超聲波眼科測量裝置及方法

2023-05-19 03:58:01

專利名稱：超聲波眼科測量裝置及方法
技術領域：
本發明有關於一種眼科測量裝置及方法，且特別是有關於一種超聲波眼科測量裝
置及方法。
背景技術：
屈光不正是人類最常見和最普遍的眼病，角膜厚度測量和眼軸長度測量都是為適 應屈光性手術而發展起來的，最主要用於角膜屈光手術的術前檢查和術後療效評價，例如 對手術時切口深度的掌握，術後指導用藥，避免角膜上皮過度增殖增厚造成屈光回退，防止 繼發性圓錐角膜等都有重要意義。此外，角膜厚度還是角膜細胞機能的客觀指標，眼軸長度 的測定還可以了解眼的病變和屈光情況。 超聲波測厚技術的依據是超聲波在介質中的傳播速度一定的情況下，發射脈衝 和回波脈衝之間的時間間隔與介質的厚度直接相關。與光學測量法相比較，超聲對角膜無 害無損，操作非常簡便，同時可以連續測量同一部位的數點或不同部位的數點取其平均值， 而且比光學測量法精確，因此在眼科的應用日益廣泛。

發明內容
本發明的目的在於提供一種超聲波眼科測量裝置及方法，利用超聲波高解析度的 性能測量人體眼角膜的厚度和眼軸的長度，用於眼部手術前檢查和手術後療效的評價。
本發明提出一種超聲波眼科測量裝置，包括超聲換能器、控制單元、超聲波發射單 元、超聲波接收單元、數據採集單元、顯示單元以及按鍵單元。其中，控制單元包括相互連接 的MSP430單片機和CPLD晶片。超聲波發射單元的輸入端連接CPLD晶片的輸出，輸出端連 接至超聲換能器。超聲波接收單元的輸入端連接超聲換能器，輸出端連接至CPLD晶片。數 據採集單元包括依次連接的濾波電路、A/D轉換電路及FPGA晶片。濾波電路的輸入連接超 聲波接收單元的輸出。FPGA晶片的輸出端連接至MSP430單片機的輸入端。顯示單元和按 鍵單元分別連接至MSP430單片機。 本發明中的超聲波發射單元包括微分電路，其輸入端連接CPLD晶片的輸出，將矩 形波轉換為尖脈衝波。採用微分電路可以減小發射脈寬，提高測量精度。
本發明中的超聲波接收單元包括放大電路和比較電路，放大電路的輸入端連接至 超聲換能器的輸出，輸出端連接至濾波電路；比較電路的輸入端連接放大電路的輸出，輸出 端連接至CPLD晶片。 本發明中的比較電路包括TL3016比較器，其轉換速度較高，可以達到7. 8ns。
本發明還提出一種超聲波眼科測量方法，包括步驟a)將超聲波眼科測量裝置的 測量探頭正確放在人體角膜上；b)由控制單元的MSP430單片機輸出固定寬度的發射脈衝 至超聲波發射單元，並觸發測量探頭中的超聲換能器發射超聲波；c)超聲波經過人體角膜 反射後由超聲換能器輸出至超聲波接收單元，經過放大電路放大後，其中一路反射波輸出 至比較電路，另一路輸出至數據採集單元；d)在超聲波發射的同時啟動時鐘脈衝，由比較
4電路輸出的反射波控制CPLD晶片輸出計數脈衝至MSP430單片機；e)由MSP430單片機對 所述時鐘脈衝和計數脈衝進行數據處理，經轉換得到眼角膜的厚度和眼軸長度，並通過顯 示單元進行顯示。 本發明中的步驟c)中，反射波經數據採集單元的濾波電路濾波後，送入A/D轉換 電路轉換為數位訊號，輸出至FPGA晶片存儲，由FPGA晶片緩衝給MSP430單片機，並將採樣 所得到的波形通過顯示單元進行顯示。 本發明中的步驟d)中，CPLD晶片包括兩組計數器，分別輸出兩組計數脈衝至 MSP430單片機。採用雙脈衝計數可以提高計數精度。 本發明中的步驟b)中，MSP430單片機發出的發射脈衝，經CPLD晶片和微分電路 後變成寬度極窄的脈衝信號觸發超聲換能器發射超聲波。 