用于测量眼睛的眼内压的压平眼压计和方法

摘要

一种用于测量眼内压(IOP)从而能够确定人或动物的眼睛健康状况的压平眼压计(1)。压平眼压计(1)包括棱镜(9)，棱镜(9)在一端处具有接触顶端(10)，接触顶端(10)将移动与眼睛的角膜接触并且轻触摸角膜。入射激光(76)通过棱镜向内传输到接触顶端(10)，在接触顶端(10)处，取决于在接触顶端与角膜之间的接触面积，光中的一些(82)被去耦并且通过接触顶端消失。其余光(84)被接触顶端向外反射通过棱镜。对由棱镜(9)的接触顶端(10)反射的光(84)做出响应的光检测器(64)和对在接触顶端与角膜之间的接触面积处的压力做出响应的力检测器(44)生成成对的力和面积数据对，该数据对被处理以测量IOP。

说明书

技术领域

本发明涉及用于提供人或动物患者的眼睛内的眼内流体压力 (IOP)测量的压平眼压计。在本文中公开的压平眼压计具有对于眼压 计对角膜的接触力和眼压计与角膜的触摸接触面积做出响应从而收集 成对的力和面积数据的装置，由此可以以在角膜上最短的停留时间和 最少的患者不适来准确地测量IOP。

背景技术

眼压计是迄今已经用于测量人或兽组织的压力或张力的非侵入式 仪器。在身体中，测量在眼睛中的眼内流体压力(IOP)以提供用于青 光眼和相关眼睛疾病的诊断和治疗的基本信息。

眼压计的易用性、准确性和无菌性在医疗应用中是至关重要的。 已知提供高度准确IOP测量的一种仪器是Goldmann压平眼压计 (GAT)。采集准确的IOP测量的准科学基础被称作Imbert-Fiek原理。 根据这种原理，通过计算由GAT的顶端施加的在角膜上的接触力除以 接触面积来确定IOP。即，利用GAP确定IOP依靠接触顶端将压平面 积覆盖到3.06mm的固定直径。由保健医师或技术员手动调整到达所需 压平面积需施加的力。因为接触顶端在角膜上的停留时间通常以秒测 量，需要将眼睛局部麻醉。在与具有一定范围的IOP的眼角膜进行多 次触摸接触之后由GAT做出的力和面积测量，关于动物和人眼睛的总 体的直接套管测量的汇集，形成IOP的诺模图导出的推理的基础。

有时，GAT的移动零件可能卡住，这可能会干扰IOP测试的有效 性。此外，接触顶端正确地压在角膜上所需的相对较长的停留时间和 因此施加局部麻醉的需要可能会增加患者的不适感和组织安全问题。 在此相同方面，在许多情况下，优选地将数据采集限制为单次光触摸， 同时向保健专业人员提供对患者眼睛成功或不成功压力测量的瞬时确 认。

发明内容

概括地说，根据优选实施例，公开了一种不具有移动零件的压平 眼压计，以提供人或动物眼内的眼内流体压力(IOP)的准确测量，以 便提供可用于诊断和治疗青光眼和其它眼睛健康问题的信息。压平眼 压计包括在其近端的棱镜组件，在远端的激光器模块和在棱镜组件与 激光器模块之间的中间分束器模块。

压平眼压计的棱镜组件包括向(例如，圆形)接触顶端逐渐缩小 (taper)的锥形棱镜。接触顶端具有在1mm至8mm之间的理想直径。 压电元件与棱镜的接触顶端相反定位，压电元件在接近角膜饱和及完 全压平时、在角膜饱和及完全压平期间和在角膜饱和及完全压平之后， 对于接触顶端压在角膜上时所生成的力做出响应。具有光吸收中心、 光吸收外侧区域和在光吸收中心与外侧区域之间的光传输区域的光环 位于棱镜的接触顶端后方，以允许入射光束和出射光束向内传输通过 棱镜和从棱镜向外传输。

压平眼压计的激光器模块包括光源(例如，激光器或LED)，其 经由准直器、分束器模块和棱镜组件的光环，向棱镜组件的棱镜供应 入射光束。分束器模块包括光电二极管和内反射表面，光电二极管和 内反射表面对准以将在完全压平之前、完全压平期间和完全压平之后 将通过棱镜内反射的出射光束反射到光电二极管。由光电二极管检测 的光的强度取决于在棱镜压在眼睛上时由接触顶端覆盖的角膜的面 积。

