CN115500785A - 基于真实眼球环境的仿生眼球结构及其测试系统 - Google Patents

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CN115500785A CN202211051278.2A CN202211051278A CN115500785A CN 115500785 A CN115500785 A CN 115500785A CN 202211051278 A CN202211051278 A CN 202211051278A CN 115500785 A CN115500785 A CN 115500785A
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Abstract

本发明公开了一种基于真实眼球环境的仿生眼球结构及其测试系统，该结构包括仿生眼眶、液体导管、液压螺旋传动电机、泪液控制阀门、仿生眼睑、旋转电机、人工眼球、人工角膜、仿睫状体、人工晶状体、仿视网膜和驱动电机，最大限度模拟真实人眼的作用环境，不仅可以满足医学眼科相关仪器设备的产品检测，还可以广泛用于医学眼科的检查测试诊断等，其中采用弹簧与阻尼元件作为人工眼球与仿生眼眶的连接，实现真实眼球下的机械运动，并通过仿生眼睑的周期性机械摩擦及人工泪液的补充模拟真实眼球的工作环境；该系统包括光‑力一体化测量模块和数据采集处理模块，实时获取光学力学上反馈，确保获得的测试数据准确，减少用于人眼的相关产品的研究成本等。

Description

基于真实眼球环境的仿生眼球结构及其测试系统
技术领域
本发明涉及医学仪器测试的技术领域，尤其是指一种基于真实眼球环境的仿生眼球结构及其测试系统。
背景技术
眼球作为人体视觉系统最重要的器官，生理结构复杂，目前已有研究团队制造出人工角膜，人工晶状体，人工视网膜等仿生构件，试图用于治疗遗传、后天保护不当、细菌病毒感染、外伤、甚至代谢性疾病等因素导致的眼睛结构各组分病症。然而，这些仿生构件尚未直接应用于真实人眼中，目前仅在义眼或是动物的眼球中进行试验以检验性能，而义眼或是动物实验并不能得到实时的反馈信息，这导致这类基于仿生技术的构件应用到临床实验后效果可能达不到预期效果。这些仿生构件研究的测试平台中存在的问题归纳如下：
眼球部件在医学上最关注的是光学效果，而这些研究测试平台(义眼或是动物)对眼部构件的光学效果不能够提供有效的反馈，难以在人体临床试验前得到使用这些构件的实际效果。
这些眼球仿生构件最终需要在真实的人眼环境中工作，而这些构件的测试平台都是用金属外壳模拟眼球外壁，内部是空气环境这与真实眼球环境相差过远。
眼球各结构组分的仿生部件需要进行动物实验，而动物实验的时间与经济成本较高，会延长产品的测试周期，而因为不能得到反馈的原因，一旦效果不够理想就需要重复进行相较漫长的动物实验，成本自然花费较大。
针对仿生眼的构造技术，范志勇团队设计了一种在半球形上紧密排布光敏纳米传感器来模仿人眼的视网膜。然后这些传感器被连接到一束由液态金属制成的电线上，这些电线起到视神经的作用，将人工视网膜上的光学信号传导出来。该方法制作的仿生视网膜能够达到与人类视网膜感光细胞相当的灵敏度，但是该仿生构件使用的是金属外壳来替代眼球的外壳作为支撑，并不能很好的模拟真实眼球的作用环境，在活体生物上实际测试也是该项技术目前会面临的最大挑战，正如前文所述该方法缺少一个能够模拟真实人眼环境的平台来进行测试，人类与仿生眼是否相容，应用到真实眼球效果未知等问题都是该技术能否大规模推广使用的阻碍。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于真实眼球环境的仿生眼球结构，能够最大限度地模拟了真实人眼的作用环境，故不仅可以满足医学眼科相关仪器设备的产品检测需求，而且还可以广泛地应用于医学眼科的检查测试诊断等。
