一种无线压平式眼压监测系统

摘要

本发明提出一种无线压平式眼压监测系统，涉及眼压监测技术领域。该系统包括：一对角膜接触镜和一个便携式眼镜；其中，角膜接触镜由添加了磁性材料的水凝胶制成，每只角膜接触镜内嵌有应变感应电路和与该电路两端相连的内部信号处理模块；便携式眼镜包括：一个外部信号处理模块、分别对应于两只角膜接触镜的两个磁场生成模块和一个供电电池；外部信号处理模块分别连接两个磁场生成模块、供电电池、各内部信号处理模块及移动通信设备。本发明操作方便快捷，可以用于使用者眼压的无线和24小时连续监测；利用电学信号处理模块控制磁场，测量结果更加精确，而且由于主动调节磁场大小，无需对每位患者的角膜曲率进行标定。

说明书

技术领域

本发明涉及眼压监测技术领域，具体涉及一种无线压平式眼压监测系统。

背景技术

眼压指人体眼球内部的液体对角膜的压强，对于维持人眼正常功能具有重要的作用。眼压的不正常波动是很多眼部疾病的原因和临床检测指标，其中包括全球第二严重致盲眼病——青光眼。据世界卫生组织统计，截止2020年底，全球青光眼患者超过8000万人。根据统计，健康人群的眼压范围是10-21mmHg，并随着人体的活动产生昼夜节律变化。青光眼患者的眼压较健康人群更高，同时波动范围也大于正常水平，且往往会在夜间睡眠或清晨时达到眼压峰值。眼压持续处于较高的水平，会导致视神经乳头损坏，使得人眼的视野逐渐缺损甚至失明。

使用外界手段介入眼压的不正常升高是减少罹患青光眼风险的有效方法，但由于青光眼早期患者除眼压升高外并无其他临床表现，所以很多青光眼患者在白天进行眼压筛查时避开了眼压的峰值造成假阴性。已有的测量方法对患者进行夜间测量时需要将患者唤醒，这一人为因素会导致测量的误差。因此，在睡眠期间进行的24小时连续眼压监测对于青光眼患者乃至有眼部疾病风险的人群具有重要的意义。

目前眼压测量设备可分为压平式、反射式和传感器式。由于测量精度高，Goldman压平式眼压测量计是目前眼压测量的金标准，压平式眼压测量利用Imbert-Fick定律，其将眼球假设充满液体的弹性球体，仪器将眼球压平一定的面积时，用压平眼球的力除以压平部分的面积即可得到眼压。但压平式测量设备往往比较庞大，且需要专业人员的测量以保证精度，只能进行单点监测，难以实现24小时连续监测的功能。反射式眼压计通过将气流或者探针击打在眼球上，根据气流或探针回弹的强度和速度计算患者眼压，这种测量方法方便快捷且患者可以自行测量，但仍然未解决夜间测量需要将使用者唤醒的问题。可穿戴式的实时眼压测试传感器可以24小时连续测量眼压，近些年受到了广泛关注。其主要分成两种：侵入式和非侵入式，侵入式传感器可以直接测量患者的眼压，但由于手术风险而未被广泛接受；非侵入式的传感器利用患者眼压变化会导致角膜曲率变化间接进行眼压测量，然而由于眼压和角膜曲率变化的关系受到使用者眼球大小、角膜硬度等因素的影响，因此这种被动式的测量方法精度较差，需要对每位使用者进行标定。

由于需要直接和使用者的角膜进行接触，因此眼压传感器在设计和制备工艺等方面需要考虑生物相容性、安全性并尽量减小对使用者正常生活的影响。角膜接触镜已被发明较长时间且被广泛接受，其安全性也已经得到了验证。因此，将眼压传感器集成于角膜接触镜中成为了目前眼压传感器的发展方向。