在压平眼压计朝向眼睛移动并且棱镜的接触顶端压靠在角膜上以 实现压平时，一些光与通过棱镜向内传输的入射光束去耦。被去耦的 入射光传输通过棱镜的接触顶端并且消失到眼睛内。去耦是制造锥形 棱镜使得从激光器模块的光源传输通过棱镜的入射光束被内反射到棱 镜的接触顶端，以便与棱镜的锥形壁形成20至27度之间的角的结果。 未被去耦的其余光被棱镜内反射并且从棱镜向外反射通过棱镜组件的 光环并且离开分束器组件的反射表面，以被光电二极管检测到。压电 元件和光电二极管的输出提供力和面积数据对，力和面积数据对可以 在测试位点或远程地显示、存储和处理，以提供IOP的测量。

附图说明

图1为根据本发明的优选实施例用于测量眼内压的压平眼压计的 透视图；

图2为图1的压平眼压计的分解图；

图3示出了压平眼压计，图示了入射光束和内反射的出射光束所 经过的路径；

图4示出了图3的入射光束和反射光束传输穿过的光环；

图5示出了当棱镜的接触顶端与患者的眼睛间隔开时，相对于压 平眼压计的棱镜的入射光束和反射光束的路径；

图6为当棱镜的接触顶端移动成与眼角膜接触以实现压平时，相 对于棱镜的入射光束和反射光束的路径；

图7示出了在压平之前、压平期间和压平之后压平眼压计的压电 元件和光电二极管的输出电压响应的线性表示；以及

图8为说明用于显示、存储和处理从压平眼压计的压电元件和光 电二极管的输出导出的力/面积数据的装置的框图。

具体实施方式

最初参考附图的图1和图2，示出了无移动零件的压平眼压计1 的优选实施例，其适于向保健专业人员提供患者眼睛内的眼内流体压 力的测量，以辅助诊断青光眼和其它眼睛健康问题，诸如巩膜硬度。 压平眼压计1包括在其近端的棱镜组件3、在其远端的激光器模块5和 在棱镜组件3与激光器模块5之间的中间分束器模块7。棱镜组件3、 分束器模块7和激光器模块5在轴向彼此对准。

压平眼压计1的棱镜组件3包括锥形棱镜9(在图4和图5中最佳 地示出)，锥形棱镜9由玻璃、丙烯酸或其它合适的光传输材料制成。 棱镜9的近端被磨平以形成圆形接触顶端10，圆形接触顶端10将移动 成与患者的眼角膜接触以用于将在下文中更详细地解释的目的。取决 于眼压计所用于的压力测试应用，棱镜9的圆形接触顶端10具有 1-8mm的理想直径。棱镜组件3包括外壳体12，外壳体12包围并且支 撑棱镜9。一对固位环14和16位于外壳体12前方以保持棱镜9与分 束器模块7轴向对准。固位环18位于外壳体12后方以包围棱镜9并 且向棱镜9提供额外支撑。棱镜组件3还包括压电环19，压电环19包 围力响应(例如，压电)元件(在图3中标记为44)。

位于棱镜组件3与激光器模块5之间的压平眼压计1的分束器模 块7具有固位环20和22，固位环20和22位于分束器模块7的相反端 中的每一个处，以包围并且支撑分束器模块7。开口或腔体26在径向 延伸到分束器模块7内，在开口或腔体26中接纳光检测器(诸如在图 3中标记为64的光电二极管)，使得棱镜组件3和光检测器将保持彼 此光学对准。

固位环28和30包围并且支撑激光器模块5的相反端。激光器模 块5还在其每一端具有对准环32和34，对准环32和34位于固位环 28和30中的每一个内侧并且与其邻近，以提供激光器模块相对于分束 器模块7和棱镜组件3的自对中。线端口36和38形成于对准环32和 34中，电线(未图示)通过线端口36和38连接到由中间分束器模块 7承载的压电元件和光电二极管。激光器模块5理想地向棱镜组件3的 棱镜9提供平行激光束，以首先被棱镜9内反射到分束器模块7并且 然后到分束器模块7的光电二极管。

