CN110292354A - 基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于眼压传感领域，公开了一种基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器及其制备，其中传感器包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及微腔(2)、感知通道(3)及气室(4)，微腔中充满有染色功能液体(6)；感知通道的一端与气室相连通，另一端与微腔相连接；感知通道用于平衡气室与微腔的压力，当眼压变化时，引起微腔产生变形，导致气室与微腔之间产生压力差；通过监测感知通道中气液界面的位置，即可实现对眼压的监测。本发明采用共形键合的方式制备出软式曲面的微流体隐形眼镜，并在其内设置微腔、感知微通道及气室，结构简单方便，柔软适于佩戴，具有高的灵敏度、大的动态范围，非常适用于眼压传感领域。
Description
技术领域
本发明属于眼压传感领域，更具体地，涉及一种基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器及其制备方法，利用共形键合可实现该基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器的制备，并且，该基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器可与后端无线监测功能模块相配合，实现眼压24小时的连续监测。
背景技术
青光眼是世界第一位不可逆性致盲眼病。医学实践查明，眼压升高并非青光眼损害唯一危险因素，病理性的眼压波动在青光眼发生发展中同样扮演重要的角色，而且其表现更为隐匿。因此关注眼压24小时波动情况比仅仅关注眼压绝对值升高更为重要，这一观点已经成为全世界青光眼专家的共识。
目前临床用来监测24小时眼压波动的方法通常采用每间隔2小时测量一次，但这种以12个监测点代替24小时波动全过程的方式不足以全面反映眼压波动的全貌；此外，测量往往需要坐位进行，因此无法获悉患者自然生活状态下的眼压真实情况，如睡眠、运动等。相应地，有必要对眼压监测技术进行更多的研究。
现有技术中的眼压监测波动监测技术包括侵入式的“LC-谐振传感器”，利用惠斯通电桥原理的应变片式非侵入式传感器以及非侵入式的变电感式“LC-谐振传感器”等。侵入式测量虽然可以实现直接测量但是植入手术对眼球会造成不可恢复的伤害，对于普通人或者疑似青光眼病人的眼压监测则不适用。应变片式非侵入式传感器(参见“Wirelesscontact lens sensor for intraocular pressure monitoring:assessment onenucleated pig eyes.”,Matteo Leonardi，Arnaud Bertsch，AndréMermoud.)基于应变片的原理实现对眼压眼压波动的24小时监测，实现了24小时监测的目标。但进一步的研究表明，1)佩戴的舒适性差；2)传感器的灵敏性和检测精度不够；3)输出的信号不稳定，导致其临床推广收到限制。香港研制的变电感式24小时眼压监测仪(参见“Soft wearablecontact lens sensor for continuous intraocular pressure monitoring”,Guo-ZhenChen,Ion-Seng Chan,Leo K.K.Leung,David C.C.Lam.The Hong Kong University ofScience and Technology,Hong Kong.)基于电感变化的原理实现对眼压的24小时测量，但由于其采用金属铜箔作为电感线圈材料，由于铜箔的力学尺度比隐形眼镜材料以及人眼材料大得多，导致其：1)感知单元耦合进隐形眼镜十分困难；2)由于铜箔的弹性模量极大，由眼压波动引起的电感线圈的直径变化非常小，电感变化小，导致传感器灵敏度极低；3)硬质铜箔导致传感器佩戴舒适性非常差，其会影响佩戴区域角膜随眼内变化而来的变形。