在角膜接触镜中集成应变传感器监测角膜曲率的变化目前被认为是一种可行的方案，但人眼压变化和角膜曲率的改变的关系较为复杂，受到使用者角膜厚度、硬度以及眼球本身大小等因素的影响，因此利用角膜曲率变化间接检测眼压的传感器准确度较低。本质上来说，是因为这些传感器都没能做到主动的给角膜施加压力测量，而只是被动的测量角膜曲率。如果可以让角膜接触镜根据使用者眼压、眼球曲率的不同而主动施加不同大小的力，根据眼球被压平时的磁力大小计算眼压，就可以无需对使用者的角膜进行标定，更加准确的了解使用者的眼压情况。

因此，发展具有高精度的主动式连续眼压监测系统显得至关重要。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种无线压平式眼压监测系统。本发明操作方便快捷，可以用于使用者眼压的无线和24小时连续监测；利用电学信号处理模块控制磁场，测量结果更加精确，而且由于主动调节磁场大小，无需对每位患者的角膜曲率进行标定。

本发明提出一种无线压平式眼压监测系统，包括：一对角膜接触镜和一个便携式眼镜；其特征在于，所述角膜接触镜由添加了磁性材料的水凝胶制成，每只角膜接触镜内嵌有一个应变感应电路和一个内部信号处理模块；所述应变感应电路沿角膜接触镜边缘布置一圈，内部信号处理模块放置在角膜接触镜的边缘处并与应变感应电路两端相连；所述便携式眼镜包括：一个外部信号处理模块、分别对应于两只角膜接触镜的两个磁场生成模块和一个供电电池；所述磁场生成模块采用电感线圈，每个磁场生成模块分别安装在该眼镜的左眼框和右眼框处，外部信号处理模块和供电电池放置在该眼镜中心位置，其中外部信号处理模块分别连接两个磁场生成模块、供电电池、各内部信号处理模块及移动通信设备；

所述磁场生成模块，用于根据从外部信号处理模块输入的电压生成相应的磁场，该磁场作用于对应的含有磁性材料的角膜接触镜；

所述角膜接触镜用于无缝隙地贴合在使用者对应眼的角膜上，角膜接触镜的磁性材料受对应磁场生成模块生成的磁场的作用产生压力并造成使用者的眼球发生应变；

所述应变感应电路用于感应所述使用者眼球受压后的应变，应变感应电路在眼球被压平的过程中随眼球形状发生改变导致其电阻值发生变化，应变感应电路将电阻变化的电信号实时发送给内部信号处理模块；

所述内部信号处理模块用于读取应变感应电路的电信号，并将读取的电信号值传输至外部信号处理模块；

所述外部信号处理模块用于从内部信号处理模块获取电信号，并将该电信号与储存的使用者眼球被压平时的特定电信号进行比较，然后利用供电电池获取调整后的电压并将该调整后的电压输入到磁场生成模块用于控制磁场生成模块调整磁场大小，直到使用者的眼球被压平；在使用者的眼球都被压平时，外部信号处理模块根据两个磁场生成模块的输入电压分别计算在对应眼球上产生的磁场力，根据Imbert-Fick定律计算得到使用者两个眼球的眼压，并将计算得到的眼压发送给外部计算机或移动通信设备。

本发明的特点及有益效果在于：

该发明为一种主动式的无线眼压监测系统，本发明采用角膜接触镜可根据使用者眼压、眼球曲率的不同而主动施加不同大小的力，根据眼球被压平时的磁力大小计算眼压，就可以无需对使用者的角膜进行标定，更加准确的了解使用者的眼压情况。

本发明在制作角膜接触镜的水凝胶中添加磁性材料可与外界磁场进行相互作用，相较于目前常见的压平式传感器该发明的操作方便快捷，可以用于使用者眼压的无线和24小时连续监测；利用电学信号处理模块控制磁场，测量结果更加精确，而且由于主动调节磁场大小，无需对每位患者的角膜曲率进行标定。

同时水凝胶为柔性透明材料，不会对使用者的视力产生影响，便携式的磁场生成模块和信号处理模块可以在包括使用者睡眠的情况下对使用者眼压的进行监测。

本发明易于佩戴，操作方便快捷，可持续获取使用者较为准确的眼压测量结果，有助于监控使用者的眼压状态，有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构图；