图3为先前参考图1和图2所描述的压平眼压计1的棱镜组件3、 激光器模块5和中间分束器模块7的额外细节的图。棱镜组件3的锥 形棱镜9被示出从压平眼压计的近端向外延伸，使得接触顶端10能短 暂地压在患者的角膜上并且向患者的角膜施加压力来实现压平。凸缘 40包围棱镜9的后部以便保持光环42(即，挡光板)与棱镜9同轴对 准，使得当棱镜9的接触顶端10压靠在角膜上时，棱镜9和光环42 将压靠在压电元件44上。举例而言，压电元件44由金属掺杂的陶瓷 盘或类似物制成，其安装在电基板或垫片上，并且将如本领域技术人 员已知的那样适于生成输出电压信号，输出电压信号指示在测试期间 在棱镜9的接触顶端10压靠在患者角膜上时的力变化。压电元件44 具有穿过其中心的光传输孔45，以使得由激光器模块5生成的光能到 达棱镜组件3。由于压电元件44为常规的，其细节将不再展开描述。

简要地附图中的图4，提供了由图3的凸缘40邻近压电元件44 保持并且与棱镜组件3的棱镜9同轴对准的光环或挡光板42的细节。 光环42优选地为轻重量的光学透明材料制成的盘(即，光学纯的基板)。 光学上不透明(即，光吸收)的点46或类似物位于光环42的中心。 点46的大小和形状适于匹配棱镜9的圆形接触面积10的直径。因此， 该点46的直径理想地在1至8mm之间。光环42的光学透明的环形区 48包围光学不透明的点46。光学透明的环形区48的大小将取决于棱 镜9的大小和内角。光吸收环形区50包围光环42的光学透明的环形 区48。例如光吸收区50可以是围绕光环42的基板外侧周向地涂覆的 涂层或合适的不透明材料。因此可以意识到并且如图3所示，从激光 器模块5传输到棱镜9的入射光和由棱镜9向分束器模块7内反射的 出射光将穿过光环42的光学透明的环形区48。

返回至图3，压平眼压计1还包括位于棱镜组件3与分束器模块7 之间从而位于从激光器模块5传输的入射光和从棱镜9反射的出射光 的路径中的一对常规的光束扩展器和/或准直器54和56。如本领域技 术人员已知，光束扩展器和准直器54和56适于聚焦并且吸收杂散光， 从而在来自源的入射光并不作为平行束传输的情况下减少杂光传输 (spurious light transmission)。因此，扩展器与准直器的组合可以用于 不同的应用。

压平眼压计1的分束器模块7包括具有内反射表面58的常规分束 器。如本领域技术人员已知的，从激光器模块5传输的入射平行光束 60穿过分束器到棱镜组件3的棱镜9。由棱镜9内反射的出射平行光 束62被传输到分束器模块7的反射表面58并且由分束器模块7的反 射表面58反射到光电二极管64，光电二极管64固持在模块7的开口 (在图1和图2中标记为26)内。为了便于说明，入射光束60和出射 光束62被示出为在分开的路径中行进。但是如参考图5和图6所解释 的，入射光束和出射光束沿着分束器模块7与棱镜组件3之间的相同 路径行进。

另一对常规光束扩展器和/或准直器66和68位于分束器模块7与 激光器模块5之间。扩展器/准直器66和68可以与棱镜组件3与分束 器模块7之间被标记为54和56的那些相同。光束扩展器和准直器66 和68也控制入射光并且进一步确保平行光束60将穿过分束器模块7 到棱镜组件3。在此方面，可以意识到位于分束器模块7的相反端的成 对的光束扩展器/准直器54、56和66、68合作以形成熟知的光管理组 件。

激光器模块5优选地为II类激光器(例如，激光二极管)。但是， 任何其它合适光源(例如，LED)可以代替前述激光二极管。在优选实 施例中，由激光器模块5生成的入射平行对准激光束经由分束器模块7 和在分束器模块的相反端的光束扩展器/准直器组件，通过光环42被供 应给棱镜9。在此相同方面，应理解发散或会聚光(与平行光束相对照) 也可以被供应给棱镜9。

在转向附图中的图5和图6的同时，解释用于提供患者眼睛的眼 内压(IOP)测量的压平眼压计1的操作。图5示出了在棱镜9的接触 顶端10移动成与患者角膜接触并且向患者角膜施加压力之前的棱镜组 件3。也就是说，在棱镜9近端的接触顶端10与眼睛之间最初存在空 间或空气间隙74，在图6中，棱镜组件3朝向眼睛重新放置，使得棱 镜9的接触顶端10移动为与角膜接触并且压靠在角膜上。

