蔣 婷，鐘玉棠，于洪強(qiáng)，王春慧，陳曉萍，楊揚(yáng)帆，周炳賢

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.香港科技大學(xué)深圳研究院，深圳 518057；3.中山大學(xué)中山眼科中心，廣州 510060)

1 引言

航天員長(zhǎng)期在軌飛行期間，視覺(jué)會(huì)受到失重環(huán)境、空間輻射等諸多因素影響。NASA通過(guò)對(duì)航天飛機(jī)任務(wù)和國(guó)際空間站任務(wù)中27名航天員的眼睛評(píng)估發(fā)現(xiàn)，航天員均出現(xiàn)不同程度的眼部異常，其中，33%的航天員視神經(jīng)周圍的腦脊髓液出現(xiàn)擴(kuò)張，22%的航天員眼球出現(xiàn)扁平化狀況，15%的航天員視神經(jīng)出現(xiàn)水腫。綜合美俄在軌開(kāi)展的眼壓測(cè)試結(jié)果表明:相比飛行前的基線，在軌飛行時(shí)航天員眼壓最高值升高了100%。Lee等、Karina等認(rèn)為，航天員在長(zhǎng)期微重力環(huán)境下體液頭向分布可能導(dǎo)致眼壓和顱內(nèi)壓力梯度變化，進(jìn)而引起眼睛生理結(jié)構(gòu)和視神經(jīng)的改變。因此，面向航天應(yīng)用，非侵入性的眼壓監(jiān)測(cè)可以作為航天員視覺(jué)監(jiān)測(cè)評(píng)估的重要指標(biāo)之一。

眼壓(Intraocular Pressure，IOP)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的生物學(xué)指標(biāo)，具有明顯的24 h節(jié)律性，因此24 h眼壓測(cè)量較單次眼壓測(cè)量能更全面地反映眼壓變化。對(duì)青光眼的研究表明，除了異常高眼壓外，短時(shí)間內(nèi)眼壓的急劇變化及較大的晝夜眼壓波動(dòng)也是導(dǎo)致青光眼視神經(jīng)損害進(jìn)展的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，也說(shuō)明24 h眼壓監(jiān)測(cè)的重要性。NASA已有研究結(jié)果顯示，航天員在失重條件下的顱內(nèi)壓比地面坐立或站立時(shí)要高，但比地面睡覺(jué)時(shí)要低，隨著時(shí)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(jué)損傷。由此可見(jiàn)，開(kāi)展航天員24 h眼壓監(jiān)測(cè)，對(duì)認(rèn)識(shí)和探索航天員視覺(jué)問(wèn)題的影響機(jī)制和機(jī)理具有重要意義。

在24 h連續(xù)眼壓監(jiān)測(cè)技術(shù)中，以隱形眼鏡為載體的感應(yīng)技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)性和便利性，得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用，主要技術(shù)包括電阻感應(yīng)、電容感應(yīng)、應(yīng)變感應(yīng)、電抗感應(yīng)和光學(xué)感應(yīng)等。

面向航天應(yīng)用需求，隱形眼鏡式眼壓測(cè)試技術(shù)具有自動(dòng)實(shí)時(shí)、非侵入、無(wú)干擾測(cè)試的特點(diǎn)，本文建立隱形眼鏡式測(cè)試技術(shù)的眼壓計(jì)算模型，利用實(shí)驗(yàn)獲取眼壓與線圈共振頻率的關(guān)聯(lián)模型，并進(jìn)行測(cè)試信度效度檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，借助地面-6°頭低位臥床模擬失重生理效應(yīng)條件，開(kāi)展受試者臥床前4天和臥床第14天的24 h眼壓連續(xù)測(cè)試，對(duì)比分析模擬失重生理效應(yīng)對(duì)24 h眼壓特征的影響，為后續(xù)隱形眼鏡式眼壓測(cè)試技術(shù)在航天飛行任務(wù)中應(yīng)用提供參考。

