近红外光谱分析与双视场图像运算实现视网膜三维快成像方法研究

针对目前视网膜等组织成像技术中受光时间长(依赖于二维振镜扫描)、成像信息利用率低(忽视了系统固有视场)、无法实现实时成像的技术难题，提出了一种基于光谱精细分析的双视场成像方法。利用景深与视网膜厚度相匹配的干涉成像系统，系统中包含双面阵CCD，其一接收一定深度视网膜细胞的宽视场母图像，其二与光栅构成光谱精细分析成像系统，用于接收视网膜细胞散射光与参考光形成的多光谱干涉图像，并将随波长变化的视网膜分层子图像群(窄视场，为母图像中的中央区域)分列出来。通过求取分层子图像群与宽视场母图像之间的投影算子，经投影逆变换，由宽视场母图像，恢复出宽视场的视网膜层析图像，得到图像立方体。该方法为单拍快照方法，无扫描，速度快。重点突破从光栅远场图像中提取随波长变化的深度信息处理算法、分割隐含其中的空间图像处理技术、投影算子的图像处理算法，能极大地缩短视网膜受光时间，为视网膜细胞的三维实时成像建立基础。

本项目的主要研究内容涉及眼底相机设计、光谱域OCT系统实验、视网膜散射特征分析和图像三维重建等。.分析了眼底相机照明光路和成像光路最佳结构的选择依据，提出光瞳衔接方程组和内调焦方式的调焦方程，首次采用偏振开关技术抑制照明光束被接目镜表面反射后在成像光路焦面附近形成的鬼像。设计的眼底相机结合Liou人眼模型校正成像光路的综合像差，眼底相机的分辨率为74lp/mm；系统总长度小于300mm，具有结构紧凑小型化等特点；-10D～10D的屈光调节范围，适用于中低度近视和远视人群，1D屈光度的调焦镜移动量为毫米量级；偏振开关的安装与调节简单方便，无需传统黑点板系统的精确定位。.基于ZEMAX软件模拟了光谱域OCT系统，采用基于偏振移相的光谱域OCT获取离体视网膜样品的断层图像。仿真结果验证了OCT的轴向深度提取算法和数值色散补偿提高光谱域OCT系统的轴向分辨率。实验结果揭示采用旋转检偏器的偏振移相原理可以实现任意的相位变化，结合三帧移相原理有效地抑制寄生项和直流噪声。偏振移相比PZT/PI移相法更具稳定性和重复性，且旋转检偏器的相对角量比绝对量值的标定更容易实现。.眼底相机中基于偏振开关技术的“鬼像”抑制效果和偏振移相的光谱域OCT均与视网膜的散射特性相关。基于米氏散射理论和动态粒子数守恒的辐射传输理论讨论视细胞的散射模型，采用正交的泽克多项式完成散射相位矩阵中极角与方位角分离，结合人眼视网膜视细胞浓度分布和形状因子，采用球形谐波法求解修正的辐射传输方程。数值结果表明散射光的偏振特性呈现波动性地变化，视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的内在偏振特性。散射角度越大，散射光的偏振特性变化越大，即前向散射光的偏振特性变化很小，后向散射光的偏振特性变化很大。.眼底相机与光谱域OCT分别获取了离体猪眼视网膜的图像和OCT断层图像，在图像的三维重建方面，研究了摄像机标定、边缘检测、立体匹配等关键技术，模拟并验证了双目视觉的三维重建过程。结果表明摄像机的标定精度较高，误差在一个像素内；双目视觉系统的三维重建图像具有明显的细节特征和正确的物体轮廓。