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应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器及其制备，其中通过结合眼压监测临床应用自身的特点，采用共形键合的方式制备出软式曲面的微流体隐形眼镜，并在其内设置微腔、感知微通道及气室(并可进一步设置刻度尺)，通过微腔中进液口通入染色功能液体，之后密封住进液口与出液口形成传感器(该微腔仅与感知微通道连通，其他部分保持密封)；当人眼眼压变化时候，角膜产生变形，引起微腔的产生变形，微腔的体积改变，导致功能液体两端产生压力差，引起液体的流动，使得微通道气液界面口位置产生改变，可通过判断界面口的位置(如刻度读数)读取眼压的变化。该传感器结构简单方便，柔软适于佩戴，与电学式采用铜箔材料的敏感单元相比，本传感器力学模量小得多(本发明微腔其杨氏模量远小于铜箔110～128GPa的力学模量，并且微腔内液体的弹性模量几乎可以忽略；以角膜接触镜采用硅橡胶材料、也即微腔壁为硅橡胶材料为例，弹性模量的范围满足1.0～1.2GPa，远小于铜箔)，使得传感器具有高灵敏度、大动态范围的优势，非常适用于眼压传感领域，同时能够通过现有智能手机等配合拍摄识别检测，实现无线式检测，方便快捷。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微腔(2)、感知通道(3)及气室(4)，其中，
所述角膜接触镜(1)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；
所述微腔(2)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，该微腔(2)中充满有染色功能液体(6)；
所述感知通道(3)同样围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，或者呈1个非闭合圆形形成的圆弧形分布，该感知通道(3)的一端与所述气室(4)相连通，另一端与所述微腔(2)相连接，所述气室(4)还封存有气体；所述染色功能液体(6)与所述气体在所述感知通道(3)内相接触形成气液界面，该感知通道(3)用于平衡所述气室(4)与所述微腔(2)的压力，当眼压变化时，角膜产生变形，引起微腔(2)产生变形，微腔(2)体积的改变，导致所述气室(4)与所述微腔(2)之间产生压力差，进而驱使该感知通道(3)中气液界面位置的变化；通过监测该感知通道(3)中气液界面的位置，即可实现对眼压的实时监测。
作为本发明的进一步优选，沿所述感知通道(3)的边缘还分布有刻度尺(5)，以便于量化读取感知通道(3)中气液界面的位置。
作为本发明的进一步优选，所述微腔(2)的截面为矩形，该微腔(2)的矩形截面宽度为200-500um，高度为80-150um；优选的，所述微腔(2)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2圈的螺旋状螺旋线形分布，或者呈2个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布。
作为本发明的进一步优选，所述感知通道(3)的截面为矩形，该感知通道(3)的矩形截面宽度为50-200um，高度为15-60um；优选的，所述感知通道(3)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈1圈或多圈的螺旋状螺旋线形分布。
作为本发明的进一步优选，所述气室(4)同样围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈弧形分布，该气室(4)的截面为矩形，该气室(4)的矩形截面宽度为200-500um，高度为80-150um。
作为本发明的进一步优选，所述微腔(2)、所述感知通道(3)和所述气室(4)三者的边缘距离所述角膜接触镜(1)中心最近处对应的内径均大于5mm。
作为本发明的进一步优选，所述染色功能液体(6)为墨水、甘油染液、或者荧光素钠溶液。
作为本发明的进一步优选，所述角膜接触镜(1)的规格尺寸被设定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质为医用硅橡胶材料，优选为PDMS或Ecoflex。
按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过共形键合形成的角膜接触镜以及位于该角膜接触镜内的微腔、感知通道及气室，具体是：将倒模制作好的曲面带微腔、感知通道及气室图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，在表面形成羟基，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成角膜接触镜主体结构以及位于角膜接触镜内的微腔、感知通道及气室；
