бесконтактный способ измерения внутриглазного давления

Формула изобретения

Бесконтактный способ измерения внутриглазного давления, включающий освещение центра роговицы глаза пучком света, направленным под углом к оптической оси глаза, деформацию роговицы путем пневматического воздействия на нее и измерение амплитуд электрических сигналов, соответствующих световым, отраженным от роговицы, отличающийся тем, что роговицу освещают вторым пучком света, направленным параллельно первому, причем расстояние между пучками не превышает величину радиуса роговицы, перед деформацией роговицы определяют углы ₁ и ₂ между оптической осью глаза и отраженными от роговицы пучками, находят сумму этих углов A, пневматическое воздействие осуществляют периодически в звуковом диапазоне частот, по измеренным амплитудам электрического сигнала и позиционной характеристике регистрирующего устройства определяют значения амплитуд смещения y координаты энергетического центра отраженных пучков, находят среднее значение этой амплитуды, по которому определяют амплитуду периодических угловых колебаний A отраженных пучков по формуле

A = y/H,

где H - расстояние от центра роговицы до регистрирующего устройства,

а величину внутриглазного давления P определяют по формуле

P = [(A-2_o)/A]p,

где p - амплитуда давления периодического пневматического воздействия вблизи поверхности роговицы;

_o - угол между падающими пучками и оптической осью глаза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины и здравоохранения и может быть использовано 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 совершенствование 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 для измерения ВГД является актуальной.

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

Известен способ контактного измерения ВГД с помощью аппланационного тонометра Маклакова, заключающийся в измерении площади уплощения (аппланации) роговицы под весом специального плоского грузика, устанавливаемого на роговицу [1]. Величина ВГД обратно пропорциональна площади аппланации 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 [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, так как 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 пневматического импульса до появления сигнала с фотоприемника и зная закон изменения давления в пневматическом импульсе. Для получения истинного значения ВГД необходимо произвести градуировку прибора. 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, так как 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. 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 придет к завершению измерительного значения ВГД. Другим недостатком является необходимость делать градуировку.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа для бесконтактного измерения ВГД, позволяющего повысить точность измерений, избавиться от необходимости градуировки прибора и снизить травматичность измерений. Поставленная задача решается за счет того, что в бесконтактном способе измерения ВГД роговицу освещают вторым пучком света, направленным параллельно первому, причем расстояние между пучками не превышает величину радиуса роговицы, перед деформацией роговицы определяют углы ₁ и ₂ между оптической осью глаза и отраженными от роговицы пучками, находят сумму этих углов A, пневматическое воздействие осуществляют периодически в звуковом диапазоне частот, по измеренным амплитудам электрического сигнала и позиционной характеристике регистрирующего устройства определяют значения амплитуд смещения y координаты энергетического центра отраженных пучков, находят среднее значение этих амплитуд, по которому определяют амплитуду периодических угловых колебаний A отраженных пучков по формуле A = y/H, где H - расстояние от центра роговицы до регистрирующего устройства, а величину внутриглазного давления P определяют по формуле

P = [(A-2_o)/A]p,

где

p - амплитуда давления периодического пневматического воздействия вблизи поверхности роговицы,

_o - угол между падающими пучками и оптической осью глаза.

На фиг. 1 показана схема отражения лучей света от поверхности роговицы; на фиг. 2 - схема отражения лучей света от поверхности деформированной роговицы; на фиг. 3 - устройство, реализующее способ; на фиг. 4 - схема определения углов ₁ и ₂.

Для пояснения сущности заявленного 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), определяющего 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):

p-p_a= 2/R (1)

Пусть на роговицу глаза падают два световых пучка под углом к оптической оси глаза (фиг. 1). Из геометрического рассмотрения можно показать, что углы отражения ₁ и ₂ зависят от _o, радиуса кривизны роговицы R и координаты у точки падения

₁= _o и ₂= _o+2y/R (2)

Пусть вследствие пневматического воздействия атмосферное давление p_a вблизи поверхности роговицы изменилось (увеличилось) на величину p т.е.

p_a= p_ao+p (3),

где

p_ao - атмосферное давление без воздействия.

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

При _o= const из уравнений (2) можно определить углы отражения.

Сумма углов отражения с учетом того, что один луч падает на оптическую ось глаза (y=0), определяется из выражения

A = ₁+₂= 2_o+2y/R = 2_o+2l/(Rcos_o), (4)

где

l - расстояние между падающими пучками.