本发明的第二目的在于提供一种基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，能够实时获取光学力学上反馈，确保获得的测试数据准确，减少用于人眼的相关产品的研究成本。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：基于真实眼球环境的仿生眼球结构，包括仿生眼眶、液体导管、液压螺旋传动电机、泪液控制阀门、仿生眼睑、旋转电机、人工眼球、人工角膜、仿睫状体、人工晶状体、仿视网膜和驱动电机；使用金属制成的带有开口的球壳作为仿生眼眶，所述仿生眼眶的内表面均匀分布着弹簧与阻尼元件连接人工眼球，起到模拟真实人眼的眼动效果，使人工眼球能够实现真实眼球会产生的机械运动，所述仿生眼眶的开口处内置一个凹槽，所述凹槽内布置有带滑轮的轨道，并在其中放置一个能沿轨道滑动的外壳作为仿生眼睑，所述仿生眼睑由旋转电机驱动沿着球壳轴线周期循环运动，所述仿生眼眶的上方开孔用于供液体导管穿过，所述液体导管穿过仿生眼眶分别连接着仿生眼睑和人工眼球，并外接有一个液压螺旋传动电机，所述液压螺旋传动电机用于控制人工眼球内部的液压，以实现真实眼球中眼内压改变的模拟，且在导向仿生眼睑的液体导管上安置有一个泪液控制阀门，用于控制流向仿生眼睑的流量达到控制角膜表面湿润程度的目的，所述人工角膜与人工眼球以嵌合的方式进行安置，按照真实眼球中睫状体的位置在人工眼球内安装仿睫状体，所述仿睫状体设置接口与人工晶状体的襻连接，在仿睫状体内设带滑轮的通道，所述通道内设置牵引线绕过滑轮连接人工晶状体与外置的驱动电机，通过驱动电机拉动人工晶状体能够实现人为控制的晶状体变形，达到变焦的功能，所述仿视网膜安置在人工眼球的后端，用于接受经人工角膜、人工晶状体折射后的图像。
优选的，所述仿视网膜是由感光元件集成的平面状光学接收器。
优选的，所述轨道末端设置缓冲垫片。
优选的，所述人工眼球是一个中空的球壳形状，前半球以硅胶构成，方便内置仿睫状体，前端与水凝胶制成的人工角膜相嵌，防止人工眼球内部充满液体时漏液，后半球以金属制成。
优选的，所述仿生眼睑由高透PVC制成。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，包括：
光-力一体化测量模块，用于将力学信号与光学信号相结合来评估实验产品在测试中反馈效果；
数据采集处理模块，用于对采集的图像数据进行分析处理，识别出仿生眼球结构组件的变化，评估仿视网膜上接收到的图像质量以及成像位置，结合仿生眼球结构组件给出的参数给出眼球相关产品合理的评估。
优选的，所述光-力一体化测量模块是由外置的掠影相机和压力传感器构成的光学相干测量模块，所述掠影相机能够将人工晶状体变形、眼压测量中人工角膜的变形进行实时捕捉，并与数据采集处理模块连接，将图像数据传输给数据采集处理模块进行角膜表面的3D地形图与晶状体的变形图像重构，所述压力传感器安置于液体导管上，用于测量人工眼球内部的液压水平，即能够显示给人工眼球施加的眼内压的数值，并反馈给数据采集处理模块，方便人为调整至合适眼内压。
优选的，所述掠影相机是基于沙姆定律制成的高速旋转相机。
优选的，所述数据采集处理模块包括数据收集模块、图像处理模块和深度学习模块；
所述数据收集模块用于将压力传感器、仿视网膜的感光元件信息以及掠影相机提供的图像实时传递给图像处理模块，将数据进行匹配以便后续处理；
所述图像处理模块用于将从掠影相机与仿视网膜收集得到的图像进行处理再实现动态表征，完成对于人工角膜表面的3D地形图与人工晶状体的变形图像重构以及实时反馈折射得到的图像，来判断经人工角膜与人工晶状体折射得到的图像质量；
