智能手机套件声波测量眼压的可行性测试

英国伯明翰大学和阿拉伯联合酋长国哈利法科学技术大学的研究团队发表在工程报告期刊的一份文献研究了声波反射系数与眼压的关系。

早期发现青光眼引起的眼压升高可以预防严重的眼病，最终防止视力丧失。目前，在现代医疗实践中，对准确的、可移动的、与角膜中央厚度无关的眼压测量的需求还没有得到满足。利用声波作为一种移动测量方法是有潜力的。研究团队利用多物理场耦合分析软件（美国COMSOL公司旗下COMSOLMultiphysics多物理场耦合分析软件起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox1.0。后来改名为Femlab1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab））进行了模拟，从理论上验证了实验的有效性。通过实验进一步研究了物体的内压与其声反射系数之间的关系。实验利用静水压力来确定内压，并对反射系数进行了测量和分析。进行了初步实验，确定了物体的共振频率和反射最大化的最佳频率。实验全面证明了物体的内压与其声反射系数之间的关系，为利用智能手机进行眼压移动测量提供了理论依据。

1简介

人类的眼睛是一个非常敏感和珍视的器官，因为它在日常生活中有着无与伦比的用途。因此，其持续的健康状况对全世界的个人来说是最重要的。一些最常见的与眼睛有关的疾病通常是可以避免的，并且在发病前一段时间表现出强烈的危险因素。例如，在糖尿病视网膜病变的情况下，糖尿病患者特别有风险，因此经常监测背景视网膜病变，即在血管中形成的微小隆起眼睛。但是在青光眼的病例中，年龄和高眼压（眼压）是一种重要的危险因素由于各种因素的影响，很难具体说明这样一个有发展风险的特定群体。因此，准确、无创、移动式眼压测量将提供一种长期持续监测个人眼压的方法。这将导致早期诊断和治疗的条件，大大增加了机会，维持个人的视力。

讨论的方法将确定一个人是否有高眼压，但个人仍然可以发展为正常眼压青光眼，或有一个膨胀的眼压（高眼压），而不是青光眼。因此，值得注意的是，这些方法不能直接诊断青光眼患者，但在检测疾病发展中的一个大的危险因素方面起着重要的作用。还有其他危险因素在青光眼的发展中很重要，如颅内压或脑脊液压。颅内压是指颅骨内压力，脑脊液压是指整个神经轴系统的压力。两者直接相关，因此可以互换使用。它们都被证明是青光眼发生的独立的、重要的危险因素，无论有无升高的眼压水平。此外，模拟显示颅内压在后层神经组织衰竭中起着重要作用，对眼睛造成损害。

然而，眼压仍然是人类眼睛持续健康状态的重要测量指标。它被定义为“眼睛内液体不断更新所产生的压力”，其中10至20毫米汞柱之间的健康值对于保持最佳状态至关重要屈光。眼高血压是由眼内水的产生和排出不平衡引起的。这种不平衡在老年人中最为常见，随着年龄的增长，患青光眼的风险也随之增加。青光眼是一种视神经疾病，截至年，全球共有万人患有青光眼，如果不及时治疗，会对神经造成不可逆转的损害并丧失视力。健康眼和青光眼眼的区别如图1所示。

图一：健康眼与青光眼眼的比较

目前，测量眼压的“金标准”方法是压平眼压法，即Goldmann（裂隙灯）或Perkins（手持式），如图S1a和S1b所示。这适用于Imbert-Fick定律，其中规定“压平或压平球体所需的力（W）等于球体内部压力（P）和压平面积（a）的乘积：W=P?×?a”。在实践中，将麻木滴眼液和无毒染料涂抹在患者的眼睛上。这为测量提供了基础，该测量由角膜小面积凹陷的小尖端和测量所需的力收集。尽管这被认为是“金标准”，但它确实会出现问题，进而导致测量误差。

