一種醫(yī)用眼鏡式放大鏡的設計

陳慶，尤若寧，毛坤劍，周文光

解放軍第174醫(yī)院廈門大學附屬成功醫(yī)院 器材科，福建 廈門 361003

一種醫(yī)用眼鏡式放大鏡的設計

陳慶，尤若寧，毛坤劍，周文光

解放軍第174醫(yī)院廈門大學附屬成功醫(yī)院 器材科，福建 廈門 361003

目的 研制一種具有放大功能的醫(yī)用眼鏡式放大鏡，提供個性化定制，滿足臨床上醫(yī)生的操作使用。方法 測量使用者眼睛的生理數(shù)據(jù)，定制非球面透鏡作為目鏡和物鏡，設計光路，組成放大透鏡組。根據(jù)測量得到的操作者眼科處方，定制外圍眼鏡片。測量使用者頭部數(shù)據(jù)，三維建模，引進人體工學設計，建立眼鏡鏡架的三維模型，作為支架,將放大部分鑲嵌其中，制成眼鏡式放大鏡。結果 經(jīng)測試，本眼鏡式放大鏡重量輕，放大效果好，圖像無球差，邊緣無畸變，聚焦準確，佩戴舒適。結論 本研究根據(jù)使用者生理參數(shù)量身定制，滿足個性化需要，非常適用于外科手術的放大應用。

醫(yī)用眼鏡式放大鏡；非球面透鏡組；人體工學設計；光路；三維模型

引言

現(xiàn)有的大部分手術顯微鏡和手術放大鏡只是簡單地提供放大功能，且不同的佩戴者頭部特征、眼鏡的生理參數(shù)各不相同，在臨床手術中，常出現(xiàn)因瞳距不合適、工作距離不準確、頂點距離過近等問題，無法適應不同使用者的頭部特征及眼睛的不同生理參數(shù)，造成手術放大鏡或放大眼鏡無法在外科手術中發(fā)揮作用，嚴重影響手術的進行。

本研究測量使用者的瞳距等生理參數(shù)，采用人體工學設計，根據(jù)參數(shù)精心設計非球面透鏡組，準確設計出所需的放大倍數(shù)，同時消除邊緣畸變及球面像差。通過三維建模量身定制眼鏡鏡架，準確鑲嵌放大模塊，使術者長時間佩戴不產(chǎn)生不適，提高手術效率。

1 系統(tǒng)設計路線

本研究包括3部分：生理參數(shù)測量、放大部分研究及鏡架部分設計。技術路線框圖，見圖1。通過測量瞳距、瞳孔高度等眼部生理數(shù)據(jù)，為后續(xù)設計提供所需參數(shù)。放大部分采用伽利略型望遠鏡的光路設計，目鏡和物鏡均采用非球面透鏡，精確設計其弧度以獲得準確的放大倍數(shù)，同時最大限度消除球面像差和鏡片的邊緣畸變。通過Pro/E軟件進行三維建模[1]，構建出眼鏡鏡架部分的三維模型。

圖1 技術路線框圖

2 眼部生理參數(shù)的測量

測量方法主要采用眼球位置與頭部大小相關測量法[2]。測量眼部生理參數(shù)的重點在于其精確度[3]。由于所需測量的參數(shù)單位均為mm，精度要求高，稍有偏差就會影響后續(xù)的設計。

2.1 工作距離

工作距離指手術中眼球到手術時操作面的距離。佩戴放大鏡手術時，工作距離太小，需要佩戴者低頭甚至彎腰才能看清患部。工作距離太大，則需要佩戴者降低工作面，增加眼球至工作面的距離。工作距離過大或過小都需要佩戴者變換體位，影響手術進行。

測量方法：佩戴者站立，雙手放置于平時習慣的操作面，頭部保持平時手術時常規(guī)的俯視姿態(tài)，閉上雙眼，保持靜止，避免測量時對眼睛造成不必要的傷害，使用皮尺測量從眼球到雙手下沿的距離。

2.2 瞳距

瞳距指左右眼瞳孔間距離，用專用的測瞳儀測量。放大鏡的兩個鏡筒之間的距離即為眼鏡式放大鏡的瞳距。若瞳距不合適，會造成眼鏡平視時看到鏡筒的邊框，使佩戴者無法準確看到需要觀察的患部。

2.3 瞳孔高度

瞳孔高度指鏡框最高點至瞳孔所在直線的垂線距離。瞳孔高度對佩戴者的影響與瞳距類似，瞳孔高度不合適同樣需要佩戴者眼睛上瞟或俯視才能觀察到患部，長時間保持這個視角會造成佩戴者眼部不適，影響手術效果。瞳孔高度示意圖，見圖2，S即為瞳孔高度。

