КЕРАТОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК A61B3/107 

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

Известен кератометр [1] для определения формы поверхности роговицы, снабженный коническим зеркалом. Главный недостаток этого кератометра заключается в том, что в процессе измерения пациент располагается в непосредственной близости от прибора или контактирует с ним.

Известен кератометр [2], снабженный комбинированным коническим зеркалом. В кератометре [2] устранен основной недостаток кератометра [1], связанный с малостью расстояния от прибора до зоны размещения роговицы, однако наличие светоделительного устройства и измерительной марки, выполненной в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре, соответственно делает измерения ненадежными и порождает появление разрывов в регистрируемых кольцевых изображениях измерительной марки при поперечных смещениях кератометра относительно глаза пациента и при отступлении формы поверхности роговицы от осесимметричной структуры.

Известен также кератометр [3], наиболее близкий к предлагаемому кератометру по технической сущности, содержащий комбинированное коническое зеркало, в котором количество конических поверхностей с внутренним зеркальным покрытием строго вдвое большее, чем с внешним, а общая ось всех конических зеркал совмещена с оптической осью двухкомпонентного объектива, в фокальной поверхности первого компонента которого расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины.

В указанном кератометре [3] устранены недостатки известного кератометра [2] , связанные с наличием светоделительного устройства и измерительной марки, выполненной в виде непрозрачного экрана с отверстием в центре. Однако комбинированное коническое зеркало имеет значительные габаритные размеры, что отрицательно сказывается на технологичности его изготовления и увеличивает массу прибора.

К тому же, известные кератометры [2] и [3] имеют еще один недостаток, который заключается в том, что для периферийной зоны поверхности роговицы в пространстве предметов предусмотрено несколько оптических каналов регистрации кольцевых изображений измерительной марки. Эти каналы образованы пучками параллельных лучей, отраженных от поверхности роговицы под разными топографическими углами к оптической оси прибора. Для кератометра [3] этими углами являются . В этом случае в пространстве предметов длина хода лучей, отраженных от поверхности роговицы, для разных топографических углов различна.

Таким образом, в периферийной зоне расстояние от объектива до предмета, которым является мнимое изображение измерительной марки от внешней поверхности роговицы, тоже различно для разных каналов регистрации. Это приводит к тому, что в плоскости регистрации кольцевых изображений измерительной марки для периферийной зоны одни кольцевые изображения будут сфокусированы, а другие нет. Следовательно, точность измерений будет понижена, либо возникнет необходимость фокусировки последовательно на каждый канал регистрации, что в свою очередь сделает невозможным одновременное снятие информации со всей поверхности роговицы, что нежелательно при условии, что глаз человека находится в постоянном колебательном движении.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить надежность и точность измерений, упростить конструкцию кератометра, расширить технологические допуски на его изготовление и обеспечить одновременное снятие информации со всей поверхности роговицы.

Это достигается тем, что комбинированное коническое зеркало состоит из блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности центрального отверстия, выполненного в виде усеченного конуса, и блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, причем общая ось всех конических зеркал в блоках совмещена с оптической осью объектива, выполненного в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая на центральную зону, причем в фокальной поверхности первого компонента объектива, являющегося общим для обеих систем, расположена измерительная марка, представляющая собой светящееся кольцо, которое может быть выполнено, например, в виде светорассеивающего штриха на поверхности плоскопараллельной пластины, освещаемого кольцевым источником света, а блоки выполнены в виде наборов усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси, выбранными таким образом, что лучи света, выходящие из объектива под углом к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки, последовательно отражаясь от каждой зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и каждой, за исключением предпоследней при счете от объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, образуют при выходе из системы конических зеркал оптические каналы освещения поверхности роговицы, пересекающиеся в зоне ее размещения, а характерные лучи света, отраженные от поверхности роговицы, либо сразу идут параллельно оптической оси, образуя оптический канал регистрации для центральной зоны, либо после последовательного отражения от предпоследней, при счете от объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей и последней, также при счете от объектива, внешней зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей идут параллельно оптической оси до попадания в объектив и образуют один оптический канал регистрации кольцевых изображений измерительной марки для периферийной зоны роговицы.

Кроме того, в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей внешние конические зеркала выполнены в виде усеченного конуса с единой образующей конической поверхности, а конические зеркала в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей выполнены в виде усеченных конусов с различными углами наклона образующих конических поверхностей к оптической оси.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема кератометра и показан ход лучей; на фиг.2 - вариант оптической схемы; на фиг.3 - схема образования изображений измерительной марки, построенных лучами, отраженными от внешней поверхности исследуемой роговицы; на фиг.4 - теоретический вид изображений измерительной марки (кератограммы), построенных в плоскости чувствительного элемента блока регистрации центральной зоны; фиг.5 - 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 указанная поверхность совпадает с фокальной поверхностью первого общего коллимирующего компонента 3 объектива, выполненного в виде двух параллельно действующих двухкомпонентных систем, одна из которых - компоненты 3 и 12 - работает на периферийную зону поверхности роговицы, а другая - компоненты 3 и 11 - на центральную зону, блок конических зеркал 4 с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности полого усеченного конуса центрального отверстия, блок конических зеркал 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; а - зона размещения роговицы; α₀, α₁, α₂, α₃, α′ - углы наклона к оптической оси элементарных пучков параллельных лучей, пересекающихся в зоне размещения роговицы.

