Первое сообщение об использовании оптического увеличения в хирургии появилось в 1921 г. Шведский доктор Carl Nylen описал использование операционного микроскопа для операции на ухе. Эпоха современной микрохирургии началась в 1960 г., когда J.H. Jacobson и E.L. Suarez описали возможность успешного наложения анастомозов на сосуды диаметром от 1,4 до 3,2 мм [1, 2]. Использование увеличения обогатило хирургию, во многом определив вектор ее развития.

Успешное применение микроскопа побудило хирургов и стоматологов использовать увеличительную оптику не только для микрохирургических, но и для рутинных процедур. Julian Bruner, известный американский кистевой хирург, в своей статье 1964 г. [3] отмечал: «Подобно тому, как ювелир даже не пытается чинить часы без увеличивающего окуляра, кистевой хирург не должен пытаться выполнить определенные операции без увеличивающих луп».

На сегодняшний день увеличение широко используется в таких специальностях, как травматология и ортопедия, хирургия кисти, стоматология, нейрохирургия, офтальмология, сердечно-сосудистая хирургия, пластическая хирургия, челюстно-лицевая хирургия, урология и другие. Использование оптического увеличения не только обеспечивает улучшение визуализации тканей, позиционирования инструментов, но и улучшает эргономику рабочего места [4, 5].

Некоторые хирурги предпочитают хирургические лупы микроскопу при выполнении макромикрохирургических операций, например реконструкции груди свободными лоскутами. Исследования не выявляют достоверной разницы при сравнении результатов лечения с использованием микроскопа или с использованием хирургических луп [6—10].

Хирургические лупы — это достаточно дорогой инструмент, который используется ежедневно в течение продолжительного времени. Длительное использование неправильно настроенных или неподходящих луп может привести к перенапряжению глазных мышц, мышц шеи хирурга, следовательно, к усталости, головным болям и даже к ухудшению зрения.

Цель данной статьи — ознакомление врачей с базовыми принципами оптических систем, основными понятиями и терминами оптики, оптическими явлениями, особенностями конструкции хирургических луп. Знание этого поможет правильно выбрать и использовать хирургические лупы, пользоваться всеми преимуществами оптического увеличения без вреда для здоровья.

Основные оптические системы

Основными оптическими системами, исторически используемыми в хирургических лупах, являются простые лупы и составные лупы. Составные лупы могут быть с оптической системой Галилея или с оптической системой Кеплера.

Простые лупы

Простые лупы состоят из одной пары вогнуто-выпуклых линз, которые, по сути, представляют собой те, что используются в очках для чтения.

Простые лупы являются примитивными увеличительными стеклами с ограниченными возможностями. Погрешности системы и искажение получаемого изображения возникают уже при увеличении ×1,5. Оптическая сила этих луп может быть увеличена только за счет увеличения диаметра линзы и ее толщины, что делает использование простых луп непрактичным в хирургической практике при увеличении более ×1,5. Для того чтобы обеспечить приемлемые показатели глубины резкости и рабочего расстояния, хирургу приходится устанавливать лупы на некотором расстоянии от глаз, используя специальные держатели или головные шлемы (рис. 1).

Рис. 1. Пример простых хирургических луп, установленных на головном держателе вместе с дополнительным источником света.

Единственными преимуществами простых луп перед остальными оптическими системами являются их легкость и относительно низкая стоимость.

Составные (телескопические) лупы

Составные лупы фактически являются маломощными телескопами. В хирургических лупах чаще всего используются система Галилея и система Кеплера.

Телескопическая система линз состоит из линзы, обращенной к объекту, — объектива и линзы, обращенной к наблюдателю, — окуляра. Объектив телескопической системы — всегда собирающая линза. Окуляр может быть как собирающей линзой, так и рассеивающей.

Телескопические лупы с системой Галилея

Лупа с системой Галилея состоит из двух линз — это собирающая линза в качестве объектива и рассеивающая линза в качестве окуляра.

