Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ОПТОМЕТРИИ

Специальность 05.11.17 - приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

М И Л А Н И Ч Александр Иванович

Москва 2009

Работа выполнена на Кафедре Медицинской Техники РМАПО

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Цыганов Дмитрий Игоревич

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, Корниловский Игорь Михайлович доктор технических наук, Беняев Нигмат Ефремович доктор физико-математических наук, Ражев Александр Михайлович.

Ведущая организация: Московский Физико-технический Институт

Защита состоится ___ ___________ 2009 г. в ___ часов на заседании Диссертационного совета Д 208.001.01 при ВНИИ медицинской техники (ВНИИИМТ) по адресу 129301, Москва, Касаткина, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ медицинской техники (ВНИИИМТ)

Автореферат разослан «___» _______________ 2009г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 208.001.01,

доктор технических наук В.Г. Веденков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тематики. В современном мире проблема ухудшения зрения связана как с возросшим объемом информации (основная часть которой воспринимается глазами), так и с повсеместным применением компьютеров, поэтому глобальный мониторинг и достоверное определение параметров зрения больших групп населения приобретает все большее значение. Состояние зрения влияет на производительность труда и работоспособность сотрудников, на успеваемость школьника или студента, на профпригодность. При этом выявленный на начальной стадии процесс ухудшения зрения можно существенно замедлить и даже вернуть зрение к норме. Для надежного инструментального контроля и достоверного определения характеристик зрения требуется большое количество оптометрических приборов, так как простых тестов (например, книжных таблиц) недостаточно. Требуется не только выявить, но и проследить изменения основных параметров зрения, чтобы определить причины его ухудшения.

Эти задачи призвана решать «индивидуальная оптометрия» - новое, важное научно-техническое направление оптометрии. В силу новизны, в индивидуальной оптометрии остро ощущается потребность в разработке теории, в обосновании основ и принципов конструирования приборов класса индивидуальной оптометрии.

Индивидуальная оптометрия - это совершенно новый класс приборов, поэтому необходимо решать самые разнообразные проблемы, начиная от создания соответствующих таким приборам методик и тестов для измерения рефракции, объема аккомодации, остроты зрения и т.д., до определения критериев оптимизации параметров самих приборов и разработки методов их калибровки.

Кроме того, индивидуальные оптиметры (оптометры) должны удовлетворять противоречивым, взаимоисключающим требованиям: высокие эксплуатационные характеристики - надежность, приемлемая точность измерений и достоверность результата; наряду с компактностью, простотой в эксплуатации, небольшим весом, доступной ценой. Отметим, что разработка любых оптометрических приборов - это сложная научно-техническая задача, хотя бы потому, что основными единицами измерения в оптометрии являются «ощущения», которые связаны исключительно с работой мозга. Например, такого понятия как красный цвет объективно не существует в природе, но оптометрия должна измерять малейшие отклонения цветовосприятия и т.п.

На момент начала работ в мире существовал единственный прибор Фокометр, производимый в США, который полностью удовлетворял критериям прибора индивидуальной оптометрии. Это направление оптометрии находясь на стыке медицины и техники, отсутствовало не только в России, но и в Европе, что и предопределило постановку задачи и актуальность выбранной тематики. На фоне ухудшающегося зрения населения, пробел в простых индивидуальных оптометрических приборах для широкого инструментального контроля параметров зрения населения нежелателен. Коррекция плохого зрения всегда связана со значительными материальными затратами, будь то очки, контактные линзы или лазерная коррекция зрения, а широкий мониторинг зрения разных групп населения и ранняя диагностика в большинстве случаев дают возможность сохранить хорошее зрение. Следовательно, поставленная задача имеет «важное социально-культурное и хозяйственное значение», а внедрение таких приборов вносит «значительный вклад в развитие экономики страны» и способствует «повышению ее обороноспособности» (приведенная в кавычках цитата взята из нормативных документов ВАК).

Цель работы: для ранней диагностики и мониторинга состояния зрения населения - разработка базовых принципов индивидуальной оптометрии, а также определение научно-практических основ и принципов конструирования приборов класса индивидуальной оптометрии, включая разработку соответствующих методик измерения основных параметров зрения: рефракции, объема аккомодации, астигматизма и т.д.

Поставленная цель достигалась последовательным решением следующих основных задач:

1. Анализ ранее предложенных методов и уже существующих в оптометрии технических решений с целью выявления наиболее предпочтительных и приемлемых для специфических условий индивидуальной оптометрии.

2. Анализ погрешности измерений стандартного оптометрического оборудования и поиск способов повышения инструментальной точности.

3. Анализ работы глаза и определение причин основных ошибок при измерении рефракции, объема аккомодации, астигматизма и т.д.

4. Разработка методов объективного, раздельного измерения основных параметров зрения (рефракции, объема аккомодации и др.). Поиск методов снижения вклада ошибки, обусловленной субъективной природой зрительного восприятия и корреляционным, взаимным влиянием измеряемых параметров зрения друг на друга.

5. Определение для индивидуальных оптометрических приборов предпочтительных методик калибровки и методов достоверного определения инструментальной точности измерений, в том числе разработка новых методик.

6. Разработка оптимальной конструкции индивидуальных оптометрических приборов (тестеров зрения) для достоверного измерения основных, базовых параметров зрения и их последующее внедрение.

Методы исследования: В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, методы математической статистики и автоматизированной обработки информации, компьютерного проектирования и 3-Д моделирования.

Научная новизна:

- Теоретически и практически доказана возможность объективного измерения основных параметров зрения (рефракции, объема аккомодации и т.д.) на основании субъективных зрительных ощущений.

- Разработана компьютерная модель глаза.

- Предложена модель работы глаза, дополняющая механизм аккомодации Гельмгольца и позволившая оценить предельную точность измерений клинической рефракции, которая согласно расчетам оказалась равной 0,15-0,3 диоптрии.

- Предложен новый, математический метод расчета хода лучей для радиально неоднородных оптических сред.