Кератометр, изображенный на фиг.2, содержит блок конических зеркал 5 с различными наклонами образующих конических зеркал с внутренним зеркальным покрытием и блок конических зеркал 4 с единой образующей конической поверхности с внешним зеркальным покрытием.

Кератометр действует следующим образом (см. фиг.1). Пучки параллельных лучей, выходящие из объектива 3 под углом наклона к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки 1, после отражения от каждой внешней зеркальной поверхности блока конических зеркал 4 (или от единой внешней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 4 кератометра, изображенного на фиг.2) и каждой, за исключением предпоследней, при счете от коллимирующего объектива 3, внутренней зеркальной поверхности блока конических зеркал 5, распадается на ряд элементарных лучей с различными углами α₁, α₂, α₃ наклона к оптической оси кератометра, образующих оптические каналы освещения поверхности роговицы. Углы наклона к оси образующих соответствующих конических зеркальных поверхностей выбраны так, что все оптические каналы пересекаются на оптической оси в зоне размещения a роговицы 7. Кроме того, роговица освещается пучками параллельных лучей, также выходящими из объектива 3 под углом наклона к оптической оси, определяемым диаметром светящегося кольца измерительной марки 1, которые после отражения от внутренней зеркальной поверхности центрального отверстия блока конических зеркал 4 падают на роговицу 7 под углом α₀ к оптической оси и образуют еще один оптический канал освещения. Среди лучей, падающих на роговицу 7, имеются характерные лучи. К ним относятся лучи, продолжающие свой путь под углом α′ к оптической оси после отражения от роговицы и до встречи с коническими зеркалами блоков 5 и 4, которые затем, отражаясь от предпоследней при счете от коллимирующего объектива 3, внутренней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 5 и последней (или единой внешней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 4 кератометра, изображенного на фиг.2), также при счете от коллимирующего объектива 3, внешней зеркальной конической поверхности блока конических зеркал 4 идут параллельно оптической оси до попадания в объектив 3 и образуют в пространстве предметов один оптический канал регистрации кольцевых изображений измерительной марки для периферийной зоны. Кроме того, существуют лучи, сразу идущие параллельно оси после отражения от роговицы по оптическому каналу регистрации для центральной зоны, а также лучи параллельных пучков, попадающих на роговицу после отражения от внутренней зеркальной конической поверхности центрального отверстия блока конических зеркал 4, которые после отражения от роговицы идут под углом α′ к оптической оси по оптическому каналу регистрации периферийной зоны. 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 измерительных марок, можно определить геометрическую форму роговицы математическими приемами, суть которых поясняется на фиг.3, 4 и 5.

Среди параллельных лучей 15...20 (см. фиг.3), падающих на поверхность роговицы Р под углом α к оси, всегда найдутся два характерных луча 16 и 19. Луч 16 после отражения от роговицы пойдет под углом α′ к оптической оси (луч 2'). Лучи 15 и 17, идущие близко к лучу 16, после отражения от роговицы формируют мнимое изображение M₁ измерительной марки. Луч 19 после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ (луч 5'). Отраженные лучи 18', 19' и 20' формируют мнимое изображение М₂ измерительной марки.

В то же время на роговицу под углом α₀ к оси падает пучок параллельных лучей 21. ..26. Среди этих лучей имеется луч 22, который после отражения от роговицы в точке К ее поверхности идет под углом α′ к оси (луч 22'). Отраженные лучи 21', 22' и 23' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке М₃. Имеется также луч 25, который после отражения от роговицы идет параллельно оптической оси на высоте ρ₀ (луч 11'). Отраженные лучи 24', 25' и 26' образуют мнимое изображение измерительной марки в точке М₄.

Лучи 16', 19', 22', 25' и лучи, симметричные им относительно оптической оси, являются главными лучами, формирующими кольцевые изображения измерительной марки, причем лучи 19' и 25' формируют центральную систему кольцевых изображений (см. фиг.4), а лучи 16' и 22' формируют периферийную систему кольцевых изображений (см. фиг.5). При перемещениях роговицы в пределах зоны размещения а (см. фиг.1 и 2) 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 ρ₀, а радиусы колец периферийной системы изменяются, но расстояния между дугами колец остаются неизменными и равными масштабированным в соответствии с выбранным линейным увеличением проекционной системы периферийной зоны значениям величины с.

