EA007554B1

EA007554B1 - Тонометр с силовой обратной связью

Info

Publication number: EA007554B1
Application number: EA200401268A
Authority: EA
Inventors: Оскар Кудзани; Эндрю Дж. Баркер; Дональд Э. Джеймс
Original assignee: И Ар Ай Си Текнолоджиз Корп.
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2006-10-27
Also published as: BR0308793A; CA2479490A1; MXPA04009268A; AU2003213925A1; CN1642469A; EA200401268A1; EP1494576A1; IL164244A0; JP2005521449A; US20030187343A1; WO2003082086A1

Abstract

Устройство и способ для измерения внутриглазного давления (ВГД) с применением вибратора (13), который передает вибрационную энергию в глазное яблоко (12) через веко (11) и измеряет по меньшей мере одну из силовой или фазовой реакций в глазном яблоке. Для выполнения измерений размещают тонометр (10) на веке для возбуждения вибрации в нижележащем глазном яблоке. Динамометрический датчик (16), подключенный к вибратору, измеряет реакцию глазного яблока, по которой определяют вибрационный импеданс глаза. Затем вычисляют внутриглазное давление на основании вибрационного импеданса. При предпочтительном использовании устройства тонометр калибруют по известной величине внутриглазного давления, что позволяет пациенту выполнять последующие относительные измерения ВГД дома или в другом месте вне обычного медицинского учреждения без необходимости в обезболивании или без боязни инфекции.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения физических, физиологических и структурных параметров глазного яблока, в частности, для определения величины внутриглазного давления глаза. Более конкретно, для этого возбуждают вибрацию в глазе и используют динамометрический датчик для определения величины, характеризующей ВГД.

Описание известного уровня техники

Величина внутриглазного давления (ВГД) глаза является мерой давления жидкости внутри глазного яблока. Контроль ВГД является полезным, поскольку оно является показателем здоровья глаза. Чрезмерно высокое ВГД может быть связано с повреждением глазного нерва, например, в случае глаукомы.

Глазное яблоко можно рассматривать как аналог эластичного сосуда, заполненного жидкостью, которая имеет достаточно несжимаемый характер. Такой эластичный сосуд можно сравнить с надувным шаром, имеющим растяжимые стенки, при этом увеличение объема жидкости вызывает изменение внутреннего давления, уравновешиваемое расширением стенки сосуда. Жидкость внутри глаза по существу непрерывно циркулирует, и увеличение притока жидкости обычно сопровождается аналогичным увеличением оттока жидкости. В тех случаях, когда отток не соответствует притоку, происходит увеличение внутреннего давления и расширение глаза. При увеличении ригидности стенки глаза наблюдаются два эффекта: внутреннее давление возрастает больше из расчета на увеличение притока жидкости, и общее расширение объема глаза уменьшается.

Изменение расширения глаза зависит от растяжимости стенок глазного яблока. Чем растяжимее стенка, тем выше способность объема глаза увеличиваться в ответ на изменение объема жидкости. Чем менее растяжима стенка, тем больше увеличивается давление жидкости.

В биомедицине обычно не принято измерять такое давление как ВГД прямым способом, поскольку помещение датчика давления в жидкость глазного яблока имеет инвазивный характер. Поэтому обычно пытаются определять давление с помощью альтернативных, менее инвазивных методов. Следовательно, несмотря на то, что желательно измерять внутриглазное давление напрямую, непрерывно и неинвазивно, этого сложно достичь.

Известны и уже применяются умеренно инвазивные измерения. В течение многих лет в медицине широко применяются так называемые контактные тонометры. Однако на их популярности и привлекательности отрицательно сказывается необходимость прямого механического контакта с глазом, для чего следует применять обезболивание. Кроме того, необходимость контактирования и возникающая в его результате деформация глаза могут вносить погрешности в определение ВГД из-за выделения слез, изменения объема глаза под действием сжатия, и в результате, из-за изменения физических свойств роговицы. Такие известные устройства описаны в патентах США 2519681, 3049001, 3070087, 3192765.

