陳慶，尤若寧，毛坤劍，周文光

解放軍第174醫(yī)院廈門大學(xué)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(shè)計(jì)

陳慶，尤若寧，毛坤劍，周文光

解放軍第174醫(yī)院廈門大學(xué)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(gè)性化定制，滿足臨床上醫(yī)生的操作使用。方法 測(cè)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(shè)計(jì)光路，組成放大透鏡組。根據(jù)測(cè)量得到的操作者眼科處方，定制外圍眼鏡片。測(cè)量使用者頭部數(shù)據(jù)，三維建模，引進(jìn)人體工學(xué)設(shè)計(jì)，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(jié)果 經(jīng)測(cè)試，本眼鏡式放大鏡重量輕，放大效果好，圖像無(wú)球差，邊緣無(wú)畸變，聚焦準(zhǔn)確，佩戴舒適。結(jié)論 本研究根據(jù)使用者生理參數(shù)量身定制，滿足個(gè)性化需要，非常適用于外科手術(shù)的放大應(yīng)用。

醫(yī)用眼鏡式放大鏡；非球面透鏡組；人體工學(xué)設(shè)計(jì)；光路；三維模型

引言

現(xiàn)有的大部分手術(shù)顯微鏡和手術(shù)放大鏡只是簡(jiǎn)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(shù)中，常出現(xiàn)因瞳距不合適、工作距離不準(zhǔn)確、頂點(diǎn)距離過(guò)近等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)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(shù)放大鏡或放大眼鏡無(wú)法在外科手術(shù)中發(fā)揮作用，嚴(yán)重影響手術(shù)的進(jìn)行。

本研究測(cè)量使用者的瞳距等生理參數(shù)，采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)參數(shù)精心設(shè)計(jì)非球面透鏡組，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出所需的放大倍數(shù)，同時(shí)消除邊緣畸變及球面像差。通過(guò)三維建模量身定制眼鏡鏡架，準(zhǔn)確鑲嵌放大模塊，使術(shù)者長(zhǎng)時(shí)間佩戴不產(chǎn)生不適，提高手術(shù)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

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

圖1 技術(shù)路線框圖

2 眼部生理參數(shù)的測(cè)量

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

2.1 工作距離

工作距離指手術(shù)中眼球到手術(shù)時(shí)操作面的距離。佩戴放大鏡手術(shù)時(shí)，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(guò)大或過(guò)小都需要佩戴者變換體位，影響手術(shù)進(jìn)行。

測(cè)量方法：佩戴者站立，雙手放置于平時(shí)習(xí)慣的操作面，頭部保持平時(shí)手術(shù)時(shí)常規(guī)的俯視姿態(tài)，閉上雙眼，保持靜止，避免測(cè)量時(shí)對(duì)眼睛造成不必要的傷害，使用皮尺測(cè)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(cè)瞳儀測(cè)量。放大鏡的兩個(gè)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(huì)造成眼鏡平視時(shí)看到鏡筒的邊框，使佩戴者無(wú)法準(zhǔn)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(diǎn)至瞳孔所在直線的垂線距離。瞳孔高度對(duì)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(zhǎng)時(shí)間保持這個(gè)視角會(huì)造成佩戴者眼部不適，影響手術(shù)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(diǎn)距離

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

圖3 頂點(diǎn)距離示意圖

2.5 醫(yī)學(xué)鏡頭處方

醫(yī)學(xué)鏡頭處方包括：SPH，即近視、遠(yuǎn)視的屈光度；CYL，即散光的測(cè)定；AXIS，即散光的軸向；ADD-N與ADD-M，即老花的測(cè)定。由于每個(gè)佩戴者的眼鏡情況各不相同，放大部分透鏡組的設(shè)計(jì)需要根據(jù)佩戴者的近視度數(shù)或是老花眼程度等進(jìn)行具體定制，如果不存在老花等眼部變形，則以平光鏡的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行透鏡組設(shè)計(jì)即可。這5個(gè)參數(shù)需要到眼科用專用設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

3 放大部分設(shè)計(jì)

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(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)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(shí)達(dá)到需求的放大倍數(shù)。

3.1 透鏡組的光路設(shè)計(jì)

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(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是鏡筒短而能成正像。光路設(shè)計(jì)示意圖，見圖4。光線經(jīng)過(guò)物鏡折射所成的實(shí)像在目鏡的后方焦點(diǎn)上，這像對(duì)目鏡是一個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)透鏡組。在無(wú)透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡中，物鏡的這一像面與目鏡的物方焦平面重合，眼睛通過(guò)目鏡觀察這一物體的中間像。

透鏡組的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于需要獲得較小的放大倍數(shù)（4～6倍），但用于外科手術(shù)則需要圖像精確，無(wú)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(duì)孔徑和視場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的一個(gè)重要參量。物鏡相對(duì)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(chǎng)角W與目鏡半視場(chǎng)角We之間的關(guān)系為tanW=tanWe/M，目鏡視場(chǎng)角We一般為40°～50°，設(shè)放大率M為4倍，則物鏡視場(chǎng)角2W不大于10°。所以物鏡是屬于中等孔徑和小視場(chǎng)一類的透鏡組，只要對(duì)其校正軸向球面像差和滿足正弦條件即可。

物鏡的設(shè)計(jì)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(shí)，采用非球面透鏡能在增大透鏡半徑同時(shí)獲得相對(duì)較小的放大倍數(shù)，且鏡面相對(duì)較平，抗撞擊能力高。

