一种适用于眼科光学扫描成像装置的自动安全防护装置和
方法
技术领域
背景技术
[0002] 目前有多种用于眼科诊疗检查的光学扫描成像装置，例如：光学相干
断层扫描成像(Optical Coherence Tomography，OCT)、共聚焦扫描激光
眼底镜(Confocal Scanning Laser Ophthalmoscope，cSLO)、线扫描激光眼底镜(Line Scan Ophthalmoscope，LSO)。以上这些光学扫描成像装置，均是对于
生物组织如人眼实施非侵入性的快速成像，具有高分辨、高灵敏度、高
精度、对组织低损伤等优点，广泛应用于眼科诊疗领域。
[0003] 眼睛是人类重要的信息
感知器官，通过光线接收外部信息并在大脑中形成影像，进而指挥我们的行动。
视网膜是人眼光学系统中重要的组成部分，其功能相当于光电转换器件，光
信号被视网膜转换成可被大脑识别的生物
电信号。在视网膜上分布着各种类型的细胞，这些细胞在人类的视觉中起着非常重要的作用。同时这些细胞也会受到各种病变因素的侵袭，导致例如糖尿病性视网膜病变、
青光眼、黄斑变性和色素性视网膜炎等各种严重可致盲的
疾病的产生。
[0004] 现如今在眼科临床诊疗中，上文中提及的几种光学扫描成像装置的技术方法已广泛应用。这些技术均使用红外或
近红外波段的
光源和非侵入检测方法，相比于使用可见光源和传统侵入式检测方式，对人眼损伤的
风险大大减小。国内和国际激光安全标准(GB_7247-1-2012，ANSI Z136.1 2007和IEC 60825-1 2011)对各种光源和长时间
辐射的安全激光功率有严格规定。虽然红外或近红外光的
波长较长且对组织无光化学损伤，但是一旦照射到人眼的功率超过安全功率将有可能对人眼造成永久热效应损伤，功率过高时这种损伤有可能成为不可逆的伤害，因此对于光学功率的监控至关重要。
[0005] 另外，根据前述安全标准，在同等的功率下，漫射光对人眼的伤害低于点光源。OCT与cSLO都是基于点扫描的技术，光源聚焦于目标上并且快速的扫描移动。这种照明方式的安全
阈值低于漫反射，但是高于静止的点光源。例如，根据Zeiss Elite 9000的FDA注册
申请报告，其1050nm点扫描光源的安全阈值定在5.4mw,而前述安全标准中，1050nm点光源的的安全阈值为1.9mw。在实际系统中，OCT与cSLO的探测光功率会被设置为低于经特别评估后的线光源或漫射光源的安全阈值，但可能会高于静止点光源的安全阈值。由于光点快速移动，其对视网膜的热效应更类似于线光源或漫射光，对于人眼依旧完全。但是如果光点停止，就有可能对人眼造成伤害。因此，除了对光源功率安全防护，还需要对扫描装置的
位置与速度进行不间断地监控，如果速度低于某一阈值，且扫描光位于视网膜上，光源将立刻被切断。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于眼科光学扫描成像装置的自动安全防护装置和方法，能够通过光电元件、模拟数字
电路及
逻辑电路保证眼科医疗的安全性。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于眼科光学扫描成像装置的自动安全防护装置，包括：光源控
制模块、光源、TAPD、功率监控模块、扫描振镜、扫描振镜驱动、速度监控模块、阈值设置模块、阈值读回模块、阈值
控制模块、位置监控模块和逻辑判断模块；光源控制模块接收逻辑判断模块反馈的信号，控制光源的开通或关断，光源输出光束用以眼科医学诊疗，TAPD将光源出射光束按不同比例分成两束光，功率监控模块将TAPD输出比较的结果供逻辑判断模块使用；扫描振镜控制光束使其在二维空间内扫描，扫描振镜驱动通过直流信号控制振镜的
角度变化，速度监控模块接收扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，输出比较结果的
数字信号供逻辑判断模块使用，位置监控模块接收扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用；阈值控制模块实现阈值
电压的闭环设置，阈值设置模块由数字模拟转换芯片实现阈值电压的设置，阈值读回模块由模拟数字转换芯片实现阈值电压的读回。
[0008] 优选的，TAPD集成
光探测器，将光源出射光束按不同比例分成两束光，一束用于功率监控，一束用于诊疗光路。
[0009] 优选的，功率监控模块具体为：TAPD输出的功率监控信号由P23输入功率监控模块，经过
跨阻放大器U4后由U52A和U52B进行低通滤波，再由比较器U5进行阈值比较。
[0010] 优选的，速度监控模块具体为：两个振镜的位置信号分别输入U28A和U28B构成的微分电路，转换为速度信号；再经过U27和U30构成的绝对值电路，后由U29A做加法再经过由U29B构成的低通滤波电路，再由比较器U26进行阈值比较。
[0011] 优选的，阈值读回模块具体为：两路阈值分别经过U3C和U3D缓冲运放后由一个多通道
模数转换芯片U8完成阈值的读回功能。
[0012] 优选的，位置监控模块具体为：两个振镜的位置信号分别输入U46和U48构成的绝对值电路，后由比较器U47和U49分别转换为数字信号，输出至逻辑判断模块用来判断扫描是否在视场内。
[0013] 优选的，振镜综合运动速率v必须大于安全标准要求的最低速度vM，即v≥vM，其中vx与vy分别是x振镜与y振镜的速率； 就可保证vM，只要监控电路保证两个扫描轴分速度绝对值的和大于安全最低速度的 倍，就能保证扫描速率大于阈值，满足对扫描速度安全监控的要求。
[0014] 相应的，一种适用于眼科光学扫描成像装置的自动安全防护方法，包括如下步骤：
[0015] (1)开机分别设置功率监控和速度监控的阈值，如果读回阈值和设置阈值的差在容许范围内，则打开扫描振镜并重置速度监控模块使其开始监控，反之则关闭光源并给出安全警示；
[0016] (2)速度监控开始后如果速度大于设置阈值或者振镜位置大于设定阈值，均为安全状态，此时可以打开光源，反之则关闭光源并给出安全警示；
[0017] (3)光源打开后，重置功率监控模块使其开始监控，模块会自动判断光束功率是否小于安全功率阈值，如果小于安全功率阈值则进入正常操作模式，反之则关闭光源并给出安全警示；
[0018] (4)进入正常操作模式后，速度监控模块、功率监控模块及位置监控模块会同时并行开始自动监控，出现下面两种情况，逻辑判断模块会自动关闭光源并给出安全警示，扫描位置在扫描视场内并且扫描速度小于等于速度阈值或光束功率大于等于安全功率阈值。
[0019] 本发明的有益效果为：本发明实现光源功率、扫描速度及扫描位置的三重监控，进行逻辑判断检测到不符合安全标准预先设定条件时关断光源输出并将扫描点移至扫描视场以外，实现了光学扫描成像过程中人眼的自动安全防护，大大增加了眼科光学扫描成像装置安全性的保障，通过光电元件、模拟数字电路及逻辑电路保证眼科医疗的安全性。
附图说明
[0020] 图1为本发明的装置结构示意图。
[0021] 图2为本发明的功率监控模块结构示意图。
[0022] 图3为本发明的速度监控模块结构示意图。
[0023] 图4为本发明的位置监控模块结构示意图。
[0024] 图5为本发明的方法流程示意图。
[0025] 图6为本发明的功率监控模块电路结构示意图。
[0026] 图7为本发明的速度监控模块电路结构示意图。
[0027] 图8为本发明的阈值设置模块电路结构示意图。
[0028] 图9为本发明的阈值读回模块电路结构示意图。
[0029] 图10为本发明的位置监控模块电路结构示意图。
具体实施方式
[0030] 如图1所示，一种适用于眼科光学扫描成像装置的自动安全防护装置，包括：源控制模块、光源、TAPD、功率监控模块、扫描振镜、扫描振镜驱动、速度监控模块、阈值设置模块、阈值读回模块、阈值控制模块、位置监控模块和逻辑判断模块；光源控制模块接收逻辑判断模块反馈的信号，控制光源的开通或关断，光源输出光束用以眼科医学诊疗，TAPD将光源出射光束按不同比例分成两束光，功率监控模块将TAPD输出比较的结果供逻辑判断模块使用；扫描振镜控制光束使其在二维空间内扫描，扫描振镜驱动通过直流信号控制振镜的角度变化，速度监控模块接收扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用，位置监控模块接收扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用；阈值控制模块实现阈值电压的闭环设置，阈值设置模块由数字模拟转换芯片实现阈值电压的设置，阈值读回模块由模拟数字转换芯片实现阈值电压的读回。
[0031] 光源控制模块：接收逻辑判断模块电路反馈的信号，控制光源的开通或关断。
[0032] 光源：输出光束用以眼科医学诊疗，且诊疗光束的功率必须满足眼睛安全级别。