Предпринимались и различные другие попытки измерять ВГД дискретно или непрерывно с помощью более косвенных методов. Преимущество косвенных методов состоит в том, что они неинвазивные или, по меньшей мере, менее инвазивные, чем импрессионная или аппланационная тонометрия. В одном таком способе, описанном в патенте США 3181351, на глаз воздействуют резким воздушным импульсом и измеряют возникающую при этом деформацию роговицы. Такие косвенные методы обычно имеют два недостатка: низкая точность и отсутствие абсолютного значения в полученных измерениях.

Обычно пациентам с такими заболеваниями глаз, как глаукома, которая влияет на ВГД, может требоваться частый контроль ВГД. Поэтому существует потребность в неинвазивном способе измерения ВГД, который могли бы безопасно выполнять сами пациенты или кто-либо другой вне обычного медицинского учреждения, например, у пациента дома.

Краткое изложение сущности изобретения

Внутриглазное давление (ВГД) в глазе определяют через веко с помощью уникального устройства для передачи механической энергии, предпочтительно, вибрации, в глазное яблоко. Измерение вибрационных реакций, наведенных в глазном яблоке, используется для вычисления вибрационного импеданса глазного яблока, который является функцией ВГД.

Преимущества этого способа заключаются в простоте и безопасности, которые позволяют пациенту контролировать ВГД вне обычной клинической среды и чаще всего дома.

Согласно варианту воплощения настоящего изобретения предложен тонометр для измерения ВГД, в котором используется вибратор, такой как соленоид, имеющий постоянную выходную амплитуду и приводимый в действие генератором, управляемым микропроцессором или компьютером, так что известны выходная амплитуда, частота и фаза. Вибратор подсоединен или подключен к датчику силы, например, динамометрическому датчику или тензодатчику, который используется для измерения обратной связи, такой как вибрационные реакции глаза. Более конкретно, датчик силы измеряет, по меньшей мере, одну из силовой реакции или фазовой реакции.

Согласно широкому аспекту изобретения предложен способ для определения величины, характеризующей ВГД глаза, заключающийся в том, что обеспечивают контактирование века со средством для передачи механической энергии, таким как вибратор, способный создавать постоянную амплитуду и диапазон частот для наведения вибрации, по меньшей мере, в части нижележащего глазного яблока; обеспечивают средство для измерения размерной вибрационной реакции в глазном яблоке для определе

- 1 007554 ния величин, характеризующих вибрационный импеданс, и вычисляют внутриглазное давление как функцию вибрационного импеданса.

Предпочтительно, средством для передачи энергии является вибратор, подключенный к динамометрическому датчику для измерения вибрационной реакции глаза. Более предпочтительно, динамометрический датчик измеряет, по меньшей мере, одну из силовой реакции или фазовой реакции глаза для определения вибрационного импеданса как параметра, характеризующего внутриглазное давление. Можно также использовать статичный датчик силы, чтобы гарантировать применение адекватной силы при приложении вибратора к веку, что обеспечивает наведение адекватной вибрации в глазном яблоке и обнаружение вибрационной реакции.

Очевидно, что предложенный способ можно реализовать с помощью различных приборов, известных специалистам. В частности, согласно широкому аспекту изобретения предложен тонометр с силовой обратной связью, содержащий: средство для передачи механической энергии, такое как соленоид, способный формировать выходной сигнал переменной частоты с постоянной амплитудой для наведения вибрации, по меньшей мере, в части глазного яблока при размещении на веке над глазным яблоком; устройство для измерения размерной вибрационной реакции в глазном яблоке для определения величин, характеризующих вибрационный импеданс, и средство для вычисления внутриглазного давления как функции величин, характеризующих вибрационный импеданс. Предпочтительно, средством для передачи энергии является вибратор, подключенный к динамометрическому датчику для измерения размерной вибрационной реакции глаза.

