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眼底星空:天文望远技术用于观察眼底

导读: 科学家发明了自适应光学技术来,使得天文望远镜能够看到遥远星星的“本来面目”。所谓自适应光学技术,就是通过实时探测、控制、校正光学波前误差,使光学系统能够看得更清楚。为了拓展自适应光学技术的应用范围,美国人率先提出将这种技术应用到人眼视网膜上,来获取更清晰的图像。

  “看天”的技术 观测人眼的手段

  科学家发明了自适应光学技术来,使得天文望远镜能够看到遥远星星的“本来面目”。所谓自适应光学技术,就是通过实时探测、控制、校正光学波前误差,使光学系统能够看得更清楚。为了拓展自适应光学技术的应用范围,美国人率先提出将这种技术应用到人眼视网膜上,来获取更清晰的图像。

  原本“看星球”的技术现在“看眼球”

  眼睛是人体宝贵的感觉器官,是获得外界信息的重要窗口。然而,青光眼、视网膜黄斑疾病、视网膜变性等疾病的困扰,让很多人原来清晰的世界变得浑浊甚至黑暗。像癌一样,这些眼底疾病越早发现,越有利于治疗,因此,眼底疾病的诊断显得尤为重要。

  但是,要在早期发现这些眼底疾病必须借助观测设备。而目前医院常见的一些观测设备,分辨率不能满足医生的需要,病变早期更是难有作为。如何让眼底观测设备看得更清楚?天文望远镜的发展给了科学家们启示。

  从理论上讲,天文望远镜的口径越大,分辨能力就越强。然而,在地面用大型望远镜透过地球稠密的大气层观测星体时,由于“大气湍流”的干扰,光学望远镜的实际分辨力远远达不到理论上所预期衍射极限。为解决这个问题,科学家发明了自适应光学技术来帮助天文望远镜。

  所谓自适应光学技术,就是通过实时探测、控制、校正光学波前误差,使光学系统能够看得更清楚。它由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成,传感器感应到从远方星体到望远镜的光束,波前控制器测量出的波前误差,并将信息传递到波前校正器,校正器便会调整反射镜,将原本经过大气已经被扭曲的光束波面经过反射后接近理想波面,再聚焦到探测器上,从而使得望远镜能看到遥远星星的“本来面目”。

  自适应光学技术就像是给天文望远镜加了一个“视力”矫正器。由于有了这项技术,人类已能够通过天文望远镜观测到离地球几十甚至上百光年远外星系。

  用“天文望远镜”观测眼底

  中科院光电技术所的副研究员戴云介绍,人的眼睛同样是一个光学系统,也存在一些光学像差。因为光学像差的存在,眼底的诊断仪器在观察人的视网膜时,往往也会遇到“看不清楚”的问题。

  传统的观察人眼的手段,光束从外界射入人眼内,再反射出来后,由于光学像差的存在,光束形成的波面容易发生扭曲,从而无法聚焦清楚,也就无法形成更为清晰的图像。而加了“矫正器”以后,用一束半导体激光从瞳孔射入眼内,经人眼会聚后在眼底形成一个光斑,经眼底反射后从瞳孔射出,由波前传感器测量光学像差,再将信息传输到校正器,校正器根据测量结果做出调整,将内置的反光镜通过电压变形,使得光束经过后,反射出的光束波面不再扭曲,达到理想效果。这样就可以“拍”到细胞级高分辨的眼底视网膜图像。

  从1979年开始,中科院光电技术所就致力于自适应光学技术的研究,并在1990年首次用研制的“21单元星体成像自适应光学系统”,实现了对星体目标的大气湍流校正成像。使我国成为继美国和法、德联合研究组之后,世界上又一个实现星体目标实时校正成像的国家。

  “后来,为了拓展自适应光学技术的应用范围,美国人率先提出将这种技术应用到人眼视网膜上,来获取更为清晰的图像。”戴云介绍,从1997年开始,光电所便开始进行市场调查和前期研究。1999年,光电所研制出了第一代19单元视网膜自适应光学成像仪。2003年,研制出了成像更为清晰的37单元视网膜自适应光学仪,开始进入临床实验阶段。

  而所谓的“19单元视网膜自适应光学成像仪”,是指校正器(可变形反光镜)内的19个驱动器,驱动器越多,校正器可以适应的情况越多,就越能针对光束的光学像差做出改变。因此,到第二代的“37单元视网膜自适应光学成像仪”,仪器的分辨率更高。

  相对现在市面上的诊断仪器而言,视网膜自适应光学成像仪的分辨率更高,能帮助医生及时发现患者眼底存在的早期病变并确定病程,在眼底诊断方面取得突破性进展。据了解,“37单元视网膜自适应光学成像仪”是全球首台面世的将天文观测中的自适应光学技术应用到眼底诊断的仪器,并有望成为全新意义上的眼底诊断标准仪器。

  还需要进一步建立图像与眼病的对应关系

  “现在市面上大部分的检查仪器或者手段,包括眼底相机、荧光造影以及OCT光学设备等,它们的横向分辨率一般都在10微米左右,而我们的分辨率可以达到2至3微米,分辨率更高。”戴云介绍,眼底视网膜作为眼球内结构最复杂精细的部分,有多层细胞和毛细血管,人体的一些眼部病变,在身体还没出现不适反应,或常规医疗手段还检测不出问题时,眼底视网膜毛细血管就已出现变窄或硬化的现象,视网膜自适应光学成像仪就可以做早期的检测,从而对疾病进行提早干预,避免眼睛受到更大的损害。

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