RU2115358C1

RU2115358C1 - Device for examining biomechanical properties of sclera and cornea

Info

Publication number: RU2115358C1
Application number: RU96114736A
Authority: RU
Inventors: Елена Наумовна Иомдина; Дмитрий Олегович Кораблев; Софья Борисовна Кузнецова; Виктор Иванович Пасечник; Владимир Алексеевич Копяк
Original assignee: Елена Наумовна Иомдина; Дмитрий Олегович Кораблев; Софья Борисовна Кузнецова; Виктор Иванович Пасечник; Владимир Алексеевич Копяк
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has plunger with contact end-piece directly engageable with eyeball membranes, pressure control unit and circuit for measuring plunger displacement. The pressure control unit has hydraulic drive mounted between the plunger and contact end-piece. The circuit for measuring plunger displacement has two induction transducers mounted for concurrently and independently measuring pressure and plunger displacement. Suspension units of plunger with pin and induction transducers have tongue springs. Computer system carries out data control, processing and representation. EFFECT: enhanced accuracy of diagnostic examination under in- and outdoor conditions. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в офтальмологии для определения биомеханических характеристик оболочек глаза - склеры и роговицы. The invention relates to medical equipment and can be used in ophthalmology to determine the biomechanical characteristics of the membranes of the eye - sclera and cornea.

Известно устройство для исследования склеры и роговицы глаза, содержащее плунжер, взаимодействующий торцом с оболочкой глаза, и механизм дозирования величины давления. Данное устройство снабжено контуром измерения перемещения плунжера, состоящим из чувствительного элемента в виде отражателя, жестко связанного с каркасом электромагнитной катушки и оптически установленного между светодиодом, связанным с генератором опорного напряжения, и фотодиодом, связанным с последовательно установленными усилителями фототока, амплитудным детектором, вторым аналого-цифровым преобразователем и регистратором перемещения плунжера. Кроме того, в контуре управления величиной давления постоянный магнит дополнен магнитопроводом, в зазоре которого размещена электромагнитная катушка, жестко связанная через каркас со штоком, при этом каркас установлен в подвесах с возможностью линейного перемещения (патент РФ N 2008788, A 61 B 3/00, Б.И. N 5, 1994). A device for researching the sclera and cornea of the eye is known, comprising a plunger interacting with the end of the eye membrane and a dosing mechanism for the pressure value. This device is equipped with a plunger displacement measuring circuit, consisting of a sensitive element in the form of a reflector rigidly connected to the frame of the electromagnetic coil and optically mounted between an LED connected to a reference voltage generator and a photodiode connected to series-installed photo current amplifiers, an amplitude detector, and a second analog digital converter and plunger displacement recorder. In addition, in the pressure control loop, the permanent magnet is supplemented by a magnetic circuit, in the gap of which there is an electromagnetic coil rigidly connected through the frame to the rod, while the frame is mounted in suspensions with the possibility of linear movement (RF patent N 2008788, A 61 B 3/00, B.I. N 5, 1994).

Данное устройство обладает некоторыми конструктивными недостатками, такими как использование оптических датчиков измерения перемещения, наличие большого числа аналоговых устройств, в том числе включающих узлы аналогового деления, что обуславливает увеличение внутреннего трения, влияющего на точность измерения. This device has some design flaws, such as the use of optical displacement sensors, the presence of a large number of analog devices, including those that include analog division units, which leads to an increase in internal friction, which affects the measurement accuracy.

