CN202096194U - 一种眼压测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种眼压测量仪,包括电磁力发生装置、电磁力控制装置、测压探头和图像传感器;所述电磁力发生装置包括线圈和线圈中的永磁体,永磁体连接测压探头;所述测压探头内设有光路,图像传感器设在光路的末端;所述电磁力控制装置包括控制模块、压力控制电路、电磁驱动单元和电流采样电路;所述控制模块输出压力控制信号给压力控制电路,压力控制电路输出电流给所述线圈;电流采样电路对线圈中的励磁电流进行采样,电流采样电路的输出端经A/D转换电路后连接控制模块的输入端;图像传感器的输出信号传给控制模块中图像采集部分的输入端。本测量仪产生压力的原理与机械结构简易而安全可靠,由激励电流表征压力值,避免使用压力传感器获得压力值的方法。
Description
技术领域
本实用新型主要用于实现眼压的精确测量并同时获取实时眼底图像,是一种基于FPGA的医疗设备,是以降低检测次数和费用,便于医生依据所测眼压值、观察图像实时显示的眼底变化和眼底视盘的改变诊断眼科疾病的仪器,属于医疗器械技术领域。
背景技术
医疗器械技术是一个多学科交叉、知识、资金密集型的高技术型。医疗器械是单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品,包括所需要的软件,其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得,但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用。
FPGA是现场可编程门阵列的缩写,是在PLD和CPLD基础上进化而来的一种半定制的专用集成电路,以FPGA为核心既解决定制电路的限制,又克服原先可编程器件的门电路数量有限的缺点。选择FPGA需考虑门密度、片上内存大小、最大时钟频率、工作电压、最大IO引脚数和封装形式等技术因素。
眼睛是人与动物的最重要视觉器官,人眼近似球体,眼球涵盖眼球壁、眼内腔和内容物、神经、血管等组织。眼内容物对眼球壁施加的平均压力为眼压。正常人的眼压稳定在11~12mmHg,随时间而波动。正常情况下,一日之间,眼压有2~6mmHg的波动,双眼之间可能有4mmHg以内的差异。但眼压变化过大对眼睛有害,眼压过高则压迫视神经,眼压过低导致眼球变形。致盲性眼疾如青光眼等具有隐匿性,早期诊断是治疗的关键。而眼压测量和眼底检查在青光眼等眼科检查中尤为重要。近年来,患有眼疾的人数不断上升。预计2020年,全世界将有近八千万的人患有青光眼,有效诊断极为重要。
由于青光眼的诊断复杂性,单一的眼科检测结构并不能确诊,而目前眼科检测仪器只能测量单一的参数。通常先利用眼压计测量眼压,再利用检眼镜或眼底照相机观察眼底视盘改变,需进行多次检测,增添了病人的痛苦和费用。
眼压计根据测量原理不同分为压平式、压陷式和非接触式三种。Goldmann眼压计是压平式眼压测量的代表,探头直径为3.06mm,探头内有两个基底相反的三棱镜,使与角膜接触处的圆形物象移位成两半圆,眼压值是两半圆刚好接触时,角膜压平面直径就是3.06mm所施加的压力值,是公认的眼压测量“金标准”。本实用新型依据Goldmann压平式的测量原理基础提出新的眼压测量***。
青光眼的诊断复杂性,单一的眼科检测结构并不能确诊,而目前眼科检测仪器只能测量单一的参数。通常先利用眼压计测量眼压,再利用检眼镜或眼底照相机观察眼底视盘改变,需进行多次检测,增添了病人的痛苦和费用。
发明内容
技术问题:本实用新型的目的是基于FPGA和Nios II软核,提供一种压力迫使眼球形变,并对角膜受压图像和眼底图像动态变化记录的装置及方法,用于精确检测眼压值和实时眼底图像,清晰地展现图像。
技术方案:
一种眼压测量方法,步骤包括:
1)先用电磁力驱动控制测压探头压迫眼球,使角膜产生形变;再采集记录压迫眼球过程中动态变化的角膜压平图像;最后依据该角膜压平图像得到角膜压平面积;
2)电磁力和产生电磁力的励磁电流的大小成线性关系,用励磁电流表征压迫眼球的压力值,该压力值结合角膜压平面积得到眼压值;
所述步骤1)中,角膜压平面积的计算方法是从角膜压平图像正中间开始,从上、下、左和右四个方向依次扫描连通域并计数,得到该连通域的有效像素,即得到图像;再根据该图像和实物图像的比例,依据下述公式得到角膜压平面积;
(采集到的图像)∶(实物图像)=(角膜压平面积)∶(行业标准中的实物压平面积)。
所述步骤1)中,角膜压平图像的求解方法是将采集到的原始图像f(x,y)进行二值化,得到所需二值化图像g(x,y),方法是
所述步骤1)中,还采集压迫眼球过程中动态变化的眼底图像;采集压迫眼球过程中动态变化的角膜压平图像和眼底图像是采用图像传感器通过双光路采集得到。
对于所述图像传感器,由双光路采集角膜压平图像和眼底图像,图像大小分别是512像素*512像素和64像素*64像素。
所述迭代阈值法步骤包括:
先求出二值化图像的最大灰度值μMAX和最小灰度值μMIN,令初始阈值T0=(μMAX+μMIN)/2;
再根据阈值T0将图像分割为前景和背景,分别求出两者的平均灰度值μ0和μ1,然后求出新阈值TK=(μ0+μ1)/2;
最后迭代计算TK+1,直至TK收敛,即TK=TK+1;
所述最大熵阈值法步骤包括:
假设图像大小为M×N,先按灰度值将图像分成背景和前景两部分,分割的阈值为T,图像中灰度值小于阈值T 的像素个数记作N0,灰度值大于阈值T的像素个数记作N1;
设前景像素点占整幅图像的比例为ω0,平均灰度μ0;背景像素点占整幅图像的比例为ω1,平均灰度为μ1;整幅图像的平均灰度为μ,类间方差记为g,则
N0+N1=M×N,ω0+ω1=1、 N0+N1=M×N,ω0+ω1=1,
μ=ω0μ0+ω1μ1 μ=ω0μ0+ω1μ1
g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2 g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2
使用类间方差g最大的阈值T作为最佳分割阈值。
一种使上述方法的眼压测量仪,包括电磁力发生装置、电磁力控制装置、测压探头和图像传感器;
所述电磁力发生装置包括线圈和线圈中的永磁体,永磁体连接测压探头;
所述测压探头内设有光路,图像传感器设在光路的末端;
所述电磁力控制装置包括控制模块、压力控制电路、电磁驱动单元和电流采样电路;
所述控制模块输出压力控制信号给压力控制电路,压力控制电路输出电流给所述线圈;电流采样电路对线圈中的励磁电流进行采样,电流采样电路的输出端经A/D转换电路后连接控制模块的输入端;
图像传感器的输出信号传给控制模块中的图像采集部分的输入端。
所述控制模块连接有图像传输电路,通过图像传输电路连接有后台PC机。
所述控制模块是FPGA,该FPGA的核心控制电路包括:
压力控制模块、图像处理模块、图像采集接口、图像缓存和图像传输接口;压力控制模块的输入端连接电流采样电路的输出端,压力控制模块的输出端连接压力控制电路;图像传感器的输出端连接图像采集接口,图像传输电路连接图像传输接口;
所述压力控制模块、图像处理模块、图像采集接口、图像缓存和图像传输接口连接在同一AVALON总线上。
所述图像传感器的图像帧率和压力控制信号的压力变化率相同。
所述永磁体通过杠杆结构连接测压探头;所述杠杆结构包括连杆和转轴,连杆中间连接在转轴上;连杆的一端连接永磁体,拉杆另一端连接测压探头。
所述光路是双光路。
有益效果:测量仪产生压力的原理与机械结构简易而安全可靠,由激励电流表征压力值,避免使用压力传感器获得压力值的方法。探头直径采用7.2mm,压平面直径与探头直径相同,所得压力范围:0~0.48982N,精度为0.05g。实时图像传感器记录角膜压平图像变化,并由图像处理算法计算压平面积。USB数据绝对传输速率高达41.4MB/s,帧率是200、分辨率为512×512的眼底图像的传输速率是6.225MB/s,结果直观准确。
