Пристрій для картографування профілю та товщини рогівки

1. Пристрій для картографування профілю та товщини рогівки, який складається з каналу зондування й приймального каналу, каналу обробки й відображення інформації та каналу позиціонування, причому канал обробки й відображення інформації своїм входом з'єднаний з виходом приймального каналу, а канал зондування має в собі джерело світла та оптичну формуючу систему, приймальний канал має в собі встановлені послідовно об'єктив і фотоприймач, оптична вісь яких орієнтована під кутом до випромінювання каналу зондування, а канал позиціонування має в собі механічний вузол переміщення відносно ока пацієнта каналу зондування та приймального каналу, конструктивно об'єднаних між собою, а також блок візуалізації положення ока пацієнта, спрямований в око пацієнта через перший розщеплювач пучка і сполучений з каналом обробки й відображення інформації, який відрізняється тим, що оптична формуюча система каналу зондування виконана у складі формувача паралельного світлового пучка, двокоординатного дефлектора та блока вихідної оптики, фотоприймач приймального каналу виконано у вигляді багатоелементної лінійки фоточутливих елементів, між об'єктивом та фотоприймачем встановлено циліндричну лінзу з функцією стискання зображення в напрямку, перпендикулярному до довшої осі лінійки фоточутливих елементів, а канал обробки й відображення інформації виконано у складі послідовно з'єднаних блока опитування лінійки фоточутливих елементів, блока обробки сигналів з функцією визначення просто 2 (19) 1 3 74974 4 7. Пристрій за п.4, який відрізняється тим, що 10. Пристрій за п.9, який відрізняється тим, що до блок вихідної оптики виконано у складі двох груп складу каналу позиціонування введено блок виродзеркальних аксиконів з функцією першої групи блення сигналу автофокусування світлового пучка віддзеркалення в напрямку, паралельному до опв досліджуваній зоні рогівки, вхід якого підключено тичної осі, а другої групи - віддзеркалення в надо виходу захоплювача кадрів, а вихід - до електпрямку до оптичної осі в зоні рогівки. ромеханічного приводу, додатково введеного до 8. Пристрій за будь-яким з пп.1-7, який відрізняскладу механічного вузла. ється тим, що двокоординатний дефлектор вико11. Пристрій за будь-яким з пп.1-10, який відрізняється тим, що як джерело світла використано нано у складі двох акустооптичних кристалів і послідовно з'єднаних блока установки координат, лазер. 12. Пристрій за будь-яким з пп.1-11, який відрізсинтезатора частот та драйвера, причому драйвер няється тим, що блок опитування, блок визначенсвоїми виходами підключений до збуджуючих електродів акустооптичних кристалів, а блок установня просторового положення першої та другої поки координат з'єднаний з блоком опитування, між верхонь рогівки, блок інтерполяції значень дефлектором та блоком вихідної оптики встановпросторового положення першої та другої поверлено телескоп з функцією збільшення кута відхихонь рогівки в проміжку між точками зондування, лення. блок вироблення сигналу автофокусування світ9. Пристрій за будь-яким з пп.1-8, який відрізнялового пучка в досліджуваній зоні рогівки і блок ється тим, що блок візуалізації положення ока відображення інформації виконані у вигляді склапацієнта виконано на базі телевізійної камери і дових частин комп'ютера з виконанням функцій захоплювача кадрів, своїм входом з'єднаного з перелічених блоків апаратурними та програмними виходом телевізійної камери, а виходом - з блоком засобами. відображення. Винахід відноситься до галузі медичної техніки, зокрема, до діагностично-вимірювальної апаратури. Він може бути використаний, наприклад, при підготовці операцій корекції зору. Інформація про розподіл товщини рогівки важлива в першу чергу з точки зору безпеки таких операцій, пов'язаних зі зняттям певного шару рогівкового матеріалу. Інформація про профіль та товщину рогівки має також першорядне значення при діагностуванні таких патологічних умов як кератоконус, при дослідженні рогівкової фізіології, при підборі та виготовленні контактних лінз. Відомі пристрої для картографування профілю та товщини рогівки використовують цілу низку фізичних принципів, таких як поширення та відбиття високочастотних ультразвукових хвиль середовищами ока і їх границями, розсіяння та відбиття оптичного випромінювання з застосуванням принципів когерентного прийому випромінювання з короткою довжиною когерентності, візуалізація розсіяного світла у віялоподібному промені щілинної лампи. В ультразвуковому пахиметрі (D.J. Coleman, et al. Ultrasound system for corneal biometry. U.S. Patent 5,331,962. Сl. А61В 008/10, filed 16.4.1993, published 26.07.1994) використовується ультразвуковий випромінювач, який розміщено у ванні з рідиною, що має безпосередній контакт з рогівкою. Поширюючись в рідині та середовищах ока, вузькоспрямована ультразвукова хвиля віддзеркалюється від границь розділу середовищ. Ці віддзеркалення приймаються акустичним приймачем, й при їх обробці визначаються моменти часу, що відповідають переходу хвилею границь середовищ. Для побудови карти товщини рогівки пристрій має спеціальні направляючі, по яких переміщується випромінювач для локалізації точок входження акустичної хвилі в око. Пристрій має два суттєві