面向航天應用的眼壓連續(xù)監(jiān)測技術研究

蔣 婷，鐘玉棠，于洪強，王春慧，陳曉萍，楊揚帆，周炳賢

(1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京 100094；2.香港科技大學深圳研究院，深圳 518057；3.中山大學中山眼科中心，廣州 510060)

1 引言

航天員長期在軌飛行期間，視覺會受到失重環(huán)境、空間輻射等諸多因素影響。NASA通過對航天飛機任務和國際空間站任務中27名航天員的眼睛評估發(fā)現，航天員均出現不同程度的眼部異常，其中，33%的航天員視神經周圍的腦脊髓液出現擴張，22%的航天員眼球出現扁平化狀況，15%的航天員視神經出現水腫。綜合美俄在軌開展的眼壓測試結果表明:相比飛行前的基線，在軌飛行時航天員眼壓最高值升高了100%。Lee等、Karina等認為，航天員在長期微重力環(huán)境下體液頭向分布可能導致眼壓和顱內壓力梯度變化，進而引起眼睛生理結構和視神經的改變。因此，面向航天應用，非侵入性的眼壓監(jiān)測可以作為航天員視覺監(jiān)測評估的重要指標之一。

眼壓(Intraocular Pressure，IOP)是一個動態(tài)變化的生物學指標，具有明顯的24 h節(jié)律性，因此24 h眼壓測量較單次眼壓測量能更全面地反映眼壓變化。對青光眼的研究表明，除了異常高眼壓外，短時間內眼壓的急劇變化及較大的晝夜眼壓波動也是導致青光眼視神經損害進展的獨立危險因素，也說明24 h眼壓監(jiān)測的重要性。NASA已有研究結果顯示，航天員在失重條件下的顱內壓比地面坐立或站立時要高，但比地面睡覺時要低，隨著時間推移，眼睛遭受的恒定而不是變化的顱眼壓梯度差造成了航天員視覺損傷。由此可見，開展航天員24 h眼壓監(jiān)測，對認識和探索航天員視覺問題的影響機制和機理具有重要意義。

在24 h連續(xù)眼壓監(jiān)測技術中，以隱形眼鏡為載體的感應技術因其無創(chuàng)性和便利性，得到了較為廣泛的研究和應用，主要技術包括電阻感應、電容感應、應變感應、電抗感應和光學感應等。

面向航天應用需求，隱形眼鏡式眼壓測試技術具有自動實時、非侵入、無干擾測試的特點，本文建立隱形眼鏡式測試技術的眼壓計算模型，利用實驗獲取眼壓與線圈共振頻率的關聯(lián)模型，并進行測試信度效度檢驗。在此基礎上，借助地面-6°頭低位臥床模擬失重生理效應條件，開展受試者臥床前4天和臥床第14天的24 h眼壓連續(xù)測試，對比分析模擬失重生理效應對24 h眼壓特征的影響，為后續(xù)隱形眼鏡式眼壓測試技術在航天飛行任務中應用提供參考。

2 方法

本文所建立的隱形眼鏡式眼壓測試技術基于軟性隱形眼鏡傳感器，可以實時感應眼球曲率變化，再通過眼球曲率與眼壓的關聯(lián)模型，實現連續(xù)的眼球形變和眼壓自動監(jiān)測。本文所應用的24 h眼壓監(jiān)測系統(tǒng)由香港科技大學合作團隊研發(fā)，以LC振蕩電路為基礎原理，該系統(tǒng)已完成基礎測試、動物實驗及科研臨床測試。

