CN1642469A - 力反馈眼压计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量眼内压力(IOP)的装置和方法，所述包括振动器(13)，将振动能量通过眼睑(11)传递到眼球(12)内，并至少测量眼球中的力响应或相位响应之一。测量通过将眼压计(10)靠在眼睑上而诱发眼球底层振动而进行。连接振动器的力传感器(16)测量眼球的响应，由眼球的响应确定眼睛的振动阻抗。接着根据振动阻抗计算眼内压力，在装置的优选使用中，对照已知眼内压力的量校准眼压计，允许病人在家中或在传统医疗场所以外的地方实施随后有关IOP测量，而不需要麻醉剂或担心受感染。

Description

力反馈眼压计

发明领域

本发明涉及一种获得眼球物理、生理学和结构特性的装置和方法，特别是用于测定眼睛的眼内压力的量的装置和方法。特别地，在眼中引起振动，并且应用力传感器建立表示IOP的量。

发明背景

测量眼睛的眼内压力(IOP)是眼腔内部液体压力的测量。因为它是眼睛健康的指示器，因此，检测IOP是有益的。过高的IOP与视神经损伤有关，比如青光眼。

眼球可以被视为一个充满了具有不可压缩性质的液体的弹性容器。人们可以将这样的弹性容器比作一个具有可伸展壁的气球，液体体积的任何增大会使内部压力改变，而压力改变会使容器壁伸展。眼睛内部的液体以大体连续的方式循环，液体流入量增大通常伴随液体流出量同样增大。如果流出量赶不上流入量，则内部压力会增大，因而容器或眼睛会膨胀。如果容器壁的刚性提高，则观察到两种效果：液体流入量每增加一次，则内部压力就会进一步升高；而眼睛体积的整体膨胀较小。

眼睛膨胀变化依赖于容器壁的延展性。壁的延展性越大，眼睛体积增加得越多。壁的延展性越小，液体压力越大。

因为将压力传感器放置在眼球的液体中有侵入性，因此在生物医学中常常不直接测量IOP。因此，压力测定通常试图采用侵入少的可供选择方法。所以，以直接、连续和非侵入的方式测量眼内压力很重要，但是难于实现。

适度侵入式测量法是已知的并且已经采用。多年来，医学界已经广泛使用了“接触式眼压计”。但是其缺点在于需要将其与眼睛进行直接接触，因此需要麻醉剂。需要与眼睛接触而使眼睛变形导致了IOP测定误差，这归因于流眼泪、由于压缩使眼睛体积变化以及角膜的物理特性改变。美国专利US2,519,681、US3,049,001、US3,070,087和US3,192,765公开了这样的现有技术装置。

通过更间接的方法已经进行了各种其它尝试并小心地或者不断地测量IOP。间接方法的优点是不侵入，或比压痕和扁平眼压计的侵入更小。正如美国专利US3,181,351所公开的一种这样的方法，使眼睛上的空气产生尖脉冲，同时测量到角膜发生的变形。这种间接方法通常受到两种限制：测量结果的精度不够和/或缺少绝对值。

通常，病人患有影响IOP的眼疾如青光眼，则需要对其频繁监控IOP。因此，需要的是以非侵入式方法来检测IOP，该方法能够供家中的病人或医务场所以外的其它人安全地使用。

发明概述

采用将机械能量优选是振动传递给眼球的独特装置通过眼睑来测定眼内压力(IOP)。采用在眼球中产生振动响应的度量来计算眼球的振动阻抗，眼球的振动阻抗是IOP的函数。

该技术的优点是简单而且安全，它允许常规诊所以外的特别是在家中的病人监控IOP。

根据本发明的实施例，提供一种测量IOP的眼压计，其使用振动器，如具有恒定输出振幅的并由振荡器驱动的螺线管，其受微处理或计算机控制，从而知道输出振幅、频率和相位。振动器连接于力传感器或变形仪，其用于测量反馈，如眼睛的振动响应。特别是，力传感器测量至少力响应或相位响应之一。

根据本发明，提供一种测定表示眼睛IOP的量的方法，包括步骤：用机械能量传递装置如振动器接触眼睑，该机械装置能够产生等振幅和频率范围，用于眼球底层的至少一部分中诱发振动；提供测量眼球中空间振动响应的装置，以便建立表示振动阻抗的量；以及计算作为振动阻抗函数的眼内压力。