недоліки: необхідність контакту з оком та протяжність процесу вимірювань для побудови карти товщини рогівки. Принцип локації для вимірювання товщини рогівки може бути застосований і в оптичному діапазоні. В оптичному когерентному томографі використовується лазер з короткою довжиною когерентності, що дозволяє одержати роздільну в часі інформацію (Е.A. Swanson, et al. Optical coherence tomography: principles, instrumentation, and biological applications. In: Biomedical Optical Instrumentation and Laser-Based Biotechnology. A Scheggi, et al., Eds., NATO ASI Series E, Vol. 325, Kluwer Academic Publ., 1996, pp. 291-303). За допомогою когерентного фотоприймача здійснюють прийом відбитого в зворотному напрямі випромінювання таким чином, що воно дає інтерференцію з референтним (опорним) випромінюванням тільки в ті відрізки часу, що відповідають відстані на якій референтне та сигнальне випромінювання когерентні. Цю відстань можна змінювати (сканувати) і таким чином одержувати інформацію з різних відстаней (глибин). Для побудови карти товщини рогівки необхідно мати інформацію в наборі точок рогівки. Основним недоліком апаратури можна вважати її складність та високу ціну (біля 500 тис. грн.), а також значні затрати часу на одержання карти. Тому частіше оптичні когерентні томографи знаходять застосування для дослідження сітківки. Частину задачі - картографування першої поверхні рогівки розв'язують, використовуючи структуроване у вигляді кілець освітлення рогівки (кільця Placido), його прийом за допомогою телевізійної камери й наступну обробку (С.Е. Campbell. Corneal topography and customized ablation. In: Wavefront Customized Visual Correction: The Quest for Super Vision II. R. Krueger, et al, Eds., Slack Inc., Thorofare, 2004, pp. 301-309). Замість безперерв 5 74974 6 ного освітлення, в іншому пристрої (М. Lai, et al. ження інформації своїм входом з'єднаний з вихоMethod and apparatus for mapping a corneal contour дом приймального каналу, а канал зондування має and thickness profile. U.S. Patent 6,382,794. Сl. в собі джерело світла та оптичну формуючу сисА61В 3/10, filed 27.09.1999, published 7.09.2002) тему, приймальний канал має в собі встановлені використовується декілька джерел світла, за допослідовно об'єктив і фотоприймач, оптична вісь помогою яких формують декілька неперервних яких орієнтована під кутом до випромінювання кільцевих траєкторій сканування, які візуалізують каналу зондування, а канал позиціонування має в за допомогою телевізійної камери. В цьому випадсобі механічний вузол переміщення відносно ока ку за шириною кілець можна обчислити також і пацієнта каналу зондування та приймального катовщину рогівки. Недоліком пристрою є наявність налу, конструктивно об'єднаних між собою, а тамеханічних сканерів, що не дозволяє швидко одекож блок візуалізації положення ока пацієнта, ржувати інформацію, необхідну для побудови карспрямований в око пацієнта через перший розщіпти. лювач пучка і сполучений з каналом обробки й Візуалізація розсіяного світла у віялоподібновідображення інформації. му промені щілинної лампи є основою численних Вони практично рівноцінні з точки зору найпристроїв. Так, пристрій, описаний в патенті США ближчого технічного рішення, яке може бути при(R. К. Snook. Ophthalmic pachymeter and method of йнято за прототип для пристрою, який заявляєтьmaking ophthalmic determinations. U.S. Patent ся. Для визначеності приймемо за прототип 5,512,996. Cl. А61В 3/10, filed 10.04.1995, published останнє з описаних технічних рішень, тобто міжна30.04.1996), складається з щілинної лампи та циродну заявку № РСТ/РТ01/00002 (Португалія) від фрової відеокамери (телевізійної камери). Відео25.02.2000. камера встановлена під деяким кутом до візуальЙого основними недоліками є складність обної осі ока пацієнта та базових осей пристрою. робки результатів, оскільки потребує аналізу двоЗображення в цифровому форматі записується в хвимірних масивів інформації, а також значна пропам'ять комп'ютера, а потім аналізується для картяжність вимірювання, яка визначається тографування профілю та товщини рогівки. Припротяжністю телевізійного кадру (40 мілісекунд у лад Orbscan, що використовує цей принцип, випувітчизняному стандарті), яких потрібно мати декіскається компанією Bausch & Lomb, США. Один з лька десятків. Довга експозиція потужним світлонедоліків пристрою витікає з необхідності одервим потоком створює дискомфорт для пацієнта й жання значної кількості світлових перетинів рогівки веде до зниження вірогідності результатів через (біля 40) для побудови карти з задовільною роздірухливість ока. льною здатністю, для чого потрібно декілька сеВ основу винаходу поставлено задачі спрокунд -час, за який око пацієнта може змінити своє щення обробки результатів та скорочення протяжположення, що спотворить результат. Крім того, ності процесу вимірювання, що забезпечить підалгоритм обробки цифрового зображення досить вищення вірогідності одержуваних результатів складний, оскільки кут, під яким світло проектуєтьвимірювання та зменшення дози опромінення дося на рогівку, різний для кожної освітлюваної точсліджуваного ока. ки. Поставлену задачу вирішують завдяки тому, Побудований на цьому ж принципі інший прищо в пристрої, який складається з каналу зондустрій (S. Franco, J. Almeida. Measuring corneal вання й приймального каналу, каналу обробки й thickness with a rotary scanning system. Journal of відображення інформації та каналу позиціонуванRefractive Surgery. 