青光眼的一个独立危险因素是中央角膜厚度很薄，这是一个透明层，形成了眼睛的前部。这可能是由于自然发生的，或像激光眼科手术的常见程序。然而，当使用压平眼压计时，薄中央角膜厚度也会导致人为的低眼压读数，据记录，每10微米眼压变化的差值高达0.32毫米汞柱有条件现金流只有通过全眼检查，包括测量中央角膜厚度，才能判断读数是人为的，还是健康和正确的，使得一个孤立的，移动压平测量眼压（珀金斯）无用。此外，Perkins眼压计太贵，大多数人买不起用于家庭长期眼压监测的眼压计。

即使是Goldmann型眼压计的眼压读数也会引起很大的误差，实验发现误差高达5?毫米汞柱区分正常和异常的眼压临界值被广泛认为是21毫米汞柱，这相当于23.8%的误差，这是不可接受的。

眼压笔是另一种测量眼压的压平法，受中央角膜厚度的影响较小，且无并发症联系人：安实验表明，眼压与角膜厚度或角膜曲率的变化之间没有统计学上的显著性差异，它使用了一个接触角膜和角膜的浮动气动传感器记录测量值眼压。通常略低于戈德曼，前提是戈德曼测量值不是人为的低。在专业环境中，这些价值观仍应谨慎对待。

眼压测量的一种气压计形式是喷气式眼压计，如图S1c所示，它利用快速空气脉冲压平角膜。当这样做的时候，一个红外线光束被反射出的扁平表面角膜。在本质这是一个类似的方法压平，然而，它实现了测量无需接触眼睛，因此，麻木滴或染料。实验结果显示，74%的患者的眼压读数较高，因此认为充气眼压计的准确性较低证据。它也被一些人认为是“不舒服”和“不愉快”病人。为了这些原因，目前正在进行非侵入性眼压测量的实验，如使用超声表面波弹性成像或超声振动弹性成像。尽管这些方法已经以一种新颖的方式被证明，但由于执行测量所需的机械要求和专业知识，它不是一种可行的移动方法，因此无法填补市场上的这一空白。

除了不适和侵袭等问题外，昼夜波动是指一天中眼压的变化，是由机体激素作用引起的眼睛。这个反过来，在确保精确测量方面会产生问题。一般来说，任何一个人早晨的眼压都会升高，但升高的程度无法计算。因此，为了进行准确的测量，必须每小时进行测量，以监测全天的日波动范围。这对于所讨论的方法是非常不实际的，因为它们都必须在眼镜店外部完成，并由专业人员完成。为了实际进行准确的日常测量，必须提供一种简单的移动测量方法，其中目前只有一种方法，即回弹眼压测量法。

回弹性眼压测量法，如图S1d所示，是一种“耐受性好且安全”的方法，因此适用于儿童和宠物。它是由一个手持设备进行的，所以它可以在家里使用，不需要麻醉剂或染色剂。它的工作原理是通过一个微小的塑料球快速地射向角膜，当它们接触时它的减速与记录的眼压相关。减速越大，眼压越高。塑料球连接在不锈钢丝的末端，并通过电磁场固定在适当位置，直到释放了。但是初步实验表明，虽然它是一个弱的相关性，但它与中央角膜厚度和Goldmann压平眼压计有相似的关系，如前所述，这可能会导致人为的低值。它还要求仪器保持直立，并与角膜保持正确的距离，因此移动测量可以证明有问题。类似的对于珀金斯眼压计来说，回弹眼压计非常昂贵，例如在英国起价为英镑。

另一种眼压测量方法正在开发中，它将使用智能手机来测量眼压，在初步测试中，它显示出与金标准眼压计的相关性。尽管令人印象深刻，并将允许进行廉价的移动测量，但与中央角膜厚度相关的方法仍然是该方法长期应用于彻底改变环境的一大障碍工业。另一个实验中采用了固定力压平结合机器学习算法，以使测量眼压的智能手机。类似于其他讨论的方法，这再次衡量成功的相关性，从戈德曼眼压仪的测量，因此，一个相关性的中央角膜厚度。