- Разработан и успешно применен принципиально новый тип тест-объекта основанный на изменении вида изображения теста, который существенно снижает вклад аккомодационной ошибки и позволяет значительно повысить точность оптометрических измерений.

- Предложен метод инструментального улучшения параметров зрения, основанный на создании дозированных нагрузок для тренировки глазных мышц.

- Разработаны новые тесты по цветовосприятию и новые оптотипы, адаптированные к специфическим условиям применения в индивидуальных оптиметрах, а также предложены и реализованы новые методики измерения основных параметров зрения.

- Разработан и реализован на практике новый класс индивидуального оптометрического оборудования (тестеры зрения) с гарантированной инструментальной точностью лучше 0,25 диоптрии, что соответствует точности измерений профессионального, оптометрического оборудования.

- Предложены научные принципы, обоснован и опробован комплекс мер направленных на оптимизацию основных параметров индивидуальных оптиметров.

- Разработана и реализована на практике новая методика калибровки и поверки приборов класса индивидуальных оптиметров, основанная на сопоставлении показаниям прибора расчетного расстояния.

- Доказана возможность раздельного, объективного измерения основных параметров зрения (рефракции, объема аккомодации и т.д.) без взаимного, корреляционного влияния измеряемых параметров друг на друга.

В результате проведенных исследований обоснованы следующие основные ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Предложенные научно-технические принципы и решения обоснованы и обеспечивают точное и объективное измерение параметров зрения на основе анализа субъективных ощущений пациента.

2. Модель работы глаза и флуктуаций его фокусного расстояния дополняет известный механизм аккомодации Гельмгольца и позволяет оценить величину предельной точности измерения клинической рефракции 0,15-0,3 диоптрии.

3. Метод инструментального улучшения параметров зрения, основанный на дозированных нагрузках и тренировке глазных мышц, позволяет изменять параметры зрения.

4. Предложенный математический метод расчета хода лучей в радиально неоднородных оптических средах сводит задачу расчета траектории луча к решению простого дифференциального уравнения.

5. Предложенный принцип построения тест-объекта на основе сравнения изображения частей теста существенно снижает вклад аккомодационной ошибки при измерениях рефракции и объема аккомодации и данный принцип возможно использовать в других оптометрических приборах.

6. Предложенные новые принципы и методики по измерению рефракции, цветовосприятия и т.д. носят универсальный характер и большинство из реализованных решений возможно использовать в других оптометрических приборах.

7. Приборы индивидуальной оптометрии позволяют раздельно измерять основные оптометрические параметры зрения: рефракцию, объем аккомодации, степень астигматизма и остроту зрения, при этом в процессе измерений можно полностью исключить взаимное, корреляционное влияние измеряемых параметров друг на друга.

Практическая значимость работы

1. В результате проделанной работы предложены новые принципы, на основе которых на практике реализована конструкция простого и точного бытового прибора класса индивидуальной оптометрии для мониторинга параметров зрения населения.

2. Применение данного прибора (тестера зрения) позволяет своевременно выявлять и начинать лечение основных нарушений зрения на самых ранних стадиях.

3. По своим техническим характеристикам прибор не уступает, а по большинству параметров превосходит известные зарубежные аналоги.

4. В результате комплекса мер по оптимизации основных параметров прибора удалось обеспечить высокую инструментальную точность измерений рефракции лучше +0,25 дптр., что соответствует точности профессионального оптометрического оборудования.

5. В результате исследований, разработан ряд модификаций прибора, в частности прибор, целиком изготовленный из стекла.

6. Закреплен международный приоритет на данные приборы, как посредством оформления заявок на изобретение, так и в результате участия в международных выставках (тестер зрения удостоен золотой медали на выставке изобретений в Париже в 2000 году).

7. Получены основные сертификаты и документы, необходимые для серийного производства тестеров зрения (ТУ, Акт испытаний и т.д.)

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации новые научно-технические результаты получены лично автором или с соавторами при его непосредственном участии.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались специалистам, обсуждались и демонстрировались на выставках и конференциях, среди которых следует отметить: Выставка изобретений Concours Lepine в Париже в 2000 г., Выставка «Оптика 99» в Москве, конференция по Биомеханике глаза в 2007г. и 5 международный конгресс по биотехнологиям в 2009г., доклады в Институте Общей Физики им. А.М. Прохорова, в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН и др. оптометрический оборудование погрешность измерение

Тестер Зрения используется в специализированных клиниках в частности: в «Международном Центре Охраны Зрения», врачами клиники академика Ю.А. Утехина, в Научном Центре Охраны Здоровья Детей при РМАН, в Военно-Медицинской Академии Ст. Петербурга и в других организациях. Научные результаты диссертации внедрены: в Физическом Институте им. П.Н. Лебедева РАН, Всероссийском Научно Исследовательском Институте Физической Культуры и Спорта и др.

Публикации: Всего по тематике получены и поддерживаются 2 патента России. По данной тематике докладывалось и опубликовано свыше 20 работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 217 страницах, содержит 32 рисунка и 4 таблицы, состоит из введения, 3 глав с разделами, заключения, выводов и библиографии из 48 наименований, а также включает 3 Приложения к диссертации на 12 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована важность и актуальность темы диссертации, сформулированы цели решаемой народно-хозяйственной задачи индивидуального контроля зрения населения и обоснована социальная значимость данного направления.

Обзор работ, посвященных данной тематике, охватывает период от зарождения индивидуальной оптометрии (первых патентов) и заканчивается анализом современного состояния индивидуальной оптометрии. Определен сам термин «индивидуальная» (или «домашняя») оптометрия как: раздел оптометрии и класс оптометрических приборов для простого, надежного врачебного или самостоятельного контроля основных параметров зрения. К приборам этого класса предъявляются особые требования. Например, возможность для пациента самостоятельно (или при минимальных консультациях специалиста) контролировать основные параметры своего зрения.

