微机控制激光视网膜MTF测定技术的研究
作者：周传清 金成鹏 刘晓玲 陶育华
单位：周传清(温州医学院附属第二医院眼科，浙江 温州 325027)；金成鹏 刘晓玲 陶育华(温州医学院附属眼视光学院，浙江 温州 325027)
关键词：激光干涉条纹；视力；视网膜；对比敏感度；调制传递函数
眼视光学杂志000310 [摘 要] 目的:研究视觉系统视网膜-大脑部分的调制 传递函数MTF(或称对比敏感度函数CSF)的测定技术，并研制开发新一代微机控制的激光视网 膜-大脑MTF测定仪。方法:以He-Ne激光为光源，利用杨氏干涉法，经光 学 系统在视网膜上呈现正弦干涉条纹。测定不同空间频率条纹分辨的对比度阈值，便可测算出 MTF。结果和结论:初步临床应用表明，该仪器性能稳定，精度高。由于采用 微机控制，具有方便、快捷的特点，适于在科研和临床上推广使用。
[中图分类号] R778;R779;TH773 [文献标识码] A
, 百拇医药
[文章编号] 1008-1801(2000)03-0159-03
A computerized technique for retina-brain MTF measurement with laser-genera ted interference fringes
ZHOU Chuan-qing,JIN Cheng-peng,LIU Xiao-l ing,et al.
(The Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical College,Wenzhou 325027)
Abstract： Objective： To investigate testing techniques for the modulation transf er function (MTF) or contrast sensitivity function (CSF) from retina to brain in the human visual system, and to develop a micro-computerized laser tester for retina-brain MTF.Methods： Sinusoidal He-Ne laser-generated interference fringes were projected on the retina through the optical system according to Yong's interference principl e. MTF was obtained by measuring the modulation thresholds of the different spac ial frequencies resolved.Results and Conclusion： This tester was stable and accurate and, because of micr o-computerization, it was used very easily and quickly. This tester was suitab le and efficient for both research and clinical applications.
, 百拇医药
Key words： laser-ge nerated interference fringes; visual acuity; retina; modulation transfer functio n; contrast sensitivity
现代光学中的光学传递函数(Optical Transfer Function,简称OTF)已经广泛用于评 价光学系统的成像质量或图像传递质量，包括光学镜头、接收系统(如感光底片、光电接收 器等)等任何实质上属于信息传递的线性系统，其中调制传递函数(Modulation Transfer F unction,简称MTF)反映了光学系统对图像调制度的改变[1]。虽然人眼的成像与 感知是一个相当复杂的过程，但我们总可以把它分为眼光学系统的物理成像过程和视觉神经 系统的信息传递与处理过程[2] 。运用激光干涉原理直接在视网膜上形成正弦条纹 ，利用阈值辨别的心理物理学方法测定人眼感觉系统，即视网膜-大脑的调制传递函数，可 以定量评价视感觉系统对图像信息的传递和处理的质量[3,4,8]。此外，测定视 觉 系统的调制传递函数，还能反映病情的细微变化，实践证明对某些疾病的早期发现和随访是 十分有效的[5]。
, 百拇医药
随着研究的深入，MTF对视觉基础研究和眼科临床的意义逐 渐被人们所重视[6]，但目前国内尚缺乏一种结构紧凑、性能稳定、使用方便、商 品化的视 网膜-大脑MTF测定装置[7]。本工作对这样一种装 置 进行了成功的开发， 现报告如下。
1 测定原理和方法
1.1 激光干涉条纹视力及其测定方法 根据傅立叶(Fourier)理论，正弦光栅是任何一幅复杂图像的基本组份。因此选择不同 空间频率的正弦光栅作为视标，测定在不同调制度下视觉系统的辨别阈值，无论在数学、物 理、生理上都具有更直接、更基本的意义[9]。
