眼视光器械浅析

王英丽/文

1 人眼与眼视光诊疗设备

1.1 概述

眼睛是人体重要的生物器官，又是获取外界信息的光学器官，对人眼进行检查和各种参数测量不仅仅直接反映人眼健康与否、对外界信息的接收情况，还能反映人眼与身体其他器官的健康关系。

临床医疗方面，对疾病的诊疗依赖于各种检测和治疗设备，眼睛也不例外，眼视光学器械是专用于人眼的医疗设备，主要包括检测和诊治的医疗器械及其相关配套系统。由于人眼具备生物器官和光学器官双重特征的组织，与之相关的设备形成了颇具特色的医疗技术体系。

1.2 人眼的特点与眼视光诊疗设备的技术特性

眼睛类似一个精密光学仪器，执行着摄像功能和信息分析传送功能。眼睛的这些特征对相关诊治器械设计业提出了更高的要求，使得相关新设备的研发与应用在一定程度上更具挑战性。因此，根据人眼的特点需要眼视光设备具有区别于其他医疗设备的技术特性。

1.2.1 以“安全、非侵犯性”为基本原则

眼睛表面神经丰富、各界面结构致密、眼底感光细胞敏感，任何外力，包括强光或有害射线，都可能对眼睛造成损伤。因此，与眼睛检测、诊治有关的设备安全性指标要求非常高，在方式上尽可能达到“非侵犯性”，即设备尽量不直接接触眼表面或眼内部其他组织，显微镜照明系统的光源或亮度不对眼内感光细胞或其他组织产生任何损伤，甚至要求尽量降低不舒适感；有关治疗性设备的应用，如激光治疗仪，要求尽可能只对有问题血管或病变组织产生反应，达到一定标准的“选择性”。

1.2.2 以光学检测设备为基础

眼睛的另一大特点是“透明”。泪膜，角膜，晶状体直至视网膜，这些眼球的组成部分既是“光学镜头”，又是生物组织。透明生物组织构成的光学镜头将外界物体清晰成像，其间各个“光学镜头”的屈光、形态、厚度、组织结构等多项指标需要检测，因此依据几何光学和物理光学基础设计的屈光检查设备、眼光学成像质量、光学界面形态检测设备等成为该领域的独特设备和产品。另外，在医学其他领域广泛应用，如超声、磁共振、电生理等技术在眼视光器械领域也得到充分应用，并更趋精细化、精致化和安全化。

1.2.3 优质的显微镜系统和照明系统

人眼的最大特点是“细小、深邃、精密”。由于眼球的体积小，结构又非常精密，层层递进，因此高放大倍率、高分辨率的显微镜系统，加上优质并安全的照明系统成为眼科设备设计的常规理念。

1.2.4 以“动态”检测为发展方向

通常临床上对人眼的检测或治疗都是在人体感知的情况下进行，检测或诊疗过程中人眼一直处于“动”的状态，如何在动态中捕获真实并可重复的影像，如建立测量和分析的参考点，或者在动态中把握好治疗的准确性，如准分子角膜切割的中心定位和切削的稳定性等，成为眼视光器械设计的重点。因此，较多设备的研发把准备固视、定位追踪等作为重要技术指标。电脑科技及数字化技术的发展，大大提高了仪器的灵敏度和准确度，极大提升了仪器的临床效应。

眼视光学器械发展日新月异，各相关研发机构和生产厂家都在开拓新技术或改进旧产品，研究成果正以迅速和成熟的形式进入临床。眼科和眼视光学器械种类繁多、类型丰富，如何从如此复杂的设施和仪器中找到规律是关键。仔细回顾和解剖各种简单或复杂的仪器，通过对各种设施的器械结构和光学分析，我们不难发现规律，其基本原理便是沿用经典的知识或理论，并充分考虑眼睛的特性。因此，本文就是通过对各种常用设施的基本原理和结构进行剖析，理解其在临床应用的基本功能，从而对不断推陈出新的技术有深刻的理解。

2 眼视光器械的分类

眼视光器械种类很多，从不同的角度对其可以有不同的分类方式。

2.1 从使用角度分类

从使用角度可以将其分为关于屈光、视功能方面的检测设备；关于眼镜片、角膜接触镜方面的检测设备；关于眼科临床检查、测试、诊断用相关设备；关于视光矫治、治疗相关设备；关于眼镜加工相关设备。

2.1.1 关于屈光、视功能方面的检测设备

验光和视觉功能检测是眼视光临床领域的量大面广的工作，70%左右来诊的患者涉及此类检查。这类设备使用率高，分客观方法、主观方法、机械方法和电脑方法等多样性设计，并有系列设备与之配套，如远、近用视力表、对比敏感度测定仪、综合验光仪、电脑验光仪、检影镜、投影视力表等。另外，进一步深入检测眼球成像质量、感知以及传递等情况，则可使用各类眼球像差仪和眼电生理检查等。

