眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)中的二自由度頭托設(shè)計(jì)

潘宇駿，韓玉琢，解洪升，楊樂寶，王少鑫，李大禹，宣麗*

眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)中的二自由度頭托設(shè)計(jì)

潘宇駿1，3，韓玉琢2，解洪升1，3，楊樂寶1，3，王少鑫1，李大禹1，宣麗1*

(1．中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033; 2．長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，吉林長(zhǎng)春130021; 3．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

眼科臨床上所使用的簡(jiǎn)易頭托限定醫(yī)生與受試者的距離不能超過一臂之長(zhǎng)，因此無法用于較為龐大的眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)。為了達(dá)到眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)與受試者瞳孔快速對(duì)準(zhǔn)、穩(wěn)定定位的要求，設(shè)計(jì)了一種可長(zhǎng)距離控制的二自由度的頭托。采用具有自鎖能力的梯形絲杠驅(qū)動(dòng)頭托垂直運(yùn)動(dòng)，采用傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)頭托水平運(yùn)動(dòng)，以步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。基于PIC16F877單片機(jī)，完成了頭托移動(dòng)控制的軟硬件設(shè)計(jì)，并在MPLAB與Proteus環(huán)境下進(jìn)行了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的頭托可在豎直方向和水平方向以20 μm的精準(zhǔn)度定位，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離、快速準(zhǔn)確的瞳孔對(duì)準(zhǔn)和左右瞳孔切換過程，是眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的良好輔助工具。

眼底自適應(yīng)成像;頭托;絲杠;PIC16單片機(jī);步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

1 引言

人眼視網(wǎng)膜是反應(yīng)身體健康狀況的晴雨表。許多全身性疾病，包括醫(yī)生較關(guān)注的糖尿病、高血壓、腎病［1］等，都會(huì)引起血液成分改變。這些改變會(huì)首先造成微細(xì)血管梗阻、無灌注、血管壁變薄變脆，產(chǎn)生微血管瘤、出血、脂質(zhì)滲出、棉絮斑、新生血管形成［2］等現(xiàn)象。眼底視網(wǎng)膜具有終末血管系統(tǒng)，最微細(xì)的血管約6 μm［3］，對(duì)血液成分的變化非常敏感，在疾病早期就會(huì)產(chǎn)生變化。早發(fā)現(xiàn)、早治療，能夠大幅度地提高此類疾病的治愈幾率。因此高分辨率的視網(wǎng)膜微細(xì)血管形態(tài)檢查可以為重大疾病的病理學(xué)、早期診斷研究提供一個(gè)良好的平臺(tái)［4-6］。

本實(shí)驗(yàn)室從2005年開始進(jìn)行眼底視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像方面的研究，目前實(shí)驗(yàn)室已獲得了5～7 μm直徑的眼底血管成像。現(xiàn)正在努力實(shí)現(xiàn)微細(xì)血管層的自動(dòng)化尋焦成像［7］。

在眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)中，成像分辨率要細(xì)致到3 μm［8］，成像視場(chǎng)也從直徑10 mm縮小到200 μm，成像放大倍率較高，需將受試者的瞳孔與眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的入瞳嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，然后搜索視網(wǎng)膜微細(xì)血管層的過程還需要受試者保持長(zhǎng)時(shí)間(約1 min)的盯視視標(biāo)的狀態(tài)。這就需要頭托具有精細(xì)的調(diào)整能力和對(duì)頭部的穩(wěn)定固定能力，能夠快速準(zhǔn)確地完成瞳孔對(duì)準(zhǔn)過程，并穩(wěn)定舒適地支撐受試者的下顎。

眼科臨床上所使用的簡(jiǎn)易頭托是一種可以簡(jiǎn)單調(diào)整高度的支架。使用時(shí)，受試者將頭部倚靠在托架上，醫(yī)生一邊觀測(cè)鏡頭一邊轉(zhuǎn)動(dòng)螺母使托架上下移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使托架水平移動(dòng)，從而使受試者的瞳孔位置與成像鏡頭對(duì)準(zhǔn)。由于臨床檢查設(shè)備的光路很簡(jiǎn)單，醫(yī)生與受試者的頭托小于一臂距離，所以這種簡(jiǎn)單的頭托能夠滿足邊調(diào)整邊成像的要求。

