Метод калибровки приборов и результаты натурных испытаний

Значительные усилия были направлены на точную калибровку и поверку приборов, поскольку не надо объяснять, что ошибка в калибровке негативным образом сказывается на точности любых измерений. Разработка методики поверки не простой вопрос, поскольку тестер зрения относился к приборам нового класса и ранее не выпускался в России.

При проверке инструментальной точности фактически проверяется правильность рассчитанной на компьютере шкалы, обоснованность метода настройки прибора и всех предложенных принципов конструирования и оптимизации приборов. Для выполнения поверки приборов предложена соответствующая методика и совместно с автором диссертации разработано и изготовлено специальное, поверочное оборудование для РОСТЕСТ-МОСКВА (обозначено как ППТ-1 в описании испытаний), см. Рис. 10

Рис. 10

Принцип поверки инструментальной точности состоит в проецировании изображения тест-объекта на экран и в экспериментальной проверке соответствия шкалы прибора расчетному расстоянию до экрана.

Конструкция тестера зрения успешно выдержала все испытания (в том числе климатические и д.р.), поэтому в заключении РОСТЕСТ-МОСКВА сказано: «утвердить тип тестеров зрения Tango N, Tango F и внести их в Государственный реестр средств измерений». Так же в Акте Испытаний от 10.10.2000г. отмечено, что «предел абсолютной погрешности измерений оптической силы составляет +0,05 диоптрии». Таким образом, в результате комплекса мер достигнута высокая инструментальная точность измерений рефракции и объема аккомодации соответствующая точности профессионального, оптометрического оборудования.

Пример одного из протоколов натурных испытаний прибора серии Tango F представлен ниже.

Проводимые впоследствии другие независимые испытания подтвердили заявленную инструментальную точность прибора.

Протокол испытаний тестера зрения Tango F 19.05.2000

JOB типа OPTIC зав.номер 4

Изготовитель: НITON Владелец: HITON

Поверитель : Чупраков Доверительная вероятность: .95

-----------------------------------------------------------------------

Наблюд.|Перев.|Средн.|Эталон|Пог.эт| НСП |Гр.НСП| СКО |Гр.СКО| Погр.|

Dс | T | | | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. | Абс. |

-----------------------------------------------------------------------

Функция преобразования: T = Dс.

