Розділ 1. Оптичні деталі, матеріали, характеристики та якісні показники

Оптика та офтальмологія у медичному приладобудуванні

Навчальний посібник

Луцьк 2009

ББК

З

Рецензенти:

В.Ю. Заблоцький, Ю.С. Лапченко.

Оптика та офтальмологія у медичному приладобудуванні: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. – Л.: ХХХХХХ, 2009. – 388 с.

ISBN

Навчальний посібник «Оптика та офтальмологія у медичному приладобудуванні» для студентів вищих технічних навчальних закладів за спеціальностями «Медичні прилади та системи» та «Прилади точної механіки» має на меті дати сучасні відомості про теоретичні основи дослідження й лікування за допомогою оптичних та офтальмологічних приладів і апаратів, які можуть використовувати лікувальні установи нашої країни.

У запропонованому посібнику міститься інформація курсів таких дисциплін як: «Офтальмологічні медичні прилади», «Оптичні медичні прилади» та «Технологія виготовлення оптичних деталей», крім того, у посібнику передбачено вивчення не лише приладів (технічних засобів для здобуття інформації про стан організму, необхідні для постановки діагнозу захворювання), але й технічних засобів для лікування і тренування.

ББК

ISBN

© Заблоцький В.Ю., 2009

© Лапченко Ю.С., 2009

Зміст

ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ОФТАЛЬМОЛОГІЧНИХ ПРИЛАДІВ

Історія медичної оптики тісно пов'язана з етапами розвитку оптики, механіки і електротехніки. Так, розвиток промислового виробництва оптичного скла та сріблення дзеркал дозволив в 1850 р. видатному німецькому ученому Г. Гельмгольцу за допомогою спеціально виготовленого дзеркала з отвором побачити через темну зіницю очне дно. Це було геніальним відкриттям, що змінило корінним чином уяву про теорію зору, дозволило заглянути в новий світ і побачити «частину мозку, висунутого на периферію». Це був перший оптичний офтальмологічний діагностичний пристрій.

Наукові дослідження в області фізіологічної оптики і розвиток техніки дозволили до кінця XIX століття ученим різних країн запропонувати ряд офтальмологічних приладів і апаратів, що сприяло подальшому розширенню пізнання ока, його функцій, вдосконаленню діагностики та лікуванню захворювань ока. У 1889 р. Гартнером запропонований метод досліджень ока при освітленні його через склеру - трансілюмінація, який був реалізований через 5 років за допомогою діафаноскопа. У 1882 р. був сконструйований перший офтальмометр з рухливими марками (Е. Жаваль та X. Шиотц). Швейцарський учений Е. Пфлюгер запропонував та ввів у практику офтальмоскоп рефракції. У 1862 р. були запропоновані оптотипи для дослідження гостроти зору (Р. Снеллен), якими користуються до цієї пори у всьому світі. Ще раніше Р. Ферстером для дослідження адаптації сітківки був створений в 1857 р. фотометр, а для дослідження поля зору в 1867 р. - дуговий периметр. У 1899 р. був сконструйований стаціонарний безрефлексний офтальмоскоп (Ст. Торнер).

Початок XX століття ознаменувався великим досягненням: Ф. Діммер в 1900 р. здійснив фотографування очного дна. Спеціальна фотокамера промислового виробництва для фотографування очного дна була сконструйована шведським ученим Д. В. Норденсоном в 1915 р. Це вдалося здійснити за рахунок розділення пучків променів в зіниці ока. У 1930 р. була отримана перша кольорова фотографія очного дна. Кінозйомка ока вперше була здійснена Д. П. Павієм в 1934 р.

Дослідження В. Торнера в області офтальмоскопії дозволили йому створити безрефлексний офтальмоскоп не за рахунок застосування перетворення пучків променів за допомогою поляроїда або призми Ніколя, а геометричним методом, використовуючи в оптичній схемі катоптричну систему (1900). У тому ж році ним був сконструйований стаціонарний стереоскопічний офтальмоскоп, а в 1928 р. - ручний стереоскопічний офтальмоскоп. На базі стаціонарного офтальмоскопа В. Торнер створив перший очний рефрактометр.

Великий безрефлексний стаціонарний офтальмоскоп, створений відомим шведським ученим А. Гульстрандом в 1910 р., випускається у ряді країн до теперішнього часу. Для вимірювання на очному дні до стаціонарного офтальмоскопа, Г. Лобеком був розроблений вимірювальний окуляр, в якому реалізований вдосконалений ним принцип геліометрії, запропонований Хенріксоном в 1924 р.

