CN112603258A - 一种眼压监测智能隐形眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种眼压监测智能隐形眼镜，包括角膜接触镜以及嵌于角膜接触镜的中微处理器、振子、振动传感器、天线，微处理器与天线、振子、振动传感器相连，微处理器控制振子对角膜施加振动，振动传感器采集角膜不同位置处的振动信号并传输至微处理器，天线用于微处理器的通讯和数据传输。本发明具有非侵入式、可穿戴的特点，能够实现实时动态的眼压检测。在智能隐形眼镜领域中，得益于主动式的测量机理、多传感器的集成，具有抗干扰能力强、准确度高的特性。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴式装置，特别是涉及一种眼压监测装置。
背景技术
青光眼是导致人类失明的三大致盲眼病之一，总人群发病率为1％，45岁以后为2％，眼压监测具有十分重要的意义。
现有眼压计大多是点式测量，其体积大、成本高、缺乏便携性，无法实现24小时实时动态眼压监测。侵入式眼压传感器虽然能够直接获得眼内压的准确数值，但植入过程中不可避免地会对患者产生创伤。而非侵入式眼压传感器通过角膜接触镜或者其他装置集成，将传感器贴在角膜表面，如传感器基于电容、电感、应变计、微流等原理；其本质均为通过监测角膜在眼内压变化下的形变与张力进而监测眼内压；该原理受个体差异干扰强，采集信息量较单一，难以解调出准确的眼内压值。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种眼压监测智能隐形眼镜，利用一种基于振动产生与多点探测的主动式传感技术，提高眼压传感准确度，排除温度的影响以及角膜形态等方面带来的个体差异，且可以实现24小时实时动态眼内压检测。
技术方案：本发明所述的一种眼压监测智能隐形眼镜，其包括角膜接触镜以及嵌于角膜接触镜中的控制器、振子、振动传感器、天线；控制器与天线、振子、振动传感器相连接；天线用于控制器的通讯和数据传输，控制器控制振子对角膜施加振动，振动传感器采集角膜不同位置处的振动信号并传输至控制器进行信号处理，得到眼内压。
优选地，角膜接触镜的中心位置设有透明的光学矫正区，控制器、振子、振动传感器和天线均设于光学矫正区的外侧。
其中，所述角膜接触镜为软性角膜接触镜，用于与眼睛角膜有效贴合；所述光学矫正区为透明光学窗口，不遮挡视线且提供视力矫正的作用；所述控制器可通过电池或射频场(RF)供电的智能标签，实现通讯、信号采集及处理、变频信号源、温度传感、电池管理的作用；所述振子用于给角膜施加不同频率的振动；所述振动传感器用于检测角膜不同位置处的振动信号；所述通讯天线用于与外置射频阅读器进行通讯，传输眼压、温度、振动数据、电池状态等信息。可选的，上述只能隐形眼镜可加设电池，电池与控制器相连，用于给控制器辅助供电。
优选地，振动传感器的数量≥2个，并设置于角膜接触镜的不同位置。本发明从振动出发可以放置多个振动传感器，有利于克服个体差异(角膜厚度，厚度分布)有着积极的作用。进一步地，振动传感器与振子围绕光学矫正区均匀分布；例如，两个振动传感器和一个振子，以光学矫正区为中心，两两间隔120°分布于光学矫正区的外侧。
为了进一步提高本发明监测眼压的精确度，所述智能隐形眼镜的控制器以脉冲形式生成不同频率的激励信号施加于振子，振子产生振动施加于角膜。控制器根据激励信号和振子传感器信号，采用信号处理方法，解调出角膜的力学性质，进而获得眼内压。
其中，上述激励信号的频率为1Hz～10KHz；优选地，激励信号的频率为1Hz～1000Hz，该频率范围与角膜本振频率一致，故使用该频率范围作为激励信号频率，传感采集的特征信息与眼内压相关性更大，使眼内压测量更准确。
可选的，振子的材料为压电材料或磁性材料。振动传感器为压电式传感器、电磁式传感器、电容式传感器或电阻式传感器。
优选地，微处理器内置有温度传感器，用于检测智能隐形眼镜所在环境的实时温度，提供温度方面校准数据。
