眼压检测技术应用研究

张学勇， 马建国， 卢荣胜

（1.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽建筑工业学院数理系，安徽合肥 230601；3.淮南师范学院物理系，安徽淮南 232001）

0 引 言

眼球为了完成其正常视觉功能，必须维持其内压高于大气压的一定水平。眼内压力（intraocular pressure，简称IOP）即眼压，是眼球内容物对于眼球壁的压力。眼压大小是眼科医师判断眼睛健康的重要指标。正常人的眼压为8～21 mm Hg（1 mm Hg＝0.133 k Pa），过高过低都是病态［1］。眼压过低则要考虑是否为视网膜肃离；眼压过高，则要考虑青光眼。

青光眼是一种由于眼内压力升高而引起的视乳头凹陷、视野缺损、视力损害，进而导致失明的不可逆性致盲眼病。目前全球有病因不明的原发性青光眼患者约6 050万人，我国有940多万人，其中56%为单眼盲，19%为双眼盲［2］。青光眼是我国当前重要致盲眼病之一，由于缺乏可靠的预防方法，早期诊断、早期治疗是防止视功能损害的最有效途径。病理性高眼压是青光眼的主要特征，眼科医师对青光眼治疗的目的总是设法降低眼压使其维持在正常水平［3］，因此，研究眼压检测技术进而准确测量眼压值在临床上对青光眼的诊治具有十分重要的意义。

眼压的测量方法一般有指触法、液压管法和眼压计测眼压法［4］3种，指触法是以手指触诊的波动，感觉眼球壁的可压性，这种方法完全根据检查者的临床经验和触觉的灵敏度，因而准确度不高，只能定性地判断眼压的高低。

液压管测量法是将一根小管插入眼睛前房，小管与装入水或水银的U形管测压计连接，U形管的另一端开放在大气中，这是直接测量眼内压的方法。但这种方法在临床上不仅操作困难，而且有一定危险性，显然不能应用。

眼压计测眼压法是目前临床主要采用的眼内压测量方法，它是利用眼压计对眼压进行测量的方法，是一种间接测量方法。眼压计测眼压的基本原理服从Imbert－Fick定律，即一个充满液体的密封薄膜球体内的压力等于压平该球外壁成一平面的压力［5］。

1 传统的眼压计测眼压技术

人和动物的眼球可以近似认为是一个充满房水的密闭球体，其球壁主要由巩膜和角膜构成。位于眼球前部的圆形透明角膜是具有一定厚度和表面张力的生物薄膜。依据Imbert－Fick定律，传统的眼压计测眼压技术是通过用一定的外力施加于眼球角膜，测出相应的压平面积或压陷深度，再换算成眼内压，从而实现眼球内压的测量。根据其测量技术，眼压计可分为压陷式和压平式2种。

1.1 压陷式眼压计

压陷式眼压计是测量一定重量压在角膜上所产生的压陷深度，然后换算成眼压，以Schiotz眼压计为代表［6］。它是挪威人Hjalmar Schiotz于1905年发明的，并相继于1924年和1926年加以改进。

眼压计基本结构主要包括3部分：压柱、足板和持架。压柱在圆筒内滑动，当眼压计垂直于眼球时，压柱压陷角膜，依据角膜压陷的深度，间接测知眼压，角膜压陷愈深，眼压愈低。圆筒的下端为凹形，构成足板，压柱的下端也为凹形，与足板有相同的曲率半径。压柱垂直运动，向上传至锤弓，作用如杠杆，使指针在刻度板上指示角膜的压陷深度。当已知压柱重量，并测知角膜压陷深度后，查对Friendenwald眼压换算表得知被测眼球的眼压值。测量时，检查者手持眼压计于角膜的前方，徐徐均匀地使足板垂直放在角膜中心2 s左右，即可完成测量。