附图说明
图1基于FPGA眼压测量仪的测量仪硬件原理图。
图2基于FPGA眼压测量仪的测量测量仪构架示意图,
1是眼球、2是双光路、3是连杆、4是图像传感器、5是测压探头、6是转轴、F为电磁力。
图3基于FPGA眼压测量仪的测量仪软件框架。
具体实施方式
本眼压测量方法,步骤包括:
1)通过电磁铁驱动机械结构控制探头压迫眼球的压力,使角膜产生形变。同时通过透镜由双光路利用图像传感器记录压迫眼球过程中角膜压平图像和眼底图像的动态变化,依据该角膜压平图像得到角膜压平面积;
2)驱动机械结构的力的大小和外磁场中以电磁铁为磁芯的线圈中激励电流成线性关系,用励磁电流表征安培力得到的压力值,该压力值结合角膜压平面积得到眼压值;
所述角膜压平图像先进行图像分割,再面积计算。
由于是双光路设计,测量***需要的图像大小:512*512(25bps)和64*64(200bps)。依据图像传感器配置的相关寄存器可知图像的帧频由窗口和消隐寄存器共同控制。
所述图像分割采用阈值分割法,包括迭代阈值法、最大类间方差法或最大熵阈值法;对应于不同环境背景对三种方法获取图像进行对比挑选。
所述角膜压平面积的计算方法是从角膜压平图像正中间开始,从上、下、左和右四个方向依次扫描连通域并计数,得到该连通域的有效像素;再根据图像和实物的比例,得到角膜压平面积。
测量***需要的图像大小的求解方法是,
本例中图像采集模块所采用的MT9M001图像传感器默认的图像帧频为30bps,有效像素为1280*1024。由双光路采集角膜压平图像和眼底图像,需通过专用的串口协议设置图像传感器的相关寄存器设置测量***需要的图像大小:512*512(25bps)和64*64(200bps)。依据图像传感器配置的相关寄存器可知图像的帧频由窗口和消隐寄存器共同控制。
帧频计算方法如下:
其中:shutter_width=win_height1+vert_blank=(Reg0×09)个像素时钟,row_time=win_width+1+horiz_blank+244=((Reg0×04+1)+(Reg0×05-19)+244)个像素时钟,overhead_time=180个像素时钟,reset_delay=(4×Reg0×0C)个像素时钟,因此CMOS主频fclk为24MHz,Reg0×05和Reg0×0C都是用默认值,因此,只需设置寄存器0×09的值,就能设置帧率。***要求的帧率frate为25fps(512*512)和200fps(64*64),根据计算得,图像传感器寄存器0×09的值分别为0×04F6和0×00DA。
因图像传感器工作环境的光强度不同会影响图像的成像质量,通过设置寄存器0×2B、0×2C、0×2D和0×2E单独设置图像各行各列的像素增益。
进行图像分割,是在原始图像f(x,y)中找到阈值T,将图像分割为两个部分,分割后的图像为
取b0=0,b1=1,得到的图像就是所需的二值化图像。
按先求出图像的最大灰度值μMAX和最小灰度值μMIN,令初始阈值T0=(μMAX+μMIN)/2;再根据阈值T0将图像分割为前景和背景,分别求出两者的平均灰度值μ0和μ1,然后求出新阈值TK=(μ0+μ1)/2;最后迭代计算TK+1,直至TK收敛,即TK=TK+1,则TK即为阈值的迭代阈值法。
假设图像大小为M×N,先按灰度值将图像分成背景和前景两部分,分割的阈值为T,图像中灰度值小于阈值T 的像素个数记作N0,灰度值大于阈值T 的像素个数记作N1。并设前景像素点占整幅图像的比例为ω0,其平均灰度μ0;背景像素点占整幅图像的比例为ω1,其平均灰度为μ1;整幅图像的平均灰度为μ,类间方差记为g。则
N0+N1=M×N,ω0+ω1=1、 N0+N1=M×N,ω0+ω1=1
