CC BY
38Ссылка на статью:
// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 03. С. 54-63.
Б01: 10.24108/^ор!.0317.0000109
Представлена в редакцию: 02.05.2017 Исправлена: 16.05.2017
© МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 681.7.01; 681.784.4
Моделирование оптической системы осветительного канала офтальмологической щелевой лампы
Ровенская Т.е.1' 'гслТ:Б@уа1и1ех:ги
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Достижение актуальной цели инновационного замещения импорта по группе офтальмологических приборов требует решения задач функционального, конструкторского и технологического проектирования структурируемых в едином медико-техническом устройстве оптико-механических, оптико-электронных и лазерных модулей. Важным универсальным модулем этих приборов является узел щелевой лампы, соответствующий осветителю в схемотехнически эквивалентной эпископической проекционной системе « осветитель - глаз человека - стереомикроскоп». Рассмотрена функциональная схема щелевой лампы в виде сложной осветительно-проекционной системы, обеспечивающей изменение формы, размера и освещенности светового пятна в исследуемой области оптических сред глаза. С применением методов геометрической оптики разработаны варианты лучевой модели щелевой лампы. Лучевая модель позволяет на основе общих соотношений фотометрии и параксиальной оптики создать математическую модель осветительно-проекционного канала, образующую теоретическую базу для светоэнергетического и габаритного расчетов и компьютерного имитирования.
Ключевые слова: офтальмологический прибор, щелевая лампа, оптическая система, проектирование, функциональная схема, моделирование
Введение
Щелевые офтальмологические лампы по частоте и универсальности применения в медицинской практике относятся к основным инструментам офтальмологов [1,2]. С их помощью осуществляется диагностика различных глазных болезней человека, включая такие распространённые как катаракта и глаукома, а также обеспечивается раннее распознавание онкологических заболеваний и уточнение диагнозов по общим заболеваниям человека (гипертоническая болезнь, сахарный диабет, атеросклероз и другие).
Щелевая лампа, известная уже более ста лет, в настоящее время стала основой для создания линеек новых офтальмологических приборов [2]. Конкретную модель щелевой лампы в зависимости от набора обеспечиваемых ею функций условно можно отнести к
Радиооптика
Сетевое научное издание МГТУ * ш. Н. Э. Баум1 т н а
Кйр://гас1к>ор11С5.ш
прибору низшего, среднего или высшего уровня. Низшему уровню соответствуют наиболее простые в техническом отношении модели, предназначенные для визуальной диагностики при ограниченном наборе технических показателей. Высшему - офтальмологические лечебно-диагностические комплексы, с помощью которых осуществляется как диагностика, так и лечебное воздействие, в том числе с использованием лазерного излучения (лазеркоагуляция, фотодеструкция (фотодисцизия), фотоинцизия и фотодекомпозиция биотканей глаза). Щелевые лампы среднего уровня обеспечивают большую вариативность в детализации исследуемой области глаза, чем это обеспечивается в щелевых лампах низшего уровня. Восприятие и обработка информации в них происходит как визуально, так и путем цифровой регистрации изображения светового среза среды глаза с созданием фото -и (или) видеофайлов. В результате обеспечиваются условия для динамического режима исследования и наблюдения за объектом, внедрения электронных методов архивации и документирования, программных методов обработки изображений исследуемой области глаза, а также использования телекоммуникационных технологий.
Современные офтальмологические щелевые лампы относятся к высокотехнологичному медицинскому оборудованию, потребность в котором удовлетворяется по преимуществу за счет зарубежных закупок моделей всех уровней производств ФРГ, Южной Кореи, Японии, США [3,4,5]. Анализ характеристик отечественных офтальмологических щелевых ламп (разработки ЗАО «Орион Медик», ОАО «Загорский оптико-механический завод», ПАО Красногорский завод имени С.А.Зверева) позволяет сделать вывод о возможности решения для данной группы медицинской техники актуальной задачи замещения импорта [6,7]. Достижение этой стратегической цели требует решения ряда задач, которые можно классифицировать как задачи медико-технического проектирования [8] с выделением функционального, конструкторского и технологического проектирования отдельных модулей, относящихся к областям оптико-механических, оптико-электронных и лазерных систем.