Schiotz眼压计的优点是结构简单、价格便宜、操作简便，所以至今仍是临床上主要使用的眼压计之一。其主要缺点是测压原理只是近似符合Imbert－Fick定律，眼压测量精度受角膜曲率、眼壁硬度等眼球自身参数影响较大；另外，角膜被压柱压陷一定的深度可能会造成一定的伤害。鉴于上述原因，目前眼科界积极倡导用压平式眼压计取代压陷式眼压计。

1.2 压平式眼压计

1.2.1 Maкдаков眼压计

Maкдаков眼压计是1885年俄国人Maкдаков发明的，是以已知重量压平角膜，通过测量相应的压平面积而间接测量眼内压的大小。其构型是一个哑铃状金属空心圆柱体，两端为平面，其上端嵌以光滑白色瓷玻璃，直径为10 mm左右，柱内盛有一小铅块，可以自由活动，在测量眼压时，使眼压计的重心变低，从而增加眼压计的稳定性。

测量眼压时，在圆柱体的一个端面均匀地涂一薄层弱蛋白银，呈淡褐色。平持眼压计环柄，垂直徐徐地放在角膜中央部位1～2 s即可，与角膜接触部分的蛋白银被粘去。移开眼压计，然后如同盖印一样将圆柱端面压印在被酒精或水浸湿的纸上，得到一圆形白色区域，四周环绕褐色弱蛋白银。白色区域面积的大小即为角膜被压平的面积，其直径可用眼压计附带的透明测量尺测量，再从相应的重量栏内直接读出眼压值［7］。

Maкдаков眼压计结构甚为简单，稍作实践即可在临床上使用。但由于压平面积的测量方法较为原始粗略，实际使用中存在着难以克服的误差，因而这种眼压计现已不在临床上使用。

1.2.2 Goldmann压平眼压计

1954年，美国人Goldmann设计出GAT［8］（goldmann applanation tonometer）。目前GAT被认为是测量精确度最高的眼压计，其测量结果被眼科界人士视为“金标准”。它将角膜压平到一固定面积（压平圆直径3.06 mm）所需的压平力大小换算成眼压值。GAT将压平直径固定为3.06 mm的优点有：①由压平力W（以克为单位）换算成眼压P（以mm Hg为单位）非常方便，因为根据压强公式P＝W／A（A为压平面积），将A以3.06 mm直径代入计算，并经适当单位换算得到公式P＝10W，则压平力1 g代表10 mm Hg的眼压值；②与3.06 mm直径对应的眼球容积改变很小，仅为0.56 mm3，因而角膜的变形量很小。

GAT主要由测压头、测压装置和重力平衡杆等3部分组成。测压头为透明塑料制成的两端大小不等的平顶圆锥柱，并装有2个基底相对的三棱镜，如图1a所示。测压前，向眼睛滴入荧光素染色液体，当测压头压平角膜时，借助于紫外光照射，通过显微镜观察可见泪液被挤压扩展成蓝色的圆环，依据几何光学原理，2个三棱镜将圆环成像为2个错位的蓝色半圆。

测压装置为可前后移动的压力臂，由内部装置的弹簧系统控制，测压旋钮滚轮可以调整弹簧的张弛，在其上有以克为单位的重量单位，范围为0～8 g。测量眼压时，捻动测压旋钮，在裂隙灯直视下，当2个半圆环的内缘相扣时，如图1b所示，角膜压平圆面的直径即为3.06 mm。此时所需的压平力（以克为单位）乘以10即为被测眼球的眼内压。

图1 GAT测压头与压迹示意图

由于GAT测量眼压时，角膜必须经过荧光素染色，然后配合裂隙灯设备才能使用，操作过程较为繁琐和严格，且病人只能取坐式，因此，GAT一般只能在医院使用，不适宜推广与普及。

