CN103284685A - 用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其方法，所述装置是在升降支架上固定有移动摄像机与玻璃管，玻璃管端头连通有软管及其输液注射器，并在输液注射器上设置有截止阀以及用于注射于活体动物眼球的水平操作平台；所述方法是依据联通器原理对试验动物眼球通过穿刺注射方式，联通眼球内部和外部测试装置，并通过对外部测试装置液面高度改变进而计算得到眼球整体的刚度、弹性模量等生物力学特性。本发明实现了试验动物眼球生物力学特性载体准确测量，提升了眼科疾病及药物对眼球生物力学特性影响检测能力以及为LASK手术参数的选定提供理论数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种动物眼球力学特性的测量装置及其测量方法，特别是一种测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其测量方法。
背景技术
在研究青光眼、圆锥状角膜等眼科疾病成因、发展过程、药物治疗时所使用的药物，以及LASK手术时手术的切削深度等因素对眼球生物力学特性的影响时，眼球整体生物力学特性，如整体刚度、弹性模量等测定是研究者首先需要解决的问题。
现有眼球生物力学特性通常是将动物眼球摘除后，再将角膜或者巩膜分离出来，制成实验设备可夹持的非标试件后，在离体的条件下进行测试。但是由于在离体测试时，眼球自身结构会受到破坏，而生命体与眼球之间相互影响的因素以及眼球自身结构对眼球生物力学特性有较大的影响。因此，这种测试手段得到的眼球生物力学特性和实际力学特性之间存在较大误差。另外，由于离体测试时会对眼球结构造成破坏，因此同一只眼球仅能用于一次测试，导致这种离体测试方法不能在同一生命体上验证某些病变、药物作用或者LASK手术时手术切削深度对眼球生物力学特性的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是测量活体动物眼球的整体生物力学特性，并提供一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，包括测量机升降支架、垂直测量支架、摄像机、水平固定台、玻璃管、软管、输液注射器、截止阀、水平操作台；其特征在于：
在所述测量机升降支架上通过摄像机支架连接件连接固定有摄像机支架及其设置的移动摄像机、通过测量支架固定螺栓固定连接有垂直测量支架；在垂直测量支架上通过水平固定台Ⅰ和水平固定台Ⅱ垂直固定有玻璃管，并在所述玻璃管的端头连通有软管及其输液注射器、截止阀以及水平操作台。
在上述技术方案中，进一步的技术特征如下：
所述玻璃管是保温玻璃管，其内径是≤1.5 mm；
所述悬浮标记是随液位上下移动的球冠状结构；
所述输液注射器的注射器型号是5#、6#和7#中的一种。
一种实施上述用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置的测量方法，其所述方法是按下列步骤进行的：
(一) 在玻璃管及其管路中充入生理盐水进行清洗，并排气后再充入生理盐水到玻璃管高度的一定高度；
(二) 在玻璃管上设置一固定标记线作为摄像机参考点，再在玻璃管中的生理盐水水面设置一冠状悬浮标记随液面浮动，摄像机跟踪液面悬浮标记并记录该悬浮标记和固定标记线间的距离，获得液面高度变化差；
(三) 将麻醉的活体动物置于水平操作平台上并固定，采用眼压计测量活体动物的眼内压IOP，再由计算初始滴管自由水平面与眼球中心的高度差，使针头穿刺进入眼球时，外界的压力保持和眼内压相平；
(四) 撑开活体动物上下眼皮，由输液器的输液针头刺入活体动物眼前房，利用摄像机记录玻璃管内悬浮标记和固定标记线间的距离；
(五) 打开针管的止流夹子，启动摄像机测量玻璃管中悬浮标记和固定标记线间的距离，进行初始眼压处、向上100mm处、200mm处的静止渗漏测量，记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化数据；