1. Функции щелевой лампы
Офтальмологические приборы разного уровня сложности объединены в общую группу «щелевых ламп» по наличию в их составе структурно-функционального узла, который исторически и конструктивно представляет собой собственно « щелевую лампу». В этих приборах исследование участков переднего и заднего отделов живого глаза происходит за счет использования порождаемых глазными оптическими средами вторичных световых потоков, которые возникают при прохождении через эти среды первичного светового потока. Оптический офтальмологический прибор содержит как минимум один оптический осветительный и один оптический наблюдательный каналы. С позиции схемотехники совместное действие осветительного канала, глаза и наблюдательного канала в оптическом офтальмоскопическом приборе имеет родство с эпископическим проекционным прибором. Процесс исследования отделов глаза в видимом диапазоне электромагнитного излучения известен как биомикроскопия. Прибор позволяет выполнять исследование и
диагностику глаза, варьируя яркостью и шириной щели осветителя (от полностью открытой щели, когда освещена вся поверхность глазного яблока, до узкого пучка, образующего так называемый «световой нож»), спектральным составом света, увеличением микроскопа, а также применяя различные способы (методы) наблюдения исследуемых участков оптических сред глаза [9,10,11,12]. Осветительный канал (узел « щелевой лампы») обеспечивает получение регулируемого по размеру, яркости и спектральному составу светового среза оптических сред глазного яблока, изображение которого изучается с помощью сте-реомикроскопа.
2. Функциональная оптическая схема осветительного канала
С целью разработки методик проектирования офтальмологических щелевых ламп предложена исходная лучевая модель осветительного канала, который при описании обозначен как осветительно-проекционный для отражения особенностей его функциональной схемы. Модель предложена к использованию для решения классических задач среднего уровня проектирования оптических систем оптико-механических и оптико-электронных приборов, в том числе светоэнергетического и габаритного расчетов.
Функциональная схема оптической системы осветительно-проекционного канала показана на рис. 1.
1 2
Диафрагма
Рис.1. Функциональная оптическая схема осветительно-проекционного канала офтальмологической
щелевой лампы
¡Щель
Ж
Канал содержит осветительную и проекционную части (системы), совместное действие которых обеспечивает условие равнояркости. Оптическая система осветителя ( конденсор) (1) проецирует излучающую поверхность источника излучения в плоскость, оптически не сопряженную с плоскостью наблюдения через микроскоп или фиксируемой в виде видеофайла. Такой плоскостью может быть, в частности, входной зрачок оптической проекционной системы канала. В этом варианте решения обобщенной структурной схемы осветительного канала он эквивалентен известной осветительной системе Келлера, применяемой в оптической микроскопии [13]. Проекционная часть содержит собственно оптическую систему и щелевую диафрагму, выполняющую роль полевой диафрагмы. Оптическая система строит изображение освещаемой равномерно диафрагмы в плоскости наблюдения через стереомикроскоп (плоскости предметов стереомикроскопа).
