CN105919551A - 一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，包括角膜接触镜、螺旋电感和电容元件，其中，电容元件的两端分别与螺旋电感的两端相连；角膜接触镜内部设置有腔体和微流体通道；腔体与微流体通道相连通，用于存放流体，并向该微流体通道内输送流体；该微流体通道内输送的流体的量受眼压影响，电容元件的电容值随该微流体通道内输送的流体的量的变化而变化；通过螺旋电感和电容元件构成的LC回路，实现对眼压的检测。本发明通过对传感器各个组件的结构及各组件间的连接方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决眼压传感器不便于夜间监测的问题，实现高精度的、24小时的全程测量眼压的波动。

Description

一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，该眼压检测传感器无线无源，适用于24小时连续检测，尤其适用于夜间测量。

背景技术

青光眼是世界上第一位不可逆性致盲眼病。医学研究表明，青光眼是由于病理性眼压升高导致特征性视神经损害和视野缺陷的一种疾病。而眼压的升高是诊断和治疗青光眼的重要指标，而研究表明，青光眼患者的眼压在24小时内波动较大，一般在睡眠以及清晨时达到峰值，而此时除非在门诊处，一般不会进行眼压的测量。所以实现眼内压的24小时全天检测具有重要的意义。目前能够24小时测量眼压的传感器正在被世界各国研究，包括有植入式眼压传感器以及非植入式眼压传感器。

植入式眼内压传感器多采用“L-C谐振回路”原理的无线无源传感器形式，将传感器通过MEMS加工技术小型化，通过外科手术植入到眼内，具有系统复杂，发热大，不舒适等特点，同时其采用植入眼睛内部，可能对眼睛造成不可逆的伤害。非植入式眼内压传感器一般将传感器集成到角膜接触镜中，采用无线无源的方式实现角膜变形测量，从而对应出相应的眼压。现有技术中的24小时眼压测量有利用“L-C谐振电路”的，也有通过应变片的，两者目前都处于实验室阶段。近来，美国提出了采用微流体技术的非植入式眼压传感器参见论文(参见论文“An unpowered,wireless contactlens pressure sensor for point-of-care glaucoma diagnosis”)，具备高灵敏度的特点，但其设备昂贵、算法处理复杂，并且由于是采用相机拍照方式及后续图像处理进行微通道中微流体位置的确定，无法在夜间人们睡觉而眼压达到高峰时对眼压进行测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其中通过对其关键的各个组件的结构及各组件间的连接方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决眼压传感器不便于夜间监测的问题，实现高精度的、24小时的全程测量眼压的波动。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，包括角膜接触镜、螺旋电感和电容元件，其中，

所述角膜接触镜呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配地进行贴合；

所述螺旋电感沿所述角膜接触镜的圆形边缘呈螺旋形分布；

所述电容元件的两端分别与所述螺旋电感的两端相连；

所述角膜接触镜内部设置有腔体和微流体通道；所述腔体与所述微流体通道相连通，用于存放流体，并向该微流体通道内输送所述流体；该微流体通道内输送的所述流体的量受眼压影响，所述电容元件的电容值随该微流体通道内输送的所述流体的量的变化而变化；通过所述螺旋电感和所述电容元件构成的LC回路，实现对所述眼压的检测。

作为本发明的进一步优选，所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器还包括接收线圈，该接收线圈用于检测由所述螺旋电感和所述电容元件构成的LC回路的谐振频率，并根据检测到的所述谐振频率判断眼压的大小。

作为本发明的进一步优选，所述电容元件为平板电容，所述微流体通道位于该平板电容的两电容极板之间。

作为本发明的进一步优选，所述电容元件为叉指电容，该叉指电容包括两个指状电极，这两个指状电极相互交叉分布，所述微流体通道位于这两个指状电极之间；其中一个所述指状电极与所述螺旋电感的一端直接相连，另一个所述指状电极与所述螺旋电感的另一端通过引线相连。

