Способы измерения оптических аберраций глаза

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 33Следующая ⇒

Измерить аберрацию — значит определить, в какой точке пересечет сетчатку узкий параллельный пучок света, пропущенный через каждую точку в плоскости зрачка, по сравнению с центральным опорным пучком, который всегда пересекает ее в центре фовеолы. В настоящее время известно по крайней мере три принципиально различных метода измерения оптических аберраций глаза. Первый из них основан на анализе ретинального изображения мишени, через которую проходит пучок параллельных лучей от точечного источника света («Retinal Imaging Aberrometry»), второй — на анализе выходящего из глаза, отраженного от сетчатки параллельного пучка лучей («Outgoing Optical Aberrometry») и, наконец, третий — на исследовании входящего в глаз пучка света («Ingoing Adjustable Refractometry»).

Метод, основанный на анализе ретинального изображения, был открыт в 1894 г. M.Tscherning [216]. Оригинальный метод Чернинга основан на субъективном определении аберраций и заключается в следующем. На поверхность оптической линзы +5 дптр наносятся линии в виде решетки, и через эту решетку испытуемый должен смотреть на точечный отдаленный источник света, например, на звезду, излучение которой параллельно. При наличии в глазу аберраций испытуемый должен был зарисовать видимые искажения решетки.

Таким образом, это был, по сути, не аберрометр, а аберроскоп. Чер-нинг указывал на то, что выявленные им аберрации могут оказывать

глава 8

влияние на качество зрения, однако он не видел путей их устранения. Работа Чернинга была надолго забыта. Только в 1977 г. H.C.Howland и B.H.Howland создали на принципе Чернинга субъективный аберро-метр и исследовали на нем аберрации на 55 глазах [217]. Прототипом послужил предложенный B.Howland в 1960 г. способ исследования аберраций фотообъективов. От оригинального метода Чернинга он отличался тем, что вместо сферической линзы использовался кросс-цилиндр силой 5 дптр с осью отрицательного цилиндра 45°. Наконец, еще через 20 лет P.Mirdel и соавт. (1997) [218] сообщили о создании пригодного для клинических исследований аберрометра, основанного на принципе Чернинга. В России субъективным аберроскопом такого типа пользовался Ю.З.Розенблюм еще в 1989 г., когда вопрос о коррекции аберраций далее не ставился. Он отличался от оригинального аберроскопа Чернинга только тем, что испытательная решетка представляла собой нити, натянутые параллельно в оправе очкового стекла, которые испытуемый рассматривал через плюсовую линзу, помещенную перед оправой [219]. Степень деформации решетки определяла выраженность аберраций. Полученные данные имели только описательный характер и не могли быть использованы для точных вычислений аберраций (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Принцип субъективной аберроскопии по Чернингу в модификации Ю.З.Розенблюма и Т.А.Коршошиной: 1 — глаз испытуемого; 2 — положительная линза;

3 — решетка из нитей в очковой оправе; 4 — точечный источник света. Внизу показан вид нитей при отсутствии аберраций (а, б) и при различных видах

аберраций (в —д).

Современный прибор, называемый «Wavefront analyzer» (анализатор фронтовой волны) (рис. 8.6), состоит из двух каналов — входного 158

оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция

и выходного. Главное назначение входного канала — создание на сетчатке исследуемого глаза изображения множества регулярно расположенных световых точек. Для создания такого изображения используют YAG-лазер с удвоением частоты излучения, излучающий в видимой части спектра (длина волны 532 нм), зеленый луч которого проходит через коллиматор и, приобретя параллельное направление, освещает маску со 168 отверстиями в ней, расположенными в форме квадрата. Именно эта решетка и проецируется специальным затвором в течение 40 мс на сетчатку.

Проецируемый тестовый объект

ИК камера

Офтальмоскопическая линза

Чувствительная ПЗС матрица

* *

# • -

* * 4

Рис. 8.6. Схема устройства современного аберрометра Чернинга (а) и изображение проецируемой на сетчатку решетки из световых точек, а также ее искажение оптикой глаза

вследствие аберраций (б).

