CC BY
90
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЯГКИХ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗ В ТЕРМОСТАБИЛИЗИРОВАННЫХ
УСЛОВИЯХ
С.В. Андреев, Э.С. Путилин, Я.В. Рудин
Разработана система поддержания заданной температуры физиологического раствора при измерениях параметров мягких контактных линз в гидратированном состоянии на проекционных микроскопах с использованием пельтье-модулей.
Введение
Контактная линза - это оптический элемент, который надевается непосредственно на роговицу глаза человека и удерживается за счет сил поверхностного натяжения и веками. В настоящее время коррекция контактными линзами широко используется как наряду с традиционной очковой коррекцией, так и с новейшими методами рефракционной хирургии. Каждый метод коррекции зрения имеет свои плюсы и минусы. Важной задачей для врача-офтальмолога является обеспечить для пациента метод коррекции, оптимальный для него во всех отношениях. Контактные линзы с успехом применяются не только для коррекции недостатков зрения, но и в косметических и лечебных целях.
Задача контроля параметров мягких контактных линз (МКЛ) является весьма актуальной. Рынок МКЛ в России постоянно расширяется, на настоящий момент число пациентов, использующих МКЛ, составляет более 500000 человек (данные МНИИГБ 2002 г.), что составляет 1% от нуждающихся в оптической коррекции зрения (во всем мире эта цифра составляет около 20%). Одной из важнейших задач при росте рынка является обеспечение отрасли точной контрольно-измерительной аппаратурой. Контроль параметров необходим при производстве, аттестации, а также при подборе МКЛ непосредственно в кабинете врача-офтальмолога.
Особенности материалов для изготовления МКЛ и контроль параметров
Рассмотрим особенности МКЛ, определяющие требования к приборам для контроля их параметров. Под термином МКЛ в настоящее время понимаются контактные линзы, изготовленные из полимера с особыми свойствами - гидрогеля. Гидрогель - состояние полимерного каркаса с включенной в него водой. До гидратации гидрогели похожи на жесткие полимеры. При погружении в воду гидроксильные группы сухого полимера притягивают молекулы воды, и полимер поглощает воду. Объем поглощенной воды зависит от количества гидроксильных компонентов в его структуре. После гидратации полимер становится мягким и гибким. По фазовому состоянию гидрогели аморфны. Структура гидрогелей пронизана порами, число и размеры зависят от конкретного материала. Размеры пор (0,5-3,5 мкм) слишком малы для проникновения микроорганизмов, если структура полимера не повреждена. В то же время они достаточны для диффузии ионов, консервирующих веществ и растворенных в воде препаратов как в гидрогель, так и обратно. Первые гидрогели были синтезированы в начале 50-х годов О. Вихтерле (O.Wichterle) и Д. Лимом (D. Lim). Первоначально гидрогели планировалось использовать в качестве материала для окулярных имплантатов. М. Дрейфус (M.Dreifus) применил данный материал для контактных линз. Хорошая смачиваемость и мягкость гидрогеля уменьшают дискомфорт от контактной линзы.
Контроль геометрических параметров МКЛ
Независимо от метода изготовления задача контроля геометрических параметров МКЛ является весьма важной. Для измерения параметров МКЛ в гидратированном состоянии применяются проекционные микроскопы. МКЛ помещается в специальную
кювету с физиологическим раствором, где и производятся измерения радиуса кривизны, диаметра, толщины по центру и толщины краевой зоны МКЛ. Большое влияние на точность измерения указанных параметров оказывает поддержание заданной температуры физиологического раствора в кювете, из-за относительно больших значений температурного коэффициента расширения гидрогелей. Очевидно, что изменение температуры может происходить как за счет влияния факторов окружающей среды (температура окружающего установку воздуха), так и из-за нагрева источником света проекционной системы. В соответствии с требованиями международных стандартов, измерение параметров МКЛ в гидратированном состоянии должно проходить при температуре 20±2°С. Типовая оптическая схема установки для контроля параметров МКЛ приведена на рис. 1.
в: Наблюдательный экран и шкала
/ /
/
М: Зеркало
^ Источник света
Рис 1. Типовая схема проекционной установки для контроля параметров МКЛ Описание применяемой кюветы и системы термоконтроля
В литературе широко рассмотрены устройства поддержания заданной температуры, но они обычно реализуют поддержание температуры с условием, что начальная температура больше или меньше заданной, т. е. обеспечивается либо нагрев, либо охлаждение до заданного значения. Поскольку на самом деле начальная температура может быть как больше, так и меньше заданной, необходимо обеспечить как нагрев кюветы, так и охлаждение. Но энергетически невыгодно использование одновременно как постоянного нагрева и регулируемого охлаждения, так и наоборот.