所述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；所述微腔围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布；所述感知通道同样围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，或者呈1个非闭合圆形形成的圆弧形分布，该感知通道的一端与所述气室相连通，另一端与所述微腔相连接；
(2)对与所述微腔首尾两端相对应的所述第一医用硅橡胶薄膜部分区域或所述第二医用硅橡胶薄膜部分区域进行打孔使所述微腔的首尾两端开放各形成两个孔，通过这两个孔向所述微腔中注入染色功能液体，使所述染色功能液体充满所述微腔；同时，利用其中一个孔向所述气室中引入气体；最后，在所述角膜接触镜主体结构上形成封装层，使所述微腔首尾两端封闭，并使气体封存在所述气室中，由此制成基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于在角膜接触镜内部设置微腔、感知微通道及气室，微腔中填充有染色功能液体，气室中存有气体，微腔与气室通过感知微通道相连，并且染色功能液体与气体在感知微通道内形成气液界面；感知微通道起到平衡气室与微腔压力的作用，气液界面位置的变化即对应着眼压的变化。相应的，该传感器采用共形键合的方式制备微通道以及微腔集成于隐形眼镜中，通过微腔中进液口通入染色功能液体，之后密封住进液口与出液口形成传感器。微腔一端与微通道相连，染色功能液体存储于微腔中，并有部分进入到微通道之中，除了与微通道相连的区域外，微腔的进液口以及微通道的出液口密封，靠近微通道出液口的一段封存有气体，以此在微通道中形成有气液分界口，利用通道刻度尺等可以识别出气液界面口的位置。
装有染色功能液体的微腔嵌入设置在角膜接触镜的镜片层内部，微腔以共形键合的方式制作而成，其截面形状可优选为矩形，它的主体被设定为围绕该角膜接触镜的中心呈螺旋或环形分布；感知通道以螺旋状、环状或圆弧状绕在角膜接触镜的镜片层内部，与气室相连，内部封存有一段气体，感知微通道与微腔相连接，以此在微通道中形成气液分界口，并且通过进一步在感知通道旁优选设置刻度尺，利用感知通道刻度尺可以识别出气液界面口的位置(也就是说，刻度尺可以呈一圈圆分布于感知通道边缘，用于指示微通道气液界面口位置)；当人眼眼压变化时候，角膜产生变形，引起微腔的产生变形，微腔的体积改变，导致功能液体两端产生压力差，引起液体的流动，使得微通道气液界面口位置产生改变，可通过设置刻度尺，并通过摄像测量设备，比如智能手机，拍摄识别气液界面口在刻度尺对应的示数可读取眼压。
本发明通过设置微腔与感知通道，其中微腔的截面要大于感知通道的截面，能够起到放大微腔压力变化的作用，并且微腔的体积可以设计得比感知通道大很多，进一步提高灵敏度。同时，微腔是直接基于角膜接触镜(如硅橡胶材料等)，弹性模量小，当眼压变动时，由眼压波动引起的形变非常大(虽然眼压波动也将引起气室的形变，但由于液体不可以压缩，气体可以压缩，将导致气室与微腔之间产生压力差，引起气液界面位置的变化；也就是是，液体受到压力挤压，会使内部压强增大，从而压缩感知通道内的空气，气液界口就会移动)，导致传感器灵敏度高。此外，微腔、感知通道以及气室分布于隐形眼镜内部，这三者分布的最小内径要大于人的5mm瞳孔，不影响人眼视物。
针对眼压监测这一特定应用情景，基于微流体技术的液体位移式应变传感器，并且通过共形键合的方式实现曲面传感器的制作，最终得到了基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术比，由于硅橡胶材质的极低杨氏模量，眼压变化能够引起微腔体积的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，同时具备灵敏度高、动态范围大、稳定性好、使用舒适和体积小重量轻等优点，同时可通过智能手机等实现眼内压的测量，检测方便快捷。
附图说明
图1是本发明中基于应变传感机理的视觉无线式隐形眼镜眼压传感器的结构正视图。
图2是本发明应变传感眼压监测传感器的结构侧视图。
图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是按照本发明的应变传感眼压监测传感器采用共形键合工艺进行制备的流程原理图。
图中各附图标记的含义如下：1为角膜接触镜，2为微腔，3为感知通道(即，微通道)，4为气室，5为刻度尺，6为染色功能液体。
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
