А н и ч александр иванович принципы построения и основы конструирования приборов индивидуальной оптометрии

На правах рукописи

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

Работа выполнена на Кафедре Медицинской Техники РМАПО

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.

Актуальность тематики. В современном мире проблема ухудшения зрения связана как с возросшим объемом информации (основная часть которой воспринимается глазами), так и с повсеместным применением компьютеров, поэтому глобальный мониторинг и достоверное определение параметров зрения больших групп населения приобретает все большее значение. Состояние зрения влияет на производительность труда и работоспособность сотрудников, на успеваемость школьника или студента, на профпригодность. При этом выявленный на начальной стадии процесс ухудшения зрения можно существенно замедлить и даже вернуть зрение к норме. Для надежного инструментального контроля и достоверного определения характеристик зрения требуется большое количество оптометрических приборов, так как простых тестов (например, книжных таблиц) недостаточно. Требуется не только выявить, но и проследить изменения основных параметров зрения, чтобы определить причины его ухудшения.

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.

Методы исследования: В работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, методы математической статистики и автоматизированной обработки информации, компьютерного проектирования и 3-Д моделирования.

Научная новизна:

- 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.

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.

Практическая значимость работы

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.)

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации новые научно-технические результаты получены лично автором или с соавторами при его непосредственном участии.

Апробация результатов

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обоснована важность и актуальность темы диссертации, сформулированы цели решаемой народно-хозяйственной задачи индивидуального контроля зрения населения и обоснована социальная значимость данного направления.

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.

В Главе 1, Рефракция и Аккомодация - пояснены основные оптометрические термины и приведены важнейшие физические характеристики зрения и глаза человека. Рассмотрен и проанализирован принцип работы зрения и глаза и определен круг существующих в оптометрии проблем.

1.1 Глаз как оптический инструмент

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.

Глаза - это парный орган, что обеспечивает человеку бинокулярное (стереоскопическое) зрение. Парная работа глаз помимо объемного зрения увеличивает угол обзора до 180 градусов по горизонтали (один глаз позволяет видеть 60 градусов к носу и 90 градусов к виску) и примерно 125 градусов по вертикали.

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