CN110584595B

CN110584595B - 回弹式眼压测量方法和装置

Info

Publication number: CN110584595B
Application number: CN201910506868.1A
Authority: CN
Inventors: 加布里埃尔·N·马丁
Original assignee: Reichert Inc
Current assignee: Reichert Inc
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: US20190380577A1; JP6995086B2; EP3581089B1; US11026577B2; JP2022027887A; JP2019213863A; CA3042618A1; IL266408B1; CN110584595A; EP3581089A1; JP7208347B2; IL266408A; IL266408B2

Abstract

从眼科测量信号导出角膜的粘弹性能，眼科测量信号表示由眼睛回弹的接触探针的作为时间函数的速度。粘弹性能包括“能量损失率(LER)”、“时移(TS)”、阻尼参数(σ)和弹性参数(η)。还公开了一种用于从测量信号确定眼内压的改进方法，其中在探针速度由于探针与角膜接触而为零的时刻计算测量信号的一阶导数，并且将一阶导数与眼内压值相关联。

Description

回弹式眼压测量方法和装置

技术领域

本发明涉及用于测量眼内压(IOP)的回弹式眼压计。

背景技术

回弹式眼压计是一种手持式仪器，其以受控的方式朝向眼角膜推动可移动的测量探针以测量眼内压。在测量期间，探针接触角膜，并且以取决于眼内压的速率减速，然后在远离角膜的方向上朝向仪器壳体回弹。回弹式眼压计检测测量探针的运动并且基于检测到的探针运动确定眼内压。例如，测量探针可以具有磁化轴，磁化轴在仪器壳体中的线圈内行进。线圈可以瞬间通电以通过电磁力将探针推向角膜，然后，在关闭通至线圈的激励电流之后，可以通过移动的探针在线圈中引起电流，以提供表示作为时间函数的探针速度的可检测电压信号。可以记录和处理电压信号以确定测量到的IOP值。图2显示了在回弹式眼压计测量期间产生的典型的电压信号。

已经证明，由眼睛引起的探针速度的变化率表示IOP。探针的较大减速度与较高的IOP相关，反之亦然。通过从探针与角膜接触的时间起(图2中的t_in)计算电压信号的斜率，直到探针从与角膜的接触中回弹为止(图2中的t_out)，探针的平均减速度被确定并且与IOP的测量值相关联。例如，可以将从t_in到t_out的电压信号拟合成线，并且可以计算该线的斜率。该方法的缺点在于，在被分析的时间段内，由角膜组织的生物力学性能引起的粘弹性力作用于探针并将影响探针的平均减速度。因此，具有与第二测试对象相同的真实IOP但是具有比第二测试对象更硬的角膜的第一测试对象将记录比第二测试对象更高的IOP测量值。

上述回弹式眼压测量过程仅分析电压信号以导出IOP。从测量的电压信号中得不到其他有用信息。

在使用空气脉冲可逆地使角膜变形的非接触式眼压测量的领域中，已知的是评估两个瞬间的角膜压平事件之间的压差以得出角膜的生物力学性能。当空气脉冲迫使角膜从其正常的凸形状向内时，随着角膜从凸形转变为凹形，角膜的中心区域瞬间变平(压平)。当空气脉冲消散时，角膜在向外的方向上从凹形返回为凸形，再次经历瞬间的压平状态。向内和向外压平事件能够作为光电监测系统中的信号峰值被观察到，并且检测到对应于向内和向外压平事件的相应的空气脉冲压力。瞬间的向内和向外压平事件之间的压差被称为“角膜滞后”。角膜滞后的观察和测量已经导致眼内压测量的准确性的提高和关于角膜组织的生物力学性能的补充信息的推导。在这方面，参见美国专利No.6,817,981、No.6,875,175、No.7,004,902、No.7,481,767和No.7,798,962。例如，可从本申请的受让人Reichert有限公司获得的OCULAR RESPONSE

眼科仪器测量角膜滞后作为青光眼进展的预测因素。

虽然通过非接触式程序测量的角膜滞后是眼科测试中的重要且有用的改进，但它是基于角膜变形过程中对应于瞬间向内和向外压平事件的两个“快照”。绝大多数角膜变形过程，即在向内和向外压平事件之前、之间和之后发生的角膜变形都被忽略。

发明内容

发明人已经认识到，可以从在回弹式眼压计测量期间获得的测量电压信号中提取除了IOP之外的有用信息。更具体地，角膜的粘弹性可以从测量信号导出，该测量信号表示被眼睛回弹的接触探针的作为时间函数的速度。

“能量损失率(LER)”是可以从测量的电压信号计算出的一个参数。LER与探针在测量过程中由于角膜的粘性阻尼而损失的动能成比例。在没有摩擦或任何其他阻尼机构的完全弹性系统中，LER一定为零。

可以计算出的另一个重要参数是“时移(TS)”，其被定义为探针速度为零的时刻与角膜施加在探针上的力(或探针减速度)达到最大值的时刻之间的时间间隔。如果系统是纯弹性的，则TS等于零，否则TS大于零。

可以根据速度信号计算LER和TS，没有任何关于在测量期间控制探针运动的方程的假设。如果对作用在探针上的非保守(即粘性)力做出假设，则可以从速度信号中提取其他参数。例如，系统的阻尼参数(σ)和弹性参数(η)可以被确定为其他参数。

以上概述的参数可以用于评估IOP之外的其他眼科病症。例如，LER表示角膜吸收能量的能力，这是在健康角膜中发现的更大程度的属性。作为另一个例子，阻尼参数σ与上述角膜滞后相关，角膜滞后是青光眼进展的预测因素。

发明人还认识到，通过当作用在探针上的净粘性角膜力为零时，即当探针的速度由于探针与角膜的接触而为零时获取测量的电压信号的一阶导数并且通过将一阶导数与IOP值相关联，可以获得IOP测量值，IOP测量值不易受由与角膜相关的粘性力引起的测量误差的影响。

附图说明

现在将在以下结合附图的本发明的详细描述中更全面地描述本发明的性质和操作模式，其中：

图1是根据本发明实施例形成的眼科仪器的示意图；

图2是表示作为时间函数的眼科仪器的测量探针的速度在测量周期内的曲线图，其中探针被推动而与眼睛接触并且从眼睛回弹；

图3是示出在假设完全弹性的眼睛系统的情况下作为时间函数的探针位移、速度和减速度在测量周期内的曲线图；和

图4是类似于图3的曲线图，其中眼睛系统不是完全弹性的并且发生一些粘性阻尼。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的实施例形成的眼科仪器10的示意图。眼科仪器10通常包括一次性探针12和手持式壳体14，手持式壳体14包含测量系统16，测量系统16配置成在朝向测试对象眼睛的向前方向上推动探针12，其中探针12接触眼睛的角膜C并且在与向前方向相对的相反方向上从角膜回弹。测量系统16还配置成提供表示作为时间函数的探针12的速度的测量信号。

探针12可以包括细长轴12A，细长轴12A的至少一部分由磁性材料制成；以及在轴12A的端部处的圆形尖端12B以用于接触角膜C。测量系统16可以包括接收探针12的导电驱动线圈18；以及控制器20，控制器20配置为瞬间激励驱动线圈18以通过电磁力将探针12向前推向眼睛。测量系统16可以包括导电测量线圈22，探针12移动穿过导电测量线圈22，并且控制器20可以进一步配置成测量由移动的探针12在测量线圈22中引起的电流并提供表示作为时间函数的探针的速度的测量信号。图1描绘的实施例显示了驱动线圈18和测量线圈22为两个不同的导电线圈。替代地，单个线圈可以在测量周期内依次地用作驱动线圈和测量线圈，由此消除了对第二线圈的需要。

如在回弹式眼压计领域中已知的，仪器10还可以包括光电对准检测系统(未示出)和显示器(未示出)，以引导和确认仪器10的测量轴线11与角膜的对准以及仪器10的前鼻状物28在距角膜C预定工作距离处的定位。可以在壳体14上设置触发按钮26，使得用户能够向控制器20发送信号以启动测量，和/或当对准检测系统确认对准和适当的工作距离时，对准检测系统可以自动向控制器20发送信号以启动测量。

测量系统16还可以包括信号处理逻辑单元24，信号处理逻辑单元24配置为基于测量信号计算眼睛的至少一个粘弹性参数。由测量线圈22产生的测量信号可以是模拟电压信号的形式。信号处理逻辑单元24可以配置为将模拟电压信号转换为数字形式，并且由数字化的测量信号计算眼睛的一个或多个粘弹性参数。例如，信号处理逻辑单元24可以包括模拟-数字信号转换器和编程的微处理器，用于执行储存在存储器中的用于计算至少一个粘弹性参数的指令。信号处理逻辑单元24还可以配置为基于测量信号计算IOP。

可以由信号处理逻辑单元24计算的眼睛的第一粘弹性参数在本文中称为“能量损失率(LER)”。由于角膜C的粘性阻尼，LER与测量过程中损失的探针12的动能成比例。根据定义，LER在缺乏导致动能损失的摩擦或任何其他阻尼机构的完全弹性系统中一定为零。

