бесконтактный способ измерения внутриглазного давления и бесконтактный тонометр

Формула изобретения

1. Бесконтактный способ измерения внутриглазного давления, включающий освещение роговицы глаза пучком света, направленным под углом к оптической оси глаза, реформацию роговицы путем пневматического воздействия на нее и регистрацию электрического сигнала на фотоприемнике, соответствующего световому, отраженному от роговицы, отличающийся тем, что пневматическое воздействие осуществляют периодически в звуковом диапазоне частот, центр поверхности роговицы освещают через диафрагму узким пучком света, перемещая диафрагму и фотоприемник перпендикулярно направлению распространения отраженного от роговицы пучка, изменяют величину амплитуды электрического сигнала до максимального значения, измеряют значения амплитуд полученного сигнала, находят среднее значение этих амплитуд, по которому по предварительно построенной градуировочной зависимости определяют искомое значение внутриглазного давления.

2. Бесконтактный тонометр, содержащий источник излучения, оптическая ось которого расположена под углом к оптической оси глаза человека, установленный последовательно по ходу отраженного от роговицы глаза пучка света, диафрагму и фотоприемник, выход которого соединен с регистрирующим прибором, и устройство для пневматического воздействия на роговицу, отличающийся тем, что устройство для пневматического воздействия выполнено в виде полого сужающегося канала, диаметр выходного окна которого соизмерим с размером роговицы, окно расположено вблизи нее, а входное окно совмещено с плоскостью диффузора низкочастного акустического динамика, установленного в корпусе и соединенного с генератором низкочастотных сигналов, причем диаметр входного окна канала не менее диаметра диффузора, диафрагма выполнена щелевой, фотоприемник и диафрагма установлены с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения отраженного от роговицы пучка света.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области медицины и здравоохранения и могут быть использованы для измерения внутриглазного давления (ВГД) с целью ранней диагностики глаукомы и других глазных заболеваний. Глаукома до настоящего времени является одной из основных причин полной утраты зрения человеком. Несмотря на развитие и совершенствования методик лечения этой болезни их эффективность в значительной степени зависит от своевременности ее обнаружения. На ранней стадии заболевания, когда вероятность излечения наиболее высока, глаукома проявляет себя лишь повышением ВГД. Статистика показывает, что периодическое измерение ВГД необходимо проводить всем людям, превысившим сорокалетний возраст. В связи с вышеизложенным разработка способов и устройств для измерения ВГД является актуальной.

Известен способ контактного измерения ВГД с помощью импрессионного тонометра, заключающийся в том, что цилиндр, кривизна основания которого соответствует форме роговицы, внутри которого находится поршень, который свободно перемещается вдоль его оси, устанавливается на роговицу глаза [1] Величина ВГД обратно пропорциональна глубине погружения поршня в глаз.

Известен способ контактного измерения ВГД с помощью апланационного тономера Маклакова, заключающийся в измерении площади уплощения (апланации) роговицы под весом специального плоского грузика, устанавливаемого на роговицу (Нестеров А.П. Бунин А.Я. Кацнельсон А.А. Внутриглазное давление. Паталогия и физиология. М. Наука, 1974, с. 12-19). Величина ВГД обратно пропорциональна площади аппликации роговицы.

Основным недостатком этих способов является то, что в процессе проведения измерений сам тонометр повышает ВГД на величину, зависящую от веса тонометра. Кроме того, контактные способы травмируют эпителий роговицы, требуют анестезии глаза, точность измерений зависит от опыта и квалификации врача, производящего измерения.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ бесконтактного измерения ВГД, описанный в работе [2] включающий освещение роговицы глаза коллимированным пучком света, направленным под углом к оптической оси глаза, деформацию роговицы путем пневматического воздействия на нее и регистрацию электрического сигнала, соответствующего световому, отраженному от роговицы. Пневматическое воздействие здесь представляет собой управляемый одиночный пневматический импульс с линейно возрастающим давлением на роговицу. В момент полного уплощения роговицы на выходе фотоприемника, принимающего отраженный от роговицы свет, появляется электрический сигнал, т. к. роговица в этот момент отражает свет как плоское зеркало. Считают, что в этот момент значение ВГД будет равно давлению в пневматическом импульсе, которое рассчитывают, измерив время от начала действия пневматического импульса до появления сигнала с фотоприемника и зная закон измерения давления в пневматическом импульсе.

