Оптическое устройство для исследования глазного дна с целью выявления возрастной макулярной дистрофии сетчатки

Полезная модель относится к области офтальмологии, конкретно к оптическим устройствам для исследования глазного дна и может быть использована для выявления возрастной макулярной дистрофии сетчатки (ВМД), в том числе на ранних доклинических стадиях развития заболевания, когда еще не проявляются клинические симптомы развития болезни.
В настоящее время заболевание считается практически неизлечимым, поэтому важной задачей является как можно более раннее выявление ВМД с целью принятия своевременных защитно-профилактических мер, позволяющих замедлить развитие этой тяжелой глазной патологии и сохранить хорошее качество жизни пациента на долгие годы. Такие обследования должны носить массовый характер и проводиться, например, в ходе профилактических осмотров по программам диспансеризации населения.
Современная офтальмология располагает широким арсеналом функционально-диагностических оптических методов клинической диагностики ВМД включающим, в частности, регистрацию аутофлуоресценции (АФ) глазного дна, оптическую когерентную томографию, флуоресцентную ангиографию. Однако, эти методы основаны на использовании дорогостоящего оборудования, недоступного для многих рядовых клиник. Общим недостатком этих методов является также то, что они позволяют диагностировать патологию на стадии, когда уже проявляются клинические признаки заболевания.
На практике для обнаружения патологических изменений комплекса сетчатка/РПЭ (ретинальный пигментный эпителий) наиболее широко применяют метод регистрации АФ глазного дна, в основе которого лежит получение изображения, создаваемого, главным образом, собственной флуоресценцией липофусциновых гранул (ЛГ), накапливающихся в клетках РПЭ в процессе старения и при развитии дегенеративных заболеваний сетчатки и РПЭ. Для регистрации АФ глазного дна обычно используют конфокальный лазерный сканирующий офтальмоскоп - ретинальный анализатор HRA-2 (Heidelberg, Германия) или более доступные по стоимости фундус-камеры. Фундус-камера представляет собой оптическое устройство, включающее источник освещения, проекционную систему создающую освещение части зрачка исследуемого глаза и изображающую систему, которая строит изображение сетчатки исследуемого глаза на матричном фотодетекторе (фотопленке) через неосвещенную часть зрачка. Для возбуждений аутофлуоресценции в РПЭ используют генерируемое источником света лазерное или некогерентное излучение с длиной волны приблизительно 488 нм. В результате получают картину аутофлуоресценции глазного дна, представляющую собой монохромное изображение, созданное флуоресценцией химических соединений (бисретиноидов и продуктов их фотоокисления и фотодеградации), входящих в состав ЛГ в клетках РПЭ в длинноволновой области от 500 нм. Наличие в картине АФ глазного дна затемненных и более светлых участков свидетельствует о патологических изменениях в сетчатке и РПЭ, обусловленных протеканием дегенеративных процессов. Картина АФ глазного дна, полученная с помощью фундус-камеры, дает подробную качественную информацию о состоянии глазного дна, однако не позволяет сделать количественную оценку выявленных изменений. Степень прогрессирования заболевания оценивается специалистом субъективно путем сравнения полученной картины с нормой. Не удается обнаружить патологию на ранней доклинической стадии заболевания, когда еще не проявляются клинические симптомы заболевания, а картина АФ глазного дна еще практически не отличается от нормы.
