基于力平衡原理的非接觸式眼壓計(jì)研制*

陳 驥，方典典，趙曉明，龐娜娜

(重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶400044)

0 引 言

眼壓的測量對(duì)青光眼和其他眼科疾病的臨床診治具有重要意義，目前，醫(yī)院普遍使用非接觸式眼壓計(jì)測量眼壓，不需接觸眼睛，可避免眼部感染［1～3］?，F(xiàn)有的非接觸式眼壓計(jì)產(chǎn)品均基于Goldmann 式眼壓計(jì)的壓平式原理進(jìn)行設(shè)計(jì)［4］，其中，日本 Topcon 生產(chǎn)的 CT-80 和美國 Reichert 生產(chǎn)的AT550 等眼壓計(jì)主要通過噴射空氣壓迫恒定面積的角膜，根據(jù)光電管接收最大值的測量時(shí)間與氣腔內(nèi)空氣壓力的變化，間接測出眼壓值［5］;而日本東京的Hiroshi Iijima、美國俄亥俄大學(xué)以及天津大學(xué)提出的激光干涉式眼壓計(jì)則通過氣流或聲波使眼角膜發(fā)生振動(dòng)，利用光束、超聲或者激光測量眼角膜的振動(dòng)，根據(jù)眼角膜振動(dòng)幅度與眼壓的關(guān)系，振動(dòng)的程度與眼內(nèi)壓力有關(guān)，間接計(jì)算出眼壓值［6～9］。這兩類測量方式均為間接測量，它們的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)多采用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴。目前，國內(nèi)用于臨床診斷的非接觸眼壓計(jì)均是國外生產(chǎn)的儀器，國內(nèi)至今無法生產(chǎn)非接觸眼壓計(jì)。

本文提出了一種基于力平衡原理和空氣靜壓技術(shù)的新的非接觸式眼壓測量方法［10］，研制了一種新型非接觸式眼壓計(jì)。與傳統(tǒng)測量方法不同，該非接觸式眼壓計(jì)在氣浮測量模塊無摩擦的狀態(tài)下，利用力平衡原理測量出眼壓。實(shí)現(xiàn)了眼內(nèi)壓的非接觸測量，具有造價(jià)低、使用方便、體積小等特點(diǎn)。

1 非接觸式眼壓計(jì)測量原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 非接觸式眼壓計(jì)測量原理

本文提出的新型非接觸式眼壓測量方法，采用空氣靜壓技術(shù)和氣體射流技術(shù)設(shè)計(jì)眼壓測量模塊，當(dāng)供氣系統(tǒng)對(duì)眼壓測量裝置的外框式氣浮墊供氣時(shí)，外框式氣浮墊與眼壓測量模塊之間產(chǎn)生一層氣膜，眼壓測量模塊懸浮于外框式氣浮墊內(nèi)不受摩擦力作用，使眼壓測量模塊處于力平衡狀態(tài)。這時(shí)眼壓測量模塊前噴嘴的氣流將眼膜噴平至額定面積的壓力和后噴嘴氣流噴至壓力傳感器產(chǎn)生的作用力相平衡，由于眼膜到前噴嘴的距離與壓力傳感器到后噴嘴的距離相等，眼膜被噴平時(shí)，通過傳感器測得的壓力即為眼內(nèi)壓值。

1.2 非接觸式眼壓計(jì)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的基于力平衡原理的非接觸式眼壓測量計(jì)包括眼壓測量模塊、供氣系統(tǒng)、傳感器信號(hào)檢測及微處理器系統(tǒng)，如圖1 所示。在供氣系統(tǒng)的便攜式靜音空壓機(jī)出口將氣路分為2 路，一路對(duì)外框式氣浮墊供氣，外框式氣浮墊用于承載眼壓測量模塊，使眼壓測量模塊可無摩擦地懸浮于外框式氣浮墊中，另一路通過數(shù)字比例閥后對(duì)眼壓測量模塊中心氣腔供氣，由微處理器調(diào)節(jié)數(shù)字比例閥，控制測量時(shí)的供氣壓力，通過噴嘴分別向眼角膜和壓力傳感器噴氣。位于眼壓測量模塊中心氣腔中心的微型CCD 攝像頭，通過噴嘴中心對(duì)眼部成像，用于監(jiān)測角膜與前噴嘴的對(duì)準(zhǔn)情況，便于對(duì)準(zhǔn)和調(diào)整距離。角膜壓平光電檢測裝置用于檢測眼角膜是否壓平，通過檢測壓力傳感器的測量信號(hào)測出眼壓值。

圖1 非接觸式眼壓計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of noncontact tonometer

2 眼壓測量模塊設(shè)計(jì)

