CN116077840A - 一种超声波角膜塑形仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波角膜塑形仪，包括控制器、定位器和超声相控阵发射器。定位器用于实时定位角膜。超声相控阵发射器为有源相控阵体制的超声波辐射力发射装置，可以实现测距以及向角膜辐射塑形力。基于通过定位器获取的角膜位置信息和通过超声发射阵元获取的测距信息，控制器可以获取角膜的实时位置信息，并实时绘制角膜高度图。控制器基于角膜的实时位置信息，通过实时调整多通道振源的幅度和延时，动态调整超声相控阵发射出超声波聚焦的方向和振幅，对角膜特定区域实施超声波拉力或推力，实现利用超声波对角膜进行非接触、精准、无创的塑形的目的。控制器绘制的角膜高度图可以用来对角膜塑形效果进行实时评估，并动态调整超声波辐射力参数。

Description

一种超声波角膜塑形仪
技术领域
本发明涉及眼科仪器技术领域，尤其涉及一种超声波角膜塑形仪。
背景技术
流行病学调查显示，近几十年来我国的近视发病率越来越高，并趋于年轻化，高度近视发病率也逐年升高，青少年近视防控刻不容缓。中华医学会眼科学分会眼视光学组等，在《角膜塑形镜验配流程专家共识(2021)》中提到，目前临床上使用的近视防控手段中，角膜塑形镜(俗称OK镜)是效果最为确切的方法之一。其工作原理如下：采用特殊逆几何设计的硬性角膜接触镜；如图8，不同品牌、不同设计的角膜塑形镜可有不同的弧段组成，通过镜片造成泪液的分布不均，产生相应的流体力学效应及镜片自身形态对角膜产生的物理作用改变角膜的几何形态。例如图7和8(图7中，a为塑形前的状态，b为塑形后的状态；图8从左至右分别为：待治疗角膜，塑形开始时，塑形中，塑形完成后)所示的被改变后的角膜形态中央区被压平，经过此区域的光线聚焦于视网膜上，由此配戴者次日无需框架眼镜即可获得良好的远视力，塑形后的角膜环中央区隆起，经过此区域的光线聚焦在视网膜前形成近视性离焦环，由此达到控制眼轴增长，延缓近视发展的目的。但是现有的角膜塑形镜需要接触角膜，整夜佩戴，存在增加眼部微生物感染几率、角膜损伤、诱发干眼症等并发症的可能，同时存在适应症受限，需付出较高金钱及时间成本等问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种超声波角膜塑形仪，用于解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种超声波角膜塑形仪，包括控制器、定位器和超声相控阵发射器；超声相控阵发射器包括多个超声发射阵元；
定位器用于获取角膜的实时位置信息，并传输到控制器；
控制器基于接收的角膜的实时位置信息，控制超声相控阵发射器的多个超声发射阵元用于实时获取自身与角膜的距离信息；控制器基于接收的多个超声发射阵元与角膜的距离信息，结合角膜的实时位置信息，实时绘制角膜高度图；控制器还基于角膜的实时位置信息，控制超声相控阵发射器向角膜辐射塑形力；控制器还基于角膜高度图，判断塑形力是否需要调整；
超声相控阵发射器的多个超声发射阵元还用于向角膜中央区域施加压力，以及向环绕角膜中央区域的环中央区域施加拉力。
优选地，超声相控阵发射器向角膜辐射塑性力通过式
Fz＝c0 -1Pextcosβ-c0 -1Psca<cosθ>s      (1)
进行控制；当超声发射阵元向角膜中央区域施加压力时取Pextcosβ>Psca<cosθ>s，当超声发射阵元向环绕角膜中央区域的周侧区域施加拉力时取Pextcosβ<Psca<cosθ>s；
