本發(fā)明屬于醫(yī)療器械，具體涉及一種眼外肌多肌肉協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)測試設(shè)備及其測試方法。

背景技術(shù)：

1、眼球運(yùn)動(dòng)控制是視覺系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，依賴于眼外肌的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)。眼外肌包括六條肌肉，根據(jù)其在鞏膜上的附著位置和作用方向分為四條直肌和兩條斜肌。這些肌肉根據(jù)功能可分為拮抗肌、協(xié)同肌和配偶肌。在正常視覺活動(dòng)中，這些肌肉之間必須保持動(dòng)態(tài)平衡，以確保眼球能精確對準(zhǔn)視覺目標(biāo)。一旦某條肌肉的力量出現(xiàn)異常，不論是減弱還是增強(qiáng)，都可能導(dǎo)致眼位偏斜，進(jìn)而引發(fā)斜視。

2、斜視的發(fā)生不僅影響視覺美觀，更重要的是可能導(dǎo)致視力發(fā)展受阻，長期未治可能演變?yōu)楣δ苄允?。傳統(tǒng)上，斜視的診斷和治療多依賴臨床經(jīng)驗(yàn)和術(shù)后效果的主觀評(píng)估，這種方法缺乏精確的量化分析，使得治療效果往往無法達(dá)到最優(yōu)。尤其是在手術(shù)中，對眼外肌力量和張力的控制至關(guān)重要，而傳統(tǒng)技術(shù)未能提供有效的測量手段。

3、傳統(tǒng)上，斜視的診斷與治療多依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和推理判斷。由于眼外肌的運(yùn)動(dòng)控制和肌肉收縮力的復(fù)雜性，以及肌纖維數(shù)量對收縮力的直接影響，使得這一領(lǐng)域的定量分析尤其困難。然而，隨著生物力學(xué)和影像技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在有能力更精確地測量和分析眼外肌的生物力學(xué)特性。研究者如robinson和scott等人通過實(shí)驗(yàn)研究，揭示了眼外肌力學(xué)性質(zhì)及其在斜視手術(shù)中的應(yīng)用。例如，robinson在手術(shù)過程中測量外直肌的長度與張力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其變化具有明顯的位置依賴性。scott等人的研究則提供了眼外肌及眼球限制組織的詳細(xì)力學(xué)數(shù)據(jù)，為手術(shù)提供了重要的參考信息。

4、如cn105455775a公開了一種眼位及眼外肌力量測量設(shè)備及測量方法，該設(shè)備為半球型結(jié)構(gòu)，中間a點(diǎn)為注視點(diǎn)和照相機(jī)設(shè)置位置，所述半球型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)有測試燈，測試燈的設(shè)計(jì)如下：測試燈呈放射狀從中點(diǎn)向周邊設(shè)置，等距離發(fā)散設(shè)置。眼位測量方法，包括以下步驟：步驟1：初始狀態(tài)下，所有的燈都燈處于關(guān)閉狀態(tài)；步驟2：依次開啟燈各方向的燈拍照后關(guān)閉。眼外肌力量測量方法，包括以下步驟：步驟1：初始狀態(tài)下，所有的燈都處于關(guān)閉狀態(tài)；步驟2：處于中間位置的測試燈a燈常亮，開啟燈b3拍照后關(guān)閉b3；開啟燈b2拍照后關(guān)閉b2，開啟燈b1拍照后關(guān)閉。然而該方法無法獲取具體、準(zhǔn)確的眼外肌力值以及具體、精確的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，僅能夠判斷出哪一條或幾條眼外肌存在問題，無法滿足測量的要求。

5、如cn211264770u公開了一種模擬眼球及眼外肌運(yùn)動(dòng)的教學(xué)模型，包括底座，所述底座上固定有不透明眼框架，所述不透明眼框架的上側(cè)固定有透明模擬眼框架，模擬視神經(jīng)的一端通過鉸鏈與所述模擬眼球的后端中心連接，模擬視神經(jīng)的另一端與支撐桿的上端連接，模擬總健環(huán)固定在模擬視神經(jīng)的部分外周上，模擬上直肌、模擬下直肌、模擬外直肌和模擬內(nèi)直肌的一端分別位于模擬眼球的外周，模擬上直肌、模擬下直肌、模擬外直肌和模擬內(nèi)直肌的另一端分別與一個(gè)直肌驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出端連接。然而該模型僅能提供眼外肌運(yùn)動(dòng)與眼球旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)聯(lián)性，無法獲得具體且精確的眼外肌施力值以及眼球旋轉(zhuǎn)角度，不具備進(jìn)一步精確研究的基礎(chǔ)。