В исследуемой области глаза в зоне изображения светового ножа должна быть создана освещенность, достаточная для получения изображений в визуальном канале и в канале электронной фиксации. Изменение уровня освещенности может быть обеспечено как регулировкой мощности источника, так и изменением диаметра апертурной диафрагмы оптической проекционной системы (апертурная диафрагма на рис.1 не показана). Щелевая диафрагма проекционной системой изображается в исследуемую область глаза в масштабе проекции. Конструкция диафрагмы позволяет изменять размер и форму светового ножа (Д); а призма Дове (поз. 8) обеспечивает поворот проекции светового ножа в плоскости глаза. Призма Дове установлена в параллельном ходе лучей, созданном между первым и вторым компонентами (объективами) двухкомпонентной проекционной (репродукционной) оптической системы (поз. 6, 7 и поз. 9, 10 соответственно). Так как при исследовании голова пациента расположена в вертикальном положении, то при размещении источника на оси проекционной системы для изменения направления оптической оси осветительно-проекционного канала на 90° в его конструкцию введена прямоугольная равнобедренная призма АР-90 (поз. 11). Стереомикроскоп, через который осуществляется визуальное наблюдение, также фокусируется на исследуемую область глаза. Расстояние от выходной грани прямоугольной призмы до глаза ограничено конструкцией микроскопа; для большинства моделей щелевых ламп оно находится в диапазоне от 70 мм до 120 мм. Щелевая диафрагма расположена в передней фокальной плоскости первого компонента проекционной системы; в этом случае проекция светового ножа создается в задней фокальной плоскости второго компонента. В ходе лучей после осветительной части установлены сменные светофильтры (поз. 2,3,4,5), с помощью которых обеспечивается исследование различных отделов глаза в соответствующих участках спектра.
3. Лучевая модель осветительно - проекционного канала офтальмологической щелевой лампы
Моделирование осветительно-проекционного канала выполнено на основе методологии геометрической (лучевой) оптики, принимая силовые оптические компоненты (конденсор, первый и второй компоненты (объективы) двухкомпонентной проекционной (ре-
продукционной) оптической системы) тонкими и расположенными в воздухе. Освети-тельно-проекционный канал обеспечивает получение в области исследуемой зоны глаза (на рис.1 - плоскость предметов) равномерно освещенного пятна необходимого размера, формы и уровня освещенности.
Действие осветительной части щелевой лампы соответствует классическим моделям коллиматора (квазиколлиматора) или конденсора [14]. За осветительной системой создается параллельный или сфокусированный ход лучей соответственно; линейное увеличение /?к конденсора равно бесконечности или имеет конкретное числовое значение (отрицательное в случае формирования за конденсором сходящихся пучков). Конденсор обеспечивает оптическое сопряжение плоскостей источника излучения и входного зрачка оптической проекционной системы в щелевой лампе. Щелевая диафрагма располагается в пространстве между осветительной системой и первым компонентом проекционной системы в непосредственной близости за конденсором. Для упрощения выкладок сделано допущение о расположении светового ножа в плоскости выходного зрачка оптической системы осветителя. При диффузном источнике и отсутствии виньетирования конденсором пучков лучей источника это обеспечивает равномерную яркость плоскости щели диафрагмы. Для удобства вывода уравнений светоэнергетического и габаритного расчетов схема освети-тельно-проекционного канала выпрямлена вдоль оптической оси с заменой призмы Дове и прямоугольной призмы их эквивалентными редуцированными к воздуху развертками в виде плоскопараллельных пластин. Конденсор, первый и второй оптические компоненты проекционной части заданы их совмещенными главными плоскостями.
На рис.2 представлен лучевая модель варианта принципиальной схемы осветитель-но-проекционного канала, соответствующего условиям коллимированного хода лучей за оптической системой осветителя и проецированию излучающей поверхности источника в плоскость входного зрачка оптической проекционной системы.
с,
Рис. 2. Лучевая модель осветительно-проекционного канала офтальмологической щелевой лампы
В этом случае плоскость апертурной диафрагмы проекционной системы (АД на рис.2) совпадает с задней фокальной плоскостью первого компонента проекционной системы. При расположении апертурной диафрагмы в пространстве между компонентами проекционной системы заднее фокусное расстояние первого компонента должно быть меньше расстояния между компонентами: й > Д . При равенстве заднего фокусного расстояния первого компонента и расстояния между компонентами апертурная диафрагма будет совпадать с положением второго компонента. Плоскость изображения излучающей поверхности источника после проекционной системы будет совпадать с положением задней фокальной плоскости оптической системы, эквивалентной двухкомнонентной оптической системе проекционной части осветительно-проекционного канала.