本發明中的測量方法還包括步驟f)如果測量探頭接觸人體角膜3秒後未測量到 數據，則超聲波眼科測量裝置發出長鳴音以提示測量探頭必須離開角膜，避免角膜的損傷； 如果在3秒內測到角膜厚度和眼軸長度值，則超聲波眼科測量裝置發出短鳴音以提示測量 成功，可以進行下一次測量。 本發明中的測量方法還包括步驟g)如果超聲波眼科測量裝置在10分鐘內未檢 測到任何操作的話，則自動關機。採用定時關機可以降低整個裝置的功耗，提高整個裝置的
可靠性。 本發明的有益效果是，本發明所提供的超聲波眼科測量裝置及方法可以利用超聲 波反射波法測量人體角膜厚度和眼軸長度。本發明原理簡單，對被測物體表面要求較低，能 滿足角膜厚度和眼軸測量需求。 在硬體電路部分，使用低功耗的CPLD晶片代替單片機完成數據採集和處理，實現 了裝置的低功耗化和微型化的趨勢；為了提高測量精度，採用微分電路來減小發射脈寬。並 設計專用高頻超聲換能器，在測量探頭的中央打孔後放置光纖導入綠色光源，引導患者的 眼睛注視引導光源，確保測量時聲束更準確進入患者的視軸。 本發明的超聲波眼科測量方法採用雙脈衝計數法，並進行去最值取平均的處理， 以提高計數精度；採用定時關機來降低整機的功耗，提高整機的可靠性。


圖1所示為根據本發明的超聲波眼科測量裝置的功能方塊示意圖。 圖2所示為根據本發明的超聲波眼科測量裝置的測量探頭的結構示意圖。 圖3所示為圖1中的MSP430單片機的電路原理圖。 圖4所示為圖1中的超聲波發射單元的電路原理圖。 圖5a所示為圖4中的微分電路的輸入電壓波形圖。 圖5b所示為圖4中的微分電路輸出電壓波形圖。 圖6所示為圖1中的比較電路示意圖。 圖7所示為根據本發明的超聲波眼科測量裝置的工作原理圖
具體實施例方式
為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。 如圖1所示，本發明所提供的超聲波眼科測量裝置包括超聲換能器10、控制單元 11、超聲波發射單元12、超聲波接收單元13、數據採集單元14、顯示單元15以及按鍵單元 16。 本發明採用單晶片高頻超聲換能器10，以取得更高的解析度。高頻超聲換能器10 主要由壓電晶片、保護層及超聲延時構成，它是一種能量轉換器件。其工作原理是在發射 時，利用壓電晶片的逆壓電效應原理，將輸入的電功率轉換成機械功率即超聲波傳遞出去； 在接收時，利用壓電晶片的正壓電效應原理，將機械功率再轉換為電信號。
如圖2所示，高頻超聲換能器10安裝於測量探頭17中。測量探頭17還包括外殼 170以及固定在外殼170內的透鏡171和發光二極體172。由於眼球2的特殊結構，如果設 計測量探頭17的直徑超過2mm，容易把角膜壓平；如果低於2mm，又容易把角膜壓陷，從而影 響測量數據的準確性，所以一般測量探頭17的直徑選擇為2mm。 透鏡171安裝於超聲換能器10的前部，採用聚焦的方法得到測量時無起伏的近聲 聲場。在設計時，用雷射將測量探頭17前端的中心打孔，利用光纖173導入發光二極體172。 優選的，發光二極體172選用綠色光源。由於綠光成像在視網膜前面，晶狀體能得到有效放 松調節，可以緩解視力疲勞；另一方面，可以從宏觀上引導患者的眼睛注視引導光源，確保 測量時超聲波更容易準確進入患者的視軸。 如圖1所示，控制單元11選用TI公司的MSP430單片機110作為主控晶片提供數 據處理和控制功能，配合CPLD晶片lll提供數據處理功能，構成整個測量裝置的內核。擴 展部分連接有顯示單元15和按鍵單元16，經計算得到的角膜厚度和眼軸長度信息可以通 過顯示單元15直觀的顯示出來，優選的，顯示單元15採用8位並行接口，實時快速。
圖3所示為MSP430單片機的電路原理圖，如圖所示，MSP430單片機110的Pl. 0是 超聲波發射脈衝的控制信號，Pl. 1-P1. 2是顯示單元15的片選信號，Pl. 3-P1. 4是按鍵單元 16的接口， P6. 0-P6. 7是地址線，P2. 3-P2. 6是比較器接口， P3. 4-P3. 5用於擴展RS232通 信接口 ， P4. 0-P4. 7， PI. 5-P1. 7， P3. 0-P3. 3， P2. 7用於數據傳輸，P5. 1-P5. 2控制顯示單元 15的讀寫。 圖4所示為超聲波發射單元的電路原理圖。本發明中的超聲波發射單元12包括 微分電路120和場效應管開關121，當場效應管開關121導通時，超聲波發射單元12激發超 聲換能器10工作；當開關截止時，不產生超聲波。 如圖4所示，C5和R8作為微分電路120，可把矩形波轉化為尖脈衝波。R6、R7、Q2、 Q3構成一個簡單的放大電路，將微分電路120得到的尖脈衝波幅度增大。當正向的脈衝信 號加到場效應管Q1的柵極時，作為觸發脈衝控制信號以控制Q1的通斷。
為了充分利用超聲換能器10的固有頻率15MHz，從兩個方面對超聲波發射單元12 進行了優化模擬開關選用場效應管，功耗小，輸入內阻大，能夠形成前沿極陡的高壓脈衝； 發射脈衝產生電路選用如圖4所示的微分電路120。 圖5a和5b所示分別為微分電路120的輸入電壓波形圖和輸出電壓波形圖，如圖 所示，微分電路取出由CPLD晶片111送出的周期方波的下降沿，將矩形波轉換為尖脈衝波。 該電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發生突變的瞬間才有輸 出，而對恆定部分則沒有輸出，對輸出波形經一級放大得到寬度極窄的觸發脈衝。
反射回超聲換能器10的回波信號很微弱， 一般在5mV左右，因此超聲波接收單元 13包括放大電路130，在這裡，放大電路130可以採用現有技術中可以實現放大功能的電 路。由於要滿足後續化電路，放大增益要求在40dB以上。為了防止洩漏的高壓激勵信號使 放大電路130中的放大器的前級損壞或過載，可以在放大器前接入保護電路，例如由四個 二極體兩兩串聯後並聯組成的保護電路以進行雙向限幅。本發明中的放大電路130可以實 現動態增益過程，可以數控調節放大倍數，使增益能很好地與超聲換能器10相匹配。
超聲波反射信號通過放大電路130放大後，一路輸出至比較電路131，另一路輸出 至數據採集單元14。如圖6所示，比較電路131選用轉換速度較快的TL3016比較器，其輸 入端連接放大電路130的輸出，輸出端連接至CPLD晶片111。脈衝反射波信號經過比較電 路131轉換為方波信號，此方波信號用來控制脈衝計數器的啟動和關閉。
正常人中央角膜厚度約為550um，超聲傳播速度為1640m/s，可以得出超聲在角 膜前後壁的兩次回波間隔僅約為0.6us，所以要求比較器的轉換速度較高。本發明中的 TL3016比較器，其轉換速度僅為7. 8ns。 如圖1所示，數據採集單元14包括依次連接的濾波電路140、A/D轉換電路141及 FPGA晶片142。其中，濾波電路140、 A/D轉換電路141均可採用現有技術中可以實現相同 功能的電路。在有用信號被放大的同時，也混入了各種高低頻噪聲信號，為此必須採用濾波 電路140選擇出反射波信號中有用的頻率成分。