1.2.3 Perkins眼压计

Perkins眼压计是1965年英国人Perkins发明制作的，它实际上是GAT便携式手持化产品［9］。其压平探头以及测量原理与GAT完全相同，但通过巧妙结构设计，使光学部分、加压装置和重力平衡杆集成一体。Perkins眼压计除便携化等特点外，临床使用时不受病人体位限制是其最大的优点。至今未能得到广泛应用的一个重要原因是其测量时机械稳定性差，直接影响了测量结果的精确性。另外，使用该眼压计测压时，检查者和病人的脸部相对位置太近，这一点往往令人难以接受。

1.2.4 非接触眼压计

非接触眼压计（non－contact tonometer，简称NCT）的测压原理是美国Gralman博士于1972年在其博士论文中提出的。仪器主要由3部分组成：①气流控制计时系统；②NCT注视红点与角膜顶点准直和校正系统；③角膜压平监视系统。整机配有计算机及显示器，用以调整控制各个系统，处理计算获得的数据以及显示测量结果。仪器与GAT相似之处是，两者都将角膜压平至一固定直径，GAT为3.06 mm，而NCT为3.60 mm。NCT之所以称为非接触眼压计，是因为它以脉冲气流压平角膜。角膜被一恒压脉冲气流压平到一定面积所需的时间与眼压的高低成线性关系，因此，只要精确测量恒压气流将角膜冲压至3.60 mm所需的时间（一般为2～3 ms），就可以换算成眼压值［10］。NCT虽然存在着结构复杂、价格昂贵、技术条件要求高（需要进行定期标定）等不利因素，但因其测量不需角膜局麻和角膜荧光素染色，且实现了非接触测量，避免了细菌的交叉感染，故其测量方法代表了眼压测量技术的发展方向。

1.2.5 小型化手持式HX眼压计

采用特殊的圆台压平棱镜，基于独特的光学测量原理，辅以光电传感和单片机等智能化技术，眼压计能实现角膜压平面积线性动态检测和眼压智能测量［11－12］。眼压计探头压平棱镜的外形和大小与GAT的测量探头类似。其压平棱镜测量角膜压平面积基本原理是基于光的全反射定律，当棱镜未接触角膜时，投射到棱镜底面光全部反射返回，光强不变；而当棱镜压平角膜时，压平部分的光线进入眼球，则反射光强减小，藉此光强的变化可以标定压平面积的大小。

为了简化眼压计的结构，眼压计压平力采用压平棱镜的自重，因而眼压计的作用模式如同Maao眼压计。测量时病人采取卧位，利用眼压计内设的准直功能，可以保证压平棱镜垂直于角膜中央部位，测量只需大约1 s，结束后声音提示，移开眼压计，眼压计将自动对所测数据进行分析处理，并在LCD上显示眼压值。

HX眼压计有智能袖珍便携、操作简便等优点。存在的不足之处主要是对病人只能采取卧式测量眼压，不能在病人处于任何体位时对眼压进行测量，因而不适宜婴幼儿使用，也无法满足动物眼压测量的需求（动物体位一般是侧卧式）。本课题组曾提出一个同时测量压平力与压平面积的新方法，并成功使用在一个改进型压平式眼压计样机中。模拟眼球初步实验结果表明，体位变化对测量值没有显著影响［13］。

1.3 Tono－pen眼压计

Tono－pen眼压计是20世纪80年代后期才产品化的手持式智能化眼压计，其基本原理是基于美国人Mackay－Marg于20世纪60年代提出的测压原理，它的工作方式可认为介于压陷与压平两者之间［14－15］。

Tono－pen眼压计主要由测压头和二次仪表2部分构成，而测压头实际上是一个应变计，即在一个较大的圆形足板中间嵌有一个直径大约为1.02 mm的应变片。当测压头压平角膜时（一般压平面积都大于应变片的面积），应变片有相应的位移形变，形变量的大小与眼压的高低有关。此形变量转变成电信号后送至二次仪表，由单片机处理，最后显示测量结果。由力作用模式分析可知，眼球球壁张力的方向与应变片是垂直的，因而应变片感知的是眼内压的大小。

