CN106455976B - 眼内压测量设备和眼内压测量方法 - Google Patents

眼内压测量设备和眼内压测量方法 Download PDF

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Abstract

眼内压测量设备和眼内压测量方法。本发明的目的是一种用于测量患者的眼睛(202)的压力的眼内压测量设备。所述设备包括：至少一个源(210)，其用于从到所述患者的所述眼睛(202)的距离(200)产生多个频率的机械波，以生成到所述眼睛的至少一个表面波；用于从距所述眼睛(202)的距离(201)检测至少一个表面波以提取表面波信息的装置(212)；以及用于基于所述表面波信息来确定所述眼睛的压力信息的装置(216)。

Description

眼内压测量设备和眼内压测量方法
技术领域
眼内压(IOP)在开角型青光眼的发病机理方面扮演了主要角色，是导致失明的原因。全球有大约1亿5千万人患有青光眼，大约一半在不知不觉中受到影响并且没有诊断。青光眼的发病率随着人口老龄化而增加，而且预期在下一个十年，青光眼病例的数量将增加30％。当前治疗青光眼的唯一方法是降低眼内压(IOP)。
IOP测量是筛查开角型青光眼的最实用方法。然而，需要筛查大部分人口来发现未确诊的病例。
其它类型的青光眼是导致突然IOP增加的窄角型青光眼，其可以在几天内导致失明。因为每一千个人中有一个人受到急性窄角闭角型青光眼的影响，所以通过在社区普通内科急诊室测量IOP来强制诊断急性青光眼。从而，如果每一个医生办公室具有用于测量IOP的装置，这将是有益的。
背景技术
用于测量IOP的接触方法(例如，Goldmann眼压测量法、Mackay-Marg眼压测量法)主要需要使用麻醉剂来执行测量，因此例如对于筛查大量人群是不实用的。
美国专利申请文献US 2010/0249569 A1提出了一种用于IOP测量的非接触超声眼压计，其采用压电换能器来激发进入眼睛的波信号。所述换能器的位置必须被精确地测量，其使得IOP测量过程复杂和缓慢。而且，温度变化与所述位置测量中的可能误差一起导致IOP测量信息中的误差和不确定性。眼睛的形状也将偏差(＝误差)引入到测量中。
专利文献US 6030343 A提出了一种基于从角膜反射的空中超声波束(同一波束测量眼睛并使眼睛动作)的方法。该动作通过窄带超声猝发声来进行，其使角膜变形，并且该系统根据变形的眼睛来测量相移。
现有技术解决方案对于实现用于通过非接触测量精确且舒适地测量患者的IOP的便利且低成本的装置来说遭受困难。
发明内容
本发明的目的是实现一种用于在不需要麻醉剂的情况下测量IOP的免接触、快速且先进的装置和方法。本发明的目的是实现一种在IOP估计方面既精确(即，无偏差)且特征小的不确定性的IOP读取。这通过用于测量患者眼睛的压力的IOP测量设备来实现。所述设备包括：至少一个源，其用于从到所述患者的所述眼睛的距离生成几个频率的机械波，以生成到所述眼睛的至少一个表面波；用于从距所述眼睛的距离检测至少一个表面波，以提取表面波信息的装置；以及用于基于所述表面波信息来确定所述眼睛的压力信息的装置。
本发明的目的还是一种用于测量患者的眼睛的压力的眼内压测量方法。在所述方法中，从到所述患者的所述眼睛的距离生成几个频率的机械波，以生成到所述眼睛的至少一个表面波，从距所述眼睛的距离检测至少一个表面波，以提取表面波信息，以及基于所述表面波信息来确定所述眼睛的压力信息。
本发明基于几个频率的机械波(其从经由空气至所述患者的所述眼睛的距离发送，以生成到所述眼睛的至少一个表面波)的利用、以及基于检测(其中，从距所述眼睛的距离检测至少一个表面波，以形成用于确定所述眼睛的压力信息的表面波信息)的利用。
本发明使得能够在不需要接触眼睛的敏感表面的情况下，连同使用用于处理测量信息以提取眼睛的合格的压力信息的先进方法的患者和用户友好的使用。一个益处是，可以从一个患者至另一患者以因避免对眼睛的接触而很少有污染的风险来利用本发明。
附图说明
图1呈现了根据本发明的第一示例性实施方式。
图2呈现了根据本发明的第二示例性实施方式。