(六)以200mm/min的速度，由初始位置向上200mm上下升降垂直测量支架对于活体动物眼球的高度产生压力，改变活体动物眼内压；流入或者流出眼球的液体体积通过摄像机测量玻璃管中液面相对高度变化；
(七) 通过计算机计算获得去除渗漏液后，活体动物眼内压与眼球整体体积变化间的关系曲线；表征活体动物眼球整体力学特性的眼球刚度系数计算公式为： 
，并由此项指标比较活体动物眼球整体力学特性随不同动物模型的变化；活体动物眼球的整体刚度系数、弹性模量的生物力学特性是通过眼内压以及眼内压与眼球体积变化之间的定量关系计算得到。
在上述方法中，所述输液针头刺入活体动物眼前房的方法是以角巩膜缘作为穿刺点，注射针头与活体动物眼球的径向夹角约为45°进针，深度为针尖到达前房瞳孔区。
本发明通过一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其方法，解决了测量活体动物眼球的整体生物力学特性，并实现了试验动物眼球生物力学特性载体准确测量，提升了眼科疾病及药物对眼球生物力学特性影响检测能力以及为LASK手术参数的选定提供研究手段。
本发明用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，采用不锈钢制作，结构简单，装拆方便，符合医疗卫生规范；使用该装置的方法，在对活体动物眼球整体力学特性测量时，方便快捷，准确可靠，特别适用于各种活体动物眼球整体力学特性的精确测量。
附图说明
图1是本发明活体动物眼球整体力学特性测试装置图。
图中：1：测量机升降支架；2：垂直测量支架；3：测量支架固定螺栓；4：摄像机支架连接件；5：固定标记线；6：悬浮标记；7：摄像机支架；8：移动摄像机；9：水平固定台Ⅰ；10：水平固定台Ⅱ；11：玻璃管；12：软管；13：输液器；14：截止阀；15：水平操作台；16：计算机。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置及其方法，是根据联通器原理对试验动物眼球通过穿刺注射方式，联通眼球内部和外部构成的测试装置，并通过对外部测试装置液面高度改变测量得到原始眼内压以及该眼球体积变化与内压变化之间的关系，进而计算得到眼球整体的刚度、弹性模量等生物力学特性。解决了现有测试技术在测量眼球生物力学特性时的不准确性，可用于研究病变、药物或者LASK手术对眼球生物力学特性的影响，同时也为眼科疾病及LASK手术提供力学实验依据。
实施例1
一种动物活体眼球整体生物力学特性的测量装置，该装置包括测量机升降支架、垂直测量支架、摄像机、水平固定台、玻璃管、软管、输液注射器、截止阀和水平操作台；其构成关系如下：
选用符合医用要求的不锈钢材料，制作一水平测量机座，在所述水平测量机座上垂直安装一所述测量机升降支架1，并在测量机升降支架1上通过摄像机支架连接件4连接固定有能够上下升降的摄像机支架7及其在支架上设置的移动摄像机8；所设置的移动摄像机8是与测量机升降支架1上设置的垂直玻璃管11相对应，用于记录玻璃管11内的生理盐水液面的升降变化值以及体积变化值。
在所述测量机升降支架1上通过测量支架固定螺栓3固定连接有垂直测量支架2，在垂直测量支架2上通过水平固定台Ⅰ9和水平固定台Ⅱ10垂直固定有玻璃管11，所述玻璃管11垂直向上的端头开口，垂直向下的端头连通有软管12及其输液注射器13，在输液注射器13上还设置有截止阀14以及用于注射于活体动物眼球的水平操作台15。测量机架与活体动物水平操作台15可以分别设置进行测量。
本发明实施上述一种用于动物活体眼球整体生物力学特性的测量装置，在实验测量中，分别对活体动物兔子、豚鼠和大鼠进行了应用该装置的应用测量，均实现了精确稳定测量，由此可以说明，本装置也可以应用于其它活体动物整体眼球的生物力学特性的测量。
在实施上述的一种用于动物活体眼球整体生物力学特性的测量装置时，所采用的玻璃管11进一步限定为保温玻璃管，其内径是≤1.5 mm。一般情况下在室内温度，大气压下进行活体动物眼球的测量，无需保温；在温差较大时需要进行保温，以保证符合规律的液体变化与体积变化，确保活体动物眼球测量的准确性。
在实施上述方案中，悬浮标记6进一步采用随生物盐水液面位上下移动的球冠状结构，主要是为了摄像机能够精确记录生物盐水液面的变化情况和玻璃管内的体积变化，以保证测量的精确性。
