一种角膜生物力学性能压平式测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及角膜生物力学测量装置技术领域，尤其涉及一种角膜生物力学性能压平式测量装置及测量方法。
背景技术
近视是导致人眼视觉质量下降的最常见原因，是当今世界范围内发病率最高的眼病之一。据统计，我国近视眼人数已近4亿，居世界第一位。近视眼属于眼屈光不正，在临床上矫正近视眼屈光不正采用的主要治疗方案是角膜屈光手术，现在全世界每年有600万以上的患者接受近视准分子激光角膜屈光手术，其中我国每年的手术量就达到了80到100万例。屈光手术主要是通过改变角膜的曲率、形状和角膜的刚度，在眼内压作用下引起角膜应力的重新分布，藉此改变角膜的有效弹性，从而改变屈光力，达到调节其折射能力的目的。准分子激光原位角膜磨镶术(laser in situ keratomileusis,LASIK)是目前全世界应用最广泛、开展最多的近视眼角膜屈光手术。LASIK由于手术保留了角膜上皮层和前弹力层，其设计较符合人眼角膜的解剖生理特性，但角膜术后在生理环境下会发生向前扩张膨隆的并发症已见报道，其发生发展机制引起医师与学者的广泛关注，普遍认为角膜膨隆现象与角膜的生物力学性能改变有关。在生理环境眼内压作用下，由于角膜纤维减少，其抵抗力将降低，角膜纤维的减少量可能直接影响角膜的刚度。为了提高手术技巧和质量，利用计算机开展对数字人眼或LASIK术前建模仿真研究较为必要,然而由于角膜不同于一般工程材料，其独特的个体生物力学性能将决定数值模型计算结果的准确性和可靠性。角膜是生物软组织材料，具有滞后、松弛、蠕变等生物力学性能。现有的角膜生物 力学性能检测方法有角膜拉伸法、角膜膨胀法、光学干涉法以及整个眼球的灌注测试法。角膜拉伸法把角膜移植手术后的剩余边缘角膜切成条状或环状试样，通过控制不同的拉伸比进行单轴或双向拉伸实验，对角膜的应力-应变、应力松弛和蠕变性能等生物力学特性开展了研究。角膜膨胀法、光学干涉法以及整个眼球的灌注测试法则是把摘除的角膜固定于密封小室或直接采用离体(尸体)完整眼球，通过穿刺入前房的连通器调控，对不同眼内压下作用下的角膜弹性模量和眼壁硬度等生物力学性能情况进行检测。这些技术由于采用的方法都是对角膜进行离体测量，因而破坏了角膜固有的生理环境和结构特征，不能充分反映生理环境角膜的生物力学性能。目前眼科临床缺少能非破坏性直接获取与角膜实际生理工作状态一致的生物力学性能检测技术及数据，因而缺乏对个体眼角膜变形机制的充分了解。
发明内容
本发明提出了一种角膜生物力学性能压平式测量装置及测量方法，所述测量装置简单，可实现角膜生物力学性能非侵害性压平式测量，对生理环境个体眼角膜的生物力学性能进行一体化评价，测量结果可充分反应生理环境角膜的生物力学性能，测量方法准确。
本发明提出的一种角膜生物力学性能压平式测量装置，包括支撑结构、导杆、微型步进电机、压力传感器、位移传感器、面积探测光学探头、信号采集装置及信号处理与控制装置；微型步进电机的一端和位移传感器的固定端分别依次安装在支撑结构上，微型步进电机的另一端和位移传感器的测量端分别依次安装在导杆上；压力传感器的固定端安装在导杆上，测量端安装在面积探测光学探头上，微型步进电机带动导杆移动，导杆带动位移传感器及压力传感器移动，压力传感器带动面积探测光学探头移动；位移传感器可感知其固定端与 测量端之间的位移变化信号，压力传感器可感知其固定端与测量端的压力变化信号，面积探测光学探头可探测角膜面积变化信号。
面积探测光学探头、压力传感器及位移传感器的信号输出端分别与信号采集装置的信号输入端通讯连接，面积探测光学探头将探测的角膜面积变化信号、压力传感器将感知的压力变化信号及位移传感器将感知的位移变化信号传送至信号采集装置；信号采集装置的信号输出端与信号处理与控制装置的信号输入端通讯连接，信号处理与控制装置通过信号采集装置获取位移变化信号、压力变化信号及角膜面积变化信号；信号处理与控制装置的信号输出端与微型步进电机的信号输入端通讯连接，信号处理与控制装置根据位移变化信号、压力变化信号及角膜面积变化信号控制微型步进电机工作。
