眼角膜超声测厚及眼压测量复合传感器设计

夏 翎,赵兴群

(东南大学生物科学与医学工程学院,南京 210096)

眼角膜超声测厚及眼压测量复合传感器设计

夏 翎,赵兴群*

(东南大学生物科学与医学工程学院,南京 210096)

眼角膜厚度和眼压是眼球的两个重要生理参量,是诊断屈光不正、青光眼等眼科疾病的重要指标。新型复合传感器能一次性完成两个参量的测量。使用这种传感器,可以提高眼科医学诊断的便利性,同时可以根据角膜厚度修正眼压值。通过超声传感器和使用电磁驱动的压力控制系统相结合,实现两种测量的同步完成。超声传感器采用PZT系列压电复合材料,角膜厚度采用超声波脉冲回波法测量。电磁压力控制根据眼压测量的需求,通过计算得到电磁驱动系统的结构参数和电磁参数。由实验测量结果可知,角膜厚度测量精度在±10 μm范围内;电磁压力控制系统的压力范围为0～0.490 N,精度为0.000 6 N。该复合传感器测量精度和范围符合传统角膜测厚和眼压计的标准,为二合一眼科仪器研制打下基础。

医用传感器;眼角膜测厚;眼压测量;电磁压力控制

人类最常见的眼病是屈光不正,眼角膜测厚是开展屈光性手术的必要手段。眼角膜厚度的测量方法有[1]:光学测量法(optical pachymetry)、超声测量法(ultrasonic pachymetry)及用光学相干断层扫描仪OCT(Optical Coherence Tomography)、超声生物显微镜UBM(Ultrasonic Biomicroscopy)、接触式或非接触式角膜内皮镜(contact or non-contact specular microscopy)和OrbscanⅡ眼前节分析诊断系统等。其中超声测量法由于准确、简便,因而成为研制复合传感器的首选。

眼压值是诊断青光眼时的重要依据。其测量方法主要有:眼压计法、液体压力计及指压法。目前常用的眼压计是Goldmann压平眼压计、Proview眼压计、Tono-Pen眼压计、Perkins手持眼压计与非接触式眼压计等。其中,Goldmann眼压计是国际公认测量眼压的“金标准”,它利用探头压平眼角膜测得眼压值[2-3]。

但是,Goldmann眼压计的探头需手动操作,整个测量过程依赖于操作者的经验,即使测量同一被试者的眼压,不同操作者得到的结果也不尽相同。为了解决这一问题,我们设计了电磁压力控制装置,实现自动计算并显示眼压值。其中,压力控制单元能够精确控制探头施压在眼球上,并反馈压力值,是构成眼压测量仪的重要组成部分。

实际临床诊断中,角膜厚度对眼压测量值存在影响[4-6]。有很多病例的角膜厚度很厚,使用眼压计测量的眼压值很高,但是通过前房插管直接测量法得到的眼压却很正常,这些病例提示了眼压与临床表现不相符的现象,测量眼压的时候必须要考虑角膜厚度的影响。使用此复合传感器用角膜厚度值直接对眼压值进行修正,能够更精确的获得眼压临床诊断数据。

图1 测量系统组成结构示意图

1 复合传感器设计

1.1 总体结构设计

复合传感器总体设计需要将超声传感器和压力传感器整合在一起。超声眼角膜测厚采用脉冲回波法测量,此种方法在发射超声脉冲后,传感器在高压激励下会产生检测盲区,因此需要在眼球和压电晶片之间设置透声的缓冲区。结构设计要确保这两种传感器能同时工作,但它们又互不影响。

结构设计如图1所示。设计时,测压探头中嵌入一个压电式超声传感器,通过一个连杆和转轴连接到电磁压力控制单元。测压探头材质的选择既要考虑压力传递的连续性,又要能满足设置透声缓冲区的需求,透声透光性良好的轻质有机玻璃成为首选。在检测时,测压探头在电磁压力单元的控制下施压在眼球表面,内嵌的超声传感器发射超声脉冲,测量出眼角膜的厚度;电磁压力单元通过微处理器对驱动电流的控制和计算测量出眼压值。

1.2 眼角膜厚度测量

超声波传感器[7]是实现声电转换的装置,它既能发射超声波又能接收发射出去的超声回波,并能转换为电信号。超声波传感器根据其工作原理可以分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在实际使用中,以压电式探头最为常见。

