УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОГОВИЦЫ ГЛАЗА

Полезная модель относится к вычислительной технике и оптическим устройствам и может быть использована для определения геометрических характеристик роговицы с целью последующей диагностики различных заболеваний, выявляемых по форме роговице, в частности, кератоконуса.
Известно устройство для построения конечной элементной модели роговицы при диагностики кератоконуса (патент США № US 7798641, Finite element model of a keratoconic cornea, опубликовано 11.03.2010, заявка 12/205,420, 5.09.2008, Bille, JosefF.), состоящее из устройства обработки изображений, устройства избирательного давления, компаратора для оценки набора параметров, процессора, недостатками которого является сложность получения исходных данных и необходимость физического воздействия на обследуемый глаз - давлением воздуха или иным средством, что может негативно влиять на состояние пациента и вызывать у него опасения пользованием прибора.
Известны метод и система для отображения роговицы (заявка США №20140049748 US, Corneal stromal mapping, опубликовано 20.02.2014), на базе которого может быть сделано устройство, состоящее из тепловизоров, формирователей изображения, томографов и процессора, недостатками которого является недостаточное быстродействие и сложность получения исходных данных, обусловленные использование таких сложных и дорогостоящих компонент как томографа и тепловизора. Это снижает практическую применимость системы и затрудняет ее массовое использование.
Известен способ для определения дифференциальных показаний к выбору метода лечения начального и развитого кератоконуса (патент №2400190 РФ, опубликовано 27.09.2010). Недостатком данного способа является его ориентация на выбор и определение метода хирургического лечения начального или развитого кератоконус, при практически полном отстутствии решении для обнаружения кератоконуса и измерения геометрических характеристик роговицы глаза. Кроме того, для диагностики также необходимо применение томографа, что затрудняет исследование.
Известно устройство оценки топографических параметров роговицы для анализа астигматизма и планирования лечения (заявка ША №20120229767 US, Assessment of topographic semi-meridian parameters for corneal astigmatism analysis and vector planning gtreatment, опубликовано 13.09.2012, заявка 13/475,230), состоящее из блоков освещения роговицы и формирования световых окружностей с единым центром, блока расчета сфероцилиндрических криволинейных поверхностей и определения параметров роговицы, компьютерной системы для расчета параметров роговицы, недостатком которого является сложность настройки исходных параметров для получения точных результатов, необходимости формирования множества световых окружностей и как следствие возможных ошибок при формировании световых окружностей, которые могут внести погрешности в вычисление параметров роговицы.
Известно устройство для определения механических характеристик роговицы (патент №92777 РФ, Устройство для определения механических характеристик роговицы, опубликовано 10.04.2010, заявка 2009113683/22, 13.04.2009, Анисимов Сергей Игоревич), состоящее из датчиков внутриглазного давления, кривизны и толщины роговицы, ОЗУ, вычислительного устройства. Недостатками этого устройства является использование трех видов датчиков, усложняющих конструкцию, диагностику, а также вносящие возможные погрешности в результат измерений при комплексировании информации о результатах измерений. Также недостатком является отсутствие технических решений по построению модели поверхности роговицы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство анализа топографии роговицы (патент США № US 7370969, Corneal topography analysis system, опубликовано 13.10.2005, заявка 10/813,620, 31.03.2004), состоящее из оптико-электронного датчика, блока ввода данных, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) блока анализа характеристик роговицы, нейронной сети для определения состояния глаза, недостатком которого является необходимость подготовки обширной базы для сравнения, предварительного обучения нейросети (что возможно с хорошим качеством только при наличии достаточного количества пациентов, используемых для построения обучающей выборки). Также недостатком предложенного устройства является необходимость его точного соосного ориентирования относительно зрачка (т.е. ось главная оптическая ось видеокамеры должна совпадать с оптической осью (направлением взгляда) глаза), что вследствие как непроизвольных и так осознанных движений глаза пациента затруднено и может приводить к ошибкам диагностики.