Измерение N 1 Комментарий: Tango+7

Число наблюдений : 5

6.89 6.89 7.002 7 0 0.00 0.00 0.07 0.190 0.190

6.99 6.99 Коэффициент Стьюдента = 2.776

7.24 7.24

6.85 6.85

7.04 7.04
Измерение N 2 Комментарий: Tango+6

Число наблюдений : 5

6.06 6.06 5.922 6 0 0.08 0.09 0.04 0.113 0.135

5.95 5.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.23

5.84 5.84

5.84 5.84

5.92 5.92
Измерение N 3 Комментарий: Tango+5

Число наблюдений : 5

4.95 4.95 4.902 5 0 0.10 0.108 0.02 0.06 0.124

4.95 4.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.03

4.88 4.88

4.9 4.9

Число наблюдений : 5

3.95 3.95 3.97 4 0 0.03 0.03 0.02 0.050 0.06

3.92 3.92 СКОсумм = 0.025 Коэффициент = 2.27

3.97 3.97

4.03 4.03

3.98 3.98
Измерение N 5 Комментарий: Tango+3

Число наблюдений : 5

3.01 3.01 3.008 3 0 0.01 0.01 0.01 0.03 0.03

3.02 3.02 Коэффициент Стьюдента = 2.776

3.01 3.01

3.03 3.03

2.97 2.97
Измерение N 6 Комментарий: Tango+2

Число наблюдений : 5

1.97 1.97 1.968 2 0 0.03 0.04 0.00 0.01 0.04

1.96 1.96 Коэффициент Стьюдента = 2.776

1.96 1.96

1.97 1.97

1.98 1.98
Измерение N 7 Комментарий: Tango 0

Число наблюдений : 5

3.95 3.95 3.936 4 0 0.06 0.07 0.02 0.05 0.09

3.98 3.98 СКОсумм = 0.04 Коэффициент = 2.09

3.92 3.92

3.87 3.87

3.96 3.96
Измерение N 8 Комментарий: Tango-1

Число наблюдений : 5

2.96 2.96 2.97 3 0 0.03 0.03 0.01 0.02 0.04

2.97 2.97 СКОсумм = 0.02 Коэффициент = 2.05

2.96 2.96

3 3

Число наблюдений : 5

2 2 1.986 2 0 0.01 0.02 0.01 0.01 0.02

1.98 1.98 СКОсумм = 0.01 Коэффициент = 2.14

1.99 1.99

1.99 1.99

1.97 1.97
Измерение N 10 Комментарий: Tango-3

Число наблюдений : 5

4.88 4.88 4.912 5 0 0.088 0.10 0.03 0.08 0.124

4.95 4.95 СКОсумм = 0.06 Коэффициент = 2.11

5 5

4.9 4.9

Число наблюдений : 5

3.95 3.95 3.97 4 0 0.03 0.03 0.01 0.04 0.05

4.02 4.02 СКОсумм = 0.02 Коэффициент = 2.19

3.97 3.97

3.97 3.97

3.94 3.94
Измерение N 12 Комментарий: Tango-6

Число наблюдений : 5

2.01 2.01 1.994 2 0 0.01 0.01 0.01 0.03 0.03

1.98 1.98 Коэффициент Стьюдента = 2.776

1.99 1.99

1.97 1.97

2.02 2.02

В результате проделанной работы была поставлена и успешно решена практически задача создания компактного оптометрического прибора для мониторинга параметров зрения. Кроме того, разработаны, обоснованы и экспериментально проверены принципы конструирования приборов класса индивидуальной оптометрии.

Разнообразие предложенных в патенте №2202937 от 27.04.2003 модификаций прибора, обусловлено разнообразием существующих в индивидуальной оптометрии задач. Как наиболее перспективная рассматривается схема прибора, вовсе лишенная подвижных частей. В таком приборе, следует использовать формулу (11) для расчета шкалы клинической рефракции, которая аналогична приведенной ранее формуле (10).

Х = n*R /(n-1-R*N) (11)

Здесь Х расстояние до тест-объекта в стекле измеренное от вершины линзы с радиусом R и показателем преломления n, N – численное значение диоптрий шкалы прибора с учетом знака.

Формула (11) предполагает «тонкую линзу» и небольшое расстояние между глазом и линзой, что соответствует малым углам и небольшой апертуре.

Были изготовлены первые образцы тестера-тренажера GNOMe (ТУ 4431-003-06705227-08) из стекла размером 8х8х70 мм для самоконтроля рефракции и аккомодации, где шкала совмещена с тестом и наносится лазером внутри стекла. Предварительные эксперименты по созданию протяженных тест-объектов в стекле К-8 показали, что необходима оптимизация параметров лазерного излучения и совершенствование технологии лазерного пробоя для устранения сколов заготовки. Сегодня основные технологические трудности успешно преодолены (см. Рис. 11).

Из-за компактности и простоты изготовления целиком стеклянного прибора, а также благодаря исключительно высоким эксплутационным характеристикам по отношению к вибрации, к влиянию климатических изменений и т.п., данный прибор выглядит весьма перспективным. Кроме того, в приборе из стекла автоматически присутствует функция тренировки зрения, что является важным преимуществом данного прибора.



Рис. 11 Тестеры зрения серии GNOMe
Другие предложенные в патентах схемы приборов технически осуществимы и реализованы на разработанных единых принципах конструирования и оптимизации. Большинство исследованных моделей и прототипов легко модифицируются, в том числе и в «электронный» вариант прибора (см. Рис. 12).

