視覺(jué)光學(xué)原理與應(yīng)用探索人類視覺(jué)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(jué)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(jué)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(jiàn)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(diǎn)連成的面費(fèi)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(shí)光不出射光學(xué)成像原理針孔成像無(wú)需鏡頭，倒立實(shí)像透鏡成像聚焦光線形成像像的特性實(shí)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(diǎn)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(chǎng)可見(jiàn)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(diǎn)不同色差不同波長(zhǎng)光折射率不同導(dǎo)致散光不同方向光線焦點(diǎn)位置不同場(chǎng)曲像面彎曲導(dǎo)致邊緣模糊波動(dòng)光學(xué)干涉波疊加產(chǎn)生明暗條紋衍射光繞過(guò)障礙物或通過(guò)小孔擴(kuò)散偏振光波振動(dòng)方向限制于一個(gè)平面第二章：人眼視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)皮層視覺(jué)信息分析處理視神經(jīng)傳導(dǎo)信號(hào)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(hào)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(jué)，約1.2億個(gè)視錐細(xì)胞負(fù)責(zé)色覺(jué)和精細(xì)視覺(jué)，約600萬(wàn)個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞傳導(dǎo)視覺(jué)信號(hào)至大腦視覺(jué)信息處理視網(wǎng)膜信號(hào)初步整合處理視神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)通道外側(cè)膝狀體信號(hào)中繼站視覺(jué)皮層高級(jí)信息分析處理視覺(jué)感知特性雙眼視覺(jué)立體視覺(jué)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(jiàn)圖像位置差異是深度知覺(jué)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(jué)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(zhǎng)逐漸減小3視覺(jué)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(jué)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(diǎn)不一致老視調(diào)節(jié)能力隨年齡下降第三章：視覺(jué)光學(xué)儀器視覺(jué)光學(xué)儀器擴(kuò)展人類視覺(jué)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(diǎn)單焦點(diǎn)鏡片單一視力缺陷全區(qū)域同一度數(shù)雙焦點(diǎn)鏡片近視+老視上下區(qū)域不同度數(shù)漸進(jìn)多焦點(diǎn)需要多個(gè)焦距度數(shù)漸變過(guò)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(jiàn)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(jì)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(shí)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(wú)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(zhǎng)焦、微距、魚(yú)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(zhǎng)視角越窄，放大率越高傳感器大小影響成像視角與畫(huà)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(duì)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(jué)光學(xué)測(cè)量視力測(cè)量評(píng)估視覺(jué)系統(tǒng)解析能力屈光度測(cè)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(cè)量評(píng)估眼內(nèi)壓力水平視力測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)視力表不同尺寸字符識(shí)別兒童視力表使用圖片適合不識(shí)字兒童電子視力表可變化對(duì)比度和字符類型屈光度測(cè)量主觀驗(yàn)光患者反饋選擇最清晰鏡片1客觀驗(yàn)光使用儀器測(cè)量無(wú)需患者反饋2檢影驗(yàn)光觀察視網(wǎng)膜反光移動(dòng)方向3電腦驗(yàn)光自動(dòng)測(cè)量屈光度分布4角膜地形圖眼壓測(cè)量壓平眼壓計(jì)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(jì)氣流測(cè)量方法無(wú)需直接接觸眼球舒適度高，適合篩查眼軸長(zhǎng)度測(cè)量1A超測(cè)量超聲波反射測(cè)量距離激光干涉測(cè)量利用光學(xué)干涉原理測(cè)量OCT生物測(cè)量高分辨率無(wú)接觸測(cè)量4MRI測(cè)量可測(cè)量所有眼內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸視野檢查動(dòng)態(tài)視野計(jì)移動(dòng)光點(diǎn)從不可見(jiàn)到可見(jiàn)靜態(tài)視野計(jì)固定位置不同亮度光點(diǎn)結(jié)果分析等值線圖顯示視野靈敏度色覺(jué)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(wú)法分辨顏色第五章：視覺(jué)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(wú)需散瞳，操作簡(jiǎn)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(dòng)脈期染料進(jìn)入視網(wǎng)膜動(dòng)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(cè)量成像斷層圖像10微米分辨率橫截面圖像血管成像無(wú)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(jiàn)單個(gè)感光細(xì)胞2波前修正實(shí)時(shí)補(bǔ)償光學(xué)像差波前感應(yīng)測(cè)量眼內(nèi)像差變化第六章：視覺(jué)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(cè)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(jiǎn)便，多種材質(zhì)和設(shè)計(jì)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(cè)量計(jì)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(cè)眼壓測(cè)量反映眼內(nèi)壓力水平視野檢查評(píng)估視功能損傷程度OCT檢查測(cè)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(píng)估黃斑水腫和變性3熒光血管造影檢測(cè)滲漏和新生血管功能評(píng)估視力和對(duì)比敏感度測(cè)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(jiàn)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(yíng)養(yǎng)不良其他第七章：視覺(jué)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(dòng)檢測(cè)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(jì)算機(jī)視覺(jué)基礎(chǔ)決策與推理基于圖像做出診斷結(jié)論模式識(shí)別識(shí)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(dòng)檢測(cè)視盤(pán)和血管識(shí)別糖尿病視網(wǎng)膜病變青光眼篩查OCT圖像分析自動(dòng)分層和測(cè)量黃斑疾病檢測(cè)治療效果評(píng)估人工智能輔助診斷95%糖網(wǎng)篩查準(zhǔn)確率超過(guò)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(pán)和OCT分析85%白內(nèi)障分級(jí)準(zhǔn)確率自動(dòng)評(píng)估混濁程度虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)原理完全沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)利用雙目視差創(chuàng)造深度感AR技術(shù)原理現(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(jué)功能評(píng)估與康復(fù)第八章：視覺(jué)光學(xué)的前沿技術(shù)視覺(jué)光學(xué)前沿科技引領(lǐng)未來(lái)醫(yī)療創(chuàng)新跨學(xué)科融合帶來(lái)技術(shù)突破和應(yīng)用拓展生物視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)攝像頭采集信息轉(zhuǎn)換電信號(hào)視網(wǎng)膜芯片光敏傳感器直接刺激神經(jīng)視覺(jué)皮層刺激繞過(guò)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(shí)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(hào)3分子傳感技術(shù)檢測(cè)眼內(nèi)微量分子標(biāo)志物4量子光學(xué)在視覺(jué)中的應(yīng)用量子成像糾纏光子對(duì)提高分辨率和穿透性量子傳感超高靈敏度檢測(cè)眼內(nèi)微弱信號(hào)量子計(jì)算復(fù)雜視覺(jué)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(zhǎng)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(dòng)功能重建