CN108992039B - 基于共轴原理的非接触式眼压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于共轴原理的非接触式眼压测量装置和方法，装置盒体的前端壁上和盒体内分别嵌装有第一凸透镜、第二凸透镜，第一凸透镜的中心位置沿其主轴方向开设有气流通孔；盒体顶端安装有竖直朝向下方设置的平行光发射装置，盒体的中部以45度倾斜角度安装有与光电发射装置对应的半透半反镜，盒体后端部安装有光强检测装置；盒体上开设有与压缩气管路连接的气体入口，压缩气管路上安装有电磁比例阀。本发明实现了球体压平面中心、气流喷射口中心、透镜中心、光强检测装置中心共轴，减少了光线的误差偏离，提高了测量的灵敏度和准确度。

Description

基于共轴原理的非接触式眼压测量方法

技术领域

本发明属于眼压测量和医用电子仪器领域，具体的说是一种基于共轴原理的非接触式眼压测量装置和方法。

背景技术

眼压是眼球内部的压力，具体指的是眼内容物对眼球壁施加的均衡压力。正常人的眼压稳定在一定范围内，以维持眼球的正常形态，同时保证了屈光间质发挥最大的光学性能。常见的眼压测量分为指压法、液体测压计法及眼压计法。为了准确测量眼压，临床诊断多采用眼压计法测量，眼压计法测量可分接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要有两种，角膜接触和眼睑接触。角膜接触的眼压计有Goldman压平眼压计、Perkins手持眼压计、Tono-Pen眼压计、Schiotz压陷式眼压计、手持式回弹眼压计。Goldman被称作眼压测量的金标准，测量结果准确性高，在临床被广泛使用，却不适用于角膜表面不规则人群。Perkins手持眼压计与Goldman压平眼压计原理相同，两者均需麻醉。Tono-Pen眼压计测量时需要多次测量多次与角膜接触，且每次使用前都需校正，给测量带来不便。其所采用的眼压笔探头外包可抛弃式乳胶外套，虽然降低了交叉感染风险，但测量成本相应升高。Schiotz压陷式眼压计可根据压陷深度计算眼压，需麻醉。手持式回弹眼压计测量时无需麻醉，探针撞击，接触面积小，需每次更换探针。以上几种角膜接触式眼压仪优缺点各异，但均需要与角膜接触，给被测者的安全带来隐患。Diation眼压仪是眼睑接触的代表，通过与Goldmann眼压计比较发现，Diaton眼压仪眼压测量值显著低于Goldmann眼压计的测量值，测量结果变异性大，受到角膜厚度、眼睑张力等多种因素影响，并不适用于青光眼诊断，只能用于临床筛查工作。接触式测量优点可见，但其缺点不可忽视，因此研究人员将目光放在眼压非接触式测量上，使其成为了近年来临床器械研究的热点。

目前，国外对非接触式测量有较成熟的研究，其中有代表性的仪器主要分两类：第一类是激光干涉式眼压计，原理是通过声波或气流使角膜震动，利用震动幅度与眼压的比例测算眼压值，结构复杂，造价昂贵。第二类是非接触式气体喷射眼压计，该仪器原理是系统喷射空气至角膜顶部，由压平瞬间内外压力相同测得眼压值，测量迅速、操作简单，但其光路检测系统和气流喷射系统各自独立并不共轴，测量系统复杂且对高眼压区其测量可靠性低。而国内临床使用眼压计均从国外进口，针对这一现状，有研究者采用压力平衡原理的非接触式测量技术，利用喷射气流反作用力设计对称结构测出气流到眼球瞬间的压力，将红外光电作为角膜压平检测系统，准确度得到保障，但总体结构依旧复杂，且检测系统采用红外光线侧面照射，存在由眼球球体表面凸起特性引起的误差。其喷气装置所采用的双气流喷口对称性难以控制，易引起测量误差的问题。

基于上述问题，本案申请人发明一种非接触式共轴眼压测量装置和方法，该装置和方法具有结构简单、测量误差小、及光学检测系统准确的优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于共轴原理的的非接触式眼压测量装置和方法，该装置和方法的器械结构简单、操控方便，测量结果准确可靠。

