光电成像技术读书报告

光电成像技术读书报告

光电子成像技术是眼视光研究领域的重要组成部分，在帮助临床和科研人员获取人眼生物组织图像、提高眼科医疗水平上起着很重要的作用。近十年来，与波前像差测量、校正相关的技术研究与光电子成像仪器发展引起了广泛的关注，自适应光学技术与光学相干层析成像仪、共焦扫面激光检眼镜的结合，使得医生能够获得活体人眼眼底细胞量级上的细胞、血管和视盘筛板图像，从而对眼科疾病实现超早期诊断与治疗有着深远的影响。

光电子成像技术，在眼视光科研与疾病研究上，有着重要的意义。作为获取人眼表面或内部生物组织图像的重要方法，在帮助眼科医生诊断治疗眼科疾病、协助科研人员研究眼视光科学方面扮演着重要的角色，极大地推动了眼视光学科的发展。在眼视光领域广泛使用的各种光学、电子成像仪器中，电子显微镜具有很高的分辨率，最新扫描电子显微镜能达到0.5nm超高分辨率，眼科医生和研究人员可以通过电子显微镜观测到纳米量级上人眼生物组织的微观结构，在电子显微镜下观察得到的各类眼科图像至今还是眼视光学科研教学方面的标准。

光学成像仪器种类繁多，从1850年发明的检眼镜到现在各种高分辨率成像仪器，成像方法不断创新，成像精度也不断提高，并逐渐向着活体、无损伤和高分辨率观测的方向发展。其他如磁共振、CT成像等技术手段，实际上也属于层析成像的方法之一，但由于人眼的特殊构造，视网膜隐藏于体内且结构微观，暂时未取得全面发展。人眼是一个典型的光学系统，并且因人而异的存在各种屈光不正和高低阶像差，再加上所有成像光学成像系统自身都存在的设计、加工误差，使得像差的存在较大的限制了光学成像系统的成像效果和分辨率。因此，波前像差的测量、校正与研究，以及结合波前像差校正技术的各种活体高分辨率成像仪器，就成为近年来眼视光领域的研究热点之一。光电子成像技术在眼视光领域的整体发展也逐渐呈现出高分辨率、无损伤和活体观测等多元化发展趋势，出现了一批包括离子显微镜、光学相干层析成像仪和自适应光学共焦显微镜在内的各种新型光电子成像医疗器械，也极大的推动了眼科疾病的诊疗、科研水平。

像差与像差校正

在眼科生物组织光学成像系统中，像差是无法回避的内容之一，包括人眼屈光不正的低价、高阶像差以及光学系统自身像差。由于任何光学系统实际上都会存在一定程度的像差。因此，未经像差校正的光学系统很难获得接近衍射极限的光学图像。描述像差的模型很多，Zernike 模式法是一种广泛使用的像差描述方法被用来研究光学系统的像差，在人眼成像领域，众多研究团体对人眼像差进行了较为系统的分析和研究，其中Rochester大学的视光学研究团队是这个领域的代表之一，他们于2001年研究得到了统计学意义上一般人眼像差的Zernike 系数分布规律表明人眼像差的80%为低阶像差。一般而言，普通近视、远视或散光患者，通过配戴合适的校正镜片，就能较好的解决裸眼观测视力下降的问题，但当患者希望进一步看清物体细节，或者光学成像系统希望能观测到视网膜单细胞图像的时候，人眼高阶像差就成为影响观测分辨率的重要因素。因此，研究、测量并校正这些高阶像差，就成为获取视网膜高分辨率图像时不可或缺的手段，也是自适应光学技术的主要研究内容。

在波前像差测量和研究领域，国内外众多研究团队开展了较多卓有意义的研究工作，在镜片像差设计与波前像差测量领域，也相继涌现了多种像差测量方法。基于像差测量和同步校正原理的自适应光学技术，是一种能够实时测量和校正像差的最重要的方法之一。自适应光学技术最早应用于天文观测，后逐渐扩展到光束质量控制、人眼成像等很多领域。国内中国科学院光电技术研究所是世界上最早开始研究自适应光学技术，并拓展其在天文、人眼观测领域的研究单位之一，在自适应光学领域取得了令世界瞩目的研究成果。在国际上自适应光学与光电子成像技术研究中，自适应光学激光扫描检眼镜和自适应光学相干层析成像仪，