图3呈现了根据本发明的优选实施方式。
具体实施方式
本质上，电磁波的激发和/或检测要借助于例如通过激光器、脉冲激光器或者等离子体源(聚焦激光器或火花隙)所生成的电磁波束来执行，其例如经由电磁波导(例如，光纤、准直仪、透镜、掩模以及/或者镜的排布结构)调停并且瞄准到患者眼睛上或者在患者眼睛附近的点上。将该电磁波输入到眼睛中或眼睛上跟着是电磁机械转换(例如，光声转换)，所述电磁机械转换产生进入眼睛组织中的少量热和显著机械振动，或者是等离子体源，所述等离子体源发射碰撞在该眼睛上以在其中产生波的声波。对应地，检测眼睛组织的机械振动(例如，借助于光学干涉量度法、光学相干层析成像(optical coherencetomography)、激光多普勒振动测量或超声换能器)。由此，目标是在眼睛中生成机械波或波(例如，超声波)、并在眼睛中检测所述波。潜在应用特别涉及确定IOP，即眼压。
在根据本发明的实施方式中，提出了非接触光声与超声眼内压(IOP)测量技术，其例如可以具有下列要求：非接触激发和检测方法(对于患者来说是安全的)、确定本质上准确的眼内压(IOP)值、跟踪患者的IOP值的可能性，以及所述技术可以以从患者至患者的低污染风险被健康护理专业人员和/或被患者按便利和人机工程方式使用。
存在可以被用于IOP测量的几种物理交互作用。接下来将对这些交互作用进行说明，以便评价它们对于非接触超声IOP测量的可用性。
A)诸如眼睛的物理系统可以在它们被机械方式或光声方式干扰时按某些共振频率振动。这些频率取决于眼睛的组成的机械特性，并且取决于IOP以及取决于眼睛大小和形状、和眼眶的特性。测量共振频率相当容易实现，并且可以利用预备数据来支持共振测量的可行性。在弯曲结构上传播的导波(例如，兰姆波或准兰姆波或薄膜波)也可以在所述测量中使用。
B)兰姆波是沿一结构行进的导波。它们是弥散的(dispersive)，即，兰姆波的相位速度取决于该波的频率。由此，利用单一宽带激发，可以测量该波的弥散度(dispersion)关系，其与该结构的弹性和因外部压力(举例来说，如IOP)而造成的应力两者紧密相关。宽带弥散度测量提供了比窄带测量更准确的IOP。可以对眼睛的不同部位执行几个独立测量，这增加了准确度并且降低了例如眼睛角膜的弹性的混淆影响和眼眶的影响。预备数据支持所提议的方法的可行性。可以执行沿着多条线的局部测试，这可以允许空间平均并且可以提供局部数据和各向异性数据。
C)体波速度(即，纵向和剪切超声波速度)探测被测量材料的机械特性。纵向波的传播速度取决于加载于材料(例如，液体)的静态压力(其在该材料中传播)，并且所述现象可以被利用以确定例如IOP。对于生成和测量来说体波是简单的，但对于例如准确的IOP测量来说，需要除了体波测量之外的其它测量，这是因为体波测量本身不可能实现高准确度。
D)超声波(兰姆波和体波两者)作为传播距离的函数而释放能量。这种能量释放对于体波来说，作为压力的函数而降低，但在加载板(例如，眼睛)中，由于根据IOP加载于表面上而导致影响被反转。可以执行定量测量，以校准外部压力对兰姆波衰减的影响。衰减分析很可能在与其它特性(例如，声速、弥散度)组合时是有用的。
图1呈现了根据本发明的第一示例性实施方式，其中，火花隙210靠近但不接触眼睛202的巩膜放置。该火花生成在接触巩膜时发出两种振动的波：首先是弹性波(兰姆S0和A0引导超声模式)，跟着是巩膜和角膜的共振。该振动可以例如利用能够检测波的抵达时间的定制的一点干涉仪212来拾取。沿巩膜行进的兰姆波的模式图(即，频率-速度图表)取决于眼内压(IOP)。而且，共振频率取决于IOP。这种实施方式经济实惠且生产简单，并且允许添加检测器来增加测量准确度。而且，可以通过这种实现来获得高信噪比。
火花隙210产生可能伤害眼睛202的明亮的闪光。这可以利用不接触眼睛的黑色薄膜来避免。该薄膜使声压波通过并阻挡光到达眼睛。通过火花生成的弱的机械和/或声学非线性波是可听的并且不诱发组织破坏应力。所发射的波的强度可以被控制，以确保对听力没有风险。而且，检测器可以使用非常低功率的激光器(甚至，Class 1)，以便不将安全风险引入眼睛。