所述深度学习模块是一个基于有限元数据和实验数据的预训练深度神经网络模型：针对有限元部分，会对考虑了不同力学参数(模量)、几何参数(尺寸、厚度、横径等)的仿生眼球在不同工作环境下(眼内压大小改变、角膜表面湿润程度等)的力学模型数据进行数值仿真测试，建立数值仿真模型数据库；针对真实实验部分，会对由数据收集模块中获取的压力传感器的压力数值、仿视网膜的感光元件信息以及掠影相机提供的图像进行综合分析，建立真实条件下的实验数据库，综合数值仿真的数据结果进行自我学习，进一步实现在真实实验中对眼球各组件力学光学表征进行预测分析；该预测分析结果会与真实条件下的实验数据进行比对，再针对数据库进行补充修正，从而优化预测精确度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用弹簧与阻尼元件作为人工眼球与仿生眼眶的连接，实现真实眼球下的机械运动(旋转、平动等)，并通过仿生眼睑的周期性机械摩擦以及人工泪液的补充模拟真实眼球的工作环境，可以测试人工眼角膜的疲劳性能，针对其使用寿命进行预测。
2、采用液压螺旋传动电机实现液压控制，可以实现真实眼球中的眼内压变化行为，模拟真实人眼的力学表征，可以用于眼压测量、眼压仪器标定等技术领域。
3、本发明最大限度地模拟了真实人眼的作用环境，故不仅可以满足医学眼科相关仪器设备的产品检测，而且还可以广泛地应用于医学眼科的检查测试诊断等，以及远程医疗、医学教育、医学实验等重要领域。
4、采用掠影相机观测并记录仿生眼球内部的变形状况，结合能够实时捕捉所成像的由平面感光元件制成的仿视网膜，构建出光-力一体化的仿生眼球结构测试系统，能够及时获取各类眼部仪器设备在动物实验或义眼实验测试中得不到的的光学反馈效果，填补眼科相关仪器设备测试的空白。
附图说明
图1为仿生眼球结构及其测试系统的结构示意图之一。
图2为仿生眼球结构及其测试系统的结构示意图之二。
图3为仿生眼眶的结构示意图。
图4为仿生眼睑由旋转电机驱动的示意图。
图5为仿睫状体、驱动电机、人工晶状体三者之间的连接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1至图5所示，本实施例公开了一种基于真实眼球环境的仿生眼球结构及其测试系统，该结构包括仿生眼眶1、液体导管2、液压螺旋传动电机3、泪液控制阀门4、仿生眼睑5、旋转电机6、人工眼球7、人工角膜8、仿睫状体9、人工晶状体10、仿视网膜11和驱动电机12，能够最大限度地模拟了真实人眼的作用环境，不仅可以满足医学眼科相关仪器设备的产品检测，而且还可以广泛地应用于医学眼科的检查测试诊断等；该系统包括光-力一体化测量模块和数据采集处理模块，能够实时获取光学力学上反馈，确保获得的测试数据准确，减少用于人眼的相关产品的研究成本等，下面分别对该结构和系统进行详细介绍。
基于真实眼球环境的仿生眼球结构，包括仿生眼眶1、液体导管2、液压螺旋传动电机3、泪液控制阀门4、仿生眼睑5、旋转电机6、人工眼球7、人工角膜8、仿睫状体9、人工晶状体10、仿视网膜11和驱动电机12；使用金属制成的带有开口的球壳作为仿生眼眶1，所述仿生眼眶1的内表面均匀分布着弹簧13与阻尼元件14连接人工眼球7，起到模拟真实人眼的眼动效果，使人工眼球能够实现真实眼球会产生的机械运动(旋转、平动等)，所述仿生眼眶1的开口处内置一个凹槽15，所述凹槽15内布置有带滑轮16的轨道，并在其中放置一个能沿轨道滑动的由高透PVC制成的外壳(实质为1/8球壳)作为仿生眼睑5，轨道末端设置缓冲垫片17，所述仿生眼睑5由旋转电机6驱动沿着球壳轴线周期循环运动，所述仿生眼眶1的上方开孔