裂隙燈的結構原理及發(fā)展

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隙燈又稱裂隙燈顯微鏡或裂隙燈檢測儀，作為一種重要的眼科臨床檢查儀器，在眼病臨床診斷方面發(fā)揮著極其重要的作用，也是眼科臨床使用最頻繁的檢查設備之一[1]。眼科臨床診斷的精準度主要由兩方面決定：一是眼科醫(yī)師的臨床經(jīng)驗豐富與否，二是裂隙燈本身的精準化程度[2-5]。裂隙燈的精細化水平直接決定著檢測的精準度[6-7]。通過裂隙燈可以清晰地觀察眼瞼、結膜、鞏膜、角膜、前房、虹膜、瞳孔、晶狀體及玻璃體前1/3，可確定病變的位置、性質、大小及深度，若配以附件，其檢查范圍將更廣泛。一臺高精尖的裂隙燈可以大大降低眼科醫(yī)師的操作難度，提高診斷效果。目前，國內(nèi)和國外的研發(fā)情況各有所長[8-10]，國外以德國蔡司公司VISULAS系列產(chǎn)品為代表，VISULASTrion激光裂隙燈，不僅具有診斷作用，還可治療青光眼和白內(nèi)障等眼疾，采用具有Ｈ個波長（532nm，561nm，659nm）的激光光凝系統(tǒng)，功能齊全；國內(nèi)以上海美沃的電動對焦裂隙燈顯微鏡（MFS）為代表，該裂隙燈是一種一體化（CCD內(nèi)置）數(shù)碼裂隙燈，其主要由上光源轉鼓變倍裂隙燈顯微鏡、電動對焦模塊、裂隙燈圖像采集管理軟件等組成，可輕松實現(xiàn)精確對焦、采集圖像和病歷檔案管理，并在MFS的基礎上，升級為遠程會診系統(tǒng)，其智能操作系統(tǒng)還可實現(xiàn)自動曝光、自動增益與自動白平衡，自動對焦后可自動抓拍若干清晰成像照片。目前，國內(nèi)三甲醫(yī)院都在逐步購進基于計算機視覺技術的數(shù)碼裂隙燈[11]。本研究在分析裂隙燈基本結構及原理的基礎上，對裂隙燈的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，并指出其發(fā)展趨勢。

1裂隙燈的基本結構及原理

1.1基本結構

裂隙燈結構一般包括4部分，即照明系統(tǒng)、雙目立體顯微鏡（觀察系統(tǒng)）、頭架系統(tǒng)、運動滑臺系統(tǒng)及工作臺（底座）[12]，如圖1所示。如目前臨床使用的先進數(shù)字裂隙燈在傳統(tǒng)結構的基礎上，增設了攝像接口，該接口可以連接光學適配器，后面增設了電荷耦合器件（chargecoupleddeice，CCD）攝像頭，其圖像通過CCD攝像采集形成視頻信息，最后傳送到上位機，成像并儲存。圖1　裂隙燈外形結構圖

1.2基本原理

裂隙燈采用光學原理，集中并有效利用光源。裂隙燈基本工作原理如圖2所示。裂隙燈的照明系統(tǒng)采用的是柯拉照明[13]；光源由集光鏡集光后，為裂隙提供光源；同時裂隙投射形成一個裂隙像；該裂隙像經(jīng)手動撥盤后，通過投射物鏡的投射和反射鏡的反射，最后在眼部檢查部位成像，并形成一個光亮的橫切面，進而通過雙目立體顯微鏡（目鏡）檢查眼科患者眼睛的組織病狀。在進行臨床檢查時，裂隙燈的系數(shù)一般需要倍率放大調整。操作中，總的放大倍率梯度是通過調節(jié)投射物鏡的倍率實現(xiàn)的，有時也通過更換目鏡的倍率實現(xiàn)[14]。

2裂隙燈的發(fā)展現(xiàn)狀

裂隙燈自1911年問世以來，已經(jīng)有百余年的發(fā)展史，并活躍于醫(yī)院臨床診斷一線，對臨床醫(yī)學做出了較大的貢獻。裂隙燈的研究和發(fā)展共經(jīng)歷了3個主要階段[15]，按發(fā)展先后順序，分別為傳統(tǒng)型裂隙燈階段、照相型裂隙燈階段和數(shù)字型裂隙燈階段。