2 方法

本文所建立的隱形眼鏡式眼壓測(cè)試技術(shù)基于軟性隱形眼鏡傳感器，可以實(shí)時(shí)感應(yīng)眼球曲率變化，再通過(guò)眼球曲率與眼壓的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的眼球形變和眼壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)。本文所應(yīng)用的24 h眼壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由香港科技大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)，以LC振蕩電路為基礎(chǔ)原理，該系統(tǒng)已完成基礎(chǔ)測(cè)試、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及科研臨床測(cè)試。

2.1 測(cè)試原理

該測(cè)試技術(shù)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(guò)150μm。微型線圈包含一個(gè)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(shí)會(huì)迫使角膜發(fā)生形變，繼而導(dǎo)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(cè)試原理圖見(jiàn)圖2。外部傳感器會(huì)通過(guò)無(wú)線方式掃描共振頻率的改變，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)模型，將獲得的共振頻率變化信號(hào)與眼壓進(jìn)行匹配，從而得出實(shí)時(shí)眼壓數(shù)值。眼壓數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳送到測(cè)試者佩戴的便攜式記錄儀，記錄儀中的數(shù)據(jù)會(huì)被傳遞至計(jì)算機(jī)中顯示和儲(chǔ)存。

圖1 隱形眼鏡式眼壓測(cè)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(cè)試原理圖Fig.2 Schematic diagram of the test

2.2 眼壓計(jì)算模型

其中，為磁導(dǎo)率，為線圈的填充比，為磁導(dǎo)率，為線圈匝數(shù)。

早期研究者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于曲率半徑為7.8 mm的眼睛來(lái)說(shuō)，1 mmHg眼壓的變化會(huì)引起角膜半徑約3 mm的變化，因此眼壓的變化Δ可簡(jiǎn)化為式(2):

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

其中，為常數(shù)。由此可以計(jì)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(dāng)該感應(yīng)線圈與一個(gè)薄膜電容器耦合時(shí)，LC傳感器的諧振頻率可表達(dá)為式(6):

為薄膜電容器的電容，使電感隨頻率的變化見(jiàn)式(7):

上述研究得到了以港口企業(yè)利潤(rùn)最大和以港口城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展最優(yōu)為目標(biāo)的港口投資的收益函數(shù)與策略集合。在兩種情況下，投資者都要預(yù)判競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的行為，再做出有效反應(yīng)。接著分析港口投資者的反應(yīng)行為，確定投資者不愿意再做出反應(yīng)的均衡狀態(tài)是否存在。

眼壓隨共振頻率變化的函數(shù)可以表達(dá)為式(8)和式(9):

由此可見(jiàn)，眼壓的變化與線圈共振頻率的變化呈線性相關(guān)，可以建立起眼壓與線圈共振頻率的關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)中線圈共振頻率的改變來(lái)反映眼壓變化。

2.3 眼壓與線圈共振頻率的關(guān)聯(lián)模型

利用可測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)壓力裝置來(lái)建立眼壓變化和線圈共振頻率之間的關(guān)聯(lián)模型，本文選取了壓力可控膠球來(lái)建立眼壓變化物理性關(guān)聯(lián)模型，如圖3所示。

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

膠球內(nèi)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(nèi)部壓力調(diào)整為7～50 mmHg的變化范圍。眼壓測(cè)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(yīng)系統(tǒng)，可獲得隱形眼鏡中LC線路的共振頻率改變信號(hào)。通過(guò)控制膠球內(nèi)部壓力在測(cè)試范圍內(nèi)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)建立外部控制壓力和共振頻率信號(hào)間的關(guān)聯(lián)模型數(shù)據(jù)庫(kù)。基于該關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)獲取的共振頻率信號(hào)測(cè)算眼壓值，如圖4所示。