[0033] TAPD：TAPD(Integrated Tap Photodiode)是集成了光探测器的光纤分束器。可将光源出射光束按不同比例分成两束光，一束用于功率监控，一束用于诊疗光路。其分束之后的两束光的性质与光源完全相同。响应波长在光源发射波长范围内的光探测器，用于测量功率监控光束的功率从而推导诊疗光路光束的功率是否在安全功率范围内，并将结果反馈给逻辑判断电路模块。
[0034] 功率监控模块：如图2所示，TAPD输出的与功率监控光束功率相关的
电流信号，经由TIA(Transimpedance Amplifier，
跨阻放大器)转换为电压信号并进行低通滤波，通过比较器与阈值设置模块设置的功率阈值电压进行比较，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用。
[0035] 扫描振镜：通常使用两个振镜为一组，控制光束使其在二维空间内扫描，以达到扫描成像的目的。
[0036] 扫描振镜驱动：通过直流信号控制扫描振镜的角度变化。伺服
电机、位置
传感器的使用及
负反馈回路的设计思路保证了扫描振镜系统的扫描速度和重复
定位精度。
[0037] 速度监控模块：实际使用中，x振镜与y振镜的速率可能差别较大，甚至出现某一振镜保持静止同时另一振镜高速扫描。速度监控的目的是振镜综合运动速率v必须大于安全标准要求的最低速度vM，即v≥vM，其中 vx与vy分别是x振镜与y振镜的速率。振镜综合运动速率v可以用数字化vx与vy然后再在
微处理器或FPGA上计算的方法。对于安全电路，优选地，我们采用纯模拟电路的方法，
力求电路最简以保证最高的可靠性，来监控振镜综合运动速率。
[0038] 模拟电路中，不易直接得到信号平方或开根号。在这个实施列中，我们采用如下方法：如图3所示，扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，通过微分电路转换为速度信号，并由加法电路实现两个振镜速度的
叠加，经过低通滤波后输入比较器，通过比较器与阈值设置模块设置的速度阈值电压进行比较，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用。这样做的逻辑如下：
[0039] 容易证明，只要 就可保证v≥vM。也就是说，只要监控电路保证两个扫描轴分速度绝对值的和大于安全最低速度的 倍，就能保证扫描速率大于阈值，即可满足对扫描速度安全监控的要求。证明过程如下：
[0040] 假设安全电路保证
[0041]
[0042] 不等式两边都为正实数，所以
[0043] (|vx|+|vy|)2≥2vM2 (2)
[0044] 因为
[0045] (|vx|-|vy|)2≥0 (3)
[0046] 2|vx|2+2|vy|2-(|vx|+|vy|)2≥0 (4)
[0047] 所以
[0048] (|vx|+|vy|)2≤2|vx|2+2|vy|2 (5)
[0049] 合并考虑不等式(2)，可以导出
[0050] 2|vx|2+2|vy|2≥2vM2 (6)
[0051] 所以
[0052] v2＝|vx|2+|vy|2≥vM2
[0053] |v|≥vM (7)
[0054] 这样就证明了，只需要满足 也就是两个扫描轴分速度绝对值的和大于阈值的 倍，就能保证总的扫描速率大于阈值，从而满足速度监控的要求。
[0055] 本
实施例中，电路实时监控|vx|与|vy|之和，并设置阈值 当|vx|+|vy|≥vT,可以保证|v|≥vM。
[0056] 但需注意，若 尽管|v|≥vM，仍有可能触发安全保护电路。在安全电路中，这部分可以视为系统冗余，并不是一个问题。若 则 安全电路不会被触发。
[0057] 实际中，由于噪声与环境扰动的存在，需要更多的冗余以避免噪声与环境扰动的影响。例如，可以把电路中的速度安全阈值设置为vT＝2vM。当|vx|+|vy|≥vT,可以保证若|v|≥2vM,则|vx|+|vy|≥2vM，安全电路不会被触发。
[0058] 振镜的控制程序需要保证扫描光源开启时，振镜的速度始终大于2vM以免触发安全电路。通常控制程序需要进一步留出冗余，例如扫描光源开启时保证振镜的速度始终大于3vM，以避免触发安全电路。
[0059] 阈值设置模块：由数字模拟转换芯片实现阈值电压的设置。数字信号由阈值控制模块发出，并可根据不同系统进行校正。
[0060] 阈值读回模块：由模拟数字转换芯片实现阈值电压的读回。
监控系统中阈值电压的设置至关重要，通过阈值读回确保阈值电压设置的有效及准确性。这种闭环的设置方式可保证整个方法的安全工作，从而提高系统的稳定和安全。
[0061] 阈值控制模块：设置阈值电压并且读回阈值电压，比较、判断阈值电压是否在可容许范围以内，实现阈值电压的闭环设置。
[0062] 位置监控模块：如图4所示，扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号经过绝对值电路，通过比较器与设置的位置阈值电压进行比较，输出比较结果的数字信号供逻辑判断模块使用。如果振镜位置大于阈值则表明光源扫描点在扫描视场以外，反之则表明光源扫描点在扫描视场以内。光源扫描点在扫描视场以内时才会触发速度监控模块，反之则不触发速度监控模块。这一设计也完全为模拟电路，力求最简以保证最高的可靠性。
[0063] 逻辑判断模块：接收功率监控模块和速度监控模块的反馈信号，给出光源关断与否的信号，并反馈给光源控制模块执行光源工作状态的改变。
[0064] 本实施例中，光源输出光束经过TAPD分束，大部分的光作为探测光路用光束，一小部分的光作为功率监控用光束经过TAPD内集成的光探测器后输出相应大小的电流信号，如图2所示，进一步给出了功率监控模块的细节。探测光路光束的功率必须保证在人眼安全范围内(比如设定人眼安全功率值上限为Ps)，设监控光与探测光光功率之比为γ，本实施例中γ＜1/10。这样功率监控光束的功率P必须满足0＜P＜γPs，此时功率监控模块输出高电平至逻辑判断模块。如果功率监控模块探测到功率P≥γPs或者P＝0，则输出低电平至逻辑判断模块。
[0065] 扫描振镜驱动反馈回来的振镜位置信号，经过速度监控模块处理后转换为与振镜速度相关的电压信号。如果此电压信号大于速度阈值电压，速度监控模块输出高电平至逻辑判断模块，反之，如果此电压信号小于等于速度阈值电压，速度监控模块输出低电平至逻辑判断模块。
[0066] 逻辑判断模块接收到来自功率监控、速度监控和位置监控模块输入的数字信号，按照图5所示的
流程图进行状态判断和相应操作执行。这些判断和操作均在可编程逻辑芯片中实现，从而实现自动安全防护。
[0067] 如图5所示，开机分别设置功率监控和速度监控的阈值。如果读回阈值和设置阈值的差在容许范围内，则打开扫描振镜并重置速度监控模块使其开始监控，反之则关闭光源并给出安全警示。速度监控开始后如果速度大于设置阈值或者振镜位置大于设定阈值，均为安全状态，此时可以打开光源，反之则关闭光源并给出安全警示。光源打开后，重置功率监控模块使其开始监控，模块会自动判断光束功率是否小于安全功率阈值，如果小于安全功率阈值则进入正常操作模式，反之则关闭光源并给出安全警示。进入正常操作模式后，速度监控模块、功率监控模块及位置监控模块会同时并行开始自动监控，出现下面两种情况，逻辑判断模块会自动关闭光源并给出安全警示：a)扫描位置在扫描视场内(位置监控模块判断位置小于位置阈值)，并且扫描速度小于等于速度阈值；b)光束功率大于等于安全功率阈值。
[0068] 如图6所示，功率监控模块具体为：TAPD输出的功率监控信号由P23输入功率监控模块，经过跨阻放大器U4后由U52A和U52B进行低通滤波，再由比较器U5进行阈值比较。
[0069] 如图7所示，速度监控模块具体为：两个振镜的位置信号分别输入U28A和U28B构成的微分电路，转换为速度信号；再经过U27和U30构成的绝对值电路，后由U29A做加法再经过由U29B构成的低通滤波电路，再由比较器U26进行阈值比较。
[0070] 如图8所示，阈值设置模块由一个双通道模数转换芯片U50来完成阈值设置功能。
[0071] 如图9所示，阈值读回模块具体为：两路阈值分别经过U3C和U3D缓冲运放后由一个多通道模数转换芯片U8完成阈值的读回功能。
[0072] 如图10所示，位置监控模块具体为：两个振镜的位置信号分别输入U46和U48构成的绝对值电路，后由比较器U47和U49分别转换为数字信号，输出至逻辑判断模块用来判断扫描是否在视场内。
[0073] 本发明使得光学扫描成像装置的光功率在人眼安全范围内，如果检测到光源功率超过预先设定的安全标准或者扫描速度小于预先设定的安全标准时，关断光源并且将扫描点移至光学扫描成像装置的视场以外，通过光电元件、模拟数字电路及逻辑电路保证眼科医疗的安全性。
