Zdawano sobie sprawę, że kształt gałki ocznej u różnych osób może być inny (także w przypadku wad wzroku), ale brakowało techniki, która umożliwiłaby zmierzenie geometrii rogówki bądź soczewki wewnątrzgałkowej i wyciągnięcie z tego wniosków.
W miarę rozwoju narzędzi pomiarowych oraz rozkwitu medycyny, a także coraz lepszego zrozumienia zasad optyki wielu uczonych rozpoczęło pomiary krzywizny rogówki, a powstałe wtedy pierwsze przyrządy optometryczne można często odnaleźć we współczesnych konstrukcjach jako ich komponenty.
Ze znaczenia kształtu rogówki dla jakości obrazowania zdawano sobie sprawę już dość dawno temu, czego dowodem jest m.in. fakt, iż zjawisko astygmatyzmu zaobserwowali około 1670 roku Isaac Barrow i Isaac Newton, pracujący w University of Cambridge. Jednak pierwszy pomysł na pomiar krzywizny rogówki wiąże się zwykle z nazwiskiem Christopha Scheinera (1573–1575), niemieckiego jezuity i astronoma, który zajmował się także nauką o wzroku. Uczony ten – jako jeden z pierwszych – opisał akomodację i reakcję źrenicy oka na światło; wydał też podręcznik: Oculus, hoc est: Fundamentum opticum (Innsbruck, 1620). Scheiner wpadł na pomysł, by porównywać wielkość refleksu (odbicia, obrazu pozornego) świecącego przedmiotu, powstającego na wypolerowanych, zwierciadlanych, szklanych kulkach, z wielkością refleksu widocznego jako odbicie na rogówce. Eksperymenty prowadził prawdopodobnie do 1619 r. Do praktyki klinicznej, wg różnych źródeł, ten typ pomiaru wprowadził słynny fizyk David Brewster dopiero w 1808 r. (DOI: 10.1017/S000708740000248X), a w kolejnych dekadach pojawiły się pierwsze konstrukcje urządzeń – keratoskopów (używa się także nazwy oftalmometr): Ferdinanda Cuigneta (ok. 1820 r.) oraz Henry’ego Goode – ok. 1847 r. (DOI: 10.1097/00004397-199403430-00018).
Jako regułę, zapoczątkowaną jeszcze przez Scheinera, stosowano ówcześnie prostokątne przedmioty czy też pomiar w jednym kierunku, co nie było prawdopodobnie najszczęśliwszym wyborem ze względu na obrotową symetrię rogówki. Stan ten zmienił się dopiero w 1880 r., kiedy Portugalczyk António Plácido da Costa zaproponował użycie koncentrycznych okręgów, których odbicie w rogówce było obserwowane przez otwór znajdujący się w środku (Placido, A., Novo Instrumento de Exploração da Cornea, „Periodico d’Oftalmológica Practica” 5, 27–30, 1880).
Niezależnie od Placido (i w podobnym czasie) zbliżone urządzenie, choć nie na bazie okręgów, opracował także francuski okulista Louis Émile Javal, który razem ze swoim studentem Hjalmarem Augustem Schiøtzem skonstruował znany wszystkim nieco starszym optometrystom i okulistom keratometr Javala-Schiøtza. W tym keratometrze wykorzystywane są dwa świecące przedmioty (miry), których obraz jest zdwojony przez układ pryzmatyczny, dzięki czemu można uniknąć błędów związanych z ruchem oka. Dwojenie lub położenie mirów dobiera się tak, by było ono – mówiąc w pewnym uproszczeniu – równe wielkości odległości pomiędzy obrazami przedmiotów. Wielkość koniecznego dwojenia lub położenie mirów dają informację o krzywiźnie przekroju rogówki w danym kierunku, który można zmieniać, obracając przyrząd wokół osi. W keratometrze Javala-
-Schiøtza dwojenie jest stałe, a miry są ruchome, zaś w nieco popularniejszej wersji firmy Bausch & Lomb (na bazie konstrukcji zaproponowanej przez Hermanna von Helmholtza) położenie mirów jest stałe, a zmienia się dwojenie.
Opracowane w XIX w. koncepcje pomiaru krzywizny rogówki są stosowane do dziś, oczywiście w postaci znacznie rozwiniętej pod względem technicznym. Dołączyły do nich techniki stworzone całkiem współcześnie. Są to łącznie, choć dość zgrubnie:
- keratometr-oftalmometr,
- keratoskop Placido,
- urządzenia wykorzystujące skanującą szczelinę i/lub kamerę Scheimpfluga,
- optyczna tomografia koherencyjna (OCT).
Istnieją też inne techniki, jak np. profilometry interferencyjne, ale są to rozwiązania nieco mniej popularne.
Keratometria (oftalmometria)
Keratometry z mirami i dwojeniem, w postaci niewiele zmienionej od chwili ich powstania, są używane po dziś dzień, aczkolwiek większość producentów zrezygnowała z ich produkcji na rzecz urządzeń bardziej nowoczesnych, wykorzystujących rozwiązania cyfrowe. Duża ich liczba jest dostępna na portalach aukcyjnych na całym świecie, a prosta i zwykle solidna konstrukcja zapewni im jeszcze długie życie, szczególnie w krajach mniej rozwiniętych technologicznie. Niestety sporą wadą tych keratometrów jest pomiar krzywizny tylko dla pojedynczego kierunku, a do tego w centrum rogówki, co w praktyce pozwala na wyznaczenie jedynie maksymalnej i minimalnej wartości mocy astygmatyzmu. Wszelkie patologie rogówki, zmieniające jej regularność, obniżają jakość pomiaru.