Согласно имеющимся статистическим данным, примерно 2 миллиарда из 6 миллиардов населения Земли проживающих в развитых странах мира имеют проблемы со зрением. Хотя на национальной статистике сказывается определенная генетическая специфика, в большинстве стран общий процент людей, которым необходима помощь оптометриста, превышает 25%. По официальной статистике в 1995 году в США близорукие люди составляли 24%, а в Японии - 70%. Особенно остро проблема ухудшения зрения стоит среди детей. Так, согласно принятым в России «Санитарным правилам и нормам» от 1996г., ребенок в возрасте 6 лет может непрерывно работать за монитором 10 минут (при одном уроке в неделю) и только в 9-10 классах - 30 минут на первом часу занятий и 25 минут на втором при 2-х уроках в неделю. Даже у взрослых 4 часа, проведенные перед экраном монитора, вызывают смещение рефракции в сторону близорукости примерно на 0,25 диоптрии.

Поэтому сегодня вопрос ранней диагностики и контроля параметров зрения населения стоит как никогда остро и имеет важное социальное значение.

В Главе 1, Рефракция и Аккомодация - пояснены основные оптометрические термины и приведены важнейшие физические характеристики зрения и глаза человека. Рассмотрен и проанализирован принцип работы зрения и глаза и определен круг существующих в оптометрии проблем.

1.1 Глаз как оптический инструмент

Прежде чем приступить к рассмотрению основных задач оптометрии - коррекция зрения и измерение рефракции, целесообразно проанализировать оптико-физические принципы зрительного восприятия. Зрение человека занимает особое место среди всех органов чувств. Если принять за 100% информацию, которую воспринимают все органы чувств человека, то по разным оценкам на долю зрения придется от 70% до 80% получаемой извне информации. При этом до 30% ресурсов мозга человека постоянно заняты обработкой поступающей зрительной информации.

Зрение человека характеризуется следующими количественными характеристиками: размер глазного яблока около 24 мм у взрослого человека и 18 мм у новорожденного; спектральная чувствительность глаза соответствует диапазону от 380 нм до 780 нм (320-950 нм при значительной освещенности) с максимумом вблизи 550 нм (дневное зрение); диаметр зрачка 2-8 мм; межзрачковое расстояние 56-72 мм.

Структура глаза и отдельные функции зрения представлены на Рис.1

Рис. 1

· Роговица - прозрачное переднее «окошко» глаза. Роговица пропускает и преломляет свет.

· Радужная оболочка - окрашенная часть глаза. Регулирует количество света, которое попадает в глаз, и выполняет роль диафрагмы фотоаппарата.

· Зрачок - темный центр в середине радужной оболочки. В зависимости от освещенности диаметр зрачка изменяется от 2 до 8 мм, что изменяет количество света, попадающего на сетчатку.

· Хрусталик - прозрачная линза внутри глаза, которая изменяет радиус кривизны и так фокусирует лучи света на сетчатку.

· Стекловидно тело - прозрачная, желеобразная масса, заполняющая глазное яблоко.

· Сетчатка - нервные окончания, выстилающие глазное дно. Сетчатка состоит из «палочек», определяющих черно-белое (сумеречное) зрение и «колбочек», определяющих цветное (дневное) зрение. Палочки и колбочки чувствительны к свету и генерируют нервные импульсы, идущие к мозгу.

· Желтое пятно (или макула) - небольшая область на сетчатке, где находится основное количество колбочек. Эта область не только цветного, но и наиболее резкого (четкого) зрения.

· Зрительный (или глазной) нерв - соединяет сетчатку с мозгом. Зрительный нерв передает мозгу сформированные сетчаткой нервные импульсы.

· Склера - внешняя оболочка глазного яблока.

Глаза - это парный орган, что обеспечивает человеку бинокулярное (стереоскопическое) зрение. Парная работа глаз помимо объемного зрения увеличивает угол обзора до 180 градусов по горизонтали (один глаз позволяет видеть 60 градусов к носу и 90 градусов к виску) и примерно 125 градусов по вертикали.

Согласно современным представлениям, у человека насчитывается примерно 110-125 млн. «палочек» (до 130 млн. по другим оценкам) и около 6-7 млн. «колбочек» выстилающих глазное дно (сетчатку).

Общеприняты следующие оптические параметры нормального глаза человека по Гульстранду (указаны средние параметры):

Показатели преломления

Роговица 1,376

Водянистая влага и стекловидное тело 1,336

Хрусталик 1,386

Расположение поверхностей от вершины роговицы, в мм

Задняя поверхность роговицы (*толщина роговицы) 0,5

Передняя поверхность хрусталика 3,6

Задняя поверхность хрусталика 7,2

Центральная ямка сетчатки 24,0

Радиусы кривизны поверхностей, в мм

Передняя поверхность роговицы 7,7

Задняя поверхность роговицы 6,8

Передняя поверхность хрусталика 10,0

Задняя поверхность хрусталика 6,0

Преломляющая сила, в диоптриях

Роговица 43,05

Хрусталик 19,11

Весь глаз 58,64

Расположение кардинальных точек от вершины роговицы, в мм

Передний фокус 15,31

Задний фокус 24,17

Передняя главная точка 1,47

Задняя главная точка 1,75

Глаз обладает уникальной чувствительностью и способен улавливать как отдельные фотоны, так и большие лучистые потоки, при этом многие механизмы его работы до конца не выяснены.

1.2 Анализ причин нарушения рефракции и аккомодации

Первоначальная задача глаза - как можно точнее передать изображение на сетчатку, для чего необходимо максимально точно выполнить фокусировку. Как и любой оптической системе глазу присущи аберрации, но не только малые аберрации определяют хорошее зрение. Понимание многообразия причин и процессов, приводящих к нарушению нормальной рефракции, необходимо для точного измерения и правильной коррекции параметров зрения.

Оптометрист и инженер-оптик часто используют практически одни и те же термины, но оптометрист любые термины относит к глазу. Поэтому целесообразно уточнить основные оптометрические термины, которые используются в диссертации и которые специфичны либо имеют двоякое толкование:

Диоптрия - единица измерения в оптике обратно пропорциональная измеренному в метрах фокусному расстоянию оптической системы. Обозначается D или дптр.

