（生物医学工程专业论文）一种新的眼压和角膜厚度测量仪.pdf

东南丈学硕l 论文 a b s t r a c t b o t ht h ei n t r a o c a l a rp r e s s u r ea n dt h ec o r n e a lt h i c k n e s sa r es i g n i f i c a n tp a r a m e t e r s o fo p h t h a l m i cd i a g n o s i s t h ec h a n g eo ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r em a yc a u s em a n y o p h t h a l m i cd i s e a s e s t h e 砻a u c o m a , w h i c hc a nc a u s eah i g h e s tr a t eo fb l i n d n e s s ，i s c a u s e db yr e a s o no ft h eh i g h e ro ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r eo rt h el o w e ro ft h e i n t r a o c u l a rp r e s s u r e i nt h er e c e n to p h t h a l m i co p e r a t i o n ，t h ep r e c i s i o no ft h ec o r n e a t h i c k n e s si sa sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r , w h i l et h ec o r n e at h i c k n e s si sa l s oa ni m p o r t a n t o b j e c t i v eg u i d e l i n eo fe v a l u a t i n gt h ef u n c t i o no ft h ec o r n e ae n d o d e r m i sc e l l i nr e c e n t y e a r s ，t h eo p h t h a l m i cr e s e a r c h e r sh a v ef o u n dar e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o r n e a t h i c k n e s sa n dt h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r e ：t h ee v e r yl o u mc h a n g eo ft h ec a ) m e nt h i c k n e s s w i l lc a u s et h ec h a n g eo ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r ef r o m0 1 9 m m h h gt o0 7 m m h g s o w ec a nm o d i f yt h em e a s u r e di n t r a o c u l a rp r e s s u r eb yc o r n e at h i c k n e s st og e tt h er e a l i n t r a o c u l a rp r e s s u r e t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h em e a s u r e m e n to ft h ei n t r a o c u l a r p r e s s u r ea n dc o r n e at h i c k n e s s a tt h em e a s u r e m e n to ft h ec o r n e at h i c k n e s s ，f i r s to fa l l ， w ec o m p a r es o m ec o m m o nm e t h o do ft h ec o r n e at h i c k n e s sm e a s u r e m e n t ；s e c o n dw e p a r t i c u l a r l yd e s c r i b et h ep r i n c i p l eo fo u ri n s t r u m e n t sc o r n e at h i c k n e s sm e a s u r e m e n t w i t ht h ep u l s e e c h oo fu l t r a s o u n da n dt h em e a s u r e m e n tc i r c u i t a tt h ei n t r a o c u l a r p r e s s