但這種簡(jiǎn)易頭托用于眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)時(shí)則存在如下問題:

(1)限定醫(yī)生與受試者的距離不能超過一臂之長(zhǎng)，無法用于較為龐大的眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)。

(2)平均對(duì)準(zhǔn)時(shí)間大于30 s，不利于保持受試者人眼的盯視狀態(tài)穩(wěn)定。

因此本課題設(shè)計(jì)的二自由度頭托，需舒適穩(wěn)定地支撐受試者的下顎，醫(yī)生通過程序遙控頭托在豎直方向和水平方向精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、快速準(zhǔn)確的瞳孔對(duì)準(zhǔn)和左右瞳孔切換過程，以滿足眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的要求。

2 頭托的定位精度分析

決定頭托移動(dòng)性能的主要參數(shù)有負(fù)載、移動(dòng)步長(zhǎng)、行程、靈敏度和速度，這些參數(shù)的確定需要結(jié)合眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的使用操作過程和精度要求來考慮。

成年男性的頭部重量為4～6 kg［9］，考慮到人為緊張所施加的壓力不大于5 kg，保留一些余量，設(shè)計(jì)外負(fù)載12 kg，機(jī)構(gòu)自重12 kg，靜態(tài)總負(fù)荷24 kg。

由于個(gè)體差異，不同人眼的瞳距不同，人眼至下顎的高度也不同。在確定頭托的行程參數(shù)時(shí)需考慮普適性，滿足不同受試者的使用要求。

人眼瞳距一般為48～78 mm。在圖1中，紅色圓圈為系統(tǒng)入瞳。當(dāng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)至行程最右端時(shí)，瞳距最大的受試者也可以將左眼對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)入瞳;當(dāng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)至行程最左端時(shí)，瞳距最大的受試者也可以將右眼對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)入瞳。因此水平行程必須大于瞳距的最大值78 mm，根據(jù)冗余設(shè)計(jì)思想，將機(jī)構(gòu)的水平行程設(shè)計(jì)為85 mm。垂直行程沿用簡(jiǎn)易頭托中的參數(shù)100 mm。

圖1 水平行程由瞳距決定Fig．1Horizontal stroke length determined by the pupil distance

在視網(wǎng)膜自適應(yīng)成像系統(tǒng)中用監(jiān)視瞳孔位置的相機(jī)來判斷人眼瞳孔是否與光路對(duì)準(zhǔn)。在測(cè)試人眼之前先使用模型眼代替人眼，令模型眼、哈特曼探測(cè)器以及瞳孔相機(jī)處于共軛位置;在水平和垂直方向上調(diào)整瞳孔相機(jī)位置，使直徑為6 mm的模型眼瞳孔在瞳孔相機(jī)中完整成像，如圖2所示;在軟件上用紅色圓圈對(duì)模型眼瞳孔的像進(jìn)行標(biāo)示，此紅色圓圈即為將來被測(cè)者瞳孔的位置。

圖2 瞳孔采樣區(qū)域Fig．2Pupil sampling zone

觀測(cè)真實(shí)人眼時(shí)，使人眼瞳孔與自適應(yīng)成像光路對(duì)準(zhǔn)的方法如下:移動(dòng)頭托使人眼瞳孔在瞳孔相機(jī)中完整成像，進(jìn)一步調(diào)整至瞳孔與紅圈接近重合，即瞳孔在紅圈圓心上方與下方的刻度數(shù)值相同、在圓心左側(cè)與右側(cè)的刻度數(shù)值也相同，此時(shí)就可以認(rèn)為受試者瞳孔對(duì)準(zhǔn)了哈特曼探測(cè)器。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為使哈特曼探測(cè)器與人眼瞳孔有足夠的對(duì)準(zhǔn)精度，需使瞳孔相對(duì)哈特曼探測(cè)器光軸的移動(dòng)步長(zhǎng)小于等于瞳孔直徑的1/60，即6 mm/60=100 μm。

