Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии
жүктеу/скачать 1.12 Mb.
|
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 Δb, 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, α = 1/3420 радиана - угол соответствующий нормальной остроте зрения. Подставив численные значения из таблицы Гульстранда, найдем, что для нормальной остроты зрения изменение расстояний Δb и соответственно Δf 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 φ между лучом и оптической осью взамен классического угла отсчитываемого от нормали:   (5)
или n cos(φ) = const Поскольку константой является произведение показателя преломления на косинус угла (5), то и квадрат выражения так же константа, которую обозначим, как C =  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. жүктеу/скачать 1.12 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
и которая задается граничными условиями (углом входа луча в вещество), что соответствует следующему уравнению: