專利名稱：超聲波眼科測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種眼科測(cè)量裝置及方法，且特別是有關(guān)于一種超聲波眼科測(cè)量裝
置及方法。
背景技術(shù)：
屈光不正是人類最常見和最普遍的眼病，角膜厚度測(cè)量和眼軸長度測(cè)量都是為適 應(yīng)屈光性手術(shù)而發(fā)展起來的，最主要用于角膜屈光手術(shù)的術(shù)前檢查和術(shù)后療效評(píng)價(jià)，例如 對(duì)手術(shù)時(shí)切口深度的掌握，術(shù)后指導(dǎo)用藥，避免角膜上皮過度增殖增厚造成屈光回退，防止 繼發(fā)性圓錐角膜等都有重要意義。此外，角膜厚度還是角膜細(xì)胞機(jī)能的客觀指標(biāo)，眼軸長度 的測(cè)定還可以了解眼的病變和屈光情況。 超聲波測(cè)厚技術(shù)的依據(jù)是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度一定的情況下，發(fā)射脈沖 和回波脈沖之間的時(shí)間間隔與介質(zhì)的厚度直接相關(guān)。與光學(xué)測(cè)量法相比較，超聲對(duì)角膜無 害無損，操作非常簡(jiǎn)便，同時(shí)可以連續(xù)測(cè)量同一部位的數(shù)點(diǎn)或不同部位的數(shù)點(diǎn)取其平均值， 而且比光學(xué)測(cè)量法精確，因此在眼科的應(yīng)用日益廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超聲波眼科測(cè)量裝置及方法，利用超聲波高分辨率的 性能測(cè)量人體眼角膜的厚度和眼軸的長度，用于眼部手術(shù)前檢查和手術(shù)后療效的評(píng)價(jià)。
本發(fā)明提出一種超聲波眼科測(cè)量裝置，包括超聲換能器、控制單元、超聲波發(fā)射單 元、超聲波接收單元、數(shù)據(jù)采集單元、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(jī)和CPLD芯片。超聲波發(fā)射單元的輸入端連接CPLD芯片的輸出，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芯片。數(shù) 據(jù)采集單元包括依次連接的濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及FPGA芯片。濾波電路的輸入連接超 聲波接收單元的輸出。FPGA芯片的輸出端連接至MSP430單片機(jī)的輸入端。顯示單元和按 鍵單元分別連接至MSP430單片機(jī)。 本發(fā)明中的超聲波發(fā)射單元包括微分電路，其輸入端連接CPLD芯片的輸出，將矩 形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。采用微分電路可以減小發(fā)射脈寬，提高測(cè)量精度。
本發(fā)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芯片。 本發(fā)明中的比較電路包括TL3016比較器，其轉(zhuǎn)換速度較高，可以達(dá)到7. 8ns。
本發(fā)明還提出一種超聲波眼科測(cè)量方法，包括步驟a)將超聲波眼科測(cè)量裝置的 測(cè)量探頭正確放在人體角膜上；b)由控制單元的MSP430單片機(jī)輸出固定寬度的發(fā)射脈沖 至超聲波發(fā)射單元，并觸發(fā)測(cè)量探頭中的超聲換能器發(fā)射超聲波；c)超聲波經(jīng)過人體角膜 反射后由超聲換能器輸出至超聲波接收單元，經(jīng)過放大電路放大后，其中一路反射波輸出 至比較電路，另一路輸出至數(shù)據(jù)采集單元；d)在超聲波發(fā)射的同時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘脈沖，由比較
4電路輸出的反射波控制CPLD芯片輸出計(jì)數(shù)脈沖至MSP430單片機(jī)；e)由MSP430單片機(jī)對(duì) 所述時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到眼角膜的厚度和眼軸長度，并通過顯 示單元進(jìn)行顯示。 本發(fā)明中的步驟c)中，反射波經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元的濾波電路濾波后，送入A/D轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出至FPGA芯片存儲(chǔ)，由FPGA芯片緩沖給MSP430單片機(jī)，并將采樣 所得到的波形通過顯示單元進(jìn)行顯示。 本發(fā)明中的步驟d)中，CPLD芯片包括兩組計(jì)數(shù)器，分別輸出兩組計(jì)數(shù)脈沖至 MSP430單片機(jī)。采用雙脈沖計(jì)數(shù)可以提高計(jì)數(shù)精度。 本發(fā)明中的步驟b)中，MSP430單片機(jī)發(fā)出的發(fā)射脈沖，經(jīng)CPLD芯片和微分電路 后變成寬度極窄的脈沖信號(hào)觸發(fā)超聲換能器發(fā)射超聲波。 本發(fā)明中的測(cè)量方法還包括步驟f)如果測(cè)量探頭接觸人體角膜3秒后未測(cè)量到 數(shù)據(jù)，則超聲波眼科測(cè)量裝置發(fā)出長鳴音以提示測(cè)量探頭必須離開角膜，避免角膜的損傷； 如果在3秒內(nèi)測(cè)到角膜厚度和眼軸長度值，則超聲波眼科測(cè)量裝置發(fā)出短鳴音以提示測(cè)量 成功，可以進(jìn)行下一次測(cè)量。 本發(fā)明中的測(cè)量方法還包括步驟g)如果超聲波眼科測(cè)量裝置在10分鐘內(nèi)未檢 測(cè)到任何操作的話，則自動(dòng)關(guān)機(jī)。采用定時(shí)關(guān)機(jī)可以降低整個(gè)裝置的功耗，提高整個(gè)裝置的