У 1911 р. А. Гульстрандом була розроблена щілинна стаціонарна лампа. Ручна щілинна лампа з'явилася на початку 50-х років ХХ століття. Швейцарський учений А. Фогт в 1931 р. запропонував проводити мікроскопію за допомогою щілинної стаціонарної лампи. Ним же в 1913 р. було проведено дослідження очного дна в безчервоному світлі. Для огляду переднього відділу ока за допомогою щілинної лампи в 1938 р. Гольдманом був створений 3-дзеркальний гоніоскоп. У 1953 р. Е. Ван-Бойнінген розширив можливості гоніоскопії, створивши 4-дзеркальний гоніоскоп.

Екзофтальмометр був запропонований Ф. Хертелем в 1905 р., ним же в 1907 р. був виготовлений прилад - вимірювач відстані між центрами зіниць очей.

Норвезький учений X. Шиотц в 1905 р. створив прилад для вимірювання внутрішньоочного тиску - тонометр, який використовується у ряді країн донині.

Перший кератометр з’явився в 1911 р. за пропозицією К. Весели. У 1930 р. фірма «К. Цейс» випустила фотокератометр Амслера.

Проекційний периметр Маджіорі став випускатися на початку 1936 р., а півсферичний проекційний периметр Гольдмана - на початку 50-х років.

Методику адаптометрії та схему, приладу розробив в 1907 р. Ст. Нагель. З 1956 р. народне підприємство «К. Цейс Йена» випускає адаптометр Хартінгера.

Аналіз кольорового зору проводиться в основному за допомогою так званих псевдоізохроматичних або поліхроматичних таблиць. Дослідження аномалій зору за допомогою приладу було запропоноване В. Нагелем в 1907 р. Були запропоновані й інші конструкції приладів, але найбільшого поширення та популярності набув все ж аномалоскоп Нагеля.

З лікувальної апаратури слід згадати пристрій для припікання розривів сітківки, запропонований у 1956 р. Л. Вєєкерсом. Припікання проводилося концентрованою енергією світла від ксенонової лампи.

До кінця 50-х років практично склалася вся необхідна для офтальмології номенклатура приладів і апаратів, яку можна поділити на наступні класифікаційні групи:

- прилади для дослідження переднього відділу ока, оптичних середовищ ока та очного дна;

- прилади для дослідження функції зору та відновлення бінокулярного зору, гостроти зору, поля зору, світлової й кольоровій чутливості, акомодації та конвергенції очей, гідро- і гемодинаміки ока;

- прилади для підбору і контролю засобів корекції зору;

- збільшувальні прилади;

- прилади і апарати операційні;

- прилади для електро- та ультразвукових досліджень.

У 60-х роках ХХ століття відбувалося в основному розширення асортименту офтальмологічних приладів та апаратів, їх удосконалення в частині традиційної оптики і механіки, удосконалення конструкції за вимогамидизайну і рівнем технології виготовлення того часу.

Проте на початку 70-х років минулого століття почалося бурхливе вторгнення в офтальмологічні прилади та апарати електроніки, мікропроцесорної, телевізійної, інфрачервоної та лазерної техніки.

Одним з перших пристроїв нового покоління офтальмологічних приладів став автоматичний рефрактометр «Офтальметрон» фірми «Бауш і Ломб» (США), який демонструвався на міжнародній виставці «Здравохранение-74» в Москві. Повна об’єктивізація дослідження рефракції ока, заснована на дослідженнях доктора А. Сафір, була реалізована оптико-електронною схемою, в основі роботи якої використовувався принцип щілинної скіаскопії. Прецизійна оптико-механічна система з твердосхемною електронікою забезпечувала за 3 секунди 2160 окремих вимірювань заломлюючої сили очка у всіх меридіанах з точністю 0,125 дптр.

Проте така реєстрація виявилася незручною при масовому обстеженні рефракції при поліклінічних (амбулаторних) дослідженнях. Тому з’явилися після «Офтальметрону» автоматичні рефрактометри «Діоптрон» і «Ауторефрактор 6600» фірм «Когерент» (США), в яких результати випробувань представлялися вже обробленими в звичній для оператора формі - значення сфери, циліндра та положення осі циліндра. Ці прилади знайшли широке використання у ряді країн, у тому числі і нашій країні.

Помітним явищем в цей період стало також серійне виробництво приладу для фотографування очного дна фірми «Канону» (Японія), який забезпечує фотографування очного дна без штучного розширення зіниці за рахунок використання моніторної інфрачервоної телевізійної системи, що виконує роль видошукача. Знімки отримують на кольоровій плівці (35 мм) з моментальними проявами і друкуванням на кольоровому папері системою «Поляроїд». Прилад для фотографування очного дна використовується при масовому обстеженні для виявлення офтальмологічних, неврологічних і серцевосудинних захворювань.