式中，c0是声速，β是非衍射入射声束的半锥角，Pext和Psca分别是入射声功率和散射声功率，<cosθ>s＝∫∫Scosθ<ssca>·dA/∫∫S<ssca>·dA是以不同方向散射声能流加权平均的散射角度，可通过调节超声相控阵发射器不同区域超声发射阵元的幅度和时延，产生具有不同半锥角β的非衍射声束；Ssca表示散射声力，S为角膜面积。
优选地，式(1)通过如下过程获得：
S1通过式
Figure BDA0003834626060000021
表示角膜内的总动量变化率等于超声相控阵发射器输出动量与角膜受到的合力之和；式中，V表示表面积为S的角膜一部封闭区域的体积，f表示该封闭区域内流体受到的力的密度，q表示超声相控阵发射器向该封闭区域注入力的体积速度源，∫∫∫Vρ0f dV表示封闭区域内的流体在自身表面上受到角膜其它区域流体的压力；
S2通过式
T＝ρ0vv+pI   (3)
定义超声相控阵发射器的声辐射应力张量T；式中，I表示三阶单位张量，P表示超声相控阵发射器输出总功率；
S3基于动量守恒定律，将式(1)转换为在没有外力源和体积速度源的环境下的式
Figure BDA0003834626060000031
式中，
Figure BDA0003834626060000032
表示该封闭区域内的声波动量随时间的变化率，ρ0表示角膜的平均密度，－∫∫ST·dA表示超声相控阵发射器的声辐射力，dA表示声辐射应力张量；
S4基于式(4)获得式
F＝-∫∫S<L>dA+ρ0∫∫S<vv>·dA.   (5)；
S5将式(4)中的每一项用入射声场与散射声场的相关量表示，获得式
vv＝vivi+vsvs+vivs+vsvi   (6)
L＝Lii+Lss+Lis   (7)
Lii＝ρ0vi·vi/2-pi 2/2ρ0c0 2   (8)
Lss＝ρ0vs·vs/2-ps 2/2ρ0c0 2   (9)和
Lis＝ρ0vi·vs-pips/ρ0c0 2   (10)；
S6基于Lii和Lss均为零，以及式(6)-(10)，获得式(5)的计算结果式
F＝-c0 -1∫∫S(<smix>+<ssca>)dA   (11)；
式(6)中，vv表示质点震动速度矢量的积，下标s表示散射速度，下标i表示入射速度；式(11)中，<smix>＝<pivs+psvi>是入射声场与散射声场干涉形成的能流密度矢量的时间平均，<ssca>＝<psvs>是散射声场的能流密度矢量的时间平均；
S7将式(11)用积分形式表示，获得式
Figure BDA0003834626060000033
式中，β是一般非衍射声束的半锥角，g(φ')是决定不同平面波成分幅度和相位的角度函数，i表示虚数，k表示波数，z表示z轴分量；Φ表示声波的势函数；μ表示波数和半锥角三角函数的积；
S8基于式(12)，当g(φ')＝1时获得零阶Bessel声束的表达式，当g(φ')＝exp(imφ')时获得m阶Bessel声束的表达式，进一步获得对应的质点速度和声压表达式
Figure BDA0003834626060000034
和
pi＝ρ0c0∫vi'dφ'   (14)；
S9将式(11)投影到z轴，获得轴向声辐射力Fz＝nz·F，进一步获得式(1)。
优选地，超声相控阵发射器的某多个超声发射阵元被构造成第一超声阵列，超声相控阵发射器的另外多个超声发射阵元被构造成第二超声阵列；第一超声阵列的超声发射阵元呈环形布置，第二超声阵列的超声发射阵元环绕第一超声阵列布置；第一超声阵列用于向角膜中央区域施加压力，第二超声阵列用于向环绕角膜中央区域的环中央区域施加拉力；虹膜定位器位于第一超声阵列的环内区域。
优选地，一个或多个超声发射阵元布置在第一超声阵列的环内区域，另外多个超声测距器沿第二超声阵列的外周侧分布，分别用于实时获取自身与角膜的距离信息，并传输到控制器。