Попытки разработки количественного подхода для ранней диагностики ВМД нашли отражение в ряде патентов, защищающих способы и предназначенные для их осуществления устройства, позволяющие измерять количественные параметры, характеризующие изменения в РПЭ при возникновении и развитии патологии. В патенте [US 6371615 В1, опубл. 16.04.2002] и более поздней работе тех же авторов [Schweitzer D, et. al. Ophthalmologe. 2009. 106(8):714-22], описаны способ и устройство для выявления признаков развития ВМД на ранних стадиях, на основе измерения времени жизни (времени затухания) АФ (fluorescence lifetime imaging microscopy FLIM) Измерения проводят с использованием офтальмоскопа FLIO (fluorescence lifetime imaging ophthalmoscope), созданного на базе известного конфокального лазерного сканирующего офтальмоскопа (Heidelberg, Германия). Офтальмоскоп FLIO представляет собой оптическое устройство на базе лазерного сканирующего офтальмоскопа, включающее источник света на базе импульсного лазера и корреляционный счетчик фотонов, позволяющий регистрировать время затухания АФ. В устройстве возбуждение АФ глазного дна осуществляют импульсами пикосекундного лазера с пиковой длиной волны 446 нм, после чего детектирование времени жизни АФ проводят в двух спектральных областях 490-560 нм и 560-700 нм. Полученные экспериментальные кинетические кривые обрабатывают математически с получением значений времен жизни АФ в обозначенных выше спектральных областях. По мнению авторов, такого рода данные могут быть использованы в качестве диагностического параметра, который позволит обнаруживать развитие патологии на самых ранних этапах ее развития, когда еще нет клинических проявлений заболевания. Вместе с тем, необходимо отметить, что для реализации способа, предполагающего измерение пикосекундных временных диапазонов времени жизни АФ, необходимо использовать высокоточное дорогостоящее оборудование, недоступное для массового использования, что накладывает ограничения на возможность его применения в практической офтальмологии.
В заявке [US 2003/0004418 A1, опубл. 02.01.2003] описаны способ и устройство для измерения количественных характеристик возбужденной флуоресценции глазного дна. Устройство содержит источник света, способный генерировать излучение в нескольких спектральных диапазонах, детектор изображений со спектральными фильтрами, способный регистрировать изображение в нескольких спектральных диапазонах, процессорное устройство, способное производить обработку данных, зарегистрированных детектором изображений. В устройстве реализован подход, основанный на сопоставлении величин интенсивности АФ в разных спектральных диапазонах после воздействий на определенные участки глазного дна источником света с различными длинами волн. Метод включает воздействие на глазное дно светового потока в диапазоне длин волн 400-490 нм или лазерного излучения в диапазоне длин волн 690-900 нм (в описании также приведены сведения и об УФ облучении при 364 нм) и измерение интенсивности возбужденной АФ в двух различных спектральных диапазонах - в области 410-530 нм, соответствующей флуорофорам мембраны Бруха и друз, и в области 505-700 нм, соответствующей, в основном, флуорофорам ЛГ в РПЭ. Затем определяют соотношение величин интенсивностей АФ, полученных в разных спектральных диапазонах, и сравнивают их с заранее определенным набором значений, соответствующих норме. Реализация способа требует использования сложного и дорогостоящего оборудования, позволяющего генерировать возбуждающий свет в различных световых диапазонах и проводить многократное экспонирование сетчатки. Многократное световое воздействие в процессе обследования светом различной длины волны и длительности импульса может быть некомфортно и небезопасно для пациента. Кроме того, при относительном смещении глаза между экспозициями возникает несоответствие зарегистрированных картин глазного дна, как по положению, так и по интенсивности засветки. Данный факт приводит к необходимости использования сложных алгоритмов обработки изображений с возможностью их выравнивания и ухудшению точности при обработке данных. Регистрация возбужденной АФ и измерение сравниваемых интенсивностей АФ происходит в диапазонах, соответствующих АФ широкого круга флуорофоров различной природы, локализующихся в различных тканях глаза. Это существенно усложняет анализ полученных данных и не позволяет выявить специфические особенности, связанные именно с развитием ВМД. Предлагаемый «полуколичественный» подход к диагностике заболевания, основанный на сравнении полученных данных с набором референтных значений, оставляет возможность неоднозначной трактовки результатов исследования.