参考图2可以理解LER，图2是表示作为时间函数的测量探针12的速度的典型测量信号30在测量周期内的曲线图，其中探针从最初发射位置被向前推动并与角膜C接触，并且沿相对或相反的方向从角膜回弹。测量信号30的第一部分30A示出了探针12加速或增加速度，直到其达到基本恒定的速度。在点32处，探针尖端12B与角膜C接触。测量信号30的第二部分30B展现了对应于探针12的快速减速的急剧向下的斜率，直到探针在点34处达到零速度。在点34处，探针12开始向相对或相反方向行进。在测量信号30的第三部分30C中，当探针与角膜C失去接触时，探针12在相反方向上经历快速加速，直到点36。最后，在测量信号30的第四部分30D中，探针12减速直到其停止在其最初发射位置。

可以看出，探针12在测量过程中由于角膜C的粘性阻尼而损失的动能与点32和点36之间的动能差成比例，该动能差除以点32处的初始动能。因此，LER定义为：

其中，K_in是当探针沿向前方向行进时探针尖端12B与角膜C接触的时间t_in处的动能，而K_out是当探针沿相反方向行进时探针尖端12B与角膜C失去接触的时间t_out处的动能。K_in和K_out可以从以下计算出来：

K_in＝1/2mV_in ²和K_out＝1/2mV_out ²

其中，m是探针12的质量，V_in是探针12在时间t_in处的速度，V_out是探针12在时间t_out处的速度。因此，由测量信号30对LER的计算归纳为：

可以由信号处理逻辑单元24从测量信号30计算的眼睛的第二粘弹性参数在本文中称为“时移(TS)”。参考图2-4来描述TS参数。在图3和4中，探针速度测量信号30的一部分与探针位移曲线40和探针减速曲线50一起绘制，探针位移曲线40和探针减速曲线50分别代表作为时间函数的探针位移和探针减速度。如将理解的是，探针位移曲线40是探针速度测量信号30对时间的积分，探针减速曲线50是测量信号30的一阶导数相对于时间的加法逆元。图3示出了理论上完全弹性的眼睛系统，而图4示出了真实的眼睛系统，它不是完全弹性的并且其中发生一些粘性阻尼。

TS被定义为探针12的速度等于零的时刻t_v(测量信号30上的点34)与角膜C施加在探针12上的力(或探针减速度)最大的时刻t_d(减速曲线50上的点52)之间的时间差。因此，TS由下式给出：

TS＝t_v-t_d。

如果眼睛系统是纯弹性的，如图3所示，那么t_v等于t_d并且TS等于零。否则，如图4所示，存在一些粘性阻尼，TS大于零。在图3和4中，探针12达到最大位移42的时间与探针由于眼睛造成减速而具有零速度时的时间相同。

可以从测量信号30计算上述参数LER和TS，而没有任何关于在测量回弹过程中控制探针12的运动方程的假设。

由信号处理逻辑单元24从测量信号30计算的眼睛的第三粘弹性参数是阻尼参数σ，其与角膜的滞后相关联。阻尼参数σ表示为：

其中，x是探针12的位移，dx/dt是探针12的瞬时速度。对于纯保守(即完全弹性)系统，阻尼参数σ为零，对于诸如眼睛的粘弹性系统，阻尼参数σ大于零。

由信号处理逻辑单元24从测量信号30可计算的眼睛的第四粘弹性参数是描述系统弹力的弹性参数η。假设控制探针12的整个运动方程是：

其中，m是探针12的质量，则可以通过求解方程#1且进一步假设4mη-σ²＞0来计算弹性参数η。可以按照以下公式数值地计算值α：

σTan[αt_v]-2mα＝0

其中，t_v是探针速度为零且

的时间。最后，可以如下计算弹性参数η：

已经观察到，对于一只给定的眼睛，弹性参数η与IOP非常相关，但与阻尼力无关。

数十年来已充分理解IOP是青光眼的主要筛查指标。近年来，了解角膜的生物力学性能也被证明对预测青光眼进展非常有帮助。一个例子是具有较低弹性和较高粘性阻尼能力的角膜已显示出青光眼进展的相对风险较低。相反，具有较大弹性和较低粘性阻尼能力的角膜已显示出青光眼进展的相对风险较高。本文公开的用于测量粘弹性参数的眼科仪器和方法提供除了IOP之外的信息，其可用于评估青光眼进展的可能性。附加信息还可以允许通过补偿或以其他方式调整IOP测量以考虑眼睛系统的影响所测量的IOP的属性，从而来进行更精确的IOP测量。信号处理逻辑单元24可以配置有可执行的软件指令，以在向用户报告IOP值之前自动对所测量的IOP进行这种调整。由计算的粘弹性参数体现的附加信息也可以用作筛查工具，以减少屈光手术的并发症，并且改善对角膜营养不良的检测和治疗。

