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CN105120736B - 利用电磁波的测量方法和设备 - Google Patents

利用电磁波的测量方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是用于利用电磁波测量柔性覆盖物(202)下压力的方法。在所述方法中，将激光辐射从某一距离(200)处定向到所述覆盖物(202)以基于光声现象在所述覆盖物的至少一个产生位置(204)处对所述覆盖物(202)产生振动或机械波，并且所述产生位置是所述激光辐射撞击所述覆盖物(202)处的至少一个点(204)。在所述方法中，在电磁波的基础上对由于所述机械波导致的覆盖物振动进行检测，并且记录在至少一个记录位置(206)处检测的机械波以形成机械波信息。在所述方法中，基于至少一个记录信号确定所述柔性覆盖物(202)下压力的压力信息。

Description

利用电磁波的测量方法和设备
技术领域
本发明涉及通过利用电磁波信号在眼睛中的光声(PA)激发而进行的眼睛物理特性测量。
背景技术
本质上，电磁波信号的激发和/或检测是通过例如由激光源或脉冲激光源产生的电磁波或脉冲波形的波束来执行，该波束例如通过电磁波导(例如，光导纤维、准直仪、透镜、遮罩和/或镜片布置)介导并且定向到患者眼睛上。将该电磁波输入到眼睛内之后是电磁-机械转换(例如，光声转换)，该电磁-机械转换产生热和机械振动进入眼组织内。相应地，在输出电磁波时，检测眼组织的机械振动(例如，通过光学干涉量度法、光学相干断层成像术或激光多普勒振动计)。因此，本发明的目的是对眼睛产生机械波(例如，超声波)并且从眼睛检测所述波。潜在应用特别涉及眼内压，即眼压力的确定。
眼内压测量是眼科学中的关键测量之一，因为在西方国家青光眼疾病是导致失明的主要原因。较高的眼内压被认为是青光眼病理生理学中的关键因素之一。
美国专利申请US 2010/0249569 A1提出了用于眼内压测量的非接触式超声眼压计，其中使用了压电式换能器以执行频率信号在眼睛内的激发。必须准确测量所述换能器的位置，这导致眼内压测量程序的复杂性和缓慢性。温度变化也可以是该眼内压测量信息连同所述位置测量中可能误差的误差源。
发明内容
本发明的目的是实现精确和实用地用于压力测量应用中的改进的压力测量方法和设备。这通过下述方法得以实现，该方法是在柔性覆盖物下通过利用电磁波测量压力。在该方法中，将激光辐射从某一距离处定向到该覆盖物，以在光声现象的基础上在该覆盖物中的至少一个产生位置处对覆盖物产生振动或机械波，该产生位置是该激光辐射撞击该覆盖物处的至少一个点，并且在该方法中，在电磁波的基础上对由于该机械波导致的覆盖物振动进行检测，记录在至少一个记录位置的检测机械波以形成机械波信息，并且在该方法中基于至少一个记录信号确定该柔性覆盖物下压力的压力信息。
本发明的目的还为用于利用电磁波测量柔性覆盖物下压力的设备。该设备包括用于从某一距离处将激光辐射形成和定向到该覆盖物以在光声现象的基础上在该覆盖物中的至少一个产生位置处对该覆盖物产生振动或机械波的装置(该产生位置是该激光辐射撞击该覆盖物处的至少一个点)，以及用于在电磁波的基础上对由于该机械波导致的覆盖物振动进行检测的装置，用于记录在至少一个记录位置的检测的机械波以形成机械波信息的装置，和用于在至少一个记录信号的基础上确定该柔性覆盖物下压力的压力信息的装置。
本发明基于利用对覆盖物的振动或机械波，该振动或机械波是在光声现象的基础上在该覆盖物中的至少一个产生位置由激光辐射产生。在本发明中，在电磁波基础上对由于该机械波导致的覆盖物振动进行检测，并且记录在至少一个记录位置的检测机械波以形成机械波信息，并且基于该机械波信息确定该柔性覆盖物下压力的压力信息。
本发明的优势在于，与压力测量相关的误差源是最小化的，因为距离信息是不相关的并且因为本发明对人体测量(例如，眼内压测量或血压测量)中的温度变化不敏感。因此，本发明能够进行实用和快速压力测量，该实用和快速压力测量具有比现有测量技术更小的误差源。