На рис.2 показан ход апертурных и главных лучей, исходящих из осевой и крайней внеосевой точек излучающей поверхности источника; а на рис. 3 укрупненный фрагмент данной лучевой модели.
Рис.3. Фрагмент лучевой модели осветительно-проекционного канала офтальмологической щелевой лампы
Выделенные лучи значимы для иллюстрации принципа работы осветительно - проекционного канала и необходимы для получения на основе общих соотношений фотометрии и параксиальной оптики как расчетных математических выражений, составляющих теоретическую основу светоэнергетического и габаритного расчетов осветительно-проекционного канала, так и для осуществления компьютерного моделирования обсуждаемого узла щелевой лампы [14, 15].
Другие лучевые модели соответствуют вариантам функциональной схемы освети-тельно-проекционного канала, различающимися 1) размещением апертурной диафрагмы в оптической проекционной системе; 2) принципом устройства осветительной части, который может соответствовать коллиматору или конденсору.
Задача светоэнергетического расчета формулируется как обеспечение заданной освещенности в плоскости изображения щели (плоскости предметов) при выбранных параметрах источника излучения (галогенная лампа или светодиод).
Задачей габаритного расчета является определение расстояний между компонентами, фокусных расстояний и световых диаметров всех компонентов, считая задаваемыми параметрами общую длину системы L, заднее фокусное расстояние/2' второго компонента проекционной системы и максимальный размер изображения щели . Расстояние между компонентами проекционной части должно обеспечить размещение между ними призмы Дове с продольным размером a ; последний связан с диаметром D сечения пучка лучей,
_ 2л/2*п2 —1
поступающих на входную грань призмы, соотношением: О — , —— * и; п - по-
л/2*п2-1-1
казатель преломления материала призмы [14]. Для увеличения расстояния между глазом пациента и последним оптическим элементом осветительно-проекционного канала призму АР-90 следует размещать вблизи второго компонента проекционной системы.
Заключение
Представленная лучевая модель осветительно - проекционного канала является одним из возможных вариантов осветительно - проекционного канала офтальмологических приборов на основе щелевой лампы. Модель позволяет на основе общих соотношений фотометрии и параксиальной оптики получить расчетные математические выражения, составляющие теоретическую основу светоэнергетического и габаритного расчетов освети-тельно-проекционного канала, а также осуществить компьютерное (имитационное) моделирование узла «щелевая лампа» как обязательной составной части оптических офтальмологических приборов. Разработка других вариантов лучевой модели осветительно- проекционного канала предполагает переход от случая коллимированного хода лучей за оптической системой осветителя к случаю модели осветителя по типу конденсора при сохранении общей концепции построения модели и используемой теоретической базы.
Список литературы
1. Стандарт оснащения кабинета неотложной офтальмологической помощи: Приложение № 2 к Порядку оказания неотложной медицинской помощи населению Российской Федерации при острых заболеваниях и состояниях глаза, его придаточного аппарата и орбиты, утвержденному приказом Минздравсоцразвития России от 27 февраля 2010 г. № 115н.
2. Леонтьева Т.В., Овчинников Б.В. Щелевые лампы для биомикроскопии глаза // Веко. 1997. № 6.
3. Щелевые лампы. Режим доступа: http://www.tiaramed.ru/Schelevye-lampy/View-an-products.html (дата обращения 2.09.2017).
4. Щелевые лампы. Режим доступа: http://r-optics.ru/oborudovaniye/Shchelevyye-lampy-807/ (дата обращения 2.09.2017).
5. Щелевые лампы. Режим доступа: http://supermed.msk.ru/category/oftalmologiya/oborudovanie-oftolmologiya/shhelevye lampy/ (дата обращения 2.09.2017).
6. Щелевая лампа ЛС-01-Зенит. Режим доступа: http://optimed24.ru/shchelevye-lampy/l s-01-zenit (дата обращения 2.09.2017).