u r em e a s u r e m e n t ，f i r s to fa l l ，w ed e s i g nt h ec i r c u i tt og e tt h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r e c u r v ef o l l o w i n gf r o mt h ep r i n c i p l eo ft h ee l w i nm a r g ea n dr s t u a r tm a c k e y s i n t r a o c u l a rp r e s s u r em e a s u r e m e n t ；s e c o n dw ed e s i g nt h ea r i t h m e t i ct of i n dt h er e l a t i v e v a l u eo ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r ef r o mt h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r ec u r v e t h e nw em o d i f y t h er e l a t i v ev a l u eo ft h ei n t r a o c u l a r p r e s s u r e o fo u ri n s t r u m e n tw i t hg o l d m a n t o n o m e t e r st og e tt h em e a s u r e dv a l u eo ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r e l a s tw em o d i f yt h e m e a s u r e dv a l u eo ft h ei n t r a o c u l a rp r e s s u r et h r o u g ht h ec o r n e at h i c k n e s st og e tt h er e a l v a l u eo ft h ei n t r a o c a l a rp r e s s u r e t h ei n s t r u m e n ti n t e g r a t e st h eu l t r a s o n i cs e n s o rw i t ht h ep r e s s u r es e n s o r t h e 东南大学硬l ：论文 h a r d w a r ei sb a s e do rs t c 8 9 l e 5 2 r cs i n g l e c h i p , t h es y s t e ma d o p t sc m o si n t e g r a t e d c i r c u i t sa n ds m te l e m e n t s t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e db ys i n g l e c h i pcl a n g u a g e ， w h i c hh a sag o o dt r a n s p l a n ta n dr e a d a b i l i t y b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r em o d u l a r s t r u c t u r e ，s ot h a t i ti sc o n v e n i e n tf o rb o t ht h ef u n c t i o nu p d a t ea n da p p a r a t u s m a i n t e n a n c e 。 t h i si n s t r u m e n tc a nm e a s u r et h ec o r n e a lt h i c k n e s sa n di n t r a o c u l a rp r e s s u r e s i m u l t a n e o u s l y a n dh a ss u c h p r o p e r t i e s ：s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e r a n dh i g l l i n t e l l e c t u a l i z e d k e yw o r d s ：p a c h y m e t r y t o n o m e t r y u l t r a s o n i cp u l s e - e c h o s i n g l e c h i p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：墨壁日期：趁2 ：垒：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：善噬导师签名 夯咩“ 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 人眼结构简介 第一章绪论 人的眼睛近似球形，位于眼眶内，如图1 i 。