μ=ω0μ0+ω1μ1 μ=ω0μ0+ω1μ1
g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2 g=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2
使类间方差g最大的阈值T即为所求得的最佳分割阈值的最大类间方差法;。
利用图像熵的最大值来确定阈值就是最大熵阈值法,该方法是现有成熟技术,不进一步限制。
由于角膜受压图像的有效像素(前景)总是位于图像中间,且前景无中空,是特殊二值图像。
角膜压平面积是,在图像分割后得到的二值图像按上下左右四方向扫描连通域并计数进行面积统计,再由图像和实物比例对比计算,得到角膜压平面积。
一种使用上述方法的眼压测量仪,其核心的控制模块由FPGA实现,该FPGA的核心控制电路包括Nios II软核设计和FPGA逻辑设计;
所述Nios II软核设计包括压力控制模块和图像处理模块;压力控制模块通过反馈眼角膜的压力,生成压力控制信号,驱动测压探头压迫眼球;图像处理模块进行图像分割和面积计算;
所述FPGA逻辑设计包括图像采集接口、图像缓存和图像传输接口;图像传感器的输出连接图像采集接口,图像传输电路连接图像传输接口;
所述压力控制模块、图像处理模块、图像采集接口、图像缓存和图像传输接口连接在同一AVALON总线上。
所述图像传输电路为符合USB规范的图像传输电路。
所述压力控制电路包括模数转换电路和数模转换电路;
控制模块输出压力控制信号给数模转换电路,数模转换电路输出励磁电流给电磁驱动单元的线圈;采集得到的励磁电流信息给模数转换电路,再由模数转换电路把该压力信息输出给控制模块。
本技术方案中,以FPGA为核心控制电路,***电路主要分为:压力控制电路、图像采集存储电路和USB传输电路。并应用硬件语言实现测量仪的逻辑控制,实现速度快、灵活性强。***软件以FPGA设计与USB设计为主核心。
其中测量模块包括测压探头、图像传感器、机械结构和电磁铁等。测量仪通过由FPGA控制电磁铁产生一个线性增长的压力,用于压迫眼球使角膜产生形变。通过激励电流的大小表征压力值,方案新颖。同时由图像传感器记录此过程中角膜压平图像和眼底图像的动态变化,使用图像处理技术计算角膜压平面积,结合对应的压力值获取眼压。测量仪可获取眼底图像并上传至主机进行显示和保存。
压力控制单元用于控制电磁铁产生的压力大小,具体实现是由FPGA通过总线调控***电路状态,***电路通过总线反馈信息给FPGA。压力控制电路用电压来控制激励电流的变化,实现压力精确反馈控制。图像采集存储电路用于获得实时图像,并以SDRAM作图像缓存,解决片上缓存过小及采集、传输速度不匹配等问题。测量仪的实时传输图像运行效率的关键是数据传输速度的快慢。传输速度在很大程度上取决于硬件接口。USB作为常见的数据传输通道,其很强的通用性降低了开发难度和成本。图像传输电路以USB为接口,通用性强、速度快,实现眼底图像的实时上传。
FPGA设计由FPGA逻辑设计和Nios II软核设计通过Avalon总线相联系。NiosII***的CPU包括三种配置方案:快速型、标准型和经济性。FPGA逻辑作为底层的核心控制单元,完成对各个图像传感器和SDRAM等外设的控制。Nios II软核采用图像分割等图像处理的算法计算角膜压平面积,并控制压力的产生和变化。
图像分割方案利用阈值分割法。阈值分割法常有特征包括原始图像的灰度或彩色特征、由原始灰度或彩色值变换得到的特征。选择三种较常用的迭代阈值法、最大类间方差法、最大熵阈值法处理图像,通过直方图进行比较。由于所采集眼底图像的特殊性,图像的有效像素即前景,总是位于图像中间,且前景无中空,面积计算可将最中间的前景作为一个连通域,再用扫描法计算有效像素的个数。
USB程序包括固件程序、驱动程序和应用程序三部分,用于设置图像大小、帧率和增益,实时显示和保存眼底图像,对图像采集进行启动和停止控制,完成眼底图像的实时上传。