Возможно два способа реализации системы поддержания заданной температуры физиологического раствора: 1) одновременно установить на кювете нагревательные элементы и охладители (пельтье-модули); 2) используя «обратимость» эффекта Пель-тье (изменение знака градиента температур между поверхностями при смене полярности напряжения питания), установить только одни пельтье-модули. Нами был выбран второй способ реализации.
После нескольких переработок была разработана удачная, на наш взгляд, конструкция кюветы (рис. 2).
кювета из ПММА
Л
тчик температуры
Рис. 2. Схема кюветы и системы охлаждения.
Кювета, выполненная из полиметилметакрилата (ПММА), зажата с помощью 4-х стяжек между двумя алюминиевыми радиаторами с установленными на них термоэлектрическими пельтье-модулями ТЕС1. Поскольку пельтье-модули представляют собой элементы Пельтье, собранные между пластинами Л1203, которые не вступают в химическую реакцию с физиологическим раствором и обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи, в кювете были вырезаны окна для улучшения теплообмена элементов Пельтье с раствором. Для герметизации окон кюветы использовались уплотнительные прокладки из керамико-полимерного материала «Номакон20Б». Фиксация взаимного расположения кюветы и радиаторов обеспечивается парой штифтов между радиатором и стенкой кюветы.
Ввиду больших токов потребления пельтье-модулей и нагревательных элементов (до 8А) использована реверсивная тиристорная схема регуляторов напряжения, которая обеспечивает поддержание заданной температуры физиологического раствора. Соответственно, в зависимости от температуры раствора пельтье-модули либо его охлаждают, либо нагревают. Для увеличения устойчивости схемы угол открывания тиристоров меняется пропорционально интегральной разности температур - заданной и контролируемой термодатчиком, установленным внутри кюветы. Структурная схема регулятора приведена на рис. з.
Задатчик интенсивности (ЗИ) представляет собой интегрирующий усилитель, формирующий разностный сигнал опорного напряжения и напряжения с датчика температуры, установленного внутри кюветы. Далее сформированный сигнал поступает на регулятор тока (РТ), обеспечивающий ограничение тока пельтье-модулей на заданном уровне в зависимости от уровня задающего напряжения. Значение тока модулей снимается с датчика тока (ДТ), на котором гальваническая развязка обеспечивается за счет передачи модулированного сигнала через импульсный трансформатор с последующей демодуляцией. Обработанный сигнал поступает на логическое устройство (ЛУ) и систему фазоимпульсного управления (СИФУ). Логическое устройство осуществляет управление силовыми вентильными комплектами преобразователя и выполняет следующие функции: выбор нужного направления тока через пельтье-модули в зависимости от знака входного сигнала путем включения соответствующих ключей; блокировка входа ЛУ сигналом датчика состояния тиристоров (ДСТ), исключая одновременное включение тиристоров разных комплектов; формирование выдержки времени между моментом снятия импульсов с работавшего ранее комплекта и подачей их на вступивший в работу комплект. Датчик состояния тиристоров выдает информацию о состоянии управляемых тиристоров силового моста за счет контроля падения напряжения на переходе катод-анод. ДСТ гальванически развязан от схемы управления через оптроны.
СИФУ предназначена для преобразования модуля постоянного управляющего напряжения в последовательность управляющих импульсов соответствующей фазы, подаваемых на управляющие электроды тиристоров силовых вентильных комплектов. Поскольку пельтье-модули имеют низкое напряжение питание (15В), синхронизация осуществляется от трансформатора силового питания.
Рис. 3. Структурная схема регулятора
Применение оптронных тиристоров позволило исключить импульсные трансформаторы со вспомогательными элементами, упростить схему регулирования и управлять широкими (до 180°) импульсами, что позволяет исключить проблему токоудержания тиристоров.
Заключение
Разработанная кювета с системой поддержания температуры физиологического раствора исключает влияние на точность измерения радиуса кривизны, диаметра, толщины по центру и толщины краевой зоны МКЛ, относительно больших значений температурного коэффициента расширения гидрогелей. Приведенная конструкция может использоваться при измерениях на стандартных проекционных микроскопах.
Работа выполнена в рамках проекта подпрограммы «Электроника», код 208.05.01.010, по теме 10007.
Литература
1. ISO 12870:1997(E). Оптика и оптические приборы. Контактные линзы. Определение диаметров
2. ISO 9338:1996(E). Оптика и оптические приборы. Контактные линзы. Определение диаметров