图2为本发明系统的侧视图；

图3为本发明系统中的角膜接触镜结构示意图；

图4为本发明实施例采用的磁性材料的磁滞回线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种无线压平式眼压监测系统，该系统正视图如图1所示，侧视图如图2所示，包括：一对根据患者的眼球状况进行定制的角膜接触镜和一个便携式眼镜。其中，所述角膜接触镜由添加了磁性材料2的水凝胶制成，每只角膜接触镜内嵌有一个应变感应电路3和一个内部信号处理模块1；所述应变感应电路3沿角膜接触镜边缘布置一圈，内部信号处理模块1放置在角膜接触镜的边缘处与应变感应电路3的两端相连，且所述应变感应电路3和内部信号处理模块1与角膜接触镜边缘距离为0.5mm到3mm。所述便携式眼镜包括：一个外部信号处理模块4、分别对应于两只角膜接触镜的两个磁场生成模块6和一个供电电池5；所述磁场生成模块采用电感线圈，每个磁场生成模块6分别安装在该眼镜的左眼框和右眼框处，用于生成磁场以控制对应眼的角膜接触镜(图1和2中箭头线B即代表磁场生成模块生成的磁场)；外部信号处理模块4和供电电池5放置在该眼镜中心位置，其中外部信号处理模块4分别与两个磁场生成模块6连接，用于分别控制该两个磁场生成模块，外部信号处理模块4连接供电电池5获得电压，外部信号处理模块4还连接各角膜接触镜的内部信号处理模块1及医护人员或使用者的移动通信设备。

进一步地，本发明提出的系统该包含了左眼眼压监测系统和右眼的眼压监测系统，实际应用中可根据所需测量眼压的眼球，选择其中某一只角膜接触镜：当只佩戴一只角膜接触镜时，则只测量已佩戴接触镜的眼球的眼压；当佩戴两只角膜接触镜时，可以同时测量使用者两个眼球的眼压。

进一步地，图2为本发明实施例提供的角膜接触镜的结构示意图。如图2所示，应变感应电路3和内部信号处理模块1均被嵌于角膜接触镜的水凝胶之中；每只角膜接触镜内的应变感应电路3的两端连接对应内部信号处理模块1的两个输入接口，每个内部信号处理模块1通过NFC或蓝牙无线通讯技术与位于便携式眼镜上的外部信号处理模块4通讯，外部信号处理模块4的四个输出接口分成两对分别连接在两个磁场生成模块线圈的两端，分别控制该线圈上的电压大小进而控制磁场生成模块生成磁场的大小。

该系统各组成部分功能如下：

所述磁场生成模块，可采用电感线圈，用于根据从外部信号处理模块输入的电压生成相应的磁场，该磁场生成模块生成磁场可作用于对应的含有磁性材料的角膜接触镜，导致角膜接触镜对使用者的眼球施加压力，造成使用者的眼球发生应变，工作时信号接收模块分别控制两个磁场生成模块，两个磁场生成模块互不干扰，生成的磁场大小可以相同或不同。

所述角膜接触镜用于无缝隙地贴合在使用者对应眼的角膜上，角膜接触镜的磁性材料受对应磁场生成模块生成的磁场的作用产生压力并作用于使用者的眼球；

所述应变感应电路用于感应所述使用者眼球受压后的应变，应变感应电路在眼球被压平的过程中随眼球形状发生改变导致其电阻值发生变化，在眼球被压平时应变感应电路的电阻值达到特定值(此特定值可根据压平的标准提前测得作为常数并将电信号值储存在外部信号处理模块中)，应变感应电路将电阻变化的电信号实时发送给内部信号处理模块。