为解决上述技术问题，本发明的基于共轴原理的非接触式眼压测量装置包括密封的盒体，其结构特点是盒体的前端壁上嵌装有第一凸透镜，第一凸透镜的中心位置沿其主轴方向开设有第一通孔；盒体顶端安装有竖直朝向下方设置的光电发射装置，盒体的中部以45度倾斜角度安装有与光电发射装置对应的半透半反镜，盒体后端部安装有光强检测装置，光强检测装置与第一凸透镜的主轴同轴设置；盒体上开设有与压缩气管路连接的气体入口，压缩气管路上安装有电磁比例阀，盒体内安装有压力传感器；光电发射装置、光强检测装置、电磁比例阀和压力传感器均与一控制器电连接。

优选的为了提高光强检测灵敏度，本发明另增加第二凸透镜，盒体内部在光强检测装置的前部安装有第二凸透镜，第二凸透镜与第一凸透镜同轴设置。

所述光强检测装置的光接收口中心位于第二凸透镜焦点的位置处。

所述压缩气管路的前端连接微型气泵，微信气泵的控制端与控制器电连接。

为解决上述技术问题，本发明的眼压测量方法包括如下步骤：

步骤1)调整盒体前端与待测眼球球体之间的位置，根据观测光强检测装置第一次光强变化的检测，使得眼球球体中心位于第一凸透镜的主轴上，当两者共轴此时出现第一次强光结果；已知第一凸透镜的焦距f1，可确定仪器与眼球的距离为f1，即眼球待压平面的中心位于第一凸透镜的一倍焦距f1处；

步骤2)控制平行光发射装置以与半透半反镜成额定45度的角度发射平行光线，光线通过额定角度45度倾斜的半透半反镜反射后，经第一凸透镜汇聚到达眼球待压平面中心；

步骤3)与步骤2)同步的，通过气体入口向盒体内通入压缩气体，第一通孔形成气体喷射口，盒体内的压缩气体经喷射口喷出，喷射在球体待压面上；

步骤4)利用电磁比例阀由低到高逐步提升气体压力，当喷射的气体压力较小时，球体待压面微凸，入射到球体待压面的光线由于凸面发散极少部分反射回半透半反镜，光强检测装置接收的光线极少，测得的光强较低；

步骤5)随着气体压力升高，喷射口喷射出的气体压力逐渐增大，球体待压面趋于平面，球体待压面发散的光线逐渐减少，光强检测装置接接收光线逐渐增多，测得的光强逐渐增大；

步骤6)当球体待压面被压平时，入射到眼球球体的光线经由气体压平面沿原路线反射回去，再经半透半反镜后由光强检测装置接收，此时测得的光强为预设光强的最大值；

步骤7)停止提高气体压力，通过压力传感器测得此时的压力值ΔP；

步骤8)利用压力修正法将测得的压力值ΔP换算成眼球球体内压ΔP_x。

根据所述的眼压测量方法，步骤8)中所述压力修正法具体的包括如下步骤：

步骤8.1)密封盒体内压力记为P₁，喷射口气流速度记为v₁，喷射口气流喷射面的面积记为S₁；眼球内的压力记为P₂，临近眼球时气流速度为v₂，眼球压平面的面积记为S₂，由伯努利方程

得出

当眼压测量装置水平放置时，h₁＝h₂，故

步骤8.2)根据流体连续性方程可知，

v₁S₁＝v₂S₂ 公式(2)

设压力传感器测得的压力差值为ΔP，大气压为P₀，密封盒体内部压力值为P₁＝P₀+ΔP，由公式1可知

因此根据公式2得

设ΔP_x为所求眼球内压力与大气压之间的差值，根据眼内压的定义，眼内压即为人眼与大气压的差值；当角膜被压平时，外部的冲击眼球的压力等于眼内压ΔP_x，气流作用到眼角膜时，气流速度降为零，根据公式(1)有

步骤8.3)联立公式(3)和公式(4)可得

其中，喷射口气流喷射面的面积S₁为第一凸透镜的通孔3的截面面积，取通孔3的半径R₁＝0.75mm，S₁＝πR₁ ²＝π(0.75)²为定值；参考Goldman接触眼压计国际通用的“金标准”，眼球压平面的S₂直径为3.06mm，即S₂＝π(1.53)²，为已知值；从而由测得的压力值ΔP经公式(5)进行计算后即为眼球球体内压值ΔP_x。

上述方法中，为减少反射光线的误差偏离，光强检测装置的前部设置第二凸透镜，第二凸透镜与第一凸透镜同轴设置，优选的，将光强检测装置的光接收口中心设置于第二凸透镜焦点的位置处。