用于供液体导管2穿过，所述液体导管2穿过仿生眼眶1分别连接着仿生眼睑5和人工眼球7，并外接有一个液压螺旋传动电机3，所述液压螺旋传动电机3用于控制人工眼球7内部的液压，以实现真实眼球中眼内压改变的模拟，且在导向仿生眼睑5的液体导管2上安置有一个泪液控制阀门4，用于控制流向仿生眼睑5的流量达到控制角膜表面湿润程度的目的，具体是泪液控制阀门4通过的液体以合适的速率流至人工眼球7的角膜表面，用于保持与真实人眼表面的湿润度，所述人工角膜8与人工眼球7以嵌合的方式进行安置，按照真实眼球中睫状体的位置在人工眼球7内安装仿睫状体9(为装在人工眼球7内部的凸块)，所述仿睫状体9设置接口与人工晶状体10的襻连接，在仿睫状体9内设带滑轮18的通道19，所述通道19内设置牵引线20绕过滑轮18连接人工晶状体10与外置的驱动电机12，通过驱动电机12拉动人工晶状体10能够实现人为控制的晶状体变形，达到变焦的功能，使得仿视网膜11接收到的图像达到理想效果，所述仿视网膜11是由感光元件集成的平面状光学接收器，该仿视网膜11可以接受经由人工角膜8与人工晶状体10折射的光，将收到的光信号进一步转化为电信号，通过数据线将电信号传递给数据采集处理模块处理，可获取图像形貌、成像位置、图像质量的实时反馈评估，该仿视网膜11可以使用防水材料，避免人工眼球内部的液体对感光元件本身产生干扰。
优选的，所述液压螺旋传动电机3由液压传感器、装液体的腔室和步进电机组成，并与数据采集处理模块相连接，液压传感器将腔室中的液体压强结果传输给数据采集处理模块，再通过人为控制，驱动步进电机给腔室加压从而使腔室中压液压变为需求的液压水平。
优选的，所述人工眼球7是一个中空的由水凝胶-金属外壳构成的球壳形状，前半球以硅胶构成，方便内置仿睫状体，前端与水凝胶制成的人工角膜相嵌，防止人工眼球内部充满液体时漏液，后半球以金属制成，主要作用是起固定作用，与仿生眼眶1以弹簧13和阻尼元件14为媒介相连接，起到模拟真实人眼的眼动效果，在教具领域中，可以真实模拟手术中人眼的机械运动，给医学教学者与学习者更接近真实的体验。在人工眼球7的后端安置感光元件，并且与数据采集处理模块连接，将经由人工角膜、人工晶状体折射的光形成的图像传输给数据采集处理模块，提供产品测试中的实时反馈图像数据。可以将需要测试的人工角膜产品以及人工晶状体产品更换安置上去人工眼球7，在保证基本结构功能不受影响的前提下去测试产品性能：1、在仿生眼睑5的机械周期运动过程中，人工角膜8与仿生眼睑5接触会产生与机械摩擦，从而实现对人工角膜8的疲劳耐久性测试；2、在液压螺旋传动电机3通过液体导管2使人工眼球7内压改变时，可以进行人工晶状体10的耐压测试。
所述人工角膜8是本发明中较为重要的组件，本发明自带各类不同角膜厚度、角膜曲率、角膜模量等角膜几何力学特征的由水凝胶制成的人工角膜作为组件，不仅仅作为光学测试、角膜疲劳耐久性能测试的实验对象，也作为眼压测量与标定的重要组件，需通过力学实验机进行眼压测试建立的实验数据库去完成针对眼压数值受各类影响因素(角膜的不同几何力学影响因素，不同的眼内压数值)进行测量与标定，解决当前眼压的单次测量与持续监测领域的数值误差较大的困难，同样，该人工角膜组件也可更换其它需要进行测试的人工角膜产品，在完成此产品所需测试的性能之外也可与凝胶角膜的性能去进行比对，可完善相应的凝胶角膜领域的研究。
基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，包括：
光-力一体化测量模块，用于将力学信号与光学信号相结合来评估实验产品在测试中反馈效果；
数据采集处理模块，用于对采集的图像数据进行分析处理，识别出仿生眼球结构组件的变化，评估仿视网膜上接收到的图像质量以及成像位置，结合仿生眼球结构组件给出的参数给出眼球相关产品合理的评估。