优选地，面积探测光学测头包括筒体,及固定连接于筒体内一端的光源；及设于筒体内并使光源发射的光线依次透过的准直透镜、分光镜及光通量补偿镜；及与筒体远离光源的一端固定连接，并使经过光通量补偿镜的光线射入的圆台棱镜；及设于筒体内并位于分光镜一侧，且接受依次经过圆台棱镜透射、光通量补偿镜透射及分光镜反射光线射入的柱面镜；及设于筒体内并位于柱面镜远离分光镜的一侧，且可接收透过柱面镜光线的光电探测器；面积探测光学探头上的光电探测器可将其探测的角膜面积变化信号输送至信号采集装置。
优选地，压力传感器安装在面积探测光学测头的筒体上。
优选地，微型步进电机包括电机丝杆，微型步进电机通过电机丝杆安装在导杆上。
优选地，支撑结构上设有横梁，微型步进电机和位移传感器的固定端分别依次安装在支撑结构的横梁上。
本发明还提出了一种角膜生物力学性能压平式测量装置进行测量的方法， 包括如下步骤：
启动信号处理与控制装置控制微型步进电机工作，微型步进电机带动导杆移动，导杆带动位移传感器及压力传感器移动，压力传感器带动面积探测光学探头移动；位移传感器将感知的位移信号W、压力传感器将探测的压力信号F及面积探测光学测头将探测的面积信号A通过信号采集装置采集，然后信号采集装置将实时采集的信号送入信号处理与控制装置处理，信号处理与控制装置实时同步获取角膜变形压平位移Wi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平面积Ai(i＝1,2,..n)。
优选地，上述角膜生物力学性能压平式测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：
S1、调节面积探测光学测头位置，使其圆台棱镜中心与角膜顶点对准；
S2、角膜滞后性能、角膜刚度测量：通过信号处理与控制装置控制微型步进电机工作，进而带动面积探测光学探头移动以对角膜施加阶跃荷载，先进行N次循环加载-卸载,完成预调，其中N大于0且为整数，优选N为1、2、3、4、5、6、7、8或9，进一步优选N为3；依据第N+1循环加载-卸载过程中信号处理与控制装置获取的角膜变形压平力Fi和角膜变形压平位移Wi，绘制Fi-Wi曲线，完成角膜滞后性能检测；线性拟合Fi-Wi曲线，获取角膜刚度参数；
S3、角膜松弛性能检测：通过信号处理与控制装置控制微型步进电机工作，进而带动面积探测光学探头压平角膜，当角膜变形压平位移Wi＝0.1-0.2mm时，优选Wi为0.15mm时，信号处理与控制装置控制微型步进电机停止工作；在此后t＝0-1800s时间内，利用信号处理与控制装置实时同步获取的角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)绘制显示Fi-t曲线，完成角膜松弛性能测量；
S4、角膜蠕变性能检测：通过信号处理与控制装置控制微型步进电机工作， 进而带动面积探测光学探头压平角膜，当角膜变形压平力Fi＝0.02-0.05N，优选Fi为0.03N时，信号处理与控制装置控制微型步进电机停止工作；在此后t＝0-1800s时间内，利用信号处理与控制装置实时同步获取的角膜变形压平位移Wi(i＝1,2,..n)绘制显示Wi-t曲线，完成角膜蠕变性能测量；
S5、眼内压检测：通过信号处理与控制装置控制微型步进电机工作，进而带动面积探测光学探头压平角膜，角膜变形压平面积Ai＝6-8mm2时，优选Ai为7.35mm2时，信号处理与控制装置控制微型步进电机停止工作；利用信号处理与控制装置实时同步获取的角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平面积Ai(i＝1,2,..n)绘制显示Fi/Ai-t曲线,完成眼内压动态获取；利用Ai＝6-8mm2时对应的Fi数值，优选Ai为7.35mm2时，依据Fi/Ai计算所测眼球生理环境眼内压值。
本发明中，通过面积探测光学测头、压力传感器和位移传感器，实时获取角膜变形压平面积、压平力和压平位移数据，实现角膜滞后性能、角膜刚度、角膜松弛性能、角膜蠕变性能及眼内压同步检测，可以对生理环境个体眼角膜的生物力学性能进行一体化评价，实现角膜生物力学性能非侵害性压平式测量，该测量装置简单，测量方法准确。本发明可增加临床医师和研究人员对生理环境角膜变形机制的理解，为生理环境角膜材料本够方程构建、近视眼角膜屈光手术计划和术后评价提供科学参考。