При использовании, осторожно осуществляют контактирование вибрирующего стержня или выступа тонометра с веком. При этом вибрация проходит через веко в лежащее под ним глазное яблоко в диапазоне исследуемых частот, и вибрационная реакция глаза измеряется динамометрическим датчиком, который подсоединен механически. Вибрационный импеданс глазного яблока определяется микропроцессором или компьютером с использованием параметров приложенной вибрации и измеренных реакций. Между вибрационным импедансом и ВГД существует определенная связь.

Для дополнительного нормирования вибрационной реакции одновременно с измерениями скорости используется лазерный интерферометр для измерения геометрии глаза, включая его осевую длину, из которой можно определить объем глаза. Можно также измерить толщину роговицы, по которой определяют дополнительные механические свойства, такие как эластичность.

Эти измерения являются более точными, чем измерения, возможные при простом измерении изменений, происходящих в кривизне роговицы, или силы, или времени, необходимых для вдавления или сплющивания роговицы. Повышение точности обусловлено тем, что использование акустической энергии не вызывает изменения объема глаза и не оказывает существенного влияния на давление.

ВГД измеряют путем измерения вибрационных свойств роговицы или глаза в целом. Для нормирования или компенсации эффекта собственных физических параметров каждого глаза используются следующие параметры, которые можно определить и которые реагируют на изменения ВГД: физическая трехмерная реакция на возбуждающую вибрацию, отставание реакции по фазе относительно возбуждающей силы, и амплитуда и/или форма фазовой реакции.

При применении описанных выше свойств в предложенном способе дополнительно определяют вибрационную реакцию вибрирующего глаза как функцию осевой длины глаза, которую можно связать с объемом глаза и механическими свойствами глаза. Кроме того, определяют модуль упругости вибрирующего глаза как функцию толщины роговицы и содержания воды в роговице. Соответственно, в наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения ВГД определяют как функцию вибрационной реакции, механических свойств и геометрии глаза.

Более предпочтительно в предложенном способе дополнительно обеспечивают лазерный интерферометр для формирования измерительного луча и интерференционных картин из множества лучей, отраженных обратно в интерферометр; и определяют длину траектории между, по меньшей мере, двумя отраженными лучами для определения осевой длины глаза как его геометрического параметра. Осевую длину глаза можно использовать для определения параметров, характеризующих, по меньшей мере, объем глаза. Более конкретно, в предложенном способе определяют длину траектории между, по меньшей мере, двумя отраженными лучами для определения толщины роговицы как геометрического параметра глаза.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает структурную схему вибрационного датчика, возбуждающего глаз при постоянной амплитуде, в то время как динамометрический датчик измеряет величину и фазу силы, фиг. 2а и Ь иллюстрируют амплитуду и фазу силы, приложенной к глазу свиньи, при постоянной амплитуде и двух различных наведенных ВГД, в частности, фиг. 2а иллюстрирует глаз свиньи с низким внутриглазным давлением, фиг. 2Ь иллюстрирует глаз свиньи с высоким внутриглазным давлением, и фиг. 3 изображает структурную схему факультативного лазерного интерферометра для измерения осевой длины и толщины роговицы глаза.

- 2 007554

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1, согласно настоящему изобретению, предложен тонометр 10 для измерения внутриглазного давления (ВГД), который прикладывают к веку 11 и который не требует прямого контакта с глазным яблоком 12.

Механическая энергия, в данном случае вибрационная сила, передается в глазное яблоко через веко

11. Реакция глазного яблока 12 на механическую энергию связана с параметрами глазного яблока, в частности, с ВГД. При приложении силы вибрации для возбуждения глазного яблока измеряют результирующие колебания или вибрационную реакцию глазного яблока. Сила вибрации, прикладываемая к глазному яблоку 12, охватывает диапазон частот. Вибрационную реакцию обнаруживают как силовую обратную связь. При различном ВГД частота, при которой эта сила достигает минимума, сдвигается. Кроме того, в фазовой кривой имеется точка перегиба и фазовый пик, которые также сдвигаются в зависимости от ВГД.