正常成年人其前后径平均为2 4 m m ， 垂直径平均2 3 r a m 。最前端突出于眼眶外1 2 1 4 t a r a ，受眼睑保护。眼球包括眼球 壁、眼内腔和内容物、神经、血管等组织。 图1 1 人眼眼球示意图 眼球壁主要分为外、中、内三层。 外层由角膜、巩膜组成。前1 6 为透明的角膜，俗称“黑眼珠”，其余5 6 为 白色的巩膜，俗称“眼白”。眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作用。角 膜是人眼接受信息的最前哨入口，位于眼球前部，无色透明，光线经此射入眼球。 角膜稍呈椭圆形，略向前突，其横径为1 1 5 1 2 m m ，垂直径约1 0 5 m m l l m m 。 周边厚约l m m ，中央为0 5 m m 0 6 r a m1 1 】，屈光力为4 2 d 左右。角膜组织分5 层： 东南人学硕上论文 上皮层、前弹力层、基质层、后弹力层、内皮细胞层。 人的眼球可以近似认为是一个相对封闭的弹性球体，眼球内的液体维持眼内 压。真诈的眼压是指活体眼球内部的压力，这个压力难以直接测量。 1 1 2 角膜厚度的临床意义乜1 屈光不正是人类最常见和最普遍的眼病。据统计，全球近视发生率为2 2 ， 远视病人数量和近视相近。我国的近视发生率为3 1 ，其中中学生为5 5 ，大学 生为7 6 ，是近视眼发病率最高的国家之一。远视的发病率为6 。角膜测厚正 是为适应屈光性手术而发展起来的。目前，角膜测厚仪最主要用于角膜屈光手术 即角膜放射状切开术( r k ) 、准分子激光屈光性角膜切削术( p r k ) 、准分子激光角 膜原位磨镶术( l a s i k ) 的术前检查和术后疗效评价。 角膜放射状切开术，是最早被普遍接受的一种近视手术。手术方式是在角膜 上做4 1 6 刀放射状切割，以改变角膜的屈度，不过，中央部份相当于瞳孔大小 的地方，则保留不切；当切开后，角膜中央就会变得平坦，屈光度相对的减低， 就能够达到矫正近视的目的。准分子激光屈光性角膜切削术利用准分子激光，照 在角膜中央约6 m m 直径范围内，能够非常准确地把角膜表层切去一部份，以改变 角膜的弧度，达到矫正度数的功能。至于削切的厚度依近祝度数而定，激光的施 放完全由电脑控制，因此p r k 手术的准确度相当高。准分子激光角膜原位磨镶术， 是最新的一种近视手术，手术方法是先利用角膜削切刀做一片角膜瓣，再从角膜 瓣下面做激光削切，然后再盖回角膜瓣即完成。试用一个比喻，角膜如同一本书， 角膜内的纤维组织就是书中的内页，在治疗过程中，书本的外皮被掀开，取走书 本数页，然后再放回外皮，完成之后，书本完全恢复正常。由于手术的精确度佳， 恢复最快，疼痛最少，故已成为目前激光手术的主流。 对r k ，充分了解角膜厚度，特别是各部位的厚度，对手术时切口深度的掌 握至关重要：切口深度不足，造成矫正不足；切口过深则有穿孔的可能。对p r k ， 术前测量，指导手术切削深度，术后定期测量，指导用药，避免角膜上皮过度增 殖，以致角膜厚度过度增加而造成屈光回退。对l a s i k ，特别是高度近视眼患者， 精确测量角膜厚度，对选择手术方式，确定切削深度，防止继发性圆锥角膜，具 有重要意义。 2 第一章绪论 此外，角膜厚度还是角膜细胞机能的客观指标。角膜的内皮就好比一个水泵 和屏障，他通过调节进入角膜的水和其他溶质的数量，来保持角膜的厚度和透明。 如果角膜的上皮层或者内皮细胞层发生移动或其生物活性降低，就会引起角膜肿 胀。研究表明，不同个体角膜厚度存在差异。这种差异一般认为是由于角膜基质 胶原蛋白纤维及纤维问物质的数量不同。因此，对于一个健康角膜，厚 度值反映了其组织结构和生物力学特性。而对于一个病变的角膜，引起角膜变厚 的唯一原因就是角膜水合作用的失调。因此，角膜厚度不仅在生理学、药理学上 有着重要意义，而且对临床诊断、流行病学和病理学同样重要。 1 1 3 眼压的临床意义 眼压是房水、晶状体和玻璃体三种眼球内容物作用于眼球内壁的压力。正常 人群的眼压范围为1 4 7 2 8 0 k p a ( 即等于1 1 2 1 m m h g ) 1 3 】。它可维持眼球的j 下常近 球形的稳定形状，使眼球各个屈光介质界面与视网膜间保持恒定的、精确距离， 获得良好的屈光状态。同时眼压也是房水循环的动力源泉，使房水得以完成营养 眼内组织的重要生理功能。正常眼压不仅反映在眼压的绝对值上，还有双眼对称， 昼夜压力相对稳定等特点。眼压是某些疾病( 如青光眼等) 的重要诊断依据和观 察病情、评价疗效、估测预后等几个方面的重要指标之一。 青光眼是指眼内压力或间断或持续升高的一种眼病。眼内压力升高可因其病 因的不同而有各种不同的症状表现。持续的高眼压可给眼球各部分组织和视功能 带来损害，造成视力下降和视野缩小。如不及时治疗，视野可全部丧失甚至失明。 青光眼是目前国内外首要致盲眼病之一，在我国发病率为0 2 1 1 6 4 。致盲率为 1 0 2 0 。