优选地，定位器为虹膜定位器。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供一种超声波角膜塑形仪，包括控制器、定位器和超声相控阵发射器。定位器的作用是实时定位角膜，技术上可以采用现有的已在屈光手术当中广泛使用的虹膜定位。超声相控阵发射器采用有源相控阵体制的超声波辐射力发射装置，包括多个超声发射阵元，每个超声发射阵元是独立的超声波辐射力输出源，可以实现测距以及向角膜辐射塑形力两种功能。通过定位器获取的角膜位置信息及通过超声发射阵元获取的控制器测距信息，均实时传送至控制器。基于这些信息，控制器可以获取角膜的实时位置信息，并实时绘制角膜高度图。控制器基于角膜的实时位置信息，通过实时调整多通道振源的幅度和延时，动态调整超声相控阵发射出超声波聚焦的方向和振幅，对角膜特定区域实施超声波拉力或推力，从而实现利用超声波对角膜进行非接触、精准、无创的塑形的目的。控制器绘制的角膜高度图可以用来对角膜塑形效果进行实时评估，并动态调整超声波辐射力参数。本发明提供的超声波角膜塑形仪具有非接触、无创、适应范围广、通过硬件、灵活调整塑形需求和良好的经济性等多方面优势。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种超声波角膜塑形仪的逻辑框图；
图2为本发明提供的一种超声波角膜塑形仪的超声脉冲回波测距原理图；
图3为本发明提供的一种超声波角膜塑形仪的多通道相控阵一种优选实施例的示意图；
图4为本发明提供的一种超声波角膜塑形仪的超声波电子聚焦原理示意图；
图5为本发明提供的一种超声波角膜塑形仪的角膜治疗分区示意图；
图6为现有技术中高度图的示例；
图7为现有技术的角膜塑形镜的一种原理示意图；
图8为现有技术的角膜塑形镜另一种原理示意图。
图中：
101.超声相控阵发射器 102.控制器 103.定位器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供一种超声波角膜塑形仪，用于解决现有技术中存在的如下问题：
1.存在潜在并发症：Liu，Xie等在《The safety of orthokeratology-asystematic review》中提到，角膜塑形镜最严重的并发症是微生物性角膜炎，可导致永久性失明，其通常与操作不当、不遵守护理程序有关；此外，镜片直接放入睑裂，接触角膜，增加角膜、结膜损伤及感染的可能；镜片改变泪液分层及分布，可能会影响睑板腺分泌功能，长期佩戴后显著增加干眼症的发病率；长期佩戴后也存在影响角膜代谢，中央角膜厚度变薄，内皮细胞形态改变及角膜散光变大等潜在风险。
2.适应症有限制：由于安全、依从性、操作流程等各方面的原因，传统角膜塑形镜只建议用于年龄高于8岁的近视儿童；由于必须利用泪液的流体动力学来进行角膜塑形，泪液分泌不足的儿童无法使用；常年过敏性儿童不适合佩戴，季节过敏性儿童在过敏期间也需停止佩戴角膜塑形镜，而由于停戴后两到三周角膜才会逐渐恢复到原始的形态，在此期间医生无法准确判断患儿屈光度并为其验配框架眼镜替代；除此以外，睑裂小、其它类型角结膜炎、圆锥角膜、反复发作麦粒肿、患儿及监护人不能做到按时佩戴、定期清洁及复诊的患者群体均不适合佩戴角膜塑形镜，这些都限制了传统角膜塑形镜的使用。
3.时间成本、金钱成本较高：传统的角膜塑形镜一旦定制成功，参数不可改变，如果患者眼球状态发生变化导致塑形镜不匹配则只能重新定制；佩戴流程较为复杂，比如避免自来水接触镜片，每天摘戴前后专用护理液揉搓清洗镜片，再使用纯净水或生理盐水冲洗，定期除蛋白，且熟练佩戴需要学习；为了监测效果及避免并发症需定期频繁去医院；各种周边消费多，护理液，眼镜盒，吸棒，除蛋白液，等等，镜片寿命只有1-2年，需持续投入金钱。
参见图1，本发明提供一种超声波角膜塑形仪，包括用于佩戴在头部的框架，框架中设有控制器102、定位器103和超声相控阵发射器101。本超声波角膜塑形仪还包括电源，可以根据实际需要选择采用直流电或市电。
在本发明提供的实施例中，定位器103用于获取角膜的实时位置信息，并传输到控制器102。定位器103可以使用目前已广泛应用于屈光手术中角膜定位的虹膜定位技术，通过获取并处理虹膜区域图像，对角膜的位置进行实时定位。也可以在使用其它的角膜定位的技术。
在本发明提供的实施例中，超声相控阵发射器101是采用有源相控阵体制的超声波辐射力发射装置。超声相控阵发射器101包括多个超声发射阵元，每个超声发射阵元是一个独立的超声波辐射力输出源，可以实现测距以及向角膜辐射塑性力两种功能。
其中，测距是基于超声脉冲回波原理进行测距(如图2所示)，实时获取自身与角膜的距离信息，并传输到控制器102。控制器102基于接收的超声测距器与角膜的实时距离信息，结合对应的角膜的实时位置信息，实时绘制角膜高度图。控制器102还基于角膜实时位置信息，控制超声相控阵发射器101向角膜辐射塑形力。用于超声测距的超声发射阵元为多个。从角膜高度图可以获得角膜形态的信息，例如图6所示的高度图的示例，不同颜色(灰度)的环形区域的相对高度不同，据此可以获得整个区域的形态信息，因此控制器102基于角膜高度图检查角膜的塑形情况，判断塑形力是否需要调整。调整包括如下几种情形：角膜形态的变化趋势未满足预设需要，提高超声发射阵元的输出功率或增加辐射塑形力的超声发射阵元的数量或改变辐射塑形力作用于角膜的位置；角膜形态未满足预设需要但变化趋势在理想范围内，继续向角膜辐射塑形力；角膜形态接近预设需要，降低超声发射阵元的输出功率或减少辐射塑形力的超声发射阵元的数量；角膜形态满足预设需要，停止向角膜辐射塑形力。在本发明提供的实施例中，对角膜分区域预设判断阈值，将角膜的实时高度图中获得的相应区域的高度值与判断阈值做差值运算，判断角膜形态是否满足/接近预设需要。
控制超声相控阵发射器101向角膜辐射的塑形力由任意数个超声发射阵元辐射力的合力组成。根据塑形治疗的原理，角膜辐射塑形力包括向角膜中央区域施加压力，以及向环绕该角膜中央区域的环中央区域施加拉力。角膜中央区域以及环中央区域的划分可在前期诊断时完成，例如在前期诊断时绘制治疗规划所需的角膜高度图，确定各判断阈值。如图5所示，施加拉力的环中央区域与施加压力的角膜中央区域不相重叠，并且角膜边缘部分与环中央区域具有间隙。由于角膜的位置是不断变化的，控制器102根据角膜实时位置信息通过调整施力的偏转角度的方式适应角膜的位置变动(例如图4所示)。
每个超声发射阵元均可以提供测距和施力的功能，其由控制器102进行统一控制。根据实时角膜位置信息实时决定哪些阵元施行拉力，哪些阵元施行压力，即根据角膜的实际位置变换施力的阵元。也可以让特定位置的阵元只负责施行拉力，特定位置的阵元只负责施行压力，通过调整施力的偏转角度的方式适应角膜的位置变动。例如根据框架的构型或者根据角膜的构型，控制器102可以控制任意位置任意数量的超声发射阵元对特定角膜区域辐射拉力或压力。根据角膜实时位置信息及超声发射阵元的测距信息，控制器可实时绘制角膜高度图，从而动态监测塑形效果，并可以动态调整参数。为了减少同一超声发射阵元测距和施力功能转换之间的时间延迟，可以设置部分超声发射阵元只负责测距，而剩余的超声发射阵元负责实施辐射拉力或压力。