圖2 瞳孔高度示意圖

2.4 頂點距離

眼球到放大部分鏡片的距離。若頂點距離太近，會讓佩戴者產(chǎn)生鏡片觸到眼球的錯覺，眨眼頻率明顯增高，同時眼部產(chǎn)生不適感。手術中手術醫(yī)生眼部不適，為防止感染又不能用手處理，嚴重影響醫(yī)生的手術操作。頂點距離示意圖，見圖3，D即為頂點距離。

圖3 頂點距離示意圖

2.5 醫(yī)學鏡頭處方

醫(yī)學鏡頭處方包括：SPH，即近視、遠視的屈光度；CYL，即散光的測定；AXIS，即散光的軸向；ADD-N與ADD-M，即老花的測定。由于每個佩戴者的眼鏡情況各不相同，放大部分透鏡組的設計需要根據(jù)佩戴者的近視度數(shù)或是老花眼程度等進行具體定制，如果不存在老花等眼部變形，則以平光鏡的標準進行透鏡組設計即可。這5個參數(shù)需要到眼科用專用設備進行準確測量。

3 放大部分設計

放大部分是本眼鏡式放大鏡的核心部分。本研究借鑒伽利略型望遠鏡的設計思路，采用多片非球面透鏡[4]組成的透鏡組作為放大部分，各塊鏡片相互配合，消除邊緣畸變，消除球面像差，同時達到需求的放大倍數(shù)。

3.1 透鏡組的光路設計

本研究的放大模塊需要呈現(xiàn)的是被放大患部的正像，采用伽利略型望遠鏡的設計思路進行光路設計，其優(yōu)點是鏡筒短而能成正像。光路設計示意圖，見圖4。光線經(jīng)過物鏡折射所成的實像在目鏡的后方焦點上，這像對目鏡是一個虛像，因此經(jīng)它折射后成一放大的正立虛像。本研究的放大率等于物鏡焦距與目鏡焦距的比值。

圖4 光路設計示意圖

放大模塊分為物鏡組和目鏡組兩部分。物鏡是放大模塊中把操作面患部成像于其焦平面上的一個透鏡組。在無透鏡轉像系統(tǒng)的簡單望遠鏡中，物鏡的這一像面與目鏡的物方焦平面重合，眼睛通過目鏡觀察這一物體的中間像。

透鏡組的設計難點在于需要獲得較小的放大倍數(shù)（4～6倍），但用于外科手術則需要圖像精確，無球差和邊緣畸變。

3.1.1 物鏡

物鏡的主要性能參量是焦距、相對孔徑和視場角。放大率M是物鏡焦距f與目鏡焦距fe之比，而放大模塊的鏡筒長度是f與fe之和，故物鏡的焦距f是決定放大模塊放大率和筒長的一個重要參量。物鏡相對孔徑D/f是放大模塊入射光瞳直徑D與物鏡焦距f之比，本研究取1:2.5。物鏡半視場角W與目鏡半視場角We之間的關系為tanW=tanWe/M，目鏡視場角We一般為40°～50°，設放大率M為4倍，則物鏡視場角2W不大于10°。所以物鏡是屬于中等孔徑和小視場一類的透鏡組，只要對其校正軸向球面像差和滿足正弦條件即可。

物鏡的設計難度在于需要消除球差，因此本研究采用非球面鏡片作為透鏡，可以有效地消除球面像差。同時，采用非球面透鏡能在增大透鏡半徑同時獲得相對較小的放大倍數(shù)，且鏡面相對較平，抗撞擊能力高。

3.1.2 目鏡

在目視光學儀器中用于觀察物體被物鏡所成像的透鏡組稱為目鏡。目鏡所能接受的光束已被物鏡的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也隨之限定，一定要置于儀器出射光瞳處，才能看到全部視場。儀器的出射光瞳一般位于目鏡像方焦點以外與之很靠近的地方，目鏡最后一面至出射光瞳的距離稱為出瞳距離，或稱鏡目距，即在參數(shù)測量中測得的頂點距離，是選用目鏡時的一個重要參量。由于本研究的放大模塊鑲嵌于眼鏡鏡片上，故頂點距離大于常規(guī)望遠鏡，這里取10 mm。設目鏡的焦距為fe'，則放大率為Me= 10 ÷ fe'，放大率為1倍，屬于中短焦距一類透鏡組。目鏡的相對孔徑較小而視場較大，所以球面像差和軸向色差一般不是關鍵問題，而應著重于校正軸外球面像差，主要是邊緣畸變和像散（包括像散和像面彎曲）。由于眼睛有調(diào)節(jié)功能，對像面彎曲可以放寬要求。

