眼軸長度測量儀控制系統設計與實現

郭恒+李丕丁

摘要：

眼軸長度是指角膜前表面到視網膜色素上皮層的距離，眼軸長度的精準測量有助于眼科疾病的預防、診斷及治療。基于泰曼格林干涉系統、結合外差干涉原理搭建了一套眼軸長度測量控制系統，選用STM32F103ZET6作為主控芯片，采用脈沖寬度調制技術（PWM）驅動直流電機，根據磁柵尺位移傳感器反饋的位移信息，結合PID控制算法，推動光路參考臂勻速運動，同時完成對眼球前后表面反射的干涉光信號的峰值提取，并通過串口通信發送至上位機。實驗結果表明，該系統實現了光路參考臂平臺的閉環控制以及有效信號的提取，可較好地輔助上位機進行眼軸長度的測量。

關鍵詞：

眼軸長度；閉環控制；外差干涉

DOIDOI：10.11907/rjdk.172081

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）012-0112-04

Abstract：The axial length is the distance between the anterior surface of the cornea and the fovea. Accurate measurement of the axial length is helpful to prevention， diagnose and treatment of ocular disease. This article established a control system which based a Twyman-Green and heterodyne interferometer system. STM32F103ZET6 is selected as the core control IC， Pulse Width Modulation（PWM） is used to drive a DC motor to push an optical platform moves uniformly with the PID control algorithm， according to the displacement value which provide by magnetic railings ruler. Meanwhile， the peak value of optical interference of rear surface of eyes is sampled and transmitted to PC by this control system. The experiment indicates that this system has realized the closed-loop control of an optical platform and the extract of effective signal to measure the axial length.

Key Words：the axial length； closed-loop control； heterodyne interferometer

0 引言

隨著白內障手術逐漸由復明手術過渡到屈光手術，精確的眼軸長度測量關系到手術中植入人工晶狀體度數的準確性，術后的屈光誤差與此密切相關[1-3]。另外，我國青少年眼部屈光不正問題日益嚴峻，視力不良率居高不下，而近視與眼軸長度增長具有正相關性，眼軸長度是區別真性近視與假性近視的重要依據[4-5]。因此，眼軸長度精確測量對于眼科疾病的預防以及臨床診斷和治療具有重要的應用價值。

常用的測量眼軸的方法主要是超聲生物測量法和非接觸式光學測量法。超聲生物測量法主要是A型超聲測量、B型超聲測量以及A超、B超聯合測量。A超測量分為接觸式測量和浸潤式測量，接觸式測量由于需要接觸角膜，角膜會在不同程度上受到擠壓，導致測量結果相對于浸潤式較小[6]。使用A超測量依賴于眼內組織回波信號波形的理想程度，對于一些病眼的測量重復性較差[7]；B超不受屈光間質混度的影響，在測量高度近視或玻璃體視網膜病變眼時優于A超[8]；A超、B超聯合測量是使用A超測量角膜到晶體后囊的距離，利用B超測量晶體后囊到視網膜的距離，該方法可避免誤將玻璃體混沌認作眼后壁，與常規A超相比，術后殘余屈光在1D以上的比例減少了12%[9]，不過該方法需要聯合A超和B超，臨床上使用不多。

非接觸式光學測量是利用光學相干技術測量眼軸長度的方法。非接觸式光學生物測量有基于部分相干干涉技術（PCI）的測量方法和基于低相干反射光技術（LCOR）的測量方法，測量儀器分別包括IOL Master、IOL Master500和LenstarLS900[10]。其優點在于精確性和重復性更高，非接觸式測量可以規避感染，患者愿意接受和配合，操作者也易于學習測量方法。

本文基于光學外差干涉原理，利用多普勒頻移搭建了一套非接觸式測量眼軸長度的控制系統，其中光路部分使用激光器，產生波長為780nm的紅外激光，后由棱鏡分光器將其分成兩路平行光射入眼球，其中一路作為參考光，另一路通過直流電機驅動參考臂的反射鏡勻速運動，兩束光之間引入頻差。假設參考臂平臺的移動速度為v，反射鏡垂直勻速運動過程中，使測試光相對于參考光產生一個多普勒頻移，因為光路是垂直照射，多普勒頻移量為2v/λ。采用光電探測器從眼球前后表面檢測出反射回來的兩組相干頻移信號，并記錄下兩組干涉信號之間參考臂運動平臺移動的距離，即眼球前后表面的光學距離，然后根據眼球屈光介質的平均折射率計算眼軸長度。其中干涉光信號的探測使用雪崩二極管，平臺位移測量采用分辨率高達5um的磁柵位移傳感器。

1 控制系統總體方案設計

眼軸長度測量儀控制系統總體方案設計如圖1所示，微控制器通過電機驅動電路控制直流電機的正反轉，推動光路參考臂平臺上下勻速運動，到位信號決定平臺的初始和終點位置，并讀取磁柵尺位移傳感器，以獲取平臺位移信息。利用內置的模數轉換器采集干涉光信號的包絡，在計算其峰值的同時，存儲對應點的位置信息，并通過串口發送至上位機。

2 控制平臺硬件設計

控制系統的硬件設計包括以下模塊：電機驅動模塊、閉環控制模塊、到位信號模塊、模數轉換模塊。微控制器選用意法半導體公司的STM32F103ZET6。

2.1 電機驅動模塊

直流電機由于其調速的平滑性、啟動與制動的穩定性以及經濟性等特點被廣泛應用于多數變速系統與閉環伺服控制系統中。為滿足小功率直流電機的市場需求，各半導體廠商推出直流電機驅動專用芯片，其具有封裝小、集成化、外圍電路簡單的優點。TB6593FHG是東芝公司推出的一款直流電機驅動專用芯片，其原理框圖如圖2所示。電機使能和轉動方向控制引腳可直接連接微控制器IO引腳，微控制器只需輸出高低電平即可進行控制；PWM調速引腳連接到微控制器的定時器單元，微控制器配置內部定時器輸出不同占空比的PWM波，即可實現電機速度的調制。