上述眼压测量装置和方法中，将平行光发射装置固定在盒体上方，以与半透半反镜成额定45度的角度发射平行光线，发射光线经半透半反镜反射，以垂直于眼球表面的中心射入，照射点位置同时也是气流作用于眼球的位置，避免了入射光线的入射位置与气流作用位置的不同，从而有利于减少误差。光强检测装置的前方，放置同第一凸透镜共轴的第二凸透镜，可根据凸透镜焦距f2的数值确定光电接收装置的位置。整个系统实现了眼球压平面中心、气流喷射口中心、透镜中心、光强检测装置中心共轴，即四点一轴的共轴系统设计。该共轴系统的设计，结合了光线在透镜中传播的特点，减少了光线的误差偏离，提高了测量的灵敏度和准确度；另外，采用直接在第一透镜设置气流喷口的方案，简化了测量系统设计，提高了检测灵敏度，减少了测量误差。

基于上述原理的非接触式共轴眼压测量装置，所设计的四点一轴的共轴系统，在实现非接触的基础上，具有眼压测量结果准确，仪器的实用性、安全性和可操作性得到提高的优点。采用小气流冲击的非接触测量方法，提高了测量的舒适性和安全性，并且不必反复消毒，避免产生交叉感染，对于提高眼压的诊断水平具实用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路原理示意框图；

图3为本发明进行初始检测时的光路原理示意图；

图4为当眼球球体待压平面被完全压平时的光路原理示意图；

图5为眼球压平时刻的理想气体流管(气流速度不太快的情况下)的原理示意图。

具体实施方式

参照附图，本发明的基于共轴原理的非接触式眼压测量装置包括密封的盒体1，盒体1的前端壁上嵌装有第一凸透镜2，第一凸透镜2的中心位置沿其主轴方向开设一半径为R₁的通孔3；盒体1顶端安装有竖直朝向下方设置的平行光发射装置4，盒体1的中部以45度倾斜角度安装有与平行光发射装置4对应的半透半反镜5，盒体1后端部安装有光强检测装置6，光强检测装置6与第一凸透镜2的主轴同轴设置；盒体1上开设有与压缩气管路7连接的气体入口8，压缩气管路7上安装有电磁比例阀9，盒体1内安装有压力传感器10；平行光发射装置4、光强检测装置6、电磁比例阀9和压力传感器10均与一控制器11电连接。其中，平行光发射装置采用强度对对人眼安全的光源，光强检测装置的内置传感器接收光线并检测光强，光强数据实时传输到控制器中由控制器判断光强的大小。

参照附图，盒体1内部在光强检测装置6的前部安装有第二凸透镜12，第二凸透镜12与第一凸透镜2同轴设置。优选的，光强检测装置6的光接收口中心位于第二凸透镜焦点的位置处。

参照附图，压缩气管路7的前端连接微型气泵14，微型气泵的控制端与控制器11电连接。其中，压缩气管路7上还安装有电磁阀16和油水分离器15，电磁阀16的控制端与控制器电连接。油水分离器15用于气体净化，电磁阀16可控制气路的通断。

下面对本发明的眼压测量方法的步骤进行详细说明。

步骤1)调整盒体1前端与待测眼球球体17之间的位置，根据观测光强检测装置6第一次光强变化的检测，使得眼球球体中心位于第一凸透镜2的主轴上，当两者共轴时出现第一次强光结果；已知第一凸透镜的焦距f1，可确定仪器与眼球的距离为f1，即眼球待压平面的中心位于第一凸透镜的一倍焦距f1处；

步骤2)控制平行光发射装置4以与半透半反镜成额定45度的角度发射平行光线，光线通过额定角度45度倾斜的半透半反镜反射后,经第一凸透镜汇聚到达眼球待压平面中心；

步骤3)与步骤2)同步的，通过气体入口8向盒体1内通入压缩气体，第一通孔3形成气体喷射口，盒体1内的压缩气体经喷射口喷出，喷射在眼球待压面上。

步骤4)利用电磁比例阀9由低到高逐步提升气体压力，当喷射的气体压力较小时，球体待压面微凸，入射到球体待压面的光线由于凸面发散极少部分反射回半透半反镜，光强检测装置接收的光线极少，测得的光强较低，具体的光路原理如图3所示。

步骤5)随着气体压力升高，喷射口喷射出的气体压力逐渐增大，球体待压面趋于平面，球体待压面发散的光线逐渐减少，光强检测装置接接收光线逐渐增多，测得的光强逐渐增大。

步骤6)当球体待压面被压平时，入射到眼球球体的光线经由气体压平面沿原路线反射回去，再经半透半反镜5后由光强检测装置6接收，此时测得的光强为预设光强的最大值，具体的光路原理如图4所示。