作为本发明的进一步优选，所述电容元件为叉指电容，该叉指电容包括两个指状电极，这两个指状电极相互交叉分布，其中一个所述指状电极与所述螺旋电感的一端直接相连，另一个所述指状电极与所述螺旋电感的另一端通过引线相连；所述微流体通道位于这两个指状电极的上方或者下方。

作为本发明的进一步优选，所述腔体为多个，这多个腔体均位于所述角膜接触镜的内部，所述腔体的中心在所述角膜接触镜的圆形边缘所在平面上的投影沿与该角膜接触镜的圆形边缘同心的圆的圆周分布。

作为本发明的进一步优选，所述角膜接触镜采用PDMS。

作为本发明的进一步优选，所述角膜接触镜的尺寸规格被设定为直径13mm～18mm。

作为本发明的进一步优选，所述微流体通道的高度为10μm～30μm，宽度为20μm～80μm，总长度为40mm～100mm。

作为本发明的进一步优选，所述腔体为圆柱体形，该圆柱体形的高度为80μm～150μm，半径为0.5mm～1mm。

作为本发明的进一步优选，所述流体为甘油、水或室温离子液体。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将LC谐振回路与微流体技术相结合，能够实现眼压力的全天候测量，具有高灵敏度，动态范围广的特点。本发明中的眼压传感器是一种基于微流体技术的24小时无线无源非植入式眼内压传感器，螺旋电感集成嵌入到角膜接触镜中，分布在角膜接触镜边缘外侧；微流通道以及微腔分布在被螺旋电感包围的角膜接触镜内(微腔围绕角膜接触镜中心的四周分布)，液态微流体分布在微流通道以及微腔内；电容元件(可以是平板电容，也可以是叉指电容)两电极分别与螺旋电感的两端相连，构成LC谐振回路。以叉指电容为例，当患者眼压变化时，引起角膜接触镜变形，引起微腔的挤压吸合变形，由此实现液态微流体在微流通道内的流动(微流体通道的末端开口，并暴露在角膜镜的外表面上，直接与大气相连通；当眼压升高时，微腔内的微流体被挤压进入到微通道中；当眼压降低时，微腔中形成局部真空，由于微通道末端与大气相连，大气压直接将微流体压回微腔中；由于微腔与微通道内液体的总体积不变，构成动态平衡，微腔相当于一个泵一样)，而叉指电容分布在微流通道两侧，由于液态微流体的移动，导致部分叉指电容间的介电常数改变，从而实现LC回路谐振频率的改变，外部通过例如天线电感扫频利用网络分析仪等实现谐振频率检测，从而实现眼内压检测。

本发明中，微流体通道的高度为10μm～30μm，宽度为20μm～80μm，总长度为40mm～100mm；圆柱体形的腔体的高度为80μm～150μm，半径为0.5mm～1mm；该眼压传感器初始LC回路的初始电感值(对应螺旋电感的电感值)取值在50nH-500nH之间，初始电容值(对应电容元件的电容值)取值在1pF-13pF之间，可以测量0-65mmHg范围内的眼压值。本发明优选甘油、水或离子液体作为液态微流体，甘油的介电常数高、且对人眼无害的液体，可与水互溶成一定粘度的溶液从而在微通道中流动，使眼压检测传感器具有良好的灵敏度。

通过本发明，能够根据谐振频率的变化实现眼内压24小时的精确测量，具有灵敏度高，动态范围大，稳定性好，检测简单等特点。

附图说明

图1A和图1B是本发明中两种具体的基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器的俯视结构示意图，其中图1A还示出了微通道的局部放大示意图；

图2A、图2B和图2C是本发明中基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器中三种具体的微通道与电容的排布示意图(对应微通道两侧的剖视图)，其中图2A为叉指电容，图2B为平板电容，图2C为叉指电容；