Отраженное от сетчатки изображение решетки попадает в выходной канал прибора, представляющий собой непрямой офтальмоскоп, который проецирует его на высокочувствительную CCD-камеру, свя-

I 1 'Заказ №386 159

глава 8

заннуто с персональным компьютером (CCD — Charge Coupled Device, в русской терминологии ПЗС — прибор с зарядовой связью, представляет собой полупроводниковый датчик, или фотодиод, осуществляющий преобразование оптического сигнала в электрический, который можно записать в цифровой форме и затем анализировать на компьютере). Все искажения решетки, которые произошли после прохождения изображения через оптические среды глаза, регистрируются и сравниваются с идеальной решеткой.

Для получения достоверного результата очень важна правильная центровка глаза испытуемого. Она обеспечивается инфракрасной видеосистемой и фиксационной мишенью, коаксиальной с осью прибора. Испытания показали высокую точность и воспроизводимость результатов измерений. Дефокусировки измеряются с точностью ±0, 08 дптр, ось цилиндра — с точностью до 2°, квадратный корень из суммы квадратов аберраций (RMS) ±0, 02 мкм. Аберрометр Чернинга «WaveFront analyzer», выпускаемый фирмой «Wavelight Laser Techn.» (Эрланген, ФРГ), имеет пределы измерения аномалий рефракции от +6 до — 12 дптр. Он может представлять результаты измерений в виде топографической картины распределений аберраций в плоскости зрачка, а также в виде трехмерного изображения отдельно для дефокусировок и аберраций,

Аберрометр Чернинга под маркой «ORK Wavefront Aberrometr» производится также фирмой «SCHWIND» (ФРГ). Он имеет диапазон измерений от +5 до —8 дптр, точность измерения аберраций — до 10 мкм (рис. 8.7).

Другим вариантом аберрометрии, основанным на анализе ретиналь-ного изображения, является ray tracing aberrometry («аберорометрия по отслеживанию луча»). Он разработан в Киеве В.В. и С.В.Молебными совместно с И.Палликарисом (Греция), В этом способе производится измерение отклонения от точки фокуса опорного осевого луча, падающего по зрительной оси, другого лазерного луча, проецируемого на сетчатку параллельно опорному лучу, но на некотором расстоянии от него (рис. 8.8).

При отсутствии аберраций этот луч также должен после прохождения через оптические среды глаза попасть в точку фиксации опорного луча. При наличии же аберраций в зоне прохождения луча он отклоняется от точки фокуса на расстояние, пропорциональное величине аберрации. Фактически прибор напрямую измеряет PSF (Point Spread Function — функцию рассеяния, отклонения луча от точки фокуса). В отличие от прибора Чернинга, в данном аберрометре параллельный лазерный луч последовательно тестирует оптические среды точку за точкой, причем тестирование происходит с большой частотой и, следовательно, занимает очень мало времени. Достоинством такого подхода является то, что анализируется каждая точка в рамках входного зрачка 160

оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция

1> ис. 8.7. Аберрометр типа Чернинга «ORK Wavefront Aberrometr» фирмы «Schwindt» (ФРГ).

последовательно, а не вся решетка сразу, что исключает возможные ошибки при исследовании сильно аберрированного глаза из-за перекрещивания точек общей решетки. Кроме того, данная технология потенциально позволяет исследовать бесчисленное количество точек в пределах исследуемого диаметра зрачка, что делает ее уникальной по своим возможностям.

глава 8

Сканирование

.*5L

' * * *~
* * *

-*** * * * *Г »*

Y, мкм

30 -20 -10 -0-10 -20-

-30 -20 -10 0 10 20

X, мкм

Рис. 8.8. Принцип работы аберрометра В.В. и С.В.Молебных (Ray Tracing Aberrometr) и полученная с его помощью карта распределения тестовых лучей на сетчатке.

Вторым важным достоинством данного подхода является хорошая воспроизводимость и повторяемость данных, поскольку каждая точка тестируется пятикратно. Упрощается также и расчет аберраций, а следовательно и расчет программы индивидуализированной абляции на основе аберрометрии.