通过对当前方法和正在调查的方法的讨论可以看出，一种符合所有标准的方法，即流动性、准确性、可获得性，以及重要的是，与个人的中央角膜厚度没有相关性，目前尚不可用。

提出的改进的移动方法将包括一个简单的过程，即从预定的入射角度向眼睛发射声波并测量反射系数。这项研究将使用智能手机进行，在美国65%以上的成年人中，超过一半的人已经拥有智能手机，这一数字在未来只会随着当前人口的老龄化而增加（50-64岁，79%的人拥有智能手机，65%以上的人拥有智能手机，53%的人拥有智能手机），舒适和简单的执行移动阅读。此外，由于该方法不压平眼睛表面，中央角膜厚度不应对反射系数产生任何影响。考虑到这些因素，如果采用这种方法，它将远远优于目前任何一种测量眼压的方法。

2建模

这项实验将研究眼睛复制物体的内部压力是否会影响声波的反射系数。为了验证实验的有效性，利用COMSOLMultiphysics建模软件验证了人眼反射系数与眼压之间的基本关系。使用COMSOL是因为它是一个经过验证和信任的反射系数模拟软件。

2.1模型构造

该模型是用计算几何来模拟人眼的。表1显示了用于模拟模型的几何结构，并基于文献中男性和女性值之间的平均值。二维模型如图2（A）所示。模型的°旋转图像如图2（B）所示。

表1.仿真几何模型

参数

数值（毫米）

直径

11.71

水平角膜曲率

7.87

角膜厚度

0.55

角膜前表泪膜厚度

0.

图2：模拟的设置和结果（A）模拟模型的二维示意图（B）模拟模型旋转°

为了利用人眼的二维轴对称特性并减少计算时间，该模型被构造为半身模型。

准确的角膜前泪膜厚度的知识是有限的，没有共识的真正价值。侵入性方法产生了范围为4-10微米的估计值，反射光谱进一步支持了该范围，在类似值处显示了峰值。因此，估计了5微米的值。角膜前泪膜结构由一个内粘液层和一个外油层组成；然而，该结构主要由中间水层控制，该水层主要是水和溶解的营养物。因此，为了进行模拟，使用嵌入式软件将角膜前泪膜层建模为水层温度。

由于几何图形是弯曲的，因此无法使用完全匹配的层来表示开放空间。因此，边界被模拟为人工边界层，以模拟空腔，因为它们不代表物理墙。

声波可以假定为高频（≥赫兹），并且由于从本地源产生声波而高度局部化。在这些条件下，声源可以建模为半径为1mm的高斯脉冲（具有高斯分布时间形状的脉冲）。使用高频声音可消除材料厚度对吸收的影响，该影响会影响低频入射声波。入射压力场被定义为柱面波辐射，因为这允许压力波离开该区域，而不会产生基于模拟条件的杂散反射。在模拟中，声波将从角膜中心反射出去，因此假设角膜厚度不变，尽管实际上，厚度向周边增加。此外，还假设视网膜没有反射，从而将反射与角膜隔离开来。

使用COMSOLMultiphysics中的声学模块，眼压不能作为参数显式输入，因此，建立了眼压与利用压力声学频域控制方程的物理参数之间的关系。

以前广泛应用的实验都是利用材料的压力来估计材料的孔隙率，因为在很多情况下，测量变化条件下的压力变化更容易。因此，许多人已经建立了利用压力估算材料孔隙率的关系，表明这两个参数之间存在关系。孔隙率是一个参数，可以在COMSOLMultiphysics中显式用作因变量，因此可以用来证明压力和压力之间的隐式关系反射系数。

孔隙度是一个介于0和1之间的值，表示材料中孔隙体积相对于总质量体积的分数，泥炭或粘土的最大值通常在0.5以上。为此，孔隙度值在0.1到0.6之间，以验证孔隙度和反射系数之间的关系。COMSOLMultiphysics的输入参数如表2所示。