2002, Vol. 10, pp. S630-633 та ня, причому канал обробки й відображення інфорпатентна заявка США тих же авторів: J. Almeida, S. мації своїм входом з'єднаний з виходом приймаFranco. System to measure the topography of both льного каналу, а канал зондування має в собі corneal surfaces and corneal thickness. U.S. Patent джерело світла та оптичну формуючу систему, Application 2003/0142270. Сl. А61В 3/00, filed приймальний канал має в собі встановлені послі26.02.2001, published 31.07.2003. Див. також PCT довно об'єктив і фотоприймач, оптична вісь яких заявку № РСТ/РТ01/00002 (Португалія) від орієнтована під кутом до випромінювання каналу 25.02.2000 - International Publication WO 01/62140 зондування, а канал позиціонування має в собі від 30.08.2001) складається з щілинного освітлюмеханічний вузол переміщення відносно ока пацівача на базі лазера, та фотоприймача на базі теєнта каналу зондування та приймального каналу, левізійної камери. В ньому телевізійне зображення конструктивно об'єднаних між собою, а також блок також обробляють для кожного перетину ока щівізуалізації положення ока пацієнта, спрямований линним освітлювачем, і за одержаними даними в око пацієнта через перший розщіплювач пучка і реконструюють карту профілю та товщини рогівки. сполучений з каналом обробки й відображення Його відмінністю від пристрою за патентом США інформації, оптичну формуючу систему каналу 5512996 є обертальна траєкторія освітлювального зондування виконано у складі формувача паралепучка щілинної лампи замість сканування ним в льного світлового пучка, двохкоординатного деодній площині. Але це не позбавляє його притафлектора та блока вихідної оптики, фотоприймач манних йому недоліків. приймального каналу виконано у вигляді багатоеКожен з трьох останніх пристроїв для картоглементної лінійки фоточутливих елементів, між рафування профілю та товщини рогівки може бути об'єктивом та фотоприймачем встановлено цилінохарактеризований як такий, що складається з дричну лінзу з функцією стискання зображення в каналу зондування й приймального каналу, каналу напрямку перпендикулярному до довшої осі лінійобробки й відображення інформації та каналу поки фоточутливих елементів, а канал обробки й зиціонування, причому канал обробки й відобравідображення інформації виконано у складі послі 7 74974 8 довно з'єднаних блока опитування лінійки фоточуплювача кадрів, своїм входом з'єднаного з вихотливих елементів, блока обробки сигналів з функдом телевізійної камери, а виходом - з блоком віцією визначення просторового положення першої дображення. та другої поверхонь рогівки, блока інтерполяції Крім того, до складу каналу позиціонування значень просторового положення першої та другої введено блок вироблення сигналу автофокусуванповерхонь рогівки в проміжку між точками зондуня світлового пучка в досліджуваній зоні рогівки, вання й блока відображення інформації, причому вхід якого підключено до виходу захоплювача каддругий вхід блока опитування з'єднано з двохкоорів, а вихід - до електромеханічного приводу, дординатним дефлектором каналу зондування. датково введеного до складу механічного вузла. При реалізації пристрою блок вихідної оптики Крім того, як джерело світла використано лавиконано у вигляді колімаційної лінзи, передній зер. фокус якої суміщено з центром сканування двохСучасний рівень техніки дозволяє значну часкоординатного дефлектора, оптичну вісь каналу тину апаратурної реалізації пристрою виконати у зондування суміщено з візуальною віссю ока пацівигляді комп'ютерних програм. При цьому удоскоєнта, а оптичну вісь приймального каналу орієнтоналенні пристрою блок опитування, блок визнавано під гострим кутом до оптичної осі каналу зончення просторового положення першої та другої дування. поверхонь рогівки, блок інтерполяції значень просПри цьому кут між оптичними осями зондуючоторового положення першої та другої поверхонь го та приймального каналів доцільно встановлюрогівки в проміжку між точками зондування, блок вати в межах 30°...60°. вироблення сигналу автофокусування світлового В іншій реалізації пристрою оптичні осі каналу пучка в досліджуваній зоні рогівки і блок відобразондування й приймального каналу суміщено між ження інформації виконано у вигляді складових собою і з візуальною віссю ока пацієнта, блокові частин комп'ютера з виконанням функцій перелівихідної оптики надано функцію проектування тончених блоків апаратурними та програмними засокого світлового пучка в око пацієнта під кутом до бами. оптичної осі каналу зондування, а в приймальний Спрощення обробки інформації досягнуто канал введено другу багатоелементну лінійку фошляхом використання багатоелементних лінійок точутливих елементів з встановленою перед нею фоточутливих елементів, що є однокоординатнициліндричною лінзою, фотоприймачі розділені між ми, замість двохкоординатних ПЗС матриць телесобою введеним світлоподільником, причому осі візійної камери. Це дозволяє не тільки оптимізуваобох лінійок орієнтовано ортогональною між соти положення та кількість точок зондування, але й бою, а оптичну вісь