Технической задачей полезной модели является повышение точности определения геометрических характеристик роговицы глаза при бесконтактном анализе формы роговицы и упрощение процедуры получения исходных данных.
Задача решается тем, что в известное устройство, содержащее первый ОЭД, первый блок ввода данных, ОЗУ, системная шина (СШ), введены второй и третий оптико-электронные датчики, второй и третий блоки ввода данных, первое, второе и третье буферные оперативные запоминающие устройства (БОЗУ), коммуникатор-арбитр, источник света, контроллер-вычислитель, контроллер обмена данными, причем выход первого ОЭД соединен с входом первого блока ввода данных, выход первого блока ввода данных соединены с входом первого БОЗУ, вход-выход первого БОЗУ подключен первому входу-выходу коммуникатора-арбитра, выход второго ОЭД соединен с входом второго блока ввода данных, выход второго блока ввода данных соединены с входом второго БОЗУ, вход-выход второго БОЗУ подключен второму входу-выходу коммуникатора-арбитра, выход третьего ОЭД соединен с входом третьего блока ввода данных, выход третьего блока ввода данных соединены с входом третьего БОЗУ, вход-выход третьего БОЗУ подключен третьему входу-выходу коммуникатора-арбитра, четвертый вход-выход коммуникатора-арбитра подключен к первому входу-выходу системной шины, второй вход-выход СШ подключен к входу-выходу ОЗУ, третий вход-выход СШ подключен к контроллеру-вычислителю, четвертый вход-выход СШ подключен к входу-выходу контроллера обмена данными, выход которого предназначен для выдачи информации во внешнее устройство, выход коммуникатора-арбитра подключен к входу источника света.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства, на фиг 2 - расположение первого, второго, третьего ОЭД и источника света, на фиг. 3 - расположение первого, второго и третьего ОЭД относительно глаза.
Устройство содержит (фиг. 1) первый 1, второй 2 и третий 3 оптико-электронные датчики, первый 4, второй 5, третий 6 блоки ввода данных, первое 7, второе 8 и третье 9 обуферные оперативные запоминающие устройства (БОЗУ), коммуникатор-арбитр 10, осветитель 15, системную шину (СШ) 11, ОЗУ 12, контроллер-вычислитель 13, контроллер обмена данными 14, источник света 15, причем выход первого ОЭД 1 соединен с входом первого блока ввода данных 4, выход первого блока ввода данных 4 соединены с входом первого БОЗУ 7, вход-выход первого БОЗУ 7 подключен первому входу-выходу коммуникатора-арбитра 10, выход второго ОЭД 2 соединен с входом второго блока ввода данных 5, выход второго блока ввода данных 5 соединены с входом второго БОЗУ 8, вход-выход второго БОЗУ 8 подключен второму входу-выходу коммуникатора-арбитра 10, выход третьего ОЭД 3 соединен с входом третьего блока ввода данных 6, выход третьего блока ввода данных 6 соединены с входом третьего БОЗУ 9, вход-выход третьего БОЗУ 9 подключен третьему входу-выходу коммуникатора-арбитра 10, четвертый вход-выход коммуникатора-арбитра 10 подключен к первому входу-выходу системной шины 11, второй вход-выход СШ 11 подключен к входу-выходу ОЗУ 12, третий вход-выход СШ 11 подключен к контроллеру-вычислителю 13, четвертый вход-выход СШ 11 подключен к входу-выходу контроллера обмена данными 14, выход которого предназначен для выдачи информации во внешнее устройство, выход коммуникатора-арбитра подключен к входу источника света 15.
Устройство работает следующим образом.
Первый 1, второй 2 и третий 3 оптико-электронные датчики располагают на единой воображаемой плоскости в вершинах равностороннего треугольника таким образом, что их главные оптические оси взаимно параллельны друг другу и перпендикулярны указанной воображаемой плоскости (см. фиг. 2). При этом центр равностороннего треугольника расположен примерно напротив глаза на расстоянии 4-7 см и воображаемая плоскость, в которой расположены указанным образом первый 1, второй 2 и третий 3 оптико-электронные датчики примерно перпендикулярна оси наблюдения глаза (направлению взгляда).
