基于力平衡原理的非接触式眼压计研制

眼压的测量对青光眼和其他眼科疾病的临床诊治具有重要意义，目前，医院普遍使用非接触式眼压计测量眼压，不需接触眼睛，可避免眼部感染 j。现有 的非接触式眼压计产品均基于Goldmann式眼压计的压平式原理进行设计 J，其中，日本 Topcon生产的CT-80和美国Reichert生产的AT550等眼压计主要通过喷射空气压迫恒定面积的角膜 ，根据光电管接收最大值的测量时间与气腔内空气压力的变化 ，间接测出眼压值 ；而 日本东京的 Hiroshi Iiji-ma、美国俄亥俄大学以及天津大学提出的激光干涉式眼压计则通过气流或声波使眼角膜发生振动，利用光束、超声收稿 日期 ：2012-06-24基金项目：国家 自然科学基金资助项目(30970764)或者激光测量眼角膜的振动，根据眼角膜振动幅度与眼压的关系，振动的程度与眼内压力有关，间接计算出眼压值 。这两类测量方式均为间接测量，它们的对准系统多采用复杂的光学系统，结构复杂 ，造价 昂贵。目前，国内用于临床诊断的非接触眼压计均是国外生产的仪器，国内至今无法生产非接触眼压计。

本文提出了-种基于力平衡原理和空气静压技术的新的非接触式眼压测量方法 ，研制了-种新型非接触式眼压计。与传统测量方法不同，该非接触式眼压计在气浮测量拈无摩擦的状态下 ，利用力平衡原理测量出眼压。实现了眼内压的非接触测量，具有造价低、使用方便、体积小92 传 感 器 与 微 系 统 第32卷等特点。

1 非接触式眼压计测量原理与总体结构I.1 非接触式眼压计测量原理本文提出的新型非接触式眼压测量方法，采用空气静压技术和气体射流技术设计眼压测量拈，当供气系统对眼压测量装置的外框式气浮垫供气时，外框式气浮垫与眼压测量拈之问产生-层气膜，眼压测量拈悬浮于外框式气浮垫内不受摩擦力作用 ，使眼压测量拈处于力平衡状态。这时眼压测量拈前喷嘴的气流将眼膜喷平至额定面积的压力和后喷嘴气流喷至压力传感器产生的作用力相平衡.由于眼膜到前喷嘴的距离与压力传感器到后喷嘴的距离相等，眼膜被喷平时，通过传感器测得的压力即为眼内压值。

1.2 非接触式眼压计总体结构没计的基于力平衡原理的非接触式眼压测量计包括眼压测量拈、供气系统 、传感器信号检测及微处理器系统，如图1所示。在供气系统的便携式静音空压机出口将气路分为 2路，-路对外框式气浮垫供气，外框式气浮垫用于承载眼压测量拈，使眼压测量拈可无摩擦地悬浮于外框式气浮垫中，另-路通过数字比例阀后对眼压测量拈中心气腔供气，由微处理器调节数字比例阀，控制测量时的供气压力，通过喷嘴分别向眼角膜和压力传感器喷气。位于眼压测量拈中心气腔中心的微型 CCD摄像头，通过喷嘴中心对眼部成像，用于监测角膜与前喷嘴的对准情况，便于对准和调整距离∏膜压平光电检测装置用于检测眼角膜足否压平，通过检测压力传感器的测量信号测出眼压值。

微处理嚣图 l 非接触式眼压计总体结构图Fig 1 Overall structure diagram of noncontaet tonometer2 眼压测量拈设计E接触式眼压计的眼压测量拈如图2所示，采用前后对称的结构设计 ，压力传感器安装在眼压测量装置的后挡板上，距后喷嘴的距离为 ，与前喷嘴到被测眼膜的距离相同 ”。。此拈主要实现角膜对准、喷气压平角膜 、检测角膜压平等功能。