可靠性。 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明所提供的超聲波眼科測(cè)量裝置及方法可以利用超聲 波反射波法測(cè)量人體角膜厚度和眼軸長度。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單，對(duì)被測(cè)物體表面要求較低，能 滿足角膜厚度和眼軸測(cè)量需求。 在硬件電路部分，使用低功耗的CPLD芯片代替單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn) 了裝置的低功耗化和微型化的趨勢(shì)；為了提高測(cè)量精度，采用微分電路來減小發(fā)射脈寬。并 設(shè)計(jì)專用高頻超聲換能器，在測(cè)量探頭的中央打孔后放置光纖導(dǎo)入綠色光源，引導(dǎo)患者的 眼睛注視引導(dǎo)光源，確保測(cè)量時(shí)聲束更準(zhǔn)確進(jìn)入患者的視軸。 本發(fā)明的超聲波眼科測(cè)量方法采用雙脈沖計(jì)數(shù)法，并進(jìn)行去最值取平均的處理， 以提高計(jì)數(shù)精度；采用定時(shí)關(guān)機(jī)來降低整機(jī)的功耗，提高整機(jī)的可靠性。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的超聲波眼科測(cè)量裝置的功能方塊示意圖。 圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的超聲波眼科測(cè)量裝置的測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3所示為圖1中的MSP430單片機(jī)的電路原理圖。 圖4所示為圖1中的超聲波發(fā)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(jù)本發(fā)明的超聲波眼科測(cè)量裝置的工作原理圖
具體實(shí)施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。 如圖1所示，本發(fā)明所提供的超聲波眼科測(cè)量裝置包括超聲換能器10、控制單元 11、超聲波發(fā)射單元12、超聲波接收單元13、數(shù)據(jù)采集單元14、顯示單元15以及按鍵單元 16。 本發(fā)明采用單晶片高頻超聲換能器10，以取得更高的分辨率。高頻超聲換能器10 主要由壓電晶片、保護(hù)層及超聲延時(shí)構(gòu)成，它是一種能量轉(zhuǎn)換器件。其工作原理是在發(fā)射 時(shí)，利用壓電晶片的逆壓電效應(yīng)原理，將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率即超聲波傳遞出去； 在接收時(shí)，利用壓電晶片的正壓電效應(yīng)原理，將機(jī)械功率再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
如圖2所示，高頻超聲換能器10安裝于測(cè)量探頭17中。測(cè)量探頭17還包括外殼 170以及固定在外殼170內(nèi)的透鏡171和發(fā)光二極管172。由于眼球2的特殊結(jié)構(gòu)，如果設(shè) 計(jì)測(cè)量探頭17的直徑超過2mm，容易把角膜壓平；如果低于2mm，又容易把角膜壓陷，從而影 響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以一般測(cè)量探頭17的直徑選擇為2mm。 透鏡171安裝于超聲換能器10的前部，采用聚焦的方法得到測(cè)量時(shí)無起伏的近聲 聲場(chǎng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，用激光將測(cè)量探頭17前端的中心打孔，利用光纖173導(dǎo)入發(fā)光二極管172。 優(yōu)選的，發(fā)光二極管172選用綠色光源。由于綠光成像在視網(wǎng)膜前面，晶狀體能得到有效放 松調(diào)節(jié)，可以緩解視力疲勞；另一方面，可以從宏觀上引導(dǎo)患者的眼睛注視引導(dǎo)光源，確保 測(cè)量時(shí)超聲波更容易準(zhǔn)確進(jìn)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(jī)110作為主控芯片提供數(shù) 據(jù)處理和控制功能，配合CPLD芯片lll提供數(shù)據(jù)處理功能，構(gòu)成整個(gè)測(cè)量裝置的內(nèi)核。擴(kuò) 展部分連接有顯示單元15和按鍵單元16，經(jīng)計(jì)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(yōu)選的，顯示單元15采用8位并行接口，實(shí)時(shí)快速。
