一种实时监测眼压波动的方法及设备

技术领域

本发明属于医疗监测技术领域，具体涉及一种实时监测眼压波动的方法及设备。

背景技术

眼部疾病严重影响角膜的曲率、厚度和形状，从而损害视力。青光眼是一种严重的眼科疾病，可对眼部组织和/或视神经造成不可逆的损伤并可能导致失明。目前最典型的青光眼是由于小梁网功能异常，阻碍房水正常循环，导致眼内压增加，使得角膜发生向外膨胀和扩张。角膜膨胀是青光眼症状最直观的表现。因此，眼压测量对于青光眼诊断至关重要。目前，眼内压的测量主要依赖于计算施加在角膜上的外力与载荷面积之比。常用的眼压计有Goldman压陷式眼压计、平压式眼压计和非接触式眼压计，它们都是通过压力传感器的反馈来估计眼内压。虽然现有的眼压检测技术相对成熟，并经过了长期的临床实践，但由于以下原因，仍有很大的改进空间。首先，目前使用的三类眼压计都需要用特定的压头或者气体冲击角膜，当角膜受到外部物体的刺激时，生理反射可能会导致患者的眼睑闭合或眼角抖动，导致眼内压测量结果不准确。此外，反复使用压痕和压平眼压计可能会对患者的角膜造成严重损害。根据医学统计，由于角膜直接暴露在环境中，它很容易受到微生物、物理和化学创伤刺激的损伤，导致炎症。其次，已存在的三类眼压计和大多数的有限元预测方案只适用于测量某时刻的眼压，而生理上人的眼压在一天中不同时间存在一定的波动，对于青光眼患者，眼压波动甚至超过8mmHg，目前尚缺乏实时监测人眼压波动，获得眼压波动曲线的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决人眼压波动难以实时监测的问题，并提供一种实时监测眼压波动的方法及设备。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种实时监测眼压波动的方法，其做法为：获取实时测量得到的待监测眼睛的角膜顶点高度值，并通过针对该待监测眼睛所预先构建的三维角膜力学解析模型，求解得到对应的实时眼压；

所述三维角膜力学解析模型为：

式中：μ和α分别为超弹性本构ogden模型中眼角膜材料的剪切模量和无量纲参数；

所述三维角膜力学解析模型中，参数λ

作为上述第一方面的优选，所述三维角膜力学解析模型中，通过打靶法求解参数λ

作为上述第一方面的优选，所述参数λ

作为上述第一方面的优选，所述三维角膜力学解析模型中，参数μ和α的取值采用不同眼角膜材料实测结果的平均统计值。

作为上述第一方面的优选，所述三维角膜力学解析模型中，参数

作为上述第一方面的优选，在进行实时监测前，利用预先构建的三维角膜力学解析模型生成不同角膜顶点高度与眼压之间的映射关系，获取实时测量得到的待监测眼睛的角膜顶点高度值后，通过所述映射关系转换为对应的实时眼压。

第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第一方面任一所述的实时监测眼压波动的方法。

第三方面，本发明提供了一种计算机电子设备，其包括存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面任一所述的实时监测眼压波动的方法。

第四方面，本发明提供了一种实时监测眼压波动的设备，其包括光学仪器、检测模块和结果显示模块；

所述光学仪器用于实时测量得到待监测眼睛的角膜顶点高度值；

所述检测模块用于接收所述光学仪器测量得到的角膜顶点高度值，并按照第一方面任一所述实时监测眼压波动的方法得到对应的实时眼压；

所述结果显示模块用于对所述检测模块检测得到的实时眼压进行本地显示或远程上传显示。

作为上述第四方面的优选，所述光学仪器为可穿戴式仪器。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1.本发明在理论推算方法基础上，考虑了角膜的材料非线性，进而构建了一个角膜三维力学解析模型来反应角膜顶点位移(几何变形)和眼内压的关系。

2.对于需要监测眼压的人员，特别是青光眼患者，在24小时内需要多次记录眼压变化波动。在大多数情况下，压平眼压计被用来测量眼内压。然而，当角膜受到外部物体的刺激时，生理反射可能会导致患者的眼睑闭合或眼角抖动，导致IOP测量不准确。此外，反复使用压痕和压平眼压计可能会对患者的角膜造成严重损害。根据医学统计，由于角膜直接暴露在环境中，它很容易受到微生物、物理和化学创伤刺激的损伤，导致炎症。而本发明提出的理论计算方法避免青光眼患者多次使用眼压计，只需要测量几何构型即可。只要有能够连续检测角膜顶点位移的仪器，便可以实现对眼内压的实时监控，具有无创性。

