编辑推荐：
在眼科领域，圆锥角膜等病症会使眼高阶像差（HOAs）大幅升高，传统 Shack-Hartmann 传感器难以准确记录高度像差眼的波前。研究人员利用改良的 Attention-UNet 开展高分辨率、高动态范围波前重建研究，成果显著，有望推动眼科临床应用发展。
在眼科的神秘世界里，有一种病症如同隐藏在角膜深处的 “捣乱分子”，它就是圆锥角膜。圆锥角膜是一种非炎症性的角膜疾病，喜欢在青少年或刚成年的人群中 “搞破坏”。它会让角膜的中央和周边区域逐渐变薄，最终形成一个像圆锥一样的凸起。随着病情发展，患者的视力会逐渐下降，看东西时会出现眩光，甚至会有单眼复视的情况，严重影响生活质量。全球大约每 2000 人中就有 1 人会受到它的困扰，而且这个数据可能还低估了它的真实影响范围。
为了诊断圆锥角膜，医生们有不少 “武器”。角膜地形图是主要的诊断工具，可以精确地查看角膜曲率的变化，帮助医生尽早发现角膜的形态异常。此外，还有裂隙灯显微镜、角膜厚度测量、角膜生物力学测试等辅助检查手段。近年来，光学相干断层扫描（OCT）和 Scheimpflug 成像技术在评估角膜结构和形态变化方面发挥着越来越重要的作用，它们就像更加敏锐的 “探测器”，能够发现传统方法难以察觉的细微变化。但这些先进技术往往成本较高，不是所有地方都能普及。
这时，Shack-Hartmann 波前传感器（SHWS）技术进入了研究人员的视野。它成本低，而且具备高精度、高灵敏度和实时性的优点，在眼科领域的应用越来越广泛。它的工作原理也很巧妙：先利用一束入射光在视网膜上形成一个信标，然后通过眼睛前面的微透镜阵列（MLA）和位于 MLA 焦平面的图像传感器，捕捉从眼睛反射回来的光形成的光斑图案，根据光斑的分布情况来计算波前的平均斜率，最后借助一些波前重建算法，就能估算出整体的波前分布了。
然而，当面对像晚期圆锥角膜这样高度像差的眼睛时，传统的 SHWS 技术就遇到了大麻烦。这些眼睛的像差极其不规则且变化多端，过多的像差会让光斑的质心跑出子孔径范围，甚至变成弥散的光斑，这会大大降低子孔径对准的准确性，进而影响波前重建的精度，给基于此的临床干预带来很大困难。虽然也有一些解决办法，但都存在各自的局限。比如在硬件方面，采用孔径平移或可寻址 MLA，需要拍摄多张图像，还容易产生运动误差；在图像处理算法上，像修改解包裹、排序法、自适应光斑搜索等方法，效果也参差不齐。
在这样的困境下，深圳大学等机构的研究人员决心要攻克这个难题。他们开展了一项关于高分辨率和高动态范围 Shack-Hartmann 波前重建的研究，利用一种改良的 Attention-UNet（HR-HDR-SHUNet），取得了令人瞩目的成果。这一研究成果发表在《Experimental Eye Research》上，为眼科诊疗带来了新的希望。
研究人员在开展研究时，用到了几个关键技术方法。首先，他们利用带有可变形镜（DM）的 SHWS 生成大量训练样本。通过 DM 引入像差，直接生成带有 Zernike 系数的波前，构建了三个不同像差程度（正常、高度、极度）的数据集。然后，他们采用改良的 Attention-UNet 网络结构，在 UNet 的基础上添加注意力机制，增强网络对光斑图像前景和背景的区分能力。同时，在编码器后添加分支网络，用于同步推导 Zernike 系数，提高波前预测的准确性。此外，还设计了新的损失函数，提升优化效率和收敛速度。
下面来看看具体的研究结果：
- SHWS 数据集：研究人员利用带有 DM 的 SHWS 生成了大量训练样本，构建了三个不同像差程度的数据集，为后续研究提供了数据基础。
- 波前解码器：研究人员测试了 5 种不同的波前重建方法，对比了它们在 3 个数据集上的重建结果。结果显示，在正常数据集上，模态和区域方法都能取得较好效果；但在高度和极度像差数据集上，HR-HDR-SHUNet 的表现明显优于其他方法，重建的波前精度更高。通过对比不同方法重建的波前图和残差图，可以直观地看出 HR-HDR-SHUNet 的优势。
- 讨论：这项研究引入的高分辨率和高动态范围波前重建方法，克服了当前 SHWS 技术在重建极度扭曲眼波前时的局限。它可以同时获得波前图和相应的 Zernike 系数，为眼科临床应用提供了更准确的数据支持。
- 结论：研究人员提出并验证了一种基于 HR-HDR-SHUNet 的多任务学习方案，该方案利用共享编码器和单独的波前、Zernike 解码器，能够同时输出波前图和相应的 Zernike 系数。通过采用部分冻结参数更新策略，对网络参数更新进行了强约束，提高了重建的准确性。
总的来说，这项研究意义重大。HR-HDR-SHUNet 的出现，为高度和极度像差眼的波前重建提供了更有效的解决方案。它不仅提高了波前重建的精度，而且计算效率更高。这一成果有望在临床中得到进一步应用，比如为圆锥角膜患者制定更精准的个性化手术治疗方案，指导定制刚性接触镜或混合镜的设计，更好地矫正患者的高阶像差，改善患者的视力和生活质量。同时，也为眼科领域在波前重建技术方面的研究开辟了新的方向，让人们对眼科疾病的诊断和治疗有了更多的期待。
