眼軸長度測量儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭恒+李丕丁

摘要：

眼軸長度是指角膜前表面到視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，眼軸長度的精準(zhǔn)測量有助于眼科疾病的預(yù)防、診斷及治療?；谔┞窳指缮嫦到y(tǒng)、結(jié)合外差干涉原理搭建了一套眼軸長度測量控制系統(tǒng)，選用STM32F103ZET6作為主控芯片，采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）驅(qū)動直流電機(jī)，根據(jù)磁柵尺位移傳感器反饋的位移信息，結(jié)合PID控制算法，推動光路參考臂勻速運(yùn)動，同時完成對眼球前后表面反射的干涉光信號的峰值提取，并通過串口通信發(fā)送至上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光路參考臂平臺的閉環(huán)控制以及有效信號的提取，可較好地輔助上位機(jī)進(jìn)行眼軸長度的測量。

關(guān)鍵詞：

眼軸長度；閉環(huán)控制；外差干涉

DOIDOI：10.11907/rjdk.172081

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）012-0112-04

Abstract：The axial length is the distance between the anterior surface of the cornea and the fovea. Accurate measurement of the axial length is helpful to prevention， diagnose and treatment of ocular disease. This article established a control system which based a Twyman-Green and heterodyne interferometer system. STM32F103ZET6 is selected as the core control IC， Pulse Width Modulation（PWM） is used to drive a DC motor to push an optical platform moves uniformly with the PID control algorithm， according to the displacement value which provide by magnetic railings ruler. Meanwhile， the peak value of optical interference of rear surface of eyes is sampled and transmitted to PC by this control system. The experiment indicates that this system has realized the closed-loop control of an optical platform and the extract of effective signal to measure the axial length.

Key Words：the axial length； closed-loop control； heterodyne interferometer

0 引言

隨著白內(nèi)障手術(shù)逐漸由復(fù)明手術(shù)過渡到屈光手術(shù)，精確的眼軸長度測量關(guān)系到手術(shù)中植入人工晶狀體度數(shù)的準(zhǔn)確性，術(shù)后的屈光誤差與此密切相關(guān)[1-3]。另外，我國青少年眼部屈光不正問題日益嚴(yán)峻，視力不良率居高不下，而近視與眼軸長度增長具有正相關(guān)性，眼軸長度是區(qū)別真性近視與假性近視的重要依據(jù)[4-5]。因此，眼軸長度精確測量對于眼科疾病的預(yù)防以及臨床診斷和治療具有重要的應(yīng)用價值。

常用的測量眼軸的方法主要是超聲生物測量法和非接觸式光學(xué)測量法。超聲生物測量法主要是A型超聲測量、B型超聲測量以及A超、B超聯(lián)合測量。A超測量分為接觸式測量和浸潤式測量，接觸式測量由于需要接觸角膜，角膜會在不同程度上受到擠壓，導(dǎo)致測量結(jié)果相對于浸潤式較小[6]。使用A超測量依賴于眼內(nèi)組織回波信號波形的理想程度，對于一些病眼的測量重復(fù)性較差[7]；B超不受屈光間質(zhì)混度的影響，在測量高度近視或玻璃體視網(wǎng)膜病變眼時優(yōu)于A超[8]；A超、B超聯(lián)合測量是使用A超測量角膜到晶體后囊的距離，利用B超測量晶體后囊到視網(wǎng)膜的距離，該方法可避免誤將玻璃體混沌認(rèn)作眼后壁，與常規(guī)A超相比，術(shù)后殘余屈光在1D以上的比例減少了12%[9]，不過該方法需要聯(lián)合A超和B超，臨床上使用不多。

非接觸式光學(xué)測量是利用光學(xué)相干技術(shù)測量眼軸長度的方法。非接觸式光學(xué)生物測量有基于部分相干干涉技術(shù)（PCI）的測量方法和基于低相干反射光技術(shù)（LCOR）的測量方法，測量儀器分別包括IOL Master、IOL Master500和LenstarLS900[10]。其優(yōu)點(diǎn)在于精確性和重復(fù)性更高，非接觸式測量可以規(guī)避感染，患者愿意接受和配合，操作者也易于學(xué)習(xí)測量方法。

