基于液态合金的长程眼压传感器研究
眼内压是重要的生理指标，其长程检测对青光眼的筛查、治疗等具有重要指导意义。近年来，基于隐形眼镜的眼压传感技术因具有非侵害等优点而受到广泛关注。然而，现有技术仍面临诸多性能上的不足。本文研究提升电感式LC眼压传感器性能的理论与技术，开发长程传感样机系统，实现在体下眼压传感。主要内容如下： 针对现有镜片传感器高刚度导致灵敏度不足的问题，提出基于液态合金的柔性变电感LC式隐形眼镜传感器。对镜片传感器结构进行了初步设计，之后基于壳体力学以及剪滞理论建立其力学模型，构建出“眼压变化—电感线圈应变—LC谐振频率变化”的机理关系模型；理论分析了角膜形性、泪膜形性、镜片传感器结构参数对灵敏度的影响，并由有限元模型进行了验证；之后基于镜片参数影响结果对其结构进行了优化。最后，于仿生及离体猪眼上进行了性能测试，实验结果验证了机理模型的正确性，液态合金式传感器的灵敏度比现有电感式提升了一个量级。 针对镜片传感器制造的难题以及安全佩戴的需求，提出基于微通道隐形眼镜液态合金注入的制备方法。制备过程先采用热塑工艺将平面微通道模板成型为曲面，之后经由倒模、曲面键合、液态合金注入、电容耦合、封装等步骤实现传感器的制备。其中，探究了热成型工艺参数对微通道几何参数的影响，基于投影法建立了热成型后通道几何参数与工艺参数及其初始几何参数之间的理论关系，并由实验进行了验证。基于该模型，可参数化设计制造通道于镜片中，实现传感器及其信号的参数化可控。在此基础上，对所制备镜片传感器进行了可穿戴性测试，其键合及封装强度足够，透光、透氧性符合国家标准，能兔眼连续24-h佩戴无损伤。 针对信号采集过程中，眼动行为干扰导致LC眼压传感器信号畸变，造成谐振频率测量误差的问题，从信号模型层面出发，在静态信号模型基础上，建立了LC扫频动态信号模型。基于极限法思想以及蒙特卡洛法仿真模拟，分析了眼动行为参数(包括：眼动范围、速度)及传感系统内部参数(包括：传感器的品质系数、读取线圈直径和圈数、信号采集模块的扫频周期)对测量误差的影响，给出了最大误差与上述参数间的理论关系并基于模拟实验进行了验证。基于上述结果，提出通过优化传感系统内部参数来减小眼动的干扰，保障信号采集的质量，提升准确性。 针对长程眼压检测过程中，眼部复杂动态工况以及生理环境干扰传感器信号，严重影响谐振频率提取准确性问题，在信号处理上，提出了基于孤立森林以及洛伦兹拟合的LC眼压传感谐振频率提取方法。其中，采用孤立森林算法辨识信号集特征，分离滤除由间隙性眼部行为引起的畸变离群信号；采用洛伦兹拟合法准确提取受生理环境影响导致信噪比下降的正常信号的谐振频率。基于蒙特卡洛仿真以及模拟工况测试评估了上述方法的性能。结果表明，孤立森林算法能有效消除畸变离群信号；洛伦兹拟合法能极大减小误差，提升眼压测量的准确性以及稳定性。 基于上述理论、技术方法的研究，构建了液态合金式隐形眼镜长程眼压传感样机系统，于人体眼动状态下以及Valsaval眼压干预形式下进行了信号采集测试以及眼压传感测试。通过测试结果，论证了各章节理论及技术在人体上的正确性和有效性，所研制的镜片传感器可感知人体眼压的连续变化。
电感式眼压传感器;液态合金;壳体力学;剪滞理论;灵敏度
华中科技大学
博士
测试计量技术及仪器
赵斌;陈良洲;刘晓军
2022
中文
TM938.86
2023-03-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）