一种用于检测眼底成像设备的简化模型眼

【作 者】彭建华，贾晓航，王敬涛，胡一平

浙江省医疗器械检验研究院，杭州市，310018

0 引言

眼底成像检查类医疗器械主要包括眼底照相机、眼底造影机、眼底扫描仪等。其中，眼底照相机是典型代表，将眼底以黑白或彩色照片的形式记录和保存下来，从而用于眼底疾病诊断[1-2]。其主要光学性能包括分辨率、视场角等，这些性能指标的准确性直接关系到诊断的有效性，进而关系到患者眼睛的安全[3-4]。眼底照相机产品的国际标准ISO 10940: 2009《眼科仪器 眼底照相机》[5]已发布实施，目前该国际标准中的分辨率、视场角测量方法是在距离眼底照相机1 m位置处使用视标来测量。该方法在空气中测量，是一种假定等效的方法，与实际人眼的成像情况像差较大。因此，有必要研究一种模拟人眼成像的眼底成像检测用模型眼。

20世纪初，瑞典眼科专家Gullstrand提出的眼模型是后来在眼视光领域应用最为广泛的眼光学模型[6-7]。Gullstrand将人眼作为一个光学系统，最早研究了角膜的散光，并提出了模型眼的概念。Gullstrand提出三种具有权威性的模型眼：①Gullstrand I号模型眼，又称为Gullstrand精密模型眼，共有6个折射面，分别为角膜前表面、角膜后表面、晶状体皮质前表面、晶状体皮质后表面、晶状体核前表面、晶状体后表面，通过晶状体的曲率和厚度的改变来表示人眼的屈光状态；② Gullstrand Ⅱ号模型眼包含了三个面，包括了单一面的角膜和一个薄晶状体；③ 简化模拟眼，忽略了晶状体的厚度，实际上近似用一个折射面代替。其中，Gullstrand I号模型眼作为一种经典模型眼，其参数接近人眼实际情况，图1和表 1中分别给出了Gullstrand I号模型眼在非调节状态时的结构图和光学数据。

由于Gullstrand I号模型眼是接近实际人眼的理论模型眼，其结构较为复杂，涉及到6个折射面、1个视网膜面和6层组织，且模型眼中各组织层材料的折射率与实际人眼折射率一致，因此选取合适的材料加工制作Gullstrand I号模型眼难度较大，所以本文结合ISO 10940: 2009《眼科仪器 眼底照相机》的检验用途，基于Gullstrand I号模型眼，研究设计出一种模拟人眼成像的眼底成像检测用简化模型眼，具有与人眼接近的光学参数，如焦距、组织间低反射率、像差等。

图1 Gullstrand Ⅰ号模型眼示意图Fig.1 Diagram of Gullstrand I model eye

表1 Gullstrand I号模型眼的光学参数Tab.1 Optical parameters of the Gullstrand I model eye

1 简化模型眼设计思路

本文基于Gullstrand I号模型眼，设计一种用于眼底成像检测的简化模型眼，模型眼设计考虑要点为：①模型眼的屈光特性模拟实际人眼屈光组织，其等效空气中焦距应与人眼接近；② 考虑模型眼相邻材料层之间的反射光不应影响到眼底照相机接收到的眼底图像，相邻材料层之间的反射光应尽可能降低，结合人眼屈光组织层之间（角膜与房水、房水与晶状体、晶状体与玻璃体）的低反射特性，所以模型眼相邻材料的相对折射率差应与Gullstrand I号模型眼屈光组织任意相邻的两层之间的相对折射率差接近；③ Gullstrand Ⅰ号模型眼作为具有权威性的模型眼，认为其水平代表非调节状态时人眼的正常像差水平，并考虑结合眼底成像分辨率检测，所以，模型眼的近轴光与轴外光的弥散斑半径与Gullstrand I号模型眼接近，用以表征带像差的人眼；（4）考虑到眼底面与眼底照相机成像面的物象关系，模型眼出射主光线与眼底切线的夹角应与Gullstrand I 号模型眼接近；（5）模型眼的MTF会影响眼底照相机的最终成像质量，所以模型眼近轴光的MTF数值与Gullstrand I号模型眼应接近，这也是由于模型眼需用于考核眼底成像分辨率的要求。

综上所述，模型眼基于Gullstrand I 号模型眼进行简化设计形成，但不是无条件的简化，采用上述五个技术参数与Gullstrand I号模型眼的对应参数进行技术限定，故在技术参数上应达到如下要求：①其屈光特性模拟实际人眼屈光组织，等效空气中焦距为 17 mm；②相邻材料的相对折射率差均与Gullstrand I号模型眼屈光组织任意相邻的两层（角膜与房水、房水与晶状体、晶状体与玻璃体）之间的相对折射率差的偏差不大于1%，反射率的偏差不大于0.1%，几乎可忽略，从而反射光不影响到眼底照相机接收到的眼底图像；③在入射光阑为3 mm（正常人眼的瞳孔直径）的情况下，近轴光与轴外光的弥散斑半径与Gullstrand I 号模型眼偏差不大于15%，从而确保模型眼是参考Gullstrand I号模型眼在非调节状态时人眼的正常像差水平，为一种带像差的模型眼；④出射主光线与眼底切线的夹角与Gullstrand I 号模型眼偏差不大于1o，从而确保模型眼眼底视标经眼底照相机成像后的像宽与Gullstrand I号模型眼的偏差不大于1.7%（tan1o）；⑤在入射光阑为3 mm的情况下，近轴光的MTF数值与Gullstrand I 号模型眼偏差不大于0.1，从而确保模型眼镜头本身的成像质量并不影响眼底照相机的检测。