2.2 閉環控制模塊

根據多普勒頻移公式，光路系統中參考光和測試光相干信號的頻率為f=2V/λ。其中，V是參考臂平臺運動速度，λ為近紅外光波長780nm。平臺移動的速度決定了相干光信號的頻率，尤其對于眼底返回的弱光信號而言，穩定的信號頻率有助于光電檢測電路對其的提取。因此，平臺移動速度的閉環控制至關重要。

電機控制的反饋環節選用磁柵尺作為測量平臺位移變化的傳感器，它是在非導磁材料上涂上一層10～20um的磁膠，然后在這條磁性帶上記錄磁極，N極和S極相間變換，將相等節距周期變化的電信號以磁的方式記錄到磁性尺上，用它作為測量位移的基準尺。在檢測位移時，通過拾磁磁頭讀取記錄在磁性標尺上的磁信號，通過檢測電路發送出數字信號供MCU讀取。微控制器通過正交解碼讀取磁柵尺的位移量。本系統選用的是德國SIKO公司的MSK500AS，其分辨率高達5um。

該磁柵尺輸出差分信號，控制板通過比較器將差分信號轉變為單端信號，并通過光耦隔離輸出至微控制器定時器引腳。STM32F10X系列MCU集成了正交編碼接口，直接配置相關庫函數即可讀取位移信號。

2.3 到位信號模塊

本系統采用光電接近開關作為檢測平臺初始和終點位置的到位信號，其主要利用被檢測物體對光束的遮擋產生開關信號，輸出至微控制器IO口，判斷平臺到位與否，并作出相應動作。系統選用的是5V供電的光電接近開關，當平臺邊緣的擋片遮住光電開關，輸出0V低電平信號，平臺離開并輸出5V高電平，然后經過電平轉換芯片74LVC4245轉變為3.3V電平的開關信號，以供微控制器采集。

2.4 模數轉換模塊

眼球前后表面反射回來的干涉信號經過放大濾波、包絡提取后直接送至微控制器模數轉換接口，STM32F103ZET6微控制器內置3個12位逐次逼近型ADC（模數轉換器），其最短轉換時間為1us。微控制器采集兩路干涉信號，與位置信息打包后通過串口通信發送到上位機，以供其計算和顯示。

3 控制平臺軟件設計

控制系統的軟件設計包括初始化程序、主程序和中斷服務程序3部分。系統在上電復位后，首先執行初始化程序，包括定時器初始化、串口程序初始化、PWM輸出初始化等，執行while（1）中的子程序，并等待串口中斷、定時器中斷程序。系統軟件設計框架如圖4所示。

3.1 驅動模塊軟件設計

本系統采用微控制器STM32F103ZET6的定時器，產生PWM信號輸出至電機驅動芯片：第一步，選擇微控制器的定時器TIM8，設置自動裝載寄存器周期的值TIM_Period，以及TIM8時鐘頻率除數的預分頻值TIM_Prescaler，通過設置上述兩個參數控制PWM信號頻率；第二步設置該引腳為復用推挽輸出；第三步設置PWM信號的占空比，通過設置函數TIM_SetCompare3實現。

控制電機正反轉以及使能的IO口選用微控制器的普通輸入輸出引腳，其配置程序直接在初始化程序里實現。主程序接收到位信號以及上位機的指令做出相應動作，控制相應引腳輸出高低電平。

3.2 閉環控制模塊軟件設計

在電機運行過程中，微控制器內部解碼器根據磁柵尺發送的脈沖計數，主程序每ms讀取一次計數值作為瞬時速度，預設速度為45um/ms，并根據設置速度V2和實際速度V1的差值，使用PID算法修正驅動電機的PWM信號占空比，達到閉環控制的作用。閉環控制框圖如圖5所示。

3.3 模數轉換模塊軟件設計

光電探測電路將干涉光波形的包絡提取出來發送至微控制器模數轉換接口，微控制器通過峰值檢測算法計算該波形的峰值，配置模數轉換器的相關寄存器。根據示波器顯示，實際干涉光信號的包絡寬度在1ms左右，配置20us的定時器中斷，主函數里20us執行一次模數轉換，構造50個元素的一維數組存放轉換出的數字量。調用峰值檢測算法計算出有效信號的峰值，同時記錄對應位置磁柵尺的讀數。

峰值檢測算法流程如圖6所示，通過窗口滑動比較上述50個數組內的數值，找到波形的峰值，并將其保存下來。

4 實驗結果

實驗使用蔡司模擬眼模擬人眼測試該測量系統，下方波形為光電探測電路檢測出的干涉信號，上方波形為信號包絡，圖7為本測量系統測試眼球后表面反射的干涉光信號，其頻率為109.6kHz，圖8為測量眼球前表面反射的干涉信號，其頻率為107.3kHz。干涉信號理論頻率為115kHz。

5 總結與展望

本文基于外差干涉原理，結合泰曼格林干涉儀搭建光路，組建了一套用于測量眼軸長度的控制系統，取差頻信號為信息處理電路的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光以及其它噪聲，抗干擾性強；使用了磁柵尺位移傳感器和PID控制器，可提高探測精度和準確度，方便快捷，容易實現集成化。測試結果表明，該控制系統較好地實現了參考臂平臺的勻速運動以及信號的采集、提取，能有效配合上位機完成眼軸長度的測量，應用前景廣闊。

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（責任編輯：黃 ?。?