优选地，控制器根据振子的激励信号和振动传感器信号进行信号处理，信号处理的方法包括：将振子的激励信号分别与单个振动传感器采集的信号进行对比，提取出传感器信号与激励信号之间的波形信息(如时延、频率漂移、幅度损耗等信息)；将处于不同位置的振动传感器采集信号进行对比，提取出不同传感器采集信号之间的波形信息(如时延、频率漂移、幅度损耗等信息)，引入各振动传感器的空间位置，构建角膜上特征信号的矢量分布；并将各振动传感器信号与激励信号结合，解调出角膜的力学性质，进而获得眼内压。
本发明中的主动式的用于眼压监测的智能隐形眼镜的原理为：眼内压的变化会改变角膜的力学性质，如弹性模量、张力、谐振频率。振子以脉冲形式给角膜施加不同频率的振动。振动在角膜的传播过程中，振动的频率、强度会受到角膜的力学性质的影响。2个及2个以上的振动传感器在角膜的不同位置检测相应脉冲的振动信号，通过分析振动信号的时延、频率、强度的信息，解调出角膜的力学状态，进而估计眼内压的大小。
除眼内压的因素外，温度、用户角膜的个体差异(如厚度、厚度分布)、用户行为(眨眼、运动、心率)均会对眼压测量产生一定影响。本发明对上述干扰提出解决方案：针对温度的干扰，微处理器内置一温度传感器用于校准；针对用户角膜的个体差异，智能隐形眼镜内设置了2个及2个以上振动传感器，此外外置数据库采集个体信息以构建个体眼压模型来准确测量眼压值；针对用户行为的干扰，根据眼压信号的频率与用户行为(眨眼、运动、心率)的频率的不同，微处理器对采集的振动信号进行信号处理(如滤波、基线提取)，排除用户行为的干扰。
有益效果：
(1)本发明采用振动传感器获取振动的强度、频率、时延，这对应的是角膜的本征的力学特性；同时可排除多种个体差异、用户行为引起的干扰因素。
(2)本发明可通过在角膜接触镜的不同位置设计多个振动传感器采集信号，信息量更大，抗干扰能力更强，显著提高了眼内压的准确性。
(3)本发明具有非侵入式、可穿戴的特点，能够实现实时动态的眼压检测；在智能隐形眼镜领域中，采用主动式的测量机理、多传感器的集成，具有抗干扰能力强、准确度高的特性。
附图说明
图1为本发明的眼压监测智能隐形眼镜的结构示意图。
图2为眼压监测系统示意图。
图3为微处理器内部模块功能示意图。
图4为振子激励信号的波形示意图。
图5为振动传感器信号的波形示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
图1为眼压监测智能隐形眼镜的结构示意图，本发明的智能隐形眼镜包括角膜接触镜1、光学矫正区2、控制器(微处理器芯片)3、振子4、振动传感器5、通讯天线6、电池7。其中，角膜接触镜1为软性角膜接触镜，用于与眼睛角膜有效贴合，材料为符合隐形眼镜要求的水凝胶或硅水凝胶。光学矫正区2为透明光学窗口，设置于角膜接触镜中央，位于瞳孔的区域，具有透镜结构，不遮挡视线且提供视力矫正的作用。微处理器3为可通过电池或射频场(RF)供电的智能标签，实现通讯、信号采集及处理、变频信号源、温度传感、电池管理的作用。振子4用于给角膜施加加载不同调制信号的振动，作用机理可为压电效应或交变电磁原理，设置于角膜瞳孔以外的区域，材料可为压电材料或磁性材料。振动传感器5用于检测角膜不同位置处的振动信号，数量可为2个及2个以上，位于角膜除瞳孔区域外的环形区域排布，不同振动传感器5与振子4距离不同，按作用机理可分为压电式传感器、电磁式传感器、电容式传感器、电阻式传感器。通讯天线6用于与外置射频阅读器8进行通讯，传输眼压、温度、振动数据、电池状态等信息，按机理分类可为呈现线圈结构的NFC近场天线、基于偶极子结构、单极子结构、印刷偶极子结构、WLAN双频结构、微带天线结构的RFID远场天线，此外通讯天线6还可通过收集射频场(RF)能量，向微处理器3供电。电池7用于给微处理器辅助供电，包括柔性薄膜电池，生物燃料电池，电磁摩擦生电电池。而微处理器、振子、振动传感器、天线、电池均可采用现有技术实现部分或全部嵌入角膜接触镜中。
本实施例中采用一个振子4和两个振动传感器5，振动传感器5位于光学矫正区2的外侧环形区域，如图1所示，光学矫正区5的右侧设有振动传感器，左侧设有振子4和电池，上方设有微处理器芯片3；微处理器芯片3与振子4、电池7、振动传感器5之间采用铜导线连接，连接线呈弧形设置，左右两侧连接线的外侧设有环状的通讯天线6。
为了进一步提高眼内压测量精确度，振子4和两个振动传感器5以光学矫正区为中心，两两间隔120°分布于光学矫正区的外侧。
如图2所示为眼压监测系统示意图，智能隐形眼镜将数据通过通讯天线6传输至外置阅读器8，并进而传输至用户的移动终端中，如手机或个人电脑。移动终端中的应用可保存用户数据，记录用户的眼压动态变化，并实时显示。并且应用可根据用户的智能隐形眼镜数据和补充的参考数据(如性别、身高、体重、医疗机构检测出的角膜参数)构建个人医学模型，使动态眼压监测结果更加准确；应用还包含眼压预警以及其他医疗服务。使用时，用户将智能隐形眼镜佩戴在眼球表面智能隐形眼镜通过通讯天线6与阅读器8通讯，并开始工作。
图3为微处理器内部模块功能示意图，微处理器芯片3包含以下功能结构：传感信号处理模块、模拟数字转换器(ADC)、温度传感器、微处理器、数字模拟转换器(DAC)、功放模块、通讯模块、存储器、电池管理模块、晶振。其中，微处理器用于整体控制智能隐形眼镜的工作状态，控制并处理各内置模块的工作状态与信号。数字模拟转换器(DAC)用于将数字信号调制成模拟信号，经过功放，使振子4产生带数字信号调制的稳定的振动。传感信号处理模块用于对传感器5采集到的信号进行基于傅里叶变换、小波、自适应等原理的初步滤波并放大，并经模拟数字转换器(ADC)进行采集并解调。内置温度传感器用于检测智能隐形眼镜所在环境的温度，提供温度方面校准数据。通讯模块与通讯天线相连，用于通讯信号的调制与解调。电池管理模块与通讯天线6和电池7相连，用于收集射频场(RF)能量、监控电池7状态，并为微处理器芯片3提供稳压稳流电源。存储器用于缓存信号。晶振用于向微处理器芯片提供基准频率。
本发明眼压监测智能隐形眼镜中的微处理器芯片3内置的温度传感器，可用于矫正温度对角膜力学性质的影响。
本发明提供的眼压监测智能隐形眼镜进行信号处理的过程包括三部分：一是对振子的激励信号分别与单个振动传感器采集的信号进行对比，提取出传感器信号与激励信号之间的时延、频率漂移、幅度损耗等信息；二是将不同振动传感器采集的信号进行对比，提取出不同位置的传感器信号之间的时延、频率漂移、幅度损耗等信息；三是多个振动传感器对采集到的信号进行过滤和对比，排出干扰因素，以进一步提高眼内压精确值。
智能隐形眼镜以脉冲形式生成不同频率的激励信号，施加于振子4，如图4所示。本实施例中的频率为1Hz～1000Hz，幅值一致，相位随机分布。设置于不同位置的2个振动传感器5检测角膜的振动信号，如图5所示。
将单个振动传感器信号分别与激励信号相比较，通过滤波、小信号分析、特征值提取、傅里叶变换等信号处理方法，提取出传感器信号与激励信号之间的时延、频率漂移、幅度损耗等信息。
本实施例针对时延信号提取具体描述其中一种优选方法：激励信号与振动传感器信号在时间上同步。对激励信号采用寻峰算法，优选为基于动态阈值门限法的寻峰算法，寻找第一个峰的时间位置。对收集的传感器信号低通滤波后，采用寻峰算法，寻找同一脉冲中第一个峰和最高峰的时间位置，并分别对激励信号第一个峰的时间位置做差，计算出时延信息，进而将时延信息与眼内压构建相关性。该方法实现简单，计算量低。时延信号与角膜模量相关性强，结合不同空间位置的多个传感器信号，使眼内压测量更加准确。
本实施例针对频率信号提取具体描述其中一种优选方法：对激励信号与振动传感器信号做离散傅里叶变换，变换公式为：
其中，x(n)表示时域信号，X(k)表示频域信号。
在激励信号的频域信号中，使用寻峰算法识别强度最大的频率，记录中心频率、强度、半峰宽。振动传感器信号，同样做离散傅里叶变换，记录中心频率、强度、半峰宽。将两者中心频率、强度、半峰宽比较，构建与眼内压的相关性。该方法实现高效简单，因采用的激励信号范围与角膜的本征频率一致，故中心频率、强度、半峰宽特征信号与眼内压相关性强，眼内压测量准确。