在锥形棱镜9与患者眼睛以图5中的空气间隙74分开的情况下， 入射的平行对准的激光束76从激光器模块5传输通过压电元件44的 中心孔(在图3中标记为45)，在光环42的光学透明区域(在图4中 标记为48)附近并且穿过，并且向内通过棱镜9。在此情况下，所有 入射光束76被棱镜的顶端10在棱镜9内完全地内反射。因此，出射 平行对准的激光束78被锥形外壁79反射并且被从棱镜9向外反射， 在光环42的光学透明区域48附近并且穿过，并且穿过压电元件44的 中心孔45，以通过图3的分束器模块7的反射表面58而被光电二极管 64接收。应了解通过光环42的光学透明区域48和棱镜9的向内和向 外光传输相对于光环周向(即，大约完全360度)地发生。因此，图5 和图6所示入射光方向箭头和出射光方向箭头在两个方向示出。

如所解释的那样，入射光束76和反射光束78两者沿着相同的路 径在光环42的光学透明区域48附近并且穿过其传递。已经发现锥形 棱镜9应被制造为使得其锥形外壁79的斜率相对于锥形棱镜9的纵向 轴线在20度至27度之间，由此入射的平行对准光束76将被锥形外壁 76反射并且朝向(或从)接触顶端10反射，以便相对于锥形壁79形 成在20至27度之间的相同角80。

在图6中，锥形棱镜9朝向患者的眼睛移动直到消除了空气间隙 (图5的74)，并且棱镜9的接触顶端10与角膜完全接触(即，压平)， 而无论施加的推压力如何。在此情况下，入射的平行对准激光束76再 次从激光器模块5传输，在光环42的光学透明区域48附近并且穿过， 通过压电元件(图3的44)并且向内通过棱镜9，以角80在棱镜9的 锥形外壁79处反射到抵靠角膜的接触顶端10。在压平眼压计1朝向饱 和(即，与角膜完全接触)移动时，光束82中的一些将与在锥形棱镜 壁79处被反射到棱镜9的接触顶端10的入射光束76去耦。去耦的光 束82离开棱镜以由患者的眼睛吸收并且不返回到光电二极管64。

未与入射束76去耦的出射平行对准的光束84由接触顶端10内反 射，首先朝向锥形外棱镜壁79，然后在光环42的光学透明区域48附 近并且穿过，穿过压电元件44并且到棱镜9外部以经由分束器模块(图 3的7)而被光电二极管64接收。

如将解释的那样，在压平之前、压平期间和压平之后由棱镜9内 反射到光电二极管64的出射光束(图5的78和图6的84)的强度与 棱镜9的接触顶端10和患者角膜的相对表面之间的触摸接触面积成反 比。换言之，棱镜9内反射的量随着接触顶端渐进地压平角膜而减少， 因此产生差分信号。当差分光信号与差分力信号配对时，可获得信息 以准确地计算IOP。在此相同方面，将意识到从棱镜9出来以被眼睛吸 收的去耦光束82也取决于在接触顶端10与角膜之间的触摸接触面积。

图7为示出随着棱镜组件3的棱镜9朝向患者的眼角膜移动、与 患者的眼角膜接触并且离开患者的眼角膜时，在图1至图3的压平眼 压计1的压电元件44与光电二极管64的电压响应的曲线(即，线性) 表示的图。应了解压电元件44和光电二极管64的响应也可以由电阻 而不是电压来指示。在本电压示例中，线性表示中的第一个(最底部) 说明了随着推力首先增加以实现完全压平并且随后在角膜饱和之后减 小时，压电元件44的输出电压信号。特别地，当棱镜9与眼睛以图5 所示的空气间隙74间隔开并且因而没有向角膜施加压力时，最初设定 平坦的基线电压88，。

随着更用力将棱镜9的接触顶端10推压到角膜上，接触压力将增 加，使得由压电元件44生成的电压90相对应地并且持续地增加，直 到在触摸接触的顶点生成了最大电压92。但是，最初使患者眼睛饱和 并且实现完全压平所需的推力(电压94)通常小于最大推力(电压92)。 在向角膜施加了最大推力(电压92)之后，随着棱镜9随后远离患者 的眼睛移动并且患者眼睛处的接触压力最终消除，压电元件44将感测 到持续减小的力并且生成相对应的更小的电压96，使得生成指示没有 力的另一平坦的基线电压98。