Наиболее близким по своей конструкции и функциональному назначению к описываемому устройству является устройство, описанное в публикации [AUTOFLUORESCENCE PHOTOGRAPHY USING A FUNDUS CAMERA US 7,648,239 В, опубл. 19.012010]. Устройство содержит следующие основные элементы: источник света со спектральным фильтром, глазную линзу (объектив); светоделитель, изображающую систему, барьерный спектральный фильтр и устройство для регистрации (фотографирования) изображений глазного дна. Недостатком устройства является регистрация изображений АФ только в одном спектральном диапазоне, что затрудняет дифференциальную диагностику заболеваний глазного дна. Кроме того, в публикации не предложено каких-либо диагностических критериев, позволяющих определять предрасположенность к ВМД в автоматическом режиме
1
2
В результате многолетних исследований особенностей флуоресценции глазного дна, проведенных на кадаверных глазах, нами было показано, что закономерности изменения количественного и качественного состава флуорофоров, а также их спектральные характеристики практически не зависят от возраста доноров, а определяются только наличием или отсутствием патологических изменений в РПЭ, при этом они имеют характерные, хорошо воспроизводимые особенности, которые могут быть использованы в качестве экспериментальной основы для разработки диагностического признака наличия патологии. Изменение спектров АФ, обусловленное наличием продуктов фотоокисления и фотодеградации бисретиноидов в ЛГ, может являться диагностическим признаком наличия ранней доклинической стадии заболевания. Это легло в основу разработанного нами способа раннего выявления ВМД, основанного на количественном подходе. Способ включает световое возбуждение АФ глазного дна световым сигналом узкополосного источника света с пиковой длиной волны близкой к 488 нм, регистрацию интенсивности возбужденной АФ в двух спектральных диапазонах, в которых, как было показано в ходе исследований, наблюдаются максимальные отличия интенсивности флуоресценции в норме и при наличии патологии. Диапазон 1 соответствуют интервалу 530-580 нм, диапазон 2 соответствует интервалу 600-650 нм. Последующая математическая обработка результатов дает значения величин интегральных интенсивностей сигналов АФ I и I в спектральных диапазонах 1 и 2 соответственно. Количественный диагностический параметр К, характеризующий отличие спектра АФ глазного дна при наличии патологии от спектра АФ в норме, определяется отношением
1
2
где I - интегральная интенсивность сигнала АФ в диапазоне 1, I - интегральная интенсивность сигнала АФ в диапазоне 2.
Под интегральной интенсивностью в спектральных диапазонах 1 и 2 в контексте данного описания понимают следующие величины:
где х, у - координаты точек на глазном дне (или в изображении глазного дна) в пределах заданной области Ω. Было показано, что группы «норма» и «патология» вполне сепарабельны по данному критерию, что позволяет использовать его в качестве количественного диагностического признака, характеризующего наличие патологического процесса: Полученное при обследовании пациента значение К, превышающее величину 1,15, свидетельствует о наличии ВМД. Диагностический критерий К имеет объективный количественный характер. Благодаря высокой чувствительности используемых спектральных методов анализа, значение критерия К, превышающее 1,15, может указывать на наличие такой ранней стадии заболевания, когда не только не проявляются клинические симптомы, но и визуальная картина АФ еще практически не отличается от нормы.
Возможность широкого применения описанного способа ранней диагностики ВМД напрямую зависит от наличия специального, доступного для массового использования, оборудования для проведения диагностических обследований. Это оборудование должно обеспечивать возможность одновременной регистрации изображений автофлуоресценции глазного дна в двух спектральных диапазонах при ее возбуждении на длинах волн в диапазоне 460-520 нм. Анализ литературы показывает, что ни одно из известных оптических устройств, предложенных для диагностики состояния глазного дна пациента, не удовлетворяет этим требованиям.
Техническая проблема, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в разработке доступного для широкого применения в практической офтальмологии устройства, позволяющего проводить диагностические обследования с целью ранней диагностики ВМД описанным выше способом, основанным на измерении спектральных количественных параметров, характеризующих специфические изменения АФ глазного дна, связанные с развитием заболевания.
Поставленная задача решена предлагаемым оптическим устройством для исследования глазного дна, включающим осветительный блок для возбуждения АФ глазного дна, глазную линзу (объектив); светоделитель, изображающий блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок спектральной регистрации изображений и процессор для математической обработки зарегистрированных картин и вычисления диагностического критерия.
Ниже приведены перечень и описание фигур чертежей, поясняющих сущность полезной модели и ее использования для обследования и диагностики ВМД.:
Фиг. 1. Блок-схема (А) и принципиальная оптическая схема (Б) устройства
1 - Глазная линза (объектив);
2 - Светоделитель;
3 - Изображающий блок;
3.1 - Промежуточный объектив;
3.2 - Изображающий объектив;
4. - Блок спектральной регистрации изображений.
4.1. - Дихроичный светоделитель;
4.2. - Датчик изображения диапазона 1;
4.3. - Датчик изображения диапазона 2;
4.4 - Барьерный спектральный фильтр;
5 - Осветительный блок;
5.1 - Источник света, включающий светодиод синего диапазона;
5.2 - Конденсор;
5.3 - Дихроичный светоделитель;
5.4 - Изображающая линза системы освещения;
5.5 - Световолоконный жгут;
5.6 - Проекционная система;
57 - ИК-светодиод;
5.8 – Конденсор;
М - Кольцевая диафрагма;
6 – Процессор.
