一種測量眼內(nèi)壓和角膜粘彈性的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種能同時測量眼內(nèi)壓和評估角膜生物力學特性的系統(tǒng)，包括：一具有開口的殼體，殼體的開口側(cè)設(shè)置柔性薄膜，殼體與柔性薄膜形成一容置腔，容置腔內(nèi)充滿流體；殼體側(cè)壁設(shè)置有壓力模塊，壓力模塊用于監(jiān)測流體壓力并調(diào)整容置腔內(nèi)壓力；殼體頂部設(shè)有超聲模塊。本發(fā)明提出一種可在體、無創(chuàng)地測量眼內(nèi)壓并評估角膜力學特性的方法和系統(tǒng)，有效地改善眼內(nèi)壓測量的準確性和可靠性，并提供描述角膜力學特性的指標，反映角膜力學特性的個體差異，為臨床診斷和治療提供參考，并克服角膜的力學特性的異常影響眼內(nèi)壓的測量，以及眼內(nèi)壓的差異影響角膜生物力學的定量評估。
【專利說明】一種測量眼內(nèi)壓和角膜粘彈性的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種測量眼內(nèi)壓和角膜粘彈性的系統(tǒng)和 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 角膜是眼球前部的圓形透明結(jié)構(gòu)，其不僅與鞏膜共同維持眼球形狀保護眼內(nèi)組 織，而且是眼球屈光系統(tǒng)的重要組成部分；角膜的形狀和焦距影響全眼70%的屈光能力。 正常的生物力學特性，如彈性模量和粘性系數(shù)等，是維持角膜功能的保證。然而，角膜的生 物力學特性會因為角膜屈光手術(shù)、某些病變（如圓錐角膜、角膜硬化癥）或外傷而改變。力 學特性的異常將會增加接受角膜屈光手術(shù)的風險，也可能導致眼內(nèi)壓測量的偏差。
[0003] 眼內(nèi)壓是診斷青光眼的重要指標，而Goldmann壓平眼壓計作為眼內(nèi)壓測量的金 標準，在臨床上廣泛使用。然而"正常眼壓性青光眼"和"正常高眼壓"卻對青光眼的早期 診斷造成極大的困擾。最新研究表明：角膜厚度和生物力學特性的異常是顯著影響眼壓的 測量結(jié)果的重要原因，屈光手術(shù)后Goldmann壓平眼壓的測量值顯著降低，其原因是角膜厚 度變薄及彈性下降。臨床還發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者會因血糖濃度升高而導致角膜變硬，其眼內(nèi)壓 容易被高估。眼內(nèi)壓的測量須兼顧角膜的厚度和力學特性，得到臨床醫(yī)生的廣泛認同。
[0004] 目前臨床上測量眼壓的儀器中Goldmann壓平眼壓計作為眼內(nèi)壓測量的金標準， 此外，采用空氣脈沖對角膜施壓的非接觸式眼壓計也在臨床上廣泛使用。而測量角膜力學 特性的方法，還處在研究階段，目前尚未有測量角膜力學特性的系統(tǒng)進入臨床應(yīng)用。
[0005] ORA (Ocular Response Analyzer)是一種新型的非接觸眼壓計，由美國紐約 Reichert公司生產(chǎn)。ORA運用快速空氣脈沖對角膜施壓，角膜在向內(nèi)變形和恢復(fù)的過程中 經(jīng)歷兩次壓平狀態(tài)，光電探測系統(tǒng)檢測整個過程中角膜的變形過程，并在內(nèi)外兩次壓平過 程中產(chǎn)生兩個獨立的眼壓值Pl和P2,并將Pl與P2的差定義為角膜遲滯（CH)，從一個側(cè)面 來表征角膜的生物力學特性，并可校正角膜特性對眼壓測量結(jié)果的影響。
[0006] 上述ORA是第一個在眼壓測量中引入角膜的力學參數(shù)測量并據(jù)此修正眼壓測量 結(jié)果的技術(shù)方案。然而上述技術(shù)也存在一些缺點：首先、ORA定義了角膜遲滯（CH)參數(shù)， 從一個側(cè)面描述角膜的力學特性，但是與經(jīng)典生物力學參數(shù)之間的關(guān)系難以確定，因而不 利于準確和全面地描述角膜的力學特性；其次、測量造成角膜較大的位移，大于角膜的厚度 (Imm)，引發(fā)角膜對應(yīng)力的非線性響應(yīng)，不能真實反映生理狀況下角膜的生物力學特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種測量眼內(nèi)壓和角膜粘彈性的系統(tǒng)和方法。 旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中角膜的力學特性差異與眼內(nèi)壓差異在角膜測量中的誤差。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，包括：一具 有開口的殼體，所述殼體的開口側(cè)設(shè)置柔性薄膜，所述殼體與柔性薄膜形成一容置腔，所述 容置腔內(nèi)充滿流體；所述殼體側(cè)壁設(shè)置有壓力模塊，所述壓力模塊用于監(jiān)測所述流體壓力 并調(diào)整所述容置腔內(nèi)壓力，所述殼體頂部設(shè)有超聲模塊，所述超聲模塊用于發(fā)射聲輻射力 激勵角膜振動并跟蹤角膜的振動；所述系統(tǒng)根據(jù)不同外部壓力的作用下角膜受迫振動的幅 度和波形特征，估計眼內(nèi)壓，并同時評估角膜的生物力學特性。