优选地，能量传递装置是振动器，该振动器连接用于测量眼睛振动响应的力传感器。最好，力传感器测量至少眼睛的力响应和相位响应之一，以便建立作为表示眼内压力特性的振动阻抗。静态力传感器还能用于保证足够力，使用该静态力传感器将振动器应用于眼睑，因此，保证在眼球中产生足够振动并测定振动响应。

本领域技术人员明白可用多种装置来实现该方法。即，根据本发明的另一方面，提供一种力反馈眼压计，包括：机械能量传递装置，如螺线管，当其靠在盖住眼睛的眼睑上时，能够产生等幅、可变的频率输出，用于使眼球的至少一部分中诱发振动；用于测量眼球中空间振动响应以便建立表示振动阻抗的量的装置；以及计算眼内压力的装置，所述眼内压力为表示振动阻抗的量的函数。优选能量传递装置是振动器，该振动器连接用于测量眼睛空间振动响应的力传感器。

在使用中，眼压计的振动轴和突起轻轻接触眼睑。有关频率范围上的振动因此穿过眼睑传递到眼球底层，并由力传感器测量眼睛的振动响应，力传感器以机械方式与其连接。眼球的振动阻抗由微处理器或计算机采用应用的振动特性和测量的响应来确定。振动阻抗和IOP之间存在确定的联系。

任意地，为进一步使振动响应标准化，与振动阻抗测量相邻，采用激光干涉仪测量眼睛的几何形状，包括眼睛的轴向长度，由眼睛的轴向长度推导出眼睛的体积。而且能够测量角膜厚度，由角膜厚度推导出另外的机械特性，如弹性。

与仅测量角膜曲率中发生的变化相比，或与仅测量要求对角膜压痕或使其变平的力或时间的变化相比，这些测量更加精确。原因是，当利用声能时，声能不改变眼睛的体积，因此基本不影响压力。

通过测量角膜或眼睛总体上的振动特性，测量IOP。采用可以识别的或对IOP变化响应的特性，通过去除每只眼睛自身物理特性的影响而使IOP标准化，包括：对激励振动的物理三维响应、对激励力响应的相位滞后和相位响应的幅值和/或形状。

在应用以上确定的特性时，本方法还包括步骤：测定振动眼睛的振动响应，其是与眼睛体积有关的眼睛轴向长度和眼睛机械特性的函数。此外，确定振动眼睛的弹性模量，作为角膜厚度和角膜含水量的函数。因此最好确定IOP作为振动响应、机械特性和几何形状的函数。

最好，该方法还包括步骤：提供激光干涉仪，用于产生测量光束和由返回干涉仪的多个光束形成的干涉图；测定至少两反射光束之间的路径长度，以便确定作为眼睛几何特性的眼睛轴向长度。可以应用眼睛的轴向长度确定至少表示眼睛体积的特性。特别是，该方法包括测定至少两反射光束之间的路径长度，以确定作为眼睛几何特性的角膜厚度。

附图简要说明

图1是振动传感器以恒定振幅激励眼睛同时力传感器检测力的大小和相位的方框图；

图2a和2b示出了在形成的两种不同IOP下以等幅驱动的、施加在猪眼睛上的力的大小和相位；

图2a示出了具有低眼内压力的猪眼睛；

图2b示出了具有高眼内压力的猪眼睛；

图3是任意激光干涉计测量眼睛的轴向长度和角膜厚度的方框图。

优选实施例的详细说明

如图1所示，根据本发明，提供测量眼内压力(IOP)的眼压计10，可以将其应用于眼睑11，而不需要直接接触眼球12。

机械能量，即振动力，通过眼睑11传递给眼球12。眼球12对机械能量的响应与眼球的特性特别是IOP有关。当施加振动力以激励眼球时，测量在眼球中产生的振动响应。施加在眼球12上的振动力扫过一频率范围。检测振动响应作为力反馈。在不同的IOP下，力所达到的频率有最小变化。此外，在相位曲线中出现拐点，相位波峰也涉及IOP改变。