Изображение, которое видит наблюдатель, смотрящий в лупу с системой Галилея, находится между двумя линзами, внутри системы Галилея (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная схема устройства луп с системой Галилея.

Лучи, проходящие через систему Галилея, накладываются друг на друга. Благодаря этому наложению расстояние между двумя линзами относительно небольшое.

Изображение, сформированное системой Галилея, прямое (неперевернутое), благодаря этому системе не требуются дополнительные компоненты и лупы с этой системой имеют относительно небольшой вес.

Использование системы линз позволяет более эффективно бороться с искажениями, однако они возникают при увеличениях больше ×2,5, что ограничивает использование таких луп [4].

Телескопические лупы с системой Кеплера

Лупы с системой Кеплера состоят из двух или более положительных линз (рис 3). Изображение, произведенное системой Кеплера, по определению перевернуто на 180°. Поэтому лупам с системой Кеплера необходим дополнительный компонент — призма. Призма обеспечивает инверсию (переворачивание) изображения. Такие лупы также называют призматическими.

Рис. 3. Упрощенная схема устройства луп с системой Кеплера.

В лупах с системой Кеплера инверсию выполняет призма Шмидта—Пехана (рис. 4). Помимо того, что призма переворачивает изображение, она также удлиняет ход лучей света, проходящих через нее, как бы складывая их, что позволяет укоротить тубус лупы.

Рис. 4. Схематическое изображение призмы Шмидта—Пехана.

а — ход луча света; б — инверсия изображения.

На сегодняшний день призматические лупы обеспечивают самое высокое качество изображения по сравнению с другими медицинскими лупами, уступая в качестве изображения только медицинскому микроскопу. Недостатком призматических луп является увеличение их веса примерно на 30—40%, а также повышение стоимости примерно на 40% по сравнению с составными лупами с системой Галилея [4].

Конвергенция и аккомодация

Без использования оптики мы увеличиваем остроту зрения за счет приближения к объекту наблюдения. В это время хрусталик глаза округляется за счет работы цилиарных мышц, этот процесс называется аккомодацией. В то же время оба глаза одновременно поворачиваются внутрь и сходятся — происходит конвергенция глаз. Горизонтальные движения глаз обеспечиваются внутренними и наружными прямыми мышцами глаз (рис. 5—7).

Рис. 5. Глаза расположены параллельно при рассматривании удаленных объектов.

Рис. 6. Аккомодация и конвергенция глаз при рассматривании объектов, расположенных вблизи.

Рис. 7. Внутренние и наружные прямые мышцы глаз обеспечивают горизонтальное движение глаз.

Рабочее расстояние — это расстояние от глаза до объекта, находящегося в фокусе. Без использования луп для работы хирург выбирает наименьшее рабочее расстояние, на котором объект комфортно сфокусирован. Например, в стоматологии это расстояние составляет 28—33 см [11]. Для более детальной работы хирург приближается к объекту наблюдения, наклоняясь ближе, а когда он отдаляется от объекта, благодаря аккомодации его глаза фокусируются на более удаленном объекте.

Выходной зрачок

Все лучи света, которые фокусируются системой, представляют собой округлую область света. Эта область света называется выходным зрачком оптической системы [12], и это то, что видит глаз наблюдателя, когда смотрит в лупу. На рис. 2, 3 выходные зрачки представлены оранжевыми овалами.

Зрачок наблюдателя выступает апертурой, которая получает свет от выходного зрачка оптической системы. При обычном освещении средний диаметр зрачка человека, который также называют входным зрачком глаза, составляет 3—5 мм [11, 13].

В идеальных условиях хирургическая лупа формирует выходной зрачок того же размера, что и входной зрачок глаза наблюдателя. Окуляр хирургической лупы должен располагаться на таком расстоянии от глаза наблюдателя, чтобы выходной зрачок оптической системы накладывался на входной зрачок глаза.