Недостатком этого способа является то, что полное уплощение роговицы требует сильного пневматического воздействия на глаз. Это может вызвать неприятные болевые ощущения у человека и даже травмировать глаз. Опасность повреждения глаза возрастает еще и вследствие того, что после уплощения роговицы все возрастающее по линейному закону пневматическое воздействие продолжает действовать на глаз еще какое-то время, т. к. технически невозможно после достижения уплощения мгновенно выключить пневматический импульс. Как подчеркивают сами авторы способа в указанной выше работе, после уплощения роговицы ее поверхность становится вогнутой, что еще больше увеличивает вероятность травмирования глаза. Другим недостатком является невысокая точность измерений ВГД. Это связано с тем, что пневматическое воздействие должно быть направлено точно в центр роговицы нормально к ее поверхности. В противном случае касательное воздействие импульса на роговицу потребует большего воздушного давления для достижения полного уплощения роговицы, что приведет к завышению измерительного значения ВГД.

Устройство, реализующее известный способ и принятое за прототип (M.Forbes, G.Pico, B. Grolman. A Nonioptact Applanation Tonometer, Arch. Ophthalmol. 1974, v.91, N 2, p.134-140), представляет собой бесконтактный тонометр, содержащий источник излучения, оптическая ось которого расположена под углом к оптической оси глаза, установленные последовательно по ходу отраженного от роговицы глаза пучка света диафрагму и фотоприемник, выход которого соединен с регистрирующим прибором, и устройство для пневматического воздействия на роговицу. Кроме того, устройство содержит сложную оптическую юстировочную систему для выполнения точной ориентации роговицы глаза относительно пневматической системы, т. к. в этом устройстве расстояние от роговицы до сопла должно изменяться в зависимости от радиуса кривизны роговицы, а сам пневматический импульс должен быть точно направлен в центр роговицы нормально к ее поверхности. Эти обстоятельства снижают точность измерений ВГД вследствие возможного касательного воздействия пневматического импульса на роговицу, что приведет к ошибке измерения ВГД. Необходимость точной фиксации глаза относительно пневматической системы делает затрудненным или невозможным проведение измерений ВГД у людей, имеющих помутненную роговицу и значительную близорукость или дальнозоркость (при юстировке устройства необходимо, чтобы человек четко видел оптическую мишень красную точку на белом фоне).

Существенным недостатком устройства является также и возможность травмирования глаза из-за сильного пневматического воздействия (см. критику прототипа способа).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа и устройства для бесконтактного измерения ВГД, позволяющего повысить точность измерений и снизить травматичность измерений.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе пневматическое воздействие осуществляют периодически в звуковом диапазоне частот, центр поверхности роговицы освещают узким пучком света, перемещая диафрагму и фотоприемник перпендикулярно направлению распространения отраженного от роговицы пучка, изменяют величину амплитуды электрического сигнала до максимального значения, измеряют значения амплитуд полученного сигнала, находят среднее значение амплитуд полученного сигнала, по которому по предварительно построенной градуировочной зависимости определяют значение внутриглазного давления.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем источник излучения, оптическая ось которого расположена под углом к оптической оси глаза, установленные последовательно по ходу отраженного от роговицы глаза пучка света диафрагму и фотоприемник, выход которого соединен с регистрирующим прибором, и устройство пневматического воздействия на роговицу, выполненное в виде полого сужающегося канала, диаметр выходного окна которого соизмерим с размером роговицы и окно расположено вблизи нее, а входное окно совмещено с плоскостью диффузора низкочастотного акустического динамика, установленного в корпусе и соединенного с генератором низкочастотных сигналов, диаметр входного окна канала не менее диаметра диффузора, диафрагма выполнена щелевой, фотоприемник и диафрагма установлены с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения отраженного от роговицы пучка света.

