兒童驗光配鏡自動分析系統的製作方法
2023-06-04 11:00:21 2
本申請涉及兒童屈光校正，具體涉及一種主要用於兒童的兒童驗光配鏡自動分析系統。
背景技術：
：隨著醫療技術的發展，針對眼科的電腦驗光設備得到了快速發展，目前電腦驗光儀已廣泛應用於世界各地，極大地方便了人們的驗光配鏡需求。但驗光儀因操作人員的熟練程度差異、患者的配合程度的影響，以及每個人的調節能力不同，也帶來了驗光輸出結果的分散性、不確定性，依據這些準確度差的結果配鏡，對人的眼部屈光校正帶來了許多消極影響，尤其對眼睛處在發育期的兒童，帶來的傷害是致命的，業務不精的驗光師給少年兒童不恰當度數的眼鏡，會使本可以預後較好的眼睛視力變差，臨床上出現過大量因配鏡度數不恰當導致患者視力持續變差的病例，著名眼科醫院出現此類問題也比比皆是，經驗豐富的兒童眼科專家屈指可數，如何有效地為屈光不正的少年兒童診斷配鏡，是兒童眼科領域的重要科題之一。具體地說，當一位屈光不正患者進行驗光配鏡做物理校正時，驗光師會通過電腦驗光儀給出參考的近視或遠視的眼睛屈光度數，再通過試鏡配出適宜的眼鏡，其配出的眼鏡適宜度與驗光師的能力、患者的認知水平、配合默契度密切相關，存在很大的分散性和不確定性，對成人而言，由於眼睛已經發育成型，儘管佩戴的眼鏡與眼睛狀況的契合度未必一致，也不會對眼睛帶來太大的傷害。然而當這一驗光配鏡過程針對的是青少年、尤其是兒童時，結果就大不相同了，因為少年兒童的眼睛處在發育期，如果不考慮少年兒童的眼睛屈光調節潛力，按照電腦驗光儀給出的屈光度配鏡，就可能破壞少年兒童正向視力的發展，抑制眼睛調節力的發揮，結果會使可塑性視力消失，導致視力的不可恢復。有針對性的配鏡方案可以使得眾多的假性屈光異常患者得以恢復到正常視力，這要依賴於兒童眼科醫生的精湛技術，但能系統地勝任這一技術的兒童眼科醫生極端缺乏，因而有必要從技術上解決這一難題，使得可以儘量不依賴於兒童眼科醫生的經驗，而能方便、準確地為屈光異常患者，尤其是此類兒童提供有針對性的配鏡方案。技術實現要素：本申請公開了一種兒童驗光配鏡自動分析系統，包括：用於獲取驗光者的眼睛驗光數據的主控制板，與所述主控制板連接的上位機，所述上位機根據從所述主控制板獲得的所述眼睛驗光數據進行處理，形成相應的初始配鏡數據，並基於採集的驗光者預定信息校正所述初始配鏡數據，形成適配於所述驗光者的最終配鏡方案；其中，所述基於採集的驗光者預定信息校正所述初始配鏡數據包括利用與驗光者年齡相關的校正係數校正所述初始配鏡數據。在一實施例中，所述主控制板以現場可編程邏輯陣列FPGA單元為中央處理核心，所述FPGA單元經USB接口控制單元連接USB接口並通過所述USB接口連接所述上位機；所述FPGA單元經IO接口連接光學系統，經光電隔離單元連接具三軸電機的運動平臺，所述運動平臺還連接電機驅動單元，所述FPGA單元和所述電機驅動單元均連接到電平轉換單元。在一實施例中，所述FPGA單元為EP3C16Q240C8N晶片；所述電機驅動單元為兩相電機專用驅動晶片SLA7042M；所述電平轉換單元為16位3.3V-5V電平轉換晶片SN74ALVC164245；所述USB接口控制單元為PDIUSBD12晶片。在一實施例中，所述FPGA單元包括：作為FPGA內部USB固件程序的USB接口控制模塊，用於實現FPGA單元與上位機USB接口通信；時鐘模塊，用於對外部時鐘進行分頻、倍頻處理，產生FPGA單元工作所需的各種頻率的時鐘信號；指令分析模塊，用於分析收到的上位機指令，根據規定的指令協議，產生執行命令並將執行指令發送到相應模塊執行；電機控制模塊，用於執行指令分析模塊發來的三軸電機控制指令，對各軸的電機進行細分及變速控制，最終通過給電機驅動單元發送不同的命令來實現電機的三軸聯動控制；光源控制模塊，用於控制光學系統的LED紅外光源和視覺輔助光源，所述視覺輔助光源用於引導驗光者眼睛注視方向；所述LED紅外光源用於輔助對焦。在一實施例中，所述兒童驗光配鏡自動分析系統的配鏡方案中，球鏡度數＝散瞳後球鏡度數-f1係數，f1係數具有年齡相關性及散瞳後球鏡相關性；柱鏡度數＝散瞳後柱鏡度數-f2係數，f2係數具有年齡相關性及散瞳後柱鏡相關性；軸＝散瞳後軸。在一實施例中，所述配鏡方案基於兒童驗光配鏡專家資料庫形成，所述專家資料庫包括海量3～18歲少年兒童的驗光配鏡數據，其利用資料庫構建語言和C語言，對成功的專家配鏡案例進行統計分析以建立相關資料庫模型；所述兒童驗光配鏡自動分析系統基於對驗光者年齡、小瞳孔度數和大瞳孔度數的識別，顯示或列印輸出兩組配鏡方案。在一實施例中，所述驗光者的年齡被區分為預定數量個年齡段，各年齡段對應的配鏡方案的校正係數使得所述配鏡方案所提供的配鏡度數隨年齡段遞增而遞增；在所述配鏡方案中，驗光者的散瞳後屈光狀態被設置為主要參考因素，散瞳前屈光狀態被設置為次要參考因素。在一實施例中，屈光狀態包括遠視，在配鏡方案中，球鏡、柱鏡均可能為無，當柱鏡為無時，軸為無，散光軸以1～180形式標示；配鏡結果中，球鏡、柱鏡均為正數，最小值為空格，空格視為零；大孔球鏡一定大於小孔球鏡；大孔球鏡為+0.25DS至+15.00DS，大孔柱鏡為+0.25DC至+8.25DC；以及一個大孔柱鏡對應5個小孔柱鏡。在一實施例中，屈光狀態包括近視，在配鏡方案中，球鏡、柱鏡均有可能為無；如果柱鏡為無，則軸不存在；如果大孔球鏡為無，其對應的小孔球鏡度數大於等於-0.25DS絕對值；大孔球鏡度數的絕對值絕對小於小孔球鏡度數的絕對值；軸為1-180的正整數，不保存小數點；大孔球鏡為-0.25至-15.00DS，以0.25為一個單位依次遞增，大孔柱鏡為-0.25DC至-7.00DC，軸可設置為輸入值，大孔小孔及配鏡軸一致。附圖說明圖1示出了屈光不正的分類。圖2示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的基本流程。圖3示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的系統結構。圖4示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的主控制板硬體電路設計框圖。圖5示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的FPGA內部功能模塊框圖。圖6示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的配鏡流程。圖7示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統中使用的近視、遠視及混合散光公式組成。圖8示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統近視配鏡示例。圖9示出了本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的遠視配鏡示例。具體實施方式本申請適用於屈光不正患者，尤其適用於其中的少年兒童。其結合兒童眼科專家治療屈光不正的成功案例的資料庫，形成通用性的兒童屈光不正驗光配鏡的規律，解決多源異構數據的獲取、存儲、組織、共享和利用問題，為少年兒童屈光不正的驗光配鏡提供了有效規範的技術手段，提升了兒童驗光配鏡的準確性和有效性。在本申請中，考慮屈光不正分類，患者(驗光者)年齡等，其考慮因素基本按如下分類：■屈光不正狀態分為近視、遠視和混合散光(參見圖1)■患者年齡區間為1-18歲(患者的年齡作為其預定信息可以被採集)■每種狀態包含四個板塊：點眼藥以後的屈光狀態(散瞳後)、點眼藥以前的屈光狀態(散瞳前)、配鏡方案一、配鏡方案二■每個板塊由三個部分拼接而成，分別是：球鏡、柱鏡和軸在配鏡時，其具有年齡相關性，包括：■年齡分為1-3歲、4-6歲、7-9歲、10-12歲、13-15歲、16-18歲六個階段■隨著年齡段的遞增，配鏡方案所給度數遞增對於散瞳後屈光狀態相關性，其考慮的是：■散瞳以後屈光狀態作為配鏡方案中的主要參考因素■散瞳以前屈光狀態作為配鏡方案中的次要參考因素在配鏡時，配鏡方案球鏡度數＝散瞳以後的球鏡度數(作為初始配鏡數據)-f1係數(f1係數為球鏡校正係數，具有年齡相關+散瞳後球鏡相關性)球鏡單位為」DS」配鏡方案柱鏡度數＝散瞳以後的柱鏡度數(作為初始配鏡數據)-f2係數(f2係數為柱鏡校正係數，與散瞳以後柱鏡度數存在相關性，且具有年齡相關性)柱鏡單位為」DC」配鏡方案軸＝散瞳後軸軸無單位根據上述考慮，如果將少年兒童驗光配鏡技術形成產品，使得眾多的兒童眼科醫生非常方便易學的掌握該項技術，其所提供的技術服務將都是專家級的水平，服務於眾多的青少年屈光不正的眼疾患者，無疑受益者眾多，意義重大。基於上述理念提出的本申請的兒童驗光配鏡自動分析系統，通過集成兒童眼科專家的醫療方案，病案實例，根據患者年齡、屈光調節能力、通過信息收集檢索，給出適宜的配鏡方案，使得患者接觸的醫生不一定是專家，但分享的卻是專家級高質量的診斷技術服務。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統是建立在一個專家案例資料庫基礎上的診斷設備。該專家案例資料庫是經過兒童眼科專家近三十年臨床實踐的經驗積累，包含治療10萬名兒童屈光不正的成功案例統計、總結，被實踐證明是行之有效的。儘管如此，要建立這樣的資料庫也是一項技術難題，因為這樣的資料庫的數據收錄總結、分析提煉，針對兒童近視、遠視、散光、年齡、屈光調節力等諸多因素的覆蓋性，都為資料庫模型的建立提出了挑戰。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統包含並使用該專家案例資料庫。參見圖2，本申請採用成熟的電腦驗光技術，獲取客觀的眼睛屈光數據，依據專家案例資料庫進行二次數據處理，其涉及數據的通信、採集、處理、輸出等技術環節。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統，在傳統的電腦驗光儀上增加數據接口和驅動程序，完成資料庫檢索與患者基本數據錄入，人機互動處理等技術設計，其涉及計算機應用領域的DSP(數據系統處理)應用設計，軟硬體接口設計等技術內容。其基本系統結構參見圖3。在軟體系統上，本申請基於兒童眼科專家驗光配鏡醫療方案，形成病案實例的資料庫系統及交互索引通信軟體。在硬體系統中，主要利用電腦驗光儀，臺式PC電腦，印表機等，形成本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統，主要包括：用於獲取驗光者的眼睛驗光數據的主控制板，與所述主控制板連接的上位機，所述上位機根據從所述主控制板獲得的所述眼睛驗光數據進行處理，形成相應的初 始配鏡數據，並基於採集的驗光者預定信息校正所述初始配鏡數據，形成適配於所述驗光者的最終配鏡方案；其中，所述基於採集的驗光者預定信息校正所述初始配鏡數據包括利用與驗光者年齡相關的校正係數校正所述初始配鏡數據。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的主要功能包括：a)具備主觀眼睛屈光驗光功能；b)識別兒童年齡、小瞳孔度數、大瞳孔度數後，可以顯示或列印輸出兩組配鏡方案處方。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的主要技術指標包括：a)頂點距離：0.0，12.0，13.75；b)球鏡：-20.00～+20.00D(當VD＝12mm時)；c)(步長：0.12D)：0.12D，0.25D；d)柱鏡：0.00～±8.00D(步長：0.12D)；e)軸位：1～180°(步長：1°)；f)散光標識：－，+，±；g)瞳距：45～75mm；i)最小可測量瞳孔：2.5mm；j)數據記憶：單隻眼睛3次測量數據保留；k)內置印表機：熱敏式線性印表機；m)電源：220V±10％50Hz；本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統採用FPGA(現場可編程邏輯陣列)和USB接口的驗光儀控制系統設計方案，該方案中的電腦驗光的接口設計是在通用電腦驗光儀的基礎上進行改進，設計了基於FPGA的電腦控制系統，並採用了USB技術連接設備與電腦，提高了數據傳輸速率，通過電腦鍵盤與專家資料庫進行交互響應，取得兒童配鏡方案。控制系統是兒童驗光配鏡自動分析系統的控制核心，它不但要實現對多軸電機的運動和光源控制，還要實現與上位機信息的交互和其他重要功能。本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的主控制板的設計由EP3C16Q240C8最小系統擴展而成，根據FPGA功能實現及相關外設擴展對插針接口進行適當更改，並添加了USB通信接口、電機驅動模塊和行程開關信號輸入端的光電隔離電路。