Рефракция (или клиническая рефракция в оптометрии) - преломление лучей оптической системой (в случае клинической рефракции - это преломление глазом и проецирование изображения объекта на сетчатку), а также измеряемая в диоптриях оптическая сила.

Оптометристы различают три вида рефракции: эмметропия, миопия, гиперметропия.

Аккомодация - способность глаза подстраивать фокусное расстояние и четко видеть предметы. Фокусировка осуществляется главным образом с помощью цилиарной мышцы, регулирующей кривизну хрусталика и его оптическую силу. Классическая теория аккомодации предложена в 1855 году Германом фон Гельмгольцем (Herman von Helmholtz

). Согласно модели Гельмгольца при аккомодации изменяется форма хрусталика: происходит уменьшение радиуса передней поверхности с 11.0 до 5.5 мм и задней поверхности с 5.18 до 5.05 мм, а также увеличивается толщина хрусталика на 0.36-0.58 мм и происходит его смещение вниз на 0.25-0.38 мм.

Эмметропия - состояние нормальной или соразмерной рефракции глаза человека. Согласно принятой в медицине терминологии любые отклонения рефракции от нормы называются аметропией.

Близорукость или миопия - вид нарушения рефракции, когда преломляющая сила оптической системы глаза слишком велика и не соответствует длине оптической оси. Доказано, что близорукость можно вызвать целенаправленными действиями. Так Американский исследователь Янг сажал обезьян-макак под непрозрачный колпак с расстоянием от глаз до стенки 35 см. Через 6-8 недель у всех без исключения обезьян развивалась близорукость 0,75 дптр.

Дальнозоркость или гиперметропия - вид нарушения рефракции, когда преломляющая сила оптической системы глаза мала и не соответствует длине оптической оси.

Пресбиопия или возрастная дальнозоркость - вид нарушения рефракции, когда из-за возрастных изменений хрусталика и цилиарной мышцы деформация хрусталика уменьшается и недостаточна для фокусировки на близко расположенные предметы.

Астигматизм - вид нарушения рефракции, при котором форма поверхности роговицы отлична от сферической. Астигматизм глаза - это независимый оптический параметр и поэтому астигматизм может сочетаться с близорукостью, дальнозоркостью или с почти нормальным зрением. В результате различают:

1. Сложный гиперметропический (обозначают - НН), сочетание гиперметропии разной степени по обоим главным меридианам.

2. Простой гиперметропический (обозначают - Н), сочетание гиперметропии по одному с эмметропией по другому меридиану.

3. Смешанный (обозначают - НМ или МН), сочетание гиперметропии и миопии по разным меридианам.

4. Простой миопический (обозначают - М), сочетание миопии и эмметропии по разным меридианам

5. Сложный миопический (обозначают - ММ), сочетание миопии разной степени по двум меридианам.

Положение главных меридианов астигматического глаза принято отсчитывать по градусной шкале ТАБО от 0 до 180 градусов с отсчетом против часовой стрелки. Астигматизмом прямого типа считаются случаи, когда меридиан с более сильным преломлением лежит в пределах 60-120 градусов шкалы ТАБО (+ 30 градусов от вертикали), обратного типа в пределах 0-30 и 150-180 градусов (+30 градусов от горизонтали) и астигматизмом с косыми осями все оставшиеся случаи.

Небольшой астигматизм 0,5 дптр. прямого типа имеют 90-95% населения Земли, но из-за малой величины такой астигматизм слабо сказывается на остроте зрения.

Дальтонизм - нарушение цветовосприятия в разных областях спектра, которое связано исключительно с наследственностью и поэтому неизлечимо. Фоторецепция начинается в молекулах зрительного пигмента (в палочках это родопсин, а в колбочках это йодопсин) передается глазным нервом и заканчивается возбуждениями в мозгу. Людей, страдающих дальтонизмом, делят на «краснослепых» (наиболее частые случаи), «фиолетослепых» и «зеленослепых», но есть случаи и полной цветовой слепоты.

Данная цветоаномалия обусловлена изменениями в Х-хромосоме и встречается примерно у 2-8% мужчин и лишь у 0,4% женщин (согласно другим данным - более 1% среди мужчин и около 0,1% среди женщин).

Существующий в оптометрии разброс данных и значений, как правило, соответствует до сих пор нерешенным проблемам (например, быстрая аккомодация и т.п.).

В разделе 1.2 также рассмотрены и проанализированы основные, патологические нарушения зрения:

Глаукома - хроническое заболевание глаз, характеризующееся постоянным или периодическим повышением внутриглазного давления.

Катаракта - помутнение хрусталика глаза, уменьшение его прозрачности и снижение остроты зрения.

Отслойка сетчатки - нарушение передачи зрительных возбуждений в мозг, что приводит к частичной или даже к полной потере зрения.

Косоглазие - особое состояние зрения, при котором глаза должным образом не ориентируются друг относительно друга и относительно лица.

Диабетическая ретинопатия - случай, когда кровеносные сосуды позади сетчатки разрываются и кровь просачивается на сетчатку, что локально разрушает соответствующие участки сетчатки.

Возрастное вырождение макулы (желтого пятна) - случай, когда центральная часть сетчатки глаза (макула) отмирает, оставляя локальную «черную дыру» или скотому вблизи оптической оси глаза.

Кератоконус -- врожденная патология роговицы, при которой ее поверхность имеет не сферическую, а коническую форму.

Любой или сразу несколько из указанных выше факторов может стать причиной ухудшения зрения, что необходимо учитывать при диагностике, и особенно, при коррекции плохого зрения.

1.3 Обзор методов коррекции рефракции (очки и т.д.)