附图说明
图1为本发明提供的一种角膜生物力学性能压平式测量装置的结构示意图；
图2为本发明提供的圆台棱镜侧视图；
图3为本发明提供的面积探测光学测头工作原理示意图；
图4为本发明提供的阶跃加载模式示意图；
图5为本发明提供的角膜蠕变性能曲线示意图；
图6为本发明提出的一种角膜生物力学性能压平式测量装置进行测量的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5、6所示，图1为本发明提供的一种角膜生物力学性能压平式测量装置的结构示意图，图2为本发明提供的圆台棱镜侧视图，图3为本发明提供的面积探测光学测头工作原理示意图，图4为本发明提供的阶跃加载模式示意图，图5为本发明提供的角膜蠕变性能曲线示意图，图6为本发明提出的一种角膜生物力学性能压平式测量装置进行测量的方法流程示意图。
参照图1，本发明提出的角膜生物力学性能压平式测量装置，包括支撑结构12、导杆15、微型步进电机4、压力传感器2、位移传感器3、面积探测光学探头1、信号采集装置17及信号处理与控制装置18；微型步进电机4的一端和位移传感器3的固定端分别依次安装在支撑结构12上，微型步进电机的另一端和位移传感器3的测量端分别依次安装在导杆15上；压力传感器2的固定端安装在导杆15上，测量端安装在面积探测光学探头1上，微型步进电机4带动导杆15移动，导杆15带动位移传感器3及压力传感器2移动，压力传感器2带动面积探测光学探头1移动；位移传感器3可感知其固定端与测量端之间的位移变化信号，压力传感器2可感知其固定端与测量端的压力变化信号，面积探测光学探头1可探测角膜面积变化信号；
面积探测光学探头1、压力传感器2及位移传感器3的信号输出端分别与信号采集装置17的信号输入端通讯连接，面积探测光学探头1将探测的角膜面积变化信号、压力传感器2将感知的压力变化信号及位移传感器3将感知的位移 变化信号传送至信号采集装置17；信号采集装置17的信号输出端与信号处理与控制装置18的信号输入端通讯连接，信号处理与控制装置18通过信号采集装置17获取位移变化信号、压力变化信号及角膜面积变化信号；信号处理与控制装置18的信号输出端与微型步进电机4的信号输入端通讯连接，信号处理与控制装置18根据位移变化信号、压力变化信号及角膜面积变化信号控制微型步进电机4工作。
在具体实施方式中，支撑结构12上设有横梁13，微型步进电机4和位移传感器3的固定端分别依次安装在支撑结构12的横梁13上；微型步进电机4包括电机丝杆14，微型步进电机4的测量端通过电机丝杆14安装在导杆15上，位移传感器的测量端使用螺纹连接机构16固定在导杆15上。
面积探测光学测头1包括筒体,及固定连接于筒体1内一端的光源5；及设于筒体内并使光源5发射的光线依次透过的准直透镜6、分光镜7及光通量补偿镜8；及与筒体1远离光源5的一端固定连接，并使经过光通量补偿镜8的光线射入的圆台棱镜9；及设于筒体内并位于分光镜7一侧，且接受依次经过圆台棱镜9透射、光通量补偿镜8透射及分光镜7反射光线射入的柱面镜10；及设于筒体内并位于柱面镜10远离分光镜7的一侧，且可接收透过柱面镜10光线的光电探测器11，压力传感器2测量端安装在面积探测光学测头1的筒体上。
参照图2，其中圆台棱镜9基于全内反射原理设计，圆台棱镜9关于中心对称，其锥角为60°，其底表面直径D2与顶表面直径D1的长度比为4.4:10.4，参照图3，当圆台棱镜9没有与角膜19接触时，由于全内反射，面积探测光学测头1的光电探测器11检测的光通量将等于进入圆台棱镜9的全部光通量；当圆台棱镜9与角膜19接触时，在角膜压平的部分，由于光的透射，大部分光线将进入眼球，这样将没有反射光或仅有很弱的一部分，再经过光通量补偿镜8 与分光镜7后由柱面镜10投射至光电探测器11，籍此光电流变化可标定压平角膜面积大小。