2.1 角膜对准系统眼压测量拈的角膜对准系统主要由微型 CCD摄像头、LED固视灯以及透明材质制作的前喷嘴组成，如图2所示～眼角膜置于与眼压测量拈同-水平线的位置 上，图2 眼压测量拈纵向剖面图Fig 2 Longitudinal profile of intraocular pressuremeasuring module眼睛透过前喷嘴望向眼压测量拈中央的 LED灯，LED灯起到眼球固视灯的作用。同时，安装在眼压测量拈几何中心内的微型 CCD摄像头获取眼角膜的图像，喷嘴采用透明材质设计，此设计保证 CCD摄像头获取完整的眼部图像，可根据获取图像大小范围和清晰程度来前后调 眼压测量拈，使眼角膜到前喷嘴的距离等于设计距离 ，该距离与后喷嘴到压力传感器的距离相同。眼角膜和前喷嘴对准之后，启动测量开始按钮，供气系统通过导管向眼压测量拈中心气腔供气，通过前喷嘴和后喷嘴分别向跟角膜和压力传感器喷气，角膜曲率随着气流的增大而变化。

2.2 角膜压平光 电检测 系统眼压测量拈中的角膜压平光电检测系统，如图3所示 ，用于检测眼角膜是否压平，基于 Goldmann压平式眼压测量原理，当角膜压平到额定面积时，眼内压力等于压平眼角膜的压力，设计的眼角膜到前喷嘴的距离 要满足气流喷出时使眼角膜被压平时的额定面积。

图3 眼压测量拈横向剖面图Fig 3 Transverse profile of intraocular pressuremeasuring module前喷嘴轴线中心对称安装-对红外发射管和光电接收管，当供气系统提升供气压力时，喷出的气流使得角膜变形，从红外发射管发射的红外光经透镜准直后射向被测角膜，再经角膜反射后，经透镜会聚到光电接收元件上。当被测角膜被压平到额定面积时，光电接收元件接收到的光强达到最大值，如图4所示。

3 外框式气浮垫设计3.1 外框式气浮垫结构外框式气浮垫采用空气静压技术来进行设计，主要由底部气浮垫和左、右气浮垫构成整个框架，用于承载眼压测第1期 陈 骥，等：基于力平衡原理的非接触式眼压计研制 93图4 光电检测示意图Fig 4 Schematic diagram of photoelectric detection量拈。去掉顶部盖板的实际设计制作的外框式气浮垫的实物照片如图 5所示。

图5 外框式气浮垫实物图Fig 5 Entity photo offrametype air cushion在工作过程中，供气系统通过外框式气浮垫的左气浮垫上的进气孔向左气浮垫、右气浮垫及底部气浮垫供气，左气浮垫、右气浮垫及底部气浮垫的气路是贯通的，静压气体通过气浮垫上的节流孔流出，然后在气浮垫和眼压测量模块的支承面问形成-层气膜，该气膜使得外框式气浮垫和眼压测量拈之间处于无摩擦状态。其中，底郜气浮垫产生向上的推力，该气浮推力和重力相互平衡，左、右气浮垫分别产生的向左和向右的推力相互平衡，使眼压测量拈达到悬浮的效果。

设计的各气浮面均采用 4个几何对称的节流孔，图6中，6为气浮面的总长度 ，6 为两节流孔问的距离 ，b 为长度方向上节流孑L到气浮面端部的距离，a为气浮面的宽度，a 为两节流孑L间的距离，a 为宽度方向上节流孔到气浮面端部的距离。设计的各气浮面基本尺寸如表 1所示。

表1 外框式气浮垫气浮面尺寸Tab 1 Gas surface size of frame type air cushion浮面种类 6 a b2 bl a2 aI底部气浮面(mm) 68 8O 32 18 32 24左气浮面(mil1) 82 80 32 25 32 24右气浮面(mil1) 82 80 32 25 32 24设计的气垫采用凶节流，节流凶直径 0.2 mm≮流凶喷嘴采用人造红宝石制造，人造红宝石具有硬度高、加工性能好的优点。采用激光打孔和研磨后，制造的人造红宝石节流小孑L的直径误差为 ±0.015 mE。

3.2 外框式气浮垫的性能分析外框式气浮垫的底部气浮面、左气浮面、右气浮面均采用凶节流式静压止推气体轴承结构，采用有限元计算方法可以精确得到空气轴承内气膜压力的分布情况和静态特性。下面以底部气浮垫为例进行分析，将底部气浮面进行有限元计算网格划分，如图6所示。具体的计算方法和公式