CN115381393A - 一种基于等厚干涉的眼压测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器器械技术领域，提供了一种基于等厚干涉的眼压测量方法和装置，该眼压测量方法包括：将楔形传感器通过眼科手术植入眼球前房，底部玻璃片朝向晶状体方向，圆孔处的PDMS圆形膜直接与眼内液接触，感应眼压变化；图像采集器发出单色光射向楔形传感器产生干涉图像，眼压升高时PDMS圆形膜发生形变，使得反射光光程差发生变化，干涉图像的条纹也随之变化，图像采集器采集干涉图像后传输至电脑进行图像处理和压力解算；基于图像处理和压力解算的结果，获得眼压值。本发明避免了复杂工艺过程、降低了成本、安全性更高、灵敏度高、便携性高、能够满足实时测量眼压的需求。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于等厚干涉的眼压测量方法和装置。
背景技术
青光眼是全球第二大导致失明的原因，具有不可恢复和渐进式丧失视力的特征，由于其无症状和缓慢发展的特点，往往在疾病晚期才被发现。在我国，青光眼发病率为6.8％，且与年龄增长有密切关系。随着人口的不断增长，到2030年，全球患青光眼的人数预计将达到8000万。到目前为止，还没有有效的治疗方法能够恢复由青光眼导致的失明，但是如果能对患者进行早期预防，及时发现病症，那么这对患者的家庭来说，将会减轻极大的负担。据研究表明，青光眼患者眼压峰值主要出现在早上8点到10点以及夜间12点到早上6点，并且睡眠时间出现眼压峰值的概率高达49.40％—65.79％，而患者通常是在白天去医院时测眼压，且临床检查提供的是单次眼压计测量，一天需要测量多次，这样就不能获取患者眼压的完整变化。
目前，在临床上常用的眼压计有Goldman压平式眼压计、非接触式眼压计等，但是这些眼压计具有便携式性能差、无法随时随地测量眼压、对角膜损伤性大等缺点。近年来，为了满足青光眼治疗中测量眼压的需求，国内外诸多研究机构致力于开发新型植入式眼压传感器，常见的有基于电容、压电阻、LCR电路、微流体的眼压传感器。但是这类眼压传感器通常需要采用复杂的电路设计，并且需要可植入电源，这就使基于电容和射频的眼压传感器面临着和尺寸、范围限制以及电源要求的相关挑战。
由此可见，无法频繁测量眼压的情况限制了医生对患者病情的全面把握，也在一定程度上阻碍了医生根据患者的不同情况制定治疗方案。因此，急需研究一种可以满足患者随时随地进行眼压测量的设备。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于等厚干涉的眼压测量方法和装置，以解决现有技术中眼压测量装置操作不便且无法实时测量眼压的技术问题。
本发明的第一方面，提供了一种基于等厚干涉的眼压测量装置，该眼压测量装置包括：
图像采集器1和楔形传感器2，
所述图像采集器1，包括物镜101、分束器102、LED单色光源103、CCD104，用于LED单色光源103发出单色光射向楔形传感器2产生干涉图像，图像采集器1采集所述干涉图像并传输至电脑3中进行图像处理和压力解算；
所述物镜101镜头位于图像采集装置最前端，用于放大图像；所述分束器102为边长25.4mm的立方体，位于物镜101镜头后方，用于偏转单色光的方向；所述LED单色光源为波长633nm的单色光，位于分束器102正下方，用于楔形传感器2产生干涉图像；所述CCD104位于图像采集器1最后方，用于采集楔形传感器101产生的干涉图像；
所述楔形传感器2，从下到上依次包括底部玻璃片201、PDMS圆形膜202、间隔物203、顶部玻璃片204，用于产生干涉图像后被CCD104获取，
所述底部玻璃片201为圆片，中心有圆孔205，所述圆孔205与底部玻璃片201同轴心，所述底部玻璃片201上贴了PDMS圆形膜202；所述顶部玻璃片204为圆片；所述顶部玻璃片204与所述PDMS圆形膜202之间有间隔物203，所述间隔物203位于所述PDMS圆形膜202的边缘，所述顶部玻璃片204与所述PDMS圆形膜202在一端紧密相接，所述顶部玻璃片204、所述PDMS圆形膜202与所述间隔物203形成一个楔形的空气腔206。