步骤7)停止提高气体压力，通过压力传感器10测得此时的压力值ΔP。

步骤8)利用压力修正法将测得的压力值ΔP换算成眼球球体内压ΔP_x。

根据所述的眼压测量方法，步骤8)中所述压力修正法具体的包括如下步骤：

步骤8.1)密封盒体内压力记为P₁，喷射口气流速度记为v₁，喷射口气流喷射面的面积记为S₁；眼球内的压力记为P₂，临近眼球时气流速度为v₂，眼球压平面的面积记为S₂，由伯努利方程

得出

当眼压测量装置水平放置时，h₁＝h₂，故

步骤8.2)根据流体连续性方程可知，

v₁S₁＝v₂S₂ 公式(2)

设压力传感器测得的压力差值为ΔP，大气压为P₀，密封盒体内部压力值为P₁＝P₀+ΔP，由公式1可知

因此

根据公式2得

设ΔP_x为所求眼球内压力与大气压之间的差值，根据眼内压的定义，眼内压即为人眼与大气压的差值；当角膜被压平时，外部的冲击眼球的压力等于眼内压ΔP_x，气流作用到眼角膜时，气流速度降为零，根据公式1有

步骤8.3)联立公式(3)和公式(4)可得

其中，喷射口气流喷射面的面积S₁为第一凸透镜通孔(3)的截面面积，本案取R₁＝0.75mm，为定值；参考Goldman接触眼压计国际通用的“金标准”，眼球压平面的S₂直径为3.06mm，即S₂＝π(1.53)²，为已知值；从而由测得的压力值ΔP经公式(5)进行计算后即为眼球球体内压值ΔP_x。

为减少反射光线的误差偏离，在光强检测装置6的前部设置第二凸透镜12，第二凸透镜12与第一凸透镜2同轴设置。

对于半透半反镜5的光路原理，如图1中虚线箭头所示，光线自平行光发射装置4开始，入射光线的一半折射90度角度后向第一透镜传播，另一半直接透过半透半反镜5向下方传播，可在该方向盒体内壁上涂黑吸收无效光线，图1中未示出。当光线经过眼球压平面反射后，其经过半透半反镜5时的原理也一样，即：其中一半反射后的光线直接透射过半透半反镜5向第二凸透镜12传播，另一半反射后的光线折射90度后向上传播。图3和图4中，为了示意清楚光路原理，仅示出了有用光线，省略了经过半透半反镜5透射或折射的无效光线。

上述眼压测量装置和方法中，将平行光发射装置固定在盒体上方，以与半透半反镜成额定45度的角度发射平行光线，发射光线经半透半反镜反射，垂直于眼球表面中心射入，照射点位置同时也是气流作用于眼球的位置，避免了入射光线的入射位置与气流作用位置的不同，从而有利于减少误差。光强检测装置的前方，放置与第一凸透镜2共轴的第二凸透镜12，可根据第二凸透镜12焦距f2的数值确定光强检测装置的位置。为减少反射光线的误差偏离，光强检测装置6的前部设置第二凸透镜12，第二凸透镜12与第一凸透镜2同轴设置，优选的，将光强检测装置6的光接收口中心设置于第二凸透镜焦点的位置处。

整个系统实现了球体压平面中心、气流喷射口中心、透镜中心、光强检测装置中心共轴，即四点一轴的共轴系统设计。该共轴系统的设计，结合了光线在透镜中传播的特点，减少了光线的误差偏离，提高了测量的灵敏度和准确度；另外，采用直接在第一透镜设置气流喷口的方案，简化了测量系统设计，提高了检测灵敏度，减少了测量误差。

基于上述原理的非接触式共轴眼压测量装置，所设计的四点一轴的共轴系统、单一喷口喷气装置，在实现非接触的基础上，具有眼压测量结果准确，仪器的实用性、安全性和可操作性得到提高的优点。从根本上解决了被测者测量时对麻药等药物不适的问题，并且使被测者避免产生交叉感染，提高了被测者测量时的安全性，进一步降低了青光眼等疾病的误诊率和漏诊率，提高了临床操作中的使用率。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的前提下，可做若干更改或修饰，上述更改或修饰均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于共轴原理的非接触式眼压测量方法，制作专用装置，装置包括密封的盒体(1)，盒体(1)的前端壁上嵌装有第一凸透镜(2)，第一凸透镜(2)的中心位置沿其主轴方向开设一半径为R₁的通孔(3)；盒体(1)顶端安装有竖直朝向下方设置的平行光发射装置(4)，盒体(1)的内部以45度倾斜角度安装有与平行光发射装置(4)对应的半透半反镜(5)，盒体(1)后端部安装有光强检测装置(6)，光强检测装置(6)与第一凸透镜(2)的主轴同轴设置；盒体(1)上开设有与压缩气管路(7)连接的气体入口(8)，压缩气管路(7)上安装有电磁比例阀(9)，盒体(1)内安装有压力传感器(10)；平行光发射装置(4)、光强检测装置(6)、电磁比例阀(9)和压力传感器(10)均与一控制器(11)电连接；具体的包括如下步骤：