图1 光学原理图
在视网膜上呈现正弦干涉条纹是 容易实现的，如图1所示。激光经L1、L2滤波后会聚在平行平板PP的上表面，并经其反 射和折射形成两个等效点光源，再通过反射镜M1和望远系统L3、L4成像在眼节点附 近 ，并在被检眼视网膜上产生干涉场。A1、A2为光栏，分别位于L1、L3的后焦点处。 DP是道威(Dove)棱镜，转动它可以改变条纹的方向。不同厚度的平板均布在另一盘中，转动 它可使不同厚度的平板进入光路，以改变条纹角宽。值得注意的是，这种正弦视标和E字形 视力表的矩形视标在亮度、色度、对比度及视标结构等方面都有不同之处，二者之间的关系 需进一步的研究。
, http://www.100md.com
1.2 MTF测量系统 根据在改变干涉条纹对比度的同时，又得使视网膜平均照度 保持不变的要求，条纹光强的变化和背景光的光强变化的代数和必须为零。 以往的装置大 多采用在光路中放置偏振片的方法来改变条纹的对比度[3,4,7]，这种方法需要一 种正弦机构来保证干涉光路和背景 光路检偏器的联动，这在使用时往往会降低干涉条纹的稳定性。本研究采用在光路中放置不 同透光度的中性滤光片的方法来改变条纹的对比度，使机械结构大大简化，并提高了仪器的 稳定性。
滤光片的透光度T以几何级数递增，即Tn/Tn-1=m，n=1,2,.. .,12， 另外在背景光路中放入对应的滤光片Tn',(n=1,2, ,12)，并且使得T1+T1'= T2+T 2'=...= T12+T12'=常数C，这样，视网膜上总的光强可表示为 [4] ，I(x)=2I0(1+cos(kaθ))×Tn+I(u)×Tn' (1)，其中k=2p/λ,角位移θ=x/L，a 是眼节点处两相干点光源的距离，x是视网膜上干涉场点P离开光轴的距离，I0是干涉光强 度，I(u)是背景光强，可令I(u)=I1+I2=2I0，(1)式变成：I(x)=2I0(Tn+Tn ')+2I0 cos(kaθ)×Tn (2)，条纹调制度Mo(u)= 2I0×Tn/2I0×(Tn+Tn' )= Tn/C (3)，于是MTF=K/(Tn/C)=K'/Tn,K'=K×C (4)。
, 百拇医药
如图1，发光二极管LED发出的光线经反射镜M2和半反半透镜SR反射后均匀投射在眼底作 为背景光，不同透光度的滤光片F均布在一转盘中，转动滤光片盘可以使相应滤光片分别进 入干涉光路和背景光路，以改变条纹的对比度。结果既使干涉条纹的调制度Mo(u)以m的几 何增率跳跃性地变化，又能保持视网膜的平均照度恒定。根据式(4)，MTF便以上述调制度 增率的倒数(1/m)变化。
1.3 控制系统 用单片计算机系统实现测量数据的采集、处理与输出，不仅能提 高仪器的自动化程度，还能简化电路。
1.3.1 硬件部分：如图2，中央处理器(CPU)AT89C51外接8255作为I/O扩展口， 分别从波段开关K1、K2、K3采集IVA、MTF及DIR(条纹方向)状态信息，然后送CPU进 行分析处理。8155是RAM扩展口，起到数据缓冲器的作用。CPU将处理后的数据送8155暂时储 存以备打印输出，同时输出到显示电路实时显示IVA开关和MTF开关的状态值，7407是数码管 驱动器。
, http://www.100md.com
图2 控制系统硬件构成示意图
1.3.2 软件部分：该单片机软件系统如图3所示，通电后程序进入初始化，并将 数据缓 冲区清零。初始化后主程序开始访问开关K1、K2、K3，采集开关的当前状态值，然后 提取对应的IVA、MTF、DIR当前值并暂存在寄存器R1所指的地址中。此时如果有记录键按 下，程序便把当前采集来的数据送扩展RAM区适当位置储存以备输出，并将把它作为打印曲 线的一个坐标点。如果此时没有记录键按下，数据便不被储存，并重新访问开关。
图3 程序流程示意
显示电路采用动态显示，CPU将当前数据送显示电路显示IVA、MTF、DIR的当前状态值。 此时若有打印键按下，程序将转向打印子程序，按照测量数据的IVA值从小到大顺序打印IVA 值、MTF值及对应的条纹方向，并根据测量的数据打印曲线，然后返回，重新访问开关。此 时若按下复位键，程序指针便指向开始，进行新一轮的测量。
, http://www.100md.com
2 仪器的初步应用与性能评价
本仪器制成后，做了初步临床测试。 测试 时应先向被检者说明有关注意事项，然后按照频率从低到高给出相应的条纹。在每给出一定 频率的条纹时，逐渐改变调制度，让被检者回答条纹的方向，直至被检者刚好不能正确回答 条纹的方向，此时显示的就是此空间频率下的MTF值。测完之后，系统便能打印出所有测量 数据及MTF曲线。图4是初步测定的MTF曲线，图中弱视眼的矫正视力0.8，患慢性视神经炎眼 的矫正视力只有0.4。
图4 正常眼与病眼的MTF曲线
从试用的情况看，本仪器具有良好的精度和稳定的性能，测量数据 采用实时显示和打印输出，并能根据所测得的数据绘成MTF曲线，具有方便、快捷的特点， 适于在科研和临床上使用。
, http://www.100md.com
作者简介：周传清(1971-)，男，浙江苍南人，医学硕士，住院医师。
3 参考文献
[1] 母国光.光学[M].北京：人民教育出版社，1979.196-205.
