基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法

1.本发明涉及压平眼压计使用的技术领域，尤其是指一种基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法。


背景技术：

2.为了测量眼压，基于不同的原理，诞生了各种眼压计。其中，作为测量结果最为稳定和精准的goldmann压平眼压计，在使用时，需要判定压头达到压平的时刻以进行读数。
3.目前，临床上是通过使用裂隙灯显微镜来观察是否达到压平的。如图1所示，眼压计和裂隙灯配合使用，当成像中，两个半圆环的内侧相切时，即为达到压平。相应地，从测量前在被测者眼球进行表面麻醉、滴入荧光液，到测量过程中裂隙灯显微镜的观察操作等，都使goldmann压平眼压计的使用极为繁琐，且对使用者的要求也很高，若操作不当，无法正确判断压平的时刻，便会人为地给测量结果带来误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，能够使用眼压计压头上的受力信息来判定压头是否达到压平，简化了压平眼压计的使用流程，同时也降低了对仪器使用者的要求，可实现更灵活和精确的眼压计测量。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，包括以下步骤：
6.1)提取眼压计压入过程中，压头在压入方向上的位移数据和受力数据；
7.2)将受力数据对位移数据进行求导，得到压头受力关于压头压入深度即位移的变化率；
8.3)绘制压头受力关于压入深度的变化率曲线，压头受力关于压头压入深度的变化率为y轴，压入深度为x轴的曲线；其中，根据压入过程中压头与角膜的接触情况可知，两者的接触面积在达到压平前不断增大，达到压平后不再变化，而压头受力的变化率与接触面积的变化相关，在压平时刻，压头受力的增长速度将达到最大值；
9.4)找到压入过程中压头受力关于压入深度的变化率曲线中部的最大值，即为压头达到压平的时刻。
10.进一步，在步骤1)中，提取的数据包括从眼压计开始压入，在第i个时刻，压头压入方向上，压头压入的深度ui以及压头上的受力rfi，一共有n个数据对。
11.进一步，在步骤2)中，将受力数据对位移数据进行求导，得到除了初始时刻外，每个时刻压头受力关于压入深度的变化率ki：
[0012][0013]
式中，rfi和ui分别为当下时刻，压头在压入方向上的受力和位移，rf
i-1
和u
i-1
分别
为前一时刻压头在压入方向上的受力和位移。
[0014]
进一步，在步骤3)中，根据压头受力rfi关于压入深度ui的变化率ki来反推压头与角膜的接触面积carea的变化情况；其中，压头达到压平前，随着ui增加，carea逐渐增大，rfi增大的速率ki也越来越快；压头达到压平后，carea达到最大值且不再改变，对应地，rfi增大的速率开始下降，故ki在压平时取得最大值。
[0015]
进一步，在步骤4)中，根据压头受力rfi随压入深度ui的变化率ki和压头与角膜的接触面积carea的相关性，在步骤3)绘制的压头受力关于压入深度的变化率曲线k
i-ui中部取得最大值的位置，即为眼压计压头达到压平的位置。
[0016]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0017]
1、本发明首次采用根据眼压计压头受力情况来判定压头是否达到压平的方法，突破了观察压头与角膜接触图像困难的缺点。
[0018]
2、本发明与原先的判定标准相比，提高了判定的精度。
[0019]
3、本发明方法操作简单、适应性强，在各类眼压计的使用中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0020]
图1为现有判定眼压计达到压平的设备及方法示意图。
[0021]
图2为本发明所使用的眼球仿真模型图。
[0022]
图3为眼压计压入过程中压头与角膜的接触情况图(左：压入前中：恰好压平时右：继续下压)。
[0023]
图4为压头与角膜的接触面积carea随着眼压计压入位移u的变化图(达到压平后接触面积不变)。
[0024]
图5为压头与角膜的接触范围随着眼压计压入的变化(达到压平后接触范围不变)
[0025]
图6为27个眼球模型的编号及参数的表格图。
[0026]
图7为压头受力rf随压入位移u的变化率与压入位移u的关系对比压头与角膜接触面积carea与压入位移u的关系图(角膜弹性模量为0.9mpa、厚度为0.44mm、曲率半径为7.8mm；将使用接触面积来判定的结果和使用新方法的结果进行对比，两者判定的时刻完全一致)。
[0027]