本发明的第二方面，提供了一种基于等厚干涉的眼压测量方法，该眼压测量方法包括：
S1将楔形传感器通过眼科手术植入眼球前房，所述底部玻璃片朝向晶状体方向，圆孔处的所述PDMS圆形膜直接与眼内液接触，感应眼压变化；
S2所述图像采集器发出单色光射向楔形传感器产生干涉图像，眼压升高时PDMS圆形膜发生形变，使得反射光光程差发生变化，干涉图像的条纹也随之变化，所述图像采集器采集所述干涉图像后传输至电脑进行图像处理和压力解算；
S3基于图像处理和压力解算的结果，获得眼压值。
进一步地，所述S1中PDMS圆形膜是生物相容性材料制成的柔性膜。
进一步地，所述S1中PDMS圆形膜的边缘设有间隔物，所述顶部玻璃片与所述PDMS圆形膜在另一端紧密相接，包括：
将SU-8光刻胶制成的20μm高的的长条作为间隔物，沿着所述PDMS圆形膜边缘贴在所述PDMS圆形膜表面上；将所述顶部玻璃片覆盖在所述PDMS圆形膜上，顶部玻璃片一端与光刻胶重合，另一端与所述PDMS圆形膜重合，使所述顶部玻璃片与所述PDMS膜形成了一个楔形空气腔；采用PDMS液体胶密封所述顶部玻璃片和所述底部玻璃片的连接处，在90℃下烘烤1h进行固化，完成对所述楔型传感器的密封。
进一步地，所述S1中圆孔处的所述PDMS膜直接与眼内液接触，感应眼压变化，包括：
单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在所述PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像；
当眼内压增大时，所述PDMS圆形膜发生形变，向楔形空气腔内偏移，楔形空气腔距离减小，导致反射光光程发生变化，产生干涉条纹发生弯曲的干涉图像。
进一步地，所述S2包括：
所述图像采集器单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在所述PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像，所述干涉图像被所述CCD获取。
进一步地，PDMS圆形膜的形变量Δh和PDMS圆形膜的弹性模量、PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度、PDMS圆形膜的泊松比和PDMS圆形膜的半径有关。
进一步地，所述S3中所述眼压值的获取，包括：
其中，Δp为压力变化，E为PDMS圆形膜的弹性模量，d为PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度，Δh为PDMS圆形膜的形变量，μ为PDMS圆形膜的泊松比，r为PDMS圆形膜的半径，
PDMS圆形膜的形变量Δh的计算式如下：
其中，Δh为PDMS圆形膜产生高度变化，Δe为偏移的最大距离，λ为入射光长，
由于PDMS圆形膜的形变量还与楔角有关，故PDMS圆形膜的形变量通过如下计算式获得：
其中，α为楔角，
楔角的计算式如下：
其中，α为楔角，λ为对应光程差，e为干涉条纹的间距，
Δh＝λ/2
对应光程差变化的计算式如下：
其中，Δ为对应光程差变化，m为整数。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
1.本发明通过干涉图像变化来反映眼压的变化，实现了眼压检测装置的眼内单元的无源化，避免了有源器件复杂的绝缘封装等工艺过程，降低了工艺难度和成本；
2.本发明整体都由生物相容性材料构成，安全性更高；
3.本发明采用极薄的PDMS膜来感应眼压变化，灵敏度高；
4.本发明眼压测量装置便携性高、操作简单，能够满足患者随时随地测量眼压的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的一种基于等厚干涉的眼压测量装置的结构原理图；
图2是本发明提供的一种基于等厚干涉的眼压测量方法的流程图；
图3是本发明提供的本发明实例提供的楔形传感器原理图；
图4是本发明提供的图像采集器的示意图；
图5是本发明提供的楔型传感器的结构示意图；
图6是本发明提供的楔形传感器的结构侧视图；
图7为本发明实例提供的干涉条纹距离与压力变化原理图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