Целью изобретения является повышение точности, информативности и расширение функциональных возможностей исследования за счет уменьшения внутреннего трения, а также получения непрерывной зависимости "напряжение-деформация" в циклическом режиме нагружения. The aim of the invention is to increase the accuracy, information content and expand the functionality of the study by reducing internal friction, as well as obtaining a continuous relationship "stress-strain" in a cyclic loading mode.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для исследования биохимических свойств склеральной и роговой оболочек глаза, содержащее механизм дозирования величины давления, снабженный плунжером с контактным наконечником, установленным с возможностью взаимодействия с оболочками глаза, и контур измерения перемещения плунжера, отличается тем, что механизм дозирования величины давления снабжен гидроприводом, установленным между плунжером и контактным наконечником, контур измерения перемещения плунжера снабжен двумя индукционными датчиками, установленными с возможностью одновременного и независимого измерения величины давления и перемещения плунжера, при этом подвески плунжера со штоком и индукционных датчиков выполнены на лепестковых пружинах, и все устройство соединено с компьютерной системой управления, обработки и представления данных. This goal is achieved in that a device for studying the biochemical properties of the scleral and horny membranes of the eye, containing a dosing mechanism for the pressure value, equipped with a plunger with a contact tip mounted to interact with the eye membranes, and a contour for measuring the movement of the plunger, characterized in that the dosing mechanism of the magnitude pressure is equipped with a hydraulic actuator installed between the plunger and the contact tip, the measuring circuit of the movement of the plunger is equipped with two induction and sensors mounted with the possibility of simultaneous and independent measurement of the pressure and movement of the plunger, the plunger with the suspension rod and inductive sensors are made on the flap springs, and the entire device is connected to a computer control system, processing and presentation.

На фиг. 1-4 изображены функциональные блоки и разрез данного устройства. In FIG. 1-4 depict functional blocks and a section of this device.

Устройство содержит следующие функциональные блоки: механизм дозирования величины давления (блок управления системой нагружения 1), контур измерения перемещения плунжера (измерительный блок 2), блок первичного преобразования и оцифровки данных 3 и ЭВМ 4 (фиг. 1). The device contains the following functional blocks: a mechanism for dispensing a pressure value (control unit of the loading system 1), a contour for measuring the movement of the plunger (measuring unit 2), a unit for primary conversion and digitization of data 3 and computer 4 (Fig. 1).

Блок управления системой нагружения 1 состоит из гидропривода (снижающего величину внутреннего трения в системе нагружения), включающего сильфон 23, соединенный шлангом 12 с сильфоном 11. Избыточное давление в сильфоне 23 создается двигателем 24 через винтовую передачу 25. Управление двигателем 24 осуществляется ЭВМ 4. Скорость и направление вращения двигателя 24 передаются через интерфейс 22 сохраняются в ячейке памяти 26, содержимое которой считывается цифроаналоговым преобразователем 27 и, поступая на усилитель 28, задает соответствующее напряжение на электродвигателе 24 (фиг. 4). The control unit of the loading system 1 consists of a hydraulic actuator (which reduces the amount of internal friction in the loading system), including a bellows 23 connected by a hose 12 to a bellows 11. Overpressure in the bellows 23 is created by the engine 24 through a helical gear 25. The engine 24 is controlled by a computer 4. Speed and the rotation direction of the motor 24 is transmitted through the interface 22 are stored in the memory cell 26, the contents of which are read by the digital-to-analog Converter 27 and, entering the amplifier 28, sets the corresponding voltage on the electric motor 24 (Fig. 4).