下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明:
一套完备的基于FPGA的眼压测量仪如附图1和附图3所示。
a、FPGA核心控制电路是测量仪的中枢,压力控制经I2C总线给数模转换芯片发送数字电压,转换成模拟电压,用以来改变电磁力。通过压力控制电路控制激励电流大小驱使电磁铁产生一个随时间增长的电磁力,由模数转换芯片将电磁力采样并通过I2C总线反馈给FPGA,实现电磁力的闭环控制,实时调整压力值。该电磁力通过杠杆等机械结构的作用,驱动测压探头压迫眼球,使角膜逐渐产生形变。同时图像传感器记录压迫过程中角膜压平图像和眼底图像的动态变化。
b、图像采集电路记录的角膜受压迫图像和眼底图像的动态变化过程,通过FPGA核心控制电路将采集到的图像存储到FPGA逻辑设计中图像缓存中,解决图像采集和传输速度的不匹配。图像传输将数据经图像传输电路及通用性强、速度快的USB电缆传输至PC机。
c、Nios II软核设计完成眼角膜阈值分割和面积计算等图像处理的算法。USB固件经固件程序、驱动程序和应用程序为传递上位PC机指令及传输FPGA核心控制电路上传的眼底动态图像数据,实时显示图像、保存图像,实现人机交互。
参考图2
所述永磁体通过杠杆结构连接测压探头;所述杠杆结构包括连杆和转轴,连杆中间连接在转轴上;连杆的一端连接永磁体,拉杆另一端连接测压探头。
所述光路是双光路,该双光路由两块凸透镜及一块反射镜构成,由较大的凸透镜得到眼底图像,由较小凸透镜得到角膜压平图像。图像传感器的512像素*512像素部分对应眼底图像,64像素*64像素部分对应角膜压平图像。
实现原理
测量仪的测量结构与FPGA核心控制电路结合实现驱动眼压测量的力及图像的跟踪采集。测量仪需要产生一个可精确控制的外力来压平角膜,该外力是通过控制驱动电磁铁的激励电流大小。电磁铁驱动依据磁场中的载流导体受到力的作用产生机械运动。在电磁驱动单元中,将永磁体作为线圈的磁芯,则线圈处于永磁体所产生的外磁场中。当线圈中通以激励电流时,由于外磁场的存在使线圈受到安培力的作用,从而使线圈和磁铁间产生相对运动。保持磁场方向不变,改变线圈中激励电流的方向,即可改变安培力的方向。给线圈施加不同方向的激励电流,可分别实现探头不同的运动方向。探头产生安培力的大小和线圈中激励电流成线性关系。控制线圈的激励电流,就能精确控制测压探头产生的压力。
测眼压需直线压力,选螺管式电磁铁,为了增大电磁力,选用有甲壳的螺管式电磁铁。为实现探头伸缩,用永磁体代替其衔铁,将线圈作为可动受力部件,依据电磁吸力、磁势、电压和发热等四个基本方程,通过理论计算与ANSYS仿真相结合,得出符合设计要求的电磁铁结构参数。
测量仪需要通过I2C控制激励电流来驱动电磁铁工作,压力控制电路重要组成部分是电流驱动部分,对输出电流的大小和精度要求较高。选择由运放、三极管、采样电阻和负载电阻(即电磁铁线圈)等组成。FPGA经数模转换芯片所得模拟电压用以电磁力改变的控制,同时将电磁力再反馈FPGA,以实现闭环控制。
图像采集电路需对图像传感器进行选型。CCD和CMOS两类本质加工工艺进行分析。以节约测量仪成本和降低功耗考虑,选择CMOS图像传感器。考虑实时采集图像,数据量大,片上缓存不能满足,需扩展片外大容量缓存。根据性价比和设计要求,对静态RAM、动态RAM、Flash ROM选择适宜图像缓存,SDRAM型号为H57V2562GTR-75C。
FPGA与CMOS图像传感器实现功能包括提供CMOS工作时钟、设置CMOS工作模式和接收CMOS图像数据,连接线路实现图像帧同步。通过确定图像传感器设置时序输出数据时序、帧率设置以及增益设置等参数至进行采集。