Результаты испытаний электронной схемы тестера зрения выявили не только высокие эксплуатационные характеристики, но и определенные технологические проблемы, которые ждут своего решения.

В данном разделе проведен сравнительный анализ различных кинематических схем тестеров зрения, рассмотрены варианты возможных цифровых приборов, выбраны и уточнены принципы оцифровки расстояний и др. Выполнены предварительные работы по полномасштабному 3-Д макетированию ряда перспективных моделей приборов.

Рис. 12 Прототип электронного тестера зрения

В результате анализа представленных в разделе 3.1 ряда кинематических схем сделан вывод, что оптические схемы приборов позволяют на единой основе и общих принципах реализовать разные модификации оптиметров. Но именно удачный выбор кинематики предопределяет простоту, удобство, стоимость и надежность прибора.

Поскольку тестер зрения можно сравнить с термометром для глаз, то, как и термометр, тестер зрения не лечит, а лишь предупреждает об опасности и «советует», когда следует обратиться к врачу.

На практике сформировались следующие основные области применения приборов индивидуальной оптометрии:

1. Прежде всего, тестер зрения широко используют школьники и студенты.

2. Тестеры зрения опробованы для контроля зрения у водителей легкового и грузового транспорта.

3. Самое большое число приборов приобретено врачами, причем самых различных профилей и специализаций.

4. Также тестер зрения приобретали магазины по продаже очков и оптических приборов.

5. Функция тренировки зрения имеет большой спрос и в этом направлении получены предварительные результаты.

Это далеко не полный перечень, поскольку проводились пробные продажи, а массовое применение приборов может внести в данный перечень существенные коррективы.
3.3 Сравнительные характеристики индивидуальных оптометров

В этом разделе проведено сравнение технических характеристик тестера зрения с аналогичными характеристиками других приборов.

Сравнение параметров тестера зрения и Фокометра выполнено на основе сравнительного анализа литературы и патентов. Выявлены существенные преимущества тестера зрения перед Фокометром по ряду важнейших параметров, например:

1. Для обеспечения линейности шкалы Фокометр использует более сложную оптическую систему.

2. Размещение призмы Пехана на оптической оси Фокометра привносит дополнительные аберрации и снижает точность измерения рефракции.

3. Вероятно, у Фокометра существуют трудности при калибровке прибора, поэтому точность измерений тестера зрения ВЫШЕ.

4. По ряду методик отмечено как сходство, так и различие между Фокометром и Тестером зрения даже при решении схожих задач, например, при измерении астигматизма. Методики Фокометра накладывают ряд существенных ограничений на расстояние до таблицы, которых нет у Тестера Зрения.

5. Тестер зрения имеет некоторые дополнительные функции, которые не заявлены в Американском патенте и отсутствуют в конструкции Фокометра. При этом все функции, доступные Фокометру, доступны и для Тестера зрения.

6. Тестер зрения легче модифицировать под новые задачи.

7. Диапазон измерений у Тестера зрения 14 дптр., вместо 9 дптр. для Фокометра, что является дополнительным преимуществом Тестера зрения.

8. Фокометр более дорогой прибор (495 долларов) по сравнению с Тестером (1200 р.).

9. Вес Фокометра около 1 кГ, против 40 Грамм у Тестера зрения.

Ряд сделанных выше выводов нашел подтверждение у независимых оптометристов, непосредственно использовавших Фокометр в Индии и проверивших при помощи Фокометра 188 глаз пациентов.

Кроме Фокометра, проанализирован продукт компании Edmund Scientific - Vision Tester CR38-624 из каталога 2000г, который из-за невысокой точности, вероятно, уже снят с производства.

Сравнительный анализ оптиметров показал, что тестер зрения превосходит известные аналоги по основным техническим параметрам (точность, вес, простота и т.д.). При небольшом весе, компактности и простоте эксплуатации точность измерений тестера зрения соответствует точности профессионального оборудования.