驗光儀控制系統的主控制板硬體電路設計框圖如圖4所 示。圖4中，主控制板中FPGA使用的是Altera公司生產的CyloneIII系列晶片EP3C16Q240C8N，該晶片擁有15，408個邏輯單元；可以提供516，096位元組的RAM；另外晶片內部還自帶有4個鎖相環，可以保證系統時鐘信號在高速運行時的穩定性，系統時鐘信號使用12MHz的晶振。電機驅動晶片選擇使用Allergo公司生產的兩相電機專用驅動晶片SLA7042M，它能夠實現超平滑低速驅動。為了實現主晶片和外部設備通信，控制板需要將3.3V和5V的電平相互轉換，系統FPGA使用TI公司生產的16位3.3V-5V電平轉換晶片SN74ALVC164245，USB接口控制晶片採用PDIUSBD12，它集成了SIEFIFO存儲器、收發器以及電壓調整器，適用於多種外部設備。FPGA單元作為整個主控制板的中央處理器，分別與雙電平轉換單元與USB接口控制單元連接。USB接口控制單元連接到USB接口，並通過USB接口連接上位機電腦，通過上位機電腦人機界面與FPGA單元交互。雙電平轉換單元也連接到電機驅動單元，電機驅動單元連接到運動平臺，控制三軸(XYZ)電機。FPGA單元同時通過光電隔離單元也連接到運動平臺。FPGA單元還通過IO接口連接到光學系統。VerilogHDL是一種硬體描述語言，主要用於從算法級、門級到開關級的多種抽象設計層次的數字系統建模。FPGA晶片是驗光儀主控制板的核心部件，本設計方案中使用VerilogHDL在FPGA上實現下位機與上位機的信息交互、多軸聯動電機運動平臺的控制、對光源的控制等功能，FPGA內部功能模塊如圖5所示。FPGA內部功能模塊包括：1)USB接口控制模塊：FPGA內部USB固件程序，實現FPGA與上位機USB接口通信。2)時鐘模塊：對外部的12MHz時鐘進行分頻、倍頻處理，產生FPGA工作所需各種頻率的時鐘信號。3)指令分析模塊：分析收到的上位機指令，根據規定的指令協議，產生執行命令並將執行指令發送到各個執行模塊。4)電機控制模塊：執行FPGA送達的三軸電機控制指令，對各軸的電機進行細分、變速控制，最終通過給電機專用驅動晶片發送不同的命令實現電機的三軸聯動控制。5)光源控制模塊：控制光學系統的5個LED紅外光源和3個視覺輔助光源。3個視覺輔助光源引導人眼注視方向，5個LED紅外光源輔助系統的對焦功能。兒童驗光配鏡自動分析系統的控制系統上位機軟體主要負責完成客觀驗光數據採集處理，專家資料庫的檢索和管理功能，在預處理的基礎上完成配鏡方案的處理、輸出配鏡方案等工作。由於驗光儀與配鏡方案庫分屬兩個設備，所以要使設備正常工作，還需要編寫專門的驅動程序和軟體。a)驅動程序的編寫驅動程序的編寫使用一些驅動開發的專用工具，例如DriverStudio、WinDriver等。DriverStudio3.2進行開發，應該注意的是要在USBVendorID和USBProductID中輸入和固件中設備描述一致的信息。由於選用的是Philips的PDIUSBD12晶片，所以設備的VendorID固定為0×0471。使用DriverStudio的DriverWizard生成驅動框架後，可以根據需要使用VisualC++6.0對DriverWizard生成的工程文件中的函數進行修改，還有就是對自定義的IO控制接口函數進行處理和廠商請求的編寫。完成這些後，就可以對驅動程序進行編譯了，成功編譯驅動程序後，將它和DriverStudio自動生成的.inf文件放在同一目錄下，在查找驅動的時候指定這個目錄就可以了。b)上位機應用程式的編寫由於設備使用USB接口進行上位機與設備進行通信，所以上位機應用程式要通過USB驅動實現對設備的訪問，編寫上位機的應用程式必須符合USB驅動定義的接口規範。一般來說，使用DriverWizard生成一個驅動工程後，會同時生成一個ioctl.h的文件，這個文件就是建立應用程式和驅動之間的橋梁，它定義了驅動程序的接口，在編寫應用程式的時候需要將它引用進去。上位機應用程式整體劃分為6個區域，包括：視頻顯示區域、(直接控制)操作區域、MOTOR(電機)控制區域、LED控制區域、實時處理(數據)顯示區域、狀態反饋數據顯示區域。本系統人機互動功能在windows平臺上使用VC++6.0編譯環境設計完成，可以直觀顯示跟蹤對焦過程，並進行簡單控制的可視化人眼跟蹤控制程序，通過人機界面實現對人眼跟蹤系統的完全控制。上位機應用程式的基礎是兒童驗光配鏡專家資料庫，利用資料庫構建語言和C語言，對成功的專家配鏡案例進行統計分析，建立覆蓋性強的資料庫模型，產生3～18歲少年兒童的驗光配鏡資料庫，供人機界面查詢索引使用。本申請通過研究適用於青少年兒童的驗光配鏡成功案例，主要包括兒童眼科專家驗光配鏡資料庫框架、數據的管理(更新、查詢、存儲、索引等)，解決異常數據訪問與動態管理。並且對現有電腦驗光儀進行技術改造，其涉及操作模式、接口擴展、通信驅動、控制軟體開發。本申請實施例的兒童驗光配鏡校正儀，除兼具通用電腦驗光儀的主要功能外，增加了18歲以下青少年兒童的驗光配鏡特殊校正功能，充分考慮了少年兒童視力發育潛力和調節放鬆機制對配鏡的影響及要求，根據兒童視力的發展規律，有針對性地給出個性化配鏡方案，其研製成功投入使用，滿足了廣大少年兒童屈光不正的有效矯正治療，將惠及數億少年兒童，推廣應用意義重大，是值得少年兒童眼科從業者探索的重要課題，產品推廣應用前景十分看好。參見圖6-9，示出了關於本申請實施例的兒童驗光配鏡自動分析系統的眼屈光不正的配鏡換算公式及舉例。配鏡換算公式如下：配鏡方案球鏡度數＝散瞳後球鏡度數-f1係數配鏡方案柱鏡度數＝散瞳後柱鏡度數-f2係數配鏡方案軸的數值＝散瞳後軸的數值(註：其中f1係數和f2係數具有年齡相關性及散瞳後度數相關性)以6歲患兒，眼位正位為例：1.近視右眼左眼散瞳前度數-5.00DS＝-1.25DCX150-4.75DS＝-1.50DCX150散瞳後度數-2.00DS＝-1.00DCX150-3.25DS＝-1.00DCX150配鏡方案一-1.50DS＝-0.75DCX150-2.50DS＝-0.75DCX150配鏡方案二-1.75DS＝-0.50DCX150-2.75DS＝-0.75DCX1502.遠視遠視(符號「+」)正常標準調節力：按年齡段，例如1-3歲、4-6歲、7-9歲、10-12歲、13-15歲和16-18歲，區分每個年齡段的正常標準調節力。以國際標準視力表標示，(如0.1…1.5)。一般的，兒童在3歲時，眼睛有約300度的調節能力，隨著年齡的增長，其調節能力以每年約25度遞減。15歲時共12年時間中遞減了300度。根據預設年齡段，可以確定每個年齡段的調節度數，例如，1-3歲年齡段設定為300度，4-6歲年齡段在1-3歲年齡段基礎上減去預定度數，例如50-75度，以此類推，從而可以確定每個年齡段的校正係數。在驗光確定了兒童眼睛的近視或遠視度數後，利用校正係數對驗光數據進行校正，從而可以得到配鏡方案中所使用的實際度數。大孔球鏡-小孔球鏡＝實際調節力1.球鏡、柱鏡均可能為無(顯示空格)，當柱鏡為無時，軸為無(空格，即不需要該軸)，散光軸以1～180形式標示(沒有散光時，則無需散光軸，即軸為無)。2.配鏡結果中，球鏡、柱鏡均為正數，最小值為空格，空格視為零。3.大孔球鏡一定大於小孔球鏡；4.大孔球鏡為+0.25DS至+15.00DS，大孔柱鏡為+0.25DC至+8.25DC。5.一個大孔柱鏡可以對應5個小孔柱鏡。近視(符號「-」)1.球鏡、柱鏡均有可能為無(即為0)；如果柱鏡為無，則軸不存在。如果大孔球鏡為無，其對應的小孔球鏡度數大於等於-0.25DS絕對值。2.大孔球鏡度數的絕對值絕對小於小孔球鏡度數的絕對值。3.軸為1-180的正整數，不保存小數點(四捨五入或直接取整)。4.大孔球鏡為-0.25至-15.00DS(0.25為一個單位依次遞增)大孔柱鏡為-0.25DC至-7.00DC5.軸可設置為輸入值，大孔小孔及配鏡軸一致。雖然參照特定的實施例對本發明進行了描述，但是這些實施例僅僅是解釋性的，並不用於限制本發明。本
技術領域：
的人員可得到暗示，對具體公開的示範性實施例做出各種修改和改變。總之，本發明的範圍不限於在此公開的特定示範性實施例，對本
技術領域：
人員來說暗含的所有修改都將被包括在本申請的精神和範圍以及所附的權利要求的範圍內。當前第1頁1 2 3