CN108225930A - 具有压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离体角膜生物力学特性的测量领域，搭建一套可实现压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，以实现离体角膜的体内环境模拟。针对现有的压力膨胀法测量角膜力学的技术和装置的不足，提供一种可实现眼内压的实时监测与反馈调节的角膜力学加载装置。本发明提供的眼内压模拟装置由角膜固定器、压力加载模块和压力监测模块组成；通过自主编程实现单片机和压力传感器与上位机PC端的通讯，并根据监测到的压力信号对加载模块进行反馈控制，以实现对离体角膜眼内压的自主调节，包括模拟眼内压的等容加载、恒压维持以及压力和体积循环4种加载模式。该装置可为离体角膜提供模拟的在体眼内压环境，可以配合现阶段较为先进的DIC全场应变的测量方法使用，也作为离体角膜的在体环境模拟提供可靠的压力维持，如角膜植片的长期保存装置。

Description

具有压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置

技术领域

本发明涉及离体角膜生物力学特性的测量领域，搭建一套可实现压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，可为离体角膜提供模拟的在体眼内压环境。

背景技术

角膜是位于眼球最前端的一层透明组织，对眼内组织具有保护作用，并提供70％的屈光力。角膜力学特性的测量与表征对于圆锥角膜发病机制的认识、屈光手术的设计以及角膜替代物的研制等方面具有十分重要的意义。目前，单向拉伸实验和压力膨胀实验是获取离体角膜力学特征的两种主要手段。由于压力膨胀实验不仅保证了角膜的完整性，并且能够通过对压力的调节模拟角膜的在正常生理状态下的眼内压环境，因此该方法被公认为是较为可靠的角膜力学测量与表征的方法。

在正常的眼内压作用下，角膜受到大小相等且均匀分布的周向拉伸应力状态。然而，在现有的眼内压体外模拟装置中，由于缺乏对压力反馈控制的设计方案，无法实现对于装置内部模拟眼内压的实时监测和调节。目前，数字散斑技术(DIC)已经应用于在离体全角膜生物力学特性的测量，实验中如果缺乏对眼内压的实时监测与反馈调节，将会造成由于体外载荷条件的不准确而导致的体内模拟环境失真，最终影响测量数据的准确性。

发明内容

本发明所解决的问题为：克服现有的压力膨胀法测量角膜力学的技术和装置的不足，提供一种可实现眼内压的实时监测与反馈调节的角膜力学测量装置，该装置能够提供包括但不限于眼内压的等压/等体积加载、恒压反馈维持以及压力/体积循环加载，可模拟复杂在体环境下的眼内压力学条件。本发明可以配合现阶段较为先进的DIC全场应变的测量方法使用，也作为离体角膜的在体环境模拟提供可靠的压力维持，如角膜植片的长期保存装置。

本发明所采用的技术方案为：本发明提供的眼内压模拟装置由角膜固定器、压力加载模块和压力监测模块组成，压力反馈控制由上位机PC端实现。利用单片机控制压力加载模块对固定器内腔进行加压，同时利用压力传感器对内腔压力进行实时监测。通过自主编程实现单片机和压力传感器与上位机PC端的通讯，并根据监测到的压力信号对加载模块进行反馈控制，以实现对离体角膜眼内压的自主调节，包括模拟眼内压的等容加载、恒压维持以及压力和体积循环4种加载模式。在本发明所提供的角膜固定器中，通过侧部入水以及背部光源的设计，实现了对DIC测量过程中对光学环境的要求；并且固定装置与背部光源分离，自身可以保证水密闭性与光密闭性，允许装置脱离光源独立使用。

附图说明

图1为：具有压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置的图示

图2为：角膜固定器结构图

具体实施方式

本发明所提供的具有压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，包括角膜固定器、压力加载模块和压力监测模块组成，压力反馈控制由上位机PC端实现，如图1所示。

首先，将角膜完整取出固定于角膜固定器(如图2所示)，并与其形成一个封闭内腔。

角膜固定器内腔的一端经导管同压力监测模块连接，实时测量并显示内强压力即体外模拟的眼内压；同时压力传感器以RS423/485—USB接口转换器与PC压力信号传输至上位机PC端，通过编程实现高频压力信号的采集，用于压力加载模块的反馈控制。