В ЗАКЛЮЧЕНИИИ представлены основные результаты:

1. 
   В результате проделанной работы разработаны и обоснованы принципы конструирования и на их основе реализован простой, компактный и надежный прибор индивидуальной оптометрии (тестер зрения) пригодный как для врачебного мониторинга, так и для и самоконтроля основных параметров зрения (рефракции, объема аккомодации, остроты зрения, астигматизма и т.д.).
   
2. 
   Предложена модель работы глаза, которая дополняет модель аккомодации Гельмгольца и позволяет точнее рассчитывать ход лучей в частности в неоднородных оптических средах.
   
3. 
   Предложен новый принцип и новая конструкция тест-объекта пригодная для ряда других оптометрических приборов, которая значительно повышает точность измерений и существенно снижает вклад в измерения «аккомодационной ошибки».
   
4. 
   Выполнены исследования по оптимизации основных параметров прибора, что обеспечило высокую, официально подтвержденную (*прибор внесен в госреестр средств измерений) инструментальную точность измерений лучше 0,25дптр. во всем диапазоне измерений.
   
5. 
   Разработаны новые методики измерений и новые тесты, которые адаптированы к специфическим условиям индивидуальной оптометрии.
   
6. 
   Разработана и успешно применена на практике новая система калибровки тестера зрения пригодная для поверки других приборов данного класса.
   
7. 
   Проработана эскизная документация на различные варианты и модификации тестера зрения, а также на ряд дополнительных устройств расширяющих функциональные возможности прибора.
   
8. 
   Подтвержден международный приоритет на изобретение, как посредством оформления заявки по форме PCT и Американского патента, так и путем участия в международных выставках (тестер зрения удостоен золотой медали на выставке в Париже в 2000 году), что юридически гарантирует беспрепятственную продажу тестера зрения на любых внешних рынках.
   
9. 
   Оформлены основные сертификаты и получены необходимые документы, дающие право начать серийное производство двух моделей тестеров зрения серии Tango (*приборы Tango N и F имеют соответствующие ТУ, методику поверки, Акт испытаний и т.д.)
   

ОСНОВЕЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ:

i А.И. Миланич патент РФ «Рефрактометр (Тестер Миланича)» №2137414 от 20.09.1999

ii А.И. Миланич патент РФ «Рефрактометр (Тестер Миланича)» от №2202937 от 27.04.2003

iii А.И Миланич международный приоритет WO1999RU0000356U от 04.05.2000 на REFRACTOMETER (MILANICH'S TESTER)

iv Заявка на Американский Патент, Alexander I. Milanich REFRACTOMETER (MILANICH'S TESTER) Application Number 10/123,286 Date 17.04.2002

v Диплом выставки изобретений 2000 года в Париже о присуждении Тестеру Зрения золотой медали (Concours Lepine, Salon International de L’Invention de Paris 2000).

vi А.И. Миланич «Новинка на оптическом рынке России», Независимый оптический журнал «Веко» №6 (50), сентябрь 2001, стр. 58

vii А.И. Миланич «Индивидуальные оптиметры и их сравнение» Биомеханика Глаза 2007, стр. 241 (сборник трудов межрегиональной конференции с иностранным участием)

viii Участие в конкурсе изобретений в США в 2004 году «Search For Invention 2004».

ix Участие в телевизионном конкурсе изобретений «Идеи для России» в 2007-2008 годах.

