Кератометр

 

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к офтальмологическим приборам, предназначенным для измерения формы внешней поверхности роговицы глаза. Изобретение позволяет исключить контакт лица пациента с прибором, увеличить угол охвата исследуемой зоны роговицы до предельного значения равного 180 ^o уменьшить габаритные размеры и массу прибора и тем самым сделать возможным его применение в процессе выполнения микрохирургических операций. Прибор виброустойчив. Для этого кератометр снабжен системой соосных усеченных конических зеркал с внешними и внутренними зеркальными коническими поверхностями, вершины которых обращены к объективу, в заднем фокусе которого расположена измерительная марка, выполненная в виде непрозрачного экрана с отверстием, освещаемым источником света. Углы наклона образующих зеркальных конических поверхностей выбраны так, что пучки элементарных параллельных лучей пересекаются в зоне размещения роговицы, удаленной от прибора на такое расстояние, при котором исключается контакт лица пациента с прибором. Объектив кератометра может быть выполнен с нулевой оптической силой в виде автоколлимационной афокальной системы, а конические зеркала - комбинированными с различными углами наклона к оси образующих конических поверхностей или с единой образующей. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к офтальмологическим приборам, в частности к кератометрам, предназначенным для определения топографии внешней поверхности роговицы человеческого глаза. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в медицинских учреждениях для контроля формы роговицы при выполнении микрохирургических операций и подборе контактных линз.

Известны кератометры для определения топографии поверхности роговицы [1] -[5] Они содержат источник света, измерительные марки различной конфигурации, объектив, блок регистрации изображений измерительных марок. Общий недостаток известных кератометров заключается в том, что в процессе измерения пациент располагается в непосредственной близости от прибора или контактирует с ним, что недопустимо по гигиеническим соображениям. По этой же причине известные кератометры не применимы для обследования пациентов с глубокими глазными впадинами, а также в процессе выполнения микрохирургических операций, так как операционное поле имеет ограниченные размеры и не позволяет приблизить прибор к глазу пациента. Кроме того, известные кератометры имеют сложную конструкцию и недостаточно технологичны для серийного изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому кератометру по технической сущности и решаемой задаче является кератометр, снабженный плоско-выпуклой линзой, толщина которой равна радиусу ее сферической поверхности, и коническим зеркалом, выполненным в виде прямого полого усеченного конуса, причем измерительные марки расположены в фокальной сфере линзы, а центр входного зрачка объектива совмещен с задним фокусом линзы, при этом все элементы расположены на одной оптической оси [6] При обследовании пациентов с помощью известного кератометра необходимо разместить роговицу в непосредственной близости от малого основания конического зеркала, а потому контакт лица пациента с прибором неизбежен. Кроме того, расположение измерительных марок в фокальной сфере линзы требует применения сложного осветительного устройства. Изготовление измерительных марок в виде концентрических колец, носителем которых является концентрическая линза, представляет собой сложную технологическую задачу. Габаритные размеры и масса известного кератометра, обусловленные его отличительными признаками, сокращают функциональные возможности кератометра и снижают технологичность его изготовления.

Цель изобретения заключается в том, чтобы расширить функциональные возможности кератометра путем увеличения расстояния от него до зоны размещения роговицы, уменьшить габаритные размеры и массу кератометра и тем самым сделать возможным его применение в операционном поле, повысить технологичность его изготовления в серийном производстве путем упрощения конструкции и использования нетрудоемких технологических процессов изготовления оригинальных оптических деталей кератометра.

Это достигается тем, что коническое зеркало выполнено комбинированным в виде системы прямых круглых усеченных центрированных конических зеркал с внешними и внутренними зеркальными коническими поверхностями, общая ось которых совмещена с оптической осью объектива, в заднем фокусе которого расположена измерительная марка, выполненная в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре, освещаемая источником света, а вершины конических поверхностей зеркал обращены к объективу, причем углы наклона образующих конических поверхностей зеркал к их оси выбраны так, что лучи света, выходящие из объектива параллельно оптической оси и последовательно отраженные от внешних и внутренних конических поверхностей зеркал, образуют при выходе из системы конических зеркал пучки параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающиеся в зоне размещения роговицы.