下面将结合附图详细说明根据本发明的一种基于等厚干涉的眼压测量方法和装置。
图1是本发明提供的一种基于等厚干涉的眼压测量装置的结构原理图。
如图1所示，该眼压测量装置包括：
图像采集器1和楔形传感器2，
图像采集器1，包括物镜101、分束器102、LED单色光源103、CCD104，用于LED单色光源103发出单色光射向楔形传感器2产生干涉图像，图像采集器1采集干涉图像传输至电脑3中进行图像处理和压力解算，
物镜101镜头位于图像采集装置最前端，用于放大图像；分束器102为边长25.4mm的立方体，位于物镜101镜头后方，用于偏转单色光的方向；LED单色光源为波长633nm的单色光，位于分束器102正下方，用于楔形传感器2产生干涉图像；CCD104位于图像采集器1最后方，用于采集楔形传感器101产生的干涉图像；
楔形传感器2，从下到上依次包括底部玻璃片201、PDMS圆形膜202、间隔物203、顶部玻璃片204，用于产生干涉图像后被CCD104获取，
底部玻璃片201为圆片，中心有圆孔205，圆孔205与底部玻璃片201同轴心，底部玻璃片201上贴了PDMS圆形膜202；顶部玻璃片204为圆片；顶部玻璃片204与PDMS圆形膜202之间有间隔物203，间隔物203位于PDMS圆形膜202的边缘，顶部玻璃片204与PDMS圆形膜202在一端紧密相接，顶部玻璃片204、PDMS圆形膜202与间隔物203形成一个楔形的空气腔206。
基于同一构思，本发明还提供了一种基于等厚干涉的眼压测量方法，该眼压测量方法包括：
图2是本发明提供的一种基于等厚干涉的眼压测量方法的流程图。
图3是本发明提供的本发明实例提供的楔形传感器原理图。
图4为本发明实例提供的干涉条纹距离与压力变化原理图。
图5是本发明提供的楔型传感器的结构示意图。
图6是本发明提供的楔形传感器的结构侧视图。
如图2所示，该眼压测量方法包括：
S1将楔形传感器通过眼科手术植入眼球前房，底部玻璃片朝向晶状体方向，圆孔处的PDMS圆形膜直接与眼内液接触，感应眼压变化；
本发明的方法采用极薄的PDMS膜来感应眼压变化，灵敏度高。
S1中PDMS圆形膜是生物相容性材料制成的柔性膜。
除PDMS圆形膜之外，本发明整体都由生物相容性材料构成，安全性更高。
S1中PDMS圆形膜的边缘设有间隔物，顶部玻璃片与PDMS圆形膜在另一端紧密相接，包括：
将SU-8光刻胶制成的20μm高的的长条作为间隔物，沿着PDMS圆形膜边缘贴在PDMS圆形膜表面上；将顶部玻璃片覆盖在PDMS圆形膜上，顶部玻璃片一端与光刻胶重合，另一端与PDMS圆形膜重合，使顶部玻璃片与PDMS膜形成了一个楔形空气腔；采用PDMS液体胶密封顶部玻璃片和底部玻璃片的连接处，在90℃下烘烤1h进行固化，完成对楔型传感器的密封。
S1中圆孔处的PDMS膜直接与眼内液接触，感应眼压变化，包括：
单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像；
当眼内压增大时，PDMS圆形膜发生形变，向楔形空气腔内偏移，楔形空气腔距离减小，导致反射光光程发生变化，产生干涉条纹发生弯曲的干涉图像。
图4是本发明提供的图像采集器的示意图。
S2图像采集器发出单色光射向楔形传感器产生干涉图像，眼压升高时PDMS圆形膜发生形变，使得反射光光程差发生变化，干涉图像的条纹也随之变化，图像采集器采集干涉图像后传输至电脑进行图像处理和压力解算；
图像采集器单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像，干涉图像被CCD获取。
S3基于图像处理和压力解算的结果，获得眼压值。
PDMS圆形膜的形变量Δh和PDMS圆形膜的弹性模量、PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度、PDMS圆形膜的泊松比和PDMS圆形膜的半径有关。
S3中眼压值的获取，包括：
其中，Δp为压力变化，E为PDMS圆形膜的弹性模量，d为PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度，Δh为PDMS圆形膜的形变量，μ为PDMS圆形膜的泊松比，r为PDMS圆形膜的半径，