超聲波信號的頻譜有一定的帶寬，因此要 求接收頻響也要有相應帶寬。因此本發明中的濾波電路140的中心頻率取超聲換能器10 的中心頻率15MHz，帶寬也為15MHz。 反射波信號經過放大整形濾波後，送入A/D轉換電路141轉換為數位訊號，採樣的 時鐘信號由FPGA晶片142控制，採樣得到的數據被送至FPGA晶片142內部設計的FIFO存 儲器存儲，等待MSP430單片機110的讀取。 圖7所示為超聲波眼科測量裝置的工作原理圖，請一併結合圖1 圖6。首先由 超聲波發射單元12產生高壓脈衝(圖7中的發射脈衝)，激勵超聲換能器10產生超聲波。 超聲波由測量探頭17通過耦合劑傳播至空氣與眼角膜上皮層20時，會產生反射波信號，這 是交界面兩側組織的聲阻抗不匹配引起的。此時超聲波束一部分反射回超聲換能器10，另 一部分在眼球2內繼續傳播，傳播至眼角膜下皮層21與房水的交界面和視網膜22上時，同 樣會產生兩個反射波信號，這樣就得到了儀器測量所需要的三個反射波信號。
在超聲波脈衝發射的同時啟動時鐘脈衝，由反射波信號來控制計數觸發脈衝，從 而計算出超聲波在眼角膜上皮層20和下皮層21之間傳播的時間，和在眼角膜上皮層20和 視網膜22之間傳播的時間，經轉換得到眼角膜的厚度和眼軸長度。 具體來說，超聲波眼科測量裝置工作時，在時鐘脈衝的作用下，由MSP430單片機 110發出觸發脈衝信號，該信號經CPLD晶片111和微分電路120後變成寬度極窄的脈衝觸 發超聲換能器10產生超聲波。超聲波經反射後，由超聲波接收單元13接收回波信號，回波 信號通過放大電路130後，分成兩路一路信號通過濾波電路140，濾除幹擾信號後，進入相 應的A/D轉換電路141量化成數位訊號，採樣所得的數位訊號通過並行數據口傳輸給FPGA 晶片142，然後由FPGA晶片142緩衝給MSP430單片機110，將採樣所得到的波形通過顯示 單元15顯示出來；另一路信號通過比較電路131，將脈衝反射波信號轉換為符合邏輯電位 的方波信號，進入CPLD晶片111後觸發計數器，計數器的值，即計數脈衝被送入MSP430單片機110進行數據處理，並通過顯示單元15顯示出來。 上述過程中，為了保證電路能夠有序工作，本發明採用兩片可編程邏輯晶片來輔助單片機完成控制和數據處理功能， 一片是FPGA晶片142， 一片是CPLD晶片111 。其中FPGA晶片142對數據採集單元14的時序進行控制。具體來說，100MHz的時鐘源由外部接入，通過兩個鎖相環產生4個相位的同頻時鐘，作為採樣的時鐘，採樣得到的數據送至FPGA晶片142內的FIFO存儲，採樣結束存儲完成後，FIF0產生中斷信號，由MSP430單片機110來讀取數據，並送出顯示。 CPLD晶片111主要用於計數，由超聲的回波信號控制計數的開啟和關閉(見圖6)。由於眼球的結構比較複雜，而且每個交界面兩側組織的聲阻抗不匹配，所以超聲從眼角膜上皮層20發射後，會產生5個回波信號，分別為眼角膜上皮層20，眼角膜下皮層21，房水前壁，房水後壁和視網膜22，分別記為l-5號回波。為了同時得到角膜厚度和眼軸長度，需要設計兩組計數器。第一組計數器中，l號回波控制計數器開始工作，2號回波控制計數器停止工作，經計算得到角膜厚度。第二組計數器中，1號回波控制計數器開始工作，5號回波控制停止計數。因為房水的厚度和房水後壁到視網膜壁的厚度相差很大，所以可通過設定計數閾值，即用閾值的方法屏蔽掉測量所不需要的2號、3號和4號波對計數器的影響，由5號回波來關閉第二組計數器，經計算得到眼軸的長度。