檢影鏡教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳佳男，肖豪迪，楊軼婷，沈葉露，徐 瑤，曹自立，林維豪

(溫州醫(yī)科大學(xué) 眼視光學(xué)院(生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院)，浙江 溫州 325035)

視力檢查是眼科臨床中的基礎(chǔ)檢查項(xiàng)目之一，視力的好壞間接反映了視網(wǎng)膜、視神經(jīng)和黃斑的功能. 可靠的視力檢查對(duì)各種眼科疾病的正確診斷及預(yù)后評(píng)估有重要意義，尤其在兒童弱視篩選及青少年近視防治方面更有顯著應(yīng)用價(jià)值[1].

《中國近視防治藍(lán)皮書》指出，目前中國的整體近視率已超過 50%，而在大中型城市，初中以上青少年近視比例已超過80%，6～15歲的平均近視率更是達(dá)到了46%，近視的低齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重[2-3]. 基于以上數(shù)據(jù)以及視力檢查的臨床價(jià)值，需加強(qiáng)我國的視力檢查力度及視力檢查儀器的研制. 目前，國內(nèi)外檢測(cè)視力的儀器主要包括驗(yàn)光儀、檢影鏡、眼屈光計(jì)、對(duì)數(shù)視力表箱等設(shè)備[4-7]. 然而，市面上尚未出現(xiàn)比較統(tǒng)一的、有助于學(xué)生們深刻地理解眼屈光不正成像原理及驗(yàn)光方法的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器. 部分院校直接采用醫(yī)院的驗(yàn)光儀設(shè)備進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，該方式存在教學(xué)資源少、教學(xué)地點(diǎn)不在學(xué)校、設(shè)備操作復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備繁瑣等諸多問題，影響教學(xué)的效果與效率.

因此，設(shè)計(jì)可供學(xué)生開展該類實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單、易操作的檢影鏡教學(xué)裝置是十分必要. 尤其是對(duì)眼科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在今后的工作有重要作用[8-10].

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1為檢影鏡教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖. 光源發(fā)出的平行光經(jīng)中空反射鏡M反射后，經(jīng)透鏡L0(L0模擬人眼晶狀體)會(huì)聚后，照亮眼底視網(wǎng)膜中央?yún)^(qū)域. (注意，透鏡L1為矯正眼睛屈光不正的鏡片，實(shí)驗(yàn)初期先不放入光路中.) 檢查人員通過中空反射鏡M的中央小孔，可以清晰觀察到眼底視網(wǎng)膜上中心亮斑A經(jīng)過透鏡L0成像后的光斑A′. 上、下旋轉(zhuǎn)中空反射鏡M′，可移動(dòng)視網(wǎng)膜上中心亮斑A的位置，并同步觀察經(jīng)眼屈光系統(tǒng)后共軛像斑A′的移動(dòng)方向.

人眼的屈光系統(tǒng)能將外界物體成像于視網(wǎng)膜上，其原理與凸透鏡成像相似. 通過改變晶狀體的形狀來改變眼的光焦度，從而使不同距離的物體成像于視網(wǎng)膜上，眼的這種功能稱為眼的調(diào)節(jié). 當(dāng)睫狀肌處于松弛、無張力狀態(tài)時(shí)，晶狀體表面的曲率最小，此時(shí)屈光狀態(tài)為無調(diào)節(jié)狀態(tài). 眼在無調(diào)節(jié)狀態(tài)下，平行光經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)所會(huì)聚成的焦點(diǎn)與視網(wǎng)膜之間的距離定義了眼的基本屈光類型(正視眼、近視眼與遠(yuǎn)視眼)[11-13].

正視眼指來自無窮遠(yuǎn)(通常大于5 m)的平行光經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)后，焦點(diǎn)恰好落在視網(wǎng)膜上. 如圖2所示，由于光路可逆，處于視網(wǎng)膜處的物點(diǎn)此時(shí)將成像于無窮遠(yuǎn)處，此時(shí)觀察者看到的是平行光束，即一片均勻亮視場(chǎng)，且隨著反射鏡M的上下移動(dòng)，亮視場(chǎng)無明顯變化，這種現(xiàn)象稱為影不動(dòng).