Новиною останнім часом стали автоматизовані прилади для дослідження поля зору - «Періметрон» і центральної частини поля зору - «Окулоплот» фірми «Когерент» (США).

Використання цих приладів сприяє зниженню трудомісткості і скороченню тривалості дослідження.

Стали автоматизуватися і діоптриметри, серед яких можна виділити оптико-електронний автоматизований діоптриметр «Метроленз II» фірми «Роденшток» (Німеччина). Він дозволяє вимірювати сферичну рефракцію окулярних та контактних лінз, циліндрову рефракцію очкових лінз, встановлювати положення осі циліндра, призматичну дію з вказівкою напряму базису, визначати додаткову рефракцію в багатофокальних лінзах, проставляти оптичний центр й інші позначення на лінзі. Всі необхідні вимірювання виконуються автоматично за декілька секунд за допомогою ЕОМ. Результати дослідження висвічуються на цифровому табло приладу і роздруковуються на спеціальному бланку.

У 80-х роках минулого століття зросла кількість фірм, випускаючих автоматизовані офтальмологічні прилади, розширився і асортимент апаратури, що випускалася. При цьому особливий розвиток отримали блоки пред'явлення результатів дослідження, оброблення результатів дослідження та їх реєстрації. Головним досягненням цього періоду слід вважати створення автоматизованих офтальмологічних комплексів і модулів.

Так, наприклад, широке впровадження електронної техніки в офтальмологічних приладах для дослідження рефракції ока і підбору засобів корекції зору дозволили ряду фірм та підприємств вирішити актуальне завдання автоматизації об'єктивного і суб'єктивного етапів дослідження рефракції ока за рахунок з'єднання в одну систему автоматичного рефрактометра і автоматичного фороптера (автоматичний рефракційний модуль). У 1982 р. комбінат «К Цейс Йена» (Німеччина) показав зразок системи, що складається з модернізованого рефрактометра Хартінгера, що мав електричний вихід на процесор, для об'єктивного вимірювання рефракції ока і автоматизованого фороптера з друкуючим пристроєм для суб'єктивного завершального етапу дослідження. Філія американської фірми «Когерент» у Німеччині розробила приставку для автоматичного рефрактометра «Діоптронер», що дозволяє з’єднувати прилад з автоматичним фороптером «Візутроп» фірми «Меллер» (Німеччина).

Історію розвитку вітчизняної медичної оптики можна умовно поділити на 4 періоди: дореволюційний (до 1917 г), довоєнний (з 1918 по 1941 р.), повоєнний (з 1946 по I960 р.) і сучасний період — період розгортання науково-технічної революції.

У 1928 р. С. С. Головіним та Д. А. Сивцевим були запропоновані шрифти для дослідження гостроти зору при спостереженні наближених об’єктів. Для визначення кольоровідчуття Е. Б. Рабкіним у 1933 р. були випущені перші таблиці. Випускалися також малий набір пробних окулярних лінз та лупи.

Повоєнний період характерний бурхливим зростанням виробництва медичних оптико-механічних приладів, у тому числі офтальмологічних. Загорський оптико-механічний завод став серійно випускати щілинну лампу, великий безрефлексний офтальмоскоп, ручний електричний офтальмоскоп, проекційний периметр, окулярний діоптриметр, адаптометр тощо. Дослідження колірного зору дозволили Г. Н. Раутіану в 1947 р. запропонувати аномалоскоп, заснований на підборі світлофільтрів. З 1952 р. аномалоскоп, запропонований Г. Н. Раутіаном і розроблений державним оптичним інститутом, став випускатися серійно.

Харківський завод «Точмедприбор» серійно почав випускати офтальмометр, дуговий периметр і ряд виробів для дослідження та лікування косоокості та амбліопії. Останнє було пов'язане з активною діяльністю в 40-50-х роках професора Л. І. Сергієвського - ініціатора організації вперше в світі охорони зору дітей, основоположника консервативного лікування косоокості, засновника відділу охорони зору дітей в Московському науково-дослідному інституті очних хвороб ім. Гельмгольца.

Волоконна оптика почала використовуватися для освітлення «холодним світлом» в ручних офтальмоскопах, замінивши при цьому в приладі електричну лампочку.