2.1 測試原理

該測試技術的主體是嵌入了微型線圈的隱形眼鏡和外部傳感器，如圖1所示。軟性隱形眼鏡由III類醫(yī)用許可的高透氣性生物相容硅樹脂材料制成，加入微型線圈后總厚度不超過150μm。微型線圈包含一個LC線路，由外部傳感器的天線發(fā)出電磁波激活。眼壓改變時會迫使角膜發(fā)生形變，繼而導致眼球形態(tài)變化和眼球曲率變化，造成隱形眼鏡中微型線圈發(fā)生位移和共振頻率的改變，測試原理圖見圖2。外部傳感器會通過無線方式掃描共振頻率的改變，然后根據關聯(lián)模型，將獲得的共振頻率變化信號與眼壓進行匹配，從而得出實時眼壓數值。眼壓數據經由無線方式實時傳送到測試者佩戴的便攜式記錄儀，記錄儀中的數據會被傳遞至計算機中顯示和儲存。

圖1 隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)(包括隱形眼鏡和外部傳感器)Fig.1 Contact lens IOP test system(including contact lenses and external sensors)

圖2 測試原理圖Fig.2 Schematic diagram of the test

2.2 眼壓計算模型

其中，為磁導率，為線圈的填充比，為磁導率，為線圈匝數。

早期研究者發(fā)現，對于曲率半徑為7.8 mm的眼睛來說，1 mmHg眼壓的變化會引起角膜半徑約3 mm的變化，因此眼壓的變化Δ可簡化為式(2):

其中，Δ為角膜曲率變化量，是與眼睛生物力學特性相關的常數。而線圈電感與線圈的平均直徑呈線性相關，見式(3):

其中，為常數。由此可以計算出式(4)和式(5):

其中，為隱形眼鏡的初始曲率半徑，為環(huán)形電感線圈的張角。當該感應線圈與一個薄膜電容器耦合時，LC傳感器的諧振頻率可表達為式(6):

為薄膜電容器的電容，使電感隨頻率的變化見式(7):

上述研究得到了以港口企業(yè)利潤最大和以港口城市經濟發(fā)展最優(yōu)為目標的港口投資的收益函數與策略集合。在兩種情況下，投資者都要預判競爭對手的行為，再做出有效反應。接著分析港口投資者的反應行為，確定投資者不愿意再做出反應的均衡狀態(tài)是否存在。

眼壓隨共振頻率變化的函數可以表達為式(8)和式(9):

由此可見，眼壓的變化與線圈共振頻率的變化呈線性相關，可以建立起眼壓與線圈共振頻率的關聯(lián)模型，通過監(jiān)測測試系統(tǒng)中線圈共振頻率的改變來反映眼壓變化。

2.3 眼壓與線圈共振頻率的關聯(lián)模型

利用可測的標準壓力裝置來建立眼壓變化和線圈共振頻率之間的關聯(lián)模型，本文選取了壓力可控膠球來建立眼壓變化物理性關聯(lián)模型，如圖3所示。

圖3 采用壓力可控膠球測試眼壓變化Fig.3 Measurement of IOP changes with rubber ball

膠球內部壓力由連接在外部的滴定管中液體所控制，改變滴定管中液體高度，可將膠球內部壓力調整為7～50 mmHg的變化范圍。眼壓測試系統(tǒng)中的隱形眼鏡覆蓋于膠球表面，利用天線連接的外部感應系統(tǒng)，可獲得隱形眼鏡中LC線路的共振頻率改變信號。通過控制膠球內部壓力在測試范圍內多次重復實驗，采用機器學習建立外部控制壓力和共振頻率信號間的關聯(lián)模型數據庫。基于該關聯(lián)模型，通過獲取的共振頻率信號測算眼壓值，如圖4所示。

圖4 膠球內部控制壓力與眼壓測試系統(tǒng)測試壓力比較及關系Fig.4 Comparison and relationship between rubber ball control pressure and test pressure

2.4 有效性驗證

為驗證隱形眼鏡式眼壓測試技術，通過與壓平式眼壓計測量結果的對比分析，評估該測試技術的有效性。驗證實驗選取正常眼壓的受試者15人，通過改變受試者的體位(-10°、-6°、水平及直立狀態(tài))來實現受試者眼壓的變化，見圖5；實驗中，受試者左眼使用隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)獲取眼壓值，受試者右眼使用手持式壓平眼壓計，以此數據作為標準眼壓值進行對比分析。