在一种优选实施例中，定位器采取虹膜定位，这种定位方式已经广泛应用于屈光手术中精确的角膜定位并引导激光精准切削。
如图3所示，超声相控阵发射器101的某多个超声发射阵元被构造成第一超声阵列，超声相控阵发射器101的另外多个超声发射阵元被构造成第二超声阵列；第一超声阵列的超声发射阵元呈环形布置，第二超声阵列的超声发射阵元环绕第一超声阵列布置，在第一超声阵列外构成另一个环形阵列。第一超声阵列用于向角膜中央区域施加压力，第二超声阵列用于向环绕角膜中央区域的环中央区域施加拉力。两个环形阵列之间预留适当距离用于防止两个环形阵列边界的超声波相互干涉。虹膜定位器103位于第一超声阵列的环内区域(即环内空出的区域，如图3所示)。
进一步的，基于上述的超声发射阵元的布置方式，用于测距的超声发射阵元的布置方式如下：一个或多个用于测距的超声发射阵元被布置在第一超声阵列的环内区域(即环内空出的区域)，其它多个超声发射阵元沿第二超声阵列的外周侧分布。
本发明提供的超声波角膜塑形仪其工作原理如下：通过定位器获取的角膜位置信息及通过超声发射阵元获取的测距信息，均实时传送至控制器。基于这些信息，控制器可以获取角膜的实时位置信息，并实时绘制角膜高度图。控制器基于角膜的实时位置信息，通过实时调整多通道振源的幅度和延时，动态调整超声相控阵发射出超声波聚焦的方向和振幅，对角膜特定区域实施超声波拉力或推力；控制器还通过实时反馈的角膜高度图，判断角膜相应区域的塑形效果。从而实现利用超声波对角膜进行非接触、精准、无创的塑形的目的。
在本发明提供的优选实施例中，超声波辐射力的产生原理和控制参量如下：
物质性是场的本质属性之一，声场也不例外，具体表现在声场具有一定的动量与能量。考虑表面为S的一封闭区域V，其内流体受到的力密度为f，注入的体积速度源为q，体积V内的总动量变化率应该等于流出的动量与合力(包括外力与表面S上的压力)之和，用式子表示为
Figure BDA0003834626060000091
其中，右边第二项面积分是体积V内的流体在其表面S上受到其他流体的压力，方向与曲面法向相反，因而符号为负。
定义声辐射应力张量T
T＝ρ0vv+pI      (3)
其中，I表示三阶单位张量，P表示超声相控阵发射器101输出总功率。在没有外力源和体积速度源的情况下，式(2)可以表示为
Figure BDA0003834626060000092
这正是在声场中的动量守恒定律，等式的左边的
Figure BDA0003834626060000093
表示体积V的该封闭区域内的声波动量随时间的变化率，ρ0表示眼球的平均密度，右侧－∫∫ST·dA表示声辐射力，dA表示声辐射应力张量。因而在相差一个负号的前提下，声辐射力正是声辐射应力张量的面积分。在二级近似下，声压恰好等于Lagrangian密度函数L。据此可以得到稳态声辐射力的表达式
F＝-∫∫S<L>dA+ρ0∫∫S<vv>·dA.        (5)
从式(5)可以看出，声辐射力是一个二阶量。
尽管推导了自由空间中稳态声辐射力的一般表达式，但直接从式(5)看声辐射力的物理意义似乎并不十分鲜明。为此，本实施例中将式(5)中的每一项都用入射声场与散射声场的相关量表示，即
vv＝vivi+vsvs+vivs+vsvi          (6)
L＝Lii+Lss+Lis          (7)
Lii＝ρ0vi·vi/2-pi 2/2ρ0c0 2            (8)
Lss＝ρ0vs·vs/2-ps 2/2ρ0c0 2          (9)
Lis＝ρ0vi·vs-pips/ρ0c0 2            (10)
在现有技术的相关文献中已经证明了Lii和Lss均为零，并给出了式(5)的最终计算结果