На фиг. 1 изображена схема отражения луча света от поверхности роговицы, на фиг. 2 схема отражения лучей света от поверхности деформированной роговицы, на фиг. 3 распределение интенсивности света Ф (Z), отраженного от роговицы, на фиг. 4 градуировочная зависимость амплитуды сигнала фотоприемника от ВГД, на фиг. 5 схема бесконтактного тонометра.

Для пояснения сущности заявляемого изобретения в первом приближении роговицу глаза представим тонкой сферической эластичной пленкой, закрепленной на круглом отверстии и находящейся под действием сил давления и поверхностного натяжения. В этом случае будет справедливо уравнение Лапласа (Д.А. Фридрихсберг. Курс прикладной химии. М. Химия, 1974, с.67), определяющее связь радиуса кривизны такой пленки R с коэффициентом поверхностного натяжения и разностью давлений вблизи вогнутой p и выпуклой p_a поверхностью пленки (т. е. ВГД и атмосферное давление вблизи поверхности глаза):



Пусть на роговицу глаза падает световой пучок под углом к оптической оси глаза (фиг. 1). Из геометрического рассмотрения можно показать, что угол отражения зависит от v_o, радиуса кривизны роговицы R и координаты y точки падения:



Пусть вследствие пневматического воздействия атмосферное давление p_a вблизи поверхности роговицы изменилось (увеличилось) на величину p_a, т. е. p_a= p_ao+p_a, где p_ao атмосферное давление без воздействия.

Это привело к соответствующему изменению радиуса кривизны роговицы на величину R (фиг. 2).

При _o= const из уравнения (2) следует, что малое изменение равно:



Полагая ВГД неизменным, т. е. p const, из (1) следует



Величину y можно определить из геометрии отражения луча (фиг. 2), где d радиус роговицы, R радиус кривизны роговицы.

Можно показать, что



Обозначим приведенное значение ВГД через P:

P p p_ao. (6)

Подставим (1), (4), (5), (6) в (3), тогда после преобразований получим



С учетом (1) можно получить



Из (8) видно, что величина /p_a квадратично зависит от координаты точки падения луча y и линейно зависит от искомого P. Минимальное значение достигает при y 0, что соответствует падению луча в центр роговицы. Из (8) также видно, что при v_o= 0= не будет зависеть от P. Следовательно, при проведении измерений заявляемым способом необходимым условием является v_o 0, т. е. пучок света, падающий на роговицу, не должен быть параллелен оптической оси глаза. Из (8) также видно, что сильно зависит от P.

Предположим теперь, что на роговицу глаза действует периодическое пневматическое воздействие (например, гармоническое с частотой w), т. е. атмосферное давление вблизи поверхности роговицы изменяется во времени по закону

P_a= P_aosint. (9)

Пусть мы наблюдаем распределение интенсивности света Ф(Z), отраженного от роговицы, в плоскости M, удаленной от поверхности роговицы на расстояние L (фиг. 3а).

В плоскости M расположен фотоприемник с диафрагмой в виде щели, расположенной на расстоянии Z₁ от центра Ф(Z) (на участке наибольшего спада функции Ф(Z), фиг. 3б). Обозначим функцию пропускания диафрагмы (Z). Тогда сигнал фотоприемника будет равен



где чувствительность фотоприемника.

На участке наибольшего спада функцию Ф(Z) (фиг. 3б) аппроксимируем линейной зависимостью вида

Ф(Z) A kZ, (11) а функцию v(Z) дельта-функцией:

(Z) = (Z-Z₁). (12)

Тогда из (10) следует



При периодическом изменении p_a, согласно (9) смещение всех точек распределения интенсивности света Ф(Z) будет равно (фиг. 3а)

Z₀= Z₁ L = L_osint. (14)

Тогда, очевидно, сигнал фотоприемника будет равен



т. е. переменная составляющая сигнала U(t) пропорциональна

U(t)~kL_osint (16)

Соответственно амплитуда сигнала U_o, равная

U_o= kL_o, (17)

пропорциональна величине _o, которая, в свою очередь, зависит от величины ВГД (см. (8)).