Две главные задачи оптометрии - это диагностика нарушений рефракции и последующая коррекция плохого зрения. Любым способом скорректировав нарушение рефракции можно вернуть человеку хорошее зрение. Достоверно известно, что Римский император Нерон (54 - 68 нашей эры) вместо очков (очки тогда еще не были изобретены) наблюдал бои гладиаторов через изумрудный «монокль». Это время можно считать датой рождения оптометрии, хотя оптика и опыт изготовления линз уходят в эпоху Древней Греции. Изобретение очков в Европе произошло между 1268 и 1289г. и их изобретение приписывают Доминиканскому монаху Александру дела Спина (Alessandro della Spina) из Итальянской Пизы. Функцией очков с момента их появления и поныне является коррекция рефракции оптической системы глаза при помощи линз.

Сферические линзы занимают заслуженное первое место в перечне различных средств коррекции зрения. Все сферические линзы, как положительные линзы (плюсовые), так и отрицательные линзы (минусовые) просто совмещают изображение предмета с сетчаткой. Очки со сферическими линзами решают разнообразные задачи: исправляют близорукость, дальнозоркость, возрастное ослабление зрения и даже отсутствие хрусталика после операции по его удалению при катаракте (афакия - отсутствие хрусталика).

Астигматическими (цилиндрическими) линзами корректируют астигматизм, а призматическими очками косоглазие.

Коррекция пресбиопии осуществляется бифокальными и градиентными линзами. Идею изобретения бифокальных очков приписывают Бенджамину Франклину, который впервые соединил в одной очковой оправе две половинки от разных линз.

Необходимо учитывать, что любые очки имеют побочное действие, например, разное увеличение (или уменьшение) на двух глазах пациента. При сферических линзах и разнице, начиная с определенной величины (у взрослых примерно с 2,0...3,0 диоптрий, у детей с 5,0...6,0 диоптрий) мозг не в состоянии компенсировать различие размеров изображений на сетчатке левого и правого глаза и возникает двоение предметов.

Монополия очков в оптометрии закончилась в 1962 году, когда Чешский химик Отто Вихтерле предложил гидрофобные (не смачиваемые водой) материалы для изготовления контактных линз. По назначению все контактные линзы делятся на лечебные и косметические, а по материалам на мягкие и жесткие. Сегодня подавляющее большинство контактных линз это мягкие линзы. Контактные линзы существенно снижают аберрации, увеличивает угол обзора и т.д., хотя работают на одинаковых с очками принципах.

В последние десятилетия врачи научились при помощи лазеров изменять радиус кривизны самой роговицы и таким образом исправлять зрение. Различают и используют следующие основные виды лазерных операций: ФРК (Фоторефрактивная кератэктомия) и LASIK (лазерный кератомилёз). LASIK - это наиболее современный вид коррекции зрения. Принцип любых лазерных методов коррекции состоит в «испарении» (абляции) роговицы под действием мощного излучения эксимерного лазера (лазера в ультрафиолетовой области спектра 193-248 нм). Происходит абляция тонких слоев биологической ткани без термического воздействия на соседние области, поэтому роговица остается прозрачной. Противопоказаний к применению эксимер-лазерных методов коррекции зрения не так много, но они есть: это наличие сопутствующих заболеваний глаз, например, глаукомы, катаракты, некоторые заболевания сетчатки (отслоение) и т.п.

Таким образом, исправление плохого зрения состоит в коррекции оптических параметров глаза одним из приведенных выше способом. Учитывая сложные механизмы работы глаза, множественность факторов ухудшающих зрение и т.д., практическая коррекция зрения очень сложная (порой невыполнимая) задача оптометрии.

1.4 Существующие проблемы измерения рефракции, аккомодации и др.

Не меньше проблем возникает и при диагностике зрения. Прежде всего, зрительное восприятие в основе своей субъективно, что главным образом и предопределяет низкую точность всех оптометрических измерений. Поэтому даже современные, претендующие на объективность измерений оптометрические приборы без активного участия пациента не могут достоверно и «объективно» измерить рефракцию и другие субъективные параметры зрения.

Обычно в оптометрии по таблицам определяют некую суммарную характеристику глаза, которую условно называют «остротой зрения». Проблема состоит в том, что в результат таких «измерений» неявно входят: собственно острота зрения, рефракция и астигматизм. Кроме того, поскольку вклад пациента в конечную точность измерений огромен, целесообразно изначально различать инструментальную точность прибора и результирующую точность измерения.

Точно измерять реальную остроту зрения очень важно, поскольку нарушение остроты зрения служит надежным индикатором большинства патологий зрения.

Острота Зрения в оптике определена как способность глаза различать предметы с угловым размером в одну угловую минуту, что примерно соответствует двум освещенным фоторецепторам сетчатки при одном неосвещенном в промежутке между ними. Острота зрения глаза точно соответствует известному в физике дифракционному пределу разрешения при диаметре зрачка 2-3мм. Существует несколько других определений, а правильнее сказать уточнений термина «острота зрения»: это острота зрения по наименьшему видимому (минимально различимая величина черного предмета на белом фоне), наименьшему различимому (когда глаз различает два объекта) и наименьшему узнаваемому (минимальная величина детали, которую глаз безошибочно узнает).

Лишь в 1994 году в Женеве были утверждены единые международные стандарты (International Standard ISO 8597, Optics and Optical Instruments - Visual acuity testing и ISO 8596 Оphthalmic optics. - Visual acuity testing. - Standard optotype and its presentation). В качестве основного оптотипа при определении остроты зрения рекомендовано использовать кольцо Ландольта с разрывом в одну угловую минуту, определено расстояние до таблицы, уточнено требование к корригирующей линзе и т.д.

