裂隙燈的結構原理及發展現狀

武勁圓，陳磊，魏宏博，劉增業（通信作者）

1 天津市第一中心醫院（天津 300192）；2 天津科技大學電子信息與自動化學院（天津 300222）

裂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：一是眼科醫師的臨床經驗豐富與否，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師的操作難度，提高診斷效果。

目前，國內和國外的研發情況各有所長[8-10]，國外以德國蔡司公司VISULAS 系列產品為代表，VISULAS Trion 激光裂隙燈，不僅具有診斷作用，還可治療青光眼和白內障等眼疾，采用具有H個波長（532 nm，561 nm，659 nm）的激光光凝系統，功能齊全；國內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內置）數碼裂隙燈，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，其智能操作系統還可實現自動曝光、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，國內三甲醫院都在逐步購進基于計算機視覺技術的數碼裂隙燈[11]。本研究在分析裂隙燈基本結構及原理的基礎上，對裂隙燈的發展現狀進行綜述，并指出其發展趨勢。

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、雙目立體顯微鏡（觀察系統）、頭架系統、運動滑臺系統及工作臺（底座）[12]，如圖1 所示。如目前臨床使用的先進數字裂隙燈在傳統結構的基礎上，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（charge coupled deice，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。

圖2 裂隙燈基本工作原理圖

在進行臨床檢查時，裂隙燈的系數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投射物鏡的倍率實現的，有時也通過更換目鏡的倍率實現[14]。

2 裂隙燈的發展現狀

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

2.1 第一代傳統型裂隙燈

20 世紀初，兩位瑞典研究人員Carl Zeiss 和Allvar Gullstrand 研制了世界上第一臺裂隙燈[16]。臨床應用中，醫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化掀起了眼病臨床診斷的技術性革命，促進并發展了眼科專家對眼病的臨床診斷能力，有效減少了臨床醫師的工作量。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]。

國內第一臺裂隙燈問世于20 世紀60 年代的上海醫用光學儀器廠[21]。同一時期，蘇州醫療器械廠（蘇州六六視覺的前身）研制、生產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品研制過程中，該廠成為國產裂隙燈的主要生產廠家，并將產品商業化，使其在眼病臨床檢查診斷中得到了普及應用。該廠研發的裂隙燈顯微鏡產品種類齊全，代表產品YZ2 為手持式裂隙燈，同樣具有結構簡單、體積小、使用方便等優點。

國內外第一代傳統型裂隙燈的優勢在于結構簡單、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，且只能通過臨床醫師肉眼觀察，長時間觀測會產生視覺疲勞。

2.2 第二代照相型裂隙燈

20 世紀60 年代中期，Littamm 研發了一種照相裂隙燈，該照相裂隙燈通過相機拍攝可以實現記錄、拍圖功能[22]。同一時期，我國蘇州醫療器械廠設計、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，實現了照相功能[23]，其代表產品有YZ5T、YZ5S、YZ5G 型，這3 類產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，可以輔助臨床醫師更清晰地觀察患者眼底的細微病變情況。但系統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，經常出現意想不到的損壞，因此，該裂隙燈只用于眼科醫學研究、臨床教學，并未得到商業化推廣應用。

第二代照相型裂隙燈的優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型裂隙燈的不足。

2.3 第三代數字型裂隙燈

隨著數字成像技術的逐漸成熟，世界首臺數字型裂隙燈由美國Torance 醫療器械生產公司研制成功[24]，如圖3 所示。該數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。

圖3 數字型裂隙燈臨床使用圖

1990—2000 年，國內新型數字型裂隙燈獲得了系統深入的研發，代表產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品；云南云澳光電有限公司研發的LDX 裂隙燈顯微鏡也是當時國內具有代表性的產品之一，其加長了工作距離（108 mm），降低了攜帶傳染病源檢查患者的院內感染風險。這兩種新型數字型裂隙燈均通過單反相機實現眼底圖像的采集，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展，我國制造的數字型裂隙燈也銷售到了國外，近年來出口量每年都在提升。

第三代數字型裂隙燈的主要優勢在于能夠利用計算機對人眼進行動態觀察，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點，在眼視光學領域中具有明顯的優勢。目前國內三級醫院眼科臨床檢查基本都采用數字型裂隙燈。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院及社區醫院。

3 不足與展望

目前，我國的裂隙燈產業處于飛速發展中，產品硬件方面雖與歐美等發達國家還有差距，但差距在逐漸縮小[33-36]；軟件方面，國內大部分裂隙燈配備的都是國外產品，成熟的國內產品較少，所以還有較大的發展空間。目前，我國數字型裂隙燈市場主要存在以下問題。（1）國外企業研發設備占比大：目前，市場銷售數字型裂隙燈的嵌入系統多為國外企業研發，受知識產權的保護，系統國產化的進一步研發和應用受到了較大程度的限制。（2）新技術融合滯后：關于數字型裂隙燈的研發與應用，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和迅猛發展促進了醫學臨床儀器向數字化方向邁進[35]。研究人員結合新的視覺技術，通過數字型裂隙燈進行眼病病情分析系統的研發，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字裂隙燈病情分析系統由于采用新技術，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字化、智能化方向發展[39-40]，臨床輔助治療儀器的發展趨勢是數字化和智能化，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字化、智能化方向發展。最后，人工智能技術的興起、大數據理論的深入研究，使裂隙燈的遠程化、網絡化程度逐步提升。

4 結語

醫療器械向數字化、智能化轉型是大勢所趨，未來數字型裂隙燈趨向于智能化方向發展。我國人口眾多，眼病患者數量龐大、樣本多樣，對裂隙燈嵌入算法進行深入優化，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。