图8为压头受力rf随压入位移u的变化率与压入位移u的关系对比压头与角膜接触面积carea与压入位移u的关系图(常见角膜参数范围内的多个模型，图片编号分别对应图6中的模型参数；竖线表示达到眼压计达到压平的位置；所有计算结果都显示出两种判别方法的高度一致)。
具体实施方式
[0028]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0029]
本实施例公开了一种基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，包括以下步骤：
[0030]
1)提取眼压计压入过程中，压头在压入方向上的位移数据和受力数据，具体如下：
[0031]
提取的数据包括从眼压计开始压入，在第i个时刻，压头压入方向上，压头压入的深度ui以及压头上的受力rfi，一共有n个数据对。
[0032]
2)将受力数据对位移数据进行求导，得到压头受力关于压头压入深度即位移的变化率；其中，将受力数据对位移数据进行求导，得到除了初始时刻外，每个时刻压头受力关于压入深度的变化率ki：
[0033][0034]
式中，rfi和ui分别为当下时刻，压头在压入方向上的受力和位移，rf
i-1
和u
i-1
分别为前一时刻压头在压入方向上的受力和位移。
[0035]
3)绘制压头受力关于压入深度的变化率曲线，压头受力关于压头压入深度的变化率为y轴，压入深度为x轴的曲线；其中，根据压入过程中压头与角膜的接触情况可知，两者的接触面积在达到压平前不断增大，达到压平后不再变化，而压头受力的变化率与接触面积的变化相关，在压平时刻，压头受力的增长速度将达到最大值，具体如下：
[0036]
根据压头受力rfi关于压入深度ui的变化率ki来反推压头与角膜的接触面积carea的变化情况；其中，压头达到压平前，随着ui增加，carea逐渐增大，rfi增大的速率ki也越来越快；压头达到压平后，carea达到最大值且不再改变，对应地，rfi增大的速率开始下降，故ki在压平时取得最大值。
[0037]
4)根据压头受力rfi随压入深度ui的变化率ki和压头与角膜的接触面积carea的相关性，在步骤3)绘制的压头受力关于压入深度的变化率曲线k
i-ui中部取得最大值的位置，即为眼压计压头达到压平的位置。
[0038]
本实施例上述基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，是基于眼球的有限元模型来进行的，具体情况如下：
[0039]
1)建立眼球的有限元模型
[0040]
本发明依照已有的眼球参数，使用有限元软件建立起了眼球的模型。本次建模中，采取的几何参数如下：眼角膜的最大横截面取直径为11mm的圆，前表面的初始曲率半径为7.8mm，中间的初始厚度为0.52mm；巩膜取厚度均匀的壳结构，外表面曲率半径为12mm，厚度为0.8mm；角膜缘负责连接角膜和巩膜，厚度为0.67mm。角膜、角膜缘以及巩膜构成了眼球的眼球壁，而在眼球壁内部，则是充满了均匀的压强，也就是我们所关心的眼压，该压强能够模拟真实房水的受压情况，在受压后体积缩小时，压强会相对应地增大。在本发明的计算模型中，由于眼球具有轴对称的性质，为了节省计算时间，采用四分之一对称模型，模型的整体如图2所示。从上到下分别为眼压计压头、角膜、角膜缘以及巩膜，其中，根据goldmann压平眼压计的实际参数，压头的半径为1.53mm。
[0041]
2)模拟眼压计压入行为
[0042]
在进行眼压测量的仿真模拟时，眼压计压头将向垂直于角膜方向缓缓压入一段距离，在这个过程中，压头的压入位移不断增加，眼压计压头与角膜的接触面积也从零不断增大，直至与角膜完全接触，接触面保持半径为1.53mm的圆不变，如图3所示。在整个压入过程中，角膜的变形越来越大，前期压头与角膜的接触面积也在逐渐增加，压头上所受的力亦逐渐增大。然而，当压头平面与角膜完全接触之后，随着压头压入距离继续增大，接触面积因
已达到最大值而不再增加。因此，在压平的时刻，对应压头压力-压入位移的曲线处将有一个拐点，找到这个拐点，即能判断眼压计恰好完全压平角膜的时刻。
[0043]
在找到这个拐点之前，亦可以直接通过观察眼压计压头与角膜的接触面积变化来判断压平的时刻。输出接触面积随压入位移的变化曲线可知，如图4所示，在压入0.39mm时，接触面积carea达到最大，此时为眼压计恰好将角膜完全压平的时刻。另外，直接查看角膜与压头的接触范围也可以发现，如图5所示，在压入0.39mm之前，接触的范围是在逐渐增大的，而到了0.39mm之后，接触范围不再变化，也就是说，压入0.39mm为眼压计恰好将角膜完全压平的位置。这两种方法得到的结果是一致的，保证了我们对压平时刻的正确判断。若以上两种方法得到的压平时刻与新方法判定的位置相同，则说明了新方法的判定准则是有效的。