[2] 河原哲夫.空间周波特性と视能[J].眼科(日文),1981,23(9):1043-10 45.
[3] Campbell FW. Optical and retinal factors affecting visual resolut ion[J]. J Physiol,1965,181:576-593.
[4] 金成鹏,陈式苏.激光干涉法测定视网膜功能[J].中国生物医学工程学报,1 984,3(3):186-188.
, 百拇医药
[5] 山本敏雄. Modulation transfer functionの临床研究[J].临眼,1979,33 (5):643-649.
[6] Drasdo N. Patterns and contrast in ophthalmic investigation[J]. Ophthal Physiol Opt,1988,8(1):34-37.
[7] 周炜,陈式苏.测量人眼调制传递函数MTF的装置[J].医疗器械,1986,10(3) :348-350.
[8] 郑竺英译.空间信息通过视觉系统的传递[C].视觉模式识别译文集.北京 ：科学出版社,1980.150-158.
[9] Campbell FW. Application of fourier analysis to the visibility of gratings[J]. J Physiol,1968,197:551-556.
收稿日期：2000-03-24；修回日期：2000-07-07, http://www.100md.com
单位：周传清(温州医学院附属第二医院眼科，浙江 温州 325027)；金成鹏 刘晓玲 陶育华(温州医学院附属眼视光学院，浙江 温州 325027)
关键词：激光干涉条纹；视力；视网膜；对比敏感度；调制传递函数
眼视光学杂志000310 [摘 要] 目的:研究视觉系统视网膜-大脑部分的调制 传递函数MTF(或称对比敏感度函数CSF)的测定技术，并研制开发新一代微机控制的激光视网 膜-大脑MTF测定仪。方法:以He-Ne激光为光源，利用杨氏干涉法，经光 学 系统在视网膜上呈现正弦干涉条纹。测定不同空间频率条纹分辨的对比度阈值，便可测算出 MTF。结果和结论:初步临床应用表明，该仪器性能稳定，精度高。由于采用 微机控制，具有方便、快捷的特点，适于在科研和临床上推广使用。
[中图分类号] R778;R779;TH773 [文献标识码] A
, 百拇医药
[文章编号] 1008-1801(2000)03-0159-03
A computerized technique for retina-brain MTF measurement with laser-genera ted interference fringes
ZHOU Chuan-qing,JIN Cheng-peng,LIU Xiao-l ing,et al.
(The Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical College,Wenzhou 325027)
Abstract： Objective： To investigate testing techniques for the modulation transf er function (MTF) or contrast sensitivity function (CSF) from retina to brain in the human visual system, and to develop a micro-computerized laser tester for retina-brain MTF.Methods： Sinusoidal He-Ne laser-generated interference fringes were projected on the retina through the optical system according to Yong's interference principl e. MTF was obtained by measuring the modulation thresholds of the different spac ial frequencies resolved.Results and Conclusion： This tester was stable and accurate and, because of micr o-computerization, it was used very easily and quickly. This tester was suitab le and efficient for both research and clinical applications.