Для тестирования используется красное видимое излучение диодного лазера с длиной волны 650 нм и диаметром луча 0, 3 мм, которое направляется в глаз с помощью специального акусто-оптического дефлектора и формирующей оптики, содержащей быстро вращающийся диск с набором отверстий. Для измерений в глаз направляют от 60 до 400 лучей, каждый из которых тестирует оптику глаза 5 раз. Отраженная картинка улавливается специальным детектором с помощью детекторной линзы и анализируется компьютером. Весь процесс занимает всего 10—20 мс в зависимости от количества заданных точек исследования. Малая длительность исследования важна для обеспечения его точности, так как мелкие движения глаза вносят погрешности в измере-162

оптические аберрации глаза диагностика и коррекция

пие. Для той же цели прибор дополнительно снабжен специальной системой видеотрекинга, которая отслеживает глазной тремор.

Данные исследования могут быть представлены в виде прямой диаграммы распределения ретинальных точек (PSF), а также в виде рефракционной карты, карты деформации волнового фронта и рекоменду-омой карты абляции.

Все права на изготовление и дальнейшую доработку и развитие данного принципа принадлежат американской фирме «Тгасеу Technologies, LLC» (Bellaire, Тех).

Метод измерения аберраций глаза по анализу вышедшего из глаза отраженного луча («outgoing refraction aberrometry») пришел в офтальмологическую оптику из спектрометрии и астрономии. Впервые этот принцип был открыт и описан J.Hartmann в 1900 г. [220]. Для анализа вышедшего из глаза излучения он как бы разделил его на отдельные тонкие пучки с помощью непрозрачного диска с множеством отверстий, помещаемого перпендикулярно к плоскости зрачка (рис. 8.9). Таким образом создана возможность проследить отклонение каждого такого изолированного пучка и заложена основа для анализа фронта световой волны.

Рис. 8.9. Диск Хартманна с множеством отверстий, разделяющих выходящий из глаза фронт волны на отдельные участки.

Решающий шаг в совершенствовании методики Хартманна сыграло предложение R.V.Shack и B.C.Platt (1971) [221] заменить перфорированный диск на набор из микроскопических собирательных линз, каждая из которых могла фокусировать в определенной плоскости отдельные пучки вышедшего из глаза излучения. Этот способ открыл путь к компьютерному анализу данных и созданию современного прибора, получившего название аберрометра Хартманна — Шека (рис. 8.10).

На основе измерения аберраций по этому методу в последнее двад-] 1, атилетие была разработана так называемая адаптивная оптика для их коррекции, которая позволила получить четкие изображения в телескопах отдаленных астрономических объектов, устранив вызванные

глава 8

Рис. 8.10. Набор из микролинз для анализа вышедшего из глаза излучения по Шеку

(«lenslet array»).

при прохождении через атмосферу и космическое пространство аберрации. Адаптивная оптика используется также в военном деле для идентификации искусственных спутников Земли противника. Для исследования аберраций человеческого глаза этот метод был применен в 1994 г. учеными-физиками из Гейдельбергского университета [222].

В современном виде аберрометр Хартманна — Шека представляет собой анализатор фронта исходящей из глаза световой волны, дающий фундаментальную характеристику качества всей оптической системы глаза, а не только поверхности роговицы, как это делают кератотопо-графы. Устройство аберрометра можно проследить на примере прибора фирмы «Zeiss-Meditec» (ФРГ) «WASCA-Analyzer».

С помощью диодного лазера, излучающего в невидимом глазом инфракрасном диапазоне (длина волны 850 нм), в глаз направляется кол-лимированный пучок лазерного излучения, который с позиций волновой теории света можно рассматривать как идеальный плоский волновой фронт. Каждый отдельный луч в таком пучке пересекает плоскость, находящуюся на его пути, под углом в 90°. Отражаясь от сетчатки, часть света выходит из глаза, но выходящий волновой фронт может оставаться плоским только после прохождения в идеально эмметро-пичном и свободном от аберраций глазу. 164

ОПТИЧЕСКИЕ АБЕРРАЦИИ ГЛАЗА: ДИАГНОСТИКА И КОРРЕКЦИЯ

Поскольку такая ситуация маловероятна, то, как правило, выходящий волновой фронт уже не является плоским, он искажен аберрация-III глаза, включая дефокусировки. В этом случае каждый отдельный луч пересекает плоскость под прямым углом только в том случае, если она наклонена на некоторый угол к вертикальной плоскости. Составленная из таких наклоненных под прямым углом к каждому лучу мочи ика и есть исходящий из глаза реальный волновой фронт в плоскости t рачка. Так, в миопическом глазу покидающие глаз лучи образуют вогнутый волновой фронт, эмметропичный глаз создает близкий к плоскому, а гиперметропичный — выпуклый фронт; аберрации высшего порядка создают более сложные искажения фронта (рис. 8.11).