3.本发明方法除了可以用于测量眼内压和角膜顶点高度的关系曲线外，还可以得到角膜经度方向和纬度方向的拉伸率变化和半径的关系曲线，该结果对未来角膜接触镜的设计有指导作用。

附图说明

图1为角膜三维力学解析模型的相关示意图；其中：(a)有代表性的单元选择；(b)具有代表性单元的俯视图；(c)初始状态下角膜形态；(d)在眼内状态下的角模形态；(e)单元的拉伸；(f)初始状态下单元的横截面；(g)眼压状态下单元的横截面；(h)眼压状态下单元横截面上的荷载分析。

图2为本发明的部分结果展示；其中：(a)角膜顶点高度和眼内压(IOP)关系曲线；红色实线为该力学解析模型使用Ogden本构所计算出得理论关系曲线，黑色虚线为多次兔角膜膨胀实验所得的平均数据曲线，灰色区域为多组实验的误差带；(b)采用Ogden本构模型计算出不同眼内压条件下的角膜由中心顶点到巩膜边缘形态变化；(c)角膜结构图；(d)预测志愿者角膜顶点高度与眼内压的关系。

图3为本发明实施例中的方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的一个实施例中，为了得到人眼压(即眼内压)在一天时间内的眼压变化曲线，从而检测眼压有效波动范围，提出一种三维角膜力学解析模型，通过力学理论推导，确定角膜顶点位移(几何变形)和眼内压的关系。利用该方法，只需要实时监测角膜顶点位移变化便可通过程序计算出眼内压的变化。对于检测角膜顶点位移的办法，可通过带有距离追踪的光学仪器或传感器的设备，实时记录角膜顶点的高度，从而得到人眼压，同时可以进一步记录完整的眼压变化曲线。

下面对本发明中构建角膜三维力学解析模型的原理和具体的眼压波动监测方法进行详细介绍，以便于理解本发明的实质。

1、角膜三维力学解析模型的构建

本发明中首先建立了一个角膜三维力学解析模型，并使用Ogden本构进行理论推导。眼角膜被视为不可压缩的超弹性材料。超弹性材料在外力作用下表现出实质性变形的特性，在去除外力后完全恢复到初始状态。λ

使用Ogden模型的应变能密度函数，将角膜简化为一种非线性各向同性不可压缩的超弹性材料，其弹性应变能量密度函数Ψ表示为:

其中，μ和α分别表示材料参数，其中μ为超弹性本构ogden模型中眼角膜材料的剪切模量，而α为一个无量纲参数。应变能量密度函数可由单轴拉伸确定，名义应力s

式中：d为求导符号。

接下来建立三维角膜力学解析模型。角膜的初始结构是在没有外力的情况下形成的一个弯曲的拱膜结构。如图1(a).所示，由于眼球的轴对称，选择了轴对称表面，模型中选择一个小的角膜环作为代表体积。图1(b)显示了具有代表性的体积的一半的俯视图。图1(c)为初始状态下的角膜形态。当施加内压力时，角膜扩张，代表性体积同时变形，如图(d).所示建立了圆柱坐标系(R,Z)，如图1(f)所示，由此后续公式中R和Z分别为初始构型的单元在半径方向和角膜高度方向的坐标。在当前配置中，建立另一个柱坐标系(r,z)来描述膜的变形方向，如图1(g)和(h)所示，由此后续公式中z和r分别代表眼压构型的单元在角膜高度方向和半径方向的坐标。