В основе заявляемого устройства лежит стандартная фундус-камера с модернизированным, как описано ниже, источником света, и снабженная дополнительным блоком, обеспечивающим возможность детектирования сигналов АФ в спектральных диапазонах 1 (530-580 нм) и 2 (600-650 нм), в которых наблюдаются максимальные отличия в спектрах АФ для «нормы» и «патологии».
Блок-схема А и принципиальная оптическая схема устройства показаны на Фиг. 1 и 2 соответственно. Элементы 1-3 и 5 соответствуют устройству обычной фундус-камеры, позволяющей получать качественную картину АФ глазного дна. Глазная линза 1 расположена между глазом и светоделителем 2, соединенным с изображающим блоком 3, содержащим промежуточный объектив 3.1 и изображающий объектив 3.2. В отличие от фундус-камеры, вместо детектора изображений, устройство дополнительно включает блок спектральной регистрации изображений 4, предназначенный для одновременной регистрации изображений автофлуоресценции глазного дна в двух спектральных диапазонах. Блок спектральной регистрации изображений 4 включает дихроичный светоделитель 4.1., предназначенный для спектрального разделения изображений, и два датчика изображений 4.2. и 4.3., позволяющих независимо одновременно детектировать сигналы в разных спектральных диапазонах. Для упрощения конструкции дихроичного светоделителя в данном блоке может использоваться дополнительный барьерный спектральный фильтр 4.4. В качестве датчика изображения целесообразно использовать матричные фотодетекторы. Устройство снабжено осветительным блоком 5, включающим источник света 5.1, в качестве которого могут быть использованы различные узкополосные или широкополосные источники света, снабженные пропускными фильтрами для получения спектрального диапазона 480-520 нм, конденсор 5.2, дихроичный светоделитель 5.3, изображающую линзу системы освещения 5.4, световолоконный жгут 5.5 и проекционную систему 5.6.
В качестве источника света 5.1. целесообразно использовать светодиодный источник высокой эффективности, например, источники со спектрами и «Blue» (470-530 нм). Примером серийно выпускаемых источников данного типа являются светодиоды XLamp XQ-E, производимые компанией Cree (США). Данные источники могут излучать до 1 Вт световой мощности при управляющем токе 800 мА, что более, чем достаточно, для возбуждения АФ даже с учетом потерь в формирующей оптике.
Устройство работает следующим образом: излучение светодиода 5.1 собирается конденсором 5.2 и в виде квазипараллельного пучка поступает на дихроичный светоделитель 5.3, где полностью отражается делительной гранью и направляется на изображающую линзу системы освещения 5.4, назначение которой - совмещение углового и линейного размеров изображения источника с параметрами входной приемной апертуры стекловолоконного жгута 5.5. Стекловолоконный жгут 5.5. служит для транспортировки излучения от источника света 5.1. к оптическому модулю устройства и преобразования его апертуры из круговой в кольцевую, как показано на Фиг. 2.
Следует отметить, что использование стекловолоконного жгута не является обязательным, и систему освещения можно разместить непосредственно на входе проекционной системы 5.6. В этом случае в фокальной плоскости линзы 5.4 следует установить кольцевую диафрагму М. Проекционная система 5.6 создает изображение кольцевой светящейся апертуры (выходной торец световолоконного жгута 5.5 или диафрагмы М) в плоскости светоделителя 2, который выполняют в виде зеркала с отверстием таким образом, что излучение освещения отражается от зеркальной поверхности, а центральное отверстие используют для наблюдения. Это позволяет реализовать принцип разделения зрачков, предполагающий, что в конструкции устройства зрачок для освещения не перекрывается со зрачком наблюдения, что позволяет получить высококачественное изображение сетчатки, свободное от мешающего действия бликов от роговицы и линз оптической системы. Реализация принципа геометрического разделения зрачков является полезной опцией, улучшающей эксплуатационные характеристики прибора, в частности ослабляющей негативное влияние авто флуоресценции хрусталика на контраст АФ изображений глазного дна.
