CN102599939B

CN102599939B - 基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法

Info

Publication number: CN102599939B
Application number: CN 201210084044
Authority: CN
Inventors: 康恺; 刘涛; 步国正
Original assignee: XUZHOU KAIXIN ELECTRONIC INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: XUZHOU KAIXIN ELECTRONIC INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102599939A

Abstract

本发明提供了一种基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，属超声测厚方法。其测量精度可以达到μ m级。脉冲细分法的实现是采用发射脉冲的移相实现，接收反射回来的超声信号，判断角膜前后壁，计算出单次的测量结果，下次的发射脉冲移动π细分的相位，接收反射回来的超声信号，获取本次的测量结果，直到发射脉冲移动π相位后，获取最后一次的测量结果。然后通过所有细分结果最大值对应的相位计算出角膜两侧距超声波传感器的精确距离，二者相间得到最终的角膜厚度值。若细分步数为N，测量精度为半波长的1/N。有益效果是：采用脉冲细分法实现超声测厚方法，其测量精度可以达到μ m级。此方法分辨率高，且探头的中心频率不需太高，易于普及与推广。

Description

基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法

技术领域

发明涉及眼角膜仪器及测量方法，具体是一种基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法及角膜测厚仪；属超声测厚方法。是一种采用脉冲细分法实现超声测厚的方法。也是实现眼角膜厚度非侵入测量的方法。

背景技术

角膜厚度即角膜前后表面的距离，其厚度测量一般采用角膜测厚仪，传统的采用角膜测厚仪测量角膜厚度的方法（专利申请号201120034105.0）是根据来自角膜两侧的回波的两个峰值之间的时间间隔来获得角膜厚度，其测量的精度受到探头中心频率的限制，一般与半波长为同一数量级，大约几十μm。基于传统的脉冲反射的厚度测量方法分辨率受到发射波的中心频率、回波信号的采样率和系统噪声所限制。有必要对现有技术进行改进以克服这些限制，从而提高精确度、分辨率和抗噪声性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有脉冲回波测厚方法及其装置存在的不足，提供一种基于脉冲细分原理的厚度测量方法，利用现有角膜测厚仪进行更精确的角膜厚度的测量。同时也是一种距离精确测量的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，使用角膜测厚仪测量，角膜测厚仪包括超声换能器、控制单元、发射部分，相位调整单元，其特征在于在角膜测厚仪中写入角膜厚度测量程序；角膜测厚仪通过对发射激励脉冲的相位控制，超声波发射单元发射超声波，当发射波到达角膜两侧界面正处于波峰（由于超声波是纵波，对应于图示最密的状态）或波谷时，接收回波在特定位置检测到最大的幅值；在预先粗略测量角膜两侧距传感器距离的基础上，综合细分相位值所对应的距离来得到角膜的精确厚度；具体步骤是：

1）初始化细分步数N，为了平衡精确度及硬件实现的代价，N一般可取为16～64之间的一个值；角膜两侧界面回波最大值Max1，Max2及对应的相位码J1，J2可置为0；相位码J作为循环变量，范围[0, N-1]；初始化细分步数N优选取为2的整数次方。

2）相位调整单元在控制单元的作用下发射初始相位为0的信号，采用传统脉冲回波法得到角膜两侧界面的粗略距离S ₁ ，S ₂；信号形式是单极性方波脉冲、双极性方波脉冲或是正弦信号。

3）判断J<N，若是调整相位π/N，N为细分步数；循环变量J+1；否则到步骤6；

4）发射M次，分别取角膜两侧界面附近±0.25波长范围内的最大值并将M次结果平均抑制随机噪声的影响；记M次平均的结果M ₁ ，M ₂；发射M次优选的M取为2的整数次方。