另外，CPLD晶片lll還用於單片機I/O 口的擴展，擴展地址和鎖存信號，便於之後的軟體設計。 硬體部分電路的工作需要軟體的支持，本發明中通過MSP430單片機110上的JTAG調試器將程序從PC機直接下載到FLASH存儲器內，再通過PC機上的軟體由JTAG接口讀取單片機內信息，實時監測單片機上運行的程序。 整個儀器開機後，系統初始化，開中斷，進入低功耗模式，等待中斷， 一旦有中斷，系統被喚醒，開始測量。如果測量成功，顯示測量值，蜂鳴器短音提示，如果測量失敗，則顯示測量失敗，蜂鳴器長音提示。測量結束後，返回低功耗模式，繼續等待中斷。
軟體設計的核心部分是角膜厚度和眼軸長度的測量，首先由MSP430單片機110發射固定寬度的方波信號經超聲波發射單元12觸發超聲換能器10的壓電晶片產生超聲，超聲波發射脈衝的發射周期為8ms。此時，若測量探頭17正確放在角膜上，系統會得到一個計數值，若計數值在設定的計數值範圍內，保存該值，若不符合，重複測量，直到成功計數5次，因採用兩個計數器同時計數，故實際得到IO個計數值。為濾掉隨機誤差，進行去最值取平均的處理，通過相應的計算得到測量值。 在工作狀態時，為了避免測量探頭17接觸人體角膜時間過長，如測量探頭17接觸角膜3s後未測量到數據，則蜂鳴器以長鳴音提示探頭必須離開角膜，避免角膜的損傷；如在3s內測到角膜厚度和眼軸長度值，則蜂鳴器以短鳴音提示測量成功，可以進行下一次測量。為了節約電量，如果10分鐘內未檢測到任何操作的話，則自動關機。
進一步的，為了使整個測量裝置的性能更加完善，充分利用MSP430單片機110內部比較器的功能，通過比較器採樣電源電壓就可以確定當前電源是否符合工作要求。電池供電電壓正常為8. 4V，經過不斷實驗和分析，將電源電壓門限取為6. 5V，而比較器內部參考源0. 5VCC(VCC為3. 3V)，此時電壓門限已經超出參考電壓，於是採用分壓電路使其在採樣範圍內，大小為(6. 5/8. 4)* (0.5*3. 3) = 1. 28V。如果分壓後的電源電壓小於1. 28V，液晶屏上作相應顯示，提醒用戶需更換電池。
綜上所述，本發明具有自主數據處理能力，具有參數選擇、顯示數據的功能，具有 對外通信接口，支持可攜式操作，同時操作簡單便於醫護人員操作。 本發明中所述具體實施案例僅為本發明的較佳實施案例而已，並非用來限定本發 明的實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本發 明的技術範疇。
權利要求
一種超聲波眼科測量裝置，包括超聲換能器，其特徵在於，還包括控制單元，包括相互連接的MSP430單片機和CPLD晶片；超聲波發射單元，其輸入端連接CPLD晶片的輸出，輸出端連接至超聲換能器；超聲波接收單元，其輸入端連接超聲換能器，輸出端連接至CPLD晶片；數據採集單元，包括依次連接的濾波電路、A/D轉換電路及FPGA晶片，濾波電路的輸入連接超聲波接收單元的輸出，FPGA晶片的輸出端連接至MSP430單片機的輸入端；顯示單元，與MSP430單片機的輸出端相連接；以及按鍵單元，連接至MSP430單片機的輸入端。
2. 根據權利要求1所述的超聲波眼科測量裝置，其特徵在於，所述超聲波發射單元包 括微分電路，其輸入端連接CPLD晶片的輸出，將矩形波轉換為尖脈衝波。
3. 根據權利要求1所述的超聲波眼科測量裝置，其特徵在於，所述超聲波接收單元包 括放大電路和比較電路，放大電路的輸入端連接至超聲換能器的輸出，輸出端連接至濾波 電路；比較電路的輸入端連接放大電路的輸出，輸出端連接至CPLD晶片。