再参照图1，图中示出了本发明优选实施例的眼压计10。振动器13由音频振荡器14驱动。振荡器14受微处理器和计算机15控制，产生在有关频率范围上的等幅输出。同时，计算机15接收来自机械耦合力传感器16的振动响应量，用于动态确定眼睛的振动阻抗，振动阻抗用于计算表示眼内压力的量。优选地，力传感器16测量至少眼球12中的力响应和相位响应之一。可以比较振动器的相位和检测力的相位。

在使用中，通过对着眼睑11轻轻按压由振动器1 3延伸的轴1 7将振动能量传递给眼球12。当轴17保持与眼睑11接触时，由振荡器14确定的振动频率扫过有关的频率范围。在确定眼睑下面的眼球12的响应中，眼睑的响应不是实质性的因数。

最好，静态力传感器，无论是相同的动态力传感器16或离散式传感器(未示)，用于保证足够的力，以将振动器应用于眼睑11，因此保证在眼球12中诱发足够的振动。

振动通过轴17或突起传递给眼球12，作为在频率范围上施加的已知正弦曲线力。应用的能量值和由突起17移动的距离与眼球12中的力响应相关。突起17的移动与眼球12的移动直接相关。测量眼球12的移动以提供与应用的相位或相位滞后有关的力和相位，从而计算振动阻抗。

由电螺线管线圈驱动的弹簧偏压突起会引起眼球12中的振动，并测量机械耦合力传感器的振动响应。

通常，振动器或螺线管引起角膜的最小位移，大约是1μ。有关的频率范围通常是大约10Hz至大约100Hz。

实施例1

参照附图2a，所述装置用于测量具有低IOP的猪眼球中的IOP。曲线Fa表示施加有关频率范围上等幅振动激励时眼球中的力响应幅值。曲线Pa表示激励振荡器和引起眼中振动所需的力振荡之间的相应相位响应。

振动阻抗的特点是相位滞后Pa中有拐点，其对应力曲线Fa中的最小值拐点。

实施例2

参照图2b，所述装置用于测量具有高IOP的猪眼球中的IOP。曲线Fb表示施加有关频率范围上等幅振动激励时的眼球中的力响应幅值。曲线Pb表示激励振荡器和引起眼中振动所需的力振荡之间的相应相位响应。

对照实施例1和2，IOP较高的眼睛比IOP较低的眼睛具有更小的相位滞后。此外，在较高IOP下，相位P和力响应F都有明显拐点的频率Hz改变了。换句话说，力F幅值达到最小以及相位滞后P达到最大的频率(Hz)随增大的IOP而增大。

在本发明眼压计的最佳使用中，采用IOP振动阻抗的量的第一IOP的量与已知的重合的IOP的量相比，如采用戈耳德曼扁平眼压计测量的、并最好由病人的医师在同一时间完成的重合式IOP的量。比较两量，确定至少单个校准因数，该校准因数确定两量之间的关系，并且是病人个人的特性。校准振动阻抗眼压计，以反映该确定的关系并提供重复的、精确的和计算出的IOP的量。通知医师的病人接着执行随后校准的测量应该是落入由医师预定的不可接受范围内的结果。

任意地并与阻抗度量相符合的是，激光干涉计可以用于收集眼睛的附加特性，以使眼睛之间的变化标准化。激光干涉计能够测量眼球的轴向长度，由其推导出眼球的体积。此外，能够测量角膜厚度，由其推导出眼球的弹性。每个眼睛具有不同体积和机械特性如弹性，因此在计算IOP时能够考虑这些变化。为此，采用一种激光干涉法，其类似于Hitzenberger等人的美国专利US6,288,784所公开的激光干涉法，精确测量角膜厚度。本申请通过参考而结合美国专利US6,288,784的全部内容。角膜厚度与角膜的刚度、接触眼压计中误差源有关。眼睛的轴向长度与眼睛的体积有关。采用如此测量的附加特性，使眼睛的振动响应随轴向长度和角膜厚度标准化，以产生更精确的IOP。