Если хирургические лупы находятся на правильном расстоянии от глаза, то выходной зрачок оптической системы занимает все поле зрения наблюдателя, так как это единственное, что он видит. В то же время сохраняется возможность движения зрачка в любом направлении примерно на 1 мм, что позволяет осмотреть все поле зрения, оставляя голову неподвижной.

Если лупы сползают с носовой перегородки, например из-за слабых носовых упоров, то расстояние от глаза до лупы увеличивается, что приводит к заметному уменьшению получаемого изображения, сужению поля зрения, а вокруг поля зрения возникает темная окантовка. Более того, такое положение луп буквально «замораживает» цилиарные мышцы и наружные мышцы глаз. Это приводит к тому, что хирург не может даже немного поменять поле зрения без поворота головы и вовлечения мышц шеи, как следствие, возникают дополнительное напряжение шеи и боли в ней.

Если же выходной зрачок не совпадает с центром входного зрачка глаза и накладывается на край роговицы, то обрезается участок поля зрения в виде полумесяца и яркость полей зрения уменьшается. Если ошибка небольшая, то она не вызывает диплопии и может быть не замечена. Однако если вовремя не исправить эту ошибку, то глаза будут пытаться компенсировать проблему за счет конвергенции, дилатации зрачка и постоянного рефокусирования. Это будет приводить к переутомлению цилиарных и наружных мышц глаз.

Чем выше оптическая сила системы, тем меньше выходной зрачок. Другими словами, чем больше увеличение, тем меньше выходной зрачок.

Если выходной зрачок оптической системы меньше входного зрачка глаза, то наблюдатель, смотрящий через оптическую систему, будет видеть маленькое, возможно, очень маленькое изображение, окруженное темным кругом.

Параметры хирургических луп

Рабочее расстояние лупы

Рабочее расстояние хирургической лупы — это расстояние, на котором должен располагаться объектив лупы, до объекта, находящегося в фокусе (рис. 8).

Рис. 8. Схематическое изображение таких оптических понятий, как рабочее расстояние, рабочий угол, глубина резкости, слепое кольцо, поле зрения, угол конвергенции.

При заказе телескопических луп производитель предлагает либо выбрать определенное рабочее расстояние, например 340 мм, 420 мм или 550 мм, либо измерить рабочее расстояние и откалибровать лупы индивидуально.

Выбор рабочего расстояния зависит от физических параметров хирурга и от его специальности. Например, сердечно-сосудистые хирурги предпочитают большее рабочее расстояние, так как все процедуры они выполняют стоя, в то время как кистевые хирурги или стоматологи выбирают относительно небольшое рабочее расстояние, так как чаще всего работают сидя.

Чем больше рабочее расстояние, тем меньше хирург подвержен воздействию возможных брызг со стороны хирургического поля. Но чем больше рабочее расстояние, тем меньше света будет проходить через лупы и тем менее ярким будет изображение.

Глубина резкости

Глубина резкости хирургической лупы — это диапазон расстояний, на которых может располагаться лупа от объекта, находящегося фокусе (см. рис. 8). Чем выше оптическая сила хирургической лупы, тем меньше глубина резкости. При малой глубине резкости сложно удерживать голову в правильном положении для того, чтобы избежать потери фокуса. Это может приводить к чрезмерному напряжению мышц шеи и спины.

Рабочий угол

Рабочий угол — это угол наклона оптической системы относительно плоскости лица пользователя (см. рис. 8). Рабочий угол определяет положение головы, поэтому то, насколько нужно согнуть шею и спину во время работы, выбор оптимального рабочего угла наряду с выбором рабочего расстояния имеют решающее значение для предотвращения перенапряжения мышц шеи и спины во время длительных операций и манипуляций.

Чем острее угол наклона, тем меньше хирургу придется наклонять голову во время операций. Однако при чрезмерном наклоне луп выходной зрачок оптической системы может не совпадать с входным зрачком глаза, что приводит к уменьшению поля зрения. Также стоит учитывать, что сильно наклоненные лупы будут уменьшать поле зрение хирурга, когда он не смотрит через лупу.