目前还发现不仅眼压升高会引发青光眼( 眼压过高性青光眼) ，而且眼压 过低( 眼压过低性青光眼) 或是正常( f l l 抠i e 常性青光眼) 也会引发青光眼。 青光眼所致的视功能损害是不可逆的，即使经过治疗也不可能使已经尚失的 视野或视力恢复，但治疗可以使其不再继续恶化，所以对青光眼早期发现、早期 治疗就显得非常重要。 东南人学硕上论文 1 1 4 眼压和角膜厚度的关系5 m m 儿町 角膜厚度对眼压的影响早在2 0 世纪五六十年代就有报道，1 9 5 7 年g o l d m a n 也讨论过角膜厚度对眼压测量值的影响，但是由于当时的条件，他认为正常人的 角膜厚度平均值为5 2 0 u r n ，且差异极小，可以忽略。但是随后出现了很多病例， 其角膜厚度很厚，用眼压计测量的眼压值很高，但是通过前房插管直接测量法得 到的眼压却很是正常，这些病例就提示了眼压与临床表现不相符的现象，测量眼 压的时候必须要考虑角膜厚度的影响。 e h l e r s 等发现压平眼压值和压力测量法所得到的实际眼压之间的差异可以通 过角膜厚度线性校正。当角膜厚度为健康人群的平均值时，所测量得到的压平眼 压值与实际的眼压值之间的差异在临床上可以忽略，但是角膜厚度较薄时，眼压 测量值会降低，而当角膜厚度较厚时，眼压测量值会增加，眼压计测量得到的眼 压可以通过以下公式校验得到真实的眼压值： 眼压校正值历蛔) = ( 平均角膜厚度( u m ) - - 5 7 8 ( u m ) ) ( 5 7 0 ) 其中数字5 7 8 是该研究得到的健康人群的平均角膜厚度。 随后，h e m d o n 等发现，角膜厚度与眼压计测量得到的值并不一定成完全的 线性变化，其研究发现，眼压计测量得到的眼压值随角膜厚度的变化如表1 1 所 刁i ： 表1 1 h e m d o n 对照表 h e r n d o n 对照表 角膜 4 0 54 2 5 4 4 5 4 6 5 4 8 5 5 0 5 5 2 5 5 4 55 6 5 5 8 5 6 0 56 2 5 6 4 5 6 6 5 6 8 5 厚度 眼压 校l e 7654 3210 12 345_ 6 - 7 参数 正常人的平均角膜厚度为5 4 5 u m 根据h e m d o n 对照表，可以将眼压计测量得到的眼压值加上角膜厚度对应的 眼压校正参数。同时医生还可以根据自己的经验对该表进行修正。 1 9 9 7 年r o t t e r d a m 等研究发现，正常眼睛的角膜厚度每增加l o u m ，眼压的真 第一章绪论 实值在测量值的基础上增加0 1 9 m m h g 。而国内研究得出的校正值为角膜厚度每变 化2 3 2 7 u m ，眼压测量值变化l m m h g 。 由此可见，不同研究得出的具体换算值不同，目前尚无统一标准，它可能因 受试人群、测量方法等因素而异。纵观以上研究结果，正常人群平均角膜厚度值 根据经验可设定为5 5 0 u r n 。角膜厚度每偏离正常人群平均值1 0 u r n ，压平眼压计测 得的眼压值大约偏离真实值0 5 m m h g 。 1 2 角膜厚度测量的方法概述邮1 1 在目前开展的角膜屈光手术( r k ) 、准分子激光屈光性角膜切削术( p r k ) 、准 分子激光角膜原位磨镶术( l a s i k ) 等眼科手术中，角膜厚度的精度己成为一项重要 参数。同时角膜厚度还是评价角膜内皮细胞机能的重要客观指标之一。 眼角膜厚度的测量方法有：光学测量法( o p t i c a lp a c h y m e t r y ) 、超声测量法 ( u l t r a - s o n i cp a c h y m e t r y ) ) 3 乏用光学相干断层扫描仪( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ， o c t ) 、超声生物显微镜( u l t r a - s o n i cb i o m i c r o s c o p y ，u b m ) 、接触式或非接触式角 膜内皮镜( c o n t a c to rn o n - c o n t a c ts p e c u l a rm i c r o s c o p y ) 和o r b s c a ni i 眼前节分析诊断 系统等仪器测量。但每种方法各有其优缺点。 1 、光学测量法：采用h a a g - s t r e i t 裂隙灯显微镜所附的角膜厚度测量仪进行 测量。可由测量仪上方的刻度尺直接读出角膜厚度的毫米数。该测量法简便，但 角膜中心难以准确定位，误差较大。 2 ，超声测量法：准确、简便，被认为优于光学法而得到广泛应用。但超声 法亦有其局限性，因角膜中央薄周边厚，准确性受探头放置部位及超声束是否准 确垂直于角膜表面的影响。在重复测量过程中，让病人长时间睁眼凝视较困难， 因而探头的位置可能移动导致每次测量值之间的误差：若超声束未垂直角膜表面， 会致读数偏高。此外，超声的确切反射点定义不明确，且对角膜的压平力会推开 角膜前泪膜及压薄上皮而干扰前反射界面。 3 、超声生物显微镜( u b m ) 测量法：u b m 是一种利用超高频率( 5 0 i o o m h z ) 超声对眼部组织结构进行成像的新方法，其特点是成像清晰，分辨率高。