眼轴长度测量仪控制系统设计与实现

郭恒+李丕丁

摘要：

眼轴长度是指角膜前表面到视网膜色素上皮层的距离，眼轴长度的精准测量有助于眼科疾病的预防、诊断及治疗。基于泰曼格林干涉系統、结合外差干涉原理搭建了一套眼轴长度测量控制系统，选用STM32F103ZET6作为主控芯片，采用脉冲宽度调制技术（PWM）驱动直流电机，根据磁栅尺位移传感器反馈的位移信息，结合PID控制算法，推动光路参考臂匀速运动，同时完成对眼球前后表面反射的干涉光信号的峰值提取，并通过串口通信发送至上位机。实验结果表明，该系统实现了光路参考臂平台的闭环控制以及有效信号的提取，可较好地辅助上位机进行眼轴长度的测量。

关键词：

眼轴长度；闭环控制；外差干涉

DOIDOI：10.11907/rjdk.172081

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：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

随着白内障手术逐渐由复明手术过渡到屈光手术，精确的眼轴长度测量关系到手术中植入人工晶状体度数的准确性，术后的屈光误差与此密切相关[1-3]。另外，我国青少年眼部屈光不正问题日益严峻，视力不良率居高不下，而近视与眼轴长度增长具有正相关性，眼轴长度是区别真性近视与假性近视的重要依据[4-5]。因此，眼轴长度精确测量对于眼科疾病的预防以及临床诊断和治疗具有重要的应用价值。

常用的测量眼轴的方法主要是超声生物测量法和非接触式光学测量法。超声生物测量法主要是A型超声测量、B型超声测量以及A超、B超联合测量。A超测量分为接触式测量和浸润式测量，接触式测量由于需要接触角膜，角膜会在不同程度上受到挤压，导致测量结果相对于浸润式较小[6]。使用A超测量依赖于眼内组织回波信号波形的理想程度，对于一些病眼的测量重复性较差[7]；B超不受屈光间质混度的影响，在测量高度近视或玻璃体视网膜病变眼时优于A超[8]；A超、B超联合测量是使用A超测量角膜到晶体后囊的距离，利用B超测量晶体后囊到视网膜的距离，该方法可避免误将玻璃体混沌认作眼后壁，与常规A超相比，术后残余屈光在1D以上的比例减少了12%[9]，不过该方法需要联合A超和B超，临床上使用不多。

非接触式光学测量是利用光学相干技术测量眼轴长度的方法。非接触式光学生物测量有基于部分相干干涉技术（PCI）的测量方法和基于低相干反射光技术（LCOR）的测量方法，测量仪器分别包括IOL Master、IOL Master500和LenstarLS900[10]。其优点在于精确性和重复性更高，非接触式测量可以规避感染，患者愿意接受和配合，操作者也易于学习测量方法。

本文基于光学外差干涉原理，利用多普勒频移搭建了一套非接触式测量眼轴长度的控制系统，其中光路部分使用激光器，产生波长为780nm的红外激光，后由棱镜分光器将其分成两路平行光射入眼球，其中一路作为参考光，另一路通过直流电机驱动参考臂的反射镜匀速运动，两束光之间引入频差。假设参考臂平台的移动速度为v，反射镜垂直匀速运动过程中，使测试光相对于参考光产生一个多普勒频移，因为光路是垂直照射，多普勒频移量为2v/λ。采用光电探测器从眼球前后表面检测出反射回来的两组相干频移信号，并记录下两组干涉信号之间参考臂运动平台移动的距离，即眼球前后表面的光学距离，然后根据眼球屈光介质的平均折射率计算眼轴长度。其中干涉光信号的探测使用雪崩二极管，平台位移测量采用分辨率高达5um的磁栅位移传感器。

1 控制系统总体方案设计

眼轴长度测量仪控制系统总体方案设计如图1所示，微控制器通过电机驱动电路控制直流电机的正反转，推动光路参考臂平台上下匀速运动，到位信号决定平台的初始和终点位置，并读取磁栅尺位移传感器，以获取平台位移信息。利用内置的模数转换器采集干涉光信号的包络，在计算其峰值的同时，存储对应点的位置信息，并通过串口发送至上位机。

2 控制平台硬件设计

控制系统的硬件设计包括以下模块：电机驱动模块、闭环控制模块、到位信号模块、模数转换模块。微控制器選用意法半导体公司的STM32F103ZET6。

2.1 电机驱动模块

直流电机由于其调速的平滑性、启动与制动的稳定性以及经济性等特点被广泛应用于多数变速系统与闭环伺服控制系统中。为满足小功率直流电机的市场需求，各半导体厂商推出直流电机驱动专用芯片，其具有封装小、集成化、外围电路简单的优点。TB6593FHG是东芝公司推出的一款直流电机驱动专用芯片，其原理框图如图2所示。电机使能和转动方向控制引脚可直接连接微控制器IO引脚，微控制器只需输出高低电平即可进行控制；PWM调速引脚连接到微控制器的定时器单元，微控制器配置内部定时器输出不同占空比的PWM波，即可实现电机速度的调制。