x А.И. Миланич «Теоретический предел точности измерения клинической рефракции» Измерительная техника №3 2008, стр. 51-53

xi А.И. Миланич «Количественный контроль аномалий цветовосприятия методом сравнения цвета полей», Метрология №11 2008, стр. 31-36

xii А.И. Миланич «Новые оптотипы для проверки остроты зрения» Измерительная техника №8 2008, стр. 37-39

xiii А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «История оптометрии» Биомедицинская радиоэлектроника №11 2008, стр. 71-76

xiv А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «Технические характеристики индивидуальных оптиметров» Биомедицинская радиоэлектроника №12 2008, стр. 63-68

xv А.И. Миланич, Д.И. Цыганов «Измерения в оптометрии и контроль остроты зрения по таблицам Головина-Сивцева» Труды 51-научной конференции Московского физико-технического института, часть 2, г. Долгопрудный Моск. обл. 27-30 ноября 2008, стр. 97-100

xvi А.И. Миланич «Особенности измерения астигматизма в индивидуальной оптометрии при помощи набора цилиндрических линз» Труды 51-научной конференции Московского физико-технического института, часть 2, г. Долгопрудный Моск. обл. 27-30 ноября 2008, стр. 93-96

xvii А.И. Миланич «О точности измерения клинической рефракции» тезисы доклада на первой международной медико-технической офтальмологической конференции (фев. 2008 стр.38)

xviii А.И. Миланич «Особенности тестов индивидуальной оптометрии» тезисы доклада на первой международной медико-технической офтальмологической конференции (фев. 2008 стр.37)

xix А.И. Миланич «Влияние компьютера на зрение и обзор некоторых индивидуальных оптометрических приборов», Успехи теоретической и клинической медицины т.2 вып. 7 2008 стр. 113-116

xx А.И. Миланич «Технические характеристики индивидуального оптиметра из стекла» Биомедицинская радиоэлектроника №8-9 2008, стр. 86-88

xxi A.I. Milanich “The Theoretical Limit to the Accuracy of Clinical Refraction Measurement” Measurement Techniques, Vol. 51, No. 3, 2008, p. 317-319

xxii A.I. Milanich “New Optotypes for Checking Visual Acuity” Measurement Techniques, Vol. 51, No. 8, 2008, p. 865-867

xxiii А.Г. Гудков, В.Ю. Леушин, А.И. Миланич «Новые приборы для измерения рефракции глаз и функционального лечения в офтальмологии» Медико-фармацевтический вестник Татарстана, № 45 (371), 2008, стр. 20

xxiv А.И. Миланич, В.А. Ночевкин «Уточненная модель человеческого глаза» доклад на 5 Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва 16-20 марта 2009, часть 1 стр. 101-102

xxv А.И. Миланич «Фовеа и механизм быстрой аккомодации» тезисы доклада на 2-ой международной научно-практической офтальмологической конференции «Функциональные методы диагностики и лечения рефракционных нарушений», Москва 26 марта 2009г. стр. 32

ВЫВОДЫ

- В результате проделанной работы заложены принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии, а также решена проблема создания индивидуального оптометрического прибора, имеющая важное научно-практическое и народнохозяйственное, социальное значение.

- На основании патентов России реализован прибор нового для оптометрии класса «индивидуальных» (домашних) оптометров, позволяющий с помощью специалиста или самостоятельно измерять рефракцию, объем аккомодации, астигматизм, остроту зрения и цветовосприятие, проводить широкий мониторинг параметров зрения населения и т.д.

- Заложенные в конструкции прибора принципы, позволяют инструментально реализовать функцию тренировки зрения, что является новым, перспективным направлением современной оптометрии.

- При габаритах 155х21х19 мм и весе менее 40 грамм инструментальная точность прибора лучше +0,25 дптр. соответствует точности профессионального оптометрического оборудования, что официально подтверждено актами государственных испытаний.

- Высокая точность прибора явилась следствием использования новых идей и принципов, всего комплекса мер по оптимизации оптической и кинематической схемы прибора, а также результатом применения разработанного принципиально нового типа тест-объекта сочетающего компактность, технологичность и экономичность.

- По своим техническим характеристикам прибор не уступает, а по основным параметрам и превосходит известные зарубежные аналоги.

- Разработаны и успешно реализованы новые принципы и методики измерения основных параметров зрения, при которых измеряемым параметрам зрения (рефракции и аккомодации) однозначно сопоставлены определенные, субъективные последовательности «изображений».