Очевидно, что максимальное значение амплитуда сигнала примет при максимальном значении k, т. е. при положении щелевой диафрагмы на участке наибольшего спада распределения интенсивности света Ф(Z) (см. фиг. 3б).

Для достижения этого диафрагма и фотоприемник устанавливаются с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения отраженного от роговицы луча света.

Следовательно, по амплитуде сигнала фотоприемника U_o, соответствующей амплитуде угловых колебаний отраженного роговицей пучка света, можно судить о величине ВГД.

В отличие от прототипа в заявляемом способе нет необходимости в создании сильного пневматического воздействия, приводящего к уплощению роговицы. Достаточно небольших периодических изменений давления вблизи роговицы, которые бы вызывали соответствующие колебания отраженного от роговицы света. Это обстоятельство представляется существенным для снижения травматичности измерений. Частота периодических измерений давления должна быть в звуковом диапазоне. Применение инфразвуковых и ультразвуковых частот, как известно, небезопасно для здоровья человека. Создание такого периодического пневматического воздействия и направление его на исследуемый глаз осуществляются в устройстве следующим образом.

Источником пневматического воздействия служил диффузор акустического низкочастотного динамика, установленного в корпусе. Диффузор создавал периодические изменения давления воздуха вблизи своей поверхности с частотой, задаваемой генератором низкочастотных сигналов, подключенным к динамику. Для направления этих изменений давления воздуха к роговице использовался полый сужающий канал, входное окно которого совмещалось с плоскостью диффузора и имело диаметр не менее диаметра диффузора для того, чтобы полностью использовать площадь диффузора для создания пневматического воздействия на роговицу глаза. Выходное окно располагалось вблизи роговицы и имело диаметр, соизмеримый с размером роговицы, т. е. в несколько раз меньший, чем входное окно. Последнее обстоятельство приводило к усилению пневматического воздействия, создаваемого динамиком, в число раз, равное отношению площадей входного и выходного окон сужающегося канала.

Как было показано выше, величина электрического сигнала фотоприемника будет зависеть от положения щелевой диафрагмы на распределении Ф(Z) (см. формулу (17)). Поэтому для того, чтобы определенному значению ВГД соответствовало только одно определенное значение электрического сигнала U_o, необходимо расположить щелевую диафрагму на участке наибольшего спада кривой Ф(Z), что будет соответствовать максимальному значению U_o. Точность измерений в заявляемом способе и устройстве будет выше, чем в прототипе вследствие того, что производятся многократные измерения амплитуды электрического сигнала фотоприемника, по которым затем находят среднее значение сигнала. Для нахождения величины ВГД по значению электрического сигнала фотоприемника необходимо предварительно построить градуировочную кривую зависимости этого сигнала от ВГД. Для этого проводят заявляемым способом измерения ВГД у группы людей с уже известными значениями ВГД и на основании полученных данных строят соответствующую градуировочную зависимость (фиг. 4). В дальнейшем при проведении измерений необходимо только соблюдать те же условия настройки устройства, что были при выполнении градуировки, а именно сохранить тот же угол падения освещающего пучка _o, амплитуду и частоту пневматического воздействия, которые определяют p_a, расстояние от поверхности роговицы до фотоприемника L.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства, представленного на фиг. 5. Устройство содержит источник излучения 1, оптическая ось которого расположена под углом _o к оптической оси исследуемого глаза, и установленные последовательно по ходу отраженного под углом от роговицы глаза пучка света щелевую диафрагму 2, расположенную на участке наибольшего спада распределения интенсивности света, отраженного роговицей, и фотоприемник 3, выход которого соединен с регистрирующим устройством 4. В конструкции предусмотрена возможность перемещения диафрагмы 2 и фотоприемника 3 в плоскости, перпендикулярной направлению распространения отраженного от роговицы пучка.