3.1.2 目鏡

在目視光學(xué)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(chǎng)。儀器的出射光瞳一般位于目鏡像方焦點(diǎn)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(cè)量中測(cè)得的頂點(diǎn)距離，是選用目鏡時(shí)的一個(gè)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(diǎn)距離大于常規(guī)望遠(yuǎn)鏡，這里取10 mm。設(shè)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(duì)孔徑較小而視場(chǎng)較大，所以球面像差和軸向色差一般不是關(guān)鍵問(wèn)題，而應(yīng)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(duì)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(shè)計(jì)要求放大倍數(shù)小，但對(duì)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(duì)邊緣畸變有很好的消除效果。

3.2 非球面透鏡的設(shè)計(jì)

光學(xué)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。縱向球面相差示意圖，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(dāng)不同波長(zhǎng)的光線，以平行光軸入射在鏡片上的不同位置時(shí)，在菲林平面上不能聚焦成一點(diǎn)，而形成球面像差的問(wèn)題。由球面透鏡組成的透鏡組是采用多片透鏡的組合來(lái)克服球面像差和邊緣畸變的。這種透鏡組會(huì)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(zhǎng)度，有利于鏡頭小型化[5]。

本研究通過(guò)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(dāng)光線入射到非球面鏡面時(shí)，光線能夠聚焦于一點(diǎn)，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(jì)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(yuǎn)軸光線都可以會(huì)聚為一點(diǎn)。

非球面透鏡應(yīng)用于眼鏡式放大鏡中，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

圖6 非球面透鏡示意圖

（1）球面像差校準(zhǔn)。用非球面透鏡替換球面透鏡，最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于可以修正球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來(lái)的球面像差。通過(guò)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提供光的透過(guò)率。

（2）系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。非球面透鏡簡(jiǎn)化了光學(xué)工程師為提高光學(xué)品質(zhì)所涉及的元素，同時(shí)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(shè)計(jì)

本研究以普通眼鏡的鏡框?yàn)榛A(chǔ)，根據(jù)前期測(cè)得的使用者的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出佩戴舒適的眼鏡鏡架。

鏡架部分設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于眼球到鏡片的距離需要滿足頂點(diǎn)距離。若鏡片到眼球的距離不合適，則會(huì)造成圖像模糊，直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。因此需要建立頭部模型[7]和眼鏡模型兩個(gè)三維模型，并將頂點(diǎn)距離作為參數(shù)將兩個(gè)模型有機(jī)結(jié)合，最終設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)，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(yàn)的數(shù)字化仿真和眼鏡輸出4個(gè)部分。通過(guò)測(cè)量頭部尺寸及各項(xiàng)比例獲取頭部信息，輸入計(jì)算機(jī)，并構(gòu)建數(shù)字頭模型。在定制化過(guò)程中提供給用戶以參數(shù)化的形式對(duì)眼鏡進(jìn)行修改，并實(shí)時(shí)與頭部模型進(jìn)行仿真模擬。最后通過(guò)工廠制造完成眼鏡的輸出過(guò)程。

4.2 頭部參數(shù)測(cè)量

眼鏡鏡框的設(shè)計(jì)采用人體測(cè)量方法，對(duì)與眼鏡架有關(guān)的頭眼部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)與人體頭部尺寸有關(guān)的眼鏡結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行鏡架及鏡框的設(shè)計(jì)[8]。需要測(cè)量的參數(shù)包括：佩戴者頭部尺寸、頭部尺寸近似比例關(guān)系、頭面眼部二維相對(duì)比例關(guān)系等。

4.3 軟件平臺(tái)

前期的三維建模采用VC98作為軟件平臺(tái)，C++為編程語(yǔ)言，基于OpenGL進(jìn)行[9]?；赩C和OpenGL建立STL模型，該模型能夠STL快速拾取表面點(diǎn)參數(shù)的特點(diǎn)。但由于采用OpenGL平臺(tái)編程工作量太大，實(shí)際建模時(shí)則采用的是可參數(shù)化建模的Pro/E進(jìn)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(tái)[10]。

4.4 建立頭部模型

將已經(jīng)測(cè)得的佩戴者頭部尺寸、頭部尺寸近似比例關(guān)系、頭面眼部二維相對(duì)比例關(guān)系等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，建立頭部三維模型的特征值數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)將瞳距、眼球可視部分大小等參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，建立眼球的特征值數(shù)據(jù)庫(kù)，并確定眼球具體位置。最后通過(guò)Pro/E進(jìn)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(duì)眼鏡架進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此對(duì)眼部的數(shù)據(jù)、位置及比例進(jìn)行了較為精確的測(cè)量，面部其余器官如鼻子、嘴等只進(jìn)行了基本的粗略測(cè)量，目的是為了在建模時(shí)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(cè)得的瞳距和瞳孔高度，將這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，建立眼鏡的特征值數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用Pro/E進(jìn)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(lái)，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(shí)物圖，見圖8。

圖8 完整的眼鏡模型以及眼鏡式放大實(shí)物圖

在定制鏡片時(shí)將預(yù)先測(cè)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(shí)采用TR-90高分子材料，韌性高，耐撞耐磨，耐化學(xué)腐蝕，能防止鏡架斷裂，且重量輕，整個(gè)眼鏡式放大鏡重量?jī)H為30 g。

5 臨床應(yīng)用

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

圖9 臨床應(yīng)用實(shí)例

6 小結(jié)

本研究測(cè)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(guān)鍵部分為透鏡組的設(shè)計(jì)，不僅需要獲得準(zhǔn)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(shè)計(jì)物鏡和目鏡，組成透鏡組，根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)光路，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出所需的放大倍數(shù)，同時(shí)消除邊緣畸變及球面像差。通過(guò)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(kù)，三維建模量身定制眼鏡鏡架、準(zhǔn)確鑲嵌放大模塊，使術(shù)者長(zhǎng)時(shí)間佩戴舒適，有效提高手術(shù)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療設(shè)備維修、質(zhì)量控制、使用管理等。

通訊作者郵箱：cedychenjl@163.com