Кроме того, конические зеркала с внешними зеркальными коническими поверхностями выполнены в виде усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, а конические зеркала с внутренними зеркальными коническими поверхностями выполнены в виде полого усеченного конуса с единой образующей конической поверхности.

Кроме того, объектив кератометра выполнен афокальным в виде двухкомпонентной автоколлимационной системы с положительными оптическими силами обоих компонентов, причем измерительная марка расположена в заднем фокусе первого компонента, совмещенном с передним фокусом второго компонента, а чувствительный элемент блока регистрации изображений измерительной марки расположен в выходном зрачке телескопической системы.

На фиг.1 изображена принципиальная оптическая схема кератометра и показан ход лучей; на фиг.2-4 варианты оптической схемы; на фиг.5 схема образования изображений измерительной марки, построенных лучами, отраженными от внешней поверхности исследуемой роговицы; на фиг.6 теоретический вид изображений измерительных марок (кератограмм), построенных в плоскости чувствительного элемента блока регистрации при исследовании роговицы, имеющей параболическую форму внешней поверхности.

Кератометр (см. фиг.1) содержит источник света 1, например электрическую лампу накаливания, светофильтр 2, конденсор 3, светоделительное устройство 4, выполненное, например, в виде кубика, состоящего из двух склеенных прямоугольных призм с полупрозрачной гипотенузной гранью, измерительную марку 5, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом F' объектива 6, коническое зеркало 7 с зеркальным покрытием внешней конической поверхности, комбинированное коническое зеркало 8 с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, защитное стекло 9, регистрирующее устройство 10, в роли которого может использоваться, например, видеокамера с чувствительным элементом (матрицей приборов зарядовой связи ПЗС) или фотокамера; Р исследуемая роговица, О вершина роговицы, АВ зона размещения роговицы; σ₁, σ₂, σ₃ углы наклона к оптической оси элементарных пучков параллельных лучей, пересекающихся в зоне размещения роговицы.

Кератометр, изображенный на фиг.2, содержит комбинированное коническое зеркало 7 с внешним зеркальным покрытием конических поверхностей, а коническое зеркало 8 выполнено в виде полого усеченного конуса с единой образующей конической поверхности.

Кератометр, изображенный на фиг.3, содержит апертурную диафрагму 11, оптически сопряженную с измерительной маркой 5 с помощью светоделительного устройства 4, размещенного между объективом 6 и диафрагмой 11. Такое расположение элементов выгодно в конструктивном отношении в тех случаях, когда расстояние от диафрагмы 5 до регистрирующего устройства 10 не позволяет разместить светоделительное устройство 4.

Кератометр, изображенный на фиг.4, содержит афокальный объектив, состоящий из первого компонента 6 и второго компонента 12, выполняющих функции объектива и окуляра телескопической системы. Задний фокус F' первого компонента 6, содержащего две линзы, совмещен с передним фокусом F второго компонента 12. Измерительная марка 5 расположена в совмещенных фокусах обоих компонентов, а чувствительный элемент блока 10 регистрации изображений измерительной марки расположен в выходном зрачке телескопической системы.

На фиг. 1.4 показан ход лучей в меридиональной плоскости от источника света до зоны размещения роговицы.