приймального каналу суміщезменшити час експонування досліджуваного ока но з оптичною віссю каналу зондування за допосвітловим потоком. В результаті підвищується вімогою другого розщіплювача світлового пучка, рогідність вимірювання, оскільки за короткий час встановленого на шляху випромінювання, розсіяоко практично не змінює свого положення настільного рогівкою. ки, щоб це могло спотворити результат. Крім того, При цьому блок вихідної оптики виконано у вице створює більш комфортні умови для пацієнта. гляді телескопічної системи, передній фокус вхідПри співвісному виконанні каналу зондування ної лінзи або групи лінз якої суміщено з центром та приймального каналу, коли зондувальний пучок сканування двохкоординатного дефлектора, а завводиться в око під кутом до візуальної осі, обробдній фокус вихідної групи лінз суміщено з зоною ка даних ще більше спрощується, оскільки проекрогівки. тування здійснюється під однаковим кутом для Ця реалізація пристою може бути модифіковавсіх точок зондування, що знаходяться на однакона так, що блок вихідної оптики виконано у складі вій відстані від осі. Це надає ще одну перевагу колімаційної лінзи, передній фокус якої суміщено з пристрою, оскільки при такій конфігурації не опроцентром сканування двохкоординатного дефлекмінюються найбільш світлочутливі ділянки сітківки. тора, та дзеркального аксікона з функцією віддзеВикористання акусто-оптичного дефлектора ркалення в напрямку до оптичної осі в зоні рогівки. дозволяє ще більше скоротити час експонування Ще однією модифікацією пристрою може бути досліджуваного ока, а значить, підвищити вірогідтака, в якій блок вихідної оптики виконано у складі ність результатів та комфорту для пацієнта. двох груп дзеркальних аксіконів з функцією першої Автофокусування скорочує час виконання вигрупи - віддзеркалення в напрямку паралельно до мірювань та підвищує їх вірогідність. оптичної осі, а другої групи - віддзеркалення в наВикористання лазера спрощує формування прямку до оптичної осі в зоні рогівки. пучка, підвищує його якість з точки зору одержанПри подальшому удосконаленні пристрою ня високої просторової роздільної здатності, а, двохкоординатний дефлектор виконано у складі значить, і вірогідності вимірювань. двох акусто-оптичних кристалів і послідовно з'єдЗастосування комп'ютера дозволяє створити наних блока установки координат, синтезатора не тільки сучасний прилад, але й спростити цілу частот та драйвера, причому драйвер своїми винизку обчислень, необхідних для обробки інфорходами підключений до збуджуючих електродів мації. акусто-оптичних кристалів, а блок установки коорСуть винаходу пояснюється кресленнями, що динат з'єднаний з блоком опитування, між дефлескладаються з 13 фігур. ктором та блоком вихідної оптики встановлено Фіг.1. Функціональна схема пристрою для картелескоп з функцією збільшення кута відхилення. тографування профілю та товщини рогівки з бокоКрім того, блок візуалізації положення ока павим розташуванням фотоприймача. цієнта виконано на базі телевізійної камери і захоФіг.2. Хід променя через рогівку для пристрою 9 74974 10 з боковим розташуванням фотоприймача. цієї осі лінійки фотоприймачів 12. Оптична вісь Фіг.3. Візуалізація розсіяного структурами ока приймального каналу 2 орієнтована під кутом до світла при боковому розташуванні фотоприймача випромінювання каналу зондування 1. Кут між ний освітленні ока віялоподібним пучком. ми має бути більшим 0°. Зручним для конструкції є Фіг.4. Візуалізація розсіяного структурами ока діапазон від 30° до 60°. світла при боковому розташуванні фотоприймача Канал обробки й відображення інформації 3 й зондуванні ока тонким пучком в точках, які лескладається з послідовно з'єднаних блока опитужать в тій же площині, що й у випадку Фіг.3. вання 14 лінійки фоточутливих елементів, блока Фіг.5. Функціональна схема пристрою для каробробки сигналів 15, блока інтерполяції 16 значень тографування профілю та товщини рогівки при просторового положення першої та другої поверспіввісному розташуванні каналу зондування і хонь рогівки в проміжку між точками зондування і приймального каналу з блоком вихідної оптики на блока відображення інформації 17. Блок опитубазі телескопічної системи. вання 14 має два входи, перший з яких з'єднано з Фіг.6. Хід променя через рогівку для пристрою виходом фотоприймача 12 приймального каналу зі співвісним розташуванням каналу зондування і 2, а другий - з дефлектором 8 каналу зондування приймального каналу. 1. На перший вхід поступає інформація з лінійки Фіг.7. Візуалізація розсіяного в рогівці світла фоточутливих елементів, а на другий - інформація при співвісному розташуванні каналу зондування і про просторове положення відхиленого дефлектоприймального каналу. ром світлового пучка. Фіг.8. Сигнали на виходах фотоприймачів в Канал позиціонування 4 складається з блока схемі, зображеній на Фіг.5, осі яких орієнтовані візуалізації 18 положення ока пацієнта та механічортогонально по відношенню одна до одної. ного вузла 19. Блок візуалізації 18 спрямований в Фіг.9. Функціональна схема каналу зондування око пацієнта через перший розщіплювач пучка 20. з блоком вихідної оптики на базі колімаційної лінзи Вихід блока візуалізації 18 зв'язаний з блоком віі дзеркального аксікона. дображення 17 каналу обробки й відображення Фіг.10. Функціональна схема каналу зондуванінформації 3. Механічний вузол 19 через оператоня з блоком вихідної оптики на базі дзеркальних ра зв'язаний з блоком візуалізації 18. Цей зв'язок аксіконів. умовно позначено пунктиром, що означає, що Фіг.11. Функціональна схема пристрою для каоператор впливає на механічний вузол, одержуюртографування профілю та товщини рогівки з акучи інформацію, яка виробляється блоком візуалісто-оптичним дефлектором в каналі зондування та зації 18. Механічний вузол 19 механічно зв'язаний блоком автофокусування в каналі позиціонування. зі спільним конструктивом каналу зондування 1 та Фіг.12. Структурно-функціональна схема приприймального каналу 2. Він може являти собою як строю для картографування профілю та товщини чисто механічну конструкцію, так і конструкцію, що рогівки на базі комп'ютера. включає до себе також електромеханічні елементи Фіг.13. Карта товщини рогівки, одержана за (наприклад, електропривід). допомогою пристрою за схемою Фіг.12. Для пояснення роботи пристрою скористаємоРозглянемо детально реалізацію запропонося схемою Фіг.2, що зображує хід променя через ваного пристрою для картографування профілю та рогівку для пристрою з боковим розташуванням товщини рогівки. фотоприймача під кутом (Фіг.1). Трек розсіяного Запропонований пристрій складається (Фіг.1) з рогівкою світла фотоприймач сприймає у вигляді каналу зондування 1, приймального каналу 2, касвітлової смуги протяжністю налу обробки й відображення інформації 3 й канаtф = tдkсоs , (1) лу позиціонування 4. Канал обробки й відобраде k є функцією кута падіння на рогівку, співження інформації 3 своїм входом з'єднаний з відношення показників заломлення повітря та ровиходом приймального каналу 2. Канал зондувангівки і радіуса кривини рогівки в точці зондування. ня 1 має в собі джерело світла 5 та встановлену n0 У першому наближенні k , де n0 - показник на його виході оптичну формуючу систему 6. В np конфігурації, поданій на Фіг.1, оптична формуюча заломлення повітря, а nр - показник заломлення система 6 складається з послідовно встановлених рогівки. Відомо, що nр=1,376. Тоді k=0,727. Товщиформувача паралельного світлового пучка 7, двону рогівки знаходять із співвідношення: хкоординатного дефлектора 8 та колімаційної лін1376tф , зи 9. Передній фокус колімаційної лінзи 9 суміщеtд . (2) но з центром сканування двохкоординатного cos дефлектора 8. Оптичну вісь каналу зондування 1 При боковому розташуванні фотоприймача й суміщено з візуальною віссю ока пацієнта (на Фіг.1 освітленні ока віялоподібним пучком фотоприймач показана рогівка 10 ока пацієнта). "бачить" структури ока такою, яка зображено на Приймальний канал 2 має в собі послідовно Фіг.3. Розсіяння світла в рогівці і в кришталику встановлені об'єктив 11 і фотоприймач 12, який значно більше, ніж розсіяння внутрішньоочною виконано у вигляді багатоелементної лінійки форідиною. Це створює достатній контраст для виміточутливих елементів. Між об'єктивом 11 та фоторювання профілю та товщини рогівки з залученприймачем 12 встановлено циліндричну лінзу 13 ням відеокамери, як це робиться в прототипі. так, що її сагітальна вісь співпадає з віссю, уздовж В пристрої, що пропонується, замість віялопоякої розташовані елементи лінійки фотоприймачів дібного пучка оптична формуюча система 6 фор12, тобто так, щоб циліндрична лінза 13 стискала мує тонкий, паралельний до інструментальної осі зображення в напрямку перпендикулярному до пучок. При його проходженні через рогівку фотоп 11 74974 12 риймач "бачитиме" світлову структуру розсіяння в описують профіль та розподіл товщини рогівки по рогівці, зображену на Фіг.4. Оскільки кожен з вхідній апертурі ока. Цю інформацію відображають "штрихів", що їх "бачить" фотоприймач, існує тільза допомогою блока відображення інформації 17. ки на протязі зондування окремої точки рогівки, то Як згадувалось вище, до блоку 17 подають також задача обробки сигналів полягає у вимірюванні інформацію про положення ока пацієнта від блока просторової протяжності кожного з цих світлових візуалізації 18. Вона слугує для позиціонування сигналів. Ці процедури виконуються в каналі обропристрою перед проведенням вимірювань. бки й відображення інформації в такій послідовноРозглянемо тепер функціональну схему присті. Блок опитування 14 одержує інформацію від строю для картографування профілю та товщини дефлектора про кут нахилу променя та сигнал з рогівки при співвісному розташуванні каналу зонвиходу лінійки фотоелементів. Кут нахилу променя дування і приймального каналу з блоком вихідної перераховується в координати точки зондування в оптики на базі телескопічної системи (Фіг.5). Приданий момент часу. Кожен елемент лінійки видає стрій за цією схемою також складається з каналу сигнал в порядку його опитування. Ці сигнали мозондування 1, приймального каналу 2, каналу обжуть бути перетворені в цифрову форму і подаробки й відображення інформації 3 й каналу позильша обробка сигналів може здійснюватись у циціонування 4. Канал обробки й відображення інфровій формі. Функцією блоку обробки сигналів 15 формації 3 своїм входом з'єднаний з виходом є визначення просторового положення першої та приймального каналу 2. Канал зондування 1 має в другої поверхонь рогівки. Ця задача