Поле зрения

Поле зрения — это величина, измеряемая в градусах, определяющая ту часть полного возможного поля зрения (то есть 360°), которая видна через оптическую систему (см. рис. 8). Поле зрения двух невооруженных глаз здорового человека составляет почти 180°. Чем выше оптическая сила хирургической лупы, тем меньше поле зрения.

Для удобства поле зрения чаще всего представлено в сантиметрах. Для измерения нужно посмотреть через лупы на линейку — и величина поля зрения будет представлять размер видимой части линейки от края до края поля зрения.

Слепая зона луп

При использовании всех типов хирургических луп возникает слепая зона между тем, что видит хирург через лупы, и тем, что он видит вокруг периферическим зрением (см. рис. 8). Слепая зона представляет собой кольцо шириной около 3—4 см. Размер слепой зоны не имеет значительных различий в зависимости от производителя и типа оптической системы [4]. Несмотря на то что ни один из производителей не упоминает о такой особенности луп, наличие слепой зоны имеет клиническое значение: в слепой зоне могут находиться острые инструменты, иглы и прочие источники опасности.

Конвергентная оптика

Конвергентная оптика — это техника, используемая во всех хирургических лупах, позволяющая получить стереоскопическое изображение. Принцип заключается в том, что лупы повернуты друг к другу под определенным небольшим углом в горизонтальной плоскости (см. рис. 8, рис. 9).

Рис. 9. Конвергентная оптика.

Угол конвергенции может быть настраиваемым или фиксированным. Для фиксированных луп чрезвычайно важно сделать точные индивидуальные измерения при заказе. К примеру, для хирурга с большим межзрачковым расстоянием необходим больший угол конвергенции, чем для хирурга с маленьким межзрачковым расстоянием. Также величина угла конвергенции будет больше для луп с меньшим рабочим расстоянием.

Точность конвергенции луп легко проверить. Нужно посмотреть через лупы сначала одним глазом, а затем вторым. Если угол конвергенции правильный, то поля зрения будут совпадать[4].

Крепление луп

Лупы могут быть фиксированными (рис. 10) или регулируемыми (рис. 11). Фиксированные лупы всегда крепятся на очковую оправу, а регулируемые лупы могут быть установлены как на очковой оправе, так и на специальном шлеме, который надевается на голову.

Рис. 10. Пример фиксированных луп (TTL) с системой Кеплера с дополнительным источником света.

Рис. 11. Пример регулируемых луп с системой Галилея с откидывающимся механизмом (flip-up).

Фиксированные лупы

Фиксированные лупы встраиваются в очковую линзу и неподвижно крепятся к ней. Некоторые производители называют такие лупы TTL, что является аббревиатурой от англ. through the lens, в буквальном переводе это означает «через линзу». Лупы устанавливаются на основании предварительных измерений межзрачкового расстояния, рабочего расстояния, угла конвергенции и прочих индивидуальных параметров. Очевидно, что дополнительная настройка этих параметров после изготовления луп невозможна. Чрезвычайно важны точные и профессиональные предварительные измерения. Они могут быть выполнены сертифицированным представителем производителя, профессиональным оптометристом или офтальмологом. В том случае, если ошибка предварительных измерений будет выявлена после изготовления луп, для коррекции придется отправлять лупы производителю.

Фиксированные лупы с системой Галилея с небольшим увеличением (до ×2,5) имеют довольно малый вес и удобны в использовании. В то же время фиксированные призматические лупы с увеличением ×4,5 и больше могут слишком сильно давить на переносицу из-за своего довольно значительного веса. Вес всей оптической системы можно уменьшить за счет облегченной оправы очков. Однако стоит учитывать, что более изящные оправы могут деформироваться, это, в свою очередь, приводит к изменению угла конвергенции луп. Также стоит отметить, что фиксированные призматические лупы более чувствительны к неправильной центровке на лице, чем лупы с системой Галилея.