На фиг. 1 изображен тонометр 10, выполненный согласно предпочтительному варианту изобретения. Вибратор 13 приводится в действие генератором 14 звуковой частоты. Генератором 14 управляет микропроцессор или компьютер 15 для формирования выходного сигнала с постоянной амплитудой в исследуемом диапазоне частот. Одновременно компьютер 15 получает величину вибрационной реакции из механически подключенного динамометрического датчика 16 для динамического определения вибрационного импеданса глаза, который используется для вычисления величин, характеризующих внутриглазное давление. Предпочтительно, динамометрический датчик 16 измеряет, по меньшей мере, одну из силовой реакции или фазовой реакции в глазном яблоке 12. Фазу вибратора и фазу обнаруженной силы можно сравнить.

При реализации способа вибрационную энергию передают в глазное яблоко 12 путем осторожного прижатия стержня 17, выступающего из вибратора 13, к веку 11. Частоту вибрации, заданную генератором 14, обеспечивают в исследуемом диапазоне частот, пока ось 17 удерживается в контакте с веком 11. Реакция века не является существенным фактором для определения реакции лежащего под ним глазного яблока 12.

Более предпочтительно, используется статичный датчик силы, будь то тот же самый динамический датчик силы 16 или отдельный датчик (не показан), для гарантирования, что используется адекватная сила для приложения вибратора к веку 11 и тем самым наводится адекватная вибрация в глазном яблоке 12.

Вибрация передается в глазное яблоко 12 через стержень или выступ 17 как известная синусоидальная сила, прикладываемая в диапазоне частот. Величина приложенной энергии в совокупности с расстоянием, пройденным выступом 17, связана с силовой реакцией в глазном яблоке 12. Движение выступа 17 прямо связано с движением глазного яблока 12. Движение глазного яблока 12 измеряют для получения силы и фазы относительно приложенной фазы или отставания по фазе для вычисления вибрационного импеданса.

Понятно, что подпружиненный выступ, приводимый в действие соленоидной катушкой, вызовет вибрацию в глазном яблоке 12 и позволит измерить вибрационные реакции в механически подключенном динамометрическом датчике.

Обычно вибратор или соленоид вызывает минимальное смещение роговицы, приблизительно на 1 мк. Диапазон исследуемых частот обычно составляет от около 10 до около 100 Гц.

Пример 1.

Как показано на фиг. 2а, предложенное устройство использовалось для измерения ВГД в глазном яблоке свиньи с низким ВГД. Кривая Ра показывает амплитуду силовой реакции в глазном яблоке после приложения вибрационного возбуждения с постоянной амплитудой в исследуемом диапазоне частот. Кривая Ра иллюстрирует соответствующую фазовую реакцию между генератором возбуждения и колебаниями силы, необходимыми для наведения вибрации в глазе.

Вибрационный импеданс характеризуется перегибом кривой Ра отставания по фазе, который соответствует минимальному перегибу кривой силы Ра.

Пример 2.

Как показано на фиг. 2Ь, предложенное устройство использовалось для измерения ВГД в глазном яблоке свиньи с высоким ВГД. Кривая РЬ иллюстрирует амплитуду силовой реакции в глазном яблоке после приложения вибрационного возбуждения с постоянной амплитудой в исследуемом диапазоне частот. Кривая РЬ иллюстрирует соответствующую фазовую реакцию между генератором возбуждения и колебаниями силы, необходимыми для наведения вибрации в глазе.

Сравнение примеров 1 и 2 показывает, что глаз, имеющий более высокое ВГД, имеет меньшее отставание по фазе, чем глаз, имеющий более низкое ВГД. Кроме того, при более высоким ВГД имеет сдвиг частоты в Гц, при котором точки перегиба выражены как в реакции фазы Р, так и в реакции силы Р. Иными словами, частоты (Гц), при которых амплитуда силы Р достигает минимума и при которой отставание по фазе Р достигает максимума, увеличивается с увеличением ВГД.