图3A是眼压检测传感器中电容与电感之间的连接关系俯视示意图，图3B是眼压检测传感器中电容与电感之间的连接关系剖视示意图；

图4是本发明非植入式眼压检测传感器的整体示意图，包括球冠状的角膜接触镜以及其他传感器组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1A、图1B、图3A、图3B所示，本发明中基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，包括软性的角膜接触镜、微流体通道(即微通道)、液态微流体(即流体)、微腔(即腔体)、螺旋电感、叉指电容，其中，

角膜接触镜整体呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配的进行贴合；

微流通道以及微腔分布在角膜接触镜中间，液态微流体分布在微流通道以及微腔内；

叉指电容的电极两端分布于微流通道的一侧(如图2C所示)或两侧(如图2A所示)；其中螺旋电感的两端与叉指电容的两端分别相连构成LC谐振回路。

使用上述传感器进行检测的过程如下：患者佩戴集成有检测传感器其他组件的角膜接触镜，当患者眼压变化时，引起角膜接触镜变形，引起微腔的挤压吸合变形，由此实现液态微流体在微流通道内的流动，使微流通道内输送的微流体的量发生变化(微流体通道的末端开口，并暴露在角膜镜的外表面上，直接与大气相连通；当眼压升高时，微腔内的微流体被挤压进入到微通道中；当眼压降低时，微腔中形成局部真空，由于微通道末端与大气相连，大气压直接将微流体压回微腔中；微腔与微通道内液体的总体积不变，构成动态平衡，微腔相当于一个泵一样)，而叉指电容分布在微流通道一侧或两侧，由于液态微流体的移动，导致部分叉指电容间的介电常数改变，从而实现LC回路谐振频率的改变，外部通过检测谐振频率实现眼内压检测。

具体而言，角膜接触镜整体呈球冠状，如图4所示，能在佩戴时与患者的眼球形状相匹配进行贴合；角膜接触镜的尺寸规格被设定为直径13mm～18mm，且其材质优选为PDMS，表面还可以进行改性，从而适合于角膜佩戴。柔性角膜接触镜采用的PDMS材料，具有高透氧量，同时通过对角膜接触镜表面进行离子改性，使其具有生物相容性，适于角膜接触。

螺旋电感采用环形螺旋电感，如图1所示，螺旋电感分布于角膜接触镜的外边缘，在角膜变形时，电感变化不大。

微腔分布于角膜接触镜中央区域偏外侧，多个呈环形排布(即各个微腔的中心沿圆的圆周分布，这个圆在角膜接触镜的圆形边缘所在平面上投影的圆的圆心与该角膜接触镜的圆形边缘的圆心重合)，以此能感受角膜随眼压增大时的最大变形，多个微腔之间由相应微通道互连，而在初始微腔处有进液口，可由此处将甘油等微流液体注入，注入后，将微腔“缝合”密封。

微通道与电容介于螺旋电感与微腔之间，可以有多种形式，以图1A、图1B为例，图1A中的微通道呈现为弧形，弧的方向在角膜接触镜圆形外边缘所在平面上的投影与角膜接触镜的圆形外边缘同心；图1B中的微通道按矩形波的形状分布，该矩形波的高度不小于该矩形波一个周期的宽度，沿矩形波高度方向分布的微通道在角膜接触镜圆形外边缘所在平面上的投影沿角膜接触镜的圆形外边缘的径向分布，而微通道的末端直接与大气相连。

本发明中的非植入式眼压检测传感器是基于微流体技术，微通道的高度可为10μm～30μm，宽度为20μm～80μm，总体长度可为40mm～100mm；微腔的高度为80μm～150μm，微腔半径为0.5-1mm。

螺旋电感可以采用磁控溅射、电镀等工艺形成铜箔来制作，电感值大小取决于线圈直径以及线圈匝数，可灵活调整。平板电容电极与叉指电容电极可以采用磁控溅射、电镀等工艺形成铜箔来制作。