Устройство для пневматического воздействия на роговицу выполнено в виде полого сужающегося канала 5, диаметр выходного окна которого соизмерим с размером роговицы и окно расположено вблизи нее, а входное окно совмещено с плоскостью диффузора низкочастотного акустического динамика 6, установленного в корпусе 7 и соединенного с генератором низкочастотных сигналов 8. Диафрагма 2 щелевая. Диафрагма 2 и фотоприемник 3 установлены с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения отраженного от роговицы пучка света.

Способ измерения ВГД осуществляют следующим образом. Центр поверхности роговицы глаза освещают узким пучком света от источника 1, направленным под углом _o к оптической оси глаза, осуществляют пневматическое воздействие на роговицу глаза периодически в звуковом диапазоне частот с помощью устройства, выполненного в виде сужающегося полого канала 5, выходное окно, которого расположено вблизи роговицы, а входное окно совмещено с плоскостью диффузора низкочастотного акустического динамика 6, установленного в корпусе 7 и соединенного с генератором низкочастотных сигналов 8. Перемещают диафрагму 2 и фотоприемник 3 перпендикулярно направлению распространения отраженного от роговицы пучка. При этом амплитуда электрического сигнала фотоприемника будет изменяться. Добиваются получения максимального значения амплитуды электрического сигнала и фиксируют диафрагму 2 и фотоприемник 3. С помощью регистрирующего устройства 4 измеряют значения амплитуд полученного сигнала при действии периодического пневматического воздействия на роговицу глаза. Измеренные значения будут пропорциональны амплитудам угловых колебаний _o отраженного от роговицы света (см. формулу (17)). Находят среднее значение амплитуды измеренных сигналов, по которому по предварительно построенной градуировочной кривой (фиг. 4) определяют искомое значение ВГД. Для построения самой градуировочной зависимости вся описанная выше последовательность действий сохраняется, но исследуются глаза с заранее известным ВГД.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого способа и устройства предлагается следующее. Узкий пучок света создавался гелий-неоновым лазером ЛГН-207А, мощность излучения которого ослаблялась 20-кратным нейтральным светофильтром с целью безопасности для зрения, и направлялся на роговицу глаза под углом к оптической оси глаза. Отраженный от роговицы пучок проходил щелевую диафрагму 2 с шириной щели, равной 0,3 мм, и попадал на фотодиод 3 типа ФД-24К, расположенный на расстоянии L 150 мм от поверхности роговицы. Диафрагма и фотоприемник устанавливались на 3-координатном юстировочном столике, позволяющем изменять их положение. Электрический сигнал с фотодиода 3 подавался на светолучевой осциллограф типа Н-145. Устройство для создания пневматического воздействия включает акустический динамик 6 типа 4ГД-36, установленный в корпусе 7 размерами 260 х 260 х 170 мм. Для направления пневматического воздействия на исследуемый глаз использовался полый усеченный конус 5, изготовленный из жести толщиной 0,5 мм и имеющий следующие размеры: диаметр основания 180 мм, диаметр вершины 10 мм, высота конуса 320 мм. Расстояние от вершины конуса до поверхности роговицы составляло 30 мм. На динамик 6 подавались гармонические колебания с частотой 40 Гц и амплитудой 3 В от звукового генератора 8 типа ГЗ-109. Измерялись величины максимальных амплитуд электрических сигналов U_o с фотодиода у 7 человек, ВГД которых предварительно измерили общепринятой в нашей стране методикой с помощью апланационного тонометра Маклакова. Средние величины амплитуд находились по 50 значениям амплитуд, зарегистрированным светолучевым осциллографом. В результате была построена градуировочная зависимость, представленная на фиг. 4, с помощью которой можно определить ВГД у любого человека.

Таким образом, в отличие от прототипа процедура измерения ВГД заявляемым способом и с помощью заявляемого устройства абсолютно безопасна для глаза, т. к. пневматическое воздействие значительно слабее, а сами измерения точнее, т. к. величина ВГД определяется по большому числу (в нашем случае 50) значений измеренных амплитуд электрического сигнала фотоприемника. При частоте пневматического воздействия, равной 40 Гц, на измерения ВГД потребовалось 1,25 секунды.