Измерительный блок 2 включает следующие основные элементы: шток 5, на котором укреплен контактный наконечник 6, системы лепестковых упругих элементов 8, реализующих подвеску (крепление) площадки 9, и два индукционных датчика 13 и 14. На площадке 9 на лепестковых пружинах 10, снижающих внутреннее трение измерительной системы, подвешен шток 5. Перемещение штока 5 осуществляется посредством сильфона 11, соединенного шлангом 12 с блоком управления системой нагружения 1. Измерение величины нагружения (давления) и перемещения плунжера (т. е. штока 5 с контактным наконечником 6) осуществляются индукционными датчиками 13 и 14. Датчик 13, подвешенный на лепестковых пружинах между штоком 5 и корпусом блока 2, регистрирует абсолютное перемещение штока 5. Независимо от этого, датчик 14, подвешенный на лепестковых пружинах между штоком 5 и площадкой 9, одновременно регистрирует относительное перемещение штока 5, т.е. смещение относительно площадки 9, характеризующее величину давления плунжера (фиг. 2). Датчики 13 и 14 построены на индукционном принципе и состоят из ферромагнитного сердечника 15 и индукционной катушки 16 (фиг. 3). Выводы катушек 16 индукционных датчиков 13 и 14 соединены с блоком первичного преобразования и оцифровки данных 3 проводами 7. The measuring unit 2 includes the following main elements: a rod 5 on which the contact tip 6 is mounted, a system of flap elastic elements 8 that realize the suspension (mount) of the pad 9, and two induction sensors 13 and 14. On the pad 9 on the flap springs 10, which reduce the internal friction of the measuring system, the rod 5 is suspended. The rod 5 is moved by means of a bellows 11 connected by a hose 12 to the control unit of the loading system 1. Measurement of the load (pressure) and displacement of the plunger (i.e., rod 5 with The tip 6) is carried out by induction sensors 13 and 14. The sensor 13, suspended on the leaf springs between the stem 5 and the body of the unit 2, detects the absolute movement of the rod 5. Regardless, the sensor 14, suspended on the leaf springs between the rod 5 and the platform 9, simultaneously registers the relative displacement of the rod 5, i.e. the offset relative to the platform 9, characterizing the magnitude of the pressure of the plunger (Fig. 2). The sensors 13 and 14 are built on an induction principle and consist of a ferromagnetic core 15 and an induction coil 16 (Fig. 3). The findings of the coils 16 of the induction sensors 13 and 14 are connected to the unit for primary conversion and digitization of data 3 wires 7.

Блок первичного преобразования и оцифровки данных 3 содержит частотомер 17, входы которого соединены с выводами индукционных катушек 16 датчиков 13, 14. Выбор оцифровываемого канала осуществляется с помощью мультиплексора 19, на управляющие входы которого подается тактовая частота с тактового генератора 20. Оцифрованные частоты сохраняются в ячейке памяти 18, откуда при подаче на мультиплексор 21 номера полубайта данных могут быть считаны ЭВМ 4 через интерфейс параллельного порта 22 (фиг. 4). The block for primary conversion and digitization of data 3 contains a frequency meter 17, the inputs of which are connected to the terminals of the induction coils 16 of the sensors 13, 14. The digitized channel is selected using a multiplexer 19, to the control inputs of which the clock frequency from the clock generator 20. The digitized frequencies are stored in the cell memory 18, whence when applying to the multiplexer 21 the numbers of a nibble of data can be read by a computer 4 through the interface of the parallel port 22 (Fig. 4).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При запуске управляющей программы на ЭВМ 4 устройство инициализируется. Затем по команде оператора "начало измерения" ЭВМ 4 через интерфейс 22, блоки 26, 27, 28 задает скорость и направление вращения двигателя 24. Двигатель 24 создает избыточное давление в сильфоне 23, которое через шланг 12 передается в сильфон 11, который в свою очередь приводит в движение площадку 9 и, через лепестковые пружины 10, шток 5. Момент касания контактным наконечником 6 исследуемого участка глазного яблока отслеживается ЭВМ 4 по показаниям датчика 14. Начиная с момента касания, ЭВМ 4 выполняет исследование по заранее определенной программе, учитывающей заданные оператором параметры (длительность воздействия, максимальные величины и скорости усилия и перемещения, количество циклов нагружения). When you run the control program on the computer 4, the device is initialized. Then, at the operator’s command, the "start of measurement" of the computer 4 through the interface 22, blocks 26, 27, 28 sets the speed and direction of rotation of the engine 24. The engine 24 creates excess pressure in the bellows 23, which through the hose 12 is transmitted to the bellows 11, which in turn drives the platform 9 and, through the leaf springs 10, the stem 5. The moment of contact with the contact tip 6 of the investigated area of the eyeball is monitored by the computer 4 according to the readings of the sensor 14. Starting from the moment of touching, the computer 4 carries out the study according to a predetermined program, taking into account which sets the parameters specified by the operator (exposure duration, maximum values and speeds of effort and displacement, the number of loading cycles).