非接觸式眼壓計(jì)的眼壓測量模塊如圖2 所示，采用前后對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓力傳感器安裝在眼壓測量裝置的后擋板上，距后噴嘴的距離為L，與前噴嘴到被測眼膜的距離相同［11～13］。此模塊主要實(shí)現(xiàn)角膜對(duì)準(zhǔn)、噴氣壓平角膜、檢測角膜壓平等功能。

2.1 角膜對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

圖2 眼壓測量模塊縱向剖面圖Fig 2 Longitudinal profile of intraocular pressure measuring module

眼壓測量模塊的角膜對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)主要由微型CCD 攝像頭、LED 固視燈以及透明材質(zhì)制作的前噴嘴組成，如圖2 所示。將眼角膜置于與眼壓測量模塊同一水平線的位置上，眼睛透過前噴嘴望向眼壓測量模塊中央的LED 燈，LED 燈起到眼球固視燈的作用。同時(shí)，安裝在眼壓測量模塊幾何中心內(nèi)的微型CCD 攝像頭獲取眼角膜的圖像，噴嘴采用透明材質(zhì)設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)保證CCD 攝像頭獲取完整的眼部圖像，可根據(jù)獲取圖像大小范圍和清晰程度來前后調(diào)節(jié)眼壓測量模塊，使眼角膜到前噴嘴的距離等于設(shè)計(jì)距離L，該距離與后噴嘴到壓力傳感器的距離相同。眼角膜和前噴嘴對(duì)準(zhǔn)之后，啟動(dòng)測量開始按鈕，供氣系統(tǒng)通過導(dǎo)管向眼壓測量模塊中心氣腔供氣，通過前噴嘴和后噴嘴分別向眼角膜和壓力傳感器噴氣，角膜曲率隨著氣流的增大而變化。

2.2 角膜壓平光電檢測系統(tǒng)

眼壓測量模塊中的角膜壓平光電檢測系統(tǒng)，如圖3 所示，用于檢測眼角膜是否壓平，基于Goldmann 壓平式眼壓測量原理，當(dāng)角膜壓平到額定面積時(shí)，眼內(nèi)壓力等于壓平眼角膜的壓力，設(shè)計(jì)的眼角膜到前噴嘴的距離L 要滿足氣流噴出時(shí)使眼角膜被壓平時(shí)的額定面積。

圖3 眼壓測量模塊橫向剖面圖Fig 3 Transverse profile of intraocular pressure measuring module

前噴嘴軸線中心對(duì)稱安裝一對(duì)紅外發(fā)射管和光電接收管，當(dāng)供氣系統(tǒng)提升供氣壓力時(shí)，噴出的氣流使得角膜變形，從紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后射向被測角膜，再經(jīng)角膜反射后，經(jīng)透鏡會(huì)聚到光電接收元件上。當(dāng)被測角膜被壓平到額定面積時(shí)，光電接收元件接收到的光強(qiáng)達(dá)到最大值，如圖4 所示。

3 外框式氣浮墊設(shè)計(jì)

3.1 外框式氣浮墊結(jié)構(gòu)

外框式氣浮墊采用空氣靜壓技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由底部氣浮墊和左、右氣浮墊構(gòu)成整個(gè)框架，用于承載眼壓測量模塊。去掉頂部蓋板的實(shí)際設(shè)計(jì)制作的外框式氣浮墊的實(shí)物照片如圖5 所示。

圖4 光電檢測示意圖Fig 4 Schematic diagram of photoelectric detection

圖5 外框式氣浮墊實(shí)物圖Fig 5 Entity photo of frame type air cushion

在工作過程中，供氣系統(tǒng)通過外框式氣浮墊的左氣浮墊上的進(jìn)氣孔向左氣浮墊、右氣浮墊及底部氣浮墊供氣，左氣浮墊、右氣浮墊及底部氣浮墊的氣路是貫通的，靜壓氣體通過氣浮墊上的節(jié)流孔流出，然后在氣浮墊和眼壓測量模塊的支承面間形成一層氣膜，該氣膜使得外框式氣浮墊和眼壓測量模塊之間處于無摩擦狀態(tài)。其中，底部氣浮墊產(chǎn)生向上的推力，該氣浮推力和重力相互平衡，左、右氣浮墊分別產(chǎn)生的向左和向右的推力相互平衡，使眼壓測量模塊達(dá)到懸浮的效果。

設(shè)計(jì)的各氣浮面均采用4 個(gè)幾何對(duì)稱的節(jié)流孔，圖6中，b 為氣浮面的總長度，b2為兩節(jié)流孔間的距離，b1為長度方向上節(jié)流孔到氣浮面端部的距離，a 為氣浮面的寬度，a2為兩節(jié)流孔間的距離，a1為寬度方向上節(jié)流孔到氣浮面端部的距離。設(shè)計(jì)的各氣浮面基本尺寸如表1 所示。