不同位置的振动传感器信号相互比较，通过滤波、小信号分析、特征值提取、傅里叶变换等信号处理方法，提取出不同位置的传感器信号之间的时延、频率漂移、幅度损耗等信息。并且将各振动传感器信号与激励信号结合，带入各器件的空间位置，构建角膜上特征信号的矢量分布。依据上述信息，解调出角膜的力学性质，如弹性模量、张力、谐振频率等，进而获得眼内压的准确值。
通过多个振动传感器5波形数据的对比，可排除用户行为(如眨眼、运动、心率)的干扰，并且解决用户个体差异(如角膜厚度分布)的问题。本实施例针对排除眨眼的干扰描述其中一种优选方法：眨眼信号经振动传感器采集后，眨眼信号与激励信号的时延呈现随机分布，眨眼信号的频谱特征与振子4经角膜传递来的振动信号在中心频率、强度、半峰宽的方面具有很大不同，以此将眨眼的信号排除。
本实施例针对排除角膜厚度分布不均的影响描述其中一种优选方法：振子产生的振动信号经角膜传播后被各个位置的振动传感器采集，进而提取出传感器信号与激励信号之间的时延、频率漂移、幅度损耗等信息；带入各器件的空间位置，构建角膜上特征信号的矢量分布。通过加权平均的方式，排除角膜厚度分布不均的影响，获得准确的眼内压值。此外本发明方案所述智能隐形眼镜还可通过与外部通讯，构建用户个体的角膜模型并保存在用户的移动终端中。本实施例中未详细描述之处均可采用现有技术轻易实现。
Claims (10)
1.一种眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：包括角膜接触镜(1)以及嵌于角膜接触镜的控制器(3)、振子(4)、振动传感器(5)、天线(6)，控制器(3)与天线(6)、振子(4)、振动传感器(5)相连，天线(6)用于控制器的通讯和数据传输，控制器(3)控制振子(4)对角膜施加振动，振动传感器(5)采集角膜不同位置处的振动信号并传输至控制器进行信号处理，得到眼内压。
2.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：所述角膜接触镜(1)的中心位置设有光学矫正区(2)，控制器、振子、振动传感器和天线均设于光学矫正区的外侧。
3.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：振动传感器(5)的数量≥2个，并设置于角膜接触镜的不同位置。
4.根据权利要求3所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：振动传感器(5)与振子(4)围绕光学矫正区(2)均匀分布。
5.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：控制器(3)施加不同频率的激励信号于振子(4)，振子(4)产生振动施加于角膜。
6.根据权利要求5所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：激励信号的频率为1Hz～10KHz。
7.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：控制器根据激励信号和振动传感器信号进行信号处理，信号处理的方法包括：将振子的激励信号分别与单个振动传感器采集的信号进行对比，提取出传感器信号与激励信号之间的波形信息；将处于不同位置的振动传感器采集信号进行对比，提取出不同传感器采集信号之间的波形信息，引入各振动传感器的空间位置，构建角膜上特征信号的矢量分布；并将各振动传感器信号与激励信号结合，解调出角膜的力学性质，进而获得眼内压。
8.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：控制器内置有温度传感器。
9.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：振子的材料为压电材料或磁性材料。
10.根据权利要求1所述的眼压监测智能隐形眼镜，其特征在于：振动传感器为压电式传感器、电磁式传感器、电容式传感器或电阻式传感器。
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