КЕРАТОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК A61B3/107 

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к офтальмологическим приборам, предназначенным для измерения формы внешней поверхности роговицы глаза.

Известен кератометр [1] , содержащий плосковыпуклую линзу, толщина которой равна радиусу ее сферической поверхности, и коническое зеркало, выполненное в виде прямого полого усеченного конуса, причем система измерительных марок расположена в фокальной сфере линзы, а центр входного зрачка объектива совмещен с задним фокусом линзы, при этом все элементы расположены на одной оптической оси.

При обследовании пациентов с помощью известного кератометра [1] необходимо разместить роговицу в непосредственной близости от малого основания конического зеркала, а потому контакт лица пациента с прибором неизбежен. Кроме того, изготовление системы измерительных марок в виде набора концентрических колец, носителем которых является концентрическая линза, представляет собой сложную технологическую задачу.

Известен также кератометр [2], снабженный комбинированным коническим зеркалом, выполненным 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 посредством светоделительного устройства. Комбинированное коническое зеркало в таком кератометре выполнено либо в виде конического зеркала с зеркальным покрытием внешней конической поверхности и комбинированного конического зеркала с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, либо в виде усеченного полого конического зеркала с зеркальным покрытием внутренней конической поверхности и комбинированного конического зеркала с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей.

Наличие светоделительного устройства в известном кератометре [2], во-первых, усложняет конструкцию кератометра, что в свою очередь влечет за собой увеличение габаритных размеров и массы известного кератометра и снижает технологичность его изготовления, а во-вторых, уменьшает контрастность регистрируемых кольцевых изображений измерительной марки, что делает измерения ненадежными. К тому же наличие в известном кератометре [2] точечной измерительной марки, выполненной в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре, порождает появление разрывов в регистрируемых кольцевых изображениях измерительной марки при поперечных смещениях кератометра относительно глаза пациента, что влечет за собой необходимость точного наведения кератометра на глаз пациента, а также приводит к невозможности обследования пациентов с роговицами, подверженными сильным послеоперационным деформациям сложной формы, и с роговицами с высокой степенью торичности. Для того чтобы снизить допустимую погрешность поперечного наведения известного кератометра [2], необходимо увеличивать диаметр отверстия измерительной марки, что в свою очередь ведет к увеличению расходимости падающего на роговицу излучения и потери точности измерений.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить точность и надежность измерений, расширить функциональные возможности кератометра путем предоставления возможности обследования пациентов с роговицами сложной формы, уменьшить габаритные размеры и массу кератометра и тем самым повысить технологичность его изготовления.

Это достигается тем, что в комбинированном коническом зеркале конические зеркала, и с внешним зеркальным покрытием, и с внутренним зеркальным покрытием выполнены в виде усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, причем количество конических поверхностей с внутренним зеркальным покрытием строго вдвое больше, чем с внешним, а общая ось всех конических зеркал комбинированного конического зеркала совмещена с оптической осью объектива, в фокальной поверхности которого расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины, а углы наклона образующих конических поверхностей к их оси выбраны так, что лучи света, выходящие из объектива под углом к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца, последовательно отраженные от внешних и каждой второй (по ходу лучей) внутренней конической поверхности этих зеркал, образуют при выходе из системы конических зеркал пучки параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающиеся в зоне размещения роговицы, а углы наклона образующих оставшейся части внутренних конических поверхностей к их оси выбраны так, что характерные лучи, отраженные от поверхности роговицы, затем последовательно отражаясь от каждой второй (по ходу лучей) внутренней и внешних конических поверхностей, при выходе из системы конических зеркал идут в своем обратном ходе до объектива параллельно оптической оси.

Кроме того, объектив кератометра выполнен в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая - на центральную зону, причем первый компонент является общим для обеих систем, а вторые компоненты различны, к тому же измерительная марка расположена в фокальной поверхности первого компонента, а параллельность действия обеих систем обеспечивается посредством плоского зеркала, расположенного в промежутке между измерительной маркой и вторыми компонентами.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема кератометра и показан ход лучей; на фиг. 2 - схема образования изображений измерительной марки, построенных лучами, отраженными от внешней поверхности исследуемой роговицы; на фиг. 3 - теоретический вид изображений измерительной марки (кератограммы), построенных в плоскости чувствительного элемента блока регистрации центральной зоны; фиг. 4 - теоретический вид кератограммы, получаемой в плоскости чувствительного элемента блока регистрации периферийной зоны.

