光電成像技術讀書報告

2021-03-04 03:00:05 字數 4295 閱讀 3422

光電子成像技術是眼視光研究領域的重要組成部分,在幫助臨床和科研人員獲取人眼生物組織影象、提高眼科醫療水平上起著很重要的作用。近十年來,與波前像差測量、校正相關的技術研究與光電子成像儀器發展引起了廣泛的關注,自適應光學技術與光學相干層析成像儀、共焦掃面雷射檢眼鏡的結合,使得醫生能夠獲得活體人眼眼底細胞量級上的細胞、血管和視盤篩板影象,從而對眼科疾病實現超早期診斷與**有著深遠的影響。

光電子成像技術,在眼視光科研與疾病研究上,有著重要的意義。作為獲取人眼表面或內部生物組織影象的重要方法,在幫助眼科醫生診斷**眼科疾病、協助科研人員研究眼視光科學方面扮演著重要的角色,極大地推動了眼視光學科的發展。在眼視光領域廣泛使用的各種光學、電子成像儀器中,電子顯微鏡具有很高的解析度,最新掃瞄電子顯微鏡能達到0.

5nm超高解析度,眼科醫生和研究人員可以通過電子顯微鏡觀測到奈米量級上人眼生物組織的微觀結構,在電子顯微鏡下觀察得到的各類眼科影象至今還是眼視光學科研教學方面的標準。

光學成像儀器種類繁多,從2023年發明的檢眼鏡到現在各種高解析度成像儀器,成像方法不斷創新,成像精度也不斷提高,並逐漸向著活體、無損傷和高解析度觀測的方向發展。其他如磁共振、ct成像等技術手段,實際上也屬於層析成像的方法之一,但由於人眼的特殊構造,視網膜隱藏於體內且結構微觀,暫時未取得全面發展。人眼是乙個典型的光學系統,並且因人而異的存在各種屈光不正和高低階像差,再加上所有成像光學成像系統自身都存在的設計、加工誤差,使得像差的存在較大的限制了光學成像系統的成像效果和解析度。

因此,波前像差的測量、校正與研究,以及結合波前像差校正技術的各種活體高解析度成像儀器,就成為近年來眼視光領域的研究熱點之一。光電子成像技術在眼視光領域的整體發展也逐漸呈現出高解析度、無損傷和活體觀測等多元化發展趨勢,出現了一批包括離子顯微鏡、光學相干層析成像儀和自適應光學共焦顯微鏡在內的各種新型光電子成像醫療器械,也極大的推動了眼科疾病的診療、科研水平。

像差與像差校正

在眼科生物組織光學成像系統中,像差是無法迴避的內容之一,包括人眼屈光不正的低價、高階像差以及光學系統自身像差。由於任何光學系統實際上都會存在一定程度的像差。因此,未經像差校正的光學系統很難獲得接近衍射極限的光學影象。

描述像差的模型很多,zernike模式法是一種廣泛使用的像差描述方法被用來研究光學系統的像差,在人眼成像領域,眾多研究團體對人眼像差進行了較為系統的分析和研究,其中rochester大學的視光學研究團隊是這個領域的代表之一,他們於2023年研究得到了統計學意義上一般人眼像差的zernike係數分布規律表明人眼像差的80%為低階像差。一般而言,普通近視、遠視或散光患者,通過配戴合適的校正鏡片,就能較好的解決裸眼觀測視力下降的問題,但當患者希望進一步看清物體細節,或者光學成像系統希望能觀測到視網膜單細胞影象的時候,人眼高階像差就成為影響觀測解析度的重要因素。因此,研究、測量並校正這些高階像差,就成為獲取視網膜高解析度影象時不可或缺的手段,也是自適應光學技術的主要研究內容。

在波前像差測量和研究領域,國內外眾多研究團隊開展了較多卓有意義的研究工作,在鏡片像差設計與波前像差測量領域,也相繼湧現了多種像差測量方法。基於像差測量和同步校正原理的自適應光學技術,是一種能夠實時測量和校正像差的最重要的方法之一。自適應光學技術最早應用於天文觀測,後逐漸擴充套件到光束質量控制、人眼成像等很多領域。

國內中國科學院光電技術研究所是世界上最早開始研究自適應光學技術,並拓展其在天文、人眼觀測領域的研究單位之一,在自適應光學領域取得了令世界矚目的研究成果。在國際上自適應光學與光電子成像技術研究中,自適應光學雷射掃瞄檢眼鏡和自適應光學相干層析成像儀,是自適應光學技術在眼視光科學領域應用的標誌成果之一。

眼視光領域幾種主要光電子成像儀器

1.電子顯微鏡

由於普通光學顯微鏡的放大倍數和解析度有限,無法觀測到微小物體,而電子顯微鏡則可以通過使用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡,使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像。電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示,20世紀70年代,透射式電子顯微鏡的解析度約為0.3nm(人眼的分辨本領約為0.

