BR102013020626A2 - dispositivo á base de emissores de luz do tipo led, azul, utilizado na oftalmologia - Google Patents

Abstract

dispositivo á base de emissores de luz do tipo led, azul, utilizado na oftalmologia. refere-se a presente patente de invenção a um dispositivo que realiza a análise óptica e fisiolígica completa do segmento anterior do olho, desde características relacionadas à catarata do cristalino, ângulos internos entre íris e córnea posterior, até a topografia do segmento anterior do olho (córnea e cristalino), estando este ciclopegiado ou não, utilizando o princípio de feixe estreito de luz e utilizando emissores de luz, do tipo led, na cor azul, fornecendo ao usuário muito mais informações e com maior precisão.

Description

DISPOSITIVO À BASE DE EMISSORES DE LUZ DO TIPO LED, AZUL, UTILIZADO NA OFTALMOLOGIA.

Refere-se a presente patente de invenção a um dispositivo que realiza a análise óptica e fisiolígica completa do segmento anterior do olho, desde características relacionadas à catarata do cristalino, ângulos internos entre íris e córnea posterior, até a topografia do segmento anterior do olho (córnea e cristalino), estando este ciclopegiado ou não, utilizando o princípio de feixe estreito de luz e utilizando emissores de luz, do tipo LED, na cor azul, fornecendo ao usuário muito mais informações e com maior precisão. A córnea é responsável pela maior parte (cerca de 70%) do poder de reffação total do sistema óptico do olho. Há 150 anos pesquisadores têm elaborado técnicas para mensurar Suas características topográficas [Schanzlin & Robin, 1991]. Em 1880, o português A. Plácido [Plácido, 1880] desenvolveu um dispositivo de mira (ou anteparo), cujo princípio está em uso até os dias de hoje. Este anteparo consiste em um disco com anéis brancos e pretos alternados, com um furo ao centro por onde o observador pode observar a córnea do paciente. O mesmo princípio, onde a propriedade de reflexão especular da córnea é utilizada, pode ser visto nos modernos sistemas de topografia de córnea [Schanzlin & Robin, 1991, Carvalho et al, 1999, 2002], onde todo o processamento topográfico é realizado via software. A topografia de córnea é hoje parte essencial da oftalmologia do segmento anterior do olho. No entanto, a técnica introduzida por Plácido, por utilizar apenas as propriedades de reflexão especular da córnea, não permite mensurar outros componentes internos do olho (como a córnea posterior e cristalino), pois nesta técnica a córnea anterior comporta-se como um espelho convexo, refletindo e formando uma imagem virtual do anteparo colocado à sua frente.

Foi com o intuito de aprimorar as técnicas de medida da córnea existentes e ao mesmo tempo possibilitar medidas de elementos internos do olho, como córnea posterior e até mesmo as superfícies do cristalino, que se deu início ao desenvolvimento do dispositivo apresentado aqui, objeto da presente patente. O uso empregado aqui não depende das características especulares da córnea e sim das suas características de espalhamento da luz (reflexão difusa). Pode-se afirmar que a técnica empregada aqui é de projeção de imagens e não de seus reflexos baseados no princípio de formação de imagens e da óptica geométrica básica. A figura 1 demonstra o princípio da técnica de projeção para medidas de objetos tridimensionais utilizando algoritmos de triangulação. Utilizando um dispositivo para projeção de um padrão conhecido de luz (A) sobre um objeto com formato arbitrário (B), o perfil em (B) detectado pela câmera (C) pode ser calculado baseado em a, ângulo entre a luz e a câmera CCD de captura.

Com o intuito de solucionar inconvenientes e limitações de outras técnicas explicitadas acima, desenvolveu-se na presente patente de invenção, que compreende um dispositivo que realiza a análise óptica e fisiológica completa do segmento anterior do olho; Este dispositivo é capaz de analisar e mensurar desde características relacionadas à catarata do cristalino, ângulos internos entre íris e córnea posterior, até a topografia do segmento anterior do olho (córnea e cristalino), estando este ciclopegiado ou não; Utilizando o princípio de feixe estreito de luz e utilizando emissores de luz de alto brilho, do tipo LED, na cor azul, conjugado com algoritmos implementados na forma de programas de computador, todas estas características são mensuradas de maneira automática após a captura de uma seqüência de imagens digitais. A presente patente será melhor compreendida por meio das figuras em anexo em consonância com a descrição detalhada abaixo, onde: A figura 1 representa um diagrama que ilustra o princípio da medida do perfil de um objeto utilizando a técnica de projeção. A figura 2 representa a vista superior do dispositivo com suas partes. A figura 3 representa a vista lateral do dispositivo com suas partes. A figura 4 representa a vista isométrica do dispositivo com suas partes. A figura 5 representa um exemplo de imagem da câmera CCD de alinhamento do feixe de luz ao centro da pupila durante a captura de imagens. A figura 6 representa um exemplo de imagem lateral obtida pelo dispositivo. A figura 7 representa um exemplo do processamento de imagem gerada pelo dispositivo.