2.1第一代傳統(tǒng)型裂隙燈

20世紀初，兩位瑞典研究人員CarlZeiss和AllvarGullstrand研制了世界上第一臺裂隙燈[16]。臨床應用中，醫(yī)師可以手持裂隙燈對患者進行檢查。該裂隙燈具有體積小、重量徑、攜帶方便的特點，同時具備診斷的基本功能。第一臺裂隙燈的商業(yè)化掀起了眼病臨床診斷的技術性革命，促進并發(fā)展了眼科專家對眼病的臨床診斷能力，有效減少了臨床醫(yī)師的工作量。20世紀20年代，在第一臺裂隙燈的基礎上，Vogt對裂隙燈的光學系統(tǒng)排列進行了改進，光源采用碳弧燈，提升了照明強度，通過調整裂隙可形成光切面，且放大倍率可調，同時拓展了多種檢查方法，使裂隙燈更適用于臨床檢查診斷[17]，進而為后來裂隙燈的研究奠定了基礎[18-20]。國內(nèi)第一臺裂隙燈問世于20世紀60年代的上海醫(yī)用光學儀器廠[21]。同一時期，蘇州醫(yī)療器械廠（蘇州六六視覺的前身）研制、生產(chǎn)出了我國首臺接近臨床使用的裂隙燈。在后來不斷完善的產(chǎn)品研制過程中，該廠成為國產(chǎn)裂隙燈的主要生產(chǎn)廠家，并將產(chǎn)品商業(yè)化，使其在眼病臨床檢查診斷中得到了普及應用。該廠研發(fā)的裂隙燈顯微鏡產(chǎn)品種類齊全，代表產(chǎn)品YZ2為手持式裂隙燈，同樣具有結構簡單、體積小、使用方便等優(yōu)點。國內(nèi)外第一代傳統(tǒng)型裂隙燈的優(yōu)勢在于結構簡單、價格便宜、普及度較高，但具有分辨力低、影像無法保存、重復率低等不足，且只能通過臨床醫(yī)師肉眼觀察，長時間觀測會產(chǎn)生視覺疲勞。

2.2第二代照相型裂隙燈

20世紀60年代中期，Littamm研發(fā)了一種照相裂隙燈，該照相裂隙燈通過相機拍攝可以實現(xiàn)記錄、拍圖功能[22]。同一時期，我國蘇州醫(yī)療器械廠設計、研制出了一種新型裂隙燈，該裂隙燈基于相機拍攝記錄圖像，實現(xiàn)了照相功能[23]，其代表產(chǎn)品有YZ5T、YZ5S、YZ5G型，這3類產(chǎn)品均使用相機拍攝患者眼底圖像，提高了拍攝患者眼底圖像的清晰度，可以輔助臨床醫(yī)師更清晰地觀察患者眼底的細微病變情況。但系統(tǒng)的光路制作主要使用進口材料，成本較高；同時，由于當時底片處理較為繁雜，在對拍攝的眼底圖像底片進行處理過程中，經(jīng)常出現(xiàn)意想不到的損壞，因此，該裂隙燈只用于眼科醫(yī)學研究、臨床教學，并未得到商業(yè)化推廣應用。第二代照相型裂隙燈的優(yōu)勢在于具備簡單的圖像處理功能，不足在于價格較高，需要手動操作及后期處理，且未能解決第一代傳統(tǒng)型裂隙燈的不足。

2.3第三代數(shù)字型裂隙燈

隨著數(shù)字成像技術的逐漸成熟，世界首臺數(shù)字型裂隙燈由美國Torance醫(yī)療器械生產(chǎn)公司研制成功[24]，如圖3所示。該數(shù)字型裂隙燈可以存儲患者的眼病圖像，具備便捷的圖像處理特點[25-28]，可以輔助臨床診斷，提高眼部病患的診斷效果。1990—2000年，國內(nèi)新型數(shù)字型裂隙燈獲得了系統(tǒng)深入的研發(fā)，代表產(chǎn)品有蘇州六六視覺科技股份有限公司研制的YZ905氨離子激光裂隙燈，其兼有治療功能，當時被評為國家重點新產(chǎn)品；云南云澳光電有限公司研發(fā)的LDX裂隙燈顯微鏡也是當時國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品之一，其加長了工作距離（108mm），降低了攜帶傳染病源檢查患者的院內(nèi)感染風險。這兩種新型數(shù)字型裂隙燈均通過單反相機實現(xiàn)眼底圖像的采集，具有實時顯示并采集眼病圖像的特點，在臨床應用中實現(xiàn)了對眼病圖像的有效存儲和管理[29-32]，顯著提升了眼病的臨床檢查診斷效果。隨著全球市場化程度的發(fā)展，我國制造的數(shù)字型裂隙燈也銷售到了國外，近年來出口量每年都在提升。第三代數(shù)字型裂隙燈的主要優(yōu)勢在于能夠利用計算機對人眼進行動態(tài)觀察，具有高分辨力成像、快速捕捉影像、隨時儲存信息、準確診斷病變組織等優(yōu)點，在眼視光學領域中具有明顯的優(yōu)勢。目前國內(nèi)三級醫(yī)院眼科臨床檢查基本都采用數(shù)字型裂隙燈。主要不足在于研制過程困難，價格高昂，難以應用于中小型醫(yī)院及社區(qū)醫(yī)院。