6、如cn117521454a公開了一種基于有限元模型的眼球運(yùn)動(dòng)模擬預(yù)估方法，該方法包括有限元模型構(gòu)建和手術(shù)量效關(guān)系評(píng)估；首先通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對眼球進(jìn)行幾何建模，并定義眼球模型的材料屬性，使用有限元分析軟件，構(gòu)建超彈性本構(gòu)模型，包括球后脂肪模型和眼外肌模型；模擬肌肉激活和力學(xué)響應(yīng)，模擬不同纖維中肌肉的激活量，計(jì)算皮奧拉-柯克霍夫應(yīng)力，評(píng)估纖維方向的拉伸情況；數(shù)據(jù)分析，預(yù)估眼外肌的力量情況。但是該方法為純模擬方法，其采用的參數(shù)難以根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行客制化調(diào)整，因而對于患有不同眼疾情況的病人需要大量的前期準(zhǔn)備。

7、盡管取得了一定的進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)在眼外肌力量測量和控制上仍然存在局限。目前的技術(shù)難以提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的力量測量以及眼球旋轉(zhuǎn)角度的測定，且在模擬和預(yù)測斜視手術(shù)效果方面，仍缺乏足夠的精確度。此外，現(xiàn)有方法往往忽略了神經(jīng)支配的影響和肌肉損傷后的力學(xué)變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題至少其一而提供一種眼外肌多肌肉協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)測試設(shè)備及其測試方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中在眼外肌力量測量和模擬、預(yù)測斜視手術(shù)效果方面仍缺乏足夠的精確度的不足，本方案實(shí)現(xiàn)了更精確、定量的方法來測量和控制眼外肌的力量和運(yùn)動(dòng)，以輔助手術(shù)的實(shí)施，從而最終改善斜視及其他相關(guān)眼部疾病的治療效果。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明第一方面公開了一種眼外肌多肌肉協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)測試設(shè)備，包括眼球托、固定支架、牽拉電機(jī)、角速度傳感器和力傳感器；

4、所述的眼球托用于放置(離體)眼球，且眼球托跟隨眼球旋轉(zhuǎn)；

5、所述的固定支架與眼球托活動(dòng)連接；

6、所述的牽拉電機(jī)通過牽拉繩與眼球的眼外肌連接；

7、所述的角速度傳感器設(shè)置于眼球托上，用于測定眼球的旋轉(zhuǎn)角度；

8、所述的力傳感器設(shè)置于牽拉繩上，用于測定眼外肌的施力大小。

9、優(yōu)選的，所述的眼球托與眼球的眼球壁通過具有生物兼容性的膠水或機(jī)械夾具連接，眼球托為通過3d打印制造的半圓或劣弧；所述的眼球托的內(nèi)側(cè)面與眼球的形狀相互配合。

10、優(yōu)選的，所述的固定支架上設(shè)置有卡口，所述的卡口用于穿過眼外肌并對眼外肌實(shí)施限位。

11、優(yōu)選的，所述的卡口分別設(shè)置于固定支架的上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)以及右上側(cè)和右下側(cè)，用于分別穿過上直肌、下直肌、內(nèi)直肌、外直肌以及上斜肌和下斜肌。

12、優(yōu)選的，所述的牽拉電機(jī)設(shè)置有6個(gè)，分別用于牽拉上直肌、下直肌、內(nèi)直肌、外直肌、上斜肌和下斜肌。

13、優(yōu)選的，所述的牽拉電機(jī)為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。

14、優(yōu)選的，所述的牽拉繩為鋼纜或鋼絲。

15、優(yōu)選的，所述的角速度傳感器包括(三軸)陀螺儀，所述的力傳感器包括微力傳感器。

16、優(yōu)選的，所述的生物力學(xué)測試設(shè)備還包括控制模塊，所述的控制模塊分別與牽拉電機(jī)、角速度傳感器和力傳感器電連接；通過傳感器反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制牽拉電機(jī)的運(yùn)行，以及實(shí)施過載保護(hù)。

17、眼球的旋轉(zhuǎn)是由六條眼外肌(即四條直肌和兩條斜肌)協(xié)調(diào)作用的結(jié)果，這六條眼外肌包括上直肌、下直肌、內(nèi)直肌、外直肌、上斜肌和下斜肌。它們分別負(fù)責(zé)眼球的不同方向的運(yùn)動(dòng)。

18、眼球旋轉(zhuǎn)角度與這六條肌肉的協(xié)同作用緊密相關(guān)：

19、1)上直肌(superior?rectus,sr)：主要作用是使眼球向上旋轉(zhuǎn)。

20、2)下直肌(inferior?rectus,ir)：主要作用是使眼球向下旋轉(zhuǎn)。

21、3)內(nèi)直肌(medial?rectus,mr)：主要作用是使眼球向內(nèi)(鼻側(cè))旋轉(zhuǎn)。

22、4)外直肌(lateral?rectus,lr)：主要作用是使眼球向外(顳側(cè))旋轉(zhuǎn)。

23、5)上斜肌(superior?oblique,so)：主要作用是使眼球內(nèi)旋并向下，次要作用包括使眼球外展。

24、6)下斜肌(inferior?oblique,io)：主要作用是使眼球外旋并向上，次要作用包括使眼球外展。

25、眼球在任何一個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)都涉及至少兩條眼外肌的協(xié)同工作，具體旋轉(zhuǎn)方向與肌肉作用的關(guān)系如下：