2.2结果

几何结构和参数设置允许创建精确的模型，并允许扫频和孔隙度。这是用来获得结果证实压力和反射系数之间的关系。结果如图3所示。

图3：孔隙度0.1–0.6的反射系数与驱动频率的关系图

图3显示，在较低频率（赫兹）下，反射系数与材料的孔隙率呈正相关，从而与压力呈正相关。孔隙度值为0.2时，显示频率为赫兹时出现异常，其值很大程度上膨胀，这可能是由于建模软件在较低频率下的不准确所致。当频率在-0赫兹范围内增加时，反射系数收敛到0的反射系数，使得这些频率对于实验毫无用处。由于收敛到0，图3仅显示了1赫兹时的结果。图3显示，在赫兹的驱动频率下，孔隙度值之间的反射系数变化最大，因此，这将进一步研究。图4显示了在赫兹的驱动频率下孔隙度和反射系数之间的关系，显示出显著的正相关。

图4：?赫兹驱动频率下反射系数与孔隙度的关系图

证实了眼压与反射系数的关系，验证了实验的价值。可以承认，图3所示结果的质量不是很好，这是由于结果的收敛性以及在不同孔隙率下所示关系的变化。然而，由于图4显示了一个非常明确的关系，这被认为是进行物理实验的理由。

3物理测试

3.1理论

为探讨眼压与反射系数的关系，进行了实验研究。这项实验涉及应用静水压力理论来确定复制人眼的物体内部的压力。静水压力被定义为“由于重力作用，流体在流体内某一给定点处于平衡状态时所施加的压力。静水压力与从表面测得的深度成比例增加，这是因为从上面施加向下力的流体重量增加。”它遵循方程式（1）所示的关系：p=ρgh

P=深度h处的液体压力[帕斯卡]，

ρ=流体密度（水）=kgm?3，

g=重力常数=9.81ms?2，

h=流体深度[米]。

97.5%的人眼压力范围在7.3至22.1毫米汞柱之间变化，相当于大约?到?2帕斯卡。通过求解h（方程式（1）），这是大约0.10到0.30米深度的变化。0.30米水深处的测量值代表高眼压患者眼睛的读数。

向眼睛发射的声波将经历一部分旨在通过介质的波，而剩余的波能量将以与入射波角度相等的角度反射到介质上，如图5所示。介质的反射系数定义为反射波与入射波的比率波幅和振幅是超声应用中常用的一种关系。

图5：入射与反射波角度示意图

实验方法中眼睛复制物体的材料特性决定了物体的共振频率。共振时材料的吸收达到最大值，反射系数将变得难以分析。因此在恒定压力下进行初始频率扫描，以确定物体的共振频率，并确保在进一步实验中避免。

在声学中，入射表面的几何结构与材料特性相结合，可显著改变声波在隔音室和录音室中的反射，优化音质。因此在整个实验过程中，复制眼的几何结构保持不变以消除效果是至关重要的。

3.2实验方法

使用刻度水塔改变水深，该水塔下端带有喷嘴，用于连接图6所示的复制眼。

图6：水塔侧面图

所用的复制眼是一个乳胶气球，装在塑料管中，因为它能在不同的压力下保持其几何形状。声波是使用智能手机（iPhone8）应用程序“音调发生器”产生的，右下角的扬声器在实验中被隔离。便携式音频接口和麦克风与计算机软件Audacity一起用作示波器来分析声波。所用设备的图像如图S2所示。设备的设置如图5所示，确保反射波指向麦克风的中心。图7（A）、（B）显示了设备设置的进一步视图。

图7：在SolidWorks上生成的实验装置示意图（A）实验装置的对角线视图，（B）实验装置的近似人体透视图

使用公式（2）λ=cf，将声波源和麦克风放置在距离反射边界至少一个波长的位置，对于赫兹的最小频率，距离为0.米。

λ=波长[m]，

c=海平面声速=m/S，

f=频率[赫兹]。

为了进行实验，声波被暴露在材料中大约2秒。这使得Audacity有足够的时间为分析提供稳定的声音模式。

通过将频率从赫兹增加到1赫兹，以赫兹的增量进行频率扫描。驱动频率下的峰值振幅结果如表3所示。使用30°的入射波角度（θ）和0.米的水深（h）进行扫描。

表3：驱动频率与峰值声级

通过将水深从0.10米增加到0.30米，以0.米为增量，增加了复制眼的内部压力。入射波角度再次设置为30°。结果见表5。

3.3结果和讨论

图8（A）显示了Audacity在赫兹驱动频率下产生的频谱。图8（B）所示，由于波是彼此的谐波，因此在赫兹的最大值之后的后续峰值都以的间隔出现。这显示了前七次谐波，对于赫兹的入射波频率，它代表高达1赫兹（包括1赫兹）的峰值。