在实施上述方案中，输液注射器13的注射器型号一般选用医用5#、6#和7#中的一种均可，视活体动物眼球情况而定。
实施例2
实施本发明上述的一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的测量装置的测量方法，该方法是按下列步骤进行：
步骤一、按照医疗卫生要求，对测量装置进行消毒处理，对玻璃管11及其管路中充入生理盐水进行清洗，并排气后再充入生理盐水到玻璃管11高度到所需测量活眼动物球整体力学特性的测量的液体高度，大约是选用玻璃管11高度的上部。
步骤二、在玻璃管11上设置一固定标记线5作为液位变化的摄像机参考基准线，再在玻璃管11中的生理盐水水面设置一冠状悬浮标记6随液面浮动，摄像机8跟踪液面悬浮标记6并记录该悬浮标记6和固定标记线5间的距离，获得液面高度变化差。
步骤三、将麻醉的活体动物置于水平操作台15上并固定，采用眼压计测量活体动物的眼内压IOP，再由计算初始滴管自由水平面与眼球中心的高度差，使针头穿刺进入眼球时，外界的压力保持和眼内压相平。
步骤四、撑开活体动物上下眼皮，由输液器13的输液针头刺入活体动物眼前房，利用摄像机记录玻璃管11内悬浮标记6和固定标记线5间的距离。
步骤五、打开针管的止流夹子，启动摄像机测量玻璃管11中悬浮标记6和固定标记线5间的距离，进行初始眼压处、向上100mm处、200mm处的静止渗漏测量，记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化数据；
步骤六、以200mm/min的速度，由初始位置向上200mm上下升降垂直测量支架2对于活体动物眼球的高度产生压力，改变活体动物眼内压；流入或者流出眼球的液体体积通过摄像机8测量玻璃管11中液面相对高度变化；
步骤七、通过计算机计算获得去除渗漏液后，活体动物眼内压与眼球整体体积变化间的关系曲线；表征活体动物眼球整体力学特性的眼球刚度系数计算公式为：
，并由此项指标比较活体动物眼球整体力学特性随不同动物模型的变化；活体动物眼球的整体刚度系数、弹性模量的生物力学特性是通过眼内压以及眼内压与眼球体积变化之间的定量关系计算得到。
在对活体动物眼球穿刺时，输液针头刺入活体动物眼前房的方法最好是以角巩膜缘作为穿刺点，注射针头与活体动物眼球的径向夹角约为45°进针较好，深度为针尖到达前房瞳孔区最佳。
本发明实施上述一种用于动物活体眼球整体生物力学特性的测量装置的测量方法中，分别对活体动物兔子、豚鼠和大鼠进行了应用该方法的测量，测量数据精确可靠，本装置也可以应用于其它活体动物整体眼球的生物力学特性的测量。
下面以兔子、豚鼠和大鼠为例，进行活体动物整体眼球的生物力学特性测量，进一步说明本发明的具体实施方式。
具体实施例3
以新西兰大白兔为例，在进行测量前，首先对活体动物测量的环境和活体动物测量器具进行彻底消毒处理，并将麻醉好的新西兰大白兔固定在可调节空间位置的水平操作台18的操作平面上，开睑器撑开眼睑。再将输液器17、软管14和细玻璃管13内充满生理盐水。
具体方法是采用负压吸入的方式，防止产生气泡。通过升降万能材料试验及的升降臂来调整液面浮标与试验动物眼球中心相对高度，使之近似达到该动物统计眼压值（约200 mmH2O），同时标定摄像引伸计，使之跟踪监测浮标和固定标线之间的距离变化，以便计算***内流入眼球的液体体积，得到眼球体积变化和压力数值。完成上述工作后，用输液器的针头在试验眼球角巩膜缘靠近角膜一侧以径向夹角45°的方向向前房进行穿刺，针尖停留在瞳孔区。打开截止阀，同步监测玻璃管中两标记之间距离变化，待测量值变化率≤1mm/s的时候开始启动摄像跟踪，之后启动预先编辑好的试验方法进行试验：首先是相对初始高度处的静止渗漏测试，称之为低位渗漏测试，测试持续1分钟，此过程中记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化等数据，其目的是为了得到该***本身的渗漏参数，以便在接下来的循环试验中除去渗漏影响，使试验数据更加能够准确的反映出眼球整体的刚度情况接着使横梁带动本试验管路支架部分一起以较慢的速度由当前相对于高度匀速上升到新的相对高度后，自动返回到原来相对高度位置。完成一次循环测试，此过程得到玻璃管内标距之间距离随时间的变化，进而得到对眼球施加压力随时间的变化规律以及眼球整体的体积随时间的变化规律，最终计算得到眼球的整体刚度等生物力学参数。按上述方法和装置所得到的不同年龄兔子眼球的生物力学特性如表1所示。