As figuras 2 a 4 demonstram o dispositivo com suas partes: (1) Câmera CCD lateral com inclinação de 12 graus para realização das imagens que serão posteriormente processadas, onde a imagem para processamento computacional é capturada; (2) placa de controle do motor de passo (13); (3) câmera CCD utilizada para monitoramento e alinhamento do olho; (4) trilhos para movimentação da base (11) utilizando o joystick (10); (5) sistema óptico, contendo duas lentes dubleto bi-convexo e com filtro antireflexo para o espectro visível, da câmera de captura e processamento (1); (6) sistema óptico, contendo uma lente dubleto bi-convexa e uma lente bi-côncava, do feixe de luz azul central, operando no comprimento de onda entre 440 e 490 nm; (7) sistema óptico, contendo duas lentes dubleto bi-convexo e com filtro anti-reflexo para o espectro visível, da câmera de alinhamento e monitoramento (3); (8) suporte dos componentes ópticos, mecânicos e eletrônicos; (9) placa de alimentação; (12) LED azul do feixe de luz; (14) engrenagem maior e (15) engrenagem menor do sistema de transferência de movimento do motor de passo (13), responsável por fazer a fonte de luz azul girar. O dispositivo objeto da presente patente permite realizar a paquimetria, ou seja, a análise óptica e fisiolígica completa do segmento anterior do olho, desde características relacionadas à catarata do cristalino, ângulos internos entre íris e córnea posterior, até a topografia do segmento anterior do olho (córnea e cristalino), estando este ciclopegiado ou não, utilizando o princípio de feixe estreito de luz e utilizando emissores de luz, do tipo LED, na cor azul. A luz azul, utilizada no dispositivo, à base de emissores de luz de diodo LED, difrata e espalha com maior intensidade nas estruturas internas da córnea e do cristalino, permitindo a visualização e mensuração com maior precisão destas superfícies e também de outras características associadas ao estroma da córnea e das fibras internas do cristalino; Esta luz também permite acompanhar o processo de evolução da catarata do cristalino de maneira mais precisa quando comparado a outras técnicas convencionais existentes; Ela espalha de maneira mais intensa em núcleos fibrosos internos da lente cristalina, especialmente quando as fibras de colágeno estão mais densas, o que evidencia de maneira mais clara o processo de catarata. O dispositivo é acoplado a um software, que possui vários recursos, possuindo ainda um módulo para medida da intensidade de luz na cor azul espalhada pelo cristalino, o qual é armazenado em um banco de dados. O acompanhamento deste nível para diferentes seções de exames em datas uniformemente espaçadas pode mostrar claramente para o médico a evolução do quadro de catarata e facilitar a decisão em operar ou não o paciente. O motor de passo (14) para rotação do sistema de feixe e uma inclinação da câmera CCD que filma lateralmente as estruturas do olho permitem a correta focalização da mesma. Uma leve inclinação da cabeça óptica para trás permite evitar com maior eficiência sombras dos cílios. A câmera CCD (1) é posicionada lateralmente ou diagonalmente ao eixo de projeção, formando um ângulo a, geralmente mantido fixo, entre a direção de projeção (6) e o CCD (1). A reflexão difusa (ou espalhamento) da luz pelo objeto é capturada pela câmera e utilizada para realização das medidas utilizando-se algoritmos de processamento de imagens. Rotacionando-se o ângulo de projeção da luz ao longo de seu próprio eixo de simetria, mantendo o olho em posição fixa, diferentes porções do objeto podem ser mensuradas e a junção destes cortes, geralmente realizado por técnicas computacionais, permite a reconstrução da topografia do objeto.