Приведенное значение ВГД определяется по формуле

P=p-p_ao

с учетом выражения (1)

A = 2_o+[l/(cos_o)]P (6)

При изменении p_a на величину p приращение A равно

A = [l/(cos_o)]p (7)

Из выражений (6, 7) следует

P = [(A-2_o)/A]p (8)

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

p_a= psint (9),

где

p - амплитуда изменения атмосферного давления.

Тогда вследствие изменения радиуса роговицы под действием внешнего воздействия изменятся углы отражения ₁ и ₂ и соответственно величина (фиг. 2). Амплитуда изменения величины A, равная A , будет соответствовать амплитуде изменения атмосферного давления p. Величину A можно определить следующим способом.

Оба отраженных от роговицы пучка направляются на регистрирующее устройство - мультискан. Измеряется амплитуда колебания электрического сигнала U мультискана. Зная зависимость U от амплитуды смещения y координаты энергетического центра отраженных пучков (паспортная характеристика мультискана), можно определить y. Затем находят среднее значение многократно измеренных U и соответствующее ему среднее значение y. Зная расстояние H, определяют амплитуду периодических угловых колебаний A по формуле

A = y/H (10),

где

H - расстояние от центра роговицы до регистрирующего устройства.

Таким образом, по найденным величинам A и A и при известном p с помощью выражения (8) можно определить приведенное значение ВГД.

В отличие от прототипа, в заявляемом способе нет необходимости в создании сильного 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 человека. Создание такого периодического воздействия и направление его на исследуемый глаз осуществляется в устройстве, реализующем способ 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 подключенным к динамику генератором низкочастотных сигналов. Для направления этих изменений давления воздуха к роговице использовался полый сужающийся канал, входное окно которого совмещалось с плоскостью диффузора. Для того, чтобы полностью использовать площадь диффузора для создания пневматического воздействия на роговицу глаза, диаметр входного окна равнялся диаметру диффузора. Выходное окно располагалось вблизи роговицы и имело диаметр, соизмеримый с размером роговицы, т.е. в несколько раз меньше, чем входное окно. Последнее обстоятельство приводило к усилению пневматического воздействия, создаваемого динамиком, в число раз, равное отношению площадей входного и выходного окон сужающегося канала.

Точность измерений в заявляемом способе будет выше, чем в прототипе вследствие того, что производится многократное измерение амплитуды электрического сигнала, по которому затем находят среднее значение сигнала. Кроме того, в отличие от прототипа, заявляемый способ не требует проводить градуировку, что также повышает точность измерений ВГД и упрощает процедуру измерений, а периодическое пневматическое воздействие в звуковом диапазоне частот позволяет снизить травматизм измерений.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства, представленного на фиг. 3. Устройство содержит источник излучения 1, на пути распространения света установлена плоскопараллельная пластина 2, после прохождения которой пучок света преобразуется в два параллельных пучка разной интенсивности. Для определения приращения A необходимо, чтобы интенсивности обоих пучков были одинаковыми, поэтому на пути пучка света большей интенсивности установлен нейтральный светофильтр 3 с таким коэффициентом пропускания, чтобы интенсивности обоих пучков были одинаковыми. Оптические оси этих пучков расположены под углом _o к оптической оси исследуемого глаза. Один из пучков направлен в центр роговицы, а другой смещен относительно центра на величину, не превышающую радиус роговицы. На пути отраженных от роговицы пучков установлено регистрирующее устройство 4 таким образом, чтобы оба пучка полностью попадали на чувствительный элемент регистрирующего устройства 5.

Устройство для пневматического воздействия на роговицу выполнено в виде полого сужающегося канала 6, выходное окно которого диаметром, соизмеримым с размером роговицы, расположено вблизи нее, а входное окно совмещено с плоскостью диффузора низкочастотного акустического динамика 7, установленного в корпусе 8 и соединенного с генератором низкочастотных сигналов 9.

Способ измерения ВГД осуществляют следующим образом.

Поверхность роговицы глаза освещают двумя узкими пучками света от источника 1 через плоскопараллельную пластину 2, направленными под углом _o/ к оптической оси глаза. Пучки света имеют разную интенсивность. На пути света большей интенсивности устанавливают нейтральный светофильтр с таким коэффициентом пропускания, чтобы интенсивности обоих пучков были одинаковыми. Один пучок направлен в центр роговицы, а другой смещен относительно центра на некоторое расстояние. Определяют угол ₁ между отраженным пучком, направленным в центр глаза, и оптической осью глаза и угол ₂ между отраженным пучком, смещенным относительно центра глаза, и оптической осью глаза следующим образом.