При предпочтительном использовании предложенного тонометра первое измерение ВГД с использованием величины вибрационного импеданса сравнивают с известным из уровня техники аналогичным измерением ВГД, полученным, например, с помощью аппланационного тонометра Гольдмана, и выпол

- 3 007554 ненным в то же самое время личным врачом данного пациента. Эти два измерения сравнивают для определения, по меньшей мере, одного калибровочного коэффициента, который определяет соотношение между этими измерениями и который индивидуален для каждого отдельного пациента. Тонометр на основе вибрационного импеданса калибруют, чтобы отразить это определенное соотношение и обеспечить многократные, точно вычисляемые измерения ВГД. После этого пациент сам выполняет калиброванные измерения и может сообщать своему врачу о результатах, выходящих за пределы, предварительно установленные врачом.

Факультативно одновременно с измерением импеданса можно использовать лазерный интерферометр для определения дополнительных свойств глаза с целью нормирования различий между глазами. Лазерный интерферометр способен измерять осевую длину глазного яблока, по которой определяют объем глаза. Кроме того, можно измерить толщину роговицы, по которой можно определить эластичность глазного яблока. Каждый глаз имеет различный объем и различные механические свойства, такие как эластичность, поэтому надо учитывать эти различия при вычислении ВГД. С этой целью используется лазерная интерферометрия, подобная описанной в патенте США № 6288784 (НИхспЬсгдсг с1 а1.), для точного измерения толщины роговицы. Патент США 628 87 84 включен в данное описание в полном объеме для сведения. Толщину роговицы связывают с ригидностью роговицы главным источником погрешности при контактной тонометрии. Осевая длина глаза связана с объемом глаза. Используя измеренные таким образом дополнительные свойства, нормируют вибрационную реакцию глаза осевой длиной и толщиной роговицы для получения более точного измерения ВГД.

Хотя действительное нормирование параметров глаза может быть определено численно, понятно, что лучшую величину ВГД можно определить как функцию некоторых основных переменных, таких как

Во - функция V, В1 и к1;

Е - функция Р, Н₂О, к2 и

ВГД - функция V, Е, В1к3, где Во - вибрационная реакция глаза,

V - объем глаза (осевая длина),

В1 - биомеханическая ригидность глаза,

Е - модуль упругости глаза,

Р - толщина роговицы,

Н2О - содержание воды в роговице (практически постоянное) и к1, к2 и к3 - константы.

Определение ВГД представляет собой многомерный анализ, который зависит от большого массива эмпирических данных. На практике результирующие взаимосвязи сложные, и эффекты различных параметров, влияющих на измерение давления ВГД, следует определять эмпирически и предпочтительно с использованием анализа методом конечных элементов. Специалистам будет понятно, что для получения этого решения можно использовать множество численных методов. Одним из подходов является использование нейронных сетей и статистических методов для установления этих взаимосвязей и подтверждения результатов анализа методом конечных элементов.

