面向航天应用的眼压连续监测技术研究

蒋 婷，钟玉棠，于洪强，王春慧，陈晓萍，杨扬帆，周炳贤

(1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094；2.香港科技大学深圳研究院，深圳 518057；3.中山大学中山眼科中心，广州 510060)

1 引言

航天员长期在轨飞行期间，视觉会受到失重环境、空间辐射等诸多因素影响。NASA通过对航天飞机任务和国际空间站任务中27名航天员的眼睛评估发现，航天员均出现不同程度的眼部异常，其中，33%的航天员视神经周围的脑脊髓液出现扩张，22%的航天员眼球出现扁平化状况，15%的航天员视神经出现水肿。综合美俄在轨开展的眼压测试结果表明:相比飞行前的基线，在轨飞行时航天员眼压最高值升高了100%。Lee等、Karina等认为，航天员在长期微重力环境下体液头向分布可能导致眼压和颅内压力梯度变化，进而引起眼睛生理结构和视神经的改变。因此，面向航天应用，非侵入性的眼压监测可以作为航天员视觉监测评估的重要指标之一。

眼压(Intraocular Pressure，IOP)是一个动态变化的生物学指标，具有明显的24 h节律性，因此24 h眼压测量较单次眼压测量能更全面地反映眼压变化。对青光眼的研究表明，除了异常高眼压外，短时间内眼压的急剧变化及较大的昼夜眼压波动也是导致青光眼视神经损害进展的独立危险因素，也说明24 h眼压监测的重要性。NASA已有研究结果显示，航天员在失重条件下的颅内压比地面坐立或站立时要高，但比地面睡觉时要低，随着时间推移，眼睛遭受的恒定而不是变化的颅眼压梯度差造成了航天员视觉损伤。由此可见，开展航天员24 h眼压监测，对认识和探索航天员视觉问题的影响机制和机理具有重要意义。

在24 h连续眼压监测技术中，以隐形眼镜为载体的感应技术因其无创性和便利性，得到了较为广泛的研究和应用，主要技术包括电阻感应、电容感应、应变感应、电抗感应和光学感应等。

面向航天应用需求，隐形眼镜式眼压测试技术具有自动实时、非侵入、无干扰测试的特点，本文建立隐形眼镜式测试技术的眼压计算模型，利用实验获取眼压与线圈共振频率的关联模型，并进行测试信度效度检验。在此基础上，借助地面-6°头低位卧床模拟失重生理效应条件，开展受试者卧床前4天和卧床第14天的24 h眼压连续测试，对比分析模拟失重生理效应对24 h眼压特征的影响，为后续隐形眼镜式眼压测试技术在航天飞行任务中应用提供参考。

2 方法

本文所建立的隐形眼镜式眼压测试技术基于软性隐形眼镜传感器，可以实时感应眼球曲率变化，再通过眼球曲率与眼压的关联模型，实现连续的眼球形变和眼压自动监测。本文所应用的24 h眼压监测系统由香港科技大学合作团队研发，以LC振荡电路为基础原理，该系统已完成基础测试、动物实验及科研临床测试。

2.1 测试原理

该测试技术的主体是嵌入了微型线圈的隐形眼镜和外部传感器，如图1所示。软性隐形眼镜由III类医用许可的高透气性生物相容硅树脂材料制成，加入微型线圈后总厚度不超过150μm。微型线圈包含一个LC线路，由外部传感器的天线发出电磁波激活。眼压改变时会迫使角膜发生形变，继而导致眼球形态变化和眼球曲率变化，造成隐形眼镜中微型线圈发生位移和共振频率的改变，测试原理图见图2。外部传感器会通过无线方式扫描共振频率的改变，然后根据关联模型，将获得的共振频率变化信号与眼压进行匹配，从而得出实时眼压数值。眼压数据经由无线方式实时传送到测试者佩戴的便携式记录仪，记录仪中的数据会被传递至计算机中显示和储存。

图1 隐形眼镜式眼压测试系统(包括隐形眼镜和外部传感器)Fig.1 Contact lens IOP test system(including contact lenses and external sensors)

图2 测试原理图Fig.2 Schematic diagram of the test

2.2 眼压计算模型

其中，为磁导率，为线圈的填充比，为磁导率，为线圈匝数。

早期研究者发现，对于曲率半径为7.8 mm的眼睛来说，1 mmHg眼压的变化会引起角膜半径约3 mm的变化，因此眼压的变化Δ可简化为式(2):

其中，Δ为角膜曲率变化量，是与眼睛生物力学特性相关的常数。而线圈电感与线圈的平均直径呈线性相关，见式(3):

其中，为常数。由此可以计算出式(4)和式(5):