表1 外框式氣浮墊氣浮面尺寸Tab 1 Gas surface size of frame type air cushion

設(shè)計(jì)的氣墊采用小孔節(jié)流，節(jié)流小孔直徑0.2 mm。節(jié)流小孔噴嘴采用人造紅寶石制造，人造紅寶石具有硬度高、加工性能好的優(yōu)點(diǎn)。采用激光打孔和研磨后，制造的人造紅寶石節(jié)流小孔的直徑誤差為±0.015 mm。

3.2 外框式氣浮墊的性能分析

外框式氣浮墊的底部氣浮面、左氣浮面、右氣浮面均采用小孔節(jié)流式靜壓止推氣體軸承結(jié)構(gòu)，采用有限元計(jì)算方法可以精確得到空氣軸承內(nèi)氣膜壓力的分布情況和靜態(tài)特性。下面以底部氣浮墊為例進(jìn)行分析，將底部氣浮面進(jìn)行有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分，如圖6 所示。具體的計(jì)算方法和公式參見參考文獻(xiàn)［14～16］。

圖6 底部氣浮墊結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分Fig 6 Bottom air cushion structure and grid partition

對(duì)底部氣浮墊進(jìn)行有限元分析，設(shè)潤滑氣體為常溫空氣，供氣壓力 ps=2 kgf/cm2，絕熱指數(shù) k =1.4，粘度 m =1.833 ×10－10kg·s/cm2，溫度 T0=288 K，比重 ra=1.226 ×10－6kg/cm3，氣體常數(shù) R =29.27m/K，小孔流量系數(shù) C0=0.85。根據(jù)有限元分析將底部氣浮墊的長和寬等分為M=40，N=34 進(jìn)行計(jì)算，繪制出底部氣浮墊的氣膜壓力分布圖，如圖7 所示。

從圖7 底部氣浮墊的氣膜壓力分布圖可知，氣體壓力從供氣孔處開始沿支撐面向四周逐漸降低，至氣浮面邊緣與大氣壓相近。由于4 個(gè)供氣孔對(duì)稱分布，氣浮測量模塊與氣浮墊間的氣體壓力分布也相應(yīng)對(duì)稱，氣膜厚度處處相等。此外，在供氣壓力 ps= 2 kgf/cm2，氣膜厚度 H =26.05 μm處，供氣孔出口壓力p0=1.45 kgf/cm2，有5.99 kgf的承載能力，完全可以使眼壓測量模塊處于懸浮狀態(tài)，滿足測量的需要。

圖7 底部氣浮墊的壓力分布圖Fig 7 Pressure distribution diagram of bottom air cushion

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

本文設(shè)計(jì)的新型非接觸式眼壓計(jì)，如圖8 所示。被測者將頭置于頭部托架上，眼睛看向眼壓測量系統(tǒng)的前噴嘴，通過可控?fù)u桿對(duì)眼壓測量系統(tǒng)前后左右移動(dòng)，保證前噴嘴平行對(duì)準(zhǔn)被測眼角膜，啟動(dòng)供氣系統(tǒng)對(duì)眼角膜噴氣，通過壓力傳感器的測量值可直接測出被測患者的眼內(nèi)壓。

圖8 非接觸式眼壓計(jì)的整體照片圖Fig 8 Overall photo of non contact tonometer

4.1 角膜壓平光電檢測系統(tǒng)測試

設(shè)計(jì)的非接觸式眼壓計(jì)在測量時(shí)，眼角膜到前噴嘴的額定距離為L，需要滿足當(dāng)眼角膜在額定距離L 處被壓平時(shí)，角膜壓平光電檢測系統(tǒng)接收到的光電信號(hào)最大。

實(shí)驗(yàn)選用平膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，分別置于距前噴嘴不同距離處，測量角膜壓平光電檢測系統(tǒng)光電接收管的信號(hào)輸出變化，如圖9 所示。由圖9 可知，在壓力傳感器到前噴嘴的距離為10.5 mm 左右時(shí)，光電接收管接收到的信號(hào)最大，此距離剛好為設(shè)計(jì)的眼角膜距前噴嘴的額定距離L。而在此距離前后，光電接收管接收到的信號(hào)顯著下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本吻合。因而，在實(shí)際測量時(shí)，當(dāng)眼角膜到前噴嘴的距離為設(shè)計(jì)的額定距離L，光電接收管接收到反射光的信號(hào)最大時(shí)，即眼角膜被壓平至額定平面。