1mm)。現在電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍,而光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍,所以通過電子顯微鏡,可以直接觀察眼底視網膜上幾乎所有生物組織的微細結構。離子顯微鏡是在電子顯微鏡基礎上更新改進的新技術新產品,則藉以離子束代替電子束以獲得更短的波長,公尺勒曾經利用氦的離子顯微鏡成功地拍攝到金屬表面的單獨分子運動,這種離子顯微鏡可以分辨原子之間相隔百萬分之二十七厘公尺的空隙,它是目前顯微鏡中最好的一種[28]。

相比光學顯微鏡而言,電子顯微鏡雖然具備高解析度優勢,但也存在一定的不足,尤其是現階段的電子顯微鏡尚無法對眼底生物組織進行活體觀測,而且其成像效果不如光學成像完美可靠,因此很難直接應用於臨床上對在體眼科疾病診斷。而其他各種基於光學成像技術的光電子成像儀器的蓬勃發展,則逐步向著活體觀測與臨床在體診斷方面發展,並且取得了豐碩的研究成果

2.檢眼鏡

檢眼鏡是一種能夠用於直接觀測病人眼表或眼底細節的光學眼科診斷器械。2023年hermannvon helmholtz發明基於氣體燈照明的直接檢眼鏡[29],對人眼進行近距離觀測以診斷眼底疾病。2023年,christiange***theodorruete發明了間接檢眼鏡[30]。

2023年giraudteulon發明了雙目間接檢眼鏡,獲得了較好的立體視覺,2023年schepens進行了改良,製成雙目間接檢眼鏡[31]。因此直到現在,檢眼鏡都因其簡單、便攜、快捷的特點,成為眼科醫生進行眼科疾病診斷的主要工具之一,在普通眼科疾病的例行篩查和診斷中佔據重要位置。

3. 自適應光學雷射掃瞄檢眼鏡

自適應光學雷射掃瞄檢眼鏡(adaptive optics scanning laser ophthalmoscope,aoslo),把自適應光學波前測量與校正技術引入傳統的掃瞄雷射成像系統,通過對人眼視網膜在二維方向上實施逐點掃瞄,使用針孔遮蔽待測生物組織焦平面以外的雜散光訊號並提取生物組織反射光訊號,得到待測成像生物組織共焦影象,是眼底成像領域另外一種重要的成像手段。長期以來,傳統的共焦掃瞄眼底成像受限於人眼像差和光學系統自身像差的影響,無法獲取理想的眼底影象。,發展了基於自適應光學技術的雷射掃瞄檢眼鏡實驗系統,獲得了人眼視網膜視錐細胞影象。

經過近10年的發展,自適應光學雷射掃瞄眼底成像系統,已經成為研究視網膜細胞特徵和眼底疾病最主要的儀器之一,在國際上眼底高解析度在體觀測領域形成乙個研究熱點。,獲得了預期的實驗結果,圖1c是其基本原理框架圖,該系統採用基於pzt壓電陶瓷技術的變形鏡對人眼像差進行實時校正,通過置於共軛平面上的橫向掃瞄振鏡、縱向掃瞄振鏡實現光學系統對人眼視網膜的面掃瞄,保證人眼瞳孔、針孔、二維掃瞄系統與波前探測器件和波前校正器件精確共軛的前提下,得到消除了人眼像差影響的視網膜高解析度影象。隨後,美國indiana大學和houston大學研究團隊,則在實驗室發展了以大視場成像、多變形鏡同步校正獲取更高解析度為主要特徵的第二代aoslo系統,進一步增強了aoslo的成像功能和解析度。

圖1d描述了houston大學得到的人眼黃斑區域影象,單個視錐細胞清晰可見,影象對比度大幅提高,成像解析度接近衍射極限。

在適應光學技術與雷射掃瞄檢眼鏡研究領域,國內中科院光電技術研究所,是世界上最早開展這項研究的單位之一,並通過與臨床單位進行合作,取得了較好的前期實驗結果,在2023年取得了人眼視網膜影象,成像解析度接近衍射極限,代表了國內眼底高解析度成像領域目前最高研究水平

光電成像逐漸應用到人們的日常生活中,既是國家科技的進步,也是人們對未知區域的相關探索,而將這些科技應用到醫療行業,足以證明在這個領域的研究已經相對趨於成熟,任何科技在挪用到醫學上前,都得進行相當嚴格的實驗,以確定是否會對人體構成威脅,避免了大量的醫療事故的出現。

現在人們往往希望更直觀的得到資訊,而通過成像技術將其更為形象化的展示出來也是現代科技的發展趨勢,這樣更有利於更多的人們去接受高新科學技術,並讓大家的生活更加美好。

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