通过力学分析得到眼内压和角膜几何关系。在变形构型中，代表体积的柯西应力σ

s

s

需说明的是，上述s

角膜膨胀可以近似为一个双轴张力状态。在这种情况下，λ

在初始状态下，代表性单元截面长度为dS，初始构型下偏转角为

等式(5)的左右两侧对R进行求导，λ

在下面的描述中，导数符号表示取半径R的导数。对等式(7)和等式(8)进行联立：

如图1(h)所示，代表体积在z轴方向上受到三个力分量：角膜内壁受到眼内压P

如图1(b)所示，半环上有四种力：角膜内壁上的眼内压力垂直向上，上表面张力σ

联立在z方向的等式(12)和在r方向上的等式(13)，可求得到了偏转角θ相对于半径R的导数：

由本构方程与平衡方程相结合得到的s

将等式(11)和等式(15)代入等式(10)，得到：

等式(8)、(9)、(14)和(16)是针对Ogden模型的关于r(R)、z(R)、θ(R)和λ

r(R

采用打靶法，通过猜测λ

当R＝0，由公式(5)可以推导出此刻的λ

上述三维角膜力学解析模型中，三个参数λ

在本发明的实施例中，针对待监测眼睛预先构建所述三维角膜力学解析模型时，参数λ

2.实时监测眼压波动的具体实施操作流程

通过上述建立的力学解析模型即可确定顶点高度和眼内压的关系，进而可用于实时监测眼压波动，做法是：获取通过仪器设备实时测量得到的待监测眼睛的角膜顶点高度值，并通过针对该待监测眼睛所预先构建的三维角膜力学解析模型，求解得到对应的实时眼压。需要注意的是，如前所述，这个预先构建的三维角膜力学解析模型中，参数λ

但需要说明的是，三维角膜力学解析模型中的参数

但需要注意的是，除了直接求解上述模型，也可以在进行实时监测前，利用预先构建的三维角膜力学解析模型生成不同角膜顶点高度与眼压之间的映射关系(可采用曲线形式绘制或者采用查表法)，获取实时测量得到的待监测眼睛的角膜顶点高度值后，通过上述映射关系转换为对应的实时眼压。这种做法具有更高的实时性和计算效率，计算量较小。

本发明中，对于一个角膜，当曲率半径为R

第一步：当天上午10点，使用非接触式眼压计测量右眼眼内压IOP为15.7mmHg。

第二步：同一时刻，使用眼科光学仪器测量得角膜半径R

第三步：(此步骤为验证该方法的准确性)下午17：00，用同一台眼科光学仪器测量眼内压IOP为13.7mmHg，角膜半径R

因此，在本发明的另一实施例中，如果要实现穿戴式的实时眼压波动监测，可在得到角膜顶点高度S与眼内压P的映射关系曲线后，只需要通过可穿戴的光学仪器测得角膜顶点高度S的变化，便可以在曲线中直接读取对应高度的眼内压P。

进而在另一实施例中，只需要设计一种能佩戴在人眼附近的角膜高度检测光学仪器，能长时间记录该角膜的顶点高度，便可以推算出患者一天内实时眼压变化情况，其用法如图3所示。基于这种构思，可以进一步提供一种实时监测眼压波动的设备，其包括光学仪器、检测模块和结果显示模块。该设备中，光学仪器用于实时测量得到待监测眼睛的角膜顶点高度值；检测模块用于接收所述光学仪器测量得到的角膜顶点高度值，并按照前述的实时监测眼压波动的方法得到对应的实时眼压；结果显示模块用于对所述检测模块检测得到的实时眼压进行本地显示或远程上传显示。当然上述光学仪器除了是可穿戴式仪器之外，也可以采用其他的非穿戴式仪器，同样可以实现上述实时监测眼压波动的设备，只是便携性较差。

另外，基于相同的发明构思，本发明的另一较佳实施例中还提供了与上述实施例提供的实时监测眼压波动的方法对应的一种计算机电子设备，其包括存储器和处理器；

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现前述任一实施例中描述的实时监测眼压波动的方法。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

由此，基于同一发明构思，本发明的另一较佳实施例中还提供了与上述实施例提供的实时监测眼压波动的方法对应的一种计算机可读存储介质，该所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，能实现前述任一实施例中描述的实时监测眼压波动的方法。

具体而言，在上述两个实施例的计算机可读存储介质中，存储的计算机程序被处理器执行，可执行前述的实时监测眼压波动的方法，即获取实时测量得到的待监测眼睛的角膜顶点高度值，并通过针对该待监测眼睛所预先构建的三维角膜力学解析模型，求解得到对应的实时眼压。

可以理解的是，上述存储介质可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。同时存储介质还可以是U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

可以理解的是，上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

另外需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。在本申请所提供的各实施例中，所述的系统和方法中对于步骤或者模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或步骤可以结合或者可以集成到一起，一个模块或者步骤亦可进行拆分。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。