7. Ровенская Т.С., Сорокин И.С. Предложения по расширению функциональных возможностей щелевых ламп отечественного производства // 17-я науч.-техн. конф. «Медико-технические технологии на страже здоровья: «МЕДТЕХ-2015» (Крым, пос. Пар-тенит, 18- 25 сентября 2015 г.): Сб. тр. 2015. С. 75-79.
8. ISO 10939:2017. Ophthalmic instruments - Slit-lamp microscopes. 2017. 6 p.
9. Шульпина Н.Б. Биомикроскопия глаза. М.: Медицина, 1966. 288 с.
10. Тамарова Р.М. Оптические приборы для исследования глаза. М.: Медицина, 1982. 176 с.
11. Урмахер Л.С., Айзенштат Л.И. Офтальмологические приборы: учебник. М.: Медицина, 1988. 287 с.
12. Черкасова Д.Н., Бахолдин А.В. Оптические офтальмологические приборы и системы: учеб. пособие. Ч. 1. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. 159 с.
13. Бахолдин А.В. Оптические микроскопы: учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 68 с.
14. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем: учебное пособие. 4-е изд. СПб.: Лань, 2008. 446 с.
15. Цуканова Г.И., Багдасарова О.В., Бахолдин А.В., Карпов В.Г., Карпова Г.В. Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Прикладная оптика». Ч. 2. Учебно-методическое пособие под редакцией проф. А.А. Шехонина. СПб.: СПб ГУИТМО, 2009. 124 с.
Radiooptics of the Bauman MSTU, 2017, no. 03, pp.54-63.
DOI: 10.24108/rdopt.0317.0000109
Received: 02.05.2017
Revised: 16.05.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Modeling the Lighting Channel Optical System of the Ophthalmic Slit Lamp
T.S. Roveskaya1'* 'ro^igyandexju
bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: ophthalmic instrument, slit lamp, optical system, design, functional layout, simulation
The paper considers ophthalmic slit lamps, which are extremely popular and versatile medical tools for research, diagnostics, and therapeutic intervention. Modern ophthalmic slit lamps belong to high-tech medical equipment, the need for which is satisfied mainly at the expense of foreign models of different level of technical complexity and functional purpose. Achieving the goals of innovative development and import substitution in the field of medical technology is inextricably linked to the solution of problems of functional, design and process planning of medical technology objects, considered from the general perspective of aggregate - modular principle of building complex devices. Ophthalmic optical instruments of different levels ranked according to their available universal structure-functional module, namely the lighting channel, which in the historical and functional aspects is actually the "slit lamp", are assigned to a single group, "ophthalmic slit lamps". The lighting channel ("slit lamp") provides having a light cutoff of the optical media of the eyeball, the image of which is examined through stereomicroscope. It is adjustable in shape, size, brightness, and spectral composition. From the standpoint of circuit design of the optical systems the combined effect of the lighting channel, the human eye and the supervisory channel in an optical ophthalmoscope instrument has an affinity with episcopacies projection device. Describes the concept of building a "slit lamp" and examines its functional layout in the form of a complex two-group optical lighting projection (lighting - reproductive) system, which provides a change of the shape, size, position and illumination of the light spot in the test area of the optical media of the eye and the spectral composition of the probing radiation in achieving an even illumination distribution within the light spot. Using the paraxial geometrical optics methods a concept of the beam models of slit lamp was developed, and options for its structural, optical system were suggested. These options had different type of lighting part and position of the aperture diaphragm in the optical projection part. A radiation model of the lighting - projection channel, when using the General relations of photometry and paraxial optics, allows one to perform mathematical modeling of the lighting-projection channel and create a theoretical base for site analytics and dimensional analysis and computer simulation.