而常规 眼科用超声探头频率都是1 0 m h z ，它对眼前节结构显示的清晰程度较u b m 差。 东南大学硕十论文 u b m 的分辨率为2 0 6 0 u m 。u r b a k ( 1 9 9 9 ) l e 较了光学法与u b m 法测量角膜厚度 值，两种方法之间存在系统误差，尚不能确定究竟何种方法测得的角膜厚度值更 接近真实值，但光学法测得的角膜厚度明显较厚( 5 5 7 + _ 5 ) u m ，u b m 法测得的角膜 厚度较薄( 5 3 3 + _ 5 ) u m ，这可能因为光学法测得的角膜厚度值包含了泪膜的厚度，而 u b m 法没有；且u b m 法未包含d e s c e m e t s 层和内皮细胞层的厚度。 4 、光学相干断层扫描仪( o c t ) 测量法：o c t 是一种经计算机处理的对眼 球结构进行成像的新的光学诊断技术，具有非侵入性、非接触性、可监控及重复 性好的特点。o c t 是超声的光学模拟品，图像对比依据于眼内组织的光学而不是 声学反射的差异，该法不受上述超声因素影响。由于o c t 与超声法成像的原理根 本不同，前者用光，后者用声波，即o c t 通过各种组织对光的反射、吸收及散射 能力的不同，能够达到清晰分辨组织结构的目的，因此在组织的定量测量方面， 用o c t 准确性明显优于用超声测量法，其分辨率可达l o u m 。b e c h m a n n 等( 2 0 0 0 ) 用o c t 测得人眼角膜厚度值为6 3 0 _ + 3 2 ) u m 。 5 、接触式和非接触式角膜内皮镜测量法：角膜内皮镜是一类较先进且简 单实用的仪器。它是利用光在角膜内皮面及上皮面这两个界面的反射进行两界面 间距离的测量，即角膜厚度的测量，但在角膜有瘢痕及严重水肿时，因光的反射 歪曲，而致测量值不可靠。有研究认为在角膜屈光度和中央厚度不同时，接触式 和非接触式角膜内皮镜对角膜内皮细胞密度的测量值及精确度相似。测量角膜厚 度时，可通过仪器内病人固视光点来确定角膜中央位置，从而排除了超声测厚法 探头摆放位置导致的偏差。b o v e l l e 等( 1 9 9 9 ) 比较非接触式角膜内皮镜和超声测厚 仪测量角膜厚度，前者测得的角膜厚度均值明显低于后者( 3 2 u r n ) ，但两者都能较 好的检出角膜厚度的异常，两位研究者使用内皮镜测得的角膜厚度值比使用超声 装置更为一致，可能由于超声法探头放置位置导致偏差，而使用内皮镜测量法在 不同操作者之间较为一致。 6 、o r b s c a ni i 眼前节分析诊断系统测量法：该仪器为一体式多功能眼前节 分析诊断系统，对角膜形态( 角膜的前、后表面) 及角膜厚度的分析，是目前较先 进、功能较全面，最具有i 临床参考价值的角膜形态检查分析系统。它采用光学裂 隙扫描装置，对被检眼角膜进行摄像扫描，可以精确地测量出整个角膜的厚度。 标准的超声角膜厚度仪一般来说只能测量角膜中央和中周部4 5 个位置的厚度 6 第一章绪论 值，而o r b s c a n i i 系统使用5 0 0 0 个数据点来显示整个角膜的厚度图。它一次检测 就可获得全角膜的厚度值，而且不需与角膜接触。此外，根据临床的需要，还可 应用其系统软件来设置角膜中央和周边的标准位置，同时可应用视标迅速获得任 何点的角膜厚度。y a y l a l i 等( 1 9 9 7 ) 的结果显示，o r b s c a n 系统测得的角膜厚度较超 声法测量值大2 3 2 8 u m ，考虑与o r b s e a l l 系统所测得的角膜厚度还包括覆盖角 膜表面的一层7 4 0 u m 厚的泪膜有关。刘祖国等( 2 0 0 1 ) 采用此法测量4 6 眼正常眼 角膜最薄处为( 5 5 0 + ：3 3 0 ) u m ，平均距视轴( 9 0 0 + _ 5 1 0 ) u m 处。 7 、p e n t a c a m 眼前节测量及分析系统法：p e n t a c a m 眼前节测量及分析系统 是德国o c u l u s 公司生产的世界上第一种应用旋转s c h e i m f l u g 摄像机，通过旋转摄 像，获取眼前节多重图像，产生眼前节三维立体图，计算角膜上所有位点厚度， 精确性为5 u r n ，以彩色图象显示，定位角膜最薄点，且可手动显示角膜上任意 一点的厚度。p e n t a c a m 能测量角膜2 5 0 0 0 个点，对于复杂角膜、薄角膜及角膜边 缘测量可获得准确的结果。角膜地形图引导的准分子激光角膜切削常常不在角膜 的中心或周边，而在二者之间，而这一中间区域超声测厚定位和测量常欠准确， 用p e n t a c a m 则定位准确，可重复性好。r e f e r 等应用p e n t a c a m 测量高加索人正常 角膜中央厚度和距离角膜中央3 r a m 区0 0 、9 0 0 、1 8 0 。和2 7 0 0 角膜厚度，平均角膜 中央厚度为5 3 4 3 6 u m ，角膜最薄点在角膜颞侧和下侧，角膜最厚点在角膜上方 和鼻侧。r u f e r 等认为p e n t a c a m 中央测量的方式不同于其他的测厚方法，获得的 标准值仅对将来用p e n t a c a m 测厚提供比较依据。 1 3 眼压测量的方法概述n 2 m 3 1 眼压测量是诊断和治疗青光眼不可缺少的检查手段。