[0009] 優(yōu)選地，所述超聲模塊包括主控機、發(fā)射電路、接收電路、超聲探頭和信號采集與 處理模塊；所述主控機分別通過發(fā)射/接收控制開關(guān)，連接發(fā)射電路和接收電路，控制超聲 探頭上各陣元發(fā)射或者接收超聲脈沖；所述超聲探頭下半部置于所述流體內(nèi)；
[0010] 探頭含多個陣元，其中一部分陣元用于發(fā)射聲輻射力，激勵組織的振動，另有若干 陣元用于發(fā)射超聲脈沖，并接收回波信號，從而檢測組織的振動信息；
[0011] 其中，所述主控機發(fā)射控制信號，令超聲探頭中負責激勵的陣元發(fā)射超聲脈沖聚 焦在角膜上，使角膜振動；令負責檢測的陣元，發(fā)射檢測脈沖，并收集回波通過接收電路發(fā) 送到信號采集與處理模塊中進行處理，最終計算出獲取角膜的彈性模量和粘性系數(shù)。
[0012] 優(yōu)選地，所述壓力模塊包括一導管，設(shè)置在所述導管內(nèi)壁的壓力傳感器、設(shè)置在所 述導管一端的壓力監(jiān)測單元及流體控制單元，所述導管另一端與所述殼體的側(cè)壁相連；所 述壓力監(jiān)測單元用于監(jiān)測所述容置腔內(nèi)的流體壓力，所述流體控制單元用于調(diào)整所述容置 腔內(nèi)的流體壓力。優(yōu)選地，所述流體具有超聲耦合作用。
[0013] 本發(fā)明的另一技術(shù)方案還提供一種測量眼內(nèi)壓和角膜粘彈性的方法，包括步驟：
[0014] S1、所述容置腔內(nèi)充滿流體；
[0015] S2、所述容置腔內(nèi)的流體壓力可調(diào)節(jié)，使容置腔內(nèi)壓力按照一定的壓力階梯逐步 升高或者降低，并根據(jù)流體的深度和密度參數(shù)，相對應(yīng)地計算出角膜表面所承受的外部壓 強；
[0016] S3、當流體壓力穩(wěn)定在一個階梯上，使眼球表面承受一定的外部壓強，所述超聲探 頭發(fā)射聲輻射激勵角膜產(chǎn)生振動，同時檢測激勵點或激勵點附近一點上的振動；
[0017] S4、改變流體的壓力，重復(fù)步驟S3,獲得不同壓強下的振動波形；
[0018] S5、所述振動波形振幅最大時所對應(yīng)的眼球外部壓強即為眼內(nèi)壓IOP ;
[0019] S6、提取所述振動波形的上升時間、下降時間、振幅特征，并根據(jù)一定的數(shù)學模型， 獲取角膜的彈性模量或粘性系數(shù)。
[0020] 優(yōu)選地，所述逐步升高為階梯狀上升，并在每個壓力上保持一定時間至流體穩(wěn)定。
[0021] 優(yōu)選地，所述外部壓強的壓強值在IOmmHg -3OmmHg0
[0022] 本發(fā)明的有益效果包括：可同時測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性，全面刻畫角膜 的力學特性以及眼內(nèi)壓，避免測量眼內(nèi)壓與評估角膜的力學特性采用不同的系統(tǒng)，從而克 服角膜的力學特性的異常影響眼內(nèi)壓的測量，以及眼內(nèi)壓的差異影響角膜生物力學的定量 評估；同時，所述系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低等優(yōu)點，其可以形成一個獨立的設(shè) 備，簡單便攜，也可以作為一個附加功能模塊，加載在現(xiàn)有的彩超系統(tǒng)上使用，市場推廣前 景較佳。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的方法的示意圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明方法的跨膜壓變化的曲線圖。

【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0027] 本發(fā)明提供一種同時測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性，全面刻畫角膜的力學特性 以及眼內(nèi)壓的方案。