超声波测厚的方法主要有脉冲回波法、共振法和干涉法3种。共振法和干涉法可测厚度在0.1 mm以下的材料,精度较高,可达0.1%,但对物体表面光洁度要求较高,脉冲回波法虽然测量精度仅能达到1%,但对被测物体表面光洁度要求较低,可测表面略粗糙的物体,而且电路设计简单容易实现。

眼科用超声探头一般有两种:一种为注水式探头,另一种称为固体探头,都使用单晶体凹面圆形超声换能器。凹面的设计使超声波束有效地聚焦,以提高测量的纵向分辨力。

图2 脉冲反射法测厚原理图

本设计采用的是使用压电式超声传感器的固体探头,使用脉冲回波法测量眼角膜厚度。测厚原理如图2所示。凹面圆形超声换能器在高压激励电脉冲作用下发射超声脉冲波,经由探头前端透声的缓冲区聚焦至眼角膜,在眼角膜的外壁和内壁产生反射,得到两个对应的脉冲回波,通过检测角膜前、后壁回波的时间间隔T,便能够得到眼角膜厚度d,计算公式如下:

(1)

式中:C为超声波在眼角膜内的传播速度。

超声传感器的具体设计详见2.1。

1.3 眼压测量

本设计参照的Goldmann眼压计,眼压测量采用压平式原理。用外力将角膜压平,设置固定压平面积,测量压平该面积所需力的大小来计算眼压。测量范围为0～10.64 kPa(0～80 mmHg),测量精度为0.067 kPa(0.5 mmHg),其探头直径为5.8 mm,压平时的压平面直径3.06 mm。根据Imbert-Fick原理:Pt(眼内压)=F(压平角膜的外力)/S(压平面积),探头承受的压力范围是 0～0.078 N,测量精度为0.000 5 N[8-9]。

我们设计的眼压自动测量仪探头直径为12 mm,压平面直径7.2 mm,眼压测量范围仍然是0～10.64 kPa,那么,该眼压测量仪探头上承受的压力与Goldmann成正比,比值为3.62/1.532=5.54,即压力范围是0～0.432 N。故该电磁驱动系统要求能够提供范围为0～0.432 N、精度为0.003 N的力。

目前常用驱动装置的原理有:电磁型、压电晶体型、形状记忆合金型、静电型、气动型和热膨胀型。因电磁型驱动结构简单,故本设计选择电磁铁作为测压探头的动力装置。

电磁驱动的基本原理是,磁场中的载流导体受到力的作用,并产生机械运动,运动方向由安培定律决定。在电磁驱动单元中,将永磁铁作为线圈的磁芯,则线圈处于永磁铁所产生的外磁场中。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,从而使线圈与磁铁之间产生相对运动。在保持磁场方向不变的前提下,改变线圈中激励电流的方向,就可以改变安培力的方向,故给线圈施加不同方向的激励电流,可以分别实现探头的伸和缩。探头产生的安培力和线圈中的激励电流成线性关系,只要控制线圈激励电流,就能精确控制探头产生的压力,从而推知眼压值。

眼压测量仪是低功耗手持式设备,要求电磁驱动单元的体积小、工作电压低。综合考虑后,电磁驱动单元设计目标为:在电源3.3 V条件下,设计一个体积小于20 mm×20 mm×20 mm、电磁力范围为0～0.443 2 N、精度为0.000 5 N的直流电磁铁,可控制并反馈得到电磁力的大小。

控制单元用于控制电磁铁进行工作,主要功能是微处理器通过数模发送控制压力大小模拟电压,用以控制激励电流,改变电磁力大小,再将电磁力通过模数采样反馈给微处理器,以实现电磁力的闭环控制,实时调整压力值大小。

设计框图如图3所示。

压力测量参数设计详见2.2。

图3 控制单元设计框图

2 参数计算

2.1 超声传感器参数计算

超声传感器的工作波长决定了它的纵向分辨力,从这一角度出发,它的频率越高越好。但是频率越高超声信号衰减越快,不利于回波信号的检测。我们选择15 MHz作为超声传感器的工作频率。它的极限分辨力R是波长λ的1/4,根据频率f和波长λ的关系公式:

λ=c/f

(2)

取超声波在人体眼球中传播的平均速度1640 m/s,可以得出分辨力R为:

(3)

这一指标能够满足检测的分辨力要求。

为进一步提高测量的纵向分辨力,防止扩散的超声波束产生杂散回波对检测产生影响,探头采用了凹面聚焦设计。超声传感器结构如图4所示。

图4 超声波传感器结构图

一般而言,正常人的角膜厚度为500 μm～600 μm,取中间值550 μm。将焦距置于眼角膜厚度的中点,得到公式:

(4)

探头前端的透声缓冲区长度即为传感器到眼角膜表面的距离D,用压电复合材料制成的超声传感器,在附加了吸声背衬块之后,它的盲区能做到不大于20个频率周期。有机玻璃的声速为2 692 m/s,据此可以计算出避开盲区所需的距离最小值Dmin:

(5)

根据压力部分的结构设计,探头直径d为12 mm,考虑到结构装配,内嵌的超声传感器弦长dx设计为10 mm,图4中a为超声波束的聚焦夹角,取夹角为45°时根据公式:弦长=2Rsina可知:

(6)

最终得出传感器到眼角膜表面的距离:

(7)

由于D大于Dmin,满足消除超声传感器探测盲区的要求。

2.2 电磁压力控制的参数计算[10]

电磁压力设计时,先根据电磁系统的实际需要选择电磁铁的结构。通常,螺管式电磁铁具有反力特性平坦且可作行程较大的直线运动的特点;拍合式电磁铁具有反力特性较陡峭且作旋转运动的特点。眼压测量需要直线压力,且要以尽量小的体积获得较大的电磁力,故选用有甲壳的螺管式电磁铁。为实现探头伸出和缩进,需要该电磁铁能够产生双向电磁力,故用永磁体代替其衔铁,将线圈作为可动受力部件。电磁铁结构如图5所示。

图5 电磁铁结构轴向截面示意图

结构尺寸和电磁参数可以通过解析法或COMSOL等数值仿真软件得到[11]。本设计依据电磁吸力、磁势、电压和发热等4个基本方程,采用解析法确定符合要求的电磁铁结构参数。由图5可知,线圈所受电磁力F由两个分量组成,即由主气隙磁导及相应的主磁场能量变化所产生的端面电磁力Fδ和由侧面漏磁场能量变化所产生的螺管力Fl。

所以作用于全部线圈上的螺管力为:

(8)

式中j铜环中的电流密度,rn和rw分别为线圈的内外半径。

不考虑非工作气隙的磁阻,由伸到磁铁内腔那部分的线圈侧表面所切割的全部漏磁通是:

(9)

漏磁部分单位长度内的磁势:

(10)

式中:N为线圈匝数,hxq为线圈高度,g为线圈与永磁体之间每单位长度上的漏磁磁导,z为线圈伸到磁铁内腔长度。因此,螺管力为:

(11)

假定不计磁阻,为计算作用在线圈上的总电磁力,则其磁链为:

(12)

(13)

因Φδ=IN·Gδ且z+δ=hxq,代入式(12),则:

(14)

由电磁力能量平衡公式得,

(15)

在直流情况下,

(16)

上式第一项是端面电磁力,就是通常意义下的电磁铁吸力公式;第二项是螺管电磁力。由以上推导可以看出总电磁力和电磁铁尺寸参数的关系,并根据所需的电磁力大小得出合适的尺寸参数。

再由电压方程式确定电压与导线截面积的关系。直流情况下,

(17)

式中:Rxq为线圈电阻,qx和ρx分别是导线截面积和电阻率,dx为导线直径。由上式可以根据电磁铁工作电压和尺寸参数选择直径合适的导线。

由于眼压测量中的电磁铁属于短时工作制,正常工作时温升很小,发热方程可以不予考虑。

根据上述4个主要的方程,可以初步确定电磁铁的参数。但是,由此确定的参数是否符合设计要求,还需依据结果进行调整。

3 测量实验

3.1 超声波测厚实验

实验对象为标准眼球模型(厚度为556 μm)。将模型水平放置,用探头轻轻垂直地接触模型表面,同一点上连续测量20次,记录结果。实验结果如表1所示。

表1 眼角膜模型厚度测量实验结果

角膜厚度测量实验的结果说明传感器具有良好的精确度和重复性,达到±10 μm测量精度。

3.2 电磁压力测量实验

测量系统产生压力是基于电磁理论中激励电流和电磁力正比关系,因此,为了验证所设计的电磁压力控制单元中电磁力与激励电流的关系,进行如下两项实验。

图6为行程为1 mm时该控制系统的电磁力与激励电流关系。图中两条曲线分别由两种方式得到电磁力数据:数值计算和实际测量,两条曲线总体趋势一致。

图6 行程为1 mm时电磁力与激励电流关系

图7为激励电流100 mA时,测量系统压力控制模块的电磁力与其行程的关系。图中两条曲线分别是由数值计算和实际测量得到电磁力数据。由于电磁铁行程无法精确测量,实际只能以行程为0 mm、5 mm 和10 mm 3点的电磁力值为代表。由图可见,曲线总体趋势一致,当电磁铁的激励电流一定时,电磁力随着行程的增大而减小,且近似成线性关系。

图7 行程为1 mm时电磁力与激励电流关系

由实验结果可知,当电磁铁行程一定时,电磁力和激励电流近似成正比;当激励电流一定时,电磁力随着行程的增大迅速减小。利用行程不变时,电磁力和激励电流良好的线性关系,根据激励电流能间接推知电磁力大小,实现眼压的自动测量。测量过程使用FPGA中固化的算法可实现动态误差的实时修正[12]。

3.3 角膜厚度和眼压的修正关系

角膜厚度对眼压的影响早在20世纪五六十年代就有报道,1957年Goldman也讨论过角膜厚度对眼压测量值的影响,Ehlers等发现压平眼压值和压力测量法所得到的实际眼压之间的差异可以通过角膜厚度线性校正。眼压校正值(mmHg)为:0.071(平均角膜厚度578 μm)。其中578 μm是统计得到的健康人群的平均角膜厚度。

随后,Herndon等发现,角膜厚度与眼压计测量得到的值并不一定成完全的线性变化,其研究发现,眼压计测量得到的眼压值随角膜厚度的变化如表2所示。

表2 Herndon对照表

根据Herndon对照表,可以将眼压计测量得到的眼压值加上角膜厚度对应的眼压校正参数。

由此可见,不同研究得出的修正方法有所不同。综合以上研究结果,正常人群平均角膜厚度值可设定为550 μm。角膜厚度每偏离正常人群平均值10 μm,压平眼压计测得的眼压值大约偏离真实值0.5 mmHg。

4 小结

本课题研究的复合传感器是一种可以同时测量角膜厚度和眼压的新型传感器,它仅需要接触一次眼球就可以同时测量获取角膜厚度和眼压值,并根据测量得到的角膜厚度对测量眼压进行校正,更加准确的得到实际眼压值。本传感器角膜厚度测量采用超声波脉冲回波法,眼压测量通过电磁驱动的压力控制系统实现。经实验验证,该复合传感器达到了设计要求,为研制新型眼科诊断仪器提供了方便。

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DesignofCompositeSensorforUltrasoundCornealThicknessandIntraocularPressureMeasurement

XIALing,ZHAOXingqun*

(School of Biological Science and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Corneal thickness and intraocular pressure(IOP)are both the significant physiological parameters of the eyeball,and have great influence on the diagnosis of refractive errors,glaucoma and other eye diseases. The new kind of composite sensor could achieve a simultaneous measurement of the two parameters. The use of this sensor,on the one hand could improve the convenience of ophthalmic diagnosis,on the other hand could correct IOP based on corneal thickness. To complete the two measurements synchronously,the ultrasonic sensor and the electromagnetic-driven pressure control system were combined. Ultrasonic sensor used piezoelectric composite materials,and corneal thickness was measured with the high frequency ultrasonic pulse-echo. The structural and electromagnetic control parameters in the electromagnetic drive system were got by electromagnetic functions,the electromagnetic force was controlled according to the actual needs of IOP measuring. The experimental results showed that the accuracy of corneal thickness measurement was within ±10 μm;in the electromagnetic pressure control system,the pressure range was 0～0.490 N,the accuracy 0.000 6 N. The accuracy and range of the composite sensor were in line with the standard of traditional corneal thickness measurement and tonometer. This study laid the foundation for the further development of two-in-one measuring ophthalmic instruments.

medical sensor;corneal thickness measurement;intraocular pressure measurement;electromagnetic pressure control

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.003

2017-09-25修改日期2017-11-08

TH786

A

1004-1699(2017)12-1794-06

夏翎(1963-),男,浙江诸暨人,东南大学助理工程师。主要从事医学仪器设计和开发、模拟及数字电路设计、超声信号在医学及工业上的应用研究,xialing@seu.edu.cn;

赵兴群(1964-)男 江苏泰州市 博士 现任东南大学教授,主要从事医学仪器设计和开发、医学信号分析与处理、超声波检测技术及应用等研究,ndt@seu.edu.cn。