Одновременно и независимо полученная с датчиков 13, 14 информация о величине нагружения и перемещении плунжера подается на вход частотомера 17, где она оцифровывается, снабжается битом признака (усилие - перемещение), а затем передается в ячейку памяти 18, откуда информация может быть считана через интерфейс 22 ЭВМ 4. В процессе воздействия ЭВМ контролирует допустимость показаний датчиков усилия и перемещения, а также отслеживает выход за границу допустимых значений. At the same time and independently received from the sensors 13, 14, information about the loading and displacement of the plunger is fed to the input of the frequency meter 17, where it is digitized, supplied with a sign bit (force - displacement), and then transmitted to memory cell 18, from where information can be read out via the interface 22 computers 4. In the process of exposure, the computer monitors the validity of the readings of the force and displacement sensors, and also monitors the permissible values going abroad.

Полученный независимо друг от друга в ходе исследования массив значений нагружения (усилий) и перемещений (деформаций) обрабатывается ЭВМ 4: производится фильтрация выбросов, перевод значений в реальные физические величины, нормировка кривых и затем вычисление значений. В результате оказывается возможным получить (в циклическом режиме) непрерывные зависимости деформации исследуемого участка оболочки глаза от приложенного усилия, что и отображается в виде кривых на экране дисплея (фиг. 5, 6). The array of values of loading (forces) and displacements (deformations) obtained independently from each other during the study is processed by computer 4: outliers are filtered, the values are converted to real physical quantities, the curves are normalized, and then the values are calculated. As a result, it is possible to obtain (in a cyclic mode) continuous dependences of the deformation of the studied portion of the eye shell on the applied force, which is displayed in the form of curves on the display screen (Fig. 5, 6).

Использование предложенного устройства дает возможность оценить биомеханический статус роговой и склеральной оболочек глаза, определить абсолютные значения различных биомеханических параметров (коэффициентов упругости, показателей остаточной деформации и др.) и их зависимость от условий нагружения, что может оказать помощь в диагностике, в том числе и ранней, ряда глазных заболеваний. Using the proposed device makes it possible to evaluate the biomechanical status of the cornea and scleral membranes of the eye, to determine the absolute values of various biomechanical parameters (elasticity coefficients, indicators of permanent deformation, etc.) and their dependence on loading conditions, which can assist in the diagnosis, including early , a number of eye diseases.

С помощью предложенного устройства было обследовано 42 глаза лиц в возрасте 7 - 45 лет с различной клинической рефракцией. Исследовались биомеханические свойства роговой и склеральной оболочек глаза. Using the proposed device was examined 42 eyes of individuals aged 7 to 45 years with various clinical refraction. The biomechanical properties of the cornea and scleral membranes of the eye were studied.

Пример 1. Испытуемый И., 15 лет, рефракция эмметропическая, без офтальмопатологии. Для исследования склеральной оболочки OS использован контактный наконечник круглой формы диаметром 2.5 мм. Режим измерения: максимальная нагрузка 7.5 Г, скорость нагружения 0.5 Г/с, количество циклов нагружения - 2. Получены две петлеобразные кривые зависимости смещения участка склеры от приложенного усилия (фиг. 5). Example 1. Subject I., 15 years old, emmetropic refraction, without ophthalmopathology. To study the scleral membrane of the OS, a round contact tip with a diameter of 2.5 mm was used. Measurement mode: maximum load 7.5 G, loading speed 0.5 G / s, number of loading cycles - 2. Two loop-shaped curves of the dependence of the displacement of the sclera site on the applied force were obtained (Fig. 5).