圖5 通過體位改變實現受試者眼壓的變化Fig.5 Changes of IOP by body position of subjects

實驗數據表明，隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)與壓平式眼壓計測量結果對比，誤差范圍為0.85～2.95 mmHg，測試信度為0.92(圖6)。

圖6 不同體位下隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)與壓平式眼壓計測量結果對比Fig.6 Comparison between contact lens IOP test system and flattening tonometer under different body positions

3 驗證實驗

在-6°頭低位臥床模擬失重實驗中，對受試者開展臥床前4天和臥床第14天的24 h眼壓連續(xù)測試，對比分析實驗前及模擬失重實驗中24 h眼壓特征的變化特點。

3.1 受試者

4名男性志愿者，年齡18～50歲，身高160～180 cm，體重50～80 kg，BMI體重指數18.5～28；無臨床疾病，無色盲色弱，無精神類疾病，無營養(yǎng)不良。受試者在實驗前均簽署知情同意書，實驗通過中山大學倫理委員會批準。

3.2 實驗條件

臥床期間除部分測試要求水平臥位外，所有活動均在頭低位-6°臥位狀態(tài)下進行，可沿身體縱軸方向變換體位，如翻身，側臥等。臥床的平臥和頭低位角度由頭低位床及管理系統(tǒng)統(tǒng)一控制。志愿者同步作息，每日有醫(yī)生對受試者的身體狀況開展醫(yī)監(jiān)詢問。

3.3 實驗流程

利用隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)，分別在臥床前4天和臥床第14天對4名受試者進行24 h眼壓測量。根據現場醫(yī)護人員及技術人員人手安排情況，4人開始測量的時間不同。

測試準備階段，隨機選取受試者單眼進行隱形眼鏡適配、佩戴與調試；測試階段，測試系統(tǒng)開始測量，并記錄測試開始時間點，次日同一時間點結束測量；測試結束后，受試者摘取隱形眼鏡，醫(yī)生對受試者眼表進行檢查，實驗結束。

3.4 結果

3.4.1 眼壓曲線

從起始點開始每間隔0.5 h取一個測量點，共計48個測試點，將測試點按時間順序繪制為眼壓曲線。受試者01兩次測試的24 h眼壓波動情況如圖7所示。

圖7 受試者01的24 h眼壓測量曲線圖Fig.7 24-hour IOP curve of subject 01

最高眼壓值和最低眼壓值分別是24 h內測得的眼壓的最大值和最小值。4名受試者最高眼壓值和最低眼壓值出現的時間點統(tǒng)計見表1。由表可見，不同受試者的眼壓曲線有一定的個體差異性，在臥床前4天的測試中，受試者01、03和04的最高眼壓值出現在上午，最低眼壓值均出現在晚上；在臥床第14天中，受試者最高眼壓值分別出現在早晨、中午和晚上，最低眼壓均出現在夜晚。

表1 受試者最高和最低眼壓值的時間點分布Table 1 Time distribution of maximum and minimum IOP of the subjects

3.4.2 眼壓值分布圖

為了能分析眼壓測量值的分布特性，從測量起始點開始，將每0.5 h取得的眼壓值作為該0.5 h時間段的眼壓值(如11:20測得眼壓值為15 mmHg，11:20～11:50的眼壓值均為15 mmHg，時長為0.5 h)。將每個眼壓值在24 h內的時長累加得到該眼壓值的總時長，將眼壓值和時長繪制為眼壓分布圖，見圖8。