Utilizando o princípio de feixe estreito de luz e utilizando o emissor de luz de alto brilho, do tipo LED, na cor azul, inserido no interior do sistema óptico do feixe de luz azul central (6), conjugado com algoritmos implementados na forma de programas de computador, todas estas características são mensuradas de maneira automática após a captura de uma seqüência de imagens digitais. Como no caso do olho a simetria é cilíndrica e há sombras causadas pelos cílios e pelo nariz, ao invés de correr a fonte de luz horizontalmente ou verticalmente, esta foi rotacionada em tomo do ápice da córnea. A fonte de luz azul permite a visualização de características internas da córnea e do cristalino, não perceptíveis em outros comprimentos de onda. O feixe de luz rotatório na cor azul possibilita fornecer muito mais informações e com maior precisão quando comparado com as técnicas disponíveis comercialmente com Disco de Plácido ou mesmo usando luz branca de outros instmmentos de microscopia. Para as superfícies esféricas, a comparação pôde ser realizada de maneira quantitativa e absoluta, dado que seu raio de curvatura é conhecido e são superfícies rotacionalmente simétricas; Já para o olho dos pacientes examinados in vivo, os dados foram comparados com medidas realizados utilizando dispositivos de coerência óptica (mais de 10 vezes mais caro que o dispositivo proposto aqui e bem mais lento para processamento de todas as superfícies do segmento anterior).

Utilizando o dispositivo, objeto da presente patente, a córnea comporta-se como um elemento que espalha a luz, e não em um elemento que reflete a luz especularmente, de maneira que, quando iluminada diagonalmente por luz em forma de feixe estreito, a câmera CCD (1) (posicionada na diagonal oposta) capta imagens laterais do espalhamento da luz pela córnea anterior, estroma, córnea posterior, cristalino anterior, estrutura interna do cristalino e cristalino posterior. Esta forma de captação por triangulação permite não somente a determinação de superfícies anterior e posterior da córnea e do cristalino, mas como também a realização de paquimetria de toda a córnea e cristalino, dados importantes em várias aplicações.

Utilizando um sistema de colimação, a luz de um LED (“Light Emmiting Diode”) de alto brilho, na cor azul, é colimada formando um feixe estreito e paraxial de até 20 mm em diâmetro, o qual passa posteriormente por um anteparo com sistema de micro ajuste de espessura (regulado para 0.5 mm). Desta maneira obtém-se um feixe de luz estreito e alongado, formando uma fenda retangular estreita.

Com um sistema de micro-ajuste pode-se fazer a largura do feixe o quão peqitena se deseja, no entanto, o ideal é que esteja ajustada para o limite em que fenômenos de interferência nas bordas do feixe começam a deformar o feixe - algo indesejado para o tipo de aplicação desenvolvida aqui. A imagem da luz espalhada pela córnea é capturada pela câmera (1) utilizando um PC Pentium Dual Core (rodando sistema operacional Windows 7) e placas de captura USB de alta velocidade (30 Hz). Um software realiza o processamento das imagens que detectam e segmentam as linhas de borda no interior da imagem; Um algoritmo para determinação da elevação pontual das superfícies anterior e posterior da córnea e do cristalino também foi implementado. O sistema de captura de imagens de alto desempenho gera imagens de alta resolução para 180 meridianos. Uma destas imagens pode ser vista na figura 6, onde temos o contorno da superfície anterior da córnea (A), posterior da córnea (B), anterior do cristalino (C), e posterior do cristalino (D). Todas estas regiões do segmento anterior são de fundamental interesse clínico para diversos tipos de procedimentos e/ou diagnósticos.

O sistema de acoplamento e colimação (12) para LED de alto brilho azul projeta um feixe de luz azul sobre o olho através do sistema óptico do feixe de luz azul central (6). A luz azul é uma das principais inovações deste instrumento, pois com ela tanto as bordas como detalhes internos da córnea e do cristalino ficam muito mais nítidos. A câmera CCD (3) e sistema óptico (7) posicionados de um dos lados servem para o correto alinhamento do feixe ao centro da pupila do paciente (veja figura 5). O outro CCD (1), disposto de maneira levemente inclinada e conjunto óptico (5) servem para alinhar e focalizar corretamente a luz espalhada, gerando imagens de alta resolução e contraste do segmento anterior (figura 6). Um algoritmo para processamento desta imagem foi implementado usando a linguagem de programação C++, onde a imagem originalmente capturada (figura 6), é otimizada em termos de contraste e brilho e os contornos da superfície da córnea anterior (E) e posterior (F), do cristalino anterior (G) e posterior (H) podem ser detectados com precisão (figura 7).