其中，为隐形眼镜的初始曲率半径，为环形电感线圈的张角。当该感应线圈与一个薄膜电容器耦合时，LC传感器的谐振频率可表达为式(6):

为薄膜电容器的电容，使电感随频率的变化见式(7):

上述研究得到了以港口企业利润最大和以港口城市经济发展最优为目标的港口投资的收益函数与策略集合。在两种情况下，投资者都要预判竞争对手的行为，再做出有效反应。接着分析港口投资者的反应行为，确定投资者不愿意再做出反应的均衡状态是否存在。

眼压随共振频率变化的函数可以表达为式(8)和式(9):

由此可见，眼压的变化与线圈共振频率的变化呈线性相关，可以建立起眼压与线圈共振频率的关联模型，通过监测测试系统中线圈共振频率的改变来反映眼压变化。

2.3 眼压与线圈共振频率的关联模型

利用可测的标准压力装置来建立眼压变化和线圈共振频率之间的关联模型，本文选取了压力可控胶球来建立眼压变化物理性关联模型，如图3所示。

图3 采用压力可控胶球测试眼压变化Fig.3 Measurement of IOP changes with rubber ball

胶球内部压力由连接在外部的滴定管中液体所控制，改变滴定管中液体高度，可将胶球内部压力调整为7～50 mmHg的变化范围。眼压测试系统中的隐形眼镜覆盖于胶球表面，利用天线连接的外部感应系统，可获得隐形眼镜中LC线路的共振频率改变信号。通过控制胶球内部压力在测试范围内多次重复实验，采用机器学习建立外部控制压力和共振频率信号间的关联模型数据库。基于该关联模型，通过获取的共振频率信号测算眼压值，如图4所示。

图4 胶球内部控制压力与眼压测试系统测试压力比较及关系Fig.4 Comparison and relationship between rubber ball control pressure and test pressure

2.4 有效性验证

为验证隐形眼镜式眼压测试技术，通过与压平式眼压计测量结果的对比分析，评估该测试技术的有效性。验证实验选取正常眼压的受试者15人，通过改变受试者的体位(-10°、-6°、水平及直立状态)来实现受试者眼压的变化，见图5；实验中，受试者左眼使用隐形眼镜式眼压测试系统获取眼压值，受试者右眼使用手持式压平眼压计，以此数据作为标准眼压值进行对比分析。

图5 通过体位改变实现受试者眼压的变化Fig.5 Changes of IOP by body position of subjects

实验数据表明，隐形眼镜式眼压测试系统与压平式眼压计测量结果对比，误差范围为0.85～2.95 mmHg，测试信度为0.92(图6)。

图6 不同体位下隐形眼镜式眼压测试系统与压平式眼压计测量结果对比Fig.6 Comparison between contact lens IOP test system and flattening tonometer under different body positions

3 验证实验

在-6°头低位卧床模拟失重实验中，对受试者开展卧床前4天和卧床第14天的24 h眼压连续测试，对比分析实验前及模拟失重实验中24 h眼压特征的变化特点。

3.1 受试者

4名男性志愿者，年龄18～50岁，身高160～180 cm，体重50～80 kg，BMI体重指数18.5～28；无临床疾病，无色盲色弱，无精神类疾病，无营养不良。受试者在实验前均签署知情同意书，实验通过中山大学伦理委员会批准。

3.2 实验条件

卧床期间除部分测试要求水平卧位外，所有活动均在头低位-6°卧位状态下进行，可沿身体纵轴方向变换体位，如翻身，侧卧等。卧床的平卧和头低位角度由头低位床及管理系统统一控制。志愿者同步作息，每日有医生对受试者的身体状况开展医监询问。

3.3 实验流程

利用隐形眼镜式眼压测试系统，分别在卧床前4天和卧床第14天对4名受试者进行24 h眼压测量。根据现场医护人员及技术人员人手安排情况，4人开始测量的时间不同。

测试准备阶段，随机选取受试者单眼进行隐形眼镜适配、佩戴与调试；测试阶段，测试系统开始测量，并记录测试开始时间点，次日同一时间点结束测量；测试结束后，受试者摘取隐形眼镜，医生对受试者眼表进行检查，实验结束。

3.4 结果

3.4.1 眼压曲线

从起始点开始每间隔0.5 h取一个测量点，共计48个测试点，将测试点按时间顺序绘制为眼压曲线。受试者01两次测试的24 h眼压波动情况如图7所示。

图7 受试者01的24 h眼压测量曲线图Fig.7 24-hour IOP curve of subject 01

最高眼压值和最低眼压值分别是24 h内测得的眼压的最大值和最小值。4名受试者最高眼压值和最低眼压值出现的时间点统计见表1。由表可见，不同受试者的眼压曲线有一定的个体差异性，在卧床前4天的测试中，受试者01、03和04的最高眼压值出现在上午，最低眼压值均出现在晚上；在卧床第14天中，受试者最高眼压值分别出现在早晨、中午和晚上，最低眼压均出现在夜晚。