F＝-c0 -1∫∫S(<smix>+<ssca>)dA      (11)
式(6)中，vv表示质点震动速度矢量的积，下标s表示散射速度，下标i表示入射速度；式(11)中，<smix>＝<pivs+psvi>是入射声场与散射声场干涉形成的能流密度矢量的时间平均，<ssca>＝<psvs>是散射声场的能流密度矢量的时间平均。在推导过程中需要利用远场的平面波近似，即声压与质点速度成正比。式(11)正是功能原理的具体体现，物理意义十分明显。
考虑一般的非衍射声束，可以表示为如下的积分形式
Figure BDA0003834626060000101
其中，β是一般非衍射声束的半锥角，g(φ')是决定不同平面波成分幅度和相位的角度函数，i表示虚数，k表示波数，z表示z轴分量；Φ表示声波的势函数；μ表示波数和半锥角三角函数的积。
特别地，g(φ')＝1时式(12)将给出零阶Bessel声束的表达式，g(φ')＝exp(imφ')时式(7)将给出m阶Bessel声束的表达式。
相应的质点速度和声压也可以表示为
Figure BDA0003834626060000102
pi＝ρ0c0∫vi'dφ'         (9)
将稳态声辐射力的一般表达式式(6)投影到z轴，即得到轴向声辐射力Fz＝nz·F，最终的计算结果为
Fz＝c0 -1Pext cosβ-c0 -1Psca<cosθ>s       (1)
其中，<cosθ>s＝∫∫Scosθ<ssca>·dA/∫∫S<ssca>·dA是以不同方向散射声能流加权平均的散射角度。c0是声速，β是非衍射入射声束的半锥角，Pext和Psca分别是入射声功率和散射声功率，其可以通过超声辐射阵元的功率控制进行调节。Ssca表示散射声力，S为眼表面积。
式(1)正是一般非衍射声束作用下轴向声辐射力的表达式。事实上，式(1)也是z方向动量守恒定律的表达式，声波在z方向损失的总动量减去由于散射失去的动量正是轴向声辐射力的作用效果。
进一步观察式(1)可以发现，当Pextcosβ<Psca<cosθ>s时粒子将受到负向声辐射力的作用，此时由于散射失去的动量大于声波损失的总动量，从而声辐射力必须为负值才能满足动量守恒的要求。在本发明提供的实施例中，设定作用在角膜上的推力为正向力，拉力为负向力。对于平面波(β＝0)而言，由于存在关系Pext≥Psca，-1≤<cosθ>s≤1，所以负向声辐射力是无法产生的。然而对于一般的非衍射声束而言，在Pextcosβ<Psca<cosθ>s的情况下，轴向声辐射力将取负值。对于不存在声吸收的情况，负向声辐射力的条件可以简化为cosβ<<cosθ>s。<cosθ>s＝∫∫Scosθ<ssca>·dA/∫∫S<ssca>·dA是以不同方向散射声能流加权平均的散射角度，可通过调节超声相控阵发射器101不同区域超声发射阵元的幅度和时延，产生具有不同半锥角β的非衍射声束。从以上分析可以看出，当前向散射声能量大于背向散射声能量时更容易产生负向声辐射力，因为此时<cosθ>s更大。另一方面，半锥角越大似乎也越有利于负向声辐射力的产生，但事实上，声束半锥角的改变会同时影响声散射，实际中可能并非越大越好。