, 百拇医药
Key words： laser-ge nerated interference fringes; visual acuity; retina; modulation transfer functio n; contrast sensitivity
现代光学中的光学传递函数(Optical Transfer Function,简称OTF)已经广泛用于评 价光学系统的成像质量或图像传递质量，包括光学镜头、接收系统(如感光底片、光电接收 器等)等任何实质上属于信息传递的线性系统，其中调制传递函数(Modulation Transfer F unction,简称MTF)反映了光学系统对图像调制度的改变[1]。虽然人眼的成像与 感知是一个相当复杂的过程，但我们总可以把它分为眼光学系统的物理成像过程和视觉神经 系统的信息传递与处理过程[2] 。运用激光干涉原理直接在视网膜上形成正弦条纹 ，利用阈值辨别的心理物理学方法测定人眼感觉系统，即视网膜-大脑的调制传递函数，可 以定量评价视感觉系统对图像信息的传递和处理的质量[3,4,8]。此外，测定视 觉 系统的调制传递函数，还能反映病情的细微变化，实践证明对某些疾病的早期发现和随访是 十分有效的[5]。
, 百拇医药
随着研究的深入，MTF对视觉基础研究和眼科临床的意义逐 渐被人们所重视[6]，但目前国内尚缺乏一种结构紧凑、性能稳定、使用方便、商 品化的视 网膜-大脑MTF测定装置[7]。本工作对这样一种装 置 进行了成功的开发， 现报告如下。
1 测定原理和方法
1.1 激光干涉条纹视力及其测定方法 根据傅立叶(Fourier)理论，正弦光栅是任何一幅复杂图像的基本组份。因此选择不同 空间频率的正弦光栅作为视标，测定在不同调制度下视觉系统的辨别阈值，无论在数学、物 理、生理上都具有更直接、更基本的意义[9]。
图1 光学原理图
在视网膜上呈现正弦干涉条纹是 容易实现的，如图1所示。激光经L1、L2滤波后会聚在平行平板PP的上表面，并经其反 射和折射形成两个等效点光源，再通过反射镜M1和望远系统L3、L4成像在眼节点附 近 ，并在被检眼视网膜上产生干涉场。A1、A2为光栏，分别位于L1、L3的后焦点处。 DP是道威(Dove)棱镜，转动它可以改变条纹的方向。不同厚度的平板均布在另一盘中，转动 它可使不同厚度的平板进入光路，以改变条纹角宽。值得注意的是，这种正弦视标和E字形 视力表的矩形视标在亮度、色度、对比度及视标结构等方面都有不同之处，二者之间的关系 需进一步的研究。
, http://www.100md.com
1.2 MTF测量系统 根据在改变干涉条纹对比度的同时，又得使视网膜平均照度 保持不变的要求，条纹光强的变化和背景光的光强变化的代数和必须为零。 以往的装置大 多采用在光路中放置偏振片的方法来改变条纹的对比度[3,4,7]，这种方法需要一 种正弦机构来保证干涉光路和背景 光路检偏器的联动，这在使用时往往会降低干涉条纹的稳定性。本研究采用在光路中放置不 同透光度的中性滤光片的方法来改变条纹的对比度，使机械结构大大简化，并提高了仪器的 稳定性。
滤光片的透光度T以几何级数递增，即Tn/Tn-1=m，n=1,2,.. .,12， 另外在背景光路中放入对应的滤光片Tn',(n=1,2, ,12)，并且使得T1+T1'= T2+T 2'=...= T12+T12'=常数C，这样，视网膜上总的光强可表示为 [4] ，I(x)=2I0(1+cos(kaθ))×Tn+I(u)×Tn' (1)，其中k=2p/λ,角位移θ=x/L，a 是眼节点处两相干点光源的距离，x是视网膜上干涉场点P离开光轴的距离，I0是干涉光强 度，I(u)是背景光强，可令I(u)=I1+I2=2I0，(1)式变成：I(x)=2I0(Tn+Tn ')+2I0 cos(kaθ)×Tn (2)，条纹调制度Mo(u)= 2I0×Tn/2I0×(Tn+Tn' )= Tn/C (3)，于是MTF=K/(Tn/C)=K'/Tn,K'=K×C (4)。
, 百拇医药
如图1，发光二极管LED发出的光线经反射镜M2和半反半透镜SR反射后均匀投射在眼底作 为背景光，不同透光度的滤光片F均布在一转盘中，转动滤光片盘可以使相应滤光片分别进 入干涉光路和背景光路，以改变条纹的对比度。结果既使干涉条纹的调制度Mo(u)以m的几 何增率跳跃性地变化，又能保持视网膜的平均照度恒定。根据式(4)，MTF便以上述调制度 增率的倒数(1/m)变化。