Кератометр действует следующим образом (см. фиг.1). Пучок параллельных лучей, выходящий из объектива 6 параллельно оптической оси, после отражения от зеркальных поверхностей системы конических зеркал 7 и 8, распадается на ряд элементарных пучков параллельных лучей с различными углами σ₁, σ₂, σ₃ наклона к оптической оси кератометра. Углы наклона к оси образующих конических зеркальных поверхностей выбраны так, что все пучки пересекаются на оптической оси в зоне размещения роговицы Р, что всегда возможно согласно законам геометрической оптики. Кроме того, роговица освещается осевым пучком параллельных лучей, выходящим из объектива 6 и падающим непосредственно на роговицу, минуя конические зеркала 7 и 8. Этот пучок поступает на роговицу через центральное отверстие в коническом зеркале 7. Среди лучей, падающих на роговицу Р, имеются характерные лучи. К ним относятся лучи, падающие нормально на поверхность роговицы; после отражения от последней они повторяют свой путь в обратном направлении. Кроме того, существуют лучи, идущие строго параллельно оси после отражения от роговицы, а также лучи осевого пучка, которые после отражения от роговицы идут под углом к оси. Отраженные от роговицы характерные лучи являются главными лучами узких пучков лучей, апертура которых зависит от выбранного диаметра отверстия измерительной марки 5 (см. фиг. 1 и 2) и диафрагмы 11 (см. фиг.3 и 4). В плоскости чувствительного элемента блока 10 формируются кольцевые изображения измерительной марки. Зная конструктивные параметры кератометра и измерив диаметры кольцевых изображений измерительной марки, можно определить геометрическую форму роговицы математическими приемами, суть которых поясняется на фиг.5 и 6.

Среди параллельных лучей 1.6 (см. фиг.5), падающих на поверхность роговицы Р под углом σ к оси, всегда найдутся два характерных луча 2 и 5. Луч 2 совпадает с нормалью ЕС к поверхности роговицы в точке Е, поэтому после отражения от нее он пойдет в обратном направлении (луч 2'). Лучи 1 и 3, идущие близко к лучу 2, после отражения от роговицы формируют мнимое изображение М₁ измерительной марки. Точка М₁ в понятиях геометрической оптики является меридиональным фокусом роговицы в зоне с центром в точке Е. Луч 5 падает на роговицу в точку К и после отражения от нее идет строго параллельно оптической оси на высоте Y. Отраженные лучи 4', 5' и 6' формируют мнимое изображение М₂ измерительной марки, которое в общем случае не совпадает с точкой М₁.

В то же время на роговицу падает пучок параллельных лучей 7, 8 и 9, выходящий из объектива, минуя систему конических зеркал. Среди этих лучей имеется луч 8, идущий параллельно оси на высоте Y и падающий на роговицу в точку Т. Так как точки К и Т расположены симметрично относительно оси, то ход лучей, описанный выше для точки К, имеет место и для точки Т. Отраженные лучи 7', 8' и 9' образуют изображение измерительной марки в точке М₃. При малых углах σ точка М₃ совпадает с параксиальным фокусом F_p отражающей поверхности роговицы. Лучи 2', 5'', 8' и лучи, симметричные им относительно оптической оси, являются главными лучами, формирующими кольцевые изображения измерительной марки.

Из фиг.5 следует, что расстояние b между главными лучами 2' и 5'' определяется по формуле: b (f + ΔS_n) sinσ (1) где f фокусное расстояние отражающей поверхности роговицы в центральной зоне КОТ; ΔS_n продольная аберрация нормали ЕС, равная расстоянию от точки С пересечения нормали ЕС с осью до точки С₀ центром кривизны при вершине роговицы.

Для углов σ≅25^о центральная зона роговицы мало отличается от сферы, радиус кривизны r которой, как следует из фиг.5, можно определить по формуле r Y cosec (2) Согласно описанному ходу лучей, в плоскости чувствительного элемента блока регистрации изображений измерительной марки образуются две системы колец (так называемых кератограмм): система N и система Н (см. фиг.6). При перемещениях роговицы в пределах зоны АВ (см. фиг.1.4) система N остается неподвижной, причем радиусы колец этой системы суть масштабированные значения величины Y, определяемые формулой (2). При перемещениях роговицы в зоне АВ (см. фиг.1.4) радиусы колец системы Н изменяются, но расстояние между дугами колец, соответствующих одному и тому же углу σ, остается неизменным и равным масштабированному значению величины b, определяемому формулой (1). Масштабированные значения величин Y и b получают путем деления их на линейное увеличение оптической системы кератометра.