2.2 闭环控制模块

根据多普勒频移公式，光路系统中参考光和测试光相干信号的频率为f=2V/λ。其中，V是参考臂平台运动速度，λ为近红外光波长780nm。平台移动的速度决定了相干光信号的频率，尤其对于眼底返回的弱光信号而言，稳定的信号频率有助于光电检测电路对其的提取。因此，平台移动速度的闭环控制至关重要。

电机控制的反馈环节选用磁栅尺作为测量平台位移变化的传感器，它是在非导磁材料上涂上一层10～20um的磁胶，然后在这条磁性带上记录磁极，N极和S极相间变换，将相等节距周期变化的电信号以磁的方式记录到磁性尺上，用它作为测量位移的基准尺。在检测位移时，通过拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号，通过检测电路发送出数字信号供MCU读取。微控制器通过正交解码读取磁栅尺的位移量。本系统选用的是德国SIKO公司的MSK500AS，其分辨率高达5um。

该磁栅尺输出差分信号，控制板通过比较器将差分信号转变为单端信号，并通过光耦隔离输出至微控制器定时器引脚。STM32F10X系列MCU集成了正交编码接口，直接配置相关库函数即可读取位移信号。

2.3 到位信号模块

本系统采用光电接近开关作为检测平台初始和终点位置的到位信号，其主要利用被检测物体对光束的遮挡产生开关信号，输出至微控制器IO口，判断平台到位与否，并作出相应动作。系统选用的是5V供电的光电接近开关，当平台边缘的挡片遮住光电开关，输出0V低电平信号，平台离开并输出5V高电平，然后经过电平转换芯片74LVC4245转变为3.3V电平的开关信号，以供微控制器采集。

2.4 模数转换模块

眼球前后表面反射回来的干涉信号经过放大滤波、包络提取后直接送至微控制器模数转换接口，STM32F103ZET6微控制器内置3个12位逐次逼近型ADC（模数转换器），其最短转换时间为1us。微控制器采集两路干涉信号，与位置信息打包后通过串口通信发送到上位机，以供其计算和显示。

3 控制平台软件设计

控制系统的软件设计包括初始化程序、主程序和中断服务程序3部分。系统在上电复位后，首先执行初始化程序，包括定时器初始化、串口程序初始化、PWM输出初始化等，执行while（1）中的子程序，并等待串口中断、定时器中断程序。系统软件设计框架如图4所示。

3.1 驱动模块软件设计

本系统采用微控制器STM32F103ZET6的定时器，产生PWM信号输出至电机驱动芯片：第一步，选择微控制器的定时器TIM8，设置自动装载寄存器周期的值TIM_Period，以及TIM8时钟频率除数的预分频值TIM_Prescaler，通过设置上述两个参数控制PWM信号频率；第二步设置该引脚为复用推挽输出；第三步设置PWM信号的占空比，通过设置函数TIM_SetCompare3实现。

控制电机正反转以及使能的IO口选用微控制器的普通输入输出引脚，其配置程序直接在初始化程序里实现。主程序接收到位信号以及上位机的指令做出相应动作，控制相应引脚输出高低电平。

3.2 闭环控制模块软件设计

在电机运行过程中，微控制器内部解码器根据磁栅尺发送的脉冲计数，主程序每ms读取一次计数值作为瞬时速度，预设速度为45um/ms，并根据设置速度V2和实际速度V1的差值，使用PID算法修正驱动电机的PWM信号占空比，达到闭环控制的作用。闭环控制框图如图5所示。

3.3 模数转换模块软件设计

光电探测电路将干涉光波形的包络提取出来发送至微控制器模数转换接口，微控制器通过峰值检测算法计算该波形的峰值，配置模数转换器的相关寄存器。根据示波器显示，实际干涉光信号的包络宽度在1ms左右，配置20us的定时器中断，主函数里20us执行一次模数转换，构造50个元素的一维数组存放转换出的数字量。调用峰值检测算法计算出有效信号的峰值，同时记录对应位置磁栅尺的读数。

峰值检测算法流程如图6所示，通过窗口滑动比较上述50个数组内的数值，找到波形的峰值，并将其保存下来。

4 实验结果

实验使用蔡司模拟眼模拟人眼测试该测量系统，下方波形为光电探测电路检测出的干涉信号，上方波形为信号包络，图7为本测量系统测试眼球后表面反射的干涉光信号，其频率为109.6kHz，图8为测量眼球前表面反射的干涉信号，其频率为107.3kHz。干涉信号理论频率为115kHz。

5 总结与展望

本文基于外差干涉原理，结合泰曼格林干涉仪搭建光路，组建了一套用于测量眼轴长度的控制系统，取差频信号为信息处理电路的通频带，可以过滤频带外的杂散光以及其它噪声，抗干扰性强；使用了磁栅尺位移传感器和PID控制器，可提高探测精度和准确度，方便快捷，容易实现集成化。测试结果表明，该控制系统较好地实现了参考臂平台的匀速运动以及信号的采集、提取，能有效配合上位机完成眼轴长度的测量，应用前景广阔。

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[10] OLSEN T， THORWEST M. Calibration of axial length measurements with the Zeiss IOLMaster[J]. Journal of Cataract & Refractive Surgery， 2005，31（7）：1345.

（責任编辑：黄 健）