5）判断M ₁ ，M ₂是否分别大于Max1，Max2；若是，替换Max1，Max2，对应的相位码置J，并跳转步骤3；否则直接跳到步骤3；

6）计算角膜厚度值；计算公式是：角膜厚度＝ W ₁ ，W ₂分别是步骤2中所测距离S ₁ ，S ₂对应的半波数；

Figure 2012100840448100002DEST_PATH_IMAGE002

上述技术方案脉冲细分法的实现是采用发射脉冲的移相实现，接收反射回来的超声信号，判断角膜前后壁，计算出单次的测量结果，下次的发射脉冲移动π细分的相位，接收反射回来的超声信号，获取本次的测量结果，直到发射脉冲移动π相位后，获取最后一次的测量结果。然后通过所有细分结果最大值对应的相位计算出角膜两侧距超声波传感器的精确距离，二者相间得到最终的角膜厚度值。若细分步数为N，测量精度为半波长的1/N。

本发明的有益效果是：采用脉冲细分法实现超声测厚，其测量精度可以达到μm级。此方法分辨率高，且探头的中心频率不需太高，易于普及与推广。

附图说明

图1 细分法角膜测厚的原理；

图2 角膜测厚仪的原理框图；

图3 可用的发射波形示例；

图4 角膜测厚的工作流程图。

具体实施方式

以下结合实施例，进一步说明本发明。

实施例发射波形是简谐波的形式，即

式中ω、φ分别为角频率及初始相位。接收到的反射波受到介质的调制，介质的反射特性定为R(x)，回波的形式可以记为：

若使回波的值达到最大需要R(x)最大，同时

等于1或－1。R(x)最大意味着界面的反射回波，通过调整初始相位φ可以使得超声波到达界面时正处于声压最大的时刻。如果细分相位为Φ，则距离上除了半波长的整数倍外还有Φ/π的小数倍半波长。细分步数N越多，精确度越高。

基于脉冲细分的测厚方法为：

1）相位调整单元在控制单元的作用下输出频率为探头中心频率f ₀、相位为0的信号，信号形式是单极性方波脉冲、双极性方波脉冲或是正弦信号。

2）相位调整单元输出的信号经发射部分加到超声波换能器上，回波信号经放大、滤波、A/D转换后由控制单元处理。

3）采用传统脉冲回波法得到粗略的角膜两侧至传感器的距离S ₁ 、S ₂ ，S ₁ 、S ₂与真值的差值范围应为（0，λ/2）。据此得到超声波从传感器表面至角膜两侧的经过的半波数分别为：

因为角膜后方是前房，相对于角膜是声疏介质（特征声阻抗Z较小），在角膜与前房的交界面上发生半波反射（相位跳变π），故半波数W ₂式中需加0.5进行修正。

4）调整发射信号的相位，相位步进调整量为π/N。N为相位细分倍数，一般可根据测量精度的要求取几十到几百的范围内。为避免测量结果大的波动，提高可靠性，可以用同一相位的发射信号进行多次发射（记为M，取值根据实际系统的噪声等试验确定，优选的取为2的整数次方），取各次发射获得的在S ₁ 、S ₂距离处附近的极大值

，进行平均得到相位调整为情况下的幅度极大值：

。

5）分别取

的最大值所对应的J1、J2，得到准确的角膜厚度

如图1所示的本发明角膜测厚的原理，左面是超声波传感器，右面竖直粗黑线是反射面。当发射波到达角膜两侧界面正处于波峰（由于超声波是纵波，对应于图示最密的状态）或波谷时，接收回波在特定位置可以检测到最大的幅值。

如图2所示，角膜测厚仪包括超声换能器、控制单元、发射部分，相位调整单元，在角膜测厚仪中写入图4所示的角膜厚度测量程序。相位调整单元在控制单元的控制下产生相位可调的发射脉冲，信号形式可以是图3（a）－（c）所示的形式，也可以是其他的某种形式，持续时间为半个或1、2个周期。相位调整单元可以通过FPGA逻辑实现，也可以采用专用的DDS芯片实现。