这种眼压计最突出的优点是病人可以采取任意体位进行眼压测量，仪器本身定标较容易。但Tono－pen眼压计也存在以下缺点：①缺少准直功能，因而探头压在角膜上的位置具有随意性，由于角膜的张力分布是非均匀的，因而该眼压计连续几次的测量值的重复性较差；②对于低眼压值的测量，Tono－pen既不准确也不灵敏，因为角膜有一定的厚度和张力分布，在低眼压情况下，厚度和张力成为不可忽略的因素；另外受应变片灵敏度的限制，低眼压时输出信号较弱，甚至达不到信号阈值。目前Tono－pen眼压计在临床上还没有普遍采用，如果要使用，至少需要进行3～4次连续测量，然后取其平均值。该眼压计在筛选眼压值高于21 mm Hg的高眼压方面尤为突出［16］。此外，Tono－pen眼压计在测量宠物眼压方面发挥了独特优势，因为宠物的体位大多是侧卧式，现有的其他眼压计都不太好使用。

2 几种新型眼压计

随着眼压检测技术的深入研究以及先进光电检测技术和智能传感、微处理器件的发展应用，目前研发的眼压计具有智能数字化、功能化和精度高等特点。

2.1 PASCAL动态轮廓眼压计

动态轮廓眼压测量方法是一种非侵害性的能实现直接对眼压进行连续测量的新方法［17］。它通过一个嵌合在凹型测量探头内的电感应器来直接感应并记录眼压，能在短时间内多次动态获取眼压值，并给出测量的平均眼压值，以及眼压最高值与眼压最低值的差值即眼脉动幅度（ocular pulse amplitude，简称OPA）。角膜是由5层物质组成的球面，它具有抵抗拉伸和在外力作用下易于变形的特点。通过DCT（dynamic contour tonometer）测压头向角膜持续施加适当的外力，测压头和角膜在一定直径的圆形区域内紧密接触。眼内压作用于角膜产生切线张力，当外力和切线张力相等时，在圆形区域范围内两者相互抵消。而圆形区域邻近部位内的切线力则沿圆形区域的边缘作用于角膜，产生向心力拉伸角膜，从而使圆形区域变扁平，致使测压头和角膜两者表面达到“轮廓匹配”。“轮廓匹配”建立后，角膜两侧的压力相等，测压头内置的压力传感器即可准确测得眼内压。只要角膜直径小于测压头的曲率半径，“轮廓匹配”的建立与角膜厚度和曲率无关［18］。

DCT可方便地安装在裂隙灯显微镜上使用，测量时角膜无需荧光素染色。同时测压头采用可抛弃式设计，能最大限度地避免眼间细菌的交叉感染。DCT由于采用动态“轮廓匹配”，其最大优点是测量值不受角膜力学特性的影响，能在最大程度上消除因眼的生理变异而导致的系统误差。在青光眼的临床研究中，有证据表明OPA发挥重要作用［19］，DCT可方便地测量OPA，这是眼压计在功能上的一大突破。但在临床应用过程中发现，泪液分泌过多或过少以及角膜水肿、瘢痕等都可能造成测量误差，对DCT的测量值有所影响。DCT不易普及推广的主要原因是其必须配合裂隙灯装置才能完成测量。

2.2 iCARE反冲回弹眼压计

iCARE反冲回弹眼压计的基本思想在1931年由Obbink首先提出，当物体碰撞角膜时，它的速度将减小，依其速度的变化，可以测量眼压的大小，该回弹装置在1967年由Dekking提出［20］，并利用一个锤状的探头去触碰角膜，采用一个加速度传感器和电接触方法去测量探头对角膜的碰撞效果。由于测量明显依赖角膜生物力学特性，另外，泪层会对接触时间有显著影响，因而该装置在临床上从来没有被采用［21－22］。