检查方法有2 种，一种 是指测法，一种是眼压计测量法。 1 、指测法：患者自然向下注视，检查者中指和无名指固定于前额部作支撑， 示指尖置于一眼的上睑略偏上方，两手示指交替通过眼睑按压巩膜以估计眼压的 高低，检查时应双眼对比，必要时与正常眼比较。结果记录：正常t n ，稍高t + i ， 中度偏高t 4 2 ，极高t + 3 ，稍低t - 1 ，中度降低t - 2 ，极低1 - 3 。 2 、眼压计测量法 东南丈学硕l 论文 ( 1 ) g o l d m a n 眼压计：g o l d m a n 眼压计是现在国际上用于测量眼压的“金标 准”，它是利用测压头压平角膜来进行i 日j 接的眼内压测量。测量时需将g o l d m a n 眼压计附装在裂隙灯显微镜上，用显微镜观察，患者取坐位进行测量。因其在测 量时仅使角膜压平而不下陷，所以不受球壁硬度的影响，但是近来的研究发现， 角膜厚度会影响其测量值。 ( 2 ) p e r k i n s 眼压计：该眼压计为手持式压平眼压计，其构造原理与g o l d m a n n 压 平眼压计相同，所测眼压不受眼壁硬度影响，所测眼压的数值也与g o l d m a n n 压平眼 压计所测结果相同，只是测量范围不能超过5 0 m m h g 。该眼压计克服了g o l d m a n n 眼 压计的一些缺陷，可用于坐位，也可用于卧位，并且携带方便。 ( 3 ) t o n o p e n 眼压计：它是一种新型手持式压平眼压计，其设计原理与g o l d m a n n 眼压计不同，它是通过压力探头压平人眼角膜，从而动态的获取人眼眼压曲线，再从 曲线上获得眼压。其体积小，重量轻，电池供能，携带方便，应用范围广泛。不 仅可用于临床，也可用于动物实验。 ( 4 ) p a s c a l 眼压计：该眼压计设计原理认为，眼压是根据心脏的搏动而在发生变 化的，该眼压计成功的获取了根据心脏搏动而发生变化的眼压曲线，并根据此曲线得 到眼压值。该眼压计认为可能比g o l d m a n n 眼压计更精确。 圆s c h i o t z 眼压计：测量时，嘱患者举左手，伸出食指作为注视点，使角膜恰在水 平正中位。检查者右手持眼压计，左手拇指及食指分开上下眼喻固定于眶缘上，不可 使眼球受压。将眼压计底板垂直放在角膜中央，先用5 5 9 砝码，读指针刻度，如读数 小于3 ，则需更换更重的砝码再量。由刻度读数查表得出眼压的实际数字。它是一种 压陷式眼压计，其刻度的多少取决于眼压计压针压迫角膜向下凹陷的程度，所以测出 的数值受到球壁硬度的影响。 非接触眼压计：其原理是利用可控的空气脉冲，其压力具有线性增加的特性， 使角膜压平到一定的面积，通过监测系统感受角膜表面反射的光线，并记录角膜压平 到某种程度的时问，将其换算为眼压值。优点是避免了眼压计接触角膜所致的交叉感 染，可用于角膜表面麻醉剂过敏的患者。缺点是不够准确。 仍d i a t o n 眼压计：该眼压计不需要接触角膜，仅通过接触眼睑就可以获取眼压值。 根据眼压测量公式：p f s - m a s 俨为眼压，f 为施加于眼球上的力，m 为压 力传动杆的质量，a 为压力传动杆的加速度，s 为压力传动杆与眼球的接触面积1 ， 8 第一章绪论 由于m 、s 是一定的，可以通过测量压力传动杆的加速度a 来得到眼压p 。 1 4 论文的主要内容 本仪器综合了超声波眼角膜厚度和眼压测量的各自特点，设计了可同时进行 角膜厚度和眼压测量，并根据角膜厚度对眼压的测量进行校正的新型眼科仪器。 探头设计时，采用了在超声波传感器中央打孔，然后将压力传动杆放黄其中，以 实现角膜厚度与眼压的同时测量并互不影响；硬件以8 0 c 5 1 系列单片机为核心， 提供实时的数据采集与控制功能；软件则采用单片机c 语言编写，程序可读性好， 移植容易，管理方便。论文中对相关内容做了详细阐述。各章节的内容简介如下： 第一章，论文的研究对象和意义以及目前国内外的研究现状。 第二章，论述超声测量角膜厚度及眼压测量的原理。 第三章，详细介绍硬件系统设计，系统地阐述了硬件的总体结构和每个电路 模块的作用、器件的选型及功能简介、实现电路图。 第四章，详细介绍软件系统设计，对系统的主流程以及每个功能模块的算法 和流程做详细说明。 第五章，仪器的实验结果及分析。 9 东南大学硕_ 论文 第二章角膜厚度和眼压的测量原理 2 1 角膜厚度测量原理 2 1 1 超声波传感器的工作原理1 叭删 超声波传感器是实现声电转换的装置，它既能发射超声波又能接收发射出去 的超声波的回波，并能转换为电信号。超声波传感器根据其工作原理可以分为压 电式、磁致伸缩式、电磁式等。在实际使用中，以压电式探头最为常见。 仪器利用超声波测量角膜厚度，选用单晶片超声波传感器，其内部结构如图 2 1 所示，其主要由压电晶片、保护层、超声延时、外壳和接线组成。压电晶片多 采用发、收两用p z t 系列压电复合材料，晶片两面被银以引线接入激励电压，靠 近体表的接地。超声延时是在超声波探头前端附加一层介质，使超声探头在超声 波的发射与接收之问增加一定的时间间隔，方便信号的区分与检测。 