Также важно измерять рефракцию, аккомодацию и т.д. Попытки объективно измерить рефракцию и другие характеристики глаза без участия пациента не прекращались с момента возникновения оптометрии. Поэтому сегодня существуют разнообразные оптометрические приборы: рефрактометры, кератометры и офтальмометры, форопторы, штрих-скиаскопы, фокометры и т.д. для инструментального, «объективного» измерения рефракции и других параметров. Большинство измерений рефракции и аккомодации основано на определении «дальней» и «ближней» точки и на том факте, что сетчатка не только поглощает, но и отражает свет. Спроецировав тест (марку) на сетчатку при расслабленных мышцах хрусталика и анализируя получившееся на сетчатке изображение теоретически можно измерить фокусное расстояние глаза и выявить астигматизм. Это принцип работы современного авторефрактометра - прибора, где вся процедура измерений полностью автоматизирована. Такие приборы должны были полностью автоматически проводить измерение базовых параметров (рефракция, астигматизм и т.д.). Но практика говорит обратное, поскольку невозможно полностью исключить влияние на процесс измерений механизма аккомодации глаза, изменение диаметра зрачка и другие привносимые пациентом в процесс измерений ошибки.

Таким образом, точное измерение реальной рефракции, реального объема аккомодации и других важнейших параметров зрения (например, цветовосприятия, где субъективный вклад пациента в измерения особенно велик), остаются актуальными, до конца нерешенными задачами оптометрии.

Во второй Главе, Индивидуальная Оптометрия - подробно проанализированы базовые принципы индивидуальной оптометрии на примере конструкции одного из предложенных приборов. В частности, сформулирован базовый принцип индивидуальной оптометрии - сопоставление субъективному ощущению пациента объективной информации о состоянии зрения. Проанализирован ход лучей в нормальном, близоруком и дальнозорком глазу при расслабленном и напряженном хрусталике. В рамках разработанной модели глаза и динамически меняющихся параметров зрения получены оценки предельной точности измерения клинической рефракции 0,15-0,3 диоптрии, что хорошо согласуется с практикой оптометрии, предложена методика математического расчета хода лучей в неоднородных оптических средах.

2.1 Взаимосвязь аккомодации и точности измерения рефракции

На основании дополненной модели аккомодации проанализирована модель работы глаза, которая учитывает постоянные флуктуации параметров клинической рефракции и рассчитан предел точности измерения клинической рефракции глаза, обусловленный дифракцией и конечным размером палочек и колбочек. В основе расчетов использованы параметры нормального глаза по Гульстранду, которые затем также были подвергнуты критическому анализу.

Предположение о том, что «быструю» аккомодацию можно свести к изменению положения изображения на сетчатке относительно центральной ямки позволяет объяснить «отрицательную» и «быструю» аккомодацию, что дополняет классическую модель аккомодации Гельмгольца.

При этом следует учесть что:

1. Глаз - это принципиально динамическая система с постоянно флуктуирующим фокусом.

2. Изменения основных оптических параметров глаза происходят без участия сознания (рефлекторно).

Тогда, записав уравнение для тонкой линзы:

N + 1/b = 1/f (1)

где a - расстояние до объекта, b - расстояние до изображения и f - фокусное расстояние глаза, а N=1/a - диоптрии соответствующие расстоянию a до объекта в метрах.

И, продифференцировав обе части уравнений (1) при фиксированном расстоянии a до предмета, получим следующее соотношение:

(2)

Таким образом, если изображение от удаленного объекта находится перед сетчаткой или за сетчаткой на некотором расстоянии Дb, то в рамках геометрической оптики изображение будет оставаться таким же резким при условии, что кружок рассеяния на сетчатке не меняется в сходящихся и расходящихся лучах. Что количественно соответствует соотношению:

(3)

где D - диаметр зрачка, б = 1/3420 радиана - угол соответствующий нормальной остроте зрения.

Подставив численные значения из таблицы Гульстранда, найдем, что для нормальной остроты зрения изменение расстояний Дb и соответственно Дf примерно на 0,1 мм в процессе аккомодации не влияет на качество изображения на сетчатке.

Следовательно, теоретический предел точности измерения рефракции глаза определяют небольшие изменения фокусного расстояния примерно на 0,1 мм в том числе и за счет изменения положения оптической оси относительно центральной ямки (быстрая аккомодация), что соответствует предельной точности измерения клинической рефракции 0,15-0,3 диоптрии. Предел 0,15-0,3 диоптрии носит универсальный характер для нормального глаза и, в первом приближении, слабо зависит от расстояния до объекта (соответственно почти не зависит и от величины измеряемой клинической рефракции) и находится в хорошем соответствии с практикой оптометрии.

Полученная оценка величины предельной точности измерения клинической рефракции 0,15-0,3 дптр. - основной параметр при конструировании любых оптометрических приборов. Кроме того, впервые отмечена связь быстрой аккомодации и точности измерения клинической рефракции.

2.2 Метод расчета и ход лучей в неоднородных оптических средах

Сегодня оптометристы умеют достаточно точно измерять основные параметры человеческого глаза и зрения. Вместе с тем, развитие компьютерных методов моделирования в оптике позволило выявить определенные недостатки известных моделей глаза.

Например, оптическая сила хрусталика в модели лауреата Нобелевской премии Гульстранда недостаточна и при малых диаметрах зрачка фокус должен находиться примерно на расстоянии 2 мм позади сетчатки, что и подтверждают компьютерные расчеты. Причина указанных расхождений связана с большим, и к тому же градиентным изменением показателя преломления хрусталика по сравнению с моделью Гульстранда.

Была предпринята попытка уточнить оптические параметры глаза по Гульстранду, чтобы обеспечить расчетное пятно фокусировки на сетчатке 6-7 мкм, соответствующее среднему размеру колбочки. Для этого была разработана компьютерная модель глаза и рассчитан ход лучей при расслабленном хрусталике.

Оказалось, что в первом приближении для диметра зрачка 2 мм вместо градиентного изменения показателя преломления достаточно подставить уточненный показатель преломления хрусталика, равный 1,4137. Уточненное значение показателя преломления хрусталика находится между минимальным 1,405 и максимальным 1,454 экспериментально измеренными значениями показателя преломления хрусталика, тогда как показатель преломления хрусталика по Гульстранду 1,386 выходит за указанные пределы. Новое значение показателя преломления хрусталика обеспечивает расчетное пятно фокусировки примерно 6 мкм при неизменных прочих расстояниях, радиусах и показателях преломления глаза по Гульстранду.