2.1.2 关于眼镜片、角膜接触镜方面的检测设备

在临床验配过程中需要对镜片本身进行检测，可分为对框架镜的检测设备（常见的设备有焦度计、基弧仪、厚度计、眼镜测量卡等），对角膜接触镜的检测设备（常见的有曲率仪、直径测试仪、含水量测试仪等）；并且在镜片研发和实验室测试中，亦有不同系统的检测设备，如干涉仪等。

2.1.3 关于眼科临床检查、测试、诊断用的设备

这类设备中的大部分为临床基础设施，如裂隙灯检查系统、眼压计、检眼镜等使用被列为眼科和眼视光学临床基本检查流程，即每位来诊患者常规接受这类检查，其设备成为诊室中最基本的配置。发现问题并需要深入检测具体病变时，则需要特定检测的设备，如眼底照相、眼底造影、眼科超声仪、视野计、磁共振、眼前段及眼后段OCT等。

2.1.4 关于视光矫治、治疗相关设备

可分为双眼视功能异常矫治设备，常见的有同视机等和弱视矫治设备，另外还有各种激光治疗仪，包括准分子激光治疗仪等。

2.1.5 关于眼镜加工相关设备

完成屈光、视功能检查、测试、治疗等一系列前序工作后，则需要加工出一副适合被检者的眼镜，眼镜加工设备为磨边设备，常见的有手动、自动磨边机等和辅助设备，定中心仪、打孔机、开槽机、整形钳等。

2.2 从技术角度分类

2.2.1 传统的眼视光仪器在技术上只有光（光学）和机（机械）两门技术组成的仪器即为传统的眼视光仪器。

2.2.2 现代的眼视光仪器

在技术上由光学、机械、电子、电脑四门技术组成的一体化结构即为现代的眼视光仪器。

3 眼视光器械的基本光学系统

眼视光器械种类繁多，但其基本原理是相通的，绝大多数的眼视光仪器设备都具有一个核心的系统，即光学系统。一般来说，眼视光仪器设备的光学系统，往往由两个部分组成：照明系统（illumination system）和接收（观察）系统（observation system）。照明系统用于照亮，接收系统用于观察，通过分析由接收系统观察到的、在照明系统对目标物的照亮作用下的、放大的、清晰的像，进而得到检查者对被检者的检测与诊疗方案。接下来，本文依次对照明系统以及接收系统的结构组成以及相关原理作简单的分析。

3.1 照明系统

照明系统分为3种：①直接照明；②临界照明；③柯拉照明（kohler illumination）。

3.1.1 直接照明

直接照明的光源没有经过任何光学系统，直接照在被照物面，如视力表灯箱。它的特点是结构简单、原理直观，但是亮度不高，如图1所示。

图1 直接照明

3.1.2 临界照明

临界照明指的是光源经聚光镜后成像在被检物体上，光束狭而强。但是光源的灯丝像与被检物体的平面重合，这样就造成被检物体的照明呈现出不均匀性，在有灯丝的部分则明亮；无灯丝的部分则暗淡，不仅影响成像的质量，更不适合显微照相，这是临界照明的主要缺陷。其补救的方法是在光源的前方放置乳白和吸热滤色片，使照明变得较为均匀和避免光源长时间的照射而损伤被检物体。优点：结构简单。缺点：照明不均匀。如手持式Golgmann眼压计。如图2所示。

图2 临界照明

3.1.3 柯拉照明

它弥补了临界照明中物面光照度不均匀的缺点，在光源1与聚光镜5之间加一辅助聚光镜2，如图3所示。可见，把被光源均匀照明了的辅助聚光镜2（也称为柯拉镜）成像在标本6上，所以物镜的视场（标本）得到均匀的照明。柯拉照明的特征是：①由聚光镜、投射镜两组透镜组成；②灯丝经聚光镜成像在投射镜上（也称灯丝光路）；③光阑经投射镜成像在被照明面（也称光阑光路）。如：裂隙灯、检眼镜（直接）、眼底摄影机等。其特点就是可以控制亮度，且亮度提高较大，同时照明均匀。如图3所示。

图3 柯拉照明

因此，光学系统的基本结构如图4。

图4 眼视光仪器的基本光学系统

以焦度为例，其结构简图如图5：接收系统部分将前两组镜头看成一个物镜，那么总体上看，相当于一个显微镜系统。如果将后两组透镜组合，焦度计就可看成是由一个放映系统加一个望远系统组成的（图6）。从灯源将目标分划板照亮分析，它的照明为直接照明，即灯直接照明目标分划板。

图5

图6

此外，焦度计的光学系统与光学验光仪的系统有共同的结构，通过目标分划板的移动量大小，也可以检测人眼屈光力。所以，虽然眼视光仪器种类很多，但是基本的原理相通。

3.2 接收系统

接收系统往往由以下3个基本系统构成：望远系统；显微系统；摄影、放映（投影）系统。

3.2.1 望远系统

望远系统是帮助人眼对远处物体进行观察的光学系统，观察者用对望远镜的像空间的观察代替本来的物空间的观察。由于望远镜的像空间的像对人眼瞳孔的张角比其在物空间的共轭角大，所以通过望远镜观察时，远处的物体似乎被移近。原来看不清的物体也能被看清楚了。