面积探测光学测头1工作过程中，光源5发射的光经准直透镜6后依次经过分光镜7和光通量补偿镜8，射入圆台棱镜9，圆台棱镜9悬挂固定在筒体内壁，垂直进入圆台棱镜9的光线经其侧面和下底面内反射后，射向光通量补偿镜8，再经分光镜7反射，水平射向柱面镜10；柱面镜10输出光线投射在光电探测器11中；面积探测光学探头1上的光电探测器11可将其探测的角膜压平面积变化信号输送至信号采集装置17。
其中信号采集装置17为数据采集卡，信号处理与控制装置18为计算机，位移传感器3、压力传感器2和光电探测器11输出信号通过数据线分别送入数据采集卡输入端口，数据采集卡输出端口与计算机连接；微型步进电机4由装有信号控制和处理软件的计算机18控制。
本发明还提出的一种角膜生物力学性能压平式测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：
启动信号处理与控制装置18控制微型步进电机4工作，微型步进电机4带动导杆15移动，导杆15带动位移传感器3及压力传感器2移动，压力传感器2带动面积探测光学探头1移动；位移传感器3将感知的位移信号W、压力传感器2将探测的压力信号F及面积探测光学测头1将探测的面积信号A通过信号采集装置17采集，然后信号采集装置17将实时采集的信号送入信号处理与控制装置18处理，信号处理与控制装置18实时同步获取角膜变形压平位移Wi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平面积Ai(i＝1,2,..n)。
在具体实施方式中，参照图6，上述角膜生物力学性能压平式测量装置进行 测量的方法，包括如下步骤：
S1、调节面积探测光学测头1位置，使其圆台棱镜9中心与角膜顶点对准；
S2、角膜滞后性能、角膜刚度测量：通过信号处理与控制装置18控制微型步进电机4工作，进而带动面积探测光学探头1的圆台棱镜9移动以对角膜施加阶跃荷载，先进行三次循环加载-卸载,完成预调；依据第四次循环加载-卸载过程中信号处理与控制装置18获取的角膜变形压平力Fi和角膜变形压平位移Wi，绘制Fi-Wi曲线，完成角膜滞后性能检测；线性拟合Fi-Wi曲线，获取角膜刚度参数；
S3、角膜松弛性能检测：通过信号处理与控制装置18控制微型步进电机(4)工作，进而带动面积探测光学探头1的圆台棱镜9压平角膜，当角膜变形压平位移Wi＝0.15mm时，信号处理与控制装置18控制微型步进电机4停止工作；在此后t＝0-1800s时间内，利用信号处理与控制装置18实时同步获取的角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)绘制显示Fi-t曲线，完成角膜松弛性能测量；
S4、角膜蠕变性能检测：通过信号处理与控制装置18控制微型步进电机4工作，进而带动面积探测光学探头1的圆台棱镜9压平角膜，当角膜变形压平力Fi＝0.03N时，信号处理与控制装置18控制微型步进电机4停止工作；在此后t＝0-1800s时间内，利用信号处理与控制装置18实时同步获取的角膜变形压平位移Wi(i＝1,2,..n)绘制显示Wi-t曲线，完成角膜蠕变性能测量；
S5、眼内压检测：通过信号处理与控制装置18控制微型步进电机4工作，进而带动面积探测光学探头1的圆台棱镜9压平角膜，角膜变形压平面积Ai＝7.35mm2时，信号处理与控制装置18控制微型步进电机4停止工作；利用信号处理与控制装置18实时同步获取的角膜变形压平力Fi(i＝1,2,..n)、角膜变形压平面积Ai(i＝1,2,..n)绘制显示Fi/Ai-t曲线,完成眼内压动态获取；利用 Ai＝7.35mm2时对应的Fi数值，依据Fi/Ai计算所测眼球生理环境眼内压值。
需要说明的是，在本发明中，并不对S2、S3、S4、S5四个步骤的顺序进行限定，可以根据时间安排的方便性对上述四个步骤的顺序进行调整，本领域技术人员在不付出创造性劳动的基础上，对上述四个步骤的安排调整得到的技术方案，均应在本发明的保护范围之内。
上述实施方式可对生理环境角膜实现了角膜滞后性能、角膜刚度、角膜松弛性能、角膜蠕变性能及眼内压的一体化完整测试和评估，为临床医师和研究人员理解生理眼内压环境下角膜的变形机制，构建角膜材料本够方程以及近视眼角膜屈光手术计划和术后评估提供参考。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。