Источник света 15 выполнен в виде множества инфракрасных точечных светодиодов, расположенных на одной плоскости, на произвольном, но известном расстоянии друг от друга (в диапазоне от 2 до 4 мм), и лежащих в той же самой указанной выше плоскости, что и первый 1, второй 2 и третий 3 оптико-электронные датчики. Выполненный указанным образом источник света 15 предназначен для формирования точечных рефлексов (отражений) на роговице ярких относительно общей освещенности точек, на основе которых далее в полезной модели будут вычисляться трехмерные координаты точек роговицы. Использование именно инфракрасных светодиодов, а не светодиодов иного светового диапазона позволяет сделать их невидимыми для пациента и тем самым минимизировать возникновение у него негативных ощущений, связанных и ярким светом, а также позволяет минимизировать влияние внешней освещенности на результат диагностики.
Таким образом, первый 1, второй 2 и третий 3 оптико-электронные датчики, а также источник света 15 расположены на одной плоскости. При этом до начала диагностики необходимо в процессе изготовления или иным расчетным способом (см. например, ранее известные публикации, направленные на калибровку системы технического зрения из трех оптико-электронных датчиков, например, пат. №2382515) задать и знать положение первого 1, второго 2, третьего 3 оптико-электронных датчиков и источника света 15.
Рассмотрим далее процесс функционирования полезной модели. После размещения указанным образом первого 1, второго 2 и третьего 3 оптико-электронных датчиков, а также источника света 15 напротив исследуемого глаза коммуникатор-арбитр 10 включает источник света 15. Изображения глаза с отраженными рефлексами поступают на первый 1, второй 2, третий 3 ОЭД. С выхода первого ОЭД 1 на вход первого блока ввода данных 4 поступает пиксель за пикселем изображение рабочей сцены, первый блок ввода данных 4 производит предварительную фильтрацию и минимизацию систематических искажений (см. например, патент в котором представлено описание устройство ввода изображения в ЭВМ с функцией коррекции искажений пат. 2295153) и записывает откорректированное изображение в первой буферное ОЗУ 7. Аналогичным образом с выхода второго ОЭД 2 на вход второго блока ввода данных 5 изображение поступает пиксель за пикселем и второй блок ввода данных 5 производит предварительную фильтрацию и минимизацию систематических искажений и записывает откорректированное изображение, полученное с другой точки наблюдения во второе буферное ОЗУ 8. Наконец с выхода третьего ОЭД 3 на вход третьего блока ввода данных 6 изображение поступает пиксель за пикселем и третий блок ввода данных 6 производит предварительную фильтрацию и минимизацию систематических искажений и записывает откорректированное изображение, полученное с третьей точки наблюдения в третье буферное ОЗУ 9. Далее коммуникатор-арбитр 10 после поступления всех трех кадров, характеризующих одну и ту же рабочую сцену с разных точек наблюдения, в первое 7, второе 8 и третье 9 БОЗУ передает последовательно каждый кадр в ОЗУ 12. Для этого он через свой четвертый вход-выход далее через первый вход-выход системной шины 11 и далее через второй вход-выход системной шины 11 передает на вход-выход ОЗУ 12 последовательно пиксель за пикселем изображения всех указанных выше трех кадров (термины «кадр» и «изображение» здесь и далее являются синонимами).