[0044]
3)计算结果与处理
[0045]
根据现有的角膜常见参数范围可知，角膜常见的弹性模量e范围为0.1kpa～0.9kpa，厚度cct范围为0.44mm～0.69mm，角膜前表面曲率半径r范围为7mm～8.6mm。分别取角膜弹性模量为0.1kpa、0.5kpa和0.9kpa，角膜厚度为0.44mm、0.56mm和0.69mm，角膜前表面曲率半径为7mm、7.8mm和8.6mm的一共27种组合进行建模，各个模型的编号如图6所示。进一步地，以其中角膜弹性模量为0.9mpa、厚度为0.44mm、曲率半径为7.8mm的模型为例，作出rf-u曲线的变化率，计算结果如图7所示。整条曲线呈现出一个“w”的形状，且在压平的时刻，曲线达到了中间的顶点。也就是说，整个压入过程中，rf是在不断增大的。但是，压头将角膜完全压平的前一段时间，压头压力rf增大的速度在逐渐上升；而压头与角膜完全接触后，由于接触面积不再增大，压头压力rf增大的速度开始下降。利用这个特点，可以很准确地识别出，图7曲线中“w”中间的顶点即为达到压平的时刻。另外，在其它的26个模型数据中，也呈现出相同的规律。27个模型的计算结果如图8所示。
[0046]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)提取眼压计压入过程中，压头在压入方向上的位移数据和受力数据；2)将受力数据对位移数据进行求导，得到压头受力关于压头压入深度即位移的变化率；3)绘制压头受力关于压入深度的变化率曲线，压头受力关于压头压入深度的变化率为y轴，压入深度为x轴的曲线；其中，根据压入过程中压头与角膜的接触情况可知，两者的接触面积在达到压平前不断增大，达到压平后不再变化，而压头受力的变化率与接触面积的变化相关，在压平时刻，压头受力的增长速度将达到最大值；4)找到压入过程中压头受力关于压入深度的变化率曲线中部的最大值，即为压头达到压平的时刻。2.根据权利要求1所述的基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，其特征在于，在步骤1)中，提取的数据包括从眼压计开始压入，在第i个时刻，压头压入方向上，压头压入的深度u
i
以及压头上的受力rf
i
，一共有n个数据对。3.根据权利要求1所述的基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，其特征在于，在步骤2)中，将受力数据对位移数据进行求导，得到除了初始时刻外，每个时刻压头受力关于压入深度的变化率k
i
：式中，rf
i
和u
i
分别为当下时刻，压头在压入方向上的受力和位移，rf
i-1
和u
i-1
分别为前一时刻压头在压入方向上的受力和位移。4.根据权利要求1所述的基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，其特征在于：在步骤3)中，根据压头受力rf
i
关于压入深度u
i
的变化率k
i
来反推压头与角膜的接触面积carea的变化情况；其中，压头达到压平前，随着u
i
增加，carea逐渐增大，rf
i
增大的速率k
i
也越来越快；压头达到压平后，carea达到最大值且不再改变，对应地，rf
i
增大的速率开始下降，故k
i
在压平时取得最大值。5.根据权利要求1所述的基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，其特征在于：在步骤4)中，根据压头受力rf
i
随压入深度u
i
的变化率k
i
和压头与角膜的接触面积carea的相关性，在步骤3)绘制的压头受力关于压入深度的变化率曲线k
i-u
i
中部取得最大值的位置，即为眼压计压头达到压平的位置。

技术总结
本发明公开了一种基于眼压计压头受力的判定压头达到压平的方法，包括：1)提取眼压计压入过程中，压头在压入方向上的位移数据和受力数据；2)将受力数据对位移数据进行求导，得到压头受力关于压头压入深度即位移的变化率；3)绘制压头受力关于压入深度的变化率曲线，压头受力关于压头压入深度的变化率为Y轴，压入深度为X轴的曲线；4)找到压入过程中压头受力关于压入深度的变化率曲线中部的最大值，即为压头达到压平的时刻。本发明基于眼压计的压头受力判定压头达到压平，能够根据压头上的受力情况来判定压头是否达到压平，缓解直接观察压头与角膜的接触图像困难的问题，同时提高了判定的精度，在各类眼压计的使用中有广阔的前景。景。景。


技术研发人员：林建生 刘逸平 汤立群 蒋震宇 刘泽佳 周立成 杨宝
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8