На фиг. 3 показано дополнительное устройство, предусмотренное для измерения осевой длины и толщины роговицы глазного яблока 12. Предпочтительно используется лазерный интерферометр 30. Лазерный световой луч 31 светит в глазное яблоко 12 и отражается от внутренней и внешней поверхностей 32, 33 роговицы и от задней стороны 34 глазного яблока 12, вызывая образование интерференционных картин. Интерферометр 30 измеряет эти картины и определяет длину траектории до внутренней и внешней поверхностей 32, 33 роговицы и до задней стороны 34 глазного яблока 12. Компьютер или микропроцессор 35 используется для управления интерферометром 30 и вычисления осевой длины и толщины роговицы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ для многократного определения внутриглазного давления в глазном яблоке пациента, в котором приводят средство для передачи механической энергии, обеспечивающее возможность формирования выходного сигнала переменной частоты по существу с постоянной амплитудой в контакт с веком для наведения вибрации по меньшей мере в части нижележащего глазного яблока, измеряют величины, характеризующие вибрационный импеданс в глазном яблоке, и вычисляют внутриглазное давление как функцию величин, характеризующих вибрационный импеданс, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют, по меньшей мере, однократное измерение внутриглазного давления пациента с использованием известной методики, и определяют соотношение между вычисленной величиной внутриглазного давления и дополнительно измеренной величиной внутриглазного давления для определения по меньшей мере одного калибровочного коэффициента и используют по меньшей мере один упомянутый калибровочный коэффициент для корректировки значения вычисленного внутриглазного давления при последующих определениях внутриглазного давления.
2. Способ по п.1, в котором вибрационной реакцией является по меньшей мере одна из силовой ре

- 4 007554 акции и фазовой реакции.
3. Способ по п.1 или 2, дополнительно содержащий этап приведения в контакт с веком соленоида, приводимого в действие генератором, управляемым микропроцессором таким образом, чтобы обеспечивать постоянную известную амплитуду в диапазоне частот вибрации.
4. Способ по п.3, в котором генератором является генератор звуковой частоты, управляемый микропроцессором.
5. Способ по п.2, в котором средством для измерения по меньшей мере одной из силовой реакции и фазовой реакции в глазном яблоке является динамометрический датчик.
6. Способ по п.5, в котором средством для передачи механической энергии является вибратор, при этом вибратор и динамометрический датчик связаны механически.
7. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап сравнения внутриглазного давления, вычисленного как функция вибрационного импеданса с соответствующим внутриглазным давлением, измеренным с использованием аппланационной тонометрии.
8. Способ по п.1, дополнительно содержащий определение, по меньшей мере, толщины роговицы для определения эластичности глаза для нормирования вычисленного внутриглазного давления.
9. Тонометр для осуществления способа по п.1, содержащий средство для передачи механической энергии, выполненное с возможностью формирования выходного сигнала переменной частоты по существу с постоянной амплитудой для наведения вибрации по меньшей мере в части глазного яблока при размещении его на веке, устройство для измерения величин, характеризующих вибрационный импеданс в глазном яблоке, средство для вычисления внутриглазного давления как функции величин, характеризующих вибрационный импеданс, и отличающийся тем, что он содержит средство для вычисления и хранения по меньшей мере одного калибровочного коэффициента, при этом средство для вычисления внутриглазного давления связано со средством вычисления и хранения по меньшей мере одного калибровочного коэффициента.
10. Тонометр по п.9, в котором средством для передачи механической энергии является вибратор.
11. Тонометр по п.10, в котором вибратором является соленоид, приводимый в действие генератором.
12. Тонометр по п.11, в котором генератором является генератор звуковой частоты, управляемый микропроцессором.
13. Тонометр по одному из пп.9-12, в котором вибрационной реакцией, измеряемой в глазном яблоке, является по меньшей мере одна из силовой реакции и реакции запаздывания по фазе.
14. Тонометр по одному из пп.9-13, в котором устройством для измерения вибрационной реакции в глазном яблоке является динамометрический датчик.
15. Тонометр по одному из пп.9-14, в котором средством для вычисления внутриглазного давления, как функции величин, характеризующих вибрационный импеданс, является микропроцессор.
16. Тонометр по одному из пп.9-15, дополнительно содержащий статический датчик силы для определения допустимой силы приложения тонометра к веку.
17. Тонометр по п.9, в котором средством для вычисления и хранения по меньшей мере одного калибровочного коэффициента является микропроцессор.
18. Тонометр с силовой обратной связью по п.9, в котором средством для вычисления внутриглазного давления как функции величин, характеризующих вибрационный импеданс, и средством для вычисления и хранения по меньшей мере одного калибровочного коэффициента является микропроцессор.