图1是用于显示本发明的基于应变传感机理的视觉无线式隐形眼镜眼压传感器的结构正视图，图2是按照本发明的应变传感眼压监测传感器的结构侧视图，图3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)是按照本发明的应变传感眼压监测传感器采用共形键合工艺进行制备的流程原理图。如图1中所示，该应变传感机理眼压监测传感器主要包括软性的角膜接触镜1、装有染色功能液体6的微腔2、感知通道3、气室4以及刻度尺5，并通过对微腔的结构及其设置方式的设计，相应能够高精度、全程测量眼压的波动状态，该传感器结构简单方便，传感器柔软适于佩戴，传感器具有高的灵敏度、大的动态范围，同时可通过现有智能手机拍摄识别检测，方便快捷。
如图1、2所示，角膜接触镜1，规格尺寸可以被定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质优选为PDMS，并用于在佩戴时与患者的眼球形状相匹配地进行贴合。微腔2、感知通道3、气室4以及刻度尺5嵌入设置在角膜接触镜1的镜片层内部，不与眼睛直接接触，其内通入染色功能液体6，构成传感模块；作为关键改进之一，微腔2的主体被设定为围绕该角膜接触镜的中心呈螺旋环形分布，参看图1，该螺旋线可以为两圈，嵌入设置在所述角膜接触镜1的镜片层内部，通过微腔2中进液口通入染色功能液体，液体部分进入到感知通道3中，之后密封住进液口与出液口形成气室4传感器。
具体的，如图1、2所示，微腔设计二圈。它围绕该角膜基础镜的中心呈螺旋环形分布，截面宽度可以是200-500um，高度可以是80-150um；
另外，所述微腔2通入的染色功能液体6可以为墨水、甘油染液、或者荧光素钠溶液。
所述感知通道3呈一圈或多圈圆分布于接触镜中心，与微腔2相连(该微腔2仅与感知微通道3连通，其他部分保持密封)，感知通道截面宽度可以是50-200um，高度可以是15-60um。
所述微通道3末端与气室4相连，气室截面微通道截面宽度可以是200-500um，高度可以是80-150um。
此外，所述微腔2、微通道3以及气室4分布于隐形眼镜内部，其三者分布的最小内径优选设置为大于人的5mm瞳孔。
相应制备方法，除了共形键合处理外，还包括剪裁、剥离、注液、密封等其他步骤。如图3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，具体是，如图3中的(a)所示，先倒模制作曲面带微通道图案的硅橡胶薄膜，接着，再如图3中的(b)所示，将倒模制作好的曲面带微通道图案的硅橡胶薄膜以及钢球凸模表面的硅橡胶薄膜进行电晕处理，两者在表面生成羟基；之后，如图3中的(c)所示，将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合；接着，如图3中的(d)、(e)所示，在微通道中通入染色功能液体，然后剪裁、从钢球凸模表面剥离、注液、密封形成器件。
微腔2中密封的染色功能液体6，在没有受到压力时会有一部分液体进入了感知通道3，在受到压力时会使染色功能液体6流入感知通道3变多，从而平衡气室4与微腔2的压力。
通过以上构思，上述的角膜接触镜及其附件构成了一种能够输入压力，同时输出反映眼球形变信息的变电感眼压监测传感器。特别是，共形键合微腔极低的力学强度，眼压能够引起共形键合微腔体积的极大变化，可实现眼压的高精确实时测量，具备灵敏度高、动态范围大、稳定性好、使用舒适和体积小重量轻等优点同时可通过智能手机等实现眼内压的测量，检测方便快捷。
上述实施例中微腔2及感知通道3的螺旋状螺旋线形可以是由多个曲线段(如多条弧线)彼此平滑过渡连接形成的；当然，除了采用螺旋线形外，还可以采用由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形(例如，可以是多个圆心角均小于360°的非闭合同心圆通过短线段相连而成)。并且，感知通道3还可以呈1个非闭合圆形形成的圆弧形分布。
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 (9)
1.一种基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，包括通过共形键合形成的角膜接触镜(1)以及在该角膜接触镜(1)内的微腔(2)、感知通道(3)及气室(4)，其中，
所述角膜接触镜(1)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；
所述微腔(2)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，该微腔(2)中充满有染色功能液体(6)；
