Принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

М И Л А Н И Ч

Александр Иванович
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

Москва – 2009

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.

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.
   

- 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.
   

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.)
   

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.

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.

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.

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.
  

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.

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.

). 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.

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.