圖2 正視眼檢查原理圖

近視眼指眼在無調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)平行光經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)后，焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜前. 如圖3所示，根據(jù)幾何光學(xué)的凸透鏡成像原理，任意取視網(wǎng)膜上點(diǎn)A作為物點(diǎn)，因此時(shí)物距u大于焦距f，那么通過晶狀體的屈光系統(tǒng)則成倒立的實(shí)像A′，而且上下移動(dòng)A點(diǎn)，檢查者將觀察到像點(diǎn)A′的移動(dòng)方向正好與物點(diǎn)A的移動(dòng)方向相反，即影逆動(dòng).

圖3 近視眼檢查原理圖

相反地，遠(yuǎn)視眼指眼屈光系統(tǒng)的焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜后. 同理，如圖4所示，任取視網(wǎng)膜上的物點(diǎn)A，因此時(shí)物距u小于焦距f，通過晶狀體屈光系統(tǒng)后將成正向放大的虛像A′，且上下移動(dòng)A點(diǎn)，觀察到A′點(diǎn)的移動(dòng)方向與A點(diǎn)的移動(dòng)方向相同，即影順動(dòng).

圖4 遠(yuǎn)視眼檢查原理圖

通過旋轉(zhuǎn)反射鏡M觀察視網(wǎng)膜上亮斑所成像的移動(dòng)方向(逆動(dòng)、順動(dòng)、不動(dòng))，可定性判斷出人眼屈光類型(近視眼、遠(yuǎn)視眼、正視眼)，然后根據(jù)上述結(jié)果開展驗(yàn)光實(shí)驗(yàn)，即定量測(cè)出待測(cè)晶狀體L0屈光不正的度數(shù)，該過程需要選擇合適的透鏡來匹配矯正. 當(dāng)判斷出是遠(yuǎn)視眼，需要選擇不同焦距的凸透鏡放在L1位置(緊靠晶狀體透鏡L0)，調(diào)至與正視眼相同的效果(基本觀察不到像斑移動(dòng)). 類似地，對(duì)于近視眼，則需要選擇不同焦距的凹透鏡放置于L1位置，同樣調(diào)至與正視眼相同的效果. 這部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際的臨床驗(yàn)光方法一致.

另外，為了加深學(xué)生對(duì)組合透鏡成像原理的理解，本實(shí)驗(yàn)增加1組測(cè)量?jī)?nèi)容來提高實(shí)驗(yàn)的測(cè)量難度. 即若未能找到完全匹配的矯正透鏡，也可以選擇已知光焦度(標(biāo)記為φ2)的透鏡放在L1位置，固定L0位置，改變L1與L0的間距，直到調(diào)至與正視眼相同的效果. 記錄下間距d，那么利用組合透鏡光焦度公式[14-16]，也可計(jì)算出待測(cè)晶狀體的光焦度：

φ1+φ2-dφ1φ2=φ，

(1)

式中：φ1為待測(cè)晶狀體光焦度，φ2為已知的矯正透鏡光焦度，φ為正視眼光焦度，d為晶狀體與矯正透鏡的間距.

需要特別說明的是，實(shí)際臨床驗(yàn)光中，由于佩戴的矯正透鏡與待測(cè)晶狀體之間的距離d不可改變，且近似為0，則式(1)簡(jiǎn)化為

φ1+φ2=φ.

(2)

因此驗(yàn)光師只需通過不斷更換不同焦距的透鏡，直到患者的眼睛被矯正為正視眼，選擇最終的矯正透鏡光焦度φ2以及正視眼光焦度φ，再通過式(2)直接計(jì)算出待測(cè)晶狀體的焦距φ1.由于2種方法本質(zhì)上都是以組合透鏡焦度公式作為理論依據(jù)，只是實(shí)際驗(yàn)光是通過改變?chǔ)?求解φ1，而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是將d作為改變量求解φ1，在物理上具有等效性.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖5所示，本裝置主要以光學(xué)移動(dòng)平臺(tái)為載體，依次在光路中放置平行光源S、中空反射鏡M、可調(diào)光闌、矯正鏡片L1與模型眼晶狀體L0. 光路中放置2個(gè)能自由移動(dòng)的透鏡支架，方便調(diào)節(jié)透鏡. 實(shí)驗(yàn)儀器包括：光源(白光LED)、光源準(zhǔn)直透鏡(直徑25.4 mm，焦距30 mm)、帶刻度光學(xué)滑軌(長(zhǎng)度100.0 cm)、中空反射鏡(外環(huán)直徑30 mm，內(nèi)環(huán)直徑5 mm)、備用若干透鏡(直徑50.8mm，焦距分別為-150，100，150，300，600 mm)、人眼球模型(直徑150 mm)、旋轉(zhuǎn)鏡架等. 補(bǔ)充說明：按照眼科對(duì)正視眼的定義，正視眼的屈光系統(tǒng)能將平行光恰好聚焦在眼底視網(wǎng)膜處，表明正視眼的屈光系統(tǒng)焦距近似等于眼球直徑，如圖2所示. 由于本實(shí)驗(yàn)選用較易加工的直徑為150 mm的人眼球模型，因此對(duì)應(yīng)的正視眼焦距為已知常量，即150 mm. 另外，本實(shí)驗(yàn)需在較暗環(huán)境下進(jìn)行，有利于觀察到更為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)搭建光路. 調(diào)整中空反射鏡角度，使平行光入射至模型眼的眼底位置.