為獲得4～6倍的系統(tǒng)放大倍數(shù)，目鏡的設計要求放大倍數(shù)小，但對邊緣畸變的消除效果要求較高。本研究中目鏡同樣采用非球面透鏡，對邊緣畸變有很好的消除效果。

3.2 非球面透鏡的設計

光學透鏡的鏡面通常是制成球面狀的，從透鏡中心到周邊有一定的曲面，這種透鏡稱為球面透鏡。非球面透鏡的鏡面則是從透鏡中心到周邊曲率作連續(xù)變化的，非球面透鏡又有單面非球面和雙面非球面兩種?？v向球面相差示意圖，見圖5。

圖5 縱向球面像差示意圖

球面鏡片，其鏡片呈球面的弧度，其橫切面也呈弧狀。當不同波長的光線，以平行光軸入射在鏡片上的不同位置時，在菲林平面上不能聚焦成一點，而形成球面像差的問題。由球面透鏡組成的透鏡組是采用多片透鏡的組合來克服球面像差和邊緣畸變的。這種透鏡組會不同程度地存在一定的球面像差。采用非球面透鏡組成的透鏡組則能有效地克服球面像差和邊緣畸變，減少透鏡片數(shù)與鏡頭長度，有利于鏡頭小型化[5]。

本研究通過軟件仿真，將鏡片邊緣部分“削去少許”，使其橫切面呈平面狀。當光線入射到非球面鏡面時，光線能夠聚焦于一點，且在菲林平面上。

本研究采用頂周非球面鏡片[6]，見圖6。該鏡片從鏡片中心到周邊，曲率半徑逐漸增加（鏡片表面逐漸平坦）。鏡片折射面，根據(jù)所選基弧，計算完善的接近理想的非球面曲線。其非球面曲線接近橢圓面或拋物線。平行光線入射鏡片，不論近軸光線還是遠軸光線都可以會聚為一點。

非球面透鏡應用于眼鏡式放大鏡中，具有以下明顯優(yōu)點：

圖6 非球面透鏡示意圖

（1）球面像差校準。用非球面透鏡替換球面透鏡，最顯著的優(yōu)點在于可以修正球面透鏡在準直和聚焦系統(tǒng)中所帶來的球面像差。通過調(diào)整曲面常數(shù)和非球面系數(shù)，非球面透鏡可以最大限度的消除球面像差。傳統(tǒng)鏡頭通常采用三片球面透鏡，增大有效焦距，用于消除球面像差。但一片非球面透鏡就可以有效消除球面像差，并且簡化系統(tǒng)設計和提供光的透過率。

（2）系統(tǒng)優(yōu)點。非球面透鏡簡化了光學工程師為提高光學品質(zhì)所涉及的元素，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)尺寸，提高成本率，降低系統(tǒng)的綜合成本。

4 鏡架部分設計

本研究以普通眼鏡的鏡框為基礎，根據(jù)前期測得的使用者的各項生理數(shù)據(jù)，采用人體工學設計，設計出佩戴舒適的眼鏡鏡架。

鏡架部分設計的難點在于眼球到鏡片的距離需要滿足頂點距離。若鏡片到眼球的距離不合適，則會造成圖像模糊，直接導致設計失敗。因此需要建立頭部模型[7]和眼鏡模型兩個三維模型，并將頂點距離作為參數(shù)將兩個模型有機結合，最終設計出完美的眼鏡式放大鏡。

4.1 數(shù)字頭模型

數(shù)字頭模型是佩戴頭部生物信息在計算機中數(shù)據(jù)結構的存儲，即頭部的三維信息和用戶屬性信息的集合。根據(jù)從輸入到輸出的操作流程，將該系統(tǒng)分為信息獲取、基于數(shù)字頭模型的推薦和定制，基于用戶體驗的數(shù)字化仿真和眼鏡輸出4個部分。通過測量頭部尺寸及各項比例獲取頭部信息，輸入計算機，并構建數(shù)字頭模型。在定制化過程中提供給用戶以參數(shù)化的形式對眼鏡進行修改，并實時與頭部模型進行仿真模擬。最后通過工廠制造完成眼鏡的輸出過程。

4.2 頭部參數(shù)測量

眼鏡鏡框的設計采用人體測量方法，對與眼鏡架有關的頭眼部參數(shù)進行測量，并根據(jù)與人體頭部尺寸有關的眼鏡結構模型，進行鏡架及鏡框的設計[8]。需要測量的參數(shù)包括：佩戴者頭部尺寸、頭部尺寸近似比例關系、頭面眼部二維相對比例關系等。