表1 受试者最高和最低眼压值的时间点分布Table 1 Time distribution of maximum and minimum IOP of the subjects

3.4.2 眼压值分布图

为了能分析眼压测量值的分布特性，从测量起始点开始，将每0.5 h取得的眼压值作为该0.5 h时间段的眼压值(如11:20测得眼压值为15 mmHg，11:20～11:50的眼压值均为15 mmHg，时长为0.5 h)。将每个眼压值在24 h内的时长累加得到该眼压值的总时长，将眼压值和时长绘制为眼压分布图，见图8。

图8 眼压值分布图Fig.8 Distribution of IOP

3.4.3 眼压分析指标

分别对4名受试者的24 h眼压数据进行分析，分析指标为:①最高眼压值在24 h内累加的总时长为最高眼压时长；②主体眼压值是24 h内测得次数最多的眼压值，主体眼压时长是主体眼压值在24 h内累加的总时长；③平均眼压和眼压标准差分别是24 h内测得所有眼压值的算数平均值和标准差；④最大眼压差是最高眼压值减去最低眼压值。4名受试者各分析指标的数据见表2。由表可见，4名受试者卧床前和卧床第14天的各项指标均发生了不同程度的变化。

表2 24 h眼压分析指标数据表Table 2 Analysis of 24 hour IOP dat a

3.5 讨论

在-6°头低位卧床实验中，利用隐形眼镜式眼压测试系统获取了4名受试者共计8人次的眼压数据，每人次眼压数据均不小于24 h，测试过程数据完整、有效，验证了隐形眼镜式眼压测试系统在卧床实验中应用的可行性和有效性。

从受试者卧床前4天的24 h眼压曲线可以看出，眼压在24 h内呈现出一定的波动，夜间和上午的眼压相对较高，下午和晚上的眼压相对较低，这与之前的相关研究结果一致，段宣初等认为眼压的这种昼夜波动可能与从白天站立位转换为夜间卧床有关；通过受试者在卧床第14天的24 h眼压检测曲线分析，可以看出受试者在-6°头低位的体位下，眼压仍呈现出一定的波动，白天眼压相对较高，夜晚眼压相对较低。可以推测，在卧床实验条件下，体位转换不是造成眼压波动的主要因素。

眼压值分布图中，24 h内眼压的最大眼压差越小，主体眼压的时长越大表明眼压波动性越小，稳定性越好；反之，眼压的最大眼压差越大，主体眼压的时长越小表明眼压波动越大，稳定性越低。通过对4名受试者卧床第14天和卧床前4天的眼压值分布的比对分析，可以看出，与卧床前4天相比，卧床第14天的最高眼压值升高、主体眼压升高且时长下降、最大眼压差变大，均表明眼压的波动性变大，稳定性下降。

-6°头低位卧床实验条件下，人体血液头向分布，近似模拟了人在失重状态下的头向体液分布，本文受试者在头低位卧床条件下最高眼压值和主体眼压值升高，可能是因体液头向分布引起，这与相关研究中体液头向分布会导致眼压和颅内压力梯度变化的研究假设一致。

实验中眼压波动性变大和稳定性下降的结果也提示眼压受到了持续性的影响，段宣初等研究表明较大的眼压波动是青光眼重要的独立危险因素，是导致视野损害进展的主要原因，因此眼压波动的变化应作为航天员重点关注的指标之一，眼压波动的具体影响机制、对眼睛生理结构和视神经的影响结果还有待进一步的研究。

本实验中只有4例受试者，呈现出的变化和趋势还有待更大样本量的统计学分析来检验。

4 结论

1)本文建立的隐形眼镜式眼压测试系统，通过建立眼压计算模型、眼压与线圈共振频率的关联模型实现眼压的连续测量，通过与压平式眼压计的验证对比，测量误差＜3 mmHg，测试信度为0.92。

2)隐形眼镜式眼压测试系统在地面-6°头低位卧床实验中，获取了4名受试者卧床前4天和卧床第14天的24 h眼压连续数据，验证了测试系统的可行性和有效性。

3)卧床实验结果表明，-6°头低位卧床实验中，4名受试者的24 h眼压呈现出一定的波动，最高眼压值和主体眼压值升高、最大眼压差变大，表现出眼压波动范围变大，稳定性下降。

4)对卧床实验数据的初步讨论表明，24 h眼压的波动特性可能是因体液头向分布引起，提示航天员在失重状态下眼压波动是重要的关注指标。