表1.不同年龄组兔眼CCT、IOP 、眼球初始体积及刚度系数比较
说明：表1中，不同年龄组眼球初始体积影响不可忽略，故定义眼球刚度系数
。
具体实施例4
以实验豚鼠为例，在进行测量前，首先对活体动物测量的环境和活体动物测量器具进行彻底消毒处理，并将麻醉好的豚鼠固定在可调节空间位置的水平操作台18的操作平面上，开睑器撑开眼睑。再将输液器17、软管14和细玻璃管13内充满生理盐水。
具体方法是采用负压吸入的方式，防止产生气泡。通过升降万能材料试验及的升降臂来调整液面浮标与试验动物眼球中心相对高度，使之近似达到该动物统计眼压值（约150 mmH2O），同时标定摄像引伸计，使之跟踪监测浮标和固定标线之间的距离变化，以便计算***内流入眼球的液体体积，得到眼球体积变化和压力数值。完成上述工作后，用输液器的针头在试验眼球角巩膜缘靠近角膜一侧以径向夹角45°的方向向前房进行穿刺，针尖停留在瞳孔区。打开截止阀，同步监测玻璃管中两标记之间距离变化，待测量值变化率≤1mm/s的时候开始启动摄像跟踪，之后启动预先编辑好的试验方法进行试验：首先是相对初始高度处的静止渗漏测试，称之为低位渗漏测试，测试持续1分钟，此过程中记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化等数据，其目的是为了得到该***本身的渗漏参数，以便在接下来的循环试验中除去渗漏影响，使试验数据更加能够准确的反映出眼球整体的刚度情况接着使横梁带动本试验管路支架部分一起以较慢的速度由当前相对于高度匀速上升到新的相对高度后，自动返回到原来相对高度位置。完成一次循环测试，此过程得到玻璃管内标距之间距离随时间的变化，进而得到对眼球施加压力随时间的变化规律以及眼球整体的体积随时间的变化规律，最终计算得到眼球的整体刚度等生物力学参数。按上述方法和装置所得到的正常及近视组豚鼠眼球的生物力学特性如表2所示。
表2 正常及近视豚鼠眼球屈光度、眼轴长度及刚度系数比较
说明：表2中，近视组与正常组初始体积相差甚小，故定义眼球刚度系数
。
具体实施例5
以大鼠为例，在进行测量前，首先对活体动物测量的环境和活体动物测量器具进行彻底消毒处理，并将麻醉好的大鼠固定在可调节空间位置的水平操作台18的操作平面上，开睑器撑开眼睑。再将输液器17、软管14和细玻璃管13内充满生理盐水。
具体方法是采用负压吸入的方式，防止产生气泡。通过升降万能材料试验及的升降臂来调整液面浮标与试验动物眼球中心相对高度，使之近似达到该动物统计眼压值（150 mmH2O），同时标定摄像引伸计，使之跟踪监测浮标和固定标线之间的距离变化，以便计算***内流入眼球的液体体积，得到眼球体积变化和压力数值。完成上述工作后，用输液器的针头在试验眼球角巩膜缘靠近角膜一侧以径向夹角45°的方向向前房进行穿刺，针尖停留在瞳孔区。打开截止阀，同步监测玻璃管中两标记之间距离变化，待测量值变化率≤1mm/s的时候开始启动摄像跟踪，之后启动预先编辑好的试验方法进行试验：首先是相对初始高度处的静止渗漏测试，称之为低位渗漏测试，测试持续1分钟，此过程中记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化等数据，其目的是为了得到该***本身的渗漏参数，以便在接下来的循环试验中除去渗漏影响，使试验数据更加能够准确的反映出眼球整体的刚度情况接着使横梁带动本试验管路支架部分一起以较慢的速度由当前相对于高度匀速上升到新的相对高度后，自动返回到原来相对高度位置。完成一次循环测试，此过程得到玻璃管内标距之间距离随时间的变化，进而得到对眼球施加压力随时间的变化规律以及眼球整体的体积随时间的变化规律，最终计算得到眼球的整体刚度等生物力学参数。按上述方法和装置所得到的正常及高、低压大鼠眼球的生物力学特性如表3所示。