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

2.4 有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證隱形眼鏡式眼壓測(cè)試技術(shù)，通過(guò)與壓平式眼壓計(jì)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，評(píng)估該測(cè)試技術(shù)的有效性。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取正常眼壓的受試者15人，通過(guò)改變受試者的體位(-10°、-6°、水平及直立狀態(tài))來(lái)實(shí)現(xiàn)受試者眼壓的變化，見(jiàn)圖5；實(shí)驗(yàn)中，受試者左眼使用隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)獲取眼壓值，受試者右眼使用手持式壓平眼壓計(jì)，以此數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)眼壓值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 通過(guò)體位改變實(shí)現(xiàn)受試者眼壓的變化Fig.5 Changes of IOP by body position of subjects

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)與壓平式眼壓計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，誤差范圍為0.85～2.95 mmHg，測(cè)試信度為0.92(圖6)。

圖6 不同體位下隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)與壓平式眼壓計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between contact lens IOP test system and flattening tonometer under different body positions

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在-6°頭低位臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)中，對(duì)受試者開(kāi)展臥床前4天和臥床第14天的24 h眼壓連續(xù)測(cè)試，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)前及模擬失重實(shí)驗(yàn)中24 h眼壓特征的變化特點(diǎn)。

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(shù)18.5～28；無(wú)臨床疾病，無(wú)色盲色弱，無(wú)精神類疾病，無(wú)營(yíng)養(yǎng)不良。受試者在實(shí)驗(yàn)前均簽署知情同意書，實(shí)驗(yàn)通過(guò)中山大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

臥床期間除部分測(cè)試要求水平臥位外，所有活動(dòng)均在頭低位-6°臥位狀態(tài)下進(jìn)行，可沿身體縱軸方向變換體位，如翻身，側(cè)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(duì)受試者的身體狀況開(kāi)展醫(yī)監(jiān)詢問(wèn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

利用隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)，分別在臥床前4天和臥床第14天對(duì)4名受試者進(jìn)行24 h眼壓測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)護(hù)人員及技術(shù)人員人手安排情況，4人開(kāi)始測(cè)量的時(shí)間不同。

測(cè)試準(zhǔn)備階段，隨機(jī)選取受試者單眼進(jìn)行隱形眼鏡適配、佩戴與調(diào)試；測(cè)試階段，測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，并記錄測(cè)試開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，次日同一時(shí)間點(diǎn)結(jié)束測(cè)量；測(cè)試結(jié)束后，受試者摘取隱形眼鏡，醫(yī)生對(duì)受試者眼表進(jìn)行檢查，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.4 結(jié)果

3.4.1 眼壓曲線

從起始點(diǎn)開(kāi)始每間隔0.5 h取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)48個(gè)測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試點(diǎn)按時(shí)間順序繪制為眼壓曲線。受試者01兩次測(cè)試的24 h眼壓波動(dòng)情況如圖7所示。

圖7 受試者01的24 h眼壓測(cè)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(nèi)測(cè)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(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表可見(jiàn)，不同受試者的眼壓曲線有一定的個(gè)體差異性，在臥床前4天的測(cè)試中，受試者01、03和04的最高眼壓值出現(xiàn)在上午，最低眼壓值均出現(xiàn)在晚上；在臥床第14天中，受試者最高眼壓值分別出現(xiàn)在早晨、中午和晚上，最低眼壓均出現(xiàn)在夜晚。

表1 受試者最高和最低眼壓值的時(shí)間點(diǎn)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(cè)量值的分布特性，從測(cè)量起始點(diǎn)開(kāi)始，將每0.5 h取得的眼壓值作為該0.5 h時(shí)間段的眼壓值(如11:20測(cè)得眼壓值為15 mmHg，11:20～11:50的眼壓值均為15 mmHg，時(shí)長(zhǎng)為0.5 h)。將每個(gè)眼壓值在24 h內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)累加得到該眼壓值的總時(shí)長(zhǎng)，將眼壓值和時(shí)長(zhǎng)繪制為眼壓分布圖，見(jiàn)圖8。

圖8 眼壓值分布圖Fig.8 Distribution of IOP

3.4.3 眼壓分析指標(biāo)