发射脉冲经发射部分加到超声波换能器，回波信号经放大、滤波，然后A/D转换送控制单元处理得到角膜的厚度值。

显示单元实现波形及操作界面的显示。输入单元接受用户输入，采用触摸屏的形式。数据接口主要实现数据的交换，包括USB主、从口等。

控制单元是整个系统的核心，除了实现与数据接口的交互、接收输入单元的指令、输出显示信息等功能外，还负责相位调整单元的控制及接收A/D转换的数据。超声测厚的整个流程控制也是在控制单元中完成的。

如图4所示脉冲细分法实现超声测厚及角膜测厚仪的流程：

1、初始化细分步数N，为了平衡精确度及硬件实现的代价，N一般可取为16～64之间的一个值。优选的N可取为2的整数次方。角膜两侧界面回波最大值Max1，Max2及对应的相位码J1，J2可置为0。相位码J作为循环变量，范围[0, N-1]。

2、发射初始相位为0的信号，得到角膜两侧界面的粗略距离S ₁ ，S ₂。

3、判断J<N，若是调整相位π/N，N为细分步数。循环变量J+1。否则到步骤6。

4、发射M次，分别取角膜两侧界面附近±0.25波长范围内的最大值并将M次结果平均以抑制随机噪声的影响。记M次平均的结果M ₁ ，M ₂。优选的M可取为2的整数次方。

5、判断M ₁ ，M ₂是否分别大于Max1，Max2。若是，替换Max1，Max2，对应的相位码置J，并跳转步骤3；否则直接跳到步骤3。

6、计算角膜厚度＝

。W ₁ ，W ₂分别是步骤2中所测距离S ₁ ，S ₂对应的半波数。

Claims

1.一种基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，使用角膜测厚仪测量，角膜测厚仪包括超声换能器、控制单元、发射部分，相位调整单元，其特征在于：在角膜测厚仪中写入角膜厚度测量程序；角膜测厚仪通过对发射激励脉冲的相位进行调整进而来控制发射部分发射超声波，当发射超声波到达角膜两侧界面正处于波峰或波谷时，接收超声回波在特定位置检测到的最大幅值，由于超声波是纵波，所述波峰对应于波形最密的状态；在采用传统脉冲回波法得到角膜两侧界面距传感器表面的粗略距离的基础上，综合细分相位值所对应的角膜两侧界面距传感器表面的距离来得到角膜的精确厚度；所述特定位置是指角膜两侧界面附近±0.25波长范围内；

具体步骤是：

1）初始化超声波信号相位π的细分步数N，为了平衡精确度及硬件实现的代价，N取16～64之间的一个值；角膜两侧界面回波最大幅值Max1，Max2及对应的相位码J1，J2置为0；相位码J作为循环变量，范围为[0,N-1]；

2）相位调整单元在控制单元的作用下发射初始相位为0的超声波信号，采用传统脉冲回波法得到角膜两侧界面距传感器表面的粗略距离S₁，S₂；

3）判断J是否小于N，若是，则调整超声波信号相位改变π/N，循环变量J增加1；否则跳转到步骤6）；

4）在超声波发射第M次，分别取角膜两侧界面附近±0.25波长范围内的超声回波最大幅值并将M次超声回波最大幅值平均以抑制随机噪声的影响；记M次平均的超声回波最大幅值为M₁，M₂；

5）判断M₁是否大于Max1，若是，用M₁替换Max1，对应的相位码J1置J；判断M₂是否大于Max2，若是，用M₂替换Max2，对应的相位码J2置J；跳到步骤3）；

6）计算角膜厚度值；计算公式是：角膜厚度＝(W₂-W₁+(J2-J1)/N)*λ/2；W₁，W₂分别是步骤2）中所述粗略距离S₁，S₂对应的半波数；

2.根据权利要求1所述的基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，其特征是步骤2）超声波信号的形式是单极性方波脉冲、双极性方波脉冲或是正弦信号。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，其特征是步骤1）所述细分步数N优选取为2的整数次方。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲细分法的角膜厚度测量方法，其特征是步骤4）所述超声波发射第M次中M优选取为2的整数次方。