^{а..................................... б}

1'ис. 8.11. Форма волнового фронта, исходящего из глаза миопа (а) и гиперметропа (б).

Таким образом, отраженное от сетчатки излучение несет в себе всю 1111 формацию об оптических несовершенствах преломляющих сред глаза. < Сраженный фронт направляется через полупрозрачный делитель лучей н< 1 сенсор Шека, представляющий собой квадратный сенсор с набором собирательных микролинз, диаметр каждой из которых не превышает 150 мкм. Всего таких микролинз в сенсоре имеется 33 ряда по 33 микролинзы в ряду, т. е. их общее количество составляет 1089 штук. Количество м икролинз в сенсоре является одной из важнейших характеристик абер-рометра, так как оно определяет разрешающую способность прибора. И этом отношении аберрометр фирмы «Zeiss-Meditec» является самым чувствительным из представленных в настоящее время на рынке.

Каждая микролинза собирает неаберрированные лучи в своей фокальной точке, а подверженные аберрации лучи фокусируются на некотором расстоянии от нее. Каждое такое отклонение подверженного аберрации луча от идеального направления регистрируется мощным компьютером и представляется в виде карты аберраций с учетом как дефокусировки, так и аберраций высшего порядка (рис. 8.12).

глава 8

Рис. 8.12. Схематическое изображение принципа работы аберрометра Хартманна — Шека. Желтым цветом показаны неаберрированные лучи.

Компьютер подсчитывает величину и характер аберраций с помощью сложного математического аппарата. Форму аберрированного волнового фронта оказалось удобным описывать с помощью полиномов Zernike (рис. 8.13). Они позволяют наглядно представить форму волнового фрон-166

оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция

Z(2, -2)

2(2, 0)

2(2, 2)

2(3_Г-3)

2(3, 1)

2(3, 3)

2(4, -4)

2 (4, 0)

2 (4, 2)

™

2 (4, 4)

Рис. 8.13. Полиномы Zernike при разных видах аберраций.

та при различных видах аберраций, исходя из полярной системы координат, т. е. расчета положения каждой точки относительно расстояния по радиусу от центра зрачка и азимуту относительно горизонтали.

Например, полином Z (2, 0) представляет сферический дефокус (миопию), Z (2, 2) — астигматизм, Z (4, 0) — сферические аберрации и т.д.

Аберрометр представляет результаты исследования в виде карты распределения аберраций в плоскости зрачка (рис. 8.14).

Компьютер позволяет вычленить из карты дефокусировки (миопию, гиперметропию, астигматизм) и аберрации высшего порядка. Исследо-

глава 8

~^1 j_Jf ^e ^Vi*° 1_ ^Re" ^ada ^¥^le*1_ ^vlsual ^A*-^:^u^!^v j_

Print Верея

Estimated Sph Eq Analysis Pupil

quarty	lvalue^ _____
sphere	X -9.64 d	£ _!
cylinder	X -O.*d
axis	3°
рця! eiiafflete	6.28mm
snaiyste disit	6.28 inm
K3.-3)	-0080 (Ml
2(3, -1>	0.184iJm
1СЗД	O.l34^m
ВД.З)	0-1 74 Mm
Z(4, -4)	0, 205и*я
2C<, -2)	-0, 106 lim
Z(«rt	-0-248 u«
®a	^5.053 ym	:
44, «)	-0.065 (Я1	!
PVOTO	38.53 im
НШОР0	10.$0цт
PVOPDHO	2.80 \|Ж\|
RMSOPDHC	0.11 t»n	ii,

Рис. 8.14. Распечатка картв: аберраций человеческого глаза, полученной с помощвю

аберрометра типа Хартманна — Шека (аберрометр WASCA фирмв: «Zeiss-Meditec»).

Верхнее изображение — все аберрации, включая дефокус, нижнее — только аберрации

ввтсшего порядка.