Keratoskopia Placido
Początkowo tzw. dysk Placido umożliwiał jedynie zgrubną ocenę regularności kształtu rogówki, zależną od wprawy operatora i jego ostrości wzroku, jednak już w XIX w. zaczęto wykorzystywać zdobycze szybko rozwijającej się optyki. W szczególności możliwe stało się duże powiększenie obserwowanego obrazu, co pozwoliło na zaobserwowanie nieprawidłowości, manifestowane przez nierówne odstępy między okręgami bądź inne nieregularności obserwowanego obrazu. Ogromną zaletą tej techniki jest obrazowanie dużego obszaru rogówki, co pozwala de facto na uzyskanie rozkładu mocy.
Dłuższa, kilku- czy kilkunastosekundowa obserwacja pierścieni pozwala także na ocenę stabilności filmu łzowego. Przerwanie go objawia się nagłą utratą ostrości w określonych obszarach rogówki. Eksperymentowano z ułożeniem okręgów oraz kształtem samej tarczy, aby lepiej odwzorować krzywiznę rogówki, a nawet z rodzajem źródła światła podświetlającego okręgi.
Kolejna generacja keratoskopów (fotokeratoskopy) wykorzystywała wynalazki techniki fotograficznej. Uważa się, że ilościowej analizy fotokeratoskopowych obrazów rogówki jako pierwszy dokonał słynny Allvar Gullstrand w 1896 r. Technika ta była w stanie dostarczyć jakościowych informacji o przedniej powierzchni rogówki (duży astygmatyzm, stożek rogówki, blizny itp). Ze względu na to, że w tej technice analizowana jest tylko przednia powierzchnia rogówki, środek obrazu pierścieni jest centrowany na wierzchołku rogówki, a nie na środku źrenicy, jak w niektórych innych urządzeniach.
Rozwinięciem fotokeratoskopii była wideokeratoskopia, pozwalająca na rejestrację sekwencji wideo, choć zyskała ona na znaczeniu dopiero na przełomie lat 80. i 90. XX wieku, gdy pojawiła się na szeroką skalę technika komputerowa i zaczęto rejestrować cyfrowo zapis obrazów dysku Placido [S.D. Klyce, Computer-assisted corneal topography. High-resolution graphic presentation and analysis of keratoscopy, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 25(12),1426–1435 (1984), DOI: 10.1111/j.1444-0938.1997.tb04843.x].
Obrazy pierścieni Placido, analizowane przez komputer, przypominają warstwice na mapie fizycznej (wysokościowej) czy też dowolne izolinie, łączące punkty o tej samej wartości danego parametru. Dzięki temu do analizy obrazów można było wykorzystać wiele technik matematycznych, rozwiniętych w innych dziedzinach nauki. W rezultacie, przez odpowiednią interpolację, z pojedynczego obrazu fotokeratoskopowego uzyskuje się kształt przedniej powierzchni rogówki. Dalsze postępowanie zależy od celu analizy. Najczęściej wyznacza się rozkład krzywizny, a następnie wylicza rozkład mocy, zakładając określony współczynnik załamania światła w rogówce. To ostatnie założenie nie zawsze jest wiarygodne, szczególnie w przypadku patologii rogówki (DOI: 10.1016/j.clae.2019.04.018).
Jeśli analiza kształtu rogówki prowadzona jest pod kątem dopasowania soczewek kontaktowych, to zwykle konieczna jest tzw. topografia rogówki, czyli ustalenie profilu wysokości lub np. odchyleń od uśrednionego profilu. Jeśli ważniejsza jest funkcja optyczna, to moc wylicza się w oparciu o krzywiznę (czyli odwrotność promienia krzywizny) powierzchni w danym punkcie, co polega na dopasowaniu sfery, która najlepiej „przylega” do powierzchni w danym miejscu. Istnieją dwa główne rodzaje tzw. map rogówkowych obrazujących moc optyczną: osiowa (ang. axial), zwana też sagitalną (ang. saggital), w której dopasowuje się sfery o środkach na osi optycznej oka, oraz styczna/tangencjalna (ang. tangential), w której sfery mogą mieć środki poza osią optyczną oka. Mapa osiowa jest bardziej uśredniona i pomija drobne nierówności rogówki, podczas gdy mapa styczna je wzmacnia. Przypomina to działanie filtrów lokalnych w obrazie, które mogą uśrednić lub wzmocnić szczegóły. Mapa osiowa lepiej oddaje ogólną funkcję optyczną układu oka, zaś styczna ułatwia wychwycenie stanów chorobowych.
Jeśli mamy już wyliczony kształt przedniej powierzchni oka, to można także wyznaczyć aberracje w oparciu o dość standardową procedurę matematyczną. Aberracje są wtedy podawane jako współczynniki wielomianów Zernikego, dzięki czemu możliwa jest dokładna numeryczna ilościowa analiza rogówki (DOI: 10.1002/9783527648962.ch6).
Obecnie na rynku istnieje wiele urządzeń opartych o technikę Placido. Występują one pod różnymi nazwami rodzajowymi: topografy rogówki, aberrometry, keratoskopy itp. Często też łączy się ją z innymi technikami (zwanymi modalnościami), np. autorefraktometrią, uzyskując autokeratorefraktometr.
dr hab. Jacek Pniewski, prof. UW
Akademickie Centrum Kształcenia Optometrystów Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
Cały artykuł dostępny w e-wydaniu na https://feniksmedia.pl/publikacje/Optyk_Polski/83/80/