由直徑6 mm的紅圈在顯示屏上的直徑約為9 cm，可知放大倍率為15;則瞳孔移動(dòng)100 μm，顯示屏上的移動(dòng)距離為1．5 mm，是很容易能夠被視覺分辨的長(zhǎng)度。因此在紅圈上做出十字型坐標(biāo)刻度，最小刻度選擇為1．5 mm，即可分辨瞳孔實(shí)際移動(dòng)距離100 μm。

考慮到使用方便，設(shè)置3個(gè)平移速度調(diào)節(jié)檔位，分別為精調(diào)、微調(diào)和快速調(diào)節(jié)，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的速度分別為100 μm/s、1 mm/s、10 mm/s。

綜上所述，頭托的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 頭托技術(shù)指標(biāo)Tab．1Functional parameters

3 頭托的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比大、定位精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，梯形絲杠的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)反行程自鎖，可用于垂直方向的傳動(dòng)，以避免托架因自重而逆行;滾珠螺旋副的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，適用于水平方向的傳動(dòng)［10］。故本設(shè)計(jì)采用梯形絲杠驅(qū)動(dòng)頭托垂直運(yùn)動(dòng)、采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)頭托水平運(yùn)動(dòng)，以兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。頭托結(jié)構(gòu)由導(dǎo)向軸、頂架、托架、底架、梯形絲杠、滾珠絲杠及步進(jìn)電機(jī)組成。其中，托架為支撐受試者下顎的部件，與導(dǎo)向軸、工作臺(tái)架、梯形絲杠及螺母組成了豎直組件，可以做沿垂直方向的直線運(yùn)動(dòng);工作臺(tái)、線性導(dǎo)軌、底架、滾珠絲杠及螺母組成了水平組件，可搭載著工作臺(tái)架做水平方向的直線運(yùn)動(dòng)。頭托的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 頭托機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig．3Framework of the head prop

4 頭托的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

4．1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PIC16F877單片機(jī)［11］作為控制核心，以ULN2003A集成電路作為驅(qū)動(dòng)芯片，由鍵盤輸入指令，分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制頭托的啟停、運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)行速度。其原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖Fig．4System overall design diagram

設(shè)定PIC16單片機(jī)的B端口為按鍵輸入端口:按鈕S1-S8分別于與RB0-RB7引腳相連。鍵盤接口電路如圖5所示。各按鈕功能如表2所示。

圖5 鍵盤接口電路Fig．5Keyboard interface circuit

表2 按鈕功能表Tab．2Button Menu

本設(shè)計(jì)中用到2個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)，需要單片機(jī)產(chǎn)生兩路的+A和-A、+B和-B兩相控制信號(hào)。將單片機(jī)的C端口的低四位作為電機(jī)M1的脈沖信號(hào)輸出口，D端口的低四位作為電機(jī)M2的脈沖信號(hào)輸出口。驅(qū)動(dòng)接口電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)接口電路Fig．6Driver interface circuit

4．2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig．7Flow chart of the system software

要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只需要向單片機(jī)的端口C/D按一定的順序發(fā)送控制字。電機(jī)正轉(zhuǎn)的控制字時(shí)序?yàn)?xFC，0xF6，0xF3，0xF9，反轉(zhuǎn)的控制字時(shí)序?yàn)?xFC，0xF9，0xF3，0xF3。

電機(jī)組件的步長(zhǎng)由頭托架的移動(dòng)精度決定，其關(guān)系為:

式中:s是頭托架的位移步長(zhǎng)，P是絲杠的導(dǎo)程，α是步進(jìn)電機(jī)的步距角。本設(shè)計(jì)中所選用的步進(jìn)電機(jī)均為兩相步進(jìn)電機(jī)，采用雙拍工作方式，步距角α為1．8°。選用的絲杠的導(dǎo)程P為2 mm。將以上數(shù)據(jù)代入式(3)中計(jì)算，可知托架運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)s=10 μm，即電機(jī)接收一個(gè)脈沖，頭托架移動(dòng)10 μm。