Определяя величины Y и b путем измерения их масштабированных значений, получают зависимость ΔS_n sinσ от σдля ряда дискретных значений углов σ, определенных конструкцией кератометра. Отклонение l₀ поверхности роговицы от вершинной сферы определяют по известной из теории аберраций формуле: l_o= ΔS_nsin σ dσ (3) Так как внешняя поверхность роговицы гладкая, то для интегрирования по формуле (3) достаточно иметь 2.3 значения для различных углов σ.

Применение матрицы ПЗС, входящей в состав видеокамеры, сопряженной с устройством кадровой памяти и компьютером, позволяет в реальном времени, практически мгновенно, получить всю необходимую информацию о топографии внешней поверхности роговицы.

Примером конкретного выполнения кератометра может служить схема на фиг. 4, на которой все оптические элементы и расстояния между ними изображены примерно в масштабе 1:1. Диаметр входного зрачка объектива 6 равен 52 мм, фокусное расстояние 140 мм, видимое увеличение афокальной системы примерно 10^х, углы наклона образующих конических зеркал 7 и 8 обеспечивают набор топографических углов σ= 25, 30, 35 и 40^о. Зона размещения роговицы удалена от прибора на 60 мм.

Преимущества предлагаемого кератометра по сравнению с известными заключаются в возможности достижения рекордных полезных характеристик. Главное преимущество заключается в возможности освещения роговицы пучком под углом σ= 45^о к оси, что соответствует углу охвата роговицы равному 180^о. Ни один из известных кератометров не способен обеспечить измерений роговицы с таким углом охвата, так как для этого потребовалось бы разместить голову пациента внутри прибора. Кроме того, удаление глаза пациента от прибора исключает их взаимный контакт. Габаритные размеры кератометра не превосходят размеров стандартного листа писчей бумаги, что позволяет использовать его в операционных и передвижных амбулаториях.

Кератометр виброустойчив, так как в системе конических зеркал лучи света отражаются от зеркальных поверхностей дважды. По этой же причине он не теряет точности при децентрировке системы конических зеркал относительно объектива.

Формула изобретения

1. КЕРАТОМЕТР, содержащий источник света, измерительную марку, объектив, коническое зеркало и блок регистрации изображений измерительной марки, отличающийся тем, что коническое зеркало выполнено комбинированным в виде системы прямых круглых усеченных центрированных конических зеркал с внешними и внутренними зеркальными коническими поверхностями, общая ось которых совмещена с оптической осью объектива, в заднем фокусе которого расположена измерительная марка, выполненная в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре, освещаемая источником света, а вершины конических поверхностей зеркал обращены к объективу, причем углы наклона образующих конических поверхностей зеркал к их общей оси выбраны с возможностью образования на выходе из системы конических зеркал после последовательного отражения лучей света от внешних и внутренних конических поверхностей зеркал пучков параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающихся в зоне размещения роговицы.

2. Кератометр по п.1, отличающийся тем, что конические зеркала с внешними зеркальными коническими поверхностями выполнены в виде набора усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, а конические зеркала с внутренними коническими поверхностями выполнены в виде полого усеченного конуса с единой образующей конической поверхности.

3. Кератометр по п.1, отличающийся тем, что объектив выполнен афокальным в виде двухкомпонентной автоколлимационной телескопической системы с положительными оптическими силами обоих компонентов, причем измерительная марка расположена в заднем фокусе первого компонента, совмещенном с передним фокусом второго компонента, а чувствительный элемент блока регистрации изображений измерительной марки расположен в выходном зрачке телескопической системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6