压力加载模块由步进电机、转向齿轮、推进器以及控制用单片机构成，其单片机由TTL—RS232转换器与PC相连，并通过编程进行上位机推进控制。

对于体外模拟眼内压的控制，共包括模拟眼内压的等容加载、恒压维持以及压力和体积循环4种加载模式，详述如下：

1)等容加载模式：设定压力阈值后，上位机为压力加载模块中的推进器持续发送电机正/反转指令，当传感器检测到模拟眼内压达到阈值时立即向推进器发送指令停止；实现方法为对压强值进行简单的逻辑判断；用以系统的调试、密闭性的讨论、相关环境参数的修正以及单程膨胀的压力加载。

2)恒压维持模式：尽管角膜固定器的内腔封闭，但是由于角膜组织自身和外界因素，容积恒定的内腔并无法长时间将压力维持在恒定水平。为了将角膜试样长期稳定在恒定眼内压条件下，需要进行压力监测模块和加载模块间的反馈控制。PC端判断角膜固定器内腔压力达到预设值后向推进器发送指令停止，持续一段时间后，当内腔压力低于或高于预设值后会再次发送推进/后退指令，以此反复用以维持稳定的模拟眼内压。

3)压力循环模式：该模式下，首先设置压力循环的上下限和次数；当角膜固定器内腔压力达到压力循环下限时，PC端向推进器发送反转指令使其后退，直至内腔压力达到压力循环上限；此时，再次向推进器发送反转指令使其推进，以此往复实现模拟眼内压在压力限制范围内循环变化，直至达到预设的循环次数。循环加载方式为软组织力学测试前进行预处理的主要手段，通过3～5次的循环加载，软组织内容的可以用于同一角膜的力学性能比较，也可以用以主单程加载前的循环预加载。

4)体积循环模式：该模式控制方式同压力循环模式相同，根据体积循环的上下限和次数进行推进器电机正反转的控制。其中，体积上下限通过电机形成(时间)和推进器腔的横截面积决定。因此，体积循环本质上是推进方向的等时间翻转，因为反转指令是基于传感器采集响应发出，因此在本循环中，推进器循环阶段与传感器采集时间同步，因此可以进一步将时间简化为传感器采点次数，即在传感器采集预设次信号后翻转，以实现体积参数的循环加载。

图2(左为爆炸视图，右为装配后视图)所示为角膜固定器，用于固定角膜样本及对其直接施加体外模拟眼内压，该装置作为对前房结构的模拟，其结构包括为：

201角膜压环：用于压住角膜，将其固定于角膜固定器上；

202角膜固定器主体：是角膜固定部分的底座与内部液体环境的容器，体侧两端开口以供管路连接与液体流通，上下开孔以供光路畅通，角膜固定处有纹路以便增加摩擦和密封；

203橡胶密封圈：填充在203磨砂玻璃、202角膜固定器主体和205底座之间，用于固定器内腔压力的密封；

204磨砂玻璃：用以产生柔光效果，放置于205底座与202角膜固定器主题连接处的凹槽内，并两边辅以203胶圈密封内腔；

205底座：用以底部光源支架的连接，中部留孔以便光源透过并为磨砂玻璃的安装留有凹槽并配密封橡胶圈。

在角膜固定过程中，首先打开排液口，注入液体粗排气体，使液体充满装置，闭合排气口，之后继续注入液体，使角膜安装处微涌出液柱，镊取角膜倾斜一定角度轻覆于液柱上，继续注入液体，由液体流动涌出带出可能存在的气泡，液体充盈后彻底放平角膜，从而使角膜固定后无气泡残余，由螺旋配件紧固，保证密闭性。

Claims (4)

1.一套可实现压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，其特征在于：可实现压力反馈调节功能的眼内压体外模拟装置，以实现离体角膜的体内环境模拟。

2.根据权利要求1所述的眼内压模拟装置，其特征在于：该装置包括角膜固定器、压力加载模块和压力监测模块，通过自主编程实现单片机和压力传感器与上位机PC端的通讯，并根据监测到的压力信号对加载模块进行反馈控制，以实现对离体角膜眼内压的自主调节。

3.根据权利要求1所述的眼内压模拟装置，可实现模拟眼内压的等容加载、恒压维持以及压力和体积循环4种加载模式。

4.根据权利要求3所述的角膜固定器，由角膜压环、固定器主体、橡胶密封圈、磨砂玻璃和底座组成，用于固定角膜样本及对其直接施加体外模拟眼内压，并在实验中保证其密闭性。