1.3 控制系统 用单片计算机系统实现测量数据的采集、处理与输出，不仅能提 高仪器的自动化程度，还能简化电路。
1.3.1 硬件部分：如图2，中央处理器(CPU)AT89C51外接8255作为I/O扩展口， 分别从波段开关K1、K2、K3采集IVA、MTF及DIR(条纹方向)状态信息，然后送CPU进 行分析处理。8155是RAM扩展口，起到数据缓冲器的作用。CPU将处理后的数据送8155暂时储 存以备打印输出，同时输出到显示电路实时显示IVA开关和MTF开关的状态值，7407是数码管 驱动器。
, http://www.100md.com
图2 控制系统硬件构成示意图
1.3.2 软件部分：该单片机软件系统如图3所示，通电后程序进入初始化，并将 数据缓 冲区清零。初始化后主程序开始访问开关K1、K2、K3，采集开关的当前状态值，然后 提取对应的IVA、MTF、DIR当前值并暂存在寄存器R1所指的地址中。此时如果有记录键按 下，程序便把当前采集来的数据送扩展RAM区适当位置储存以备输出，并将把它作为打印曲 线的一个坐标点。如果此时没有记录键按下，数据便不被储存，并重新访问开关。
图3 程序流程示意
显示电路采用动态显示，CPU将当前数据送显示电路显示IVA、MTF、DIR的当前状态值。 此时若有打印键按下，程序将转向打印子程序，按照测量数据的IVA值从小到大顺序打印IVA 值、MTF值及对应的条纹方向，并根据测量的数据打印曲线，然后返回，重新访问开关。此 时若按下复位键，程序指针便指向开始，进行新一轮的测量。
, http://www.100md.com
2 仪器的初步应用与性能评价
本仪器制成后，做了初步临床测试。 测试 时应先向被检者说明有关注意事项，然后按照频率从低到高给出相应的条纹。在每给出一定 频率的条纹时，逐渐改变调制度，让被检者回答条纹的方向，直至被检者刚好不能正确回答 条纹的方向，此时显示的就是此空间频率下的MTF值。测完之后，系统便能打印出所有测量 数据及MTF曲线。图4是初步测定的MTF曲线，图中弱视眼的矫正视力0.8，患慢性视神经炎眼 的矫正视力只有0.4。
图4 正常眼与病眼的MTF曲线
从试用的情况看，本仪器具有良好的精度和稳定的性能，测量数据 采用实时显示和打印输出，并能根据所测得的数据绘成MTF曲线，具有方便、快捷的特点， 适于在科研和临床上使用。
, http://www.100md.com
作者简介：周传清(1971-)，男，浙江苍南人，医学硕士，住院医师。
3 参考文献
[1] 母国光.光学[M].北京：人民教育出版社，1979.196-205.
[2] 河原哲夫.空间周波特性と视能[J].眼科(日文),1981,23(9):1043-10 45.
[3] Campbell FW. Optical and retinal factors affecting visual resolut ion[J]. J Physiol,1965,181:576-593.
[4] 金成鹏,陈式苏.激光干涉法测定视网膜功能[J].中国生物医学工程学报,1 984,3(3):186-188.
, 百拇医药
[5] 山本敏雄. Modulation transfer functionの临床研究[J].临眼,1979,33 (5):643-649.
[6] Drasdo N. Patterns and contrast in ophthalmic investigation[J]. Ophthal Physiol Opt,1988,8(1):34-37.
[7] 周炜,陈式苏.测量人眼调制传递函数MTF的装置[J].医疗器械,1986,10(3) :348-350.
[8] 郑竺英译.空间信息通过视觉系统的传递[C].视觉模式识别译文集.北京 ：科学出版社,1980.150-158.
[9] Campbell FW. Application of fourier analysis to the visibility of gratings[J]. J Physiol,1968,197:551-556.
收稿日期：2000-03-24；修回日期：2000-07-07, http://www.100md.com