26、1)向上看：上直肌和下斜肌同時(shí)收縮，使眼球向上旋轉(zhuǎn)。

27、2)向下看：下直肌和上斜肌同時(shí)收縮，使眼球向下旋轉(zhuǎn)。

28、3)向外側(cè)看：左眼的外直肌和右眼的內(nèi)直肌同時(shí)收縮，使左眼向左，右眼向右旋轉(zhuǎn)。

29、4)向內(nèi)側(cè)看：右眼的外直肌和左眼的內(nèi)直肌同時(shí)收縮，使右眼向右，左眼向左旋轉(zhuǎn)。

30、5)向外側(cè)上方看：左眼的上直肌和下斜肌，以及右眼的上直肌和下斜肌協(xié)調(diào)收縮，使眼球向左上方旋轉(zhuǎn)。

31、6)向內(nèi)側(cè)上方看：右眼的上直肌和下斜肌，以及左眼的上直肌和下斜肌協(xié)調(diào)收縮，使眼球向右上方旋轉(zhuǎn)。

32、其余方向類推。

33、基于上述技術(shù)背景，本發(fā)明第二方面公開了一種如上任一所述的眼外肌多肌肉協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)測試設(shè)備的測試方法，基于眼球的旋轉(zhuǎn)角度獲取眼外肌施加的力，眼球的力平衡方程：

34、

35、上式中，fi為第i條眼外肌施加的力，θm為眼球旋轉(zhuǎn)角度在m方向上的分量；

36、i：mr為內(nèi)直肌，lr為外直肌，sr為上直肌，ir為下直肌，so為上斜肌，io為下斜??；

37、m：x為在x軸方向上的分量，y為在y軸方向上的分量，z為在z軸方向上的分量；

38、基于眼外肌施加的力與眼外肌的彈性剛度系數(shù)獲取眼外肌的長度變化量，眼外肌施加的力與眼外肌長度的變化關(guān)系：

39、fi＝ki·δli；

40、上式中，ki為第i條眼外肌的彈性剛度系數(shù)，δli為第i條眼外肌的長度變化量。

41、在獲取眼外肌的長度變化量后，可以通過手術(shù)調(diào)整眼外肌的長度以改變眼外肌力量大小，進(jìn)而改善眼球的斜視。

42、優(yōu)選的，獲取若干組(δli,fi)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合獲得眼外肌的彈性剛度系數(shù)。

43、本發(fā)明的工作原理為：

44、多個(gè)牽拉電機(jī)各自獨(dú)立的通過牽拉繩控制各條眼外肌向眼球施力，從而控制眼球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；設(shè)定眼球目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度，并控制牽拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)眼球旋轉(zhuǎn)，期間，通過角速度傳感器以及力傳感器實(shí)時(shí)獲取眼球的旋轉(zhuǎn)角度以及牽拉電機(jī)(眼外肌)的施力值。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

46、通過集成最新的生物力學(xué)研究成果和先進(jìn)的技術(shù)，該設(shè)備將能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控眼外肌的力量和狀態(tài)，為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，確保手術(shù)和治療的最優(yōu)化。

47、我們計(jì)算出眼外肌的力量之后，眼外肌的拉伸長度可以通過力與眼外肌的材料系數(shù)獲得，有了眼外肌的拉伸長度我們就可以通過手術(shù)調(diào)整眼外肌的長度改變眼外肌力量大小，進(jìn)而改善眼球的斜視。

48、這一創(chuàng)新設(shè)備的研發(fā)不僅填補(bǔ)了眼科手術(shù)中的技術(shù)空白，也標(biāo)志著眼科手術(shù)向更高精度、更科學(xué)化的方向發(fā)展。通過這種設(shè)備的應(yīng)用，我們可以期待斜視及其他眼外肌相關(guān)疾病的治療將更加精確有效，最終改善患者的視覺健康和生活質(zhì)量。

49、由于本設(shè)備采用獨(dú)立的6個(gè)牽拉電機(jī)各自對應(yīng)牽拉6條眼外肌，因而，可通過建立肌肉受力與眼球旋轉(zhuǎn)角度之間的反饋方程，優(yōu)化計(jì)算六條肌肉的力量，確保不同的肌肉施加適當(dāng)?shù)牧?，使眼球達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)角度。同樣地，我們也可以在施加單條或多條肌肉的力時(shí)，同步計(jì)算出眼球的旋轉(zhuǎn)角度。