[0028] 如圖1所示，一種測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，包括：一具有開口的殼 體，柔性薄膜，流體，超聲模塊，壓力模塊。
[0029] 柔性薄膜設(shè)置在上述殼體的開口側(cè)，上述殼體與柔性薄膜形成一容置腔，流體充 滿上述容置腔；超聲模塊設(shè)置在殼體的頂部，壓力模塊設(shè)置在殼體的側(cè)壁。
[0030] 其中，壓力模塊用于監(jiān)測上述流體壓力并調(diào)整上述容置腔內(nèi)壓力，超聲模塊用于 發(fā)射聲輻射力激勵角膜振動并跟蹤角膜的振動；根據(jù)不同外部壓力的作用下角膜受迫振動 的幅度和波形特征，估計眼內(nèi)壓（IOP)，并同時評估角膜的生物力學特性，其中，生物力學特 性包括彈性模量和粘性系數(shù)。。
[0031] 本發(fā)明技術(shù)方案可同時測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性，全面刻畫角膜的力學特 性以及眼內(nèi)壓，避免測量眼內(nèi)壓與評估角膜的力學特性采用不同的系統(tǒng)，從而克服角膜的 力學特性的異常影響眼內(nèi)壓的測量，以及眼內(nèi)壓的差異影響角膜生物力學的定量評估。
[0032] 使用中，上述殼體的開口朝下，即殼體的底部置于柔性薄膜的上方，柔性薄膜與人 眼接觸。
[0033] 上述超聲模塊包括主控機、發(fā)射電路、接收電路、超聲探頭；上述主控機分別通過 發(fā)射/接收控制開關(guān)，連接發(fā)射電路和接收電路，控制超聲探頭上各陣元發(fā)射或者接收超 聲脈沖；上述超聲探頭設(shè)置在殼體內(nèi)且置于流體內(nèi)，探頭朝向開口方向設(shè)置，其他部分可以 設(shè)置在殼體內(nèi)也可以設(shè)置在殼體外；
[0034] 探頭含多個陣元，其中一部分陣元用于發(fā)射聲輻射力，激勵組織的振動，另有若干 陣元用于發(fā)射超聲脈沖，并接收回波信號，從而檢測組織的振動信息；
[0035] 其中，上述主控機發(fā)射控制信號，令超聲探頭中負責激勵的陣元發(fā)射超聲脈沖聚 焦在角膜上，使角膜振動；令負責檢測的陣元，發(fā)射檢測脈沖，并收集回波通過接收電路發(fā) 送到信號處理模塊中進行處理，最終計算出獲取角膜的彈性模量和粘性系數(shù)。
[0036] 本發(fā)明的一實施中，壓力模塊包括一導管，設(shè)置在導管內(nèi)壁的壓力傳感器、設(shè)置在 導管一端的壓力監(jiān)測單元及流體控制單元，導管另一端與殼體的側(cè)壁相連；壓力監(jiān)測單元 用于監(jiān)測容置腔內(nèi)的流體壓力，流體控制單元用于調(diào)整容置腔內(nèi)的流體壓力。
[0037] 其中，流體為有超聲耦合作用的流體。
[0038] 如圖2所示，一種測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性方法，包括步驟：
[0039] S1、所述容置腔內(nèi)充滿流體；
[0040] S2、所述容置腔內(nèi)的流體壓力可調(diào)節(jié)，使容置腔內(nèi)壓力按照一定的壓力階梯逐步 升高或者降低，并根據(jù)流體的深度和密度參數(shù)，相對應(yīng)地計算出角膜表面所承受的外部壓 強；
[0041] S3、當流體壓力穩(wěn)定在一個階梯上，使眼球表面承受一定的外部壓強，壓強值一般 在IOmmHg - 30mmHg，所述超聲探頭發(fā)射聲輻射激勵角膜產(chǎn)生振動，同時檢測激勵點或激勵 點附近一點上的振動；
[0042] S4、改變流體的壓力，重復(fù)步驟S3,獲得不同壓強下的振動波形；
[0043] S5、所述振動波形振幅最大時所對應(yīng)的眼球外部壓強即為眼內(nèi)壓IOP ;
[0044] S6、提取所述振動波形的上升時間、下降時間、振幅特征，并根據(jù)一定的數(shù)學模型， 獲取角膜的彈性模量或粘性系數(shù)。
[0045] 上述逐步升高為階梯狀上升，并在每個壓力上保持一定時間至流體穩(wěn)定。
[0046] 具體地：
[0047] 首先，確定眼內(nèi)壓（IOP)的值，眼內(nèi)壓的值等于振動幅度最大時所對應(yīng)的容置腔 內(nèi)的流體壓力，記做P in;
[0048] 其次，計算當容置腔內(nèi)的壓力Pwt改變時跨膜壓Pt和振動波形的振幅。其中，跨膜 壓P t數(shù)值上等于Pwt-Pin，振動波形的振幅記做A，如圖3所示，得到振幅A隨跨膜壓變化的 曲線，。
[0049] 再次，已知角膜的厚度，眼球的直徑，根據(jù)已建立的數(shù)學模型，估計角膜的彈性模 量；