所述内部信号处理模块用于读取应变感应电路的电信号，并将读取的电信号值通过NFC或蓝牙无线通讯的方式传输至外部信号处理模块；

所述外部信号处理模块用于比较从内部信号处理模块读取到的应变感应电路的电信号和储存的使用者眼球被压平时的特定电信号，然后利用供电电池获取调整后的电压并将该调整后的电压输入到磁场生成模块用于控制磁场生成模块调整磁场大小，直到使用者的眼球被压平。在使用者的眼球都被压平时，外部信号处理模块根据两个磁场生成模块的输入电压分别地计算在对应眼球上产生的磁场力，根据Imbert-Fick定律计算使用者两个眼球的眼压，并将计算得到的眼压用蓝牙无线通讯的方式传递给外界医护人员的移动通信设备上便于医护人员查看。

具体地，可以将应变感应电路和外部信号处理模块集成于目前已通过的医用角膜接触镜中作为本发明实施例的角膜接触镜。为使角膜接触镜无缝隙地贴合使用者的角膜，其整体呈球冠状。

柔性角膜接触镜材料由高分子水凝胶材料制成且具有良好的生物相容性，不影响使用者眼睛的正常功能。水凝胶材料内掺混了磁性材料用于感应磁场生成模块生成的磁场，对使用者的角膜主动提供压力。

水凝胶材料同时也作为应变感应电路和内部信号处理模块的封装层，在上下两层水凝胶材料之间为应变感应电路和内部信号处理模块。应变感应电路使用目前成熟的微纳加工技术制备，使用ASIC芯片作为内部信号处理模块。水凝胶具备较好的生物相容性可直接接触使用者角膜，电路系统位于内部密封环境提高稳定性延长使用寿命。

应变感应电路可以采用灵敏度较高的丝状电阻，将应变转化成应变感应电路的电阻变化。内部信号处理模块的功能为读取应变感应电路的电阻变化以及与外部信号处理模块进行通讯，主要包括NFC芯片，应变感应电路接入内部信号处理模块，通过NFC技术可以将应变感应电路的电阻传递至外部信号处理模块。外部信号处理模块的功能包括判断眼球是否被压平、与内部信号处理模块进行通讯、控制磁场生成模块上的电压以及将眼压信息通过无线蓝牙的方式传输给外界查看。外部信号处理模块包括信号放大电路，反馈电路，ADC芯片、NFC通讯芯片和蓝牙无线通讯芯片，通过反馈回路将应变感应电路的电阻值和使用者眼球压平时的电阻值进行比较，反馈调节与磁场生成模块相连接的输出端的信号大小直到眼球被压平，NFC芯片用于与内部信号处理模块进行NFC通讯，读取眼球压平时磁场生成模块的电压进而计算得到眼压模拟信号后，信号放大电路将眼压信号进行放大，ADC芯片将模拟信号转换为数字信号，蓝牙无线通讯芯片将数字信号传输到外部的的移动通信设备，可以在使用者及医务人员的移动通信设备上实现对使用者眼压的实时查看监控。

本发明的工作原理如下：

使用者将角膜接触镜按照一般隐形眼镜的佩戴方法佩戴至自己的眼球，若只需测量一只眼睛的眼压则佩戴一只角膜接触镜在相应的眼睛上即可，若需要测量两个眼睛的眼压则两只眼睛均佩戴角膜接触镜，佩戴好便携式眼镜并打开便携式眼镜上的电源开关后此系统开始工作，由于两边眼睛的眼压测量不会相互影响，因此下面描述获得其中一只眼睛的眼压信号的过程。在刚打开开关时，眼球还未被压平，因此应变感应电路的电阻值大于使用者眼球被压平时的特定值，角膜接触镜内的内部信号处理模块通过NFC将应变感应电路的实时电阻值传输至外部信号处理模块，外部信号处理模块将此电阻和眼球被压平时的特定电阻值进行比较后信号反馈至输出端使得磁场生成模块上的电压逐渐加大，某一时刻，眼球被压平，外部信号处理模块比较由内部信号处理模块传输来的应变感应电路的电阻值和眼球被压平时的特定电阻值，得到两者差为零后读取此时输出端控制的磁场生成模块上的电压大小，计算得到此时使用者的此只眼睛的眼压值，眼压值实际上是输出端上的电压信号处理后的模拟信号，此模拟信号经过内部信号处理模块内的ADC芯片转化成数字信号并被放大电路放大，最终通过内部信号处理模块上的无线蓝牙通讯芯片传输至医护人员的手机，医护人员即可便捷地查看使用者此时的眼压。由于以上工作均由电路完成，电信号的的传输速度极快，因此获取一个数据点的时间很短。此发明实施例可以通过内部信号处理模块内芯片的时钟电路控制每隔1～10分钟测量一次眼压，一段时间后，医护人员即可在自己的手机上查看使用者的眼压变化趋势。