本文基于光學(xué)外差干涉原理，利用多普勒頻移搭建了一套非接觸式測量眼軸長度的控制系統(tǒng)，其中光路部分使用激光器，產(chǎn)生波長為780nm的紅外激光，后由棱鏡分光器將其分成兩路平行光射入眼球，其中一路作為參考光，另一路通過直流電機(jī)驅(qū)動參考臂的反射鏡勻速運(yùn)動，兩束光之間引入頻差。假設(shè)參考臂平臺的移動速度為v，反射鏡垂直勻速運(yùn)動過程中，使測試光相對于參考光產(chǎn)生一個多普勒頻移，因?yàn)楣饴肥谴怪闭丈洌嗥绽疹l移量為2v/λ。采用光電探測器從眼球前后表面檢測出反射回來的兩組相干頻移信號，并記錄下兩組干涉信號之間參考臂運(yùn)動平臺移動的距離，即眼球前后表面的光學(xué)距離，然后根據(jù)眼球屈光介質(zhì)的平均折射率計(jì)算眼軸長度。其中干涉光信號的探測使用雪崩二極管，平臺位移測量采用分辨率高達(dá)5um的磁柵位移傳感器。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

眼軸長度測量儀控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，微控制器通過電機(jī)驅(qū)動電路控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，推動光路參考臂平臺上下勻速運(yùn)動，到位信號決定平臺的初始和終點(diǎn)位置，并讀取磁柵尺位移傳感器，以獲取平臺位移信息。利用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集干涉光信號的包絡(luò)，在計(jì)算其峰值的同時，存儲對應(yīng)點(diǎn)的位置信息，并通過串口發(fā)送至上位機(jī)。

2 控制平臺硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括以下模塊：電機(jī)驅(qū)動模塊、閉環(huán)控制模塊、到位信號模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。微控制器選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6。

2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

直流電機(jī)由于其調(diào)速的平滑性、啟動與制動的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于多數(shù)變速系統(tǒng)與閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中。為滿足小功率直流電機(jī)的市場需求，各半導(dǎo)體廠商推出直流電機(jī)驅(qū)動專用芯片，其具有封裝小、集成化、外圍電路簡單的優(yōu)點(diǎn)。TB6593FHG是東芝公司推出的一款直流電機(jī)驅(qū)動專用芯片，其原理框圖如圖2所示。電機(jī)使能和轉(zhuǎn)動方向控制引腳可直接連接微控制器IO引腳，微控制器只需輸出高低電平即可進(jìn)行控制；PWM調(diào)速引腳連接到微控制器的定時器單元，微控制器配置內(nèi)部定時器輸出不同占空比的PWM波，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)制。

2.2 閉環(huán)控制模塊

根據(jù)多普勒頻移公式，光路系統(tǒng)中參考光和測試光相干信號的頻率為f=2V/λ。其中，V是參考臂平臺運(yùn)動速度，λ為近紅外光波長780nm。平臺移動的速度決定了相干光信號的頻率，尤其對于眼底返回的弱光信號而言，穩(wěn)定的信號頻率有助于光電檢測電路對其的提取。因此，平臺移動速度的閉環(huán)控制至關(guān)重要。

電機(jī)控制的反饋環(huán)節(jié)選用磁柵尺作為測量平臺位移變化的傳感器，它是在非導(dǎo)磁材料上涂上一層10～20um的磁膠，然后在這條磁性帶上記錄磁極，N極和S極相間變換，將相等節(jié)距周期變化的電信號以磁的方式記錄到磁性尺上，用它作為測量位移的基準(zhǔn)尺。在檢測位移時，通過拾磁磁頭讀取記錄在磁性標(biāo)尺上的磁信號，通過檢測電路發(fā)送出數(shù)字信號供MCU讀取。微控制器通過正交解碼讀取磁柵尺的位移量。本系統(tǒng)選用的是德國SIKO公司的MSK500AS，其分辨率高達(dá)5um。

該磁柵尺輸出差分信號，控制板通過比較器將差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘?，并通過光耦隔離輸出至微控制器定時器引腳。STM32F10X系列MCU集成了正交編碼接口，直接配置相關(guān)庫函數(shù)即可讀取位移信號。

2.3 到位信號模塊

本系統(tǒng)采用光電接近開關(guān)作為檢測平臺初始和終點(diǎn)位置的到位信號，其主要利用被檢測物體對光束的遮擋產(chǎn)生開關(guān)信號，輸出至微控制器IO口，判斷平臺到位與否，并作出相應(yīng)動作。系統(tǒng)選用的是5V供電的光電接近開關(guān)，當(dāng)平臺邊緣的擋片遮住光電開關(guān)，輸出0V低電平信號，平臺離開并輸出5V高電平，然后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電平的開關(guān)信號，以供微控制器采集。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

眼球前后表面反射回來的干涉信號經(jīng)過放大濾波、包絡(luò)提取后直接送至微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，STM32F103ZET6微控制器內(nèi)置3個12位逐次逼近型ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），其最短轉(zhuǎn)換時間為1us。微控制器采集兩路干涉信號，與位置信息打包后通過串口通信發(fā)送到上位機(jī)，以供其計(jì)算和顯示。

3 控制平臺軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括初始化程序、主程序和中斷服務(wù)程序3部分。系統(tǒng)在上電復(fù)位后，首先執(zhí)行初始化程序，包括定時器初始化、串口程序初始化、PWM輸出初始化等，執(zhí)行while（1）中的子程序，并等待串口中斷、定時器中斷程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

3.1 驅(qū)動模塊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用微控制器STM32F103ZET6的定時器，產(chǎn)生PWM信號輸出至電機(jī)驅(qū)動芯片：第一步，選擇微控制器的定時器TIM8，設(shè)置自動裝載寄存器周期的值TIM_Period，以及TIM8時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值TIM_Prescaler，通過設(shè)置上述兩個參數(shù)控制PWM信號頻率；第二步設(shè)置該引腳為復(fù)用推挽輸出；第三步設(shè)置PWM信號的占空比，通過設(shè)置函數(shù)TIM_SetCompare3實(shí)現(xiàn)。

控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及使能的IO口選用微控制器的普通輸入輸出引腳，其配置程序直接在初始化程序里實(shí)現(xiàn)。主程序接收到位信號以及上位機(jī)的指令做出相應(yīng)動作，控制相應(yīng)引腳輸出高低電平。

3.2 閉環(huán)控制模塊軟件設(shè)計(jì)

在電機(jī)運(yùn)行過程中，微控制器內(nèi)部解碼器根據(jù)磁柵尺發(fā)送的脈沖計(jì)數(shù)，主程序每ms讀取一次計(jì)數(shù)值作為瞬時速度，預(yù)設(shè)速度為45um/ms，并根據(jù)設(shè)置速度V2和實(shí)際速度V1的差值，使用PID算法修正驅(qū)動電機(jī)的PWM信號占空比，達(dá)到閉環(huán)控制的作用。閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)

光電探測電路將干涉光波形的包絡(luò)提取出來發(fā)送至微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，微控制器通過峰值檢測算法計(jì)算該波形的峰值，配置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的相關(guān)寄存器。根據(jù)示波器顯示，實(shí)際干涉光信號的包絡(luò)寬度在1ms左右，配置20us的定時器中斷，主函數(shù)里20us執(zhí)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，構(gòu)造50個元素的一維數(shù)組存放轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量。調(diào)用峰值檢測算法計(jì)算出有效信號的峰值，同時記錄對應(yīng)位置磁柵尺的讀數(shù)。

峰值檢測算法流程如圖6所示，通過窗口滑動比較上述50個數(shù)組內(nèi)的數(shù)值，找到波形的峰值，并將其保存下來。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用蔡司模擬眼模擬人眼測試該測量系統(tǒng)，下方波形為光電探測電路檢測出的干涉信號，上方波形為信號包絡(luò)，圖7為本測量系統(tǒng)測試眼球后表面反射的干涉光信號，其頻率為109.6kHz，圖8為測量眼球前表面反射的干涉信號，其頻率為107.3kHz。干涉信號理論頻率為115kHz。

5 總結(jié)與展望

本文基于外差干涉原理，結(jié)合泰曼格林干涉儀搭建光路，組建了一套用于測量眼軸長度的控制系統(tǒng)，取差頻信號為信息處理電路的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光以及其它噪聲，抗干擾性強(qiáng)；使用了磁柵尺位移傳感器和PID控制器，可提高探測精度和準(zhǔn)確度，方便快捷，容易實(shí)現(xiàn)集成化。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了參考臂平臺的勻速運(yùn)動以及信號的采集、提取，能有效配合上位機(jī)完成眼軸長度的測量，應(yīng)用前景廣闊。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?