‍‍  为了监测诸如眼内压力增加（青光眼）等眼部疾病，并记录糖尿病（糖尿病性视网膜病变）对视网膜的任何潜在损伤（如视网膜新血管形成、出血和黄斑水肿），有必要对视网膜进行成像。视网膜成像由眼科医生使用眼底相机完成，由专门的光学仪器与附加的照相机在视网膜区域的30°~50°之间查看。

   为了进行眼底成像，患者的瞳孔通常使用散瞳剂来扩张，由于反射作用，瞳孔在受到眼底相机使用的明亮光线照射时会收缩。使用散瞳剂后的数小时，会造成视力模糊和对光敏感。

   为了避免这种情况，一类被称为非散瞳眼底相机的光学设备，可以进行视网膜图像分析而不需要散瞳剂。这样可以消除散瞳导致的不适，也不需要在眼底检查前等待30分钟以使瞳孔扩张。

   无散瞳

   美国哈佛医学院麻省眼耳医院的Shizuo Mukai博士说：“在这种非散瞳眼底相机中，眼睛受到近红外（NIR）光的照射而不会导致瞳孔收缩。捕捉并显示反射的近红外图像，当图像正确聚焦时，白色闪光灯照亮视网膜，反射的彩色图像被相机捕获。”

  移动技术、相机、显示器和照明系统的最新进展，已经使便携式非散瞳眼底照相机的发展成为现实。为展示这种相机的可行性，Shizuo Mukai博士和他的同事美国伊利诺伊大学芝加哥分校伊利诺伊眼耳医院眼科部的BaileyShen博士，已经使用现成的低成本组件，开发出了这种相机的原型。

   为了进行图像采集、处理和显示，相机使用了英国Raspberry Pi Foundation公司的Raspberry Pi 2Model B，这是一款基于ARM的900MHz四核Cortex-A7 CPU嵌入式处理器，提供micro SD卡、4个USB端口、40个通用I/O（GPIO）引脚、1GB RAM、CSI相机接口和HDMI显示接口。

   光谱灵敏度

   为了捕获图像，电路板与Raspberry Pi Foundation公司的NoIR相机板连接。基于美国OmniVision公司的2592×1944CMOS OV5647传感器，该外观大小为25mm×25mm×9mm的板卡级相机，在可见光和近红外波段都具有光谱灵敏度，并通过带状电缆与采用15引脚移动式工业处理器接口（MIPI）的嵌入式处理器连接（见图1）。

图1

图2

   虽然OV5647传感器的光谱灵敏度在780~2500nm的NIR光谱范围内有所下降，但其在NIR区域内的灵敏度仍然足够好（见图2），足以获得操作人员可用于聚焦相机的图像。然而，因为现在OV5647已经达到了产品的生命周期，所以Raspberry Pi Foundation公司已经将第2版Pi NoIR相机模块v2（Pi NoIR）中的OV5647替换为IMX219，这是一款来自索尼公司的分辨率为3280×2464 的CMOS图像传感器。

   V2版本与v1版本一样，没有采用红外滤光片，并且在约810nm的近红外区域具有光谱响应峰值灵敏度（见图2）。可以看出，EOL OV5647和IMX219的光谱响应是相似的。

闪光

   “由于Version1 Pi NoIR相机板的标准镜头出厂时为无限远聚焦，”Mukai博士说，“需要逆时针拧开镜头，将镜头聚焦改为约200px。”

   在操作中，使用来自美国Sensor Medical Technologies公司的手持式20屈光度聚光透镜，将视网膜成像到相机板上（见图3）。“视网膜照明在相机设计中至关重要，”Mukai博士说，“必须先用NIR光对视网膜进行成像，以正确对准患者的视网膜和瞳孔，然后再用白光来呈现彩色图像。”因此，视网膜的NIR和彩色图像必须使用相同的照明配置进行照明。

图3

   为了实现这一目的，采用由日本Ushio Epitex公司制造、并由日本Marubeni公司分销的由双NIR/可见LED组成的照明系统。除了提供稳定的共轴明场照明外，3mm×3.5mm照明系统的共轴配置，导致从视网膜表面到相机的直接反射。

   LED配置为与NoIR的相机镜头轴向共轴，LED连接到RaspberryPi的处理器板，并使用连接到板上GPIO引脚的电缆供电和触发。在操作中，相机首先使用连接到micro-USB电缆的10400mAh锂电池供电。这启动了NIR照明系统和相机的取景器。

   在捕获NIR图像后（见图4），显示在由香港On Tat Industrial Company公司生产、美国Adafruit公司分销的KD50G21-40NT-A1型5英寸LCD触摸屏上。它通过USB电缆和HDMI电缆连接到Raspberry Pi 2处理器，并由锂电池供电。

   当显示可接受的图像时，触发按钮开关将关闭NIR照明，闪烁共轴白光LED并拍摄眼底的彩色图像（见图4）。开关使用GPIO引脚连接到RaspberryPi的处理器板。“这张图像可以从Raspberry Pi的microSD卡访问，通过以太网传输或无线传输到主机上。”Mukai博士说。

   编程PI

   为了对眼底照相机Rasbian进行编程，Raspberry Pi的操作系统（OS）通过使用Raspberry Pi Foundation的全新开箱即用的软件（NOOBS）操作系统安装程序从8G micro-SD卡加载。这是通过使用在LCD触摸屏上显示的SourceForge提供的开源Florence虚拟键盘程序，向Raspberry Pi输入命令加载的。

图4

   作为用于位图显示的窗口系统X11的可延伸、可扩展虚拟键盘，Florence键盘程序可以从http://bit.ly/VSD-FLO下载。为了控制眼底相机，使用了由RaspberryPi Foundation公司的David Jones编写的Python程序。

   为了模拟使用中的相机操作，使用20屈光度聚光透镜将光线聚焦在传感器头上。“光损伤（光毒性）对生物组织的风险，取决于传递给这些组织的能量。例如，组织用激光进行处理，功率设置以毫瓦（mW）为单位。利用视网膜成像装置，尽可能降低传送到视网膜的功率，最大限度地降低光毒性的可能性。”

   使用美国Thorlabs公司的S120B探头和PM100光功率计表头，来测量眼底照相机中使用的LED产生的NIR和白光的强度。

   当便携式眼底相机暴露于来自LED的NIR光时，在850nm处记录到50~90μW的光功率。当暴露在白光下时，在570nm处测得150~170μW的光功率。“相比之下，”Mukai博士说，“常用的眼底检查镜，如美国Keeler OpthalmicInstruments公司的Vantage Plus设置为半光强和全光强，在570nm处分别产生约1.5mW和3mW的光功率。”

   新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Nishtha Panwar在“21世纪的眼底摄影：最近的技术进展及对全球医疗保健的启示综述”一文中指出，今天的远程眼科系统很大，而且通常都在诊所。

   Panwar说：“未来，视网膜照相机必须满足这种需求，其特点是可以通过网络传输图像的低成本便携式设计。”当然，哈佛医学院的Shizuo Mukai博士取得的进展，将激励开发这样的产品来满足这些要求。