压电晶片 引线 图2 1 超声波传感器基本结构 超声波传感器是利用压电元件的压电效应，将高频电振动转换为高频机械振 动，从而产生超声波，并利用正压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。 如图2 2 所示，当外力对面积为爿的压电晶片作用产生应力一，则在两极表 n 面产生正比与口的电荷q ，此时有兰t d 盯，其中d 为压电常数，由材料种类及压 月 电晶片的方位、应力的种类决定。当弹性纵波沿电场方向和晶片厚度方向传播时， 在压电片的厚度“等于弹性波的半波长( ，2 ) 时，弹性波变成以晶片的表面为波幅 点，以晶片厚度中心为节的驻波，从而压电晶片产生机械共振。若以声速为p ， 1 0 第一二章角膜厚度和跟压的测量原理 则共振频率，由以下公式给出 厂去庄 式中p 。为压电晶片的密度，e 为弹性模量。当输入的超声波频率与此共振的频 率大致相同时，可有效地将超声波的机械能转换为电能。 ffl llj 图2 2 压电式超声波传感器的原理 2 1 2 超声波测厚的方法n 7 m 8 町 4 - 超声波的频率较高，指向性好，在均匀介质中的声速是一样的，当它在介质 中传播遇到另一种介质时将产生反射作用。所以超声波脉冲自被测材料发出到接 收地面反射脉冲的间隔时间将正比于材料厚度，将这个时间转化为厚度值表示， 即是被测材料的厚度。这就是超声波测厚的基本原理 超声波测厚的方法主要有脉冲回波法、共振法和干涉法三种。共振法和干涉 法测厚测量精度较高，但对元件表面光洁度要求较高，脉冲回波法测厚虽然测量 精度不高，但对元件的表面光洁度要求不高，可测表面略粗糙的材料，而且电路 设计简单容易实现。 ( 1 ) 共振法测厚 共振法测厚是用频率不断变化的连续超声波去激发被测元件的基本频率，由 于各种元件的厚度不同，其基本频率也不一样，用连续的频率不断变化的超声波 就有可能与各种厚度元件的各种基本频率发生共振。这种共振情况不仅发生在基 东南大学硕_ 1 论文 频处，而且还发生在倍频处。凼此，兀件的厚度与超声坡的频军有直援的关系， 利用这种关系，从共振处的基本频率就能得知元件的厚度。如图2 3 所示，当频 率调节到 时，在被测元件中形成波长为 。的甩个波的驻波，一万c 一篆( 其 中c 表示声速，d 表示元件厚度) ，当再改变频率至五+ - 时，在元件中再次建立共 振状态，其间有波长为，的州个波的驻波，厶。丢；警这样，相 邻两次共振问的频率差ll + t 一 i 三2 d ，在已知声速的情况下，即可得到被测 元件的厚度大小。 箨蠢鎏 图2 3 共振法测厚被测元件内的驻波 ( 2 ) 干涉法测厚 当一束频率可调的超声通过耦合液体入射试件时，一部分在试件上表面反射， 一部分透入试件后在下表面反射。如果试件厚度d 正好是超声波半波长奇数倍而 发生共振时，那么试件上下两表面的信号就有z 的相位差而相互干涉抵消，这时 接收到的反射信号的频谱中会出现强烈显著下降的谷点，谷点处的频率正反比于 ， 试件的厚度f 一导。这样，测出谷点处的矗，利用试件已知的声速c ，就可以确 口 定试件的厚度d 。 ( 3 ) 脉冲回波法测厚 第二章角膜厚度和眼压的测量原理 如图2 4 所示，用超声波探头向被测元件发出超声波脉冲，此超声波脉冲便 可以在被测元件内传播，传播至被测元件的底面时发出反射波，反射回来的超声 波被超声波探头接收。这样，从超声波探头发出超声波脉冲到超声波探头接收到 反射脉冲所用的时间t 可通过电路精确地检测出来，在t 时间内超声波在被测元 件内完成一个往返。如果被测元件的厚度用的d 表示，那么超声波的总行程为豺。 ，1 j 由于超声波在某元件内传播的速度c 是常数，那么被测元件的厚度d 。兰。 超声波探头 被测元件 图2 4 脉冲回波法测厚示意图 2 1 3 超声波测量角膜厚度的方法“们 角膜厚度采用超声波脉冲回波法测量，测厚过程如图2 5 所示。首先由电路 产生高压脉冲，激励超声换能器转换成同频率的超声波脉冲。超声波由探头通过 耦合剂传播至眼角膜表面，在眼角膜的外壁和内壁产生反射，得到两次回波，计 算出两次回波脉冲的时间间隔z ，便得到眼角膜的厚度d ： d c t 生 2 2 f 式中，为计数脉冲频率，h 为计数值，c 为超声波在服角膜内的传播速度。 时间间隔r 的测量方法：在两个回波出现时分别产生一个计数触发脉冲，第 一个脉冲用来启动计数器计数，第二个脉冲用来关闭计数器。记录下在这个时间 段内的计数脉冲个数厅，则时间间隔丁导。该计数器采用的计数脉冲频率应尽 ， 可能的大，这样计数脉冲的时间日j 隔才会尽量小，测量误差才会小。 1 3 东南大学颂l 二论文 瞳角虞酌黉 拔j 浚 融 i 孽浚 笈黼冲 秘蔫噍发l s 冲 i ； ； s b i 1 1门 l 计辫撼冲 2 2 眼压测量原理 图2 5 脉冲反射法测厚原理 2 2 1 半导体压力传感器的工作原理“5 m 羽 道声浚秉 日甓角荔酯旨壁 压力传感器是工业实践中最常用的一种传感器，其种类繁多，可分为电阻应 变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传 感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用 最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线 性度。