2)選擇任意編號(hào)的鏡片L1，判斷眼屈光不正類型(近視眼、遠(yuǎn)視眼或正視眼).

學(xué)生隨機(jī)抽取1個(gè)透鏡模擬晶狀體，放置于L0的位置，打開光源，從反射鏡M的中心小孔處觀察. 由反射鏡旋轉(zhuǎn)方向與小孔位置處觀察到的像斑移動(dòng)方向之間的關(guān)系(逆動(dòng)、順動(dòng)、不動(dòng))，判斷出近視眼、遠(yuǎn)視眼、正視眼類型，圖6展示了中空反射鏡向上旋轉(zhuǎn)時(shí)，拍攝到的模擬近視眼、遠(yuǎn)視眼、正視眼的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

(a)近視眼

3)選擇合適透鏡矯正近視或遠(yuǎn)視.

根據(jù)步驟2)，取屈光不正透鏡模擬晶狀體放置于L0位置，從透鏡盒中選取透鏡放置于L1位置，模擬驗(yàn)光視力矯正. 從反射鏡M的小孔中觀察現(xiàn)象，根據(jù)像斑移動(dòng)方向與反射鏡M的旋轉(zhuǎn)方向是否相同，選擇合適透鏡，直到觀察到不隨反射鏡旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)的均勻亮視場(chǎng)，即為合適的矯正透鏡.

4)模擬待測(cè)晶狀體的光焦度測(cè)量.

隨機(jī)選取已知光焦度的矯正透鏡，改變?cè)摮C正透鏡與待測(cè)晶狀體的間距d，直到觀察到的亮斑不再移動(dòng)，記錄下間距d. 重復(fù)實(shí)驗(yàn)，再依據(jù)式(1)計(jì)算出待測(cè)晶狀體的光焦度. 還可選取2個(gè)已知焦距的矯正透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算出待測(cè)晶狀體的焦距.

5)將透鏡放回透鏡盒，歸整好實(shí)驗(yàn)儀器.

2.3 誤差分析

根據(jù)上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 分別選取焦距為100 mm的透鏡為模擬晶狀體，焦距f2為-150 mm的透鏡為矯正透鏡，以及焦距為200 mm的透鏡為模擬晶狀體，焦距為400 mm的透鏡為矯正透鏡進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，每組重復(fù)測(cè)量,如表1所示. 由于模型眼的直徑為150 mm，因此本實(shí)驗(yàn)中正視眼的焦距為150 mm. 那么焦距大于150 mm的模擬晶狀體透鏡等效于遠(yuǎn)視眼，焦距小于150 mm的模擬晶狀體透鏡等效于近視眼. 將測(cè)量計(jì)算得出的模擬晶狀體透鏡的焦距f1與理論值f1′比較，計(jì)算出相對(duì)偏差.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄及分析

考慮到光源入射的光線并非完全平行光，且透鏡非理想薄透鏡導(dǎo)致主面與表面并不重合等因素，實(shí)驗(yàn)中會(huì)存在微小誤差.

3 結(jié)束語

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)的模型原理清晰、裝置簡(jiǎn)易、對(duì)象豐富、操作簡(jiǎn)單，僅需中空反射鏡、透鏡等裝置就可完成，且讓學(xué)生直接觀察到近視眼、遠(yuǎn)視眼、正視眼的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生直觀地感受近視或者遠(yuǎn)視在視網(wǎng)膜成像上的區(qū)別，更加深刻理解眼屈光不正檢查的原理. 通過更換不同焦距的凹、凸透鏡，理解人眼的調(diào)節(jié)，能夠定量描述鏡片的光焦度，并在此基礎(chǔ)上使學(xué)生掌握配鏡技術(shù).