Кератометр (см. фиг. 1) содержит измерительную марку 1, представляющую собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины 2, расположенной так, что поверхность измерительной марки совпадает с фокальной поверхностью объектива 3, комбинированное коническое зеркало 4 с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, комбинированное коническое зеркало 5 с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, защитное стекло 6, апертурную диафрагму 8, центр отверстия которой совмещен с задним фокусом F' объектива 3, кольцевой источник света 9, плоское зеркало 10, проекционный объектив центральной зоны 11, проекционный объектив периферийной зоны 12, регистрирующее устройство центральной зоны 13, например матрица приборов зарядовой связи - ПЗС, регистрирующее устройство периферийной зоны 14, например, также матрица приборов зарядовой связи - ПЗС; 7 - исследуемая роговица; α - зона размещения роговицы; - углы наклона к оптической оси элементарных пучков параллельных лучей, пересекающихся в зоне размещения роговицы.

Кератометр действует следующим образом (см. фиг. 1). Пучки параллельных лучей, выходящие из объектива 3 под углами наклона к оптической оси, определяемыми диаметром измерительной марки 1, после отражения от зеркальных поверхностей системы конических зеркал 4 и каждой второй при счете в направлении хода лучей зеркальной поверхности системы конических зеркал 5 распадается на ряд элементарных лучей с различными углами α₁, α₂, α₃ наклона к оптической оси кератометра. Углы наклона к оси образующих соответствующих конических зеркальных поверхностей выбраны так, что все пучки пересекаются на оптической оси в зоне размещения α роговицы 7. Кроме того, роговица освещается пучками параллельных лучей, выходящими из объектива 3 под углом α_o к оптической оси, определяемыми диаметром измерительной марки 1 и падающими непосредственно на роговицу, минуя комбинированные конические зеркала 4 и 5. Эти пучки поступают на роговицу через центральное отверстие в комбинированном коническом зеркале 4. Среди лучей, падающих на роговицу 7, имеются характерные лучи. К ним относятся лучи, продолжающие свой путь под углами к оптической оси после отражения от роговицы и до встречи с коническими зеркалами 5 и 4, которые затем, отражаясь от каждой второй, при счете теперь уже в обратном направлении, конической поверхности комбинированного конического зеркала 5 и конических поверхностей комбинированного конического зеркала 4, идут параллельно оптической оси до попадания в объектив 3. Кроме того, существуют лучи, сразу идущие параллельно оси после отражения от роговицы, а также лучи параллельных пучков, попадающих на роговицу через центральное отверстие в комбинированном коническом зеркале 4, которые после отражения от роговицы идут под углами к оптической оси. Отраженные от роговицы характерные лучи являются главными лучами узких пучков лучей, апертура которых зависит от выбранного диаметра отверстия апертурной диафрагмы 8. В плоскостях чувствительных элементов 13 и 14 формируются кольцевые изображения измерительной марки соответственно от центральной и периферийной зон поверхности роговицы. Зная конструктивные параметры кератометра и измерив диаметры кольцевых изображений измерительной марки, можно определить геометрическую форму роговицы математическими приемами, суть которых поясняется на фиг. 2, 3 и 4.

Среди параллельных лучей 1...6 (см. фиг. 2), падающих на поверхность роговицы P под углом α к оси, всегда найдутся два характерных луча 2 и 5. Луч 2 после отражения от роговицы пойдет под углом α′ к оптической оси (луч 2'). Лучи 1 и 3, идущие близко к лучу 2, после отражения от роговицы формируют мнимое изображение M₁ измерительной марки. Луч 5 после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ (луч 5'). Отраженные лучи 4', 5' и 6' формируют мнимое изображение M₂ измерительной марки.

В то же время на роговицу под углом α₀ к оси падает пучок параллельных лучей 7...12, выходящий из объектива, минуя систему конических зеркал. Среди этих лучей имеется луч 8, который после отражения от роговицы в точке K ее поверхности идет под углом α′ к оси (луч 8'). Отраженные лучи 7', 8' и 9' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке M₃. Имеется также луч 11, который после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ_o (луч 11'). Отраженные лучи 10', 11' и 12' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке M₄.

Лучи 2', 5', 8', 11' и лучи, симметричные им относительно оптической оси, являются главными лучами, формирующими кольцевые изображения измерительной марки, причем лучи 5' и 11' формируют центральную систему кольцевых изображений (см. фиг. 3), а лучи 2' и 8' формируют периферийную систему кольцевых изображений (см. фиг. 4). При перемещениях роговицы в пределах зоны размещения α (см. фиг. 1) центральная система кольцевых изображений остается неподвижной, причем радиусы колец этой системы суть масштабированные в соответствии с выбранным линейным увеличением проекционной системы центральной зоны значения величин ρ и ρ_o, а радиусы колец периферийной системы изменяются, но расстояния между дугами колец, соответствующих одному и тому же углу α′, остаются неизменными и равными масштабированным в соответствии с выбранным линейным увеличением проекционной системы периферийной зоны значениям величины c.