图8：（A）Audacity产生的?赫兹的频谱，（B）声波的谐波节点

这证实了图8（A）与赫兹入射波频率的理论频谱相匹配，并且在Audacity上进行的所有频率分析中，这一趋势仍在继续。从这一点可以证实，在实验过程中，任何录音都可以忽略背景噪声干扰。图8（A）也证实了用于产生声波的应用程序“音调发生器”的准确性。

表3显示了频率扫描的结果，如图9所示。

图9：声级与驱动频率关系图

从这些结果可以得出结论，复眼的共振频率为1赫兹，反射最大化的最佳频率为赫兹。结果证实了理论模式，其中有一个频率（1赫兹）代表材料的共振频率，吸收增加到比周围频率高得多的值。还有一个频率（赫兹），反射最大，符合理论预期。基于这些原因，可以假定初始频率扫描的结果是准确的。

在确定最佳驱动频率的情况下，通过在与反射波相同的距离处直接向麦克风发射赫兹声波来确定入射波振幅，从而产生?16.6分贝的声级。用于计算填充表5的计算平均值的补充结果如表4所示。标准偏差值为数据的传播提供了指示，在本实验中相对较低。实验第一次完成时，所有读数的标准偏差都会增加相对较高的值，如表4所示。然而，所有实验的完成都显示出相同的关系，因此第一组的提升在实验中被认为是不重要的。

表4：赫兹驱动频率下的水深与反射系数

表4中的反射系数使用公式（3）计算。

RC=（AR/AI）?1=AI/AR

RC=反射系数，

AR=反射波的平均声级（表4），

AI=入射波声级=?16.6分贝。

注：Audacity中的声级值为负值，因为参考值为零值，表示失真前分析Audacity可能的最大声级。这就是公式（3）倒置的原因，其更常见的形式适用于声级的正值。表5中的数据如图10所示。

表5：赫兹驱动频率下的水深与平均反射系数

赫兹驱动频率下反射系数与水深的关系图

结果表明，随着物体内压的增大，反射系数增大。最初，增长率呈线性增长，约为1.80RC.毫米汞柱?1在0.?-?0.米范围内，，但是当压力增加到0.米深度以上时，该速率降低并开始稳定。由此可以全面得出结论，当其他参数保持不变时，物体的内压与其声反射系数之间存在关系。尽管这证实了两者之间的关系，但由于眼压升高引起的RC升高相对较小，因此使用移动设备的声波精确测量眼压可能是困难的。然而，在监测个体的眼压时，如果在一段时间内持续监测，当个体的眼压升高时，它可能非常有用。

表5所示的反射系数可能会被夸大，因为没有任何东西可以阻止某些声波直接从声源传播到麦克风，而不会反射到物体上。由于声源的声级以及声源和传声器的位置是不变的，因此假设所有波幅读数的膨胀都是相同的。因此，它不会造成对这种关系的误解。

从这个实验的结果来看，很明显，结果趋于平稳的压力范围表明病人的眼睛高血压。由于这可能是由于在赫兹的驱动频率下反射系数的值相对较大，如图9所示，因此在赫兹的驱动频率下进行了进一步的实验，以研究这是否会避免或延迟平稳效应。实验采用与前一实验相同的方式进行，只是改变了驱动频率，并将水深增加到0.10?-?0.40米，以研究高眼压以外的压力。记录的基线声级为?16.0分贝。相关结果见表6和表7，反射系数与水深关系图如图11所示。

表6：赫兹驱动频率下的水深与反射系数

表7：赫兹驱动频率下的水深与平均反射系数

图11：赫兹驱动频率下反射系数与水深的关系

从这些结果可以看出，显示了相同的关系，内压的增加导致反射系数的增加。平稳效应被延迟到超过高眼压的值，但是这种关系的梯度比以前小。由于眼压离散性差异的测量已经是一个值得

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