對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是用軟件延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)的。具體實(shí)現(xiàn)方法是，在主程序中，每向端口C/D發(fā)送一個(gè)控制字后，都會(huì)調(diào)用一次延時(shí)子程序DELAY(num)，延時(shí)以毫秒為單位。只要修改變量num的值，就可以改變輸出脈沖的頻率，進(jìn)而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。例如，對(duì)一檔速度100 μm/s，只需要設(shè)定變量num的值為100 ms。這樣，單片機(jī)每發(fā)送一個(gè)控制字后會(huì)延時(shí)100 μs，每秒發(fā)送10個(gè)脈沖，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是100 μm/s。修改延時(shí)時(shí)間num是通過B端口高四位的中斷實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)RB5、RB6、RB7產(chǎn)生電平變化時(shí)，主程序中斷——執(zhí)行中斷子程序，改變變量num的值——退出中斷返回主程序。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制流程如圖8所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制圖Fig．8Flow chart of speed control

轉(zhuǎn)向控制實(shí)現(xiàn)方法:每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向都由兩個(gè)開關(guān)控制。例如，當(dāng)S1按下時(shí)，RB0為低電平，此時(shí)發(fā)送正轉(zhuǎn)控制字，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，當(dāng)S1未按下且S2按下時(shí)，此時(shí)發(fā)送反轉(zhuǎn)控制字，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。值得注意的是，S1的優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于S2，即正轉(zhuǎn)的優(yōu)先級(jí)高于反轉(zhuǎn)，當(dāng)S1、S2同時(shí)按下時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。在編程時(shí)，可將S1、S2的程序用if-else if語句來編寫，由于if語句的優(yōu)先級(jí)高于else if語句的優(yōu)先級(jí)，這樣S1語句的優(yōu)先級(jí)就高于S2語句。

為了步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)可以平穩(wěn)地過度而不錯(cuò)步，在輸送每一個(gè)控制字之前都加上一個(gè)if語句判斷當(dāng)時(shí)的脈沖控制字。這樣，在改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)直接從前一步的位置開始反轉(zhuǎn)，而不會(huì)錯(cuò)步。

4．3仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用仿真軟件Proteus及MPLAB對(duì)程序文件進(jìn)行聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)開關(guān)S5按下后，再按S1-S4開關(guān)，相應(yīng)的電機(jī)會(huì)開始相應(yīng)方向地轉(zhuǎn)動(dòng);分別按下開關(guān)S6、S7、S8后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)分別改變至低速檔、中速檔與高速檔。

仿真結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)可以按預(yù)期的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種二自由度頭托，通過步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)化調(diào)節(jié)，不受距離限制，解決了眼科臨床上的簡(jiǎn)易頭托限定醫(yī)生與患者距離不能超過一臂之長(zhǎng)的問題，并可將瞳孔定位精度提高至20 μm，滿足眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的高精度要求;同時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地完成瞳孔對(duì)準(zhǔn)過程。長(zhǎng)距離的左右瞳孔切換快速準(zhǔn)確，是眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)的良好輔助工具。

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Design of two degree-of-freedom head prop in adaptive optics retinal imaging system

PAN Yu-jun1，3，HAN Yu-zhuo2，XIE Hong-sheng1，3，YANG Le-bao1，3，WANG Shao-xin1，LI Da-yu1，XUAN Li1*．
(1．State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China; 2．The Affiliated Hospital of Changchun University of Traditional Chinese Medicine，Changchun 130021，China; 3．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Simple head props used in clinical ophthalmology limit the distance between the doctor and the patient to arm’s length，so that it cannot be utilized in adaptive optics retinal imaging system which is big and heavy．A two degree-of-freedom head prop is designed to support the subject’s jaw and to make the subject’s pupil align more quickly and comfortably in adaptive optics retinal imaging system．Self-locking trapezoidal screw in vertical movement and high transmission efficiency ball screw in horizontal movement were used with two stepper motors providing power．The electronics design of the control system based on PIC16F877A was completed．A MPLAB-Proteus co-simulation experiment was conducted and the result shows that the system cando the control in realtime to make the motor start，stop，turn and speed．The designed head prop can move in the vertical direction and the horizontal direction at a minimum of 100 μm/s and improve the positioning accuracy to 20 μm，meeting the requirements of the adaptive optics retinal imaging system．

adaptive optics retinal imaging;head prop;screw;microcontroller;stepper motor driver

TH122;TM301．2

A

10．3788/YJYXS20153004．0590

潘宇駿(1990－)，男，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事機(jī)械方面的工作。E-mail:panyj90@163．com

1007-2780(2015)04-0590-06