圖3所示為MSP430單片機(jī)的電路原理圖，如圖所示，MSP430單片機(jī)110的Pl. 0是 超聲波發(fā)射脈沖的控制信號(hào)，Pl. 1-P1. 2是顯示單元15的片選信號(hào)，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用于擴(kuò)展RS232通 信接口 ， P4. 0-P4. 7， PI. 5-P1. 7， P3. 0-P3. 3， P2. 7用于數(shù)據(jù)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(fā)射單元的電路原理圖。本發(fā)明中的超聲波發(fā)射單元12包括 微分電路120和場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)121，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)121導(dǎo)通時(shí)，超聲波發(fā)射單元12激發(fā)超 聲換能器10工作；當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，不產(chǎn)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(zhuǎn)化為尖脈沖波。R6、R7、Q2、 Q3構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的放大電路，將微分電路120得到的尖脈沖波幅度增大。當(dāng)正向的脈沖信 號(hào)加到場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極時(shí)，作為觸發(fā)脈沖控制信號(hào)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(gè)方面對(duì)超聲波發(fā)射單元12 進(jìn)行了優(yōu)化模擬開關(guān)選用場(chǎng)效應(yīng)管，功耗小，輸入內(nèi)阻大，能夠形成前沿極陡的高壓脈沖； 發(fā)射脈沖產(chǎn)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芯片111送出的周期方波的下降沿，將矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。 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(fā)生突變的瞬間才有輸 出，而對(duì)恒定部分則沒有輸出，對(duì)輸出波形經(jīng)一級(jí)放大得到寬度極窄的觸發(fā)脈沖。
反射回超聲換能器10的回波信號(hào)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，在這里，放大電路130可以采用現(xiàn)有技術(shù)中可以實(shí)現(xiàn)放大功能的電 路。由于要滿足后續(xù)化電路，放大增益要求在40dB以上。為了防止泄漏的高壓激勵(lì)信號(hào)使 放大電路130中的放大器的前級(jí)損壞或過載，可以在放大器前接入保護(hù)電路，例如由四個(gè) 二極管兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成的保護(hù)電路以進(jìn)行雙向限幅。本發(fā)明中的放大電路130可以實(shí) 現(xiàn)動(dòng)態(tài)增益過程，可以數(shù)控調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使增益能很好地與超聲換能器10相匹配。
超聲波反射信號(hào)通過放大電路130放大后，一路輸出至比較電路131，另一路輸出 至數(shù)據(jù)采集單元14。如圖6所示，比較電路131選用轉(zhuǎn)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芯片111。脈沖反射波信號(hào)經(jīng)過比較電 路131轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，此方波信號(hào)用來控制脈沖計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和關(guān)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 膜前后壁的兩次回波間隔僅約為0.6us，所以要求比較器的轉(zhuǎn)換速度較高。本發(fā)明中的 TL3016比較器，其轉(zhuǎn)換速度僅為7. 8ns。 如圖1所示，數(shù)據(jù)采集單元14包括依次連接的濾波電路140、A/D轉(zhuǎn)換電路141及 FPGA芯片142。其中，濾波電路140、 A/D轉(zhuǎn)換電路141均可采用現(xiàn)有技術(shù)中可以實(shí)現(xiàn)相同 功能的電路。在有用信號(hào)被放大的同時(shí)，也混入了各種高低頻噪聲信號(hào)，為此必須采用濾波 電路140選擇出反射波信號(hào)中有用的頻率成分。超聲波信號(hào)的頻譜有一定的帶寬，因此要 求接收頻響也要有相應(yīng)帶寬。