在我们的仪器中选用扩散型硅压阻式压力传感器来测量眼压，下面主要介 1 4 第一二章角膜厚度和眼压的测量原理 绍其工作原理。 半导体硅的电阻率会因外力的作用而发生显著变化，此即压阻效应。该变化 具有如下关系 ( r ) = f ( s r a ) 盯一m ( p ) 其中a r 为电阻的变化值，z 为压阻系数，口为作用于硅片上的应力，p 为 作用于硅片上的压强。 由此可知，可以通过电压的变化，反映压强的大小，且电阻的变化和压力的 变化之问具有良好的线性关系。 该压力传感器是由四个力敏电阻按惠斯通电桥连接组成的( 如图2 6 ) 。其中 蜀和恐为固定电阻，风为力敏电阻，风为可调电阻。当压力为零时，在理想的情 况下，电桥的输出av = 0 ；当压力作用时，电桥的输出 a v 。i a r 。y 竺 r 式中，、y 为电桥的供电电流和电压，r 为电桥单臂电阻值，a r 为单臂电阻随压 力的变化量，利用此原理即可对压力实现测量。 图2 6 惠斯通电桥原理图 2 2 2 压平眼压计的基本原理 可以把眼球看作一个在一定压力下充满液体的均匀球体。如果眼球壁足够薄， 当在其表面施加一个小的力量时，球体仅用其内部的力量反压。这一原理首先由 l m b e t 独自作出了与眼球相关的论述。几年后，f i c k 也就这一原理作了论述，并 被称为i m b e t f i c k 定律。这一定律指出，充满液体的球体内压可以通过测量压平 球体表面所需要的力量来确定。压平眼压计即是根据这一定律设计的。在压平眼 压计测量中，利用一平的小测压头加压于角膜，从所加压力与角膜之间的接触面 东南大学硕t ：论文 积来推测眼内压，并作了以下几方面简化假设： ( 1 ) 角膜无限薄且具有弹性，其本身对角膜变平无抵抗力； ( 2 ) 吸附于测压头的泪膜表面力忽略不计； ( 3 ) 压平角膜引起的眼球容积变化和眼压增高值非常小，可以忽略； ( 4 ) 巩膜、角膜和角膜缘的弹性大约一致。 压平眼压计可分为两类，一类是测量压平恒定面积的角膜所需压力，称为变 力压平眼压计；另一类是测量某个恒定外力所压平的角膜面积，成为恒力压平眼压 计。变力压平眼压计种类较多，包括g o l d m a n 压平眼压计、p e r k i n s 压平眼压计、 t o n o p e n 笔式眼压计、气动眼压计和非接触式眼压计等：恒力眼压计如m a k l a k o f f 压平眼压计，使用较少。每种眼压计的压平范围是不同的，g o l d m a n 压平眼压计 压平直径为3 0 6 r a m ，t o n o - p e n 笔式压平眼压计为1 0 2 r a m ，虽然非接触性眼压计是 在角膜压平的一瞬间记录眼压，但压平的精确范围尚不清楚。 2 2 3m a c k a y - m a r g 眼压计胁凇1 1 9 6 0 年，美国加利福尼皿大学e l w i nm a r g 和r s t u a l 玎m a c k a y 博士 设计出了一种新型的眼压计，其设计原理如图2 7 所示。图中的压力探头为一表 面光滑的圆平面，其直径为1 0 r a m 。当该平面慢慢的接触到角膜，并直至探头表 面完全压平角膜，并将该变化过程通过传感器记录下来并且放大显示到示波器上 观测，将会出现如图2 8 所示的眼压变化典型曲线。 e y 图2 7 压力测量原理 1 6 第一二章角膜厚度和眼乐的测量原理 图2 8 眼压曲线 该压力曲线上显示，当探头接触眼球后，会很快出现一个压力的峰值，但随 后很快又掉入一个压力的波谷值，当施加的压力更大后，压力曲线又会上升到一 个最大值；当移开探头后，压力曲线又会先掉入一个波谷值，并很快又回复到一 个波峰，最后降到无加压时的状态，这样就形成了一个很对称的变化过程。该曲 线的变化过程中出现的第一个波峰是反映角膜的硬度和刚性，而第一个波谷反映 的是眼球的内压即眼压。 2 2 4 眼压测量的原理圳埘”1 眼压测量是根据m a c k a y m a r g 眼压计的原理设计的。其设计如图2 9 所示。 压力传感器 l 图2 9 压力测量原理图 设计时，探头与眼球的接触的球面直径为1 1 m m ，眼压的变化过程通过压力 传感器的惠斯通电桥差分输出，然后经差分放大器将原始信号放大，由a d 采样 1 7 东南大学硕l ：论文 传入单片机处理以得到眼压。仪器选用n o v as e n s o rp 1 3 0 0 压力传感器，其线性输 出范围为1 5 k p a 7 5 k p a ，根据公式： p p 舻 其中p 为水银密度1 3 6 l o a k g m 3 ，g 为重力加速度，h 为对应的眼压值( 单位 为, n m l - l g ) ；由此可得其最大输出所对应的眼压为：5 5 m m h g 。该传感器的动态输 出的线性度范围虽然仅仅能测量到5 5 m m h g 的眼压，若超过此输出范围后输出可 能呈非线性，但是已经能够满足我们的测量要求，对于过高眼压的测量，眼压值 是否准确已经不是特别重要的，因为此时的眼压值已经能够反映病人眼压的情况。 通用的放大器，其放大电阻的选取可以根据如下公式选择： r 一4 9 4 ( g 一1 1 公式中r 为放大电阻，g 为放大器增益。放大器的增益g