分別對(duì)4名受試者的24 h眼壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析指標(biāo)為:①最高眼壓值在24 h內(nèi)累加的總時(shí)長(zhǎng)為最高眼壓時(shí)長(zhǎng)；②主體眼壓值是24 h內(nèi)測(cè)得次數(shù)最多的眼壓值，主體眼壓時(shí)長(zhǎng)是主體眼壓值在24 h內(nèi)累加的總時(shí)長(zhǎng)；③平均眼壓和眼壓標(biāo)準(zhǔn)差分別是24 h內(nèi)測(cè)得所有眼壓值的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，4名受試者臥床前和臥床第14天的各項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生了不同程度的變化。

表2 24 h眼壓分析指標(biāo)數(shù)據(jù)表Table 2 Analysis of 24 hour IOP dat a

3.5 討論

在-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中，利用隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)獲取了4名受試者共計(jì)8人次的眼壓數(shù)據(jù)，每人次眼壓數(shù)據(jù)均不小于24 h，測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)完整、有效，驗(yàn)證了隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)在臥床實(shí)驗(yàn)中應(yīng)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(nèi)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，夜間和上午的眼壓相對(duì)較高，下午和晚上的眼壓相對(duì)較低，這與之前的相關(guān)研究結(jié)果一致，段宣初等認(rèn)為眼壓的這種晝夜波動(dòng)可能與從白天站立位轉(zhuǎn)換為夜間臥床有關(guān)；通過(guò)受試者在臥床第14天的24 h眼壓檢測(cè)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(xiàn)出一定的波動(dòng)，白天眼壓相對(duì)較高，夜晚眼壓相對(duì)較低。可以推測(cè)，在臥床實(shí)驗(yàn)條件下，體位轉(zhuǎn)換不是造成眼壓波動(dòng)的主要因素。

眼壓值分布圖中，24 h內(nèi)眼壓的最大眼壓差越小，主體眼壓的時(shí)長(zhǎng)越大表明眼壓波動(dòng)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(shí)長(zhǎng)越小表明眼壓波動(dòng)越大，穩(wěn)定性越低。通過(guò)對(duì)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(duì)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(shí)長(zhǎng)下降、最大眼壓差變大，均表明眼壓的波動(dòng)性變大，穩(wěn)定性下降。

-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)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(guān)研究中體液頭向分布會(huì)導(dǎo)致眼壓和顱內(nèi)壓力梯度變化的研究假設(shè)一致。

實(shí)驗(yàn)中眼壓波動(dòng)性變大和穩(wěn)定性下降的結(jié)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(dòng)是青光眼重要的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，是導(dǎo)致視野損害進(jìn)展的主要原因，因此眼壓波動(dòng)的變化應(yīng)作為航天員重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)之一，眼壓波動(dòng)的具體影響機(jī)制、對(duì)眼睛生理結(jié)構(gòu)和視神經(jīng)的影響結(jié)果還有待進(jìn)一步的研究。

本實(shí)驗(yàn)中只有4例受試者，呈現(xiàn)出的變化和趨勢(shì)還有待更大樣本量的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來(lái)檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

1)本文建立的隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)建立眼壓計(jì)算模型、眼壓與線圈共振頻率的關(guān)聯(lián)模型實(shí)現(xiàn)眼壓的連續(xù)測(cè)量，通過(guò)與壓平式眼壓計(jì)的驗(yàn)證對(duì)比，測(cè)量誤差＜3 mmHg，測(cè)試信度為0.92。

2)隱形眼鏡式眼壓測(cè)試系統(tǒng)在地面-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可行性和有效性。

3)臥床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中，4名受試者的24 h眼壓呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，最高眼壓值和主體眼壓值升高、最大眼壓差變大，表現(xiàn)出眼壓波動(dòng)范圍變大，穩(wěn)定性下降。

4)對(duì)臥床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步討論表明，24 h眼壓的波動(dòng)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(dòng)是重要的關(guān)注指標(biāo)。