低成本便携式非散瞳眼底相机

基于树莓派®计算机的便携式、低成本非散瞳眼底相机

目的

非散瞳眼底相机能够在无需药物性瞳孔散大的情况下进行视网膜摄影。然而，目前可用的非散瞳眼底相机通常较为笨重、不便携且价格昂贵。借助移动技术的最新进展，我们旨在开发一种价格低廉且可放入口袋的非散瞳眼底相机。

方法

硬件

我们的非散瞳眼底相机基于树莓派2型B版和NoIR摄像头模块（树莓派基金会，英国剑桥郡卡尔德科特）。树莓派是一种信用卡大小的计算机主板，设计用于方便地与外部环境交互。NoIR摄像头模块是一款5百万像素的摄像头，类似于消费级智能手机摄像头，但其对红外光敏感且为固定焦距。在本眼底相机中，我们使用两把珠宝钳逆时针旋转拆卸镜头，将标准NoIR摄像头模块的焦距从无限远调整至约8 cm [5]。

树莓派通过橡皮筋连接到一块轻量级的10400mAh锂电池和一块5英寸LCD触摸屏（见图1和图2）。树莓派还通过微型USB电缆与电池相连，并通过微型USB电缆和HDMI电缆与LCD触摸屏相连。NoIR摄像头模块用胶带固定在电池上。

视网膜的照明由牛尾电兴株式会社（日本京都）制造、丸红株式会社分销的原型双LED（SMT47W/850D）提供。该30 × 35毫米双LED可发射红外光（850纳米）或白光，且红外光和白光为同轴的。双LED通过跳线电缆焊接到双LED上，并平行贴附于NoIR相机镜头旁（见图1），并连接到树莓派的GPIO引脚。相机顶部有一个物理快门按钮，也通过跳线电缆连接到树莓派的GPIO引脚。

使用手持的一次性20屈光度聚光镜（Sensor Medical Technologies，枫谷，WA，美国），结合眼底相机进行间接检眼镜检查（见图1和图2）。这与之前描述的智能手机眼底摄影系统类似[1]。

在线提供的补充说明（https://doi.org/10.1155/2017/4526243）详细分步介绍了如何构建我们的原型相机。此外，在线还可获取补充零件清单，其中提供了成本明细。

软件

树莓派使用的操作系统是Raspbian操作系统，该系统已预装在一张8吉字节NOOBS微型SD卡（树莓派基金会）上。通过LCD触摸屏和开源的Florence虚拟键盘程序向树莓派输入命令。眼底相机使用一个基于戴夫·琼斯编写的picamera模块的简单Python程序[6]，该程序详见补充说明。

结果

原型非散瞳眼底相机和聚光镜如图1和图2所示。该相机尺寸约为133 mm × 91 mm × 45 mm（不含线缆），重量为386克。眼底相机和聚光镜的总成本约为185.20美元（见补充零件清单）。

相机操作

通过将微型USB电缆插入树莓派来开启眼底相机。操作系统加载完成后，Python程序自动启动，从而打开相机取景器以及红外LED的红外光。用户需将房间调暗，以便患者瞳孔自然散大。用户一手持眼底相机，另一手持聚光镜，随后进行红外间接检眼镜检查。该过程类似于之前描述的扩瞳型智能手机眼底摄影技术[1]。当眼底相机、聚光镜、患者视网膜和瞳孔正确对齐后，用户将在取景器中看到眼底的黑白图像充满聚光镜视野（见图3(a)）。当用户对图像满意后，按下快门按钮，此时红外LED关闭，同轴白光LED闪烁，同时拍摄一张眼底彩色照片（见图3(b)）。拍摄的图像可从存储卡中获取，并通过连接到树莓派的以太网电缆或无线适配器传输至其他计算机。

使用原型眼底相机拍摄的作者左眼眼底图像。(b) 同一眼底的彩色图像)

光强度

原型非散瞳眼底相机产生的红外光和白光的强度使用Thorlabs PM100控制台和S120B传感器（美国新泽西州纽顿）进行测量。采用20屈光度聚光镜将光线聚焦到传感器上。当设置为红外光时，相机在850纳米波长下产生50至90微瓦的光能量。当设置为白光时，相机在570纳米波长下产生150至170微瓦的光能量。相比之下，Keeler Vantage Plus间接检眼镜（Keeler眼科仪器公司，美国宾夕法尼亚州布鲁马尔）在半强度和全强度设置下，分别在570纳米波长下产生约1500微瓦和3000微瓦的光能量。