Для обеспечения комфорта проходящих обследование пациентов начальное наведение прибора целесообразно проводить на невидимом ИК излучении. С этой целью устройство комплектуют ИК-светодиодом 5.7, излучающим, предпочтительно, в диапазоне 740-850 нм, и конденсором 5.8. Дихроичный светоделитель 5.3 должен пропускать излучение в диапазоне 740-850 нм на матричный фотодетектор 4.2, при этом изображение, регистрируемое детектором, визуализируется на видеомониторе (на рисунке не показан) и используется оператором для наведения - фокусировки и совмещения входного зрачка прибора со зрачком глаза испытуемого.
1
2
Глазная линза 1 создает изображение освещенной кольцевой апертуры в плоскости зрачка исследуемого глаза, что обеспечивает равномерную засветку глазного дна. Изображение глазного дна строится в промежутке между линзой 1 и через отверстие в светоделителе 2. Промежуточный объектив 3.1 переносит это изображение с необходимым увеличением в промежуточную плоскость перед объективом 3.2, который служит для проецирования изображения глазного дня в необходимом масштабе на датчики изображения 4.2 и 4.3. Спектральное разделение изображений в спектральных диапазонах 1 и 2 производится дихроичным светоделителем 4.1. В качестве датчиков изображений (матричных фотодетекторов) могут быть использованы распространенные ПЗС или КМОП матричные датчики изображений, например, сенсор IMX174, выпускаемый компанией SONY (Япония). Датчики изображений располагают с таким расчетом, чтобы каждому элементу разрешения картины I(х,у), соответствовал элемент разрешения I(х,у). Как правило, один элемент оптического разрешения соответствует 2-4 пикселям матричного детектора. При размере пикселя сенсора IMX174, равном 5,8 мкм, необходимая точность совмещения элементов изображения на датчиках изображения 4.2 и 4.3 составляет 10-20 мкм, что вполне достижимо на текущем уровне развития техники. При необходимости дополнительная коррекция совмещения возможна методами цифровой обработки изображений.
Для упрощения конструкции дихроичного светоделителя 4.1 в схеме целесообразно применить барьерный спектральный фильтр 4.4 из цветного стекла, который пропускает излучение в диапазонах 1 и 2 и поглощает в диапазоне 480-490 нм, например, фильтр ЖС17 [«Каталог цветного стекла», издательство Машиностроение, Москва, 1967, 62 стр]. Данный фильтр может быть так же выполнен по тонкопленочной многослойной технологии.
Устройство работает следующим образом.
В начале работы оператор производит наведение и фокусировку прибора. Для этого ИК светодиод 5.7 включают, оператор наблюдает изображение глазного дна пациента в ИК диапазоне и производит наведение и фокусировку прибора исходя из наблюдаемой картины глазного дна. После завершения описанного выше процесса наведения, ИК светодиод 5.7 выключают и включают светодиод 5.1 на время от 1 мс до 200 мс. Длительность экспозиции подбирается экспериментально оператором, исходя из яркости и контрастности зарегистрированных изображений, и зависит от углового поля зрения прибора, прозрачности сред исследуемого глаза и других факторов.
1
2
1
2
Зарегистрированные сигналы поступают в процессор 6 (это может быть персональный компьютер), где подвергаются цифровой обработке с получением значений величин I и I, Алгоритм расчета основан на зависимости интенсивности сигнала АФ от длины волны детектирования в заданной области глазного дна Ω с учетом приведенных выше соотношений (2) и (3). Отношение полученных значений I/I дает величину диагностического критерия К. При значениях К выше 1,15, констатируют наличие патологического процесса развития ВМД даже в случае отсутствия клинических признаков заболевания, таких, как детектируемое изменение картины АФ глазного дна или субъективных жалоб пациента.
Таким образом, предлагаемое устройство является простым в изготовлении, доступным для массового производства и применения в скриннинговых осмотрах пациентов, например, в ходе проведения диспансеризации населения. Устройство позволяет проводить обследование в щадящем для пациента режиме, предполагающем однократное миллисекундное (длительность от 1 мс до 200 мс) импульсное световое воздействие на глаз. При этом оказывается возможным выявить изменения в интенсивности АФ в определенных спектральных диапазонах, связанные с накоплением в РПЭ специфических продуктов и указывающих на развитие ВМД.