Важно понимать, что у некоторых, а возможно, у большинства людей спинка носа не является центром между зрачками. Одна из частых ошибок во время калибровки, настройки и примерки луп — расположение луп симметрично относительно спинки носа. Более того, зрачки хирурга могут располагаться на разном уровне в горизонтальной плоскости. Эти индивидуальные особенности строения лица хирурга важно учитывать. Небольшие ошибки в позиционировании луп — частый источник чрезмерного напряжения глаз и перегрузки глазных мышц. Дополнительная коррекция посадки луп на лице может быть выполнена с помощью носовых упоров и дужек очков. Например, чтобы приблизить лупы к глазам, необходимо раздвинуть держатели носовых упоров, а чтобы отодвинуть лупы от глаз, необходимо сдвинуть носовые упоры. Для оптимальной регулировки оправы и носовых упоров можно обратиться к мастеру в любом салоне оптики. Со временем оправа и носовые упоры могут деформироваться, что приводит к нарушению посадки луп на лице, поэтому рекомендуется регулярно проверять точность посадки и своевременно проводить коррекцию.

Регулируемые лупы

Регулируемые лупы дают возможность хирургу самостоятельно отрегулировать межзрачковое расстояние, угол конвергенции и угол наклона луп. Часто такой вид луп называют флип-ап (от англ. flip-up — перевернуть, откинуть), так как такие лупы можно откинуть, не снимая очков. Данная особенность конструкции может быть полезна в некоторых ситуациях, например при переключении с луп на микроскоп и обратно, в подобных случаях не теряется время на снятие и надевание очков.

Регулируемые составные лупы с системой Галилея чаще всего требуют раздельной настройки правой и левой лупы (см. рис. 10). Это означает, что для правой и левой лупы нужно установить правильное межзрачковое расстояние, то есть установить выходной зрачок каждой лупы напротив входного зрачка глаза, и в то же время установить правильный угол конвергенции. Это редко получается с первого раза, требуется несколько раз настроить то один, то другой глаз, несколько раз снять и надеть лупы для проверки угла конвергенции. Если лупы персональные, то, будучи настроены однажды под конкретного хирурга, в дальнейшем они потребуют минимальных корректировок. Во время выбора таких луп следует обращать внимание на материал, из которого изготовлены механизм их калибровки и винты, так как пластиковый механизм может быть ненадежным.

Регулируемые лупы с системой Кеплера могут быть установлены как на очковой оправе, так и на головном шлеме (рис. 12).

Рис. 12. Пример настраиваемых хирургических луп с системой Кеплера, установленных на головном шлеме. Оснащены дополнительным источником света.

Чаще всего такие лупы соединены перегородкой, и их устройство делает невозможным неправильную настройку угла конвергенции, если правильно установлено межзрачковое расстояние. Также устройство этих луп позволяет быстро и эффективно настраивать их непосредственно во время работы. Например, возможно изменить поворот луп в горизонтальной плоскости, что важно для стоматологов при работе в правой и левой половине ротовой полости. Это позволяет избежать чрезмерного изгиба шеи. Некоторые производители в комплект поставки включают пластиковые накладки, которые могут быть стерилизованы и использованы во время процедуры для самостоятельной интраоперационной настройки луп, не снимая стерильных перчаток и не прибегая к помощи персонала операционной.

Коррекция зрения

Для хирургов с нарушением зрения у большинства производителей хирургических луп доступна функция внесения индивидуальной поправки на зрение.

В лупах с откидывающимся механизмом (flip-up) внесение индивидуальной поправки на зрение (коррекция) выполняется при помощи линзы в очках. При необходимости очковая линза может быть заменена в любом магазине оптики. В фиксированных лупах (TTL) указанная коррекция в дополнение к линзе в очках выполняется внутри самих луп. При изменении зрения хирурга такие лупы необходимо направить к производителю для внесения изменений в системе.