尽管眼睛特性的实际标准化可以以数字方式确定，但是认为能够确定最好的IOP量作为一些基本变量的函数，包括：

Ro是V、Ri和k1的函数；

E是P、H₂O、k2；以及

IOP是V、E、Rik3的函数。

其中：

Ro＝眼睛的振动响应；

V＝眼睛体积(轴向长度)；

Ri＝眼睛的生物理学刚度；

E＝眼睛的弹性模量；

P＝角膜的厚度；

H2O＝角膜的含水量(基本是常量)；以及

k1、k2和k3＝常量

IOP的确定是依赖大量实验数据的多元分析。实际上，得到的关系式是很复杂的，必须通过实验，最好采用有限元分析，找出影响IOP压力度量的各种参数的影响。本领域的技术人员明白，能够应用各种数字技术来获得该技术手段。一种方案是应用神经网络和统计学方法来建立这些关系并确定有限元分析的结果。

参照图3，提供附加装置，用于眼球12的轴向长度和角膜厚度的测量。优选地，使用激光干涉仪30。激光光束31射入眼球12，并由内外角膜面32、33和眼球12的后面34反射回来，产生干涉图。干涉仪30测量干涉图并确定距离内外角膜面32、33和距离眼球12后面34的路径长度。计算机或微处理器35用于控制干涉仪30并计算轴向长度和角膜厚度。

Claims (19)

1、一种测定眼球中眼内压力的方法，所述方法包括：

用机械能量传递装置接触眼睑，所述机械能量传递装置能够产生等幅、可变的频率输出，用于诱发眼球底层的至少一部分中振动；

提供测量眼球中振动响应的装置，以便建立表示振动阻抗的量；以及

计算作为振动阻抗的函数的眼内压力。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述振动响应至少是力响应和相位响应之一。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中，所述机械能量传递装置是振动器。

4、如权利要求3所述的方法，其中，所述振动器是由振荡器驱动的并且是受控的螺线管，以便提供振动频率范围上的恒定而且是已知的振幅。

5、如权利要求4所述的方法，其中，所述振荡器是由微处理器控制的音频振荡器。

6、如权利要求2所述的方法，其中，用于测量眼球中至少力响应和相位响应之一的装置是力传感器。

7、如权利要求6所述的方法，其中，所述振动器和力传感器是通过机械方式耦合的。

8、如权利要求1所述的方法，还包括：

将作为振动阻抗函数而计算的眼内压力与重合且已知的眼内压力的量对比；

建立计算的眼内压力和已知眼内压力的量之间的关系，以便测定至少单个校准因数；以及

将至少单个校准因数应用于随后的振动阻抗眼内压力的量，以便测定眼内压力。

9、一种力反馈眼压计，包括：

机械能量传递装置，当其靠在盖住眼睛的眼睑上时，能够产生等幅、可变的频率输出，用于诱发眼球中至少一部分振动；

用于测量眼球中振动响应以便建立表示振动阻抗的量的装置；以及

计算眼内压力的装置，所述眼内压力为表示振动阻抗的量的函数。

10、如权利要求9所述的力反馈眼压计，其中所述机械能量传递装置是振动器。

11、如权利要求10所述的力反馈眼压计，其中所述振动器是由振荡器驱动的并且是受控的螺线管，以便提供振动频率范围上的恒定且已知的振幅。

12、如权利要求11所述的力反馈眼压计，其中所述振荡器是由微处理器控制的音频振荡器。

13、如权利要求9至12任一所述的力反馈眼压计，其中在眼球中测量的振动响应至少是力响应和相位滞后响应之一。

14、如权利要求9至13任一所述的力反馈眼压计，其中用于测量眼球中振动响应的装置是力传感器。

15、如权利要求9至14任一所述的力反馈眼压计，其中计算眼内压力的装置是微处理器，所述计算的眼内压力为表示振动阻抗的量的函数。

16、如权利要求9至15任一所述的力反馈眼压计，还包括静态力传感器，用于确立眼压计在眼睑上施加的可承受施力。

17、如权利要求9至16任一所述的力反馈眼压计，还包括应用至少单个校准因数的装置，用于测定眼内压力，所述校准因数为采用振动阻抗和常规眼内压力测量技术的眼内压力重合的量与随后的振动阻抗的量相比较的结果。

18、如权利要求17所述的力反馈眼压计，其中所述应用至少单个校准因数的装置为微处理器。

19、如权利要求17所述的力反馈眼压计，其中所述用于确定眼内压力和应用至少单个校准因数的装置是微处理器，所述眼内压力为表示振动阻抗的量的函数。

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