上的成像装置，所述成像装置包括用于获取眼球表面视野的裂隙灯显微镜和通过光路镜筒与裂隙灯显微镜连通的用以将裂隙灯显微镜获取的眼球表面视野成像的高速摄像机，所述光路镜筒与设置在裂隙灯显微镜内的示教镜连通，所述高速摄像机与图像处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，所述裂隙灯显微镜水平设置，沿着裂隙灯显微镜的进光方向，在裂隙灯显微镜的后方设置有用以对受试者的头部进行定位的定位结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，沿着裂隙灯显微镜的进光方向，在定位结构的前方设置有光源，所述光源为绿光源。

4.根据权利要求3所述的一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，在所述光路镜筒中设置有带通绿色滤光片，在所述带通绿色滤光片与高速摄像机之间的光路镜筒形成有弯角，所述光路镜筒在所述弯角处设置有折射镜。

5.根据权利要求1所述的一种基于裂隙灯平台的眼科功能检查装置，其特征在于，所述成像装置可相对于裂隙灯升降台在XY平面内移动，在裂隙灯升降台上设置有控制成像装置移动的控制杆。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的眼科功能检查装置的获取眼球表面微血管复杂度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：对高速摄像机获取的眼球表面视野图像进行预处理；

步骤二：在预处理后的图像上，以一点为中心选取一定数量的窗口，这些窗口以所述中心为中心且这些窗口的大小ε以一定的增量逐渐增大，获取这些窗口中的微血管像素的数量N；

步骤三：通过如下公式获取每个窗口对应的复杂度DF：

DF＝log N/logε，

将获取的多个复杂度DF通过拟合获取最终的复杂度DF。

7.根据权利要求6所述的获取眼球表面微血管复杂度的方法，其特征在于，所述步骤一中对眼球表面视野图像预处理的过程如下：

步骤a)：去图像中的高斯噪声和椒盐噪声；

步骤b):对去除噪声后的图像通过限制对比度的自适应直方图均衡增强图像对比度；

步骤c)：对步骤b中获取的图像进行二值化处理。

8.根据权利要求7所述的获取眼球表面微血管复杂度的方法，其特征在于，在上述步骤c中，在对步骤b中获取的图像进行二值化处理之前还需进行最大值滤波和均值滤波。

9.一种基于权利要求1-5任一项所述的眼科功能检查装置的眼微血管直径的计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：对高速摄像机获取的眼球表面视野图像进行预处理；

步骤二：提取图像中眼球表面微血管的中心线，并获取中心线的垂线方程；

步骤三：获取垂线方程与眼球微血管边界的两交点，两交点之间的距离即为眼球表面微血管直径。

10.根据权利要求9所述的眼球表面微血管直径的计算方法，其特征在于，所述步骤一中的对眼球表面视野图像预处理的过程如下：

步骤a)：去除图像中的高斯噪声和椒盐噪声；

步骤b):对去除噪声后的图像通过限制对比度的自适应直方图均衡增强图像对比度；

步骤c)：对步骤b中获取的图像进行二值化处理。