如图3A和图3B所示，电感与电容的连接包括有两端，其中电感线圈内侧端点与电容直接相连，而外侧接口与电容另外极板采用引线方式进行连接，以此来跨过中间电感线圈。

该眼压传感器为无线无源传感器，由角膜随眼压而变形而实现微腔中液体的排出进入微通道中，引起部分电容叉指之间介电常数的改变，如图2A、2C所示。电容与电感构成LC谐振回路，可由外部集成在眼镜上或则贴在眼眶的扫频天线线圈等实现谐振频率的检测，从而实现对眼内压的检测。

上述实施例是以叉指电容作为LC回路中的电容元件，平板电容也可以替代叉指电容实现相似的功能，只要在平板电容的两个电容极板之间具有微流体通道即可，如图2B所示，这样当眼压变化使微流体通道内输送的流体的量发生改变时，平板电容的电容值也将发生变化，由螺旋电感和平板电容构成的LC回路的谐振频率也将随之改变。

本发明中的眼压传感器初始LC回路的初始电感值(对应螺旋电感的电感值)取值在50nH-500nH之间，初始电容值(对应电容元件的电容值)取值在1pF-13pF之间，可以测量0-65mmHg范围内的眼压值。

本发明中的液态微流体可用水、甘油等介电常数极高的液态，还可以是室温离子液体，可以形成液体化学界面电容、电极/离子液体界面电容，进入微通道时，可极大的改变电容，使得传感器具有极高的灵敏度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，包括角膜接触镜、螺旋电感和电容元件，其中，

所述角膜接触镜呈球冠状，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配地进行贴合；

所述螺旋电感沿所述角膜接触镜的圆形边缘呈螺旋形分布；

所述电容元件的两端分别与所述螺旋电感的两端相连；

所述角膜接触镜内部设置有腔体和微流体通道；所述腔体与所述微流体通道相连通，用于存放流体，并向该微流体通道内输送所述流体；该微流体通道内输送的所述流体的量受眼压影响，所述电容元件的电容值随该微流体通道内输送的所述流体的量的变化而变化；通过所述螺旋电感和所述电容元件构成的LC回路，实现对所述眼压的检测。

2.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，该基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器还包括接收线圈，该接收线圈用于检测由所述螺旋电感和所述电容元件构成的LC回路的谐振频率，并根据检测到的所述谐振频率判断眼压的大小。

3.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述电容元件为平板电容，所述微流体通道位于该平板电容的两电容极板之间。

4.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述电容元件为叉指电容，该叉指电容包括两个指状电极，这两个指状电极相互交叉分布，所述微流体通道位于这两个指状电极之间；其中一个所述指状电极与所述螺旋电感的一端直接相连，另一个所述指状电极与所述螺旋电感的另一端通过引线相连。

5.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述电容元件为叉指电容，该叉指电容包括两个指状电极，这两个指状电极相互交叉分布，其中一个所述指状电极与所述螺旋电感的一端直接相连，另一个所述指状电极与所述螺旋电感的另一端通过引线相连；所述微流体通道位于这两个指状电极的上方或者下方。

6.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述腔体为多个，这多个腔体均位于所述角膜接触镜的内部，所述腔体的中心在所述角膜接触镜的圆形边缘所在平面上的投影沿与该角膜接触镜的圆形边缘同心的圆的圆周分布。

7.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述角膜接触镜采用PDMS；优选的，所述角膜接触镜的尺寸规格被设定为直径13mm～18mm。

8.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述微流体通道的高度为10μm～30μm，宽度为20μm～80μm，总长度为40mm～100mm。

9.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述腔体为圆柱体形，该圆柱体形的高度为80μm～150μm，半径为0.5mm～1mm。

10.如权利要求1所述基于微流体技术的非植入式眼压检测传感器，其特征在于，所述流体为甘油、水或室温离子液体。