視覺光學(xué)原理與應(yīng)用探索人類視覺系統(tǒng)和光學(xué)原理的奧秘課程介紹課程目標(biāo)掌握視覺光學(xué)基本理論和應(yīng)用方法學(xué)習(xí)內(nèi)容概覽光學(xué)基礎(chǔ)、人眼視覺系統(tǒng)、光學(xué)儀器、臨床應(yīng)用考核方式第一章：光學(xué)基礎(chǔ)光的本質(zhì)電磁波理論光子概念波粒二象性電磁波譜可見光譜：380-780nm紫外線與紅外線區(qū)域光的傳播光線光的傳播路徑波前同相位點連成的面費馬原理光線總是沿最短光程傳播幾何光學(xué)反射定律入射角等于反射角折射定律斯涅爾定律：n?sinθ?=n?sinθ?全內(nèi)反射入射角大于臨界角時光不出射光學(xué)成像原理針孔成像無需鏡頭，倒立實像透鏡成像聚焦光線形成像像的特性實像與虛像成像公式1/f=1/u+1/v光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)焦距平行光匯聚點與鏡頭距離決定放大倍率孔徑控制進(jìn)光量影響景深和分辨率視場可見范圍大小通常以角度表示光學(xué)像差球差邊緣光線與中心光線焦點不同色差不同波長光折射率不同導(dǎo)致散光不同方向光線焦點位置不同場曲像面彎曲導(dǎo)致邊緣模糊波動光學(xué)干涉波疊加產(chǎn)生明暗條紋衍射光繞過障礙物或通過小孔擴(kuò)散偏振光波振動方向限制于一個平面第二章：人眼視覺系統(tǒng)視覺皮層視覺信息分析處理視神經(jīng)傳導(dǎo)信號從視網(wǎng)膜至大腦感光與編碼視網(wǎng)膜細(xì)胞感光轉(zhuǎn)換光學(xué)成像角膜和晶狀體聚焦人眼解剖結(jié)構(gòu)1角膜透明組織，提供大部分折射力2晶狀體雙凸透鏡，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)焦距3虹膜控制瞳孔大小，調(diào)節(jié)進(jìn)光量4視網(wǎng)膜感光層，接收光信號并轉(zhuǎn)換視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)視桿細(xì)胞負(fù)責(zé)弱光下視覺，約1.2億個視錐細(xì)胞負(fù)責(zé)色覺和精細(xì)視覺，約600萬個神經(jīng)節(jié)細(xì)胞傳導(dǎo)視覺信號至大腦視覺信息處理視網(wǎng)膜信號初步整合處理視神經(jīng)信號傳導(dǎo)通道外側(cè)膝狀體信號中繼站視覺皮層高級信息分析處理視覺感知特性雙眼視覺立體視覺雙眼獲取的略有差異的圖像提供深度和空間距離感知視差兩眼所見圖像位置差異是深度知覺的關(guān)鍵線索融合大腦將兩眼圖像合成單一感知依賴雙眼視覺系統(tǒng)協(xié)調(diào)眼球調(diào)節(jié)遠(yuǎn)距離觀察瞳孔縮小，晶狀體變平1近距離觀察瞳孔擴(kuò)大，晶狀體變凸2調(diào)節(jié)范圍隨年齡增長逐漸減小3視覺適應(yīng)明適應(yīng)從暗環(huán)境到亮環(huán)境的適應(yīng)暗適應(yīng)從亮環(huán)境到暗環(huán)境的適應(yīng)視紫紅質(zhì)再生視桿細(xì)胞感光物質(zhì)循環(huán)視覺缺陷近視遠(yuǎn)處物體成像在視網(wǎng)膜前方遠(yuǎn)視近處物體成像在視網(wǎng)膜后方散光不同方向光線焦點不一致老視調(diào)節(jié)能力隨年齡下降第三章：視覺光學(xué)儀器視覺光學(xué)儀器擴(kuò)展人類視覺極限幫助我們看清微觀世界和遙遠(yuǎn)宇宙眼鏡光學(xué)鏡片類型適用情況光學(xué)特點單焦點鏡片單一視力缺陷全區(qū)域同一度數(shù)雙焦點鏡片近視+老視上下區(qū)域不同度數(shù)漸進(jìn)多焦點需要多個焦距度數(shù)漸變過渡非球面鏡片高度數(shù)屈光不正減薄鏡片厚度放大鏡2