У 1960 р. був винайдений оптичний прилад, названий лазером або оптичним квантовим генератором. За роботи, розвиток яких призвів до створення лазерів, в 1964 р. була присуджена Нобелівська премія фізика І. Г. Басову та А. М. Прохорову (СРСР) й Ч. Таунсу (США). До цього часу був організований вже серійний випуск апарата, призначеного для коагуляції в області сітківки за допомогою рубінового лазера під спостереженням через офтальмоскопічну систему, - офтальмокоагулятора. Великі перспективи щодо використання газових аргонових лазерів (синьо-зелене випромінення такого лазера краще поглинається кров'ю), лазерів із змінною монохроматичною довжиною хвилі: синьою, зеленою, червоною. Лазери з модуляцією добротності знайшли застосування при боротьбі з глаукомою (1972).

Впровадження операційного мікроскопа в оториноларингологію (1967) дозволило вирішити унікальне завдання з відновлення слуху, а головне, це було початком розвитку нового напряму в хірургії - мікрохірургії. Мікрохірургія стала також широко упроваджуватися і в офтальмологію. В даний час її застосовують практично в усіх медичних спеціальностях.

Нові можливості в діагностиці очних захворювань були виявлені при дослідженні очного дна в різних спектрах видимого світла. Дана методика дослідження була на звана її засновником, професором А. М. Водовозовим, офтальмохромоскопією (1969). Створений спеціальний прилад - офтальмохромоскоп - дозволив упровадити цю методику досліджень в широку медичну практику. В той же час був завершений цикл робіт щодо використання поляризаційного світла в дослідженні очного дна, а потім рогівки ока (Р. М. Тамарова, Д. І. Міткох). Вперше в офтальмологічній практиці розроблений комплексний метод дослідження очного дна в поляризованому світлі, і, окрім суб'єктивної оцінки, з’явилася можливість за допомогою поляризаційного фотоофтальмоскопа спостерігати фігуру Гайдінгера одночасно досліджуваним і дослідником, тобто був знайдений метод об’єктивізації дослідження.

Для прискорення впровадження контактної корекції зору в нашій країні був розроблений і упроваджений у виробництво комплект апаратури для підбору і контролю контактних лінз, а також верстати для їх виготовлення (А.А. Киваєв й ін.).

Створюються нові моделі щілинної лампи, діоптриметра, ручних приладів із застосуванням волоконних світлопроводів, проектора знаків для дослідження зору з дистанційним управлінням тощо.

Прогнозуючи розвиток офтальмологічної апаратури, можна виділити 3 основних тенденції.

1. Безперервне зростання випуску офтальмологічних приладів и апаратів і перш за все за рахунок розширення асортименту.

2. Постійне вдосконалення технічних пристроїв для офтальмології за рахунок використання сучасних досягнень науки і техніки, зокрема лазерної, інфрачервоної, ультразвукової, електронної, телевізійної, високоякісної оптичної техніки, волоконної оптики; мініатюризація виробів.

3. Автоматизація приладів та використання в них засобів обчислювальної техніки, що дозволяє різко збільшити пропускну спроможність приладів і ширше застосовувати офтальмологічну апаратуру для масових профілактичних оглядів, проведення досліджень по заданих програмах. Глибша уніфікація і стандартизація окремих елементів і вузлів офтальмологічної техніки.

Розділ 1. Оптичні деталі, матеріали, характеристики та якісні показники

Вступ

Структура оптико-електронного приладу складається з функціональних пристроїв (блоків, модулів), заснованих на оптичних, механічних, електронних фізичних принципах і їх поєднанні. Функціональні пристрої у свою чергу містять конструктивні вузли, з'єднання деталей (елементарні складальні одиниці) і деталі.

При розробці конструкцій оптико-електронних приладів необхідно знати не лише принципи і правила конструювання приладів і їх елементів, викладені в лекційних курсах і навчальних посібниках, але і наявні типові конструкції деталей і пристроїв.

Оптичні деталі, тобто деталі безпосередньо взаємодіють з оптичним випромінюванням, виготовляють з оптичних і неоптичних матеріалів.

Оптичні матеріали, з яких виготовляються переважна більшість оптичних деталей, технологія їх виробництва, показники і методи контролю якості оптичних матеріалів детально викладаються в курсі дисципліни "Технологія виготовлення оптичних деталей".

У даній методичній розробці наведені лише короткі відомості про характеристики оптичних й інших матеріалів оптичних деталей, нормовані вимоги до оптичного скла і рекомендації щодо вибору його показників якості, необхідні для виконання лабораторних, практичних та контрольних робіт з дисципліни "Технологія виготовлення оптичних деталей". Детальніші відомості про матеріали оптичних деталей викладені в довідниках, спеціальній літературі і відповідних стандартах.