因此本發(fā)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(hào)經(jīng)過放大整形濾波后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路141轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采樣的 時(shí)鐘信號(hào)由FPGA芯片142控制，采樣得到的數(shù)據(jù)被送至FPGA芯片142內(nèi)部設(shè)計(jì)的FIFO存 儲(chǔ)器存儲(chǔ)，等待MSP430單片機(jī)110的讀取。 圖7所示為超聲波眼科測(cè)量裝置的工作原理圖，請(qǐng)一并結(jié)合圖1 圖6。首先由 超聲波發(fā)射單元12產(chǎn)生高壓脈沖(圖7中的發(fā)射脈沖)，激勵(lì)超聲換能器10產(chǎn)生超聲波。 超聲波由測(cè)量探頭17通過耦合劑傳播至空氣與眼角膜上皮層20時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波信號(hào)，這 是交界面兩側(cè)組織的聲阻抗不匹配引起的。此時(shí)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(nèi)繼續(xù)傳播，傳播至眼角膜下皮層21與房水的交界面和視網(wǎng)膜22上時(shí)，同 樣會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)反射波信號(hào)，這樣就得到了儀器測(cè)量所需要的三個(gè)反射波信號(hào)。
在超聲波脈沖發(fā)射的同時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘脈沖，由反射波信號(hào)來控制計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖，從 而計(jì)算出超聲波在眼角膜上皮層20和下皮層21之間傳播的時(shí)間，和在眼角膜上皮層20和 視網(wǎng)膜22之間傳播的時(shí)間，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到眼角膜的厚度和眼軸長度。 具體來說，超聲波眼科測(cè)量裝置工作時(shí)，在時(shí)鐘脈沖的作用下，由MSP430單片機(jī) 110發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)CPLD芯片111和微分電路120后變成寬度極窄的脈沖觸 發(fā)超聲換能器10產(chǎn)生超聲波。超聲波經(jīng)反射后，由超聲波接收單元13接收回波信號(hào)，回波 信號(hào)通過放大電路130后，分成兩路一路信號(hào)通過濾波電路140，濾除干擾信號(hào)后，進(jìn)入相 應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換電路141量化成數(shù)字信號(hào)，采樣所得的數(shù)字信號(hào)通過并行數(shù)據(jù)口傳輸給FPGA 芯片142，然后由FPGA芯片142緩沖給MSP430單片機(jī)110，將采樣所得到的波形通過顯示 單元15顯示出來；另一路信號(hào)通過比較電路131，將脈沖反射波信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合邏輯電位 的方波信號(hào)，進(jìn)入CPLD芯片111后觸發(fā)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的值，即計(jì)數(shù)脈沖被送入MSP430單片機(jī)110進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過顯示單元15顯示出來。 上述過程中，為了保證電路能夠有序工作，本發(fā)明采用兩片可編程邏輯芯片來輔助單片機(jī)完成控制和數(shù)據(jù)處理功能， 一片是FPGA芯片142， 一片是CPLD芯片111 。其中FPGA芯片142對(duì)數(shù)據(jù)采集單元14的時(shí)序進(jìn)行控制。具體來說，100MHz的時(shí)鐘源由外部接入，通過兩個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生4個(gè)相位的同頻時(shí)鐘，作為采樣的時(shí)鐘，采樣得到的數(shù)據(jù)送至FPGA芯片142內(nèi)的FIFO存儲(chǔ)，采樣結(jié)束存儲(chǔ)完成后，F(xiàn)IF0產(chǎn)生中斷信號(hào)，由MSP430單片機(jī)110來讀取數(shù)據(jù)，并送出顯示。 CPLD芯片111主要用于計(jì)數(shù)，由超聲的回波信號(hào)控制計(jì)數(shù)的開啟和關(guān)閉(見圖6)。由于眼球的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且每個(gè)交界面兩側(cè)組織的聲阻抗不匹配，所以超聲從眼角膜上皮層20發(fā)射后，會(huì)產(chǎn)生5個(gè)回波信號(hào)，分別為眼角膜上皮層20，眼角膜下皮層21，房水前壁，房水后壁和視網(wǎng)膜22，分別記為l-5號(hào)回波。為了同時(shí)得到角膜厚度和眼軸長度，需要設(shè)計(jì)兩組計(jì)數(shù)器。第一組計(jì)數(shù)器中，l號(hào)回波控制計(jì)數(shù)器開始工作，2號(hào)回波控制計(jì)數(shù)器停止工作，經(jīng)計(jì)算得到角膜厚度。