第一示例性实施方式还可以通过并入能够作为时间的函数来测量振动的定制的一点干涉仪来改进。这增加了成本，但允许同时测量共振和行进的兰姆波两者，由此，生成更准确的IOP测量信息。
图2呈现了根据本发明的第二示例性实施方式，其中，例如利用脉冲KrF受激准分子激光器210(例如，248mm)来激发机械波，和例如激光多普勒振动计(LDV)作为检测装置212。该受激准分子激光器可以聚焦于眼睛202的巩膜或角膜上，或者靠近它们两者，向眼睛发射兰姆波，其通过检测系统212(例如，LDV)来检测。几个参数可以被同时检测、相关联和针对IOP被校准：声速、衰减、接收信号的振动频谱、所检测的共振频率等。
UV波长(或1300-1550nm IR(红外线))被强烈吸收到角膜中，并由此不可能横贯巩膜。干涉仪通常使用Class 1波束(其对于眼睛来说是安全的)。所生成的兰姆波不造成不适和伤害。例如，248nm波长被极好地吸收到角膜和巩膜两者中，由此不伤害它们下面的眼睛结构。第二实施方式的益处还有不会对患者造成不适的低强度值、和改进信噪比并由此改进IOP估计的精度和准确度两者的高吸收系数。而且，例如，可以使用相位延迟激光二极管，以整形发送信号的频谱，增加所分析的模式图中的四种模式的信噪比。
在根据本发明的第一示例性实施方式和第二示例性实施方式中，基于眼睛/巩膜的兰姆波速弥散度和共振频率来实现光声IOP测量。例如通过四个检测点拾取在中间激发的波以允许四个同时且独立的测量，可以实现双模态实施方式，即，同时使用兰姆波测量和共振测量。这提供了精度。传感器212例如还可以包括耦接至空气的超声换能器，其用作距离和倾斜度测量装置。根据本发明的IOP测量装置(例如，图3)例如可以包括在装置中部的火花隙210、用于拾取来自眼睛210表面上的激发点周围的四个点的激发波的检测装置、以及检测该装置距眼睛的距离和该装置的倾斜度的嵌入的超声传感器220。该装置还可以包括用于指示其应当向哪个方向倾斜的方向灯或显示单元。这使其更友好操作。
图3呈现了根据本发明的用于测量患者眼睛202中的压力的第一优选眼内压(IOP)测量设备。该设备包括至少一个源210，所述至少一个源210用于从经由空气至患者眼睛202的距离200生成多个频率的机械波。所述波生成针对眼睛(更具体地说，针对眼睛的特定表面区域和眼睛的该表面区域附近)的至少一个表面波。如果希望并且甚至沿眼球的特定方向，那么本发明就可以使得能够探测眼睛的特定部位。该表面波优选地包括多个模式，例如，兰姆S0和A0引导超声模式，并且还包括针对眼睛生成的共振。源210优选为火花隙210，火花隙210通过至少一个火花生成经由空气耦合至眼睛202的声学非线性波，并且生成例如到眼睛202的表面并进入到眼睛202的兰姆波和共振两者。通过从距眼睛202的距离201处进行检测的装置212来检测表面波或多个波，以形成表面波信息。优选的是，还通过从距眼睛202的距离201处进行检测的装置212来检测共振，以形成共振信息。检测传播的波可以例如基于第一抵达信号(FAS)的抵达时间，而检测共振可以例如基于所测量的信号的傅里叶变换。
如本领域技术人员所明白的，机械非线性波还可以通过两个硬表面或角或边缘(210)的组合的机械碰撞(作为用于从所述波耦合至患者眼睛(202)的距离(200)生成多个频率的非线性声波或机械波的源(210))来生成。例如，通常已知的是，锤击可以生成包括超声频率的非线性宽频谱声信号。
距离200或距离201、或者这两者可以通过用于控制距离的装置220来最优化。该装置220可以例如通过耦接至空气用于距离或倾斜度测量的并且帮助操作员定位该装置的超声换能器来实现。而且，可以使用加速度计或陀螺仪来检测用于测量的最佳位置和时刻。用于控制和设置从源210和从装置212至眼睛202表面的最佳距离200、201的装置220还可以通过这样一个实施方式来实现，其中，该装置220包括发射可见光的至少一个激光器、以及具有第一端部和第二端部的至少两个(例如)光导，所述第一端部连接至所述激光器以接收所述可见光。该装置220还可以包括定位装置，其用于例如沿预定路径将用于生成机械波的源210或者检测装置212移动到不同点。每一个所述第二端部都提供一光束，并且这些光束以会聚角K朝着眼睛202的表面引导。光束被调节成在预定焦点相交，其在眼睛表面上可见并且其指示适当位置以及从源210和从装置212至眼睛202表面的距离200、201。