Проведенный расчет минимального размера пятна на сетчатке при последовательном увеличении диаметра зрачка от 4 до 8 мм и при уточненном значении показателя преломления 1,4137 показал, что наблюдается существенный рост аберраций. Так, при диаметре зрачка 8 мм, диаметр пятна на сетчатке составлял 23 мкм, что противоречит имеющимся экспериментальным данным по остроте зрения. Следовательно, большие диаметры зрачка обязательно должны учитывать градиентное изменение показателя преломления хрусталика наряду с более точным описанием формы хрусталика. Но моделирование распространения оптических лучей в средах с изменяющимся показателем преломления - достаточно сложная математическая задача, не имеющая аналитического решения.

Такие среды называются неоднородными (или градиентными). Их исследует новейшее направление оптики, возникшее несколько десятилетий назад.

Показатель преломления хрусталика имеет сложный характер, но функция распределения преломления ближе всего соответствует радиальному распределению показателя преломления.

Локально в любых оптических средах выполняется закон преломления Снелиуса, но расчет хода луча в неоднородной среде требует решения системы дифференциальных уравнений (4), которые решают на компьютере методом Рунге-Кутта.

dx/dz = q; dy/dz = p;

dq/dz = (1+)() (4)

dp/dz = (1+)()

где z - направление оптической оси, а и относительные градиенты показателя преломления по соответствующим координатам.

Рассмотрим предложенный новый метод математического моделирования хода лучей в оптически неоднородных средах.

Пусть имеет место радиальное распределение показателя преломления n(y), где у - расстояние от оптической оси. Запишем уравнение Снелиуса через углы ц между лучом и оптической осью взамен классического угла отсчитываемого от нормали:

(5)

или n cos(ц) = const

Поскольку константой является произведение показателя преломления на косинус угла (5), то и квадрат выражения так же константа, которую обозначим, как C = и которая задается граничными условиями (углом входа луча в вещество), что соответствует следующему уравнению:

С (6)

Как известно - 1/, а dy/dz = y'

Тогда уравнение (6) сводится к решению простого дифференциального уравнения, которое можно представить в виде:

dy/dz = (7)

или dz =

z = (8)

Особыми точками для данного уравнения являются: точка обращения в ноль косинуса и угол полного внутреннего отражения. Поэтому данное решение справедливо на интервалах между указанными точками, а знак решения определяется физическим смыслом.

Предложенный математический метод приводит большой класс зависимостей показателей преломления к аналитическому виду решений, что особенно важно при исследовании асимптотических зависимостях хода лучей.

Рис. 2

Используя квадратичную итерацию радиальной зависимости показателя преломления хрусталика, вида:

n = 1,42 - 0,00111992 R + 0,0008754666 R*R (9)

где R - расстояние от оптической оси хрусталика в мм, можно существенно уменьшить аберрации глаза при больших диаметрах зрачка (См. Рис. 2). Наблюдаемое увеличение размера пятна при малых диаметрах связано с увеличением вклада дифракции.

2.3 Теория и принцип действия тестера зрения

Ранее отмечалось, что сложность создания оптометрического оборудования обусловлена тем, что основной единицей в оптометрии являются «ощущения».

В оптометрии необходимо измерять следующие базовые характеристики зрения: рефракцию, объем аккомодации, остроту зрения, степень астигматизма и контролировать цветовосприятие. Требуется измерять раздельно каждый из выше перечисленных параметров с учетом их взаимного, корреляционного влияния друг на друга.

Поскольку индивидуальная оптометрия призвана быть простой, доступной и понятной любому пациенту, то приборы и методики индивидуальной оптометрии требуют радикального переосмысления. В индивидуальной оптометрии необходимо решать задачу измерений комплексно, начиная с разработки принципов конструирования приборов и методов их калибровки и кончая разработкой соответствующих оптотипов и т.д.

Основной идеей индивидуальной оптометрии и тестера зрения является попытка, путем несложной процедуры на основании субъективного восприятия самим пациентом некоторого тестового изображения, по виду этого изображения и по положению теста в оптическом устройстве, точно и объективно измерить базовые параметры зрения, причем с хорошей точностью.

Для этого, вместо привычного набора компенсационных линз при неподвижной тест-таблице, за основу оптометра принята «противоположная» идея - одна достаточно точная линза и движущийся тест-объект. Перемещение тест-объекта вдоль оптической оси линзы, позволяет создавать параллельные (тест-объект в фокусе), расходящиеся (тест-объект перед фокусом) и сходящиеся (тест-объект за фокусом) лучи. Соответствующие таким лучам изображения сможет увидеть: параллельные - нормальный (эмметропический) глаз, расходящиеся - близорукий (миопический) и сходящиеся - дальнозоркий (гиперметропический) глаз.

Хотя при таком подходе и данном методе измерения рефракции требования к точности изготовления линзы возрастают (фокусное расстояние линзы является своеобразным эталоном меры), но отказ от набора линз существенно снижает стоимость прибора и значительно упрощает его конструкцию. Расстояние между линзой и тест-объектом приблизительно соответствует диоптриям рефракции, согласно формуле (10).

Х = f /(1-f*N) (10)

где f - фокусное расстояние оптического элемента, N - значение диоптрий на шкале с учетом знака, а Х - соответствующее данному N расстояние.

Формула (10) предполагает тонкую линзу (объектив или зеркало) и малое расстояние между глазом и линзой.

Рис. 3

Измерения рефракции начинают из области больших положительных диоптрий; затем приближают тест-объект и фиксируют расстояние между линзой и тест-объектом и величину рефракции в тот момент, когда у пациента впервые возникло четкое изображение. Выше приведена принципиальная схема простого варианта тестера зрения, реализующего данную идею (см. Рис.3).

Изображение нанесено на тест-объект (1) и проецируется объективом (2) на сетчатку глаза, шкала (3) соответствует разным расстояниям и градуирована в диоптриях, например, в соответствии с формулой 10, 4 - оптическая ось. Положение тест-объекта в фокусе объектива соответствует нулю шкалы.