所述光-力一体化测量模块是由外置的掠影相机21和压力传感器22构成的光学相干测量模块，所述掠影相机21能够将人工晶状体变形、眼压测量中人工角膜的变形进行实时捕捉，并与数据采集处理模块连接，将图像数据传输给数据采集处理模块进行角膜表面的3D地形图与晶状体的变形图像重构，所述压力传感器22安置于液体导管2上，用于测量人工眼球内部的液压水平，即能够显示给人工眼球施加的眼内压的数值，并反馈给数据采集处理模块，方便人为调整至合适眼内压。
优选的，所述掠影相机21是基于沙姆定律制成的高速旋转相机，作为构成光学相干测量模块重要组件将拍下的照片传输给数据采集处理模块，通过成像技术重现角膜表面的地形图与晶状体的形貌，能够将角膜地形图作为反馈信息之一呈现。
优选的，所述数据采集处理模块为计算机23，包含数据收集模块、图像处理模块和深度学习模块；
所述数据收集模块用于将压力传感器22、仿视网膜11的感光元件信息以及掠影相机21提供的图像实时传递给图像处理模块，将数据进行匹配以便后续处理；
所述图像处理模块用于将从掠影相机21与仿视网膜11收集得到的图像进行处理再实现动态表征，完成对于人工角膜表面的3D地形图与人工晶状体的变形图像重构以及实时反馈折射得到的图像，来判断经人工角膜8与人工晶状体10折射得到的图像质量；
所述深度学习模块是一个基于有限元数据和实验数据的预训练深度神经网络模型：针对有限元部分，会对考虑了不同力学参数(模量)、几何参数(尺寸、厚度、横径等)的仿生眼球在不同工作环境下(眼内压大小改变、角膜表面湿润程度等)的力学模型数据进行数值仿真测试，建立数值仿真模型数据库；针对真实实验部分，会对由数据收集模块中获取的压力传感器的压力数值、仿视网膜的感光元件信息以及掠影相机提供的图像进行综合分析，建立真实条件下的实验数据库，综合数值仿真的数据结果进行自我学习，进一步实现在真实实验中对眼球各组件力学光学表征进行预测分析；该预测分析结果会与真实条件下的实验数据进行比对，再针对数据库进行补充修正，从而优化预测精确度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于真实眼球环境的仿生眼球结构，其特征在于：包括仿生眼眶、液体导管、液压螺旋传动电机、泪液控制阀门、仿生眼睑、旋转电机、人工眼球、人工角膜、仿睫状体、人工晶状体、仿视网膜和驱动电机；使用金属制成的带有开口的球壳作为仿生眼眶，所述仿生眼眶的内表面均匀分布着弹簧与阻尼元件连接人工眼球，起到模拟真实人眼的眼动效果，使人工眼球能够实现真实眼球会产生的机械运动，所述仿生眼眶的开口处内置一个凹槽，所述凹槽内布置有带滑轮的轨道，并在其中放置一个能沿轨道滑动的外壳作为仿生眼睑，所述仿生眼睑由旋转电机驱动沿着球壳轴线周期循环运动，所述仿生眼眶的上方开孔用于供液体导管穿过，所述液体导管穿过仿生眼眶分别连接着仿生眼睑和人工眼球，并外接有一个液压螺旋传动电机，所述液压螺旋传动电机用于控制人工眼球内部的液压，以实现真实眼球中眼内压改变的模拟，且在导向仿生眼睑的液体导管上安置有一个泪液控制阀门，用于控制流向仿生眼睑的流量达到控制角膜表面湿润程度的目的，所述人工角膜与人工眼球以嵌合的方式进行安置，按照真实眼球中睫状体的位置在人工眼球内安装仿睫状体，所述仿睫状体设置接口与人工晶状体的襻连接，在仿睫状体内设带滑轮的通道，所述通道内设置牵引线绕过滑轮连接人工晶状体与外置的驱动电机，通过驱动电机拉动人工晶状体能够实现人为控制的晶状体变形，达到变焦的功能，所述仿视网膜安置在人工眼球的后端，用于接受经人工角膜、人工晶状体折射后的图像。