Для угла α₀ центральная зона роговицы мало отличается от сферы при вершине О ее поверхности Р. 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 К в системе координат YOZ, связанной с вершиной О поверхности (см. фиг. 3), как точки с известным углом наклона нормали ϕ_c, который определяется по формуле

В другой системе координат Y'OZ', также связанной с вершиной О (см. фиг. 3) поверхности роговицы, только повернутой вокруг общего начала координат О относительно системы YOZ на угол α′, координата точки К определяется по формуле

Из фиг.3 следует, что величина ρ′, являющаяся высотой луча 2' в системе координат Y'OZ', для периферийной зоны определяется по формуле

Пользуясь результатом аппроксимации поверхности роговицы в центральной зоне поверхностью второго порядка с двумя плоскостями симметрии, для центральной зоны определяются координаты у и z ряда точек на поверхности роговицы с различными углами ϕ наклона нормали, а затем по формуле, аналогичной формуле (3), вычисляются координаты у' этих точек в системе координат Y'OZ'. В этом случае для центральной зоны ρ′ = y′.

Определяя величины с путем измерения их масштабированных значений и вычисляя значения величин ρ′ для центральной и периферийной зон, получают зависимость ρ′ от tgϕ′ для ряда дискретных значений ϕ′, где величина ϕ′ углов наклона нормали к поверхности роговицы в системе координат Y'OZ', соответствующих различным каналам освещения, для периферийной зоны определяется по формуле

а для центральной зоны

Имея зависимость ρ′ от tgϕ′ и учитывая, что tgϕ′ = dz′/dρ′, функция производной dz′/dρ′ от ρ′ аппроксимируется полиномом, например, третьей степени, вида

где a₁, a₂, a₃ - параметры, определяемые в результате аппроксимации, a₀ - начальное условие или тангенс утла наклона нормали к поверхности роговицы в ее вершине к оси OZ', которое определяется как a₀ = -tgα′.

Интегрирование аналитического выражения (7) дает возможность определить функцию координаты z' кривой сечения и построить его профиль.

Примером конкретного выполнения может служить кератометр (см. фиг.1), у которого диаметр входного зрачка объектива 3 равен 42 мм, фокусное расстояние 120 мм, диаметр светящегося кольца 1 измерительной марки 42 мм, углы наклона образующих конических зеркал 4 и 5 обеспечивают набор топографических углов α₀ = 4^°, α₁ = 24^°, α₂ = 32^°, α₃ = 44^°, α′ = 36^°, а зона размещения а роговицы удалена от прибора на 60 мм.

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

2. Патент 2058109 РФ, А 61 В 3/10. Кератометр / Пуряев Д.Т. (РФ) // БИ 11. - 1996.

3. Патент 2166904 РФ, А 61 В 3/107. Кератометр / Малинская М.В. (РФ) // БИ 14. - 2001.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к офтальмологическим устройствам, предназначенным для определения формы внешней поверхности роговицы глаза. Кератометр содержит источник света, измерительную марку, систему конических зеркал. Система конических зеркал содержит блок зеркал с зеркальным покрытием внутренних поверхностей и установленный внутри соосно с ним блок зеркал с зеркальным покрытием внешних поверхностей, причем внутри него выполнено зеркальное сквозное центральное отверстие. Блоки выполнены с различными углами наклона образующих соответствующих зеркальных поверхностей. Конфигурация зеркальных поверхностей выбрана так, чтобы упростить конструкцию кератометра, повысить точность измерений и обеспечить одновременное снятие информации со всей поверхности роговицы. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Кератометр, содержащий источник света, объектив, в фокальной поверхности первого общего коллимирующего компонента которого расположена кольцевая измерительная марка, комбинированное коническое зеркало, включающее блок конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и внутренней поверхности полого усеченного конуса центрального отверстия и блок конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей, при этом блоки выполнены с различными углами наклона образующих соответствующих зеркальных поверхностей к общей оси, совмещенной с оптической осью объектива, и устройства регистрации изображений измерительной марки, отличающийся тем, что углы наклона к общей оси образующих конических зеркальных поверхностей выбраны с возможностью отражения лучей от каждой зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей и каждой, кроме предпоследней, при счете от общего компонента объектива, зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей и образования оптических каналов освещения, пересекающихся на оптической оси в зоне освещения поверхности роговицы, и, после отражения лучей света от роговицы, предпоследней зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внутренних конических поверхностей и последней зеркальной поверхности блока конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей, при счете от общего компонента объектива, и с возможностью формирования оптического канала регистрации кольцевого изображения измерительной марки для периферийной зоны, а после отражения лучей света от роговицы и идущих параллельно оптической оси - с возможностью формирования оптического канала регистрации для центральной зоны. 2. Кератометр по п. 1, отличающийся тем, что в блоке конических зеркал с зеркальным покрытием внешних конических поверхностей конические зеркала выполнены в виде усеченного конуса с единой образующей конической поверхности.