На достаточно большом расстоянии (несколько десятков сантиметров) от роговицы на пути двух отраженных пучков устанавливают два экрана (см. фиг. 4). Измеряют расстояние от точек пересечения пучков с экраном до роговицы глаза AC и BD и расстояния от точек пересечения пучков с экранами до оптической оси глаза CG и DF. Тогда углы ₁ и ₂ можно определить по формулам

₁= arcsin(CG/AC) и ₂= arcsin(DF/BD) (11)

Находят сумму этих углов : A = ₁+₂.

Осуществляют пневматическое воздействие на роговицу глаза периодически в звуковом диапазоне частот с помощью устройства, выполненного в виде сужающегося полого канала 6, входное окно которого совмещено с плоскостью диффузора низкочастотного акустического динамика 7, установленного в корпусе 8 и соединенного с генератором низкочастотных сигналов 9. Перпендикулярно направлению распространения отраженных от роговицы пучков установлен фоточувствительный элемент 5 таким образом, чтобы оба отраженных пучка падали на фоточувствительный элемент мультискана. С помощью регистрирующего устройства 4 измеряют значения амплитуд полученного сигнала при действии периодического пневматического воздействия на роговицу глаза. Находят среднее значение измеренных амплитуд смещения y координаты энергетического центра распределения освещенности фоточувствительного элемента отраженными от роговицы глаза пучками. Предварительно измерив величины _o, ₁, ₂, H, p, по формулам (10) и (8) определяют искомое ВГД P.

В качестве примера конкретного выполнения заявленного способа предлагается следующее. Узкий пучок света создавался He-Ne лазером ЛГН-207А, на пути распространения пуска света устанавливалась плоскопараллельная пластина 2 из стекла K8 размером 20х30х5 мм. Плоскопараллельная пластина устанавливалась под углом 45^o к его оптической оси таким образом, что после прохождения пластины образовалось два параллельных пучка света разной интенсивности, расстояние между которыми составляло 2 мм и с целью безопасности для зрения эти пучки направлялись на роговицу глаза под углом 45^o к его оптической оси. На пути распространения пучка света большей интенсивности устанавливался нейтральный светофильтр 3, пройдя который интенсивности двух пучков становились одинаковыми. До пневматического воздействия определялись углы отражения ₁ и ₂ по формуле (11). По ходу отраженных пучков на расстоянии 300 мм от роговицы устанавливались два экрана. Значения геометрических величин (см. фиг. 4) составили: AC=300 мм; CG=212 мм; DF=287 мм.

Затем расчитывались углы ₁ и ₂ по формуле (11): ₁= 45; ₂= 73

Затем происходило пневматическое воздействие. Отраженные от роговицы пучки падали на чувствительный элемент регистрирующего устройства 5. Чувствительным элементом являлся позиционно-чувствительный фотоприемник - мультискан (а.с. N 1238644, б.и. N 3, 1987) - с высоким координатным разрешением. Электрический сигнал с мультискана подавался на светолучевой осциллограф H-145. Устройство для создания пневматического воздействия включает акустический динамик 7 типа 4ГД-36, установленный в корпусе 8 размерами 260260170 мм. Для направления пневматического воздействия на исследуемый глаз использовался полый усеченный конус 6, 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 составило 30 мм. На динамик 7 подавались гармонические электрические колебания частотой 40 Гц и амплитудой 3 B от звукового генератора 9 типа Г3-109. Измерялись величины амплитуд электрических сигналов с мультискана 5. Среднее значение находилось по 50 значениям амплитуд, зарегистрированных осциллографом. Затем по известным и найденным значениям ( _o, ₁, ₂, H, y, p ) с помощью формул (8) и (10) определялось P: _o= 45; ₁= 45; ₂= 73 ; L=100 мм; y = 2,79 мм;

P=4209 Па=32 мм рт.ст.

Таким образом, в отличие от прототипа процедура измерения ВГД заявляемым способом безопасна для глаза, так как пневматическое воздействие было значительно слабее, а лазерное излучение ослаблялось до безопасной для зрения интенсивности. Сами измерения точнее, так как величина ВГД определялась по большому числу (в нашем случае - 50) значений измеренных амплитуд угловых колебаний отраженных пучков, а также потому, что в данном способе не требуется градуировка. При частоте пневматического воздействия, равной 40 Гц, на измерение ВГД потребовалось 1,25 с.