信号处理逻辑单元24还可以配置有可执行的软件指令，以在探针12的速度由于探针12与角膜C的接触而为零时的时刻t_v计算测量信号的一阶导数，并且使一阶导数与IOP值相关联。该方法与已知方案不同并且优于已知方案，在已知的方案中测量信号30的从t_in到t_out的部分被拟合成线，并且计算该线的斜率。在时刻t_v，作用在探针12上的净粘性角膜力为零。因此，与现有技术的线拟合技术相比，本技术不易受由与角膜相关的粘性力引起的测量误差的影响。

在上述实施例中，由于移动的探针12在测量线圈22中引起的电流，测量线圈22生成测量信号30。本领域技术人员将认识到用于生成表示作为时间函数的探针速度的测量信号的其他手段也是可行的。例如，可以通过捕获和分析显示探针12到眼睛和从眼睛离开的行程的一系列图像来生成这种测量信号。可以使用与眼科仪器10分离的或与眼科仪器10集成的相机来记录表示探针移动的图像，并且可以处理图像以提供表示作为时间函数的探针速度的测量信号。

由信号处理逻辑单元24计算的所述参数和IOP值可以储存在存储器中和/或报告给显示器，其中存储器和显示器可以与眼科仪器10集成，或者与眼科仪器10有线地或无线地通信连接。

虽然已经结合示例性实施例描述了本发明，但是详细描述并不旨在将本发明的范围限制为所阐述的特定形式。本发明旨在覆盖可以包括在权利要求范围内的所述实施例的替代、修改和等同物。

Claims

1.一种眼科仪器，包括：

探针；

导电驱动线圈，所述探针被接收在所述导电驱动线圈中；

控制器，所述控制器被配置为瞬间激励驱动线圈以在朝向测试对象眼睛的向前方向上推动所述探针，其中所述探针接触眼睛的角膜并且在与所述向前方向相对的相反方向上从角膜回弹；

导电测量线圈，所述探针移动穿过所述导电测量线圈；

其中，所述控制器还被配置为测量由移动的所述探针在测量线圈中引起的电流，并且提供表示作为时间函数的所述探针的速度的测量信号，并且其中所述导电驱动线圈被激励使得在所述探针从所述角膜回弹后，所述探针的速度的数值没有保持恒定；以及

信号处理逻辑单元，所述信号处理逻辑单元被配置为基于所述测量信号计算角膜的至少一个粘弹性参数。

2.根据权利要求1所述的眼科仪器，其中，所述信号处理逻辑单元还被配置为基于所述测量信号计算眼内压值。

3.根据权利要求2所述的眼科仪器，其中，所述信号处理逻辑单元被配置为在所述探针的速度由于所述探针与所述角膜接触而为零的时刻计算所述测量信号的一阶导数，并且所述眼内压值是所述一阶导数的相关值。

4.根据权利要求1所述的眼科仪器，其中，所述至少一个粘弹性参数包括从由以下各项组成的参数组中选择的至少一个参数：能量损失率、时移、阻尼参数和弹性参数。

5.根据权利要求2所述的眼科仪器，其中，所述信号处理逻辑单元还被配置为基于所述至少一个粘弹性参数来调节所述眼内压值。

6.根据权利要求1所述的眼科仪器，其中驱动线圈是测量线圈。

7.根据权利要求1所述的眼科仪器，其中驱动线圈和测量线圈是不同的导电线圈。

8.一种眼科测量方法，包括：

在朝向测试对象眼睛的向前方向上推动探针，其中所述探针接触眼睛的角膜并且在与所述向前方向相对的相反方向上从角膜回弹；

检测表示作为时间函数的所述探针的速度的测量信号，其中所述探针被推动使得在所述探针从所述角膜回弹后，所述探针的速度的数值没有保持恒定；和

基于所述测量信号计算角膜的至少一个粘弹性参数。

9.根据权利要求8所述的眼科测量方法，还包括基于所述测量信号计算眼内压值。

10.根据权利要求9所述的眼科测量方法，其中，通过在所述探针的速度由于所述探针与所述角膜接触而为零的时刻计算所述测量信号的一阶导数，并且将所述一阶导数与眼内压相关联，从而计算出所述眼内压值。

11.根据权利要求8所述的眼科测量方法，其中，所述至少一个粘弹性参数包括从由以下各项组成的参数组中选择的至少一个参数：能量损失率、时移、阻尼参数和弹性参数。

12.根据权利要求9所述的眼科测量方法，还包括基于所述至少一个粘弹性参数调整所述眼内压值。

13.根据权利要求8所述的眼科测量方法，其中，使用所述探针移动穿过的测量线圈来检测所述测量信号，由此移动的所述探针在所述测量线圈中引起电流。

14.根据权利要求8所述的眼科测量方法，其中，通过捕获和分析表示所述探针在所述向前方向和所述相反方向上的运动的一系列图像来检测所述测量信号。