4. 根據權利要求3所述的超聲波眼科測量裝置，其特徵在於，所述比較電路包括 TL3016比較器。
5. —種採用權利要求1 4任一項所述的超聲波眼科測量裝置進行測量的方法，其特 徵在於，包括步驟a) 將超聲波眼科測量裝置的測量探頭正確放在人體角膜上；b) 由控制單元的MSP430單片機輸出固定寬度的發射脈衝至超聲波發射單元，並觸發 測量探頭中的超聲換能器發射超聲波；c) 超聲波經過人體角膜反射後由超聲換能器輸出至超聲波接收單元，經過放大電路放 大後，其中一路反射波輸出至比較電路，另一路輸出至數據採集單元；d) 在超聲波發射的同時啟動時鐘脈衝，由比較電路輸出的反射波控制CPLD晶片輸出 計數脈衝至MSP430單片機；e) 由MSP430單片機對所述時鐘脈衝和計數脈衝進行數據處理，經轉換得到眼角膜的 厚度和眼軸長度，並通過顯示單元進行顯示。
6. 根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟c)中，反射波經數據採集 單元的濾波電路濾波後，送入A/D轉換電路轉換為數位訊號，輸出至FPGA晶片存儲，由FPGA 晶片緩衝給MSP430單片機，並將採樣所得到的波形通過顯示單元進行顯示。
7. 根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟d)中，CPLD晶片包括兩組 計數器，分別輸出兩組計數脈衝至MSP430單片機。
8. 根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟b)中，MSP430單片機發出 的發射脈衝，經CPLD晶片和微分電路後變成寬度極窄的脈衝信號觸發超聲換能器發射超 聲波。
9. 根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述測量方法還包括步驟f)如果測 量探頭接觸人體角膜3秒後未測量到數據，則超聲波眼科測量裝置發出長鳴音以提示測量 探頭必須離開角膜，避免角膜的損傷；如果在3秒內測到角膜厚度和眼軸長度值，則超聲波 眼科測量裝置發出短鳴音以提示測量成功，可以進行下一次測量。
10. 根據權利要求5所述的測量方法，其特徵在於，所述測量方法還包括步驟g)如果超聲波眼科測量裝置在10分鐘內未檢測到任何操作的話，則自動關機c
全文摘要
本發明提出一種超聲波眼科測量裝置及方法。超聲波眼科測量裝置包括超聲換能器、控制單元、超聲波發射單元、超聲波接收單元、數據採集單元、顯示單元以及按鍵單元。控制單元包括相互連接的MSP430單片機和CPLD晶片。由MSP430單片機輸出發射脈衝至超聲波發射單元，觸發超聲換能器發射超聲波。超聲波經人體角膜反射後輸出至超聲波接收單元，經過放大，其中一路反射波輸出至比較電路，另一路輸出至數據採集單元。由比較電路輸出的反射波控制CPLD晶片輸出計數脈衝至MSP430單片機，經轉換得到眼角膜的厚度和眼軸長度，並通過顯示單元進行顯示。本發明可以利用超聲波反射波法測量人體角膜厚度和眼軸長度，原理簡單，測量精度高，且對被測物體表面要求較低。
文檔編號A61B8/10GK101785683SQ20101902610
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者夏翎, 許春, 趙興群, 陳娟 申請人:東南大學