В предложенной на Рис. 3 схеме прибора, вдоль оптической оси перемещается линза, но это лишь одна из многих возможных кинематических схем. Кроме того, линзу можно заменить зеркалом, хотя в настоящее время не определены те конфигурации приборов или те диапазоны измерений, когда применение зеркала вместо стеклянной оптики конструктивно и экономически оправдано.

Измеряемые параметры глаза в значительной мере определяются изображением тест-объекта и его качеством. Если в изображении присутствуют объекты разного углового размера, то возможно контролировать остроту зрения и т.д.

Таким образом, довольно простыми методами удалось сопоставить зрительным ощущениям объективную информацию о рефракции глаза.

2.4 Принципы повышения точности оптометрических измерений

Проведенный анализ показал, что как и в других оптометрических приборах, измерения которых основаны на анализе остроты зрения, главный вклад в снижение результирующей точности тестера зрения вносит ошибка, связанная с аккомодацией глаза. Глаз имеет некоторое постоянное, аккомодационное напряжение («привычный тонус»), что существенно влияет на точность измерения не только рефракции, но и других параметров зрения.

С целью устранения аккомодационной ошибки был предложен и успешно реализован новый принцип построения тест-объектов (принцип «ступеньки»). Для этого тест-объект был искусственно разделен на две примерно равные части, отстоящие друг от друга приблизительно на 0,25 дптр. вдоль оптической оси, что соответствует ранее выполненной оценке для предельной точности измерения рефракции. Изображения теста выполнялись на стекле окислами хрома методом фотолитографии.

Переход к принципу «ступеньки» для тест-объектов новое техническое решение, которое следует пояснить подробнее. Глаз очень хорошо «замечает» мельчайшие различия, но лишь при возможности сравнения изображений, и значительно хуже «измеряет» абсолютные величины. Предложенный тест-объект подчеркивает малейшие отличия при измерении рефракции за счет возможности точной фокусировки на сетчатку лишь части изображения. В результате удалось существенно снизить вклад аккомодационной ошибки и значительно повысить точность измерения рефракции.

По принципу «ступеньки» тест-объект может быть разделен на три и на большее число частей, отстоящих на различном расстоянии друг относительно друга вдоль оптической оси и обеспечивающих требуемую точность, например, 0,25 дптр., 0,4 дптр. и 0,6 дптр. Конструктивно «ступенька» между частями изображения тест-объекта может быть выполнена самыми различными способами. Например, можно использовать дисперсию и разность показателей преломления для красных и фиолетовых лучей (хроматическая аберрация специальных стекол) и др.

В процессе работы экспериментально установлено, что уменьшение величины «ступеньки» между частями тест-объекта до 0,15-0,2 дптр. значительно затрудняет процесс сравнения частей тест-объекта, что соответствует ранее сделанным выводам о предельной точности измерения клинической рефракции.

Для нового тест-объекта была разработана новая методика измерений и соответствующая инструкция. При использовании предложенных тест-объектов не только значительно повышается точность измерений, но сам процесс измерений существенно упрощается, поскольку измерения рефракции и аккомодации свелись к некоторой последовательности изменений вида изображения оптотипа тест-объекта.



Рис. 4

Так при приближении тест-объекта начиная от максимальных плюсовых диоптрий (крайний левый рисунок) до минимальных минусовых (крайний правый рисунок), происходит следующая последовательность смены изображений (см. Рис. 4). Сначала (см. крайний левый рисунок), глаз ничего не видит четко, так как на сетчатку проецируются сходящиеся лучи. Затем в какой-то момент возникает лишь одно четкое изображение. Это соответствует полностью расслабленному глазу и надписи рефракция на Рис.4. Затем, при частично напряженном и деформированном хрусталике (следующий рисунок), за счет быстрой аккомодации одинаково хорошо видны обе части рисунка тест-объекта и так продолжается по мере приближения тест-объекта к объективу вплоть до максимально напряженного состояния глаза (предельная аккомодация и надпись аккомодация). Далее оба изображения снова становятся размытыми.

Смена вида изображения понятна любому (даже ребенку) и не требует специальных навыков и знаний, но в тоже время указанная последовательность изображений точно соответствует определенным состояниям рефракции глаза, что является следствием применения нового типа тест-объекта и предложенной методики.

Таким образом, используя известный принцип измерений по дальней и ближней точке, удалось не только сопоставить субъективным ощущениям пациента объективную информацию о состоянии зрения, но и значительно повысить точность измерений. Важно подчеркнуть, что никогда прежде в оптометрии не ставилась задача изменения вида самого изображения (оптотипа) в строгом соответствии с измеряемыми параметрами зрения.

Данный тип тест-объектов и предложенный принцип уменьшения влияния аккомодации можно успешно применять в других оптических устройствах.

2.5 Основы оптимизация и компьютерное моделирование

Необходимость компьютерного моделирования оптической системы глаз - оптометрический прибор связана со сложностью решаемой задачи. Даже без требования проверки остроты зрения (что соответствует дифракционному пределу разрешения), для точных оптометрических измерений требуется максимально качественное изображение применяемых оптотипов и полная оптимизация оптической системы тестера зрения.

Аналитические принципы компенсации аберраций, разработанные в начале 20 века в работах Чернина, Волластона и Оствальда для очковой оптики и основанные на исправлении астигматизма для аберраций 3-го порядка за счет обращения в ноль соответствующей суммы Зайделя, мало пригодны для тестеров зрения. Это связано с тем, что для тестера зрения необходимо минимизировать аберрации как для действительных, так и для мнимых изображений в достаточно широком диапазоне измерений рефракции.

Кроме того, при моделировании прибора требуется учесть систематическую ошибку, связанную с конечным расстоянием между линзой и глазом (см. Рис. 5), которая возрастает на краях шкалы и искажает результаты измерений.



Рис. 5

...