所述感知通道(3)同样围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，或者呈1个非闭合圆形形成的圆弧形分布，该感知通道(3)的一端与所述气室(4)相连通，另一端与所述微腔(2)相连接，所述气室(4)还封存有气体；所述染色功能液体(6)与所述气体在所述感知通道(3)内相接触形成气液界面，该感知通道(3)用于平衡所述气室(4)与所述微腔(2)的压力，当眼压变化时，角膜产生变形，引起微腔(2)产生变形，微腔(2)体积的改变，导致所述气室(4)与所述微腔(2)之间产生压力差，进而驱使该感知通道(3)中气液界面位置的变化；通过监测该感知通道(3)中气液界面的位置，即可实现对眼压的实时监测。
2.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，沿所述感知通道(3)的边缘还分布有刻度尺(5)，以便于量化读取感知通道(3)中气液界面的位置。
3.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述微腔(2)的截面为矩形，该微腔(2)的矩形截面宽度为200-500um，高度为80-150um；优选的，所述微腔(2)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈2圈的螺旋状螺旋线形分布，或者呈2个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布。
4.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述感知通道(3)的截面为矩形，该感知通道(3)的矩形截面宽度为50-200um，高度为15-60um；优选的，所述感知通道(3)围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈1圈或多圈的螺旋状螺旋线形分布。
5.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述气室(4)同样围绕所述角膜接触镜(1)的中心呈弧形分布，该气室(4)的截面为矩形，该气室(4)的矩形截面宽度为200-500um，高度为80-150um。
6.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述微腔(2)、所述感知通道(3)和所述气室(4)三者的边缘距离所述角膜接触镜(1)中心最近处对应的内径均大于5mm。
7.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述染色功能液体(6)为墨水、甘油染液、或者荧光素钠溶液。
8.如权利要求1所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器，其特征在于，所述角膜接触镜(1)的规格尺寸被设定为直径12mm～18mm，厚度小于0.4mm，且其材质为医用硅橡胶材料，优选为PDMS或Ecoflex。
9.制备如权利要求1－8任意一项所述基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过共形键合形成的角膜接触镜以及位于该角膜接触镜内的微腔、感知通道及气室，具体是：将倒模制作好的曲面带微腔、感知通道及气室图案的第一医用硅橡胶薄膜与位于钢球凸模表面的第二医用硅橡胶薄膜两者进行电晕处理，在表面形成羟基，之后将两者曲面贴合并于80℃下加热20min形成不可逆键合，由此形成角膜接触镜主体结构以及位于角膜接触镜内的微腔、感知通道及气室；
所述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；所述微腔围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布；所述感知通道同样围绕所述角膜接触镜的中心呈螺旋状螺旋线形分布，或者呈由若干个非闭合同心圆彼此连接形成的环形线形分布，或者呈1个非闭合圆形形成的圆弧形分布，该感知通道的一端与所述气室相连通，另一端与所述微腔相连接；
(2)对与所述微腔首尾两端相对应的所述第一医用硅橡胶薄膜部分区域或所述第二医用硅橡胶薄膜部分区域进行打孔使所述微腔的首尾两端开放各形成两个孔，通过这两个孔向所述微腔中注入染色功能液体，使所述染色功能液体充满所述微腔；同时，利用其中一个孔向所述气室中引入气体；最后，在所述角膜接触镜主体结构上形成封装层，使所述微腔首尾两端封闭，并使气体封存在所述气室中，由此制成基于应变传感机理的隐形眼镜视觉眼压传感器。
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