讨论

我们的原型相机提供了一个概念验证，即可以简单且低成本地制造出一种便携式非散瞳眼底相机，能够拍摄高质量的眼底照片。这种原型相机之所以成为可能，在很大程度上得益于当前智能手机和移动技术的革命，计算机芯片、摄像头模块、摄像照明系统和触摸屏的质量不断提高，尺寸不断缩小，价格持续下降。事实上，在我们制作原型时，树莓派基金会已经推出了树莓派计算机的更新版本Pi 3，其配备了更快的处理器和内置无线网卡，同时还推出了NoIR摄像头模块的升级版V2，分辨率高达800万像素。这两种升级组件的价格与其前代版本相同，而我们的原型相机使用的是前代组件。

我们的原型相机还得益于其30 × 35 mm的双红外和白光发光二极管，该发光二极管能够产生同轴红外和白光。LED是我们的原型相机中唯一无法作为现成组件获得的部分，但我们推测这种双红外和白光发光二极管可以实现大规模生产，如果实现，每个发光二极管的价格将约为3美元（丸红株式会社，个人交流）。此前，为了为我们的原型相机提供照明，我们曾尝试使用一个商用5毫米白光发光二极管和一个5毫米红外发光二极管，并将它们并排紧贴放置在相机镜头旁边。由于每个5毫米发光二极管虽然体积小，但具有独立直径，导致红外光和白光不够同轴，无法实现一致的眼底摄影。一种带有同轴红外和白光的小型双发光二极管可作为其他非散瞳眼底相机中复杂、笨重且昂贵的照明系统的替代方案[3, 8]。

我们相机的一个局限性在于，由于它依赖于间接检眼镜检查，因此在使用上存在一定的学习曲线。为了操作该相机，使用者必须熟练掌握相机和聚光镜的移动，以确保两者与患者瞳孔正确对齐。我们的相机没有传统台式眼底相机所配备的支架或患者下巴托；缺少支架或下巴托虽然带来了便携性的优势，但也增加了保持对准的难度。尽管如此，作者认为，经常使用手持透镜进行间接检眼镜检查的眼科医生能够熟练地学会使用我们的相机，我们在使用相似光学系统和技术的散瞳智能手机眼底摄影系统[1]时已有这样的经验。非眼科医生经过练习后也可能能够使用我们的相机。例如，我们已成功将上述散瞳智能手机系统教授给实验室技术人员用于兔眼眼底摄影[1]。此外，可以设想将我们的便携式相机设计成模块化结构，在需要时“对接”到台式相机支架和下巴托上，以改善对准效果。对相机进行其他改进，如减重、自动对焦、自动快门、语音控制以及聚光镜支架，可能会提高其使用便捷性[9]。

最近的研究表明，智能手机可用于眼底摄影[1, 10, 11]。智能手机的优势在于普及性强，且易于连接移动或无线网络。然而，当使用智能手机的原生相机和闪光灯时，智能手机眼底摄影的缺点包括需要药理扩瞳，以及不同智能手机的相机闪光灯在光安全性方面尚不明确。未来对我们的非散瞳眼底相机的一个重要可能改进是将其转变为可通过micro‐USB或 Lightning®连接与智能手机相连的“转接器”。这种眼底相机转接器将配备红外敏感的相机板和双红外和白光发光二极管，但依赖智能手机提供电池、触摸屏取景器和互联网连接，从而提高便携性并降低相机成本。一个早期原型由麻省理工学院媒体实验室的同事合作开发，并在ARVO 2016上展出[12]。该原型的制造成本（不含手机）约为90美元。

在用于患者之前，我们的原型相机需要进行额外的光安全测试。然而，我们的初步结果表明，该原型相机对人眼可能是安全的。作者指出，与间接检眼镜检查相比，使用原型相机拍摄眼底照片时主观感受非常舒适，这表明非散瞳成像具有额外的优势。

我们的原型机或基于该原型的相机可能对医疗专业人员有多种用途。例如，对于接诊住院会诊的眼科医生而言，该相机可能非常有用，因为将住院患者转移至固定的眼底相机处往往不切实际，而且许多在重症监护室的神经外科住院患者不允许进行药物散瞳。非散瞳成像的舒适性可能使该相机对小儿眼科医生也有帮助，尽管对准可能会比较困难。最后，我们相机的低成本和小型化特点可能使其成为从事全球医学实践的眼科医生的宝贵工具。通过增加大容量存储卡、高性能无线网卡或手机天线等功能，该设备可帮助医务人员开展远程医疗。

我们正在将此设备的使用说明开源（参见补充说明），希望其他人能够在此基础上进行构建并以创新的方式进行进一步改进。

结论

我们的原型相机利用了相机和LED技术的最新进展，验证了非散瞳眼底相机无需笨重且昂贵的概念。通过几乎全部使用现成电子元件，我们成功制造出一台重量为386克、成本为185.20美元的手持式非散瞳相机，比目前市场上可用的相机更轻便且更便宜。经过进一步改进和额外的安全测试后，我们的原型相机或基于该原型的相机，可能使更多医疗专业人员受益于非散瞳眼底成像的优势。