第二組計(jì)數(shù)器中，1號(hào)回波控制計(jì)數(shù)器開始工作，5號(hào)回波控制停止計(jì)數(shù)。因?yàn)榉克暮穸群头克蟊诘揭暰W(wǎng)膜壁的厚度相差很大，所以可通過設(shè)定計(jì)數(shù)閾值，即用閾值的方法屏蔽掉測(cè)量所不需要的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)波對(duì)計(jì)數(shù)器的影響，由5號(hào)回波來關(guān)閉第二組計(jì)數(shù)器，經(jīng)計(jì)算得到眼軸的長度。另外，CPLD芯片lll還用于單片機(jī)I/O 口的擴(kuò)展，擴(kuò)展地址和鎖存信號(hào)，便于之后的軟件設(shè)計(jì)。 硬件部分電路的工作需要軟件的支持，本發(fā)明中通過MSP430單片機(jī)110上的JTAG調(diào)試器將程序從PC機(jī)直接下載到FLASH存儲(chǔ)器內(nèi)，再通過PC機(jī)上的軟件由JTAG接口讀取單片機(jī)內(nèi)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單片機(jī)上運(yùn)行的程序。 整個(gè)儀器開機(jī)后，系統(tǒng)初始化，開中斷，進(jìn)入低功耗模式，等待中斷， 一旦有中斷，系統(tǒng)被喚醒，開始測(cè)量。如果測(cè)量成功，顯示測(cè)量值，蜂鳴器短音提示，如果測(cè)量失敗，則顯示測(cè)量失敗，蜂鳴器長音提示。測(cè)量結(jié)束后，返回低功耗模式，繼續(xù)等待中斷。
軟件設(shè)計(jì)的核心部分是角膜厚度和眼軸長度的測(cè)量，首先由MSP430單片機(jī)110發(fā)射固定寬度的方波信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)射單元12觸發(fā)超聲換能器10的壓電晶片產(chǎn)生超聲，超聲波發(fā)射脈沖的發(fā)射周期為8ms。此時(shí)，若測(cè)量探頭17正確放在角膜上，系統(tǒng)會(huì)得到一個(gè)計(jì)數(shù)值，若計(jì)數(shù)值在設(shè)定的計(jì)數(shù)值范圍內(nèi)，保存該值，若不符合，重復(fù)測(cè)量，直到成功計(jì)數(shù)5次，因采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)計(jì)數(shù)，故實(shí)際得到IO個(gè)計(jì)數(shù)值。為濾掉隨機(jī)誤差，進(jìn)行去最值取平均的處理，通過相應(yīng)的計(jì)算得到測(cè)量值。 在工作狀態(tài)時(shí)，為了避免測(cè)量探頭17接觸人體角膜時(shí)間過長，如測(cè)量探頭17接觸角膜3s后未測(cè)量到數(shù)據(jù)，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(nèi)測(cè)到角膜厚度和眼軸長度值，則蜂鳴器以短鳴音提示測(cè)量成功，可以進(jìn)行下一次測(cè)量。為了節(jié)約電量，如果10分鐘內(nèi)未檢測(cè)到任何操作的話，則自動(dòng)關(guān)機(jī)。
進(jìn)一步的，為了使整個(gè)測(cè)量裝置的性能更加完善，充分利用MSP430單片機(jī)110內(nèi)部比較器的功能，通過比較器采樣電源電壓就可以確定當(dāng)前電源是否符合工作要求。電池供電電壓正常為8. 4V，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)和分析，將電源電壓門限取為6. 5V，而比較器內(nèi)部參考源0. 5VCC(VCC為3. 3V)，此時(shí)電壓門限已經(jīng)超出參考電壓，于是采用分壓電路使其在采樣范圍內(nèi)，大小為(6. 5/8. 4)* (0.5*3. 3) = 1. 28V。如果分壓后的電源電壓小于1. 28V，液晶屏上作相應(yīng)顯示，提醒用戶需更換電池。
綜上所述，本發(fā)明具有自主數(shù)據(jù)處理能力，具有參數(shù)選擇、顯示數(shù)據(jù)的功能，具有 對(duì)外通信接口，支持便攜式操作，同時(shí)操作簡(jiǎn)單便于醫(yī)護(hù)人員操作。 本發(fā)明中所述具體實(shí)施案例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施案例而已，并非用來限定本發(fā) 明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā) 明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