Resultados Medidas em 4 esferas de calibração de vidro (raios de curvatura variando entre 7 a 9 mm, com precisão de fabricação de 0.005 mm) e em 10 pacientes voluntários foram realizadas. Os resultados obtidos para as esferas foram comparados com medidas das mesmas superfícies usando um topógrafo de córnea convencional e comercial, que utiliza discos de Plácido. O erro quadrático médio (EQM) para a topografia das esferas usando a técnica de Plácido e a nova técnica apresentada aqui foi de 0,01 mm e 0,007 mm, respectivamente. Ou seja, a técnica apresentada aqui é 30% mais precisa para medidas de elevações onde a curvatura é fixa. Para as córneas e cristalinos dos voluntários o EQM foi calculado pela média dos resultados usando um dispositivo de coerência óptica e a técnica apresentada aqui. Tomando a técnica de coerência óptica como referência, o EQM foi de apenas 0.001 mm, ou seja, 1 micrometro, ou 1/400 vezes o espessura de uma córnea normal. Como a própria precisão do sistema de coerência está entre 0.5 e 1 micrometro, podemos afirmar que este dispositivo tem precisão equivalente ou pelo menos comparável, com preço e custo bem menor. Os resultados obtidos demonstram que o dispositivo objeto da presente patente é mais completo e preciso que a topografia de córnea com discos de plácido e mais eficiente e barato quando comparado à técnica coerência óptica para medidas do segmento anterior e do processo de catarata do cristalino.

Referências - Schanzlin, DJ, Robin, J. B., Comeal Topography-Measuring and Modifying the Comea, Springer-Verlag, 1991. - Plácido, A, Novo Instrumento de Exploração da Comea, Periodico dOftalmológica Practica, Lisboa, 1880;5:27-30. - Carvalho, LA, Castro JC, Tonissi S. Preliminary tests and construction of a computerized quantitative surgical keratometer. Journal of Cataract and Refractive Surgery, EUA, v. 25, p. 821-826, 1999.

Carvalho, LA; STEFANI, M.; Romão; Carvalho; Castro; Tonissi; Schor; Chamon. Videokeratoscopes for dioptric power measurement during surgery. Journal of Cataract and Refractive Surgery, EUA, v. 28, p. 2006-2016, 2002.

REIVINDICAÇÕES

Claims (4)

1) DISPOSITIVO que realiza a análise óptica e fisiolígica completa do segmento anterior do olho, desde características relacionadas à catarata do cristalino, ângulos internos entre íris e córnea posterior, até a topografia do segmento anterior do olho (córnea e cristalino) caracterizado por constituir-se de um equipamento possuir as seguintes partes: (1) Câmera CCD lateral com inclinação de 12 graus para realização das imagens que serão posteriormente processadas, onde a imagem para processamento computacional é capturada; (2) placa de controle do motor de passo (13); (3) câmera CCD utilizada para monitoramento e alinhamento do olho; (4) trilhos para movimentação da base (11) utilizando o joystick (10); (5) sistema óptico, contendo duas lentes dubleto bi-convexo e com filtro antireflexo para o espectro visível, da câmera de captura e processamento (1); (6) sistema óptico, contendo uma lente dubleto bi-convexa e uma lente bi-côncava, do feixe de luz azul central; (7) sistema óptico, contendo duas lentes dubleto bi-convexo e com filtro anti-reflexo para o espectro visível, da câmera de alinhamento e monitoramento (3); (8) suporte dos componentes ópticos, mecânicos e eletrônicos; (9) placa de alimentação; (12) LED azul do feixe de luz; (14) engrenagem maior e (15) engrenagem menor do sistema de transferência de movimento do motor de passo (13), responsável por fazer a fonte de luz azul girar.

2) DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar um emissor de luz do tipo LED azul, operando no comprimento de onda entre 440 e 490 nm.

3) DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo sistema óptico (6) espalhar com maior intensidade nas estruturas internas da córnea e do cristalino, permitindo a visualização e mensuração com maior precisão destas superfícies e também de outras características associadas ao estroma da córnea e das fibras internas do cristalino, e portanto o diagnóstico do processo de evolução da catarata e do cristalino de maneira mais precisa.

4) DISPOSITIVO de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3, caracterizado por ser acoplado a um software que realiza o processamento automático das imagens capturadas, cálculos da paquimetria da córnea e do cristalino, possuindo ainda um módulo para medida da intensidade de luz na cor azul espalhada pelo cristalino, o qual é armazenado em um banco de dados.