2.根据权利要求1所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构，其特征在于：所述仿视网膜是由感光元件集成的平面状光学接收器。
3.根据权利要求1所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构，其特征在于：所述轨道末端设置缓冲垫片。
4.根据权利要求1所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构，其特征在于：所述人工眼球是一个中空的球壳形状，前半球以硅胶构成，方便内置仿睫状体，前端与水凝胶制成的人工角膜相嵌，防止人工眼球内部充满液体时漏液，后半球以金属制成。
5.根据权利要求1所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构，其特征在于：所述仿生眼睑由高透PVC制成。
6.权利要求1-5任意一项所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，其特征在于，包括：
光-力一体化测量模块，用于将力学信号与光学信号相结合来评估实验产品在测试中反馈效果；
数据采集处理模块，用于对采集的图像数据进行分析处理，识别出仿生眼球结构组件的变化，评估仿视网膜上接收到的图像质量以及成像位置，结合仿生眼球结构组件给出的参数给出眼球相关产品合理的评估。
7.根据权利要求6所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，其特征在于，所述光-力一体化测量模块是由外置的掠影相机和压力传感器构成的光学相干测量模块，所述掠影相机能够将人工晶状体变形、眼压测量中人工角膜的变形进行实时捕捉，并与数据采集处理模块连接，将图像数据传输给数据采集处理模块进行角膜表面的3D地形图与晶状体的变形图像重构，所述压力传感器安置于液体导管上，用于测量人工眼球内部的液压水平，即能够显示给人工眼球施加的眼内压的数值，并反馈给数据采集处理模块，方便人为调整至合适眼内压。
8.根据权利要求7所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，其特征在于，所述掠影相机是基于沙姆定律制成的高速旋转相机。
9.根据权利要求6所述的基于真实眼球环境的仿生眼球结构的测试系统，其特征在于，所述数据采集处理模块包括数据收集模块、图像处理模块和深度学习模块；
所述数据收集模块用于将压力传感器、仿视网膜的感光元件信息以及掠影相机提供的图像实时传递给图像处理模块，将数据进行匹配以便后续处理；
所述图像处理模块用于将从掠影相机与仿视网膜收集得到的图像进行处理再实现动态表征，完成对于人工角膜表面的3D地形图与人工晶状体的变形图像重构以及实时反馈折射得到的图像，来判断经人工角膜与人工晶状体折射得到的图像质量；
所述深度学习模块是一个基于有限元数据和实验数据的预训练深度神经网络模型：针对有限元部分，会对考虑了不同力学参数、几何参数的仿生眼球在不同工作环境下的力学模型数据进行数值仿真测试，建立数值仿真模型数据库；针对真实实验部分，会对由数据收集模块中获取的压力传感器的压力数值、仿视网膜的感光元件信息以及掠影相机提供的图像进行综合分析，建立真实条件下的实验数据库，综合数值仿真的数据结果进行自我学习，进一步实现在真实实验中对眼球各组件力学光学表征进行预测分析，该预测分析结果会与真实条件下的实验数据进行比对，再针对数据库进行补充修正，从而优化预测精确度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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