本发明实施例提供的一种无线压平式眼压监测系统，在角膜接触镜的水凝胶中添加了磁性材料，磁场生成模块产生的磁场作用于角膜接触镜水凝胶内的磁性材料会产生力和力矩，并传递至使用者的眼球表面，与现有技术直接监测眼压变化后角膜的应变相比，本发明实例中的角膜接触镜主动对使用者的眼球施加压力并监测应变，可以获得多个施加压力情况下的眼球应变值，数据包含信息更多，无需根据使用者眼球曲率半径不同进行标定，提高了传感器的精度和眼压检测传感器的普适性。

在上述实施例的基础上，优选地，所述角膜接触镜内部的磁性材料应选择硬磁性材料钕铁硼以保持较稳定且强度较大的剩余磁化，钕铁硼的颗粒尺寸优选5μm左右，水凝胶材料选择目前角膜接触镜常用的PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料，亦可使用PHEMA、NVP(N-乙烯基吡咯烷酮)和AM(丙烯酰胺)等材料，磁性材料占水凝胶的质量比例为5％到20％，磁性颗粒较浓度较低时透明性好，且角膜接触镜中心区域2-4mm范围内不分布磁性颗粒，不会阻挡使用者眼球的正常视野。

在上述实施例的基础上，优选地，所述角膜接触镜通过以下三种方法中的一种进行制备，所述以下三种方法包括：离心浇铸法、模压法和车削法。具体的，三种方法均为目前市场上成熟的角膜接触镜制作技术，本发明实施例不再冗述。由于需要在水凝胶中掺混磁性材料，因此在使用以上所述三种方法制作角膜接触镜的水凝胶单体聚集前加入磁性颗粒并充分震荡以防磁性颗粒聚集，待水凝胶角膜接触镜成型后需将其进行磁化，使用脉冲磁化器生成径向向外的强磁场，在所述磁场下，磁性颗粒会保留径向向外的剩余磁化强度。图4为一种典型的硬磁性材料的磁滞回线示意图，图中横轴表示外界磁场的磁感应强度大小，纵轴表示此硬磁性材料在外界磁场作用下内部的磁极化强度大小，磁滞回线和横轴的交点横坐标为此硬磁性材料的矫顽力，磁滞回线和纵轴的交点为此硬磁性材料用大于矫顽力的磁场充磁后的剩磁，水凝胶制备过程中将脉冲磁场设置为比矫顽力大，可使磁性材料保留稳定的剩磁。

综上，与现有眼压测量技术相比，本发明的优点有：

1、磁场生成模块可主动调节磁场大小，根据使用者眼压不同调节眼球被压平时所需的磁力，直接利用Imbert-Fick定律计算使用者眼压，无需对每位患者的角膜曲率进行标定，可以更加准确地获取使用者的眼压信息。

2、磁场生成模块和外部信号处理模块集成为便携式设备，方便使用者在包括睡眠期间在内进行24小时连续眼压监测。

3、采用包含磁性材料颗粒的角膜接触镜作为施力物体，磁性颗粒直径很小、浓度较低，因此角膜接触镜透明性好，同时应变感应电路和信号处理模块均采用微纳米加工技术，集成于角膜接触镜内，可以直接使用目前市场上较为成熟的角膜接触镜制造技术。

4、利用微纳加工技术可以实现传感器的微型化，置于角膜接触镜的边缘部分，不遮挡视线；同时可以在使用者无知觉的情况下测量眼压，对使用者的正常生活无过多影响。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。