PDMS圆形膜的形变量Δh的计算式如下：
其中，Δh为PDMS圆形膜产生高度变化，Δe为偏移的最大距离，λ为入射光波长，
图7为本发明实例提供的干涉条纹距离与压力变化原理图。
当PDMS圆形膜产生高度为Δh的形变后，干涉条纹发生偏移，偏移的最大距离为Δe。干涉条纹的本质是光程差相同点的连线，也就是A点没有发生形变时对应的厚度h1与干涉条纹偏移最大处B点发生形变后对应的厚度h2相同，即h1＝h2，所以A点到B点的高度差即为A点楔形膜发生形变的厚度，所以可以通过测量干涉条纹偏移的距离可以获得突起的高度，即
PDMS圆形膜的形变量Δh计算式还包括：
其中，α为楔角，
楔角的计算式如下：
其中，α为楔角，λ为对应光程差，e为干涉条纹的间距，
Δh＝λ/2
对应光程差变化的计算式的获得如下：
单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在柔性PDMS膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像。当压力增大时，柔性膜发生形变，向空气腔内偏移，空气腔距离减小，导致反射光光程发生变化，干涉条纹发生弯曲。
干涉条纹距离变化与压力之间的关系如图7所示，波长为λ的单色光波垂直入射进楔形传感器，两光束发生干涉现象的条件如以下公式所示：
其中，Δ为对应光程差变化，m为整数。
本发明眼压测量装置便携性高、操作简单，通过干涉图像变化来反映眼压的变化，避免了有源器件复杂的绝缘封装等工艺过程，降低了工艺难度和成本。
通过将测量眼压装置移入眼球，实现了临床对于特定眼部疾病患者实时测量眼压要求，结构简单，携带方便，生物材料安全性能高。
实施例1
如图5所示，楔形传感器包括顶部玻璃片204，间隔物203，PDMS圆形膜202，底部玻璃片201，底部玻璃片201上有中心圆孔205。底部玻璃片201为半径500μm、厚度200μm的玻璃圆片，用激光在底部玻璃片201中心打半径为250μm的圆孔205；在厚度为30μm的PDMS膜上裁出半径为250μm的PDMS圆形膜202，然后贴在底部玻璃片201上，使PDMS圆形膜202能够覆盖住圆孔205；用光刻技术做出高度为20μm的SU-8(光刻胶)长条，然后沿着PDMS圆形膜202边缘贴在PDMS膜表面上；最后将半径500μm、厚度200μm的顶部玻璃片204覆盖在PDMS圆形膜202上，顶部玻璃片204一端与光刻胶重合，另一端与PDMS圆形膜202重合；最终用PDMS液体胶密封顶部玻璃片204和底部玻璃片201连接处，再在90℃下烘烤1h进行固化，完成对楔型传感器的密封。
如图4所示，图像采集器1包含物镜101，分束器102，633nmLED单色光源103，CCD104。物镜101镜头位于图像采集器1最前端，用于放大图像；分束器102位于物镜101镜头后方，为边长25.4mm的立方体，用于偏转单色光的方向；LED单色光源103为波长633nm的单色光，位于分束器102正下方，用于楔形传感器2产生干涉图像；CCD104位于图像采集器1最后方，用于采集楔形传感器2产生的干涉图像。
获得的眼压实际值为10-40mmHg。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于等厚干涉的眼压测量装置，其特征在于，包括：图像采集器(1)和楔形传感器(2)，
所述图像采集器(1)，包括物镜(101)、分束器(102)、LED单色光源(103)、CCD(104)，
用于LED单色光源(103)发出单色光射向楔形传感器(2)产生干涉图像，图像采集器(1)采集所述干涉图像并传输至电脑(3)中进行图像处理和压力解算；
所述物镜(101)镜头位于图像采集装置最前端，用于放大图像；所述分束器(102)为边长25.4mm的立方体，位于物镜(101)镜头后方，用于偏转单色光的方向；所述LED单色光源为波长633nm的单色光，位于分束器(102)正下方，用于楔形传感器(2)产生干涉图像；所述CCD(104)位于图像采集器(1)最后方，用于采集楔形传感器(101)产生的干涉图像；