3不足與展望

目前，我國的裂隙燈產(chǎn)業(yè)處于飛速發(fā)展中，產(chǎn)品硬件方面雖與歐美等發(fā)達國家還有差距，但差距在逐漸縮小[33-36]；軟件方面，國內(nèi)大部分裂隙燈配備的都是國外產(chǎn)品，成熟的國內(nèi)產(chǎn)品較少，所以還有較大的發(fā)展空間。目前，我國數(shù)字型裂隙燈市場主要存在以下問題。（1）國外企業(yè)研發(fā)設備占比大：目前，市場銷售數(shù)字型裂隙燈的嵌入系統(tǒng)多為國外企業(yè)研發(fā)，受知識產(chǎn)權的保護，系統(tǒng)國產(chǎn)化的進一步研發(fā)和應用受到了較大程度的限制。（2）新技術融合滯后：關于數(shù)字型裂隙燈的研發(fā)與應用，文獻記載大多為眼病臨床診斷與治療方面的研究[37-40]，計算機視覺技術、激光理論研究和人工智能技術等新工科技術的融合較少。近十年來，計算機視覺技術的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展促進了醫(yī)學臨床儀器向數(shù)字化方向邁進[35]。研究人員結合新的視覺技術，通過數(shù)字型裂隙燈進行眼病病情分析系統(tǒng)的研發(fā)，目標是輔助臨床眼科專家精準分析患者病情，但是諸多客觀因素影響了新技術的進一步發(fā)展，原因主要包括兩個方面：一是眼病患者各異、病狀各異，導致臨床診斷標準不一；二是基于計算機視覺技術的數(shù)字裂隙燈病情分析系統(tǒng)由于采用新技術，理論不斷深入，實驗周期長，病例積累難，增加了研發(fā)難度。未來計算機視覺技術、激光理論研究和人工智能技術研究的深入，將引領裂隙燈向光、機、電及計算機集成的數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[39-40]，臨床輔助治療儀器的發(fā)展趨勢是數(shù)字化和智能化，裂隙燈作為眼科臨床輔助治療的重要設備之一，其發(fā)展路徑也是如此。首先，其功能特性緊隨計算機視覺技術方向，趨向多元化，更加智能化。其次，激光理論研究及應用技術的深入促使未來的裂隙燈向光、機、電及計算機集成的數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。最后，人工智能技術的興起、大數(shù)據(jù)理論的深入研究，使裂隙燈的遠程化、網(wǎng)絡化程度逐步提升。

4結語

醫(yī)療器械向數(shù)字化、智能化轉型是大勢所趨，未來數(shù)字型裂隙燈趨向于智能化方向發(fā)展。我國人口眾多，眼病患者數(shù)量龐大、樣本多樣，對裂隙燈嵌入算法進行深入優(yōu)化，融合計算機視覺技術、激光理論研究及應用技術、人工智能技術等技術及其機制的新理論、新方法，有助于提升裂隙燈科研、教學的使用精度和廣度，對促進其臨床檢查診斷應用效果更佳。未來計算機視覺技術、激光理論及應用技術、人工智能技術研究的系統(tǒng)深入，將進一步推動裂隙燈的智能化水平升級和技術革新，提高其臨床檢查診斷效能，使眼病患者不斷獲益。

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作者:武勁圓 陳磊 魏宏博 劉增業(yè) 單位:天津市第一中心醫(yī)院 天津科技大學電子信息與自動化學院