може бути собі джерело світла 5 та встановлену на його вивиконана, наприклад, шляхом вимірювання полоході оптичну формуючу систему 6. В конфігурації, ження наростаючого та спадаючого фронтів сигподаній на Фіг.5, оптична формуюча система 6 налу (або послідовності чисел) та відстані між нискладається з послідовно встановлених формувами. ча паралельного світлового пучка 7, двохкоордиПрозондувавши всю апертуру рогівки, одернатного дефлектора 8 і блока вихідної оптики 21жують таким чином набір поздовжніх (у напрямку 23, який є телескопічною системою, що складаєтьпаралельному до оптичної осі) координат вхося з вхідної лінзи 21 та вихідної групи лінз 22-23. дження променя в рогівку в окремих, дискретних Передній фокус вхідної лінзи 21 суміщено з точках, та набір товщин рогівки в цих точках. Для центром сканування двохкоординатного дефлекодержання двохвимірних функцій профілю та товтора 8. Оптичну вісь каналу зондування 1 суміщещини рогівки потрібно проінтерполювати всі проно з візуальною віссю ока пацієнта. Для проектуміжні значення й виразити їх у вигляді деякої фунвання тонкого світлового пучка в око пацієнта під кції або набору функцій. Найчастіше кутом до оптичної осі каналу зондування група лінз використовують сплайнову інтерполяцію або інте22-23 вибрана короткофокусною, і її задній фокус рполяцію за допомогою рядів, кожна з яких дозвосуміщено з зоною рогівки. ляє заповнити апертуру набором функцій. Задачу Як і в попередній реалізації, приймальний каінтерполяції виконує блок інтерполяції (16) знанал 2 має в собі послідовно встановлені об'єктив чень просторового положення першої та другої 11 і фотоприймач 12 - багатоелементну лінійку поверхонь рогівки в проміжку між точками зондуфоточутливих елементів. Між об'єктивом 11 та вання. Двохвимірні карти профілю та товщини рофотоприймачем 12 встановлено циліндричну лінзу гівки відображаються блоком відображення інфо13 так, що її сагітальна вісь співпадає з віссю, узрмації 17. Крім того, у пристрої передбачено також довж якої розташовані елементи лінійки фотопвикористання цього блока (17) також для відобрариймачів. На відміну від попередньої реалізації ження зовнішнього вигляду рогівки 10 як перед, оптичну вісь приймального каналу суміщено з оптак і під час зондування, по інформації від блока тичною віссю каналу зондування. Це зроблено за візуалізації 18 положення ока пацієнта. допомогою другого розщіплювача світлового пучка Функціонує запропонований пристрій так. За 24, встановленого на шляху випромінювання, роздопомогою каналу позиціонування 4 канал зондусіяного рогівкою. Крім того, в приймальний канал 2 вання 1 спрямовується в око пацієнта. При цьому введено другу багатоелементну лінійку фоточутприймальний канал 2, виконаний як єдина консливих елементів 25 з встановленою перед нею трукція з каналом зондування, буде зорієнтованим циліндричною лінзою 26, фотоприймачі розділені в область рогівки, інформація про товщину та між собою введеним світлоподільником 27, причопрофіль якої має бути одержана. Встановивши му осі обох лінійок орієнтовано ортогонально між дефлектор 8 у деяке початкове положення, викособою, тобто якщо, наприклад, фотоприймач 12 нують зондування рогівки тонким світловим проприймає зображення стиснуте по осі х, то фотопменем у відповідній точці рогівки, приймають сигриймач 25 має бути орієнтованим так, щоб прийнал на лінійку фоточутливих елементів 12. мати зображення, стиснуте по осі у. Знімають сигнал з лінійки 12 в блок опитування 14, Канал обробки й відображення інформації 3 до якого подають також інформацію про положенскладається з послідовно з'єднаних блока опитуня дефлектора 8, що дозволяє ідентифікувати вання 14 лінійки фоточутливих елементів, блока точку зондування одночасно з одержанням інфоробробки сигналів 15, блока інтерполяції 16 значень мації про цю точку з фотоприймача 12. Виконують просторового положення першої та другої поверобробку сигналу в блоці 15, одержавши в резульхонь рогівки в проміжку між точками зондування і таті поздовжню координату точки зондування відблока відображення інформації 17. Блок опитуносно деякої реперної площини перед рогівкою та вання 14 на відміну від попередньої реалізації має товщину рогівки. За допомогою блока інтерполяції не два, а три входи, перший та другий з яких з 16 одержують набір двохвимірних функцій, які яких з'єднано з виходами фотоприймачів 12 та 25 13 74974 14 відповідно, а третій - з дефлектором 8. напрямку паралельно до оптичної осі, а друга груКанал позиціонування 4 складається з блока па (на фіг 10 показаний один аксікон 28) віддзервізуалізації 18 положення ока пацієнта та механічкалює в напрямку до оптичної осі в зону рогівки. ного вузла 19. Його склад та взаємозв'язки не маПерша група аксіконів складається з аксікона 29, в ють ніяких відмінностей від попередньої реалізації. якому дзеркальною є зовнішня поверхня конуса, а Для пояснення роботи пристрою скористаємов другому аксіконі дзеркальною є внутрішня повеся схемою Фіг.6, що зображує хід променя через рхня конуса. Кути при вершині цих аксіконів виброгівку, при цьому промінь входить в око під дерано так, щоб промінь з виходу двохкоординатного яким кутом а, а оптична вісь фотоприймача співдефлектора 8 після віддзеркалення спершу аксіпадає з візуальною