-20×放大倍數(shù)常見放大鏡放大倍率范圍25cm最清晰距離人眼舒適視物的標(biāo)準(zhǔn)距離1/f放大率計算M=25/f(cm)顯微鏡1總放大倍率物鏡×目鏡2目鏡放大物鏡形成的實像物鏡采集樣本光學(xué)信息4光源系統(tǒng)提供樣本照明望遠(yuǎn)鏡折射式望遠(yuǎn)鏡使用透鏡系統(tǒng)色差明顯，適合低倍率反射式望遠(yuǎn)鏡使用反射鏡系統(tǒng)無色差，適合高倍率卡塞格倫式結(jié)合反射和折射體積小，性能好相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)鏡頭類型廣角、標(biāo)準(zhǔn)、長焦、微距、魚眼光圈與景深大光圈淺景深，小光圈深景深焦距與視角焦距越長視角越窄，放大率越高傳感器大小影響成像視角與畫質(zhì)投影儀LCD投影液晶面板調(diào)制光線色彩準(zhǔn)確，亮度一般DLP投影數(shù)字微鏡反射光線對比度高，響應(yīng)快激光投影激光光源直接調(diào)制色域廣，亮度高第四章：視覺光學(xué)測量視力測量評估視覺系統(tǒng)解析能力屈光度測量確定光學(xué)矯正度數(shù)角膜地形圖分析角膜表面形態(tài)眼壓測量評估眼內(nèi)壓力水平視力測量標(biāo)準(zhǔn)視力表不同尺寸字符識別兒童視力表使用圖片適合不識字兒童電子視力表可變化對比度和字符類型屈光度測量主觀驗光患者反饋選擇最清晰鏡片1客觀驗光使用儀器測量無需患者反饋2檢影驗光觀察視網(wǎng)膜反光移動方向3電腦驗光自動測量屈光度分布4角膜地形圖眼壓測量壓平眼壓計標(biāo)準(zhǔn)方法，直接接觸需使用表面麻醉劑精度高，操作較復(fù)雜非接觸眼壓計氣流測量方法無需直接接觸眼球舒適度高，適合篩查眼軸長度測量1A超測量超聲波反射測量距離激光干涉測量利用光學(xué)干涉原理測量OCT生物測量高分辨率無接觸測量4MRI測量可測量所有眼內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸視野檢查動態(tài)視野計移動光點從不可見到可見靜態(tài)視野計固定位置不同亮度光點結(jié)果分析等值線圖顯示視野靈敏度色覺檢查色盲類型紅色盲、綠色盲、藍(lán)色盲色弱類型紅色弱、綠色弱、藍(lán)色弱全色盲完全無法分辨顏色第五章：視覺光學(xué)成像技術(shù)眼底檢查觀察視網(wǎng)膜血管和組織眼底照相記錄眼底狀態(tài)熒光血管造影觀察血管滲漏情況OCT成像獲取視網(wǎng)膜斷層圖像眼底成像直接檢眼鏡單手持小型檢查設(shè)備放大15倍，視野小成像為正立像間接檢眼鏡頭戴式設(shè)備配合透鏡放大2-5倍，視野大成像為倒立像眼底照相傳統(tǒng)眼底相機(jī)視角30-50度需散瞳，圖像清晰非散瞳眼底相機(jī)無需散瞳，操作簡便圖像質(zhì)量稍差廣角眼底相機(jī)視角可達(dá)200度可觀察遠(yuǎn)周邊病變熒光素眼底血管造影1注射熒光素靜脈注射熒光染料2動脈期染料進(jìn)入視網(wǎng)膜動脈3靜脈期染料充滿靜脈系統(tǒng)4晚期觀察染料滲漏情況光學(xué)相干斷層掃描（OCT）設(shè)備原理利用低相干干涉測量成像斷層圖像10微米分辨率橫截面圖像血管成像無需造影劑顯示血流共焦掃描激光檢眼鏡15μm橫向分辨率可分辨微小視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)300μm光學(xué)切片厚度有效排除散射光30°掃描視角單次掃描覆蓋范圍自適應(yīng)光學(xué)成像高清晰成像可見單個感光細(xì)胞2波前修正實時補(bǔ)償光學(xué)像差波前感應(yīng)測量眼內(nèi)像差變化第六章：視覺光學(xué)在臨床中的應(yīng)用屈光不正矯正各類眼鏡和接觸鏡應(yīng)用白內(nèi)障治療人工晶狀體植入青光眼診治眼壓和視野功能監(jiān)測3視網(wǎng