望远镜是由两个共轴的光学系统组成，其中向着物体的系统称为物镜，接近于人眼的系统称为目镜。当观看无限远的物体时，物镜是由光学间隔为零的两个共轴光学系统组成的无焦系统。

综上所述，望远系统的基本特性是：①由物镜、目镜两组镜头组成；②物体经物镜后，在目镜焦面先成一倒立的实像（中间像）；③物体位于无穷远（或5米以上的实际无穷远），平行光进入平行光出射。

望远镜系统的基本结构如图7所示。

图7 望远镜系统的基本结构

3.1.2 显微系统

为把微小的物体或物体的细节观察清楚，需要把物体移近眼睛，这样放大了物体对人眼的张角，从而可使物体在视网膜上成一个较大的像，然而当物体到眼睛的距离太近时，由于调节的极限，反而会看不清，也就是说，为明察微小的物体或物体的细节，不仅需要使物体对眼瞳孔有足够大的张角，而且还要有适合的距离。显然对于眼睛来说，这两个要求是相互矛盾的，不过若在眼睛之前另加一个适当的光学系统，就可以解决这个矛盾。放大镜便是这种需要帮助观察微小物体或其细节的光学仪器，其中凸透镜是一个最简单的放大镜。用于观察光学系统所成像的放大镜，称为目镜，放大镜就是一种简单的目镜。由于需要放大很多倍，单片镜片的焦距太短，不符合眼睛的工作距离，因此需要组合放大镜，即须采用两个光学系统组成的复光系统来替代单一的放大镜，这种组合的放大镜，称为显微镜。

图8 显微系统的基本结构

综上所述，显微系统的基本特征是：①由物镜和目镜两组镜头组成；②物体经物镜后，在目镜焦面先成一实像；③物体位于有限距离，发散光进入平行光出射。

3.1.3 摄影、放映系统

摄影、放映系统就是照相机和电影放映机或幻灯片，其原理是将已经拍摄好的电影胶片、图片或幻灯片放映在较大的银幕上，供人们观赏。在电影机和幻灯机中主要部分是聚光器和使胶片成像在银幕上的照相物镜。虽然目前多数摄影放映机系统采用了许多新的技术，使得投影成像的质量越来越高，但其基本构成和光学结构依旧参照了经典。

摄影放映系统的基本特征是：①由单一的成像物镜组成；②物（或像）位于有限距离。

摄影放映系统的基本结构如图9所示。

图9 摄影放映系统的基本结构

4 现代眼视光器械的发展特点

现代眼视光器械发展的一个特点，就是由传统向现代发展。上述的传统仪器以光学和机械为主要构成，而现代的仪器是由光学、机械、电子、电脑四门技术的一体化结构组成。传统的医用光学仪器主要以光机为主，所谓电，仅是为了照明而用的变压器、灯泡及简单电路。20世纪70年代以来，随着微处理机技术的发展，电子探测、控制技术、数字化技术逐渐进入医学领域，这一切使仪器的自动化程度、可靠性、运行速度、可回顾程度得到极大提高。

系列化和多功能：如手术显微镜，其系列化程度高，能满足各种手术的需要；如眼底照相机，其视场角由30°发展到45°、60°，现在已经出现了广角。

附件多：为了扩大仪器功能，大量设计和采用各种附件，如裂隙灯显微镜配置的附件可以测量角膜厚度、眼压、前房角、眼底等；如配以各种照相、摄像和电视技术等。

现代眼视光器械的另一个发展特点，就是由只具有检查功能的仪器，向同时具有检查、诊断和治疗功能的方向发展。

目前的眼视光仪器以各种方式来表达眼部情况：①以实物放大形式，如各种显微镜；图像形式，如角膜地形图、B超；②以增效形式，如眼底血管造影、CT、磁共振等；③以参数形式，如电脑验光仪、角膜曲率计、眼电生理等。

这些资料的表达和提供，有助于我们发现问题所在和问题的严重程度，及时作出诊断并提出处理意见。

现代的眼视光医疗器械不仅包含监测和诊断功能，并在治疗方面有极大发展，如激光治疗，激光在青光眼的早期治疗、后发白内障的辅助治疗以及眼底疾病的主要治疗，其中最大的发展就是激光在屈光方面的应用和治疗。治疗功能的应用还包括一些功能训练设施，如双眼视功能训练仪器、弱视训练仪等。

眼视光学医疗专业领域及其器械技术的发展迅速，走在了医疗器械技术发展的前列，每年都有许多新技术和原有技术的改进，这些技术的出现和发展同时也极大地推动了眼科和眼视光学的临床和科学研究的发展。