圖9 光電接收裝置信號(hào)變化圖Fig 9 Signal change diagram of photoeletric receiving device

4.2 實(shí)際眼壓測試

參與實(shí)驗(yàn)的自愿者將眼角膜放在距前噴嘴10.5 mm 左右，采用250 kPa 的供氣壓力對(duì)眼壓測量模塊中心氣腔進(jìn)行供氣，同時(shí)記錄光電接收裝置的信號(hào)值與壓力傳感器的測量值，將2 條測量曲線繪制在同一圖中。如圖10 所示，光電接收信號(hào)曲線的峰值處表示眼角膜被壓平，該處所對(duì)應(yīng)的壓力傳感器的測量值，即為眼內(nèi)壓值，圖中測量的眼壓值為2.75 kPa 左右，在正常眼壓范圍內(nèi)。在沒有進(jìn)行眼壓測量時(shí)也有一小部分從眼角膜反射回的散射光照射在光電接收裝置上，所以，光電接收信號(hào)曲線整體往上偏移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該非接觸式眼壓計(jì)能實(shí)現(xiàn)眼壓的非接觸測量。

圖10 非接觸式眼壓計(jì)的眼壓測量圖Fig 10 IOP measurement diagram of noncontact tonometer

為了檢驗(yàn)本測量裝置的準(zhǔn)確性，利用醫(yī)院進(jìn)口非接觸式眼壓計(jì)(Canon TX－F)和設(shè)計(jì)的眼壓測量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。表2 所示是對(duì)1 個(gè)志愿者進(jìn)行初步對(duì)比測試的結(jié)果。

表2 對(duì)比測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 2 Experimental datas of comparison test

由表2 所示，而本裝置測量眼壓的重復(fù)性誤差，雖然略大于進(jìn)口儀器，但仍然表明本測量裝置具有較高的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

本文研制了一種新型非接觸式眼壓計(jì)，該非接觸式眼壓計(jì)采用基于力平衡原理的測量方法，結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱的眼壓測量系統(tǒng)在滿足受力平衡的條件下，壓力傳感器的測量值，即為測量的眼內(nèi)壓值，實(shí)現(xiàn)了眼內(nèi)壓的非接觸測量。采用空氣靜壓技術(shù)設(shè)計(jì)了眼壓測量模塊和外框式氣浮墊，當(dāng)向外框式氣浮墊供氣時(shí)，眼壓測量模塊可穩(wěn)定地懸浮在外框式氣浮墊中。采用微型CCD 攝像頭獲取眼部圖像實(shí)現(xiàn)眼部與眼壓測量模塊的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了角膜對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化。

［1］ 王 瑋，新型眼壓計(jì)的研究和應(yīng)用進(jìn)展［J］.國際眼科縱覽，2007，2:99 －102.

［2］ EIMallah M K，Asrani S G.New ways to measure intraocular pressure［J］.Curr Opin Ophthalmol，2008，19:122 － 126.

［3］ Kanngiesser H E，Kniestedt C，Robert Y C.Dynamic contour tonometry:Presentation of a new tonometer［J］.Glaucoma，2005，14:344 －350.

［4］ Lam A，Chen D.Comparison of IOP measurements between ORA and GAT in normal Chinese［J］.Optometry and Vision Science，2007，84(9):9 －14.

［5］ 三輪哲之.非接觸式超聲眼壓計(jì):日本，200910140516.5［P］.2009-11-04.

［6］ 伊藤宏.非接觸式眼壓計(jì):日本，02149521.1［P］.2003-05-26.

［7］ 佩爾茨瓦爾C J，霍弗D H，盧斯D A.手持式非接觸的眼壓計(jì):美國，02822091.9［P］.2005-04-20.

［8］ 邢文烈.用于非接觸眼壓測量儀的激光干涉技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2004.

［9］ 內(nèi)山明彥.測量眼壓的方法和裝置:日本，02810660.1［P］.2004-07-07.

［10］ 陳 驥，方典典，趙曉明，等.非接觸式眼壓測量裝置:中國，201110142760.2［P］.2011-05-30.

［11］ 趙承慶，姜 毅.氣體射流動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998:107 －114.

［12］ Stern M.Entrainment of eddy at the edge of a jet［J］.Journal of Fluid Mechanics，1991，288:343 － 360.

［13］ 揚(yáng)文熊.湍流一般機(jī)理及其應(yīng)用［J］.力學(xué)進(jìn)展，1992，22(4):489.

［14］ 候 予.提高小孔供氣靜壓氣體徑向軸承穩(wěn)定性方法的探討［J］.潤滑與密封，2004，2:17 －19.

［15］ 十合晉一.氣體軸承的設(shè)計(jì)與制造［M］.劉 湘，徐楨基，譯.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1988:109 －120.

［16］ Majumdar B C.On the general solution of externally pressurized gas journal bearings［J］.Journal of Lubrication Technology，1972，94(4):291 －296.