вание на анализаторе не сложнее обычного кератотопографического исследования. Он обеспечивает диапазон измерений аномалий рефракции от +10 до —17 дптр, астигматизма до ±6 дптр с точностью ±0, 05 дптр, время считывания информации всего 13 мс. Важным достоинством прибора является то, что он работает в инфракрасном диапазоне, не вызывающем неприятных субъективных ощущений у пациента.

В настоящее время это наиболее совершенный и доработанный тип аберрометра, производимый целым рядом компаний. Например, известен прибор фирмы «LADARVision» «CCMD» — Custom Cornea Measurement Device, в котором для тестирования используется лазер с длиной волны 670 нм, т. е. работающий в видимой части спектра. Американская фирма «VisX Inc.» создала свой аберрометр типа Хартманна — Шека «WaveScan», фирма «Bausch & Lomb» назвала свой аберрометр такого же типа «Zywave».

Третий метод исследования аберраций основан на компенсаторной юстировке на фовеолу падающего, входящего в глаз светового пучка. Еще в начале XVII века религиозный философ и астроном из унивеси-тета в Инголыптадте Христофер Шайнер (C.Scheiner), современник 168

оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция

Кеплера и Галлилея, обнаружил, что в несоразмерном глазу при рассматривании звезды через диск с двумя отверстиями образуются 2 изображения. Свой метод определения оптических погрешностей глаза он описал в книге «Oculus, sive fundamentum opticum», изданной в Инсбруке в 1619 г. Соответствующим корригирующим стеклом эти отверстия можно слить, если речь идет о миопии или гиперметропии, но если двоение вызвано аберрациями высшего порядка, то сферическая коррекция не может дать слияния изображений.

Более чем три столетия спустя М.С.Смирнов нашел способ слияния и таких изображений, использовав второй, подвижный источник света, который перемещал перед диском с отверстиями до тех пор, пока изображения не сливались. Свою работу он опубликовал в 1961 г. [223]. Это был простейший субъективный аберрометр, так как величины смещения второго источника света по горизонтали и вертикали давали численное значение аберрации (рис. 8.15).

Результатом дальнейшего совершенствования метода М.С.Смирнова стала разработка исследовательской группой Emory Vision Correction Group оригинального субъективного аберрометра, получив-

1'ис. 8.15. Способ субъективного количественного определения отклонения хода исходящего из глаз луча Г.С.Смирнова с помощью диска Х.Шайнера с двумя отверстиями.

шего название «Spatially Resolved Refractometer» (SRR). В 1993 г. Г..М.Penney, R.H.Webb, J.T.Tieman и K.P.Thompson получили патент (! ША на этот прибор. Принцип его работы ясен из рис. 8.16.

Пучок света от осциллоскопа проходит через вращающийся диск, г, котором просверлены отверстия диаметром 1 мм. Этот диск расположен на одной оптической оси со зрачком исследуемого глаза. При вра-

глава 8

Осциллоскоп

Рис. 8.16. Принцип работы рефрактометра S.A.Burns и соавт. (Spatial Resolved

Ref lactometer).

щении диска узкие параллельные пучки света последовательно проецируются в плоскость зрачка, как бы сканируя его через каждый миллиметр вокруг его центра. Через другой оптический канал в область фовеолы проецируется контрольная метка в виде крестика. Если у пациента эмметропия и нет аберраций, то каждая точка, проецируемая через отверстия в диске, будет совпадать с крестиком. Если же аберрации есть, то каждая точка будет проецироваться в разных местах сетчатки и не будет совпадать с крестиком.

Пациент с помощью специального джойстика должен слить каждую предъявленную точку с крестиком. Угол, на который пациент смещает точку, отражает степень аберрации в данной точке. Так последовательно сканируется вся площадь зрачка. Исследователь должен тщательно следить с помощью видеосистемы за правильным положением зрачка испытуемого.

Несмотря на кажущуюся простоту метода, он дает очень точные и хорошо воспроизводимые результаты. Как правило, пациенты старше 10 лет прекрасно справляются с тестированием. С помощью компьютера можно получить карту аберраций и реконструкцию изображения светового пучка на сетчатке (PSF). Недостатком метода является определенная зависимость от добросовестности пациента и сравнительно большая по сравнению с объективными методами длительность исследования, которая составляет примерно 4 минуты.