图3中的设备还包括用于基于表面波信息并且还优选地基于共振信息来确定眼睛的压力信息的装置216。该装置216可以例如通过IOP测量装置中的处理器单元、或者通过经由无线或有线连接链路从IOP测量单元将测量信息发送至的单独计算机单元来实现。用于检测的装置212例如可以借助于光学干涉量度法(即，通过光学干涉仪)、借助于光学相干层析成像(即，通过光学相干层析成像设备)，或者借助于激光多普勒振动测量(即，通过激光多普勒振动计)，或者通过利用至少一个超声换能器的超声测量，或者利用不同技术的组合来实现。在第一优选设备中，用于检测至少一个表面波的装置212包括至少一个干涉仪212，其可以测量作为时间的函数的振动，并且其允许同时测量共振和表面波(即，兰姆波)两者，由此，生成对眼睛202的压力的精确且准确的估计。本发明可以准许使用一个廉价的单点干涉仪或它们中的多个来检测抵达时间。
可以有至少两个波源210或检测装置212，或者两者中的至少两个，以在形成表面波信息和共振信息方面改进测量准确度。在图3的优选设备中，检测装置212处于三个不同的检测位置，以便改进测量准确度和精度并且获取更高的信噪比。
心跳、眨眼，以及呼吸导致眼内压的暂时波动。其中，心跳导致IOP中的相对恒定的脉动峰值，正常处于2-3mmHg之间。该差异被称作眼部脉搏幅度。该幅度取决于心率和轴长度，并且眼部脉搏幅度与IOP之间存在正线性相关性。高IOP导致高眼部脉搏幅度。几个其它参数(包括眼部刚度)影响眼部脉搏幅度的大小。这些压力峰值沿眼球(巩膜和角膜)并且还内部地(例如，虹膜)导致振动和波，并且所述波和振动可以例如以光学方式被检测。根据本发明的装置可以被用于测量、监测、以及分析这些心跳所致的所述振动和波中的变化以估计IOP，而不需要外部刺激。
根据本发明的实施方式可以通过利用下列特征中的至少一个来改进IOP测量的舒适性、准确度、以及精度：1)采用非接触测量(舒适性)，2)采用局部和方向性测量(缩减眼睛形状-所致偏差(误差)以改进准确度)，3)采用慢波形式(对称&不对称兰姆波，其缩减声音速度估计的置信界限＝改进弹性估计的精度＝改进IOP估计的精度)，4)采用宽带信号，其允许映射几个传播模式，以增加声速估计的精度(改进测试器的精度和潜在准确度)，5)采用几何发送和接收阵列或相控阵(改进的SNR，其因更大的信号并且因用于将估计与回归线适配的能力而缩减声速估计的置信界限，这改进了精度)，6)阵列方法还允许调谐将采用的模式，以改进SNR，从而改进测试器/测试的精度和准确度)，7)采用上述行进波方法和现有技术状态已知的共振概念两者。因为这些测量彼此独立，所以跟随更灵敏且鲁棒的测试器(其应当改进精度和准确度两者)。该测量可以针对诸如声音衰减(吸收、散射)和声速弥散度的其它物理参数被一般化。
在根据本发明的一个实施方式中，可以利用患者心跳或呼吸或者它们两者作为用于从针对患者的眼睛202的距离200生成几个频率的表面波的源。在根据本发明的另一实施方式中，可以利用用于生成微小等离子体突发的装置210，作为用于从针对患者的眼睛202的距离200生成几个频率的声波的源210。所述生成可以通过打火花或者通过将激光射线聚焦至眼睛表面上的一个点或者靠近眼睛表面来进行。在根据本发明的另一实施方式中，可以利用用于生成化学反应的装置210，作为用于从针对患者的眼睛202的距离200生成几个频率的声波的源210。
在根据本发明的实施方式中，可以在源210中利用根据相位延迟激发的模式调谐，用于从经由空气至患者的眼睛202的距离200生成几个频率的机械波。改进的信噪比(SNR)和改进的飞行时间(TOF)估计可以通过基于相位延迟激发所执行的模式调谐来实现。由此可以增加根据本发明的IOP测量的精度和准确度。