віссю ока пацієнта. Треки розконом 29, а потім аксіконом 30 прямував паралесіяного рогівкою світла в фокальній площині льно до оптичної осі (або близько до цього напряоб'єктива 11 мають вигляд, зображений на Фіг.7, а мку). Функції аксікона 28 такі ж, як і в схемі Фіг.9. сигнали на входах блока опитування представлені Подальше удосконалення пристрою показане фігурою 8. Сигнали одного з фотоприймачів відпона Фіг.11, де двохкоординатний дефлектор виковідають проекції на вісь х, а другого - на вісь у. При нано у складі двох акусто-оптичних кристалів 31 та кожному зондуванні один з фотоприймачів сприй32 і послідовно з'єднаних блока установки коордимає трек у вигляді світлової смуги протяжністю нат 33, синтезатора частот 34 та драйвера 35. Драйвер 35 своїми виходами підключений до збуtх = (tдk sin )cos , (3) джуючих електродів акусто-оптичних кристалів 31 і де k є тією ж функцією, що і у виразі (1), а є 32, а блок установки координат 33 з'єднаний з кутовою координатою точки зондування. Другий блоком опитування 14. Між дефлектором (акустофотоприймач сприймає цей же трек у вигляді світоптичними кристалами 31-32) та блоком вихідної лової смуги протяжністю оптики 21-23 встановлено телескоп 36-37, функціtу = (tдk sin )sin , (4) єю якого є збільшення кута відхилення. Як джереПри обробці інформації знаходять величину ло світла використано лазер 38. Дзеркало 39 є 2 2 tф t x t y t дk sin . (5) чисто конструктивним і не виконує якихось принципових функцій. Звідси товщина рогівки На схемі Фіг.11 показано також два інші удоtф 1376tф , сконалення. Згідно з першим з них блок візуалізаtд . ( 6) k sin sin ції положення ока пацієнта виконано на базі телеФункціонує пристрій так. Канал зондування 1 візійної камери 39 і захоплювача кадрів 40, своїм формує тонкий світловий пучок, який під кутом α входом з'єднаного з виходом телевізійної камери спрямовується в око в деякій точці з відомими ко39, а виходом - з блоком відображення 17. Ще одординатами. При його проходженні через рогівку не удосконалення полягає в тому, що до складу фотоприймачі 12 і 25 "бачитимуть" відповідні проканалу позиціонування 4 введено блок 41 виробекції світлової структури розсіяння в рогівці, золення сигналу автофокусування світлового пучка в бражені на Фіг.8. Блок опитування 14 одержить досліджуваній зоні рогівки, вхід якого підключено сигнали, що відповідають проекціям на осі x та у. до виходу захоплювача кадрів 40, а вихід - до елеПісля виконання перетворень у відповідності до ктромеханічного приводу 42, додатково введеного формул (3-6) та виконання інтерполяції, на виході до складу механічного вузла 19. каналу обробки й відображення 3 одержимо карти, Функціонує пристрій за схемою Фіг.11 аналогіщо відображають профіль та товщину рогівки. чно до пристрою, описаного вище, з такими особПеревагою цієї реалізації є надання більшої ливостями. Випромінювання лазера 38 через дзекомпактності конструкції пристрою і спрощення ркало 39 попадає на формувач пучка 7, а потім на обчислювальних операцій у зв'язку з їх більшою вхід першого акусто-оптичного кристала 31. Це одноманітністю. має бути паралельний пучок з діаметром, максиІнші варіанти виконання блока вихідної оптики, мально узгодженим зі світловим перетином криспредставлені на Фіг.9 та 10, практично рівноцінні тала, зазвичай порядку 6-10мм. В кристалах 31, 32 одноіменному блокові, що входить до складу привикористовується явище заломлення оптичного строю, зображеного на Фіг.5. Відмінністю є викопроменя на дифракційній гратці (дифракція Брегнання блока у складі колімаційної лінзи 9, передній га), створюваній акустичною хвилею, збуджуваною фокус якої суміщено з центром сканування двохвисокочастотним коливанням. Частота цього коликоординатного дефлектора 8, та дзеркального вання лежить в діапазоні 60-100МГц. Змінюючи аксікона 28, що віддзеркалює пучок в напрямку до частоту збудженої акустичної хвилі, змінюють крок оптичної осі в зону рогівки (Фіг.9). В даному випаддифракційної ґратки, а значить, і кут відхилення ку аксікон представляє собою конічну поверхню з (як правило, відфільтровують тільки перший порялінійною твірною. На внутрішню поверхню конуса док дифракції). Кут відхилення має порядок одинанесено дзеркальне покриття. Кут нахилу твірної ниць градусів. Для його збільшення використовудо осі конуса, яка співпадає з оптичною віссю приють телескоп 36-37. строю, вибрано таким, щоб промінь з виходу коліЗа командами з блоку установки координат 33 маційної лінзи, який є паралельним до оптичної визначаються необхідні частоти відхилення по осі, віддзеркалився в напрямку до оптичної осі в осях χ та у, які генеруються цифровим синтезатозону рогівки. ром частот 34. Сигнали з виходу синтезатора часВ каналі зондування (Фіг.10) блок вихідної оптот 34 підсилюються та нормуються по амплітуді тики виконано у складі двох груп дзеркальних аксідрайвером 35. Вихідна потужність драйвера має конів, з яких перша група 29-30 віддзеркалює в порядок декількох Ватт. Використання акусто 15 74974 16 оптичних кристалів та цифрового синтезатора часджуваною зоною рогівки. При цьому у всіх схемах, тот суттєво підвищує швидкодію пристрою: крім схеми Фіг.1, мають бути враховані елементи потенційно можлива швидкість переходу з одблока вихідної оптики, або ж цей