iCARE反冲眼压计在1997年被设计完成，其设计思想与Obbink完全一致，一根细的不锈钢管一端携带蘑菇状的塑料探头作为接触眼球的测量体。不锈钢管被置于螺线管中，借助磁场对其产生的安培力驱动去触碰角膜，接触角膜后，其速度被微处理器监控处理。在低眼压情况下探头运动速度减小较小；反之，探头运动速度减小较大，因而，眼压越高，探头碰撞接触角膜的时间就越短。

iCARE便携式反冲眼压计探头采用可抛弃式设计以及测量时角膜不需局麻。有研究表明其测量值与GAT相比，高估眼压约1.34 mm Hg，而与Tono－pen眼压计的测量值吻合较好。同时也发现其测量值与中央角膜厚度（central corneal thickness，简称CCT）正相关［23－24］。在测量过程中，病人感觉舒适度要比NCT和Tono－pen眼压计好。由于使用简单、智能便携、对眼科普查来说，该眼压计是个不错的选择。

2.3 Reichert眼反应分析仪

Reichert眼反应分析仪（reichert ocular response analyzer，简称ORA）工作原理类似于NCT。ORA不仅能测量眼内压，而且可以测量眼角膜材料的黏滞性能［25－26］，如图2所示。整机由脉冲气流控制系统和光电检测角膜变形分析系统组成。发射的平行脉冲气流会引起角膜向内运动，角膜压平（角膜中央压平圆形平面的直径为3.0 mm）后仍有一定的作用力使角膜产生轻度凹陷；关闭脉冲气流后，气流压力衰减，角膜在眼内压作用下开始回弹，再次经平面状态后恢复至原形（正常形状），这个过程中角膜会又一次获得压平，由此得到2次角膜压平时的眼压值。由于脉冲气流的动态性和角膜黏滞量衰减，2次压平眼压值不一致，两者的差异即为角膜滞后量（corneal hysteresis，简称CH）。ORA记录角膜中央2次形成平面所用的时间，经过处理计算得出一个相当于压平眼压计的眼压值。

ORA眼压测量过程实际是利用角膜动态双向压平过程中，记录角膜中央被压平的时间而得出相对的压力。

图2 ORA检测信号

ORA是一种新型非接触眼压计，测量时角膜表面不需麻醉，无交叉感染。测量具有非接触、快速、准确性高、稳定性和可重复性好等优点。目前，研究显示ORA在圆锥形角膜和Fuchs内皮营养不良（fuchs endothelial dystrophy）检测方面也有重要作用。Congdon等人使用ORA研究CCT、CH与青光眼病人病征（如视野缺损和视杯盘比）的关系时发现，CCT、CH与青光眼造成的视力变化虽没有显著关系，但对薄的角膜来说，ORA会给出较低的眼压读数［27－28］。

3 总结与展望

本文介绍了几种典型的眼压计在临床中的应用情况，可以看出眼压检测技术的发展及其应用主要集中于非接触式和智能化便携式眼压计。DCT和GAT由于必须配合裂隙灯设备才能使用，操作过程较为严格，且病人只能取坐式，一般只能在医院使用；ORA和NCT是非接触测量，无需对眼睛进行局麻醉等辅助性工作，测量具有非接触、快速和测量精度较高的优点，由于其价格较为昂贵，一般适合在医院固定使用；HX和iCARE便携式眼压计，适合中小医院及农牧区普及使用，也利于随诊及眼科普查，但测量精确度仍需进一步提高。

现代眼科学已证实，人的眼压如同血压一样，24 h是波动的［29］，因此，准确掌握眼压的变化规律对于青光眼的诊治十分必要，研发高精度智能化便携式眼压计产品在家庭和医院将有广阔的应用市场。另外，适用于宠物眼压测量的眼压计也是眼压检测技术的一个发展领域，在没有更好的测量技术之前，Tono－pen虽然能够应付此项工作，但一般仅能用于筛选高于21 mm Hg的眼压。

总之，性价比较高的非接触式眼压计和性能可靠、满足不同测量要求的智能化便携式眼压计，将是眼压检测技术发展应用的两大主流。

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