Для угла α_o центральная зона роговицы мало отличается от сферы при вершине O ее поверхности P. Радиус кривизны вершинной сферы r₀ можно определить по формуле:

Определяя величины ρ путем измерения их масштабированных значений, получают зависимость ρ от α для ряда дискретных значений углов α, определенных конструкцией кератометра. Зная зависимость ρ от α и вычисляя r₀ по формуле (1), поверхность роговицы в центральной зоне аппроксимируют поверхностью второго порядка с двумя плоскостями симметрии. Пользуясь результатом аппроксимации поверхности роговицы в центральной зоне, вычисляются координаты y_c и z_c точки K в системе координат YOZ, связанной с вершиной О поверхности (см. фиг. 2), как точки с известным углом наклона нормали Φ, который определяется по формуле:

В той же системе координат YOZ, связанной с вершиной O (см. фиг. 2) поверхности роговицы, характерный луч 2' описывается уравнением прямой линии вида:

Вычисляя координаты точек пересечения прямых линий вида (3), описывающих характерные лучи, отраженные от поверхности роговицы под разными топографическими углами α′ в точках ее поверхности с одним и тем же наклоном нормали к оптической оси прибора, определяется топография внешней поверхности роговицы в периферийной зоне.

Примером конкретного выполнения может служить кератометр (см. фиг. 1), у которого диаметр входного зрачка объектива 3 равен 66 мм, фокусное расстояние 150 мм, диаметр светящегося кольца 1 измерительной марки 26 мм, углы наклона образующих конических зеркал 4 и 5 обеспечивают набор топографических углов α_o = 5^o, α₁ = 27.5^o, α₂ = 37.5^o, α₃ = 47.5^o, = 22.5^o, = 32.5^o, = 42.5^o, а зона размещения α роговицы удалена от прибора на 80 мм.

Источники информации
1. А.с. 1762894 СССР, МКИ4 A 61 B 3/10. Кератометр /Федоров С.Н. (СССР), Пуряев Д.Т. (СССР), Ласкин А.В. (СССР) // БИ N 35. - 1992.

2. Патент 93057175/14 РФ A 61 B 3/10, 1993. Кератометр / Пуряев Д.Т. (РФ) // БИ N 11. - 1996.

Изобретение относится к медицинской технике, а более конкретно к офтальмологическим приборам-кератометрам, предназначенным для измерения формы внешней поверхности роговицы глаза. Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности измерений, расширение функциональных возможностей кератометра. Кератометр содержит комбинированное коническое зеркало, в котором конические зеркала и с внешним и с внутренним зеркальными покрытиями выполнены в виде наборов усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси. Общая ось всех конических зеркал комбинированного конического зеркала совмещена с оптической осью объектива, в фокальной поверхности которого расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кератометр, содержащий источник света, измерительную марку, объектив, комбинированное коническое зеркало, выполненное в виде набора конических зеркал с внешними и внутренними зеркальными коническими поверхностями, и блок регистрации изображений измерительной марки, отличающийся тем, что в комбинированном коническом зеркале и конические зеркала с внешними зеркальными коническими поверхностями, и конические зеркала с внутренними зеркальными коническими поверхностями выполнены в виде набора усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, причем количество конических поверхностей с внутренним зеркальным покрытием ровно вдвое больше количества конических поверхностей с внешним зеркальным покрытием, а общая ось всех зеркальных поверхностей совмещена с оптической осью объектива, в фокальной поверхности которого расположена измерительная марка, выполненная в виде светящегося кольца, причем углы наклона образующих конических поверхностей выбрана так, что лучи света, выходящие из объектива под углом к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца, последовательно отраженные от внешних и каждой второй внутренней конической поверхности этих зеркал, образуют при выходе из системы конических зеркал пучки параллельных лучей с различными углами наклона к оптической оси, пересекающиеся в зоне размещения роговицы, а углы наклона образующих оставшейся части внутренних конических поверхностей к их оси выбраны так, что характерные лучи, отраженные от поверхности роговицы, затем последовательно отражаясь от них и внешних конических поверхностей, при выходе из системы конических зеркал идут, в обратном ходе, до объектива параллельно оптической оси. 2. Кератометр по п. 1, отличающийся тем, что объектив кератометра выполнен в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая на центральную зону, причем первый компонент является общим для обеих систем, а вторые компоненты различны, к тому же измерительная марка расположена в фокальной поверхности первого компонента, а параллельность действия обеих систем обеспечивается посредством плоского зеркала, расположенного в промежутке между измерительной маркой и вторыми компонентами.