综上所述，本发明提供一种超声波非接触超声波角膜塑形仪，包括控制器、定位器和超声相控阵发射器。定位器的作用是实时定位角膜，技术上可以采用现有的已在屈光手术当中广泛使用的虹膜定位。超声相控阵发射器采用有源相控阵体制的超声波辐射力发射装置，包括多个超声发射阵元，每个超声发射阵元是独立的超声波辐射力输出源，可以实现测距以及向角膜辐射塑形力两种功能。通过定位器获取的角膜位置信息及通过超声发射阵元获取的测距信息，均实时传送至控制器。基于这些信息，控制器可以获取角膜的实时位置信息，并实时绘制角膜高度图。控制器基于角膜的实时位置信息，通过实时调整多通道振源的幅度和延时，动态调整超声相控阵发射出超声波聚焦的方向和振幅，对角膜特定区域实施超声波拉力或推力，从而实现利用超声波对角膜进行非接触、精准、无创的塑形的目的。控制器绘制的角膜高度图可以用来对角膜塑形效果进行实时评估，并动态调整超声波辐射力参数。本发明提供的超声波角膜塑形仪具有如下优点：
1.发生并发症的可能性大大减少。仪器无需接触角膜，不易引起干眼、角膜、结膜及睑板腺的感染。
2.适应症群大大增加。因为操作简单，无需入眼，所以适用年龄可以降低，干眼症、过敏及其它原因引起的慢性结膜炎、小睑裂的患儿也均可使用。
3.节约时间及金钱成本。因为减少了发生并发症的风险，可以适当减少去医院检查的频率。目前传统角膜塑形镜的定制及更换需要较长时间的等待，但是对于超声超声波角膜塑形仪，当孩子眼部情况发生变化，无需更换机器，只需依据不同个体的角膜情况，调整参数即可，没有长时间的等待过程。减少了时间和金钱的投入。还能通过控制器进行外部通信上传云端，使得医生可以实时掌握患儿塑形效果，可以做到更有针对性地预约复诊和参数调整。
4.实现个性化精准治疗。不同个体，不同屈光度，不同角膜厚度，不同角膜曲率，不同眼内压，超声辐射力有所不同，通过绘制角膜高度图，动态监测塑形效果，跟塑形前设定的理想塑形效果相比较并及时调整参数，与现有技术的塑形镜相比具有很大优势。
5.建立了定位—测距的双重判断机制，能够根据眼球转动的实际位置，精确地控制施力方向并监测塑形效果。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超声波角膜塑形仪，其特征在于，包括控制器、定位器和超声相控阵发射器；所述超声相控阵发射器包括多个超声发射阵元；
所述定位器用于获取角膜的实时位置信息，并传输到所述控制器；
所述控制器基于接收的所述角膜的实时位置信息，控制所述超声相控阵发射器的多个所述超声发射阵元用于实时获取自身与角膜的距离信息；所述控制器基于接收的所述多个超声发射阵元与角膜的距离信息，结合所述角膜的实时位置信息，实时绘制角膜高度图；所述控制器还基于所述角膜的实时位置信息，控制所述超声相控阵发射器向角膜辐射塑形力；所述控制器还基于所述角膜高度图，判断塑形力是否需要调整；
所述超声相控阵发射器的多个所述超声发射阵元还用于向角膜中央区域施加压力，以及向环绕所述角膜中央区域的环中央区域施加拉力。
2.根据权利要求1所述的超声波角膜塑形仪，其特征在于，所述超声相控阵发射器向角膜辐射塑性力通过式
Fz＝c0 -1Pextcosβ-c0 -1Psca<cosθ>s      (1)
进行控制；当所述超声发射阵元向角膜中央区域施加压力时取Pextcosβ>Psca<cosθ>s，当所述超声发射阵元向环绕所述角膜中央区域的周侧区域施加拉力时取Pextcosβ<Psca<cosθ>s；式中，c0是声速，β是非衍射入射声束的半锥角，Pext和Psca分别是入射声功率和散射声功率，<cosθ>s＝∫∫Scosθ<ssca>·dA/∫∫S<ssca>·dA是以不同方向散射声能流加权平均的散射角度，可通过调节超声相控阵发射器不同区域超声发射阵元的幅度和时延，产生具有不同半锥角β的非衍射声束；Ssca表示散射声力，S为角膜面积。
3.根据权利要求2所述的超声波角膜塑形仪，其特征在于，式(1)通过如下过程获得：
S1通过式
Figure FDA0003834626050000011
表示角膜内的总动量变化率等于超声相控阵发射器输出动量与角膜受到的合力之和；式中，V表示表面积为S的角膜一部封闭区域的体积，f表示该封闭区域内流体受到的力的密度，q表示超声相控阵发射器向该封闭区域注入力的体积速度源，∫∫∫Vρ0f dV表示封闭区域内的流体在自身表面上受到角膜其它区域流体的压力；
S2通过式
T＝ρ0vv+pI   (3)
定义超声相控阵发射器的声辐射应力张量T；式中，I表示三阶单位张量，P表示超声相控阵发射器输出总功率；
S3基于动量守恒定律，将式(1)转换为在没有外力源和体积速度源的环境下的式
Figure FDA0003834626050000021
式中，
Figure FDA0003834626050000022
表示该封闭区域内的声波动量随时间的变化率，ρ0表示角膜的平均密度，－∫∫ST·dA表示超声相控阵发射器的声辐射力，dA表示声辐射应力张量；
S4基于式(4)获得式
F＝-∫∫S<L>dA+ρ0∫∫S<vv>·dA.   (5)；
S5将式(4)中的每一项用入射声场与散射声场的相关量表示，获得式
vv＝vivi+vsvs+vivs+vsvi   (6)
L＝Lii+Lss+Lis   (7)
Lii＝ρ0vi·vi/2-pi 2/2ρ0c0 2   (8)
Lss＝ρ0vs·vs/2-ps 2/2ρ0c0 2  (9)和
Lis＝ρ0vi·vs-pips/ρ0c0 2   (10)；
S6基于Lii和Lss均为零，以及式(6)-(10)，获得式(5)的计算结果式
F＝-c0 -1∫∫S(<smix>+<ssca>)dA   (11)；
式(6)中，vv表示质点震动速度矢量的积，下标s表示散射速度，下标i表示入射速度；式(11)中，<smix>＝<pivs+psvi>是入射声场与散射声场干涉形成的能流密度矢量的时间平均，<ssca>＝<psvs>是散射声场的能流密度矢量的时间平均；
S7将式(11)用积分形式表示，获得式
Figure FDA0003834626050000023
式中，β是一般非衍射声束的半锥角，g(φ')是决定不同平面波成分幅度和相位的角度函数，i表示虚数，k表示波数，z表示z轴分量；Φ表示声波的势函数；μ表示波数和半锥角三角函数的积；
S8基于式(12)，当g(φ')＝1时获得零阶Bessel声束的表达式，当g(φ')＝exp(imφ')时获得m阶Bessel声束的表达式，进一步获得对应的质点速度和声压表达式
Figure FDA0003834626050000031
和
pi＝ρ0c0∫vi'dφ'   (14)；
S9将式(11)投影到z轴，获得轴向声辐射力Fz＝nz·F，进一步获得式(1)。
4.根据权利要求1所述的超声波角膜塑形仪，其特征在于，所述超声相控阵发射器的某多个所述超声发射阵元被构造成第一超声阵列，所述超声相控阵发射器的另外多个所述超声发射阵元被构造成第二超声阵列；所述第一超声阵列的超声发射阵元呈环形布置，所述第二超声阵列的超声发射阵元环绕所述第一超声阵列布置；所述第一超声阵列用于向角膜中央区域施加压力，所述第二超声阵列用于向环绕所述角膜中央区域的环中央区域施加拉力；所述定位器位于所述第一超声阵列的环内区域。
5.根据权利要求4所述的超声波角膜塑形仪，其特征在于，一个或多个所述超声发射阵元布置在所述第一超声阵列的环内区域，另外多个所述超声测距器沿所述第二超声阵列的外周侧分布，分别用于实时获取自身与角膜的距离信息，并传输到所述控制器。
6.根据权利要求1至5任一所述的超声波角膜塑形仪，其特征在于，所述定位器为虹膜定位器。
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