| 正常组(n=16) | 高压组 (n=10) | 低压组 (n=10) | |
| 刚度系数(mmHg/μL) | 1235.58±181.95 | 1278.09±114.80 | 1108.91±171.25 |
表3 正常及高、低压大鼠眼眼球刚度系数比较
说明：表3中，高、低压大鼠眼眼球与正常组相比初始体积相差甚小，故定义眼球刚度系数。
Claims (6)
1.一种用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，包括测量机升降支架、垂直测量支架、摄像机、水平固定台、玻璃管、软管、输液注射器、截止阀、水平操作台；其特征在于：
在所述测量机升降支架(1)上通过摄像机支架连接件(4)连接固定有摄像机支架(7)及其设置的移动摄像机(8)、通过测量支架固定螺栓(3)固定连接有垂直测量支架(2)；在垂直测量支架(2)上通过水平固定台Ⅰ(9)和水平固定台Ⅱ(10)垂直固定有玻璃管(11)，并在所述玻璃管(11)的端头连通有软管(12)及其输液注射器(13)、截止阀(14)以及水平操作台(15)。
2.如权利要求1所述的用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，其特征在于：所述玻璃管（11）是保温玻璃管，其内径是≤1.5 mm。
3.如权利要求2所述的用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，其特征在于：所述悬浮标记（6）是随液位上下移动的球冠状结构。
4.如权利要求1所述的用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置，其特征在于：所述输液注射器（13）的注射器型号是5#、6#和7#中的一种。
5.一种实施权利要求1所述的用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置的测量方法，其特征在于：所述方法是按下列步骤进行的：
(一) 在玻璃管(11)及其管路中充入生理盐水进行清洗，并排气后再充入生理盐水到玻璃管(11)中的一定高度；
(二) 在玻璃管(11)上设置一固定标记线(5)作为摄像机参考点，再在玻璃管(11)中的生理盐水水面设置一冠状悬浮标记(6)随液面浮动，摄像机(8)跟踪液面悬浮标记(6)并记录该悬浮标记(6)和固定标记线(5)间的距离，获得液面高度变化差；
(三) 将麻醉的活体动物置于水平操作平台(15)上并固定，用眼压计测量活体动物的眼内压IOP，再由计算初始滴管自由水平面与眼球中心的高度差，使针头穿刺进入眼球时，外界的压力保持和眼内压相等；
(四) 撑开活体动物上下眼皮，由输液器(13)的输液针头刺入活体动物眼前房，利用摄像机记录玻璃管(11)内悬浮标记(6)和固定标记线(5)间的距离；
(五) 打开针管的止流夹子，启动摄像机测量玻璃管(11)中悬浮标记(6)和固定标记线(5)间的距离，进行初始眼压处、向上100mm处、200mm处的静止渗漏测量，记录相对压差、玻璃管内液体的体积变化数据；
(六)以200mm/min的速度，由初始位置向上200mm上下升降垂直测量支架(2)对于活体动物眼球的高度产生压力，改变活体动物眼内压；流入或者流出眼球的液体体积通过摄像机(8)测量玻璃管(11)中液面相对高度变化；
(七) 通过计算机计算获得去除渗漏液后，活体动物眼内压与眼球整体体积变化间的关系曲线；表征活体动物眼球整体力学特性的眼球刚度系数计算公式为： ，并由此项指标比较活体动物眼球整体力学特性随不同动物模型的变化；活体动物眼球的整体刚度系数、弹性模量的生物力学特性是通过眼内压以及眼内压与眼球体积变化之间的定量关系计算得到。
6.如权利要求6所述的用于测量活体动物眼球整体力学特性的装置的测量方法，其特征在于：所述输液针头刺入活体动物眼前房的方法是以角巩膜缘作为穿刺点，注射针头与活体动物眼球的径向夹角约为45°进针，深度为针尖到达前房瞳孔区。
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