附图说明
图1示出了根据本发明的优选实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的用于利用电磁波测量柔性覆盖物202下压力的设备。在该设备中，对该覆盖物202的激光辐射在某一距离200处形成并且导向到该覆盖物202以在光声现象的基础上在该覆盖物的至少一个产生位置204处产生振动或机械波。该产生位置是该激光辐射撞击该覆盖物202处的至少一个点204。由装置210形成并且定向该激光辐射，该装置包括例如激光二极管以及聚焦和定向装置，以将该激光辐射优选地形成和定向成不同频率尺度。该装置210可例如通过调谐机械波的中心频率和模式中的至少一个来产生该机械波，以促进穿过该覆盖物(202)的体内激发。
图1的设备包括用于在电磁波的基础上对由于该机械波导致的覆盖物振动进行检测的装置212，和用于记录在至少一个记录位置检测的机械波以形成机械波信息的装置214。在本发明的一些实施例中，例如通过固定在该设备中或者通过一个或多个距离测量，所述至少一个记录位置206距所述至少一个产生位置204的距离是已知的。该装置212可例如通过使用光学干涉量度法设备、光学相干断层成像术设备和激光多普勒振动计设备中的至少一个进行构造。该装置212可例如基于第一到达信号(FAS)的检测来检测覆盖物202的振动。
图1的设备进一步包括用于基于该一个或多个记录信号确定该柔性覆盖物202下压力的压力信息的装置216。该装置214和216可通过一个或多个优选的数字处理器来体现。在图1的实例中，该装置214、216位于相同的计算机单元214、216中。
在根据本发明的一个实施例中，柔性覆盖物202下的压力为眼内压，并且该柔性覆盖物202为眼睛的表面202。根据本发明的设备还可包括用于测量眼睛曲率、眼睛角膜厚度和眼睛含水量中至少一个的装置，以形成可用于确定该眼内压信息的附加测量信息。
在根据本发明的另一个实施例中，柔性覆盖物202下的压力为血压，并且该柔性覆盖物202是血管壁202。血压是急救和重症监护病房治疗危重疾病或受伤患者的最重要参数之一。另外，慢性升高的血压是导致血管疾病、中风和心肌梗塞的病理生理因素之一。
可对眼睛202或血管202或根据本发明实施例的其他柔性覆盖物202进行不同频率的激光辐射激发，以便获得不同频率的振动和/或共振信息以用于确定眼睛或血管或其他柔性覆盖物的压力信息。因此，频率响应信息可在具有或不具有眼睛202中或者血管202中或者其他柔性覆盖物202之下或之中机械波(例如超声波)的速度信息的前提下，用于压力信息确定。
下文将参照图1讨论根据本发明的更详细的优选实施例，所述实施例具体地与眼睛压力(即眼内压)测量相关。由装置210通过利用电磁波产生在至少一个产生位置204处进入该眼组织的至少一个机械波。眼睛202可为睁开或闭合的。可从该眼睛的角膜或巩膜进行测量。该优选的设备包括用于检测该电磁输出的装置212。在所述检测中，通过电磁波对由于至少一个机械波导致的眼组织振动进行检测。在优选的相位延迟实施例中，将激光束在它被眼组织吸收并且产生例如超声波之后的情况下导向穿过光导纤维。通过采用例如激光二极管的触发信号之间的时间延迟(t0)来取得时间延迟激发。
该设备包括用于记录在至少一个记录位置检测的至少一个机械波以形成机械波信息的装置214。所述至少一个记录位置与所述至少一个产生位置之间的距离是已知的。该设备包括用于基于至少一个记录信号确定眼内压的装置216。当需要时，将所述装置214、216例如布置在利用计算程序的计算机处理器中。该计算机处理器214、216示意性地示出于图1中。在该计算机处理器214、216和该装置210、212之间使用有线或无线数据传输以执行它们之间的数据传输。