блок має бути нієї точки зондування до іншої становить одиниці виконаним з центральним отвором для прохомікросекунд. Крім того, такий перехід з однієї точки дження світлового потоку до об'єктива 11. Оскільв іншу може здійснюватись по будь-якій траєкторії. ки ця вимога є очевидною, в приведених схемах Канал позиціонування 4 має розширені функця особливість не відображалась з метою спроціональні можливості завдяки введенню блока щення опису запропонованого пристрою. автофокусування 41 та електромеханічного приФункціонування пристрою за схемою Фіг.12 воду 42. Для вироблення сигналу автофокусувананалогічно функціонуванню схеми Фіг.11 з тією ня використовується інформація, одержувана теособливістю, що перераховані вище функції апалевізійною камерою 39, яка для порівняння змісту ратурних блоків виконуються програмними блокапослідовності кадрів може протягом необхідного ми комп'ютера. часу зберігатись в захоплювачі кадрів. ЕлектромеЗразок інформації - карти товщини рогівки ханічний привід 42 змінює відстань до ока пацієнта подано на Фіг.13. Тут товщина рогівки закодована так, щоб одержати найчіткіше зображення, наприкольором. Кольорова палітра в діапазоні від клад, райдужної оболонки, що має відповідати 325мкм до 675мкм знаходиться зліва. Цей масшоптимальному фокусуванню зондуючого променя. таб можна змінювати за допомогою кнопок + та -, В решті функцій, що виконуються приймальним що розташовані внизу справа від палітри. В праканалом 2 та каналом обробки й відображення вому нижньому куті зображення показаний масшінформації З, пристрій за схемою 11 особливостей таб в площині х-у. В наведеному прикладі інфорне має. мація одержана для зони рогівки діаметром 7 мм. Іще одне удосконалення запропонованого Звичайно, така величина не є обмеженням. У прапристрою показане на структурно-функціональній вому верхньому куті відображається реєстраційсхемі Фіг.12. В пристрій введено комп'ютер 43, на ний номер пацієнта. При натисканні кнопкою миші який покладено функції опитування лінійок фотов цій зоні відкривається база даних, звідки можна чутливих елементів, обробки сигналів, інтерполяції почерпнути необхідну інформацію про пацієнта та значень просторового положення першої та другої умови вимірювання (або куди можна занесповерхонь рогівки в проміжку міх точками зондути/змінити таку інформацію). З карти видно, що вання, вироблення сигналу автофокусування світтовщина рогівки даного пацієнта не є однаковою і лового пучка в досліджуваній зоні рогівки та відозмінюється в досліджуваній зоні. браження інформації. В схемі Фіг.11 ці функції Таким чином, завдяки введенню нових ознак у виконувались блоками відповідно 14, 15, 16, 41 та запропонований пристрій одержано нові його яко17. Окремі функціональні одиниці показані на схесті. Спрощення обробки інформації досягнуто замі Фіг.12 об'єднаними в конструктив оптичновдяки використанню лінійки фоточутливих елемеелектронного блока 44. Часто такий конструктив нтів у першому варіанті реалізації пристрою або називають оптичною голівкою. До складу оптичної двох лінійок в інших варіантах (замість телевізійголівки 44 входять: лазер 38, формувач пучка 7, них матриць): наприклад, замість роботи з масиакусто-оптичні кристали 31, 32, телескопічна сисвом, який у випадку пртотипа містить в собі тема 36-37, другий та перший розщіплювачі світла 512 512=262144 пікселів зображення, операції в 24 і 20, блок вихідної оптики 21-23, що формують запропонованій схемі виконуються з 512 або зондуючий пучок, який проектується в око під ку512 2=1024 елементами. Це також скорочує протом до оптичної осі, а також: об'єктив 11 фотопцес обробки інформації. Подальше скорочення риймача, світлоподільник 27, циліндричні лінзи 13 і процесу вимірювання досягається завдяки вве26 та лінійки фоточутливих елементів 12 і 25. В денню швидкодіючих акусто-оптичних дефлектооптичній голівці також встановлена телевізійна рів, що дають змогу на вимірювання в одній точці камера 39, що видає інформацію, необхідну для витрачати всього декілька мікросекунд. Час виміправильного позиціонування пристрою під час вирювання залежить також від співвідношення сигмірювання профілю та товщини рогівки. Електроннал-шум на вході фотоприймача, що може вимані блоки 33-35 та 40 недоцільно включати в склад гати збільшення часу експозиції в кожній точці. оптичної голівки, щоб не ускладнювати її конструкПрактично, загальний час вимірювання порядку тивно. Електромеханічний привід 42 управляє по100-200мс буває достатнім для того, щоб не турложенням оптично-електронного блока 44. сигнабуватися про можливе спотворення інформації ли управління виробляються комп'ютером та через рухливість ока. подаються з його виходу на блок 42. Інші зв'язки Наслідком запропонованих технічних особликомп'ютера з блоками 33, 34, 40 та фотоприймавостей пристрою є підвищення вірогідності одерчами 12, 25 мають ті ж функції, що і між відповіджуваних результатів вимірювання та зменшення ними блоками, описаними в попередніх схемах. дози опромінення досліджуваного ока. Зауважимо, що у всіх описаних схемах задній фокус об'єктива 11 має бути спряженим з дослі 17 74974 18 19 74974 20 21 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 74974 Підписне 22 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601