一種超聲波眼科測(cè)量裝置，包括超聲換能器，其特征在于，還包括控制單元，包括相互連接的MSP430單片機(jī)和CPLD芯片；超聲波發(fā)射單元，其輸入端連接CPLD芯片的輸出，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芯片；數(shù)據(jù)采集單元，包括依次連接的濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及FPGA芯片，濾波電路的輸入連接超聲波接收單元的輸出，F(xiàn)PGA芯片的輸出端連接至MSP430單片機(jī)的輸入端；顯示單元，與MSP430單片機(jī)的輸出端相連接；以及按鍵單元，連接至MSP430單片機(jī)的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波眼科測(cè)量裝置，其特征在于，所述超聲波發(fā)射單元包 括微分電路，其輸入端連接CPLD芯片的輸出，將矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波眼科測(cè)量裝置，其特征在于，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芯片。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波眼科測(cè)量裝置，其特征在于，所述比較電路包括 TL3016比較器。
5. —種采用權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的超聲波眼科測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，其特 征在于，包括步驟a) 將超聲波眼科測(cè)量裝置的測(cè)量探頭正確放在人體角膜上；b) 由控制單元的MSP430單片機(jī)輸出固定寬度的發(fā)射脈沖至超聲波發(fā)射單元，并觸發(fā) 測(cè)量探頭中的超聲換能器發(fā)射超聲波；c) 超聲波經(jīng)過人體角膜反射后由超聲換能器輸出至超聲波接收單元，經(jīng)過放大電路放 大后，其中一路反射波輸出至比較電路，另一路輸出至數(shù)據(jù)采集單元；d) 在超聲波發(fā)射的同時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘脈沖，由比較電路輸出的反射波控制CPLD芯片輸出 計(jì)數(shù)脈沖至MSP430單片機(jī)；e) 由MSP430單片機(jī)對(duì)所述時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到眼角膜的 厚度和眼軸長度，并通過顯示單元進(jìn)行顯示。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟c)中，反射波經(jīng)數(shù)據(jù)采集 單元的濾波電路濾波后，送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出至FPGA芯片存儲(chǔ)，由FPGA 芯片緩沖給MSP430單片機(jī)，并將采樣所得到的波形通過顯示單元進(jìn)行顯示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟d)中，CPLD芯片包括兩組 計(jì)數(shù)器，分別輸出兩組計(jì)數(shù)脈沖至MSP430單片機(jī)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟b)中，MSP430單片機(jī)發(fā)出 的發(fā)射脈沖，經(jīng)CPLD芯片和微分電路后變成寬度極窄的脈沖信號(hào)觸發(fā)超聲換能器發(fā)射超 聲波。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述測(cè)量方法還包括步驟f)如果測(cè) 量探頭接觸人體角膜3秒后未測(cè)量到數(shù)據(jù)，則超聲波眼科測(cè)量裝置發(fā)出長鳴音以提示測(cè)量 探頭必須離開角膜，避免角膜的損傷；如果在3秒內(nèi)測(cè)到角膜厚度和眼軸長度值，則超聲波 眼科測(cè)量裝置發(fā)出短鳴音以提示測(cè)量成功，可以進(jìn)行下一次測(cè)量。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，所述測(cè)量方法還包括步驟g)如果超聲波眼科測(cè)量裝置在10分鐘內(nèi)未檢測(cè)到任何操作的話，則自動(dòng)關(guān)機(jī)c
全文摘要
本發(fā)明提出一種超聲波眼科測(cè)量裝置及方法。超聲波眼科測(cè)量裝置包括超聲換能器、控制單元、超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元以及按鍵單元?？刂茊卧ㄏ嗷ミB接的MSP430單片機(jī)和CPLD芯片。由MSP430單片機(jī)輸出發(fā)射脈沖至超聲波發(fā)射單元，觸發(fā)超聲換能器發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)人體角膜反射后輸出至超聲波接收單元，經(jīng)過放大，其中一路反射波輸出至比較電路，另一路輸出至數(shù)據(jù)采集單元。由比較電路輸出的反射波控制CPLD芯片輸出計(jì)數(shù)脈沖至MSP430單片機(jī)，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到眼角膜的厚度和眼軸長度，并通過顯示單元進(jìn)行顯示。本發(fā)明可以利用超聲波反射波法測(cè)量人體角膜厚度和眼軸長度，原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，且對(duì)被測(cè)物體表面要求較低。
文檔編號(hào)A61B8/10GK101785683SQ20101902610
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者夏翎, 許春, 趙興群, 陳娟 申請(qǐng)人:東南大學(xué)