在根据优选实施例的方法中，通过电磁波在至少一个产生位置处产生直接或穿过眼睑进入眼睛202的至少一个机械波。在第二方法步骤中，通过电磁波对由于至少一个机械波导致的眼睛振动进行检测，记录在至少一个记录位置处检测的至少一个机械波以形成机械波信息，并且所述至少一个记录位置与所述至少一个产生位置之间的距离是已知的，并且在该第二方法步骤中基于至少一个记录信号确定眼睛特性。如果基于处于不同频率的信号幅度分析该记录信号，则所述距离信息和/或位置信息未必是相关的。
可利用不同频率。该优选的设备还可包括用于调谐该机械波的频率和模式中的至少一个以促进进入眼睛202的体内激发的装置100。用于通过电磁波检测(图2)眼睛振动的第二装置103包括光学干涉计103、光学相干断层成像术设备103和激光多普勒振动计103中的至少一个，并且相应地，眼睛振动的检测基于光学干涉量度法、光学相干断层成像术和激光多普勒振动计中的至少一个。该光学干涉计103、光学相干断层成像术设备103和激光多普勒振动计103还可称为电磁波传感器103。通过该第二装置103对眼睛振动进行优选检测基于对第一到达信号(FAS)中的至少一个的检测。眼睛可受激于所检测的不同频率和幅度的机械波。不同的眼内压输出处于不同频率的不同模式的振幅。所用频率可例如为超声频率或更低频率，例如甚至次声频率。
在下述的说明书中，详细描述了本发明的优选模式之一。光声(＝PA，本说明书下文用此简称)装置，即，电磁波传感器，本质上允许柔性地调谐该激发和检测，该激发和检测通过多种方式可促进眼睛表面振动的体内激发和检测。该思路产生在接收器处强而容易识别的模式。这种模式还应当能够在眼内压之间进行区分。
通过PA调谐激发和/或检测可包括以下方面：A.调谐光学波长(电磁束的波长)以便提供，以最小化覆盖的软组织中的光吸收为条件的，该眼睛中的最大光吸收。从而产生进入眼睛的光声源(即，机械波源)。B.调谐所示表面的形状以便在接收器处产生最强的可能的目标模式。最佳形状可为例如球形、线形或波峰形。C.调谐激发的机械(例如，超声)中心频率，以便提供对眼内压的(a)最佳可激发性和(2)足够(或最佳)敏感性。D.在相位延迟激发的情况下调谐相位延迟的幅值，以便促进一个具体模式的选择性地激发。
1.光声(PA)装置(例如，光导纤维和/或激光二极管)允许增加源的数量，原因在于更小的元件直径。可从而增加振动评估的准确性或机械波速度评估的准确性。
2.可容易地扫描该光声源的位置或者该光声源的阵列，以便进一步增加速度确定的准确性。
3.PA装置可允许快速调谐激发的声学中心频率，以便允许评估该第一到达信号(FAS)速度的分散度，该第一到达信号速度成功地得自快速迭代测量(通过扫描该中心频率)。
4.假如穿过眼睑执行该测量，则适当选择该最佳波长以最小化该眼睑中的光学吸收。该光学吸收越低，该PA源越弱。当该PA源在该软组织中为弱时，该软组织中激发进入干扰模式的能量也弱。
5.适当选择该光学波长以最小化光学散射，以便使锐光束能够朝向眼睛。
6.适当选择光学波长以最大化眼睛中的光学吸收，以便对眼睛产生强PA源。
7.适当调谐该声学激发频率，以便促进A0激发穿过该软组织包层。A0最有效地受激于非常低的超声频率，优选地是20-120kHz，然而，出于某种目的，此类频率的压电元件具有并非适当大的直径。PA装置能使点源处于此类频率。
8.在根据本发明的方法和设备中，优选地适当地调整由激光(优选地是窄线)辐射的区域的形状和尺寸，以便使位于人类组织的安全限制内的光声能量的量最大化，但是使该表面面积最小化以促进进入眼睛的激发。该激发功率是光束强度和辐射的表面面积的函数。
9.一个源阵列的相位延迟激发可用于进一步促进A0激发。
10.还能够通过PA装置来实施点或窄线检测器。
11.重要特征在于便利的位置调整以及基于待测量的超声信号在该位置微调期间的适当反馈。主要需求是合理快速并且可再现的定位。
12.根据当前US设备的经验，手提式探头连同来自测量信号的瞬态响应允许直观的定位。
可替代地，该PA源可与一个或两个PA接收器一起被封装在手提式探头内，其中通过一个激光二极管或一个激光二极管阵列来实施该源，并且例如通过一对干涉测量检测器实施该接收器。这种设计可提供整个光声(PA)设备的潜在实施例，这适于临床应用。