圖8 眼壓值分布圖Fig.8 Distribution of IOP

3.4.3 眼壓分析指標

分別對4名受試者的24 h眼壓數據進行分析，分析指標為:①最高眼壓值在24 h內累加的總時長為最高眼壓時長；②主體眼壓值是24 h內測得次數最多的眼壓值，主體眼壓時長是主體眼壓值在24 h內累加的總時長；③平均眼壓和眼壓標準差分別是24 h內測得所有眼壓值的算數平均值和標準差；④最大眼壓差是最高眼壓值減去最低眼壓值。4名受試者各分析指標的數據見表2。由表可見，4名受試者臥床前和臥床第14天的各項指標均發(fā)生了不同程度的變化。

表2 24 h眼壓分析指標數據表Table 2 Analysis of 24 hour IOP dat a

3.5 討論

在-6°頭低位臥床實驗中，利用隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)獲取了4名受試者共計8人次的眼壓數據，每人次眼壓數據均不小于24 h，測試過程數據完整、有效，驗證了隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)在臥床實驗中應用的可行性和有效性。

從受試者臥床前4天的24 h眼壓曲線可以看出，眼壓在24 h內呈現出一定的波動，夜間和上午的眼壓相對較高，下午和晚上的眼壓相對較低，這與之前的相關研究結果一致，段宣初等認為眼壓的這種晝夜波動可能與從白天站立位轉換為夜間臥床有關；通過受試者在臥床第14天的24 h眼壓檢測曲線分析，可以看出受試者在-6°頭低位的體位下，眼壓仍呈現出一定的波動，白天眼壓相對較高，夜晚眼壓相對較低?？梢酝茰y，在臥床實驗條件下，體位轉換不是造成眼壓波動的主要因素。

眼壓值分布圖中，24 h內眼壓的最大眼壓差越小，主體眼壓的時長越大表明眼壓波動性越小，穩(wěn)定性越好；反之，眼壓的最大眼壓差越大，主體眼壓的時長越小表明眼壓波動越大，穩(wěn)定性越低。通過對4名受試者臥床第14天和臥床前4天的眼壓值分布的比對分析，可以看出，與臥床前4天相比，臥床第14天的最高眼壓值升高、主體眼壓升高且時長下降、最大眼壓差變大，均表明眼壓的波動性變大，穩(wěn)定性下降。

-6°頭低位臥床實驗條件下，人體血液頭向分布，近似模擬了人在失重狀態(tài)下的頭向體液分布，本文受試者在頭低位臥床條件下最高眼壓值和主體眼壓值升高，可能是因體液頭向分布引起，這與相關研究中體液頭向分布會導致眼壓和顱內壓力梯度變化的研究假設一致。

實驗中眼壓波動性變大和穩(wěn)定性下降的結果也提示眼壓受到了持續(xù)性的影響，段宣初等研究表明較大的眼壓波動是青光眼重要的獨立危險因素，是導致視野損害進展的主要原因，因此眼壓波動的變化應作為航天員重點關注的指標之一，眼壓波動的具體影響機制、對眼睛生理結構和視神經的影響結果還有待進一步的研究。

本實驗中只有4例受試者，呈現出的變化和趨勢還有待更大樣本量的統(tǒng)計學分析來檢驗。

4 結論

1)本文建立的隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)，通過建立眼壓計算模型、眼壓與線圈共振頻率的關聯(lián)模型實現眼壓的連續(xù)測量，通過與壓平式眼壓計的驗證對比，測量誤差＜3 mmHg，測試信度為0.92。

2)隱形眼鏡式眼壓測試系統(tǒng)在地面-6°頭低位臥床實驗中，獲取了4名受試者臥床前4天和臥床第14天的24 h眼壓連續(xù)數據，驗證了測試系統(tǒng)的可行性和有效性。

3)臥床實驗結果表明，-6°頭低位臥床實驗中，4名受試者的24 h眼壓呈現出一定的波動，最高眼壓值和主體眼壓值升高、最大眼壓差變大，表現出眼壓波動范圍變大，穩(wěn)定性下降。

4)對臥床實驗數據的初步討論表明，24 h眼壓的波動特性可能是因體液頭向分布引起，提示航天員在失重狀態(tài)下眼壓波動是重要的關注指標。