所述楔形传感器(2)，从下到上依次包括底部玻璃片(201)、PDMS圆形膜(202)、间隔物(203)、顶部玻璃片(204)，用于产生干涉图像后被CCD(104)获取，
所述底部玻璃片(201)为圆片，中心有圆孔(205)，所述圆孔(205)与底部玻璃片(201)同轴心，所述底部玻璃片(201)上贴了PDMS圆形膜(202)；所述顶部玻璃片(204)为圆片；所述顶部玻璃片(204)与所述PDMS圆形膜(202)之间有间隔物(203)，所述间隔物(203)位于所述PDMS圆形膜(202)的边缘，所述顶部玻璃片(204)与所述PDMS圆形膜(202)在一端紧密相接，所述顶部玻璃片(204)、所述PDMS圆形膜(202)与所述间隔物(203)形成一个楔形的空气腔(206)。
2.一种基于权利要求1所述的眼压测量装置的眼压测量方法，其特征在于，包括：
S1将楔形传感器通过眼科手术植入眼球前房，所述底部玻璃片朝向晶状体方向，圆孔处的所述PDMS圆形膜直接与眼内液接触，感应眼压变化；
S2所述图像采集器发出单色光射向楔形传感器产生干涉图像，眼压升高时PDMS圆形膜发生形变，使得反射光光程差发生变化，干涉图像的条纹也随之变化，所述图像采集器采集所述干涉图像后传输至电脑进行图像处理和压力解算；
S3基于图像处理和压力解算的结果，获得眼压值。
3.根据权利要求2所述的眼压测量方法，其特征在于，所述S1中PDMS圆形膜是生物相容性材料制成的柔性膜。
4.根据权利要求2所述的眼压测量方法，其特征在于，所述S1中PDMS圆形膜的边缘设有间隔物，所述顶部玻璃片与所述PDMS圆形膜在另一端紧密相接，包括：
将SU-8光刻胶制成的20μm高的的长条作为间隔物，沿着所述PDMS圆形膜边缘贴在所述PDMS圆形膜表面上；将所述顶部玻璃片覆盖在所述PDMS圆形膜上，顶部玻璃片一端与光刻胶重合，另一端与所述PDMS圆形膜重合，使所述顶部玻璃片与所述PDMS膜形成了一个楔形空气腔；采用PDMS液体胶密封所述顶部玻璃片和所述底部玻璃片的连接处，在90℃下烘烤1h进行固化，完成对所述楔型传感器的密封。
5.根据权利要求2所述的眼压测量方法，其特征在于，所述S1中圆孔处的所述PDMS膜直接与眼内液接触，感应眼压变化，包括：
单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在所述PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像；
当眼内压增大时，所述PDMS圆形膜发生形变，向楔形空气腔内偏移，楔形空气腔距离减小，导致反射光光程发生变化，产生干涉条纹发生弯曲的干涉图像。
6.根据权利要求2所述的眼压测量方法，其特征在于，所述S2包括：
所述图像采集器单色光射向楔形传感器后分成两束干涉光，一束光在顶部玻璃片下表面发生反射，另一束光透射进空气腔，在所述PDMS圆形膜上表面发生反射，两相干光波在顶部玻璃板下表面发生干涉，产生干涉图像，所述干涉图像被所述CCD获取。
7.根据权利要求2所述的眼压测量方法，其特征在于，PDMS圆形膜的形变量Δh和PDMS圆形膜的弹性模量、PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度、PDMS圆形膜的泊松比和PDMS圆形膜的半径有关。
8.根据权利要求6所述的眼压测量方法，其特征在于，所述S3中所述眼压值的获取，包括：
其中，Δp为压力变化，E为PDMS圆形膜的弹性模量，d为PDMS圆形膜的弹性模量膜的厚度，Δh为PDMS圆形膜的形变量，μ为PDMS圆形膜的泊松比，r为PDMS圆形膜的半径，
PDMS圆形膜的形变量Δh的计算式如下：
其中，Δh为PDMS圆形膜的形变量，Δe为偏移的最大距离，λ为入射光波长，
由于PDMS圆形膜的形变量还与楔角有关，故PDMS圆形膜的形变量通过如下计算式获得：
其中，α为楔角，
楔角的计算式如下：
其中，α为楔角，λ为对应光程差，e为干涉条纹的间距，
Δh＝λ/2
对应光程差变化的计算式如下：
其中，Δ为对应光程差变化，m为整数。
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