图7的线性表示中的另一个(即，最上部)表示光电二极管64的 输出电压，其取决于在棱镜9的接触顶端10与患者角膜之间的接触面 积和通过棱镜9向内传输并且在接触顶端去耦的入射激光量。也就是 说，增加触摸面积大小导致更大的去耦并且更少的光通过棱镜向外反 射到光电二极管64。

更具体而言，当棱镜9与眼睛以空气间隙(图5中的74)间隔开， 使得在接触顶端10与角膜之间并无触摸接触(当压电元件44并未检 测到力时)时，最初设定平坦基线电压100。随着棱镜9的接触顶端 10抵靠角膜推压，由接触顶端覆盖的接触面积增加。随着反射光通过 棱镜9向外传输而由光电二极管64生成的电压102从电压104和无接 触的面积转变为更高的电压106和完全触摸面积。在完全触摸开始时 的最初电压106与首先发生完全压平的力下由压电元件44生成的电压 94相对应。在棱镜9的接触顶端10尚未从饱和的角膜移除期间，由光 电二极管64生成稳态电压108(在电压点106与110之间)，使得由 接触顶端10覆盖的角膜面积保持恒定，而与压力增加和由压电元件44 生成的电压92'的相应增加无关。当棱镜9从患者的眼睛移除时，由接 触顶端10覆盖的面积和由光电二极管64生成的电压112将从完全触 摸接触期间的最后的电压110转变回到另一无接触的平坦基线电压 114，在此电压114时，由压电元件44指示的抵靠角膜的推压力(基 线电压98)完全终止。

图8为示出了用于在测试位点使用以接收由图3的压电元件44和 光电二极管64生成的输出信号的微处理器120。仅举例而言，与压平 眼压计1一起使用以提供IOP测量的、具有整合的数据采集系统的合 适微处理器为由National Semiconductor Corporation制造的零件号 LM12458或LM12H458中的任一种。这种微处理器120提供组合全差 分自校准13位模拟至数字转换器与采样和保持特点的优点。可编程的 数据采集时间和转换速率可以由内部时钟驱动的定时器提供。微处理 器能够利用5伏直流(例如，电池)电源122操作。

微处理器120可以被编程以在例如LCD显示器124的板上显示器 上显示其IOP的确定。微处理器120也可以控制光指示器以便向测试 管理者提供患者IOP测试结果表示通过的压力还是失败的压力的瞬时 测量。

IOP测量可以由在测试位点的微处理器120内部地计算。在此情 况下，计算结果可以被储存在板上存储器126中。在替代方案中，可 以由诸如iPhone、iPad、平板电脑等的熟知的遥控手持设备来读取和/ 或分析(并且显示)计算结果。无线数据发射器128与遥控手持设备 经由无线路径通信。

一般而言，通过计算接触力除以由压电元件44和光电二极管64 生成的输出电压信号对(诸如图7的94和106)表示的触摸接触面积 来确定IOP。可以在大于5000cp采集成对的力和面积测量。在仅单次 触摸之后计算测量平均值和方差，但可以采用多个触摸数据采集。可 以通过分析在实现了压平时在图7的增加的电压90与102之间的较宽 范围的力-面积对来推断组织硬度。如同Goldmann压平眼压计，也可 以基于从人和动物眼睛的总体取得的临床或实验室采集的测试测量汇 集的IOP的诺模图导出参考来执行表查找操作。

然而，本文所公开的压平眼压计1通过允许以与下面的组织最小 的触摸接触来进行快速并且客观的面积和力测量，而相对于Goldmann 设备得到改进。较短的停留时间(通常小于100msec)在大部分情况 下避免了对于局部麻醉的需要，从而减少了患者安全问题。由于排除 了移动的零件，可以提供不会卡住、稳定并且自行校准的测试环境。

已经在其优选地用于测量在眼睛内的IOP的优选应用中描述了压 平眼压计1。但应了解眼压计的使用可以扩展到包括获得在植物组织、 生理学固体、流体或空气填充的人或动物器官，诸如血管、胃、胆囊、 肺、手指或踝和柔性流体静力主体中的压力测量。此外，眼压计也可 通过测量与产品和包装相关联的任何光吸收表面的压力以预测裂缝或 断裂并且因此确保生产品质、保质期耐用性和包装完整性，而用于产 品和包装制造。