Максимальная деформация при максимальной нагрузке в 7.4 Г составила 0.6 мм; модуль упругости 1.1 Г/мм; среднее смещение второй петли относительно первой (показатель остаточной деформации) составило 0.04 мм. The maximum deformation at maximum load of 7.4 G was 0.6 mm; elastic modulus 1.1 G / mm; the average displacement of the second loop relative to the first (index of permanent deformation) was 0.04 mm.

Пример 2. Испытуемый Р., 12 лет миопия высокой степени, OU -7.0 дптр. прогрессирующее течение (годичный градиент прогрессирования 1.0 дптр.). Для исследования склеральной оболочки OS использован контактный наконечник круглой диаметром 2.5 мм. Режим измерения: максимальная нагрузка 7.5 Г, скорость нагружения 0.5 Г/с, количество циклов нагружения - 2. Получены две петлеобразные кривые зависимости смещения участка склеры от приложенного усилия (фиг. 6). Example 2. Subject R., 12 years old, high myopia, OU -7.0 diopters. progressive course (annual gradient of progression 1.0 diopters). To study the scleral membrane OS, a contact tip with a round diameter of 2.5 mm was used. Measurement mode: maximum load 7.5 G, loading speed 0.5 G / s, number of loading cycles - 2. Two loop-shaped curves of the dependence of the displacement of the sclera site on the applied force were obtained (Fig. 6).

Максимальная деформация при максимальной нагрузке в 7.4 Г составила 1.7 мм; модуль упругости 0.57 Г/мм; среднее смещение второй петли относительно первой (показатель остаточной деформации) составило 0.2 мм. The maximum deformation at maximum load of 7.4 G was 1.7 mm; modulus of elasticity 0.57 G / mm; the average displacement of the second loop relative to the first (index of permanent deformation) was 0.2 mm.

Анализ приведенных примеров показывает, что использованное устройство дает возможность оценить различие в биомеханическом статусе нормальной (пример 1) и патологически измененной (пример 2) склеральной оболочки глаза. Так, у испытуемого с прогрессирующей миопией высокой степени увеличена по сравнению с нормой деформационная способность склеры, снижен ее модуль упругости и увеличен показатель остаточной деформации, что свидетельствует о существенном нарушении биомеханического статуса склеральной оболочки глаза. The analysis of the above examples shows that the device used makes it possible to assess the difference in the biomechanical status of the normal (example 1) and pathologically altered (example 2) scleral membrane of the eye. So, in a test subject with progressive myopia, the scleral deformation ability is increased compared with the norm, its modulus of elasticity is reduced, and the rate of residual deformation is increased, which indicates a significant violation of the biomechanical status of the scleral membrane of the eye.

Получаемые с помощью данного устройства биомеханические показатели могут служить объективным критерием для решения вопроса о целесообразности укрепления склеры, а также для выбора метода склероукрепляющего лечения. Obtained with the help of this device biomechanical indicators can serve as an objective criterion for solving the issue of the feasibility of strengthening sclera, as well as for choosing a method of sclero-strengthening treatment.

Устройство может быть использовано в условиях поликлиники при офтальмологическом обследовании детей и взрослых с целью диагностики прогрессирующей миопии и прогнозирования ее течения, а также других заболеваний, связанных с нарушением биохимического состояния склеральной и роговой оболочек глаза. The device can be used in a polyclinic for an ophthalmological examination of children and adults with the aim of diagnosing progressive myopia and predicting its course, as well as other diseases associated with a violation of the biochemical state of the scleral and horny membranes of the eye.

Claims

A device for studying the biomechanical properties of the scleral and horny membranes of the eye, containing a pressure dosing mechanism equipped with a plunger with a contact tip mounted to interact with the eye membranes, a plunger displacement measuring circuit, characterized in that the pressure magnitude dosing mechanism is equipped with a hydraulic actuator installed between the plunger and a contact tip, the plunger displacement measuring circuit is equipped with two induction sensors installed with the possibility of NOSTA simultaneous and independent measurement of the pressure and movement of the plunger, the plunger with the suspension rod and inductive sensors are made on the flap springs, the apparatus is connected to a computer control system, processing and presentation.