4.3 軟件平臺

前期的三維建模采用VC98作為軟件平臺，C++為編程語言，基于OpenGL進行[9]。基于VC和OpenGL建立STL模型，該模型能夠STL快速拾取表面點參數(shù)的特點。但由于采用OpenGL平臺編程工作量太大，實際建模時則采用的是可參數(shù)化建模的Pro/E進行三維建模。本研究中使用了Pro/E作為三維建模的軟件平臺[10]。

4.4 建立頭部模型

將已經(jīng)測得的佩戴者頭部尺寸、頭部尺寸近似比例關系、頭面眼部二維相對比例關系等數(shù)據(jù)輸入計算機，建立頭部三維模型的特征值數(shù)據(jù)庫。同時將瞳距、眼球可視部分大小等參數(shù)輸入計算機，建立眼球的特征值數(shù)據(jù)庫，并確定眼球具體位置。最后通過Pro/E進行參數(shù)可視化建模，最終得到完整、精確的三維頭部模型。

本研究主要對眼鏡架進行設計，因此對眼部的數(shù)據(jù)、位置及比例進行了較為精確的測量，面部其余器官如鼻子、嘴等只進行了基本的粗略測量，目的是為了在建模時能夠建立完整的面部輪廓和頭部模型。

4.5 建立眼鏡模型

根據(jù)前期已經(jīng)測得的瞳距和瞳孔高度，將這兩項數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，建立眼鏡的特征值數(shù)據(jù)庫，并利用Pro/E進行參數(shù)可視化建模。分別建立鏡框、鏡架、鏡腿和連接件等部件的三維模型，見圖7。

圖7 眼鏡各部件的三維模型

將各部位零件組裝起來，得到完整的眼鏡模型[11]。完整的眼鏡模型以及眼鏡式放大實物圖，見圖8。

圖8 完整的眼鏡模型以及眼鏡式放大實物圖

在定制鏡片時將預先測得的眼科鏡頭處方考慮在內(nèi)，根據(jù)不同使用者的眼部特征量身定制外圍鏡片，滿足近視、散光或老花眼等不同人群的需求。制作鏡架時采用TR-90高分子材料，韌性高，耐撞耐磨，耐化學腐蝕，能防止鏡架斷裂，且重量輕，整個眼鏡式放大鏡重量僅為30 g。

5 臨床應用

本眼鏡式放大鏡重量輕，放大效果好，圖像無球差，邊緣無畸變，聚焦準確，佩戴舒適，能滿足各種人群的需求，醫(yī)療效率高，應用推廣前景好。臨床應用實例，見圖9。

圖9 臨床應用實例

6 小結

本研究測量使用者的瞳距等生理參數(shù)，量身定制眼鏡式放大鏡。其中關鍵部分為透鏡組的設計，不僅需要獲得準確的放大倍數(shù)，還需消除圖像的球差和邊緣畸變。因此采用非球面透鏡設計物鏡和目鏡，組成透鏡組，根據(jù)參數(shù)設計光路，準確設計出所需的放大倍數(shù)，同時消除邊緣畸變及球面像差。通過獲取的頭部及眼部尺寸及位置數(shù)據(jù)，建立特征值數(shù)據(jù)庫，三維建模量身定制眼鏡鏡架、準確鑲嵌放大模塊，使術者長時間佩戴舒適，有效提高手術效率。

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Design of a Kind of Binocular Medical Magnifying Glasses

CHEN Qing, YOU Ruo-ning, MAO Kun-jian, ZHOU Wen-guang
Department of Equipment, the 174 Hospital of PLA, Chenggong Hospital Aff liated to Xiamen University, Xiamen Fujian 361003, China

Objective To develop a kind of binocular magnifying glasses as to provide the individual customization and meet the operation and use needs for clinical doctors. Methods The physiological data of the user's eye was measured to customize the aspheric lens as the objective and the eyepiece. Then, the optical path was designed for composition of a magnifying lens group. According to operator's ophthalmic prescription obtained after measurement, the peripheral glasses were customized. The user's data of head was measured to make 3D modeling, introduce ergonomic design and then establish the 3D model of glasses frames as a scaffold. Then, the magnifying part was embedded into scaffold to make magnifying glasses. Results After the testing, the magnifying glasses were featured with light weight, good effect, aberration-free images, no distortion, accurate focusing and comfortability to wear. Conclusion Based on the physiological parameters of the users, this research met the individual needs, and was very suitable for the application of surgical procedures.

medical magnifying glasses; aspheric lens; ergonomic design; optical path; three dimensional model

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.008

1674-1633(2016)11-0038-04

2016-06-24

2016-07-05

周文光，高級工程師，主要研究方向為醫(yī)療設備維修、質(zhì)量控制、使用管理等。

通訊作者郵箱：cedychenjl@163.com