)膜疾病OCT指導(dǎo)治療方案角膜疾病地形圖分析異常屈光不正的矯正框架眼鏡安全簡便，多種材質(zhì)和設(shè)計隱形眼鏡美觀，不受雨霧影響角膜塑形鏡夜間配戴改變角膜形狀白內(nèi)障的診斷與治療裂隙燈檢查觀察晶狀體混濁程度眼軸測量計算人工晶狀體度數(shù)超聲乳化手術(shù)碎吸混濁晶狀體人工晶狀體植入替代混濁晶狀體青光眼的診斷與監(jiān)測眼壓測量反映眼內(nèi)壓力水平視野檢查評估視功能損傷程度OCT檢查測量視神經(jīng)纖維層厚度黃斑疾病的診斷1眼底檢查觀察黃斑區(qū)形態(tài)變化OCT成像評估黃斑水腫和變性3熒光血管造影檢測滲漏和新生血管功能評估視力和對比敏感度測試視網(wǎng)膜脫離的診斷患者癥狀閃光感飛蚊癥視野缺損如"簾幕下垂"診斷方法間接檢眼鏡檢查超聲檢查OCT成像常見類型孔源性視網(wǎng)膜脫離牽引性視網(wǎng)膜脫離滲出性視網(wǎng)膜脫離角膜疾病的診斷角膜炎角膜潰瘍圓錐角膜角膜營養(yǎng)不良其他第七章：視覺光學(xué)與人工智能圖像處理算法增強(qiáng)圖像質(zhì)量，提取特征信息深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)自動檢測和分類疾病大數(shù)據(jù)分析匯集臨床數(shù)據(jù)推導(dǎo)預(yù)后智能輔助系統(tǒng)提高醫(yī)生診斷效率和準(zhǔn)確性計算機(jī)視覺基礎(chǔ)決策與推理基于圖像做出診斷結(jié)論模式識別識別特定疾病模式3特征提取提取關(guān)鍵病理標(biāo)志圖像處理濾波、增強(qiáng)、分割機(jī)器學(xué)習(xí)在眼科中的應(yīng)用眼底圖像分析自動檢測視盤和血管識別糖尿病視網(wǎng)膜病變青光眼篩查OCT圖像分析自動分層和測量黃斑疾病檢測治療效果評估人工智能輔助診斷95%糖網(wǎng)篩查準(zhǔn)確率超過大多數(shù)普通醫(yī)師水平90%青光眼檢出敏感性結(jié)合視盤和OCT分析85%白內(nèi)障分級準(zhǔn)確率自動評估混濁程度虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實VR技術(shù)原理完全沉浸式視覺體驗利用雙目視差創(chuàng)造深度感AR技術(shù)原理現(xiàn)實場景疊加虛擬信息微型投影系統(tǒng)結(jié)合半透鏡眼科應(yīng)用手術(shù)導(dǎo)航與訓(xùn)練視覺功能評估與康復(fù)第八章：視覺光學(xué)的前沿技術(shù)視覺光學(xué)前沿科技引領(lǐng)未來醫(yī)療創(chuàng)新跨學(xué)科融合帶來技術(shù)突破和應(yīng)用拓展生物視覺仿生技術(shù)電子視網(wǎng)膜微電極陣列替代受損視網(wǎng)膜人工視覺系統(tǒng)攝像頭采集信息轉(zhuǎn)換電信號視網(wǎng)膜芯片光敏傳感器直接刺激神經(jīng)視覺皮層刺激繞過眼球直接刺激大腦納米光學(xué)技術(shù)超分辨率成像打破衍射極限實現(xiàn)納米分辨率1納米材料應(yīng)用新型生物相容性光學(xué)材料2等離子體光學(xué)利用金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光信號3分子傳感技術(shù)檢測眼內(nèi)微量分子標(biāo)志物4量子光學(xué)在視覺中的應(yīng)用量子成像糾纏光子對提高分辨率和穿透性量子傳感超高靈敏度檢測眼內(nèi)微弱信號量子計算復(fù)雜視覺信息的快速處理分析光遺傳學(xué)技術(shù)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)入光敏蛋白基因至目標(biāo)細(xì)胞光激活特定波長光刺激激活蛋白功能神經(jīng)調(diào)控精確控制特定神經(jīng)元活動功能重建