而且，在根据本发明的实施方式中，基于光声激光的激发可以通过具有针对眼睛表面或者靠近该表面的环形整形形式来执行，以便放大环形形状的中部中的表面波。这使得能通过检测装置来执行更容易且更准确的检测。还准许使用更廉价的接收器。用户可以组合使用整形的(即，圆形或线形或新月形)源与具有许多点、线或新月形的相控阵概念，以改进IOP测量的精度和准确度。
基于本发明，可以实现能够以快速舒适测量来测量眼内压的理想眼压计，而不需要还由不熟练的操作员操作的麻醉和一次性浪费。
尽管本发明已经参照附图和说明书进行了呈现，但本发明决不受限于那些，如本发明经受权利要求书所考虑的范围内的变型。

Claims (24)

1.一种用于测量患者的眼睛(202)的压力的眼内压测量设备，其特征在于，所述眼内压测量设备包括：至少一个源(210)，其用于在距所述眼睛(202)的激发距离(200)处产生到所述患者的所述眼睛(202)的非线性机械波，以生成到所述眼睛的至少一个表面波；用于在距所述眼睛的检测距离(201)处从所述眼睛(202)检测所述至少一个表面波以提取表面波信息的装置(212)；以及用于基于所述表面波信息来确定所述眼睛的压力信息的装置(216)。
2.根据权利要求1所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述表面波是薄膜波。
3.根据权利要求1所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述至少一个源(210)被配置为生成到所述眼睛的共振，并且用于检测所述至少一个表面波的所述装置(212)被配置为在距所述眼睛的所述检测距离(201)处从所述眼睛(202)检测共振并形成所述表面波信息和共振信息，并且用于确定所述眼睛的所述压力信息的所述装置(216)被配置为基于所述表面波信息和所述共振信息来确定所述眼睛的所述压力信息。
4.根据权利要求1或3所述的眼内压测量设备，其特征在于，用于检测所述至少一个表面波的所述装置(212)包括至少一个干涉仪(212)。
5.根据权利要求1或3所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述眼内压测量设备包括火花隙(210)作为用于在距所述眼睛的所述激发距离(200)处产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述非线性机械波的所述至少一个源(210)。
6.根据权利要求1所述的眼内压测量设备，其特征在于，用于检测所述至少一个表面波的装置(212)被配置为至少在两个不同的检测位置检测所述至少一个表面波以改进测量准确度并且获取更高的信噪比。
7.根据权利要求1所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述眼内压测量设备包括：用于控制以下项中的至少一个的装置(220)：所述激发距离(200)和所述检测距离(201)。
8.根据权利要求1所述的眼内压测量设备，其特征在于，用于检测所述至少一个表面波的所述装置(212)包括光学干涉仪、光学相干层析成像装置、激光多普勒振动计以及超声换能器中的至少一种(212)。
9.根据权利要求3所述的眼内压测量设备，其特征在于，用于检测所述至少一个表面波的装置(212)被配置为基于第一抵达信号的检测来检测所述共振。
10.根据权利要求1或3所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述至少一个源通过利用患者心跳和呼吸中的至少一种在距所述眼睛的所述激发距离(200)处产生所述非线性机械波，所述非线性机械波产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述表面波。
11.根据权利要求1或3所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述眼内压测量设备包括用于在距所述眼睛的所述激发距离(200)处生成等离子体突发的聚焦激光器(210)，作为用于产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述非线性机械波的所述至少一个源(210)。