此外，ISO 10940: 2009检测方法5.2.2条款中提到检测光源可以是“由一个峰值波长介于520 nm～560 nm，半峰宽小于80 nm的绿色滤色片滤过的光源”[5]，故在设计中不考虑色差，采用与检测光源接近的单色D光（波长589.3 nm）进行评价。不考虑色差为模型眼材料的选择提供了方便，只需确保材料直接的相对折射率差与Gullstrand I号模型眼接近，实际设计中选用K9玻璃与H-BAK5玻璃。此外，模型眼第一个光学面的曲率半径与Gullstrand I号模型眼接近，模拟人眼角膜面；模型眼最后一个光学面的曲率半径与Gullstrand I号模型眼接近，模拟人眼视网膜面，即人眼眼底。采用ZEMAX设计，模型眼结果见第2节。

2 简化模型眼设计结果

该模型眼由三片光学透镜组成，整个镜头从物方到像方依次为第一镜片、第二镜片、第三镜片，三镜片之间的相邻面紧贴，其中第一镜片1为凸透镜，前表面和后表面的半径分别为8 mm和-14.027 mm，中心厚度为4.5 mm，光学面直径为9.5 mm，材料为K9玻璃；第二镜片2为凹透镜，前表面和后表面的半径分别为-14.027 mm和9.988 mm，中心厚度为1.5 mm，光学面直径为8.5 mm，材料为H-BAK5玻璃；第三镜片3为凸透镜，前表面和后表面的半径分别为9.988 mm和-11.476 mm，中心厚度为19.264 mm，前表面光学面直径为8.5 mm，后表面光学面直径为22.0 mm，材料为K9玻璃。简化模型眼示意图见图1，光学参数见表2。

图2 简化模型眼示意图Fig.2 Diagiam of simplified model eye

表2 简化模型眼的光学参数Tab.2 Optical parameters of simplified model eye

3 简化模型眼技术特征

（1）其屈光特性模拟实际人眼屈光组织，等效空气中焦距为17 mm。

（2）相邻材料的相对折射率差均与Gullstrand I号模型眼屈光组织任意相邻的两层（角膜与房水、房水与晶状体、晶状体与玻璃体）之间的相对折射率差的偏差不大于1%，反射率的偏差不大于0.1%，详见表3。

（3）在入射光阑为3 mm的情况下，近轴光与轴外光的弥散斑半径与Gullstrand Ⅰ号模型眼偏差不大于15%，详见表4。

（4）出射主光线与眼底切线的夹角与GullstrandⅠ号模型眼偏差不大于1°，详见表5。

表3 简化模型眼与Gullstrand Ⅰ号模型眼的组织折射率比较Tab.3 Comparison of refractive index between simplified model eye and Gullstrand I model eye

表4 简化模型眼与Gullstrand Ⅰ号模型眼的弥散斑半径比较Tab.4 Comparison of radii of the diffuse spots between simplified model eye and Gullstrand I model eye

表5 简化模型眼与Gullstrand Ⅰ号模型眼的出射主光线与眼底切线夹角比较Tab.5 Comparison of angles of chief ray and tangent line of the fundus between simplified model eye and Gullstrand I model eye

（5）选取ISO 10940: 2009中要求的分辨率指标为25 mm-1、40 mm-1、60 mm-1、80 mm-1、100 mm-1这五个空间频率处进行考察，在入射光阑为3 mm的情况下，近轴光的MTF数值与Gullstrand I号模型眼偏差不大于0.1，详见表6。

表6 简化模型眼与Gullstrand Ⅰ号模型眼的MTF值比较Tab.6 Comparison of MTF values between simplified model eye and Gullstrand I model eye

4 应用

将视场、分辨率视标加工后粘贴在模型眼的最后一面。粘贴后，放置在模型眼座里，配合固定装置，组成眼底检测用模型眼整体装置。采用日本尼德克公司AFC-330型眼底照相机进行检测。测量指标包括视场角与分辨率。

将模型眼放置于眼底照相机工作距离处，采用D光透射照明，眼底照相机调焦清楚后拍摄，检测拍摄结果如图3所示。

图3 采用简化模型眼检测图像与结果Fig.3 Photographs and results using simplified model eye

可直接根据视场角刻划线读出视场大小，分别读出左边缘视场角刻度为20.0o，右边缘视场角刻度为21.0o，所以视场角检测结果为41.5o；此外视场中心、视场中部、视场边缘可分辨的分辨率线线对分别为60 lp/mm、40 lp/mm、40 lp/mm。

从图3中一组图像可看出，全视场成像清晰，视场中心、视场中部、视场边缘无人眼可识别的场曲与畸变。模型眼可以直接读取视场角与分辨率的数值，满足检测眼底视场与分辨率的要求，可以替代ISO 10940: 2009的检测方法。

5 总结

本文认为Gullstrand Ⅰ号模型眼作为一种经典模型眼，其参数接近人眼实际情况，从而基于Gullstrand I号模型眼，设计了一种用于检测眼底设备的简化模型眼。简化模型眼考虑到眼底检测情况，考虑屈光特性、相邻材料的相对折射率差、近轴光与轴外光的弥散斑半径、出射主光线与眼底切线的夹角、近轴光的MTF这五个指标参数，使得与Gullstrand I 号模型眼接近。简化模型眼可预期替代IS0 10940《眼科仪器 眼底照相机》中的测量方法，用作检测眼底成像设备。