[0050] 最后，從振動波形上計算時間常數(shù)，根據(jù)已建立的數(shù)學模型，估計角膜的粘性系 數(shù)。
[0051] 上述數(shù)學模型，具體如下：
[0052] 設(shè)角膜的半徑為r，角膜壁的厚度為h，則角膜周向的特性模量E可表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，其特征在于，包括：一具有開口的殼 體，所述殼體的開口側(cè)設(shè)置柔性薄膜，所述殼體與柔性薄膜形成一容置腔，所述容置腔內(nèi)充 滿流體；所述殼體側(cè)壁設(shè)置有壓力模塊，所述壓力模塊用于監(jiān)測所述流體壓力并調(diào)整所述 容置腔內(nèi)壓力，所述殼體頂部設(shè)有超聲模塊，所述超聲模塊用于發(fā)射聲輻射力激勵角膜振 動并跟蹤角膜的振動；所述系統(tǒng)根據(jù)不同外部壓力的作用下角膜受迫振動的幅度和波形特 征，估計眼內(nèi)壓，并同時評估角膜的生物力學特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，其特征在于，所述 超聲模塊包括主控機、發(fā)射電路、接收電路、超聲探頭和信號采集與處理模塊；所述主控機 分別通過發(fā)射/接收控制開關(guān)，連接發(fā)射電路和接收電路，控制超聲探頭上各陣元發(fā)射或 者接收超聲脈沖；所述超聲探頭下半部置于所述流體內(nèi)； 探頭含多個陣元，其中一部分陣元用于發(fā)射聲輻射力，激勵組織的振動，另有若干陣元 用于發(fā)射超聲脈沖，并接收回波信號，從而檢測組織的振動信息； 其中，所述主控機發(fā)射控制信號，令超聲探頭中負責激勵的陣元發(fā)射超聲脈沖聚焦在 角膜上，使角膜振動；令負責檢測的陣元，發(fā)射檢測脈沖，并收集回波通過接收電路發(fā)送到 信號采集與處理模塊中進行處理，最終計算出獲取角膜的彈性模量和粘性系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，其特征在于，所述 壓力模塊包括一導管，設(shè)置在所述導管內(nèi)壁的壓力傳感器、設(shè)置在所述導管一端的壓力監(jiān) 測單元及流體控制單元，所述導管另一端與所述殼體的側(cè)壁相連；所述壓力監(jiān)測單元用于 監(jiān)測所述容置腔內(nèi)的流體壓力，所述流體控制單元用于調(diào)整所述容置腔內(nèi)的流體壓力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，其特征在于，所述 流體具有超聲耦合作用。
5. -種測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的方法，利用權(quán)利要求1 一 4中任意一項所述 的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的系統(tǒng)，其特征在于，包括步驟： 51、 所述容置腔內(nèi)充滿流體； 52、 所述容置腔內(nèi)的流體壓力可調(diào)節(jié)，使容置腔內(nèi)壓力按照一定的壓力階梯逐步升高 或者降低，并根據(jù)流體的深度和密度參數(shù)，相對應(yīng)地計算出角膜表面所承受的外部壓強； 53、 當流體壓力穩(wěn)定在一個階梯上，使眼球表面承受一定的外部壓強，所述超聲探頭發(fā) 射聲輻射激勵角膜產(chǎn)生振動，同時檢測激勵點或激勵點附近一點上的振動； 54、 改變流體的壓力，重復(fù)步驟S3,獲得不同壓強下的振動波形； 55、 所述振動波形振幅最大時所對應(yīng)的眼球外部壓強即為眼內(nèi)壓IOP ; 56、 提取所述振動波形的上升時間、下降時間、振幅特征，并根據(jù)一定的數(shù)學模型，獲取 角膜的彈性模量或粘性系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的方法，其特征在于，所述 逐步升高為階梯狀上升，并在每個壓力上保持一定時間至流體穩(wěn)定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量眼內(nèi)壓和評估角膜力學特性的方法，其特征在于，所述 外部壓強的壓強值在lOmmHg -30mmHg〇
【文檔編號】A61B8/10GK104367347SQ201410209785
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】張新宇, 尹尹, 劉福龍, 陳昕, 鄭翊, 梁平, 汪天富, 陳思平 申請人:深圳大學