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眼见为实:Mikrotron 相机在用于眼科学而开发的瞳孔跟踪设备中的应用

2023-2-15 09:07| 发布者: 光执事| 查看: 760| 评论: 0

摘要: 即使眼睛固定在一个目标上,人类的眼睛也在不断的无意识运动。当眼睛的无意识运动在振幅和角速度上达到极端时,它就是一种医学状况,称为眼震。眼震最常见的原因是出生时或儿童早期发展的神经问题。后期发生的获得性 ...

        即使眼睛固定在一个目标上,人类的眼睛也在不断的无意识运动。当眼睛的无意识运动在振幅和角速度上达到极端时,它就是一种医学状况,称为眼震。眼震最常见的原因是出生时或儿童早期发展的神经问题。后期发生的获得性眼震可能是另一种状况或疾病的症状。


瞳孔跟踪器光学装置图示,显示了 Mikrotron 相机、干涉带通滤波器和无色双透镜(L1 到 L3)。相机相对于光学轴倾斜,以补偿 45° 物体面倾斜,这有助于与眼底镜或其他设备集成。图像来源:斯坦福大学


         眼震对于使用眼底镜诊断和监测眼疾病(包括青光眼、糖尿病和高血压)或评估视网膜脱离症状的医生来说带来了一些问题。眼震可以在眼底镜图像中引入大量模糊,并在扫描眼底镜图像中产生扭曲,使眼疾病的检测变得困难。模糊和扭曲在自适应光学眼底镜检查中尤其有问题,因为其高放大率和小视野。


         斯坦福大学眼科系的研究人员(加州帕洛阿尔托)已经开发了一种低延迟单眼瞳孔跟踪器,使用混合 FPGA-CPU 计算。他们发现,通过重叠从高分辨率相机下载的像素流中的图像处理(而不是在开始处理前完全下载图像的更常规方法),可以减少延迟,因此减少眼底镜图像的模糊。高精度和低延迟使得他们的设备适合需要实时眼动补偿的视网膜成像、视网膜功能测试、视网膜激光治疗和屈光手术。

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         这款瞳孔跟踪器是用现成组件构建的,目的是提高性能和成本。它由一个带有红外照明的光学系统组成,该光学系统将眼睛的瞳孔投射到连接到计算机FPGA的Mikroton CMOS摄像机上,该计算机配有强大的CPU。两个940 nm发光二极管位于最靠近眼睛的镜头的左右两侧。使用两个LED而不是一个LED可以将视网膜辐照分散到两个区域上,这两个区域的中心相差约25°的视角,比使用单个LED提供更好的光安全。


         具体而言,瞳孔跟踪器是使用Mikroton EoSens 3CL摄像机评估的,该摄像机具有扩展全配置CameraLink接口,在捕捉8位深度图像时可以达到此接口允许的最大下载数据率。紧凑的EoSens 3CL摄像机的最高分辨率为1696×1710像素,帧率为285 fps。集成的可调节区域兴趣功能使得在628 fps的分辨率下操作1280×1024像素,在1280×720的分辨率下操作893 fps,在1000×1000的分辨率下操作816 fps。它可以在减小分辨率的情况下实现285,000 fps的无级可调帧率。


          在测试中使用了三种光学装置,领域大约为18mm平方,分别倾斜45°与光轴相对,对应的倾斜图像平面。第三种实验方法使用 Mikrotron 设备捕捉210×284像素图像,具有0.18ms曝光,每秒5400帧。相机的原始像素值下载到了一个可重构帧抓取器,该帧抓取器具有Kintex-7 325T FPGA,使用LabVIEW FPGA模块和Vivado设计套件进行定制编程。帧抓取器安装在一台具有Intel i7-6850K CPU和Nvidia GeForce GTX 1050独立GPU的计算机的PCIe插槽中。在FPGA像素流上进行背景减法、场平整、1维低通滤波、阈值处理和稳健的瞳孔边缘检测,然后在CPU上对瞳孔边缘像素坐标进行最小二乘拟合,拟合成椭圆形。


          在正常固定主体上成功演示了每秒575、1250和5400帧的瞳孔跟踪。根据研究,这种方法似乎非常适合以与当前瞳孔跟踪器相当或更高的精度跟踪瞳孔。高精度和低延迟使该设备适合需要实时眼动补偿的应用,如视网膜成像、视网膜功能测试、视网膜激光治疗和屈光手术。


该项目由“预防失明研究”和“国家眼科研究所”资助。

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