图像传输电路主要使用EZ-USB FX2中Slave FIFO模式,外部控制器为FPGA。在该工作模式时,FX2的CPU不直接参与数据传输,而是将其大小为4KB的FIFO作为FPGA和USB之间的数据通道。FPGA和USB可直接共享这些FIFO,并允许FPGA将数据连续传输到FIFO,当FIFO写满以后自动提交给USB,能很好解决USB高速模式传输眼底动态变化时带宽问题。
图像存储有片上FIFO缓存及SDRAM大容量缓存。SDRAM控制器的设计是存储关键,包括测量仪控制接口、命令解析模块、命令响应模块和数据通路模块。
测量仪定制Nios II CPU、添加IP核、添加I2C总线接口、添加用户自定义外设、设置基地址和中断优先级进行定制Nios II软核。采用Nios II软核设计控制压力产生和处理图像,主要分两个模块:压力控制、图像处理。
压力控制即通过I2C总线反馈控制电磁铁产生精确的电磁力,驱动测压探头压迫眼球。测定眼压的图像帧率是200,压力变化率也需为200,定时器周期设为1/200秒。FPGA核心利用定时器中断分200次通过I2C总线发送数字电压给数模转换芯片,使之产生200个线性增长的电压值,转换成电流值后驱动电磁铁。通过主机写数模转换芯片设置压力值,再由主机读模数转换芯片获取压力值。
图像处理主要通过图像分割、面积计算进行图像处理。图像分割采用实现简单、计算量小、性能稳定的阈值分割法。本测量仪分别选择三种较常用的迭代阈值法、最大类间方差法、最大熵阈值法进行分割,可实时显示直方图。通过三种方法原理类比,迭代法适用于直方图双峰比较明显、谷底较深的图像,并能快速获得满意结果;但对直方图双峰不明显,或图像目标和背景比例差异悬殊,迭代法不如最大类间方差法;但最大类间方差法也有缺陷,当图像中目标与背景的大小比例很小时,效果很差。面积计算从图像正中间开始,从上下左右四个方向一次扫描连通域并计数,得到该连通域的有效像素,再根据图像和实物的比例,得到角膜压平面积。
眼底图像传输程序包括固件程序设计、驱动程序设计、应用程序设计和图像传输速率测试。主机通过驱动程序对USB设备命令控制,并从USB设备读取指定数量的数据,供给主机做进一步的数据处理、显示和保存等。
通过本实用新型可实现直观可靠的眼压测量和眼底实时检测,同时提供了眼疾两个重要诊断依据。
Claims (6)
1.一种眼压测量仪,其特征是包括电磁力发生装置、电磁力控制装置、测压探头和图像传感器;
所述电磁力发生装置包括线圈和线圈中的永磁体,永磁体连接测压探头;
所述测压探头内设有光路,图像传感器设在光路的末端;
所述电磁力控制装置包括控制模块、压力控制电路、电磁驱动单元和电流采样电路;
所述控制模块输出压力控制信号给压力控制电路,压力控制电路输出电流给所述线圈;电流采样电路对线圈中的励磁电流进行采样,电流采样电路的输出端经A/D转换电路后连接控制模块的输入端;
图像传感器的输出信号传给控制模块中图像采集部分的输入端。
2.根据权利要求1所述的眼压测量仪,其特征是所述控制模块连接有图像传输电路,通过图像传输电路连接有后台PC机。
3.根据权利要求2所述的眼压测量仪,其特征是所述控制模块是FPGA,该FPGA的核心控制电路包括:压力控制模块、图像处理模块、图像采集接口、图像缓存和图像传输接口;压力控制模块的输入端连接电流采样电路的输出端,压力控制模块的输出端连接压力控制电路;图像传感器的输出端连接图像采集接口,图像传输电路连接图像传输接口;所述压力控制模块、图像处理模块、图像采集接口、图像缓存和图像传输接口连接在同一AVALON总线上。
4.根据权利要求1所述的眼压测量仪,其特征是所述图像传感器的图像帧率和压力控制信号的压力变化率相同。
5.根据权利要求1所述的眼压测量仪,其特征是所述永磁体通过杠杆结构连接测压探头;所述杠杆结构包括连杆和转轴,连杆中间连接在转轴上;连杆的一端连接永磁体,拉杆另一端连接测压探头。
6.根据权利要求1所述的眼压测量仪,其特征是所述光路是双光路。
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