Далее контроллер вычислитель 13 начинает поиск характерных точек и их сопоставление на каждом из кадров (реализацию обнаружения и сопоставления характерных точек см., например, в патенте 158702 от 20.01.16). При этом в данном конкретном случае при поиске характерных точек добавляется дополнительно условие - характерными точками являются яркие относительно локальной области фона точки. Для этого контроллер-вычислитель 13 последовательно считывает из ОЗУ 12 через вход-выход ОЗУ 12, второй вход-выход системной шины 11, третий вход-выход СШ 11, и свой вход-выход каждый из кадров, записанных в ОЗУ 12, и вычисляет характерные точки, далее контроллер 13 сопоставляет характерные точки на каждом из кадров и вычисляет их параметры (к параметрам относятся локальные двумерные координаты точек на каждом из кадров изображений и вектор, описывающий характерную точку) и записывает обратно в ОЗУ 12. После этого для каждой характерной точки контроллер вычислитель 13 вычисляет ее трехмерные координаты путем решения классической задачи бинокулярного технического зрения, когда при известной паре двумерных координат одной и той же точки на двух кадрах изображений, составляющих стереопару, вычисляются трехмерные координаты точки. Вычисленные трехмерные координаты каждой характерной точки контроллер-вычислитель через свой вход выход, далее через третий вход-выход СШ 11, далее через второй вход-выход СШ 11 записывает через вход-выход ОЗУ 12 в ОЗУ 12. Таким образом, в ОЗУ 12 в результате представленных выше действий хранятся трехмерные координаты множества точек, описывающих форму роговицы, что и требовалось получить.
Далее найденные и хранящиеся в ОЗУ 12 трехмерные координаты множества точек роговицы считываются контроллером обмена данными 14 для передачи во внешнее вышестоящее устройство. Для этого контроллер обмена данными 14 считывает через свой вход-выход, четвертый вход-выход СШ 11, второй вход-выход СШ 11 и вход-выход ОЗУ 12 последовательно пространственные координаты каждой точки и через свой выход передает их вышестоящему устройству, интерпретирующее их согласно своим, не рассматриваемым в данной заявке задачам.
При необходимости весь описанный процесс вычисления трехмерных координат точек может быть многократно повторен в зависимости от задачи вышестоящего устройства, что позволяет отслеживать в реальном времени изменение формы роговицы (например, при движении зрачка).
Таким образом, представленное устройство обеспечивает бесконтактное быстрое и точное измерение формы роговицы, что востребовано во многих задач диагностики отклонений зрения, в частности, например, при диагностике кератоконуса или астигматизма. Принципиальными преимуществами предложенного технического решения являются: бесконтактное вычисление пространственных (трехмерных) координат точек роговицы в реальном или близком к реальному (в зависимости от используемой элементной базы) масштабу времени, легкость практической реализации предложенной полезной модели и легкость процесса диагностики, возможность использования полученных данных для диагностики различных отклонений зрения.
В качестве первого 1, второго 2 и третьего 3 ОЭД должны быть использованы любые малогабиртные аналоговые или цифровые web-камеры (например, Logitech 9000, Logitech С925 и другие). Реализация первого 4, второго 5 и третьего 6 блоков ввода данных рассмотрены выше в тексте заявки со ссылкой на известный патент. Первое 7, второе 8, третье 9 БОЗУ должны удовлетворять требованиям по объему данных (не менее объема одного кадра изображения, что составляет 3-5 Мбайт) и могут быть реализованы практически на любых отечественных или импортных микросхемах статического ОЗУ. Коммуникатор-арбитр 10 выполняет простейшие функции и может быть реализован на дискретных логических элементах или программируемой логической интегральной схеме. ОЗУ 12 должно удовлетворять требованиям по объему данных - не менее 24 Мб и может быть также реализовано практически на любых микросхемах статического или динамического ОЗУ. Контроллер вычислитель 13 представляет собой микроЭВМ или сигнальный процессор, особых требований к микроЭВМ или сигнальному процессору не предъявляется - они должны обеспечивать выборку данных и их обработку согласно заданному алгоритму. Также контроллер-вычислитель может быть реализован и на логической интегральной схеме, однако, это требует большей трудоемкости при его программировании. Контроллер обмена данными 14 целесообразно реализовать как usb-контроллер, для чего представлено на рынке множество готовых микросхем.