是自适应光学技术在眼视光科学领域应用的标志成果之一。

眼视光领域几种主要光电子成像仪器

1．电子显微镜

由于普通光学显微镜的放大倍数和分辨率有限，无法观测到微小物体，而电子显微镜则可以通过使用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像。电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示，20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3nm(人眼的分辨本领约为0.1mm)。现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜，可以直接观察眼底视网膜上几乎所有生物组织的微细结构。离子显微镜是在电子显微镜基础上更新改进的新技术新产品，则借以离子束代替电子束以获得更短的波长，米勒曾经利用氦的离子显微镜成功地拍摄到金属表面的单独分子运动，这种离子显微镜可以分辨原子之间相隔百万分之二十七厘米的空隙，它是目前显微镜中最好的一种[28]。相比光学显微镜而言，电子显微镜虽然具备高分辨率优势，但也存在一定的不足，尤其是现阶段的电子显微镜尚无法对眼底生物组织进行活体观测，而且其成像效果不如光学成像完美可靠，因此很难直接应用于临床上对在体眼科疾病诊断。而其他各种基于光学成像技术的光电子成像仪器的蓬勃发展，则逐步向着活体观测与临床在体诊断方面发展，并且取得了丰硕的研究成果

2.检眼镜

检眼镜是一种能够用于直接观测病人眼表或眼底细节的光学眼科诊断器械。1850年Hermannvon Helmholtz发明基于气体灯照明的直接检眼镜[29]，对人眼进行近距离观测以诊断眼底疾病。1852年，ChristianGeorgTheodorRuete发明了间接检眼镜[30]。1861年GiraudTeulon发明了双目间接检眼镜，获得了较好的立体视觉，1947年Schepens进行了改良，制成双目间接检眼镜[31]。因此直到现在，检眼镜都因其简单、便携、快捷的特点，成为眼科医生进行眼科疾病诊断的主要工具之一，在普通眼科疾病的例行筛查和诊断中占据重要位置。

3. 自适应光学激光扫描检眼镜

自适应光学激光扫描检眼镜(Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope，AOSLO)，把自适应光学波前测量与校正技术引入传统的扫描激光成像系统，通过对人眼视网膜在二维方向上实施逐点扫描，使用针孔屏蔽待测生物组织焦平面以外的杂散光信号并提取生物组织反射光信号，得到待测成像生物组织共焦图像，是眼底成像领域另外一种重要的成像手段。长期以来，传统的共焦扫描眼底成像受限于人眼像差和光学系统自身像差的影响，无法获取理想的眼底图像。1997年美国Rochester大学DavidWilliams实验室首次把人眼像差测量技术引入人眼眼底成像领域，发展了基于自适应光学技术的激光扫描检眼镜实验系统，获得了人眼视网膜视锥细胞图像。经过近10年的发展，自适应光学激光扫描眼底成像系统，已经成为研究视网膜细胞特征和眼底疾病最主要的仪器之一，在国际上眼底高分辨率在体观测领域形成一个研究热点。2002年AustinRoorda在UniversityofHouston建立了第一代也是第一台AOSLO实验系统，获得了预期的实验结果，图1c是其基本原理框架图，该系统采用基于PZT压电陶瓷技术的变形镜对人眼像差进行实时校正，通过置于共轭平面上的横向扫描振镜、纵向扫描振镜实现光学系统对人眼视网膜的面扫描，保证人眼瞳孔、针孔、二维扫描系统与波前探测器件和波前校正器件精确共轭的前提下，得到消除了人眼像差影响的视网膜高分辨率图像。随后，美国Indiana大学和Houston大学研究团队，则在实验室发展了以大视场成像、多变形镜同步校正获取更高分辨率为主要特征的第二代AOSLO系统，进一步增强了AOSLO的成像功能和分辨率。图1d描述了Houston大学得到的人眼黄斑区域图像，单个视锥细胞清晰可见，图像对比度大幅提高，成像分辨率接近衍射极限。

在适应光学技术与激光扫描检眼镜研究领域，国内中科院光电技术研究所，是世界上最

早开展这项研究的单位之一，并通过与临床单位进行合作，取得了较好的前期实验结果，在2002年取得了人眼视网膜图像，成像分辨率接近衍射极限，代表了国内眼底高分辨率成像领域目前最高研究水平

光电成像逐渐应用到人们的日常生活中,既是国家科技的进步,也是人们对未知区域的相关探索，而将这些科技应用到医疗行业，足以证明在这个领域的研究已经相对趋于成熟，任何科技在挪用到医学上前，都得进行相当严格的实验，以确定是否会对人体构成威胁，避免了大量的医疗事故的出现。

现在人们往往希望更直观的得到信息，而通过成像技术将其更为形象化的展示出来也是现代科技的发展趋势，这样更有利于更多的人们去接受高新科学技术，并让大家的生活更加美好。

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