На принципе классической скиаскопии основан метод исследования интегральной рефракции оптической системы глаза, разработанный фирмой «Nidek Co». [224]. Он реализован в виде сканирующего щелевого рефрактометра «OPD Scan» в сочетании с корнеотопографической системой, что дает широкие возможности для индивидуализированной (customized) абляции роговицы с учетом рефракции и корнеотопографической структуры ее поверхности. В отличие от классической ручной скиаскопии, исследующей рефракцию, как правило, только в двух противоположных меридианах, «OPD Scan» «скиаскопирует» щелью все 360 меридианов, причем совершает эту работу в течение 0, 4 секунд. 170

оптические аберрации глаза: диагностика и коррекция

Информация о неравномерностях рефракции в пределах каждого меридиана заложена в интегральной рефракционной карте.

О принципе работы прибора может дать некоторое представление рис. 8.17. Инфракрасный светодиод проецирует по оптической оси глаза через вращающееся колесо щелевой пучок света. Воспринимающая система также вращается синхронно вокруг оптической оси и воспринимает на фотодетектор направление и скорость движения отраженного от сетчатки луча (так же, как воспринимает глаз врача направление и интенсивность тени при обычной скиаскопии). При миопии, как и при скиаскопии, отраженное изображение щели будет двигаться в противоположном направлении, при гиперметропии — в том же направлении, а при эмметропии будет одновременно светиться весь зрачок.

Сканирование Фотодетектор

Рис. 8.17. Схематическое изображение принципа работы «OPD-Scan» фирмы «Nidek».

Воспринимающее устройство состоит из восьми фотодетекторов, расположенных по четыре выше и ниже оптической оси, и двух детекторов справа и слева от нее, ограничивающих таким образом оптическую ось. При миопии при движении проецируемой щели снизу вверх отраженная щель будет двигаться в обратном направлении, и нижний детектор первым обнаружит и зарегистрирует ее появление. При гиперметропии будет наблюдаться обратная картина, а при эмметропии все детекторы будут освещаться одновременно. По данным времени появления щели на каждом детекторе компьютер подсчитывает разницу в длине оптического пути (OPL — optical path length) между детекторами. Отсюда происходит и название прибора (OPD — optical path difference). OPL представляет собой для данного пучка света физически пройденную дистанцию, умноженную на коэффициент преломления среды.

Полученные в результате исследования данные представляются в виде четырех карт: аксиальной корнеотопографической карты, карты оптической силы роговицы по данным корнеотопографии, карты интегральной рефракции в диоптриях по данным авторефрактора и аберро-метрическую карту (рис. 8.18).

Краткий обзор методов исследования дефокусировок и аберраций глаза наглядно показывает, как много сделано в этом направлении бук-

глава 8

Standard map Flnstantaneo

10: 000027

'" ' Right

Рис. 8.18. «OPD-Scan» (f) и распечатка результатов исследования на нем. Приведены

карты оптической силы, карты аберраций, величины коэффициентов Zernike для

различных видов аберраций.

вально в течение последнего десятилетия. Офтальмология и офтальмологическая оптика сделали значительный шаг вперед и не только вышли на новый уровень понимания природы оптических несовершенств глаза, но и вооружили практическую офтальмологию совершенными приборами для беспрецедентно точных измерений оптических аберраций и классических аномалий рефракции. Совершенно очевидно, что этот резкий рывок в развитии, казалось бы, застывшей со времен Дон-дерса науки о рефракции тесно связан с развитием рефракционной хирургии в последней четверти века, главный толчок которому дал наш гениальный соотечественник — академик С.Н.Федоров.

Достижения электроники, механики и вычислительной техники позволили определять оптические свойства глаза с невиданной ранее точностью и быстротой и в огромном, ранее немыслимом объеме. В оф-172

оптические аберрации глаза: дилп юс тика и коррекция

тальмологию все с большей интенсивностью внедряются специалисты из совершенно других областей — оптики, электроники, компьютерной техники, именно они разрабатывают теоретические основы и осуществляют практическую реализацию этих методов. Для современного офтальмолога нет другого пути, как научиться говорить с ними на одном языке, чтобы не остаться простым исполнителем инструкций к приборам.

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 202122 23 24 25 Следующая ⇒