步骤1)调整盒体(1)前端与待测眼球球体(17)之间的位置，根据观测光强检测装置(6)第一次光强变化的检测，使得眼球球体中心位于第一凸透镜(2)的主轴上，当两者共轴时,出现第一次强光结果；已知第一凸透镜(2)的焦距f1，确定仪器与眼球的距离为f1，即眼球待压平面的中心位于第一凸透镜(2)的一倍焦距f1处；

步骤2)控制平行光发射装置(4)以45度的角度朝半透半反镜(5)发射光线，光线通过半透半反镜(5)反射后，经第一凸透镜(2)汇聚到达眼球待压面的中心；

步骤3)与步骤2)同步的，通过气体入口(8)向盒体(1)内通入压缩气体，通孔(3)形成气体喷射口，盒体(1)内的压缩气体经喷射口喷出气流，喷射在眼球待压面上；

步骤4)利用电磁比例阀(9)由低到高逐步提升气体压力，当喷射的气体压力较小时，眼球待压面微凸，入射到球体待压面的光线由于凸面发散极少部分反射回半透半反镜，光强检测装置接收的光线极少，测得的光强较低；

步骤5)随着气体压力升高，喷射口喷射出的气体压力逐渐增大，眼球待压面趋于平面，眼球待压面发散的光线逐渐减少，光强检测装置接接收光线逐渐增多，测得的光强逐渐增大；

步骤6)当球体待压面被压平时，入射到眼球球体的光线经由气体压平面沿原路线反射回去，再经半透半反镜(5)后由光强检测装置(6)接收，此时测得的光强为预设光强的最大值；

步骤7)停止提高气体压力，通过压力传感器(10)测得此时的压力值ΔP；

步骤8)利用压力修正法将测得的压力值ΔP换算成眼球内压ΔP_x；

步骤8)中所述压力修正法具体的包括如下步骤：

步骤8.1)密封盒体内压力记为P₁，喷射口气流速度记为v₁，喷射口气流喷射面的面积记为S₁；眼球内的压力记为P₂，临近眼球时气流速度为v₂，眼球压平面的面积记为S₂，由伯努利方程

得出

当眼压测量装置水平放置时，h₁＝h₂，故

步骤8.2)根据流体连续性方程可知，

v₁S₁＝v₂S₂ 公式(2)

设压力传感器测得的压力差值为ΔP，大气压为P₀，密封盒体内部压力值为P₁＝P₀+ΔP，由公式1可知

因此

根据公式2得

设ΔP_x为所求眼球内压力与大气压之间的差值，根据眼内压的定义，眼内压即为人眼与大气压的差值；当眼角膜被压平时，外部气流冲击眼球的压力等于眼内压ΔP_x，气流作用到眼角膜时，气流速度降为零，根据公式(1)有

步骤8.3)联立公式3和公式4可得

其中，喷射口气流喷射面的面积S₁为第一凸透镜的通孔(3)的截面面积，取R₁＝0.75mm，为定值；参考Goldman接触眼压计国际通用的“金标准”，眼球压平面的S₂直径为3.06mm，即S₂＝π(1.53)²，为已知值；从而由测得的压力值ΔP经公式(5)进行计算后即为眼球球体内压值ΔP_x。

2.如权利要求1所述的基于共轴原理的非接触式眼压测量方法，其特征是盒体(1)内部在光强检测装置(6)的前部安装有第二凸透镜(12)，第二凸透镜(12)与第一凸透镜(2)同轴设置。

3.如权利要求2所述的基于共轴原理的非接触式眼压测量方法，其特征是所述光强检测装置(6)的光接收中心位于第二凸透镜(12)焦点的位置处。

4.如权利要求1所述的基于共轴原理的非接触式眼压测量方法，其特征是所述压缩气管路(7)的前端连接微型气泵(14)，微型气泵(14)的控制端与控制器(11)电连接。