13.如果穿过例如眼睑进行测量，则优选地是它可同时或部分同时地仔细选择若干参数(例如像光波长和光束强度，调谐PA源达到最优化的声学波长，并且潜在地妨碍干扰的传播)。
14.装置允许柔性地调谐该激发(和检测)。
a.还允许点或点状(包括细线)源处于非常低的频率(f＝20-120kHz)。PA装置还允许实施点状检测器。该点状源和接收器被熟知为最优的以促进该激发和检测。
b.通过中心PA源(激光二极管)瞬时调谐超声激发的中心频率，以便允许瞬态超声模式(例如FSA)的分散度评估。
c.相位延迟激发进一步促进超声模式的激发。PA的优势来源于点状传感器元件的可能性，这允许将若干传感器元件包含在剪短的临床阵列探头内。
15.本文的方法提出，装置设计对临床应用的成败而言可为至关重要的。
尽管已经参考附图和说明书描述了本发明，但是本发明不旨在限于这些，因为本发明容许权利要求书所允许范围内的变型。

Claims (10)

1.一种用于利用电磁波测量眼睛的表面(202)下面的眼内压的方法，所述方法的特征在于，在所述方法中将激光辐射从某一距离(200)处定向到所述表面(202)以在光声现象的基础上在所述表面中的至少一个产生位置(204)处产生振动或机械波从而使所述表面(202)振动，所述至少一个产生位置是所述激光辐射撞击所述表面(202)处的至少一个点，并且在所述方法中，通过利用光学干涉度量法、光学相干断层成像术和激光多普勒振动计中的至少一个在电磁波的基础上对由所述机械波导致的表面振动进行检测，记录在至少一个记录位置(206)处检测的机械波以形成机械波信息，并且在所述方法中基于至少一个记录信号确定所述眼睛的表面(202)下面的眼内压的压力信息。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于，在所述方法中测量眼睛曲率、眼睛角膜厚度和眼睛含水量中的至少一个，以形成用于确定眼内压信息的附加测量信息。
3.根据权利要求1所述的方法，特征在于，所述至少一个记录位置(206)距所述至少一个产生位置(204)的距离为已知的。
4.根据权利要求1所述的方法，特征在于，表面(202)振动的检测基于第一到达信号的检测。
5.根据权利要求1所述的方法，特征在于，在所述机械波的产生中，调谐所述机械波的中心频率和模式中的至少一个以促进穿过所述表面(202)进入所述眼睛的体内激发。
6.一种用于利用电磁波测量眼睛的表面(202)下面的眼内压的设备，所述设备的特征在于，所述设备包括用于将激光辐射从某一距离(200)处形成和定向到所述表面(202)以在光声现象的基础上在所述表面中的至少一个产生位置(204)处产生振动或机械波从而使所述表面(202)振动的装置(210)，所述至少一个产生位置是所述激光辐射撞击所述表面(202)处的至少一个点；和通过利用光学干涉度量法、光学相干断层成像术设备和激光多普勒振动计中的至少一个在电磁波的基础上对由所述机械波导致的表面振动进行检测的装置(212)；用于记录在至少一个记录位置处检测的机械波以形成机械波信息的装置(214)；和用于基于至少一个记录信号确定眼睛的表面(202)下面的眼内压的装置(216)。
7.根据权利要求6所述的设备，特征在于，所述设备包括用于测量眼睛曲率、眼睛角膜厚度和眼睛含水量中的至少一个，以形成用于确定眼内压信息的附加测量信息的装置。
8.根据权利要求6所述的设备，特征在于，所述至少一个记录位置(206)距所述至少一个产生位置(204)的距离为已知的。
9.根据权利要求6所述的设备，特征在于，所述设备包括用于基于第一到达信号的检测来检测表面(202)振动的装置(212)。
10.根据权利要求6所述的设备，特征在于，所述设备包括用于产生所述机械波的装置(210)，在所述机械波的产生中，通过调谐所述机械波的中心频率和模式中的至少一个以促进穿过所述表面(202)进入所述眼睛的体内激发。
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