12.根据权利要求1或3所述的眼内压测量设备，其特征在于，所述眼内压测量设备包括用于在距所述眼睛的所述激发距离(200)处生成化学反应的装置(210)，作为用于产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述非线性机械波的所述至少一个源(210)。
13.一种用于测量患者的眼睛(202)的压力的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，在距所述眼睛的激发距离(200)处产生到所述患者的所述眼睛(202)的非线性机械波，以生成到所述眼睛的至少一个表面波；在距所述眼睛的检测距离(201)处从所述眼睛(202)检测至少一个表面波，以提取表面波信息；以及基于所述表面波信息来确定所述眼睛(202)的压力信息。
14.根据权利要求13所述的眼内压测量方法，其特征在于，所述表面波是薄膜波。
15.根据权利要求13所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，生成到所述眼睛的所述至少一个表面波和共振，并且在距所述眼睛的所述检测距离(201)处从所述眼睛(202)检测所述至少一个表面波和所述共振，以形成表面波信息和共振信息，并且基于所述表面波信息和所述共振信息来确定所述眼睛的压力信息。
16.根据权利要求13或15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，由至少一个干涉仪(212)检测所述至少一个表面波。
17.根据权利要求13或15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，通过打火花在距所述眼睛的所述激发距离(200)处产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述机械波。
18.根据权利要求13所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，至少在两个不同的检测位置检测所述至少一个表面波，以改进测量准确度并且获取更高的信噪比。
19.根据权利要求13所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，控制以下项中的至少一个距离：所述激发距离(200)和所述检测距离(201)。
20.根据权利要求13所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，通过光学干涉量度法、光学相干层析成像、激光多普勒振动测量以及超声测量中的至少一种来检测所述至少一个表面波。
21.根据权利要求15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，基于第一抵达信号的检测来检测共振。
22.根据权利要求13或15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，通过利用患者心跳和呼吸中的至少一种在距所述眼睛的所述激发距离(200)处产生所述非线性机械波，所述非线性机械波产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述表面波。
23.根据权利要求13或15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，在距所述眼睛的所述激发距离(200)处用聚焦激光器生成等离子体突发，以产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述非线性机械波。
24.根据权利要求13或15所述的眼内压测量方法，其特征在于，在所述眼内压测量方法中，在距所述眼睛的所述激发距离(200)处生成化学反应，以产生到所述患者的所述眼睛(202)的多个频率的所述非线性机械波。
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