References
1. Standart osnashcheniia kabineta neotlozhnoj meditsinskoj pomoshchi: Plilozhenie no. 2 k poriadku okazaniia neotlozhnoj meditsinskoj pomoshchi naseleniyu Rossijskoj Federatsii pri
Radiooptics
ostrykh zabolevaniiakh i sostoianiiakh glaza, ego pridatochnogo apparata i orbity, utverzhdennomu Prikazom Minzdravsotsrazvitiia Rossii ot 27 fevralia 2010 goda No. 115 n [The standard equipment of the Cabinet emergency eye care: Annex 2 to Order of rendering of emergency medical aid to the population of the Russian Federation in case of acute diseases and conditions of the eye, adnexa and orbit, approved by order of the Health Ministry of Russia dated 27th February 2010 No. 115 n] (in Russian).
2. Leont'eva T.V., Ovchinnikov B.V. Slit lamp biomicroscopy of the eye. Veko [Eyelid], 1997, no. 6 (in Russian).
3. Shchelevye lampy [Slit lamps]. Available at: http://www.tiaramed.ru/Schelevye-lampy/View-all-products.html, accessed 2.09.2017 (in Russian).
4. Shchelevye lampy [Slit lamps]. Available at: http://r-optics.ru/oborudovaniye/Shchelevyye-lampy-807/, accessed 2.09.2017 (in Russian).
5. Shchelevye lampy [Slit lamps]. Available at: http://supermed.msk.ru/category/oftalmologiya/oborudovanie-oftolmologiya/shhelevye lampy/, accessed 2.09.2017 (in Russian).
6. Shchelevaia lampa LS-01-Zenit [Slit lamp LS-01-Zenit]. Available at: http://optimed24.ru/shchelevye-lampy/ls-01-zenit, accessed 2.09.2017 (in Russian).
7. Rovenskaia T.S., Sorokin I.S. Predlozheniia po rasshireniyu funktsional'nykh vozmozhnostej shchelevykh lamp otechestvennogo proizvodstva [Proposals to expand the functionality of the slit lamp domestic production]. 17-ia nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia "Mediko-tekhnicheskie tekhnologii na strazhe zdorov'ia":Medtekh-2015 [17th scientific and technical conf. "Medico-technical technologies on the guard of health": MEDTEKH-2015 (Crimea, Partenit, September 18-25, 2015)]: Proc. 2015. Pp. 75-79 (in Russian).
8. ISO 10939:2017. Ophthalmic instruments - Slit-lamp microscopes. 2017. 6 p.
9. Shul'pina N.B. Biomikroskopiia glaza [Biomicroscopy of the eye]. Moscow: Medizina Publ., 1966. 288 p. (in Russian).
10. Tamarova R.M. Opticheskie pribory dlia issledovaniia glaza [Optical instruments for examination of eyes]. Moscow: Medizina Publ., 1982. 176 p. (in Russian).
11. Urmakher L.S., Ajzenshtat L.I. Oftal'mologicheskie pribory [Ophthalmic instruments]: a textbook. Moscow: Medizina Publ., 1988. 287 p. (in Russian).
12. Cherkasova D.N., Bakholdin A.V. Opticheskie oftal'mologicheskie pribory i sistemy [Optical ophthalmic instruments and systems]: a textbook. Pt. 1. S.-Peterburg, 2010. 159 p. (in Russian).
13. Bakholdin A.V. Opticheskie mikroskopy [Optical microscopes]: a textbook. S.-Peterburg, 2012. 68 p. (in Russian).
14. Zakaznov N.P., Kiryushin S.I., Kuzichev V.I. Teoriia opticheskikh system [Theory of optical systems]: a textbook. 4th ed. S.-Peterburg: Lan'Publ., 2008. 446 p. (in Russian).
15. Tsukanova G.I., Bagdasarova O.V., Bakholdin A.V., Karpov V.G., Karpova G.V. Samostoiatel'naia rabota studentovpo distsipline "Prikladnaia optika"[Independent work of students on discipline of "Applied optics"]. Pt. 2. S.-Peterburg, 2009. 124 p. (in Russian).