Хирурги, использующие на регулярной основе контактные линзы, могут не прибегать к дополнительным изменениям в лупах.

Покрытие линз и освещение

Еще одна важная характеристика хирургических луп — качество покрытия линз. Это покрытие не только выполняет защитную функцию, повышая устойчивость к появлению царапин, но и увеличивает светопропускание линз. Каждая отражающая поверхность линзы приводит к потере 4% света из-за отражения [11]. В составных лупах, особенно в призматических, потеря яркости может достигать 50% из-за множества преломляющих поверхностей. Эта проблема решается с помощью антибликового покрытия, которое позволяет линзам пропускать свет более эффективно. Такое покрытие наносится при высоких температурах в условиях вакуума. Поверхность линзы с антибликовым покрытием выглядит цветной, если смотреть на нее под углом (рис. 13). Качество покрытия может быть разным, кроме того, антибликовое покрытие может отсутствовать.

Рис. 13. Антибликовое покрытие линз.

Качество и яркость изображения, наблюдаемого через лупы, помимо всего прочего зависит от освещенности операционного поля. Для увеличения яркости операционного поля может быть использован дополнительный источник света, который устанавливается на оправе или на шлеме (см. рис. 10, 12). Большинство крупных производителей предлагают лампу в качестве источника света в комплекте с креплением, одним или несколькими аккумуляторами, адаптером для зарядки или проводами как дополнительную опцию. На сегодняшний день доступны беспроводные источники света.

Аксессуары

Практически все производители поставляют лупы в специальном защитном чехле. Чехол может содержать дополнительные отсеки для лампы, аккумуляторных батарей, проводов. Чаще всего производитель по умолчанию включает в комплект защитные щитки, которые при установке защищают глаза хирурга от нежелательных брызг сбоку от очков. При необходимости в комплект может входить специальный ключ для настройки луп. Также в комплект почти всегда входит мягкая салфетка для протирания очков и луп.

Лупы и чехол для них могут служить резервуаром для микроорганизмов [14], поэтому рекомендуется регулярно обрабатывать их антисептиком. Однако некоторые растворы могут повредить покрытие линз, поэтому стоит уточнить в руководстве производителя, какими растворами пользоваться безопасно.

Запотевание очков

Часто хирурги сталкиваются с запотеванием очков и луп во время работы. Эффективным методом борьбы с запотеванием является заклеивание верхней части маски пластырем таким образом, чтобы выдыхаемый теплый воздух не выходил в верхней части маски и не конденсировался на лупах. Другой способ сократить количество теплого воздуха, который попадает на лупы, — обернуть полотенце или салфетку вокруг шеи и расстегнуть халат на спине.

Избежать запотевания луп можно при помощи специального раствора от запотевания стекол — антифога. По сути, он является мягким поверхностно-активным веществом, которое не оставляет следов на линзах и не повреждает их покрытие.

Эргономика рабочего места

Для детальной работы хирург, не использующий лупы, склоняется над операционным полем (рис. 14а). Расположение головы кпереди от оси позвоночника приводит к активации и перенапряжению мышц шеи, плечевого пояса и спины, которые вынуждены стабилизировать голову и противостоять гравитационным силам [5]. Кроме того, долгая работа на близком расстоянии может приводить к излишнему напряжению мышц глаз из-за длительной конвергенции. Одним из главных преимуществ использования луп в хирургической и стоматологической практике является улучшение эргономики рабочего места за счет улучшения осанки, исключения длительной чрезмерной конвергенции глаз (рис. 14б). Таким образом, благодаря использованию оптики происходит снижение нагрузки на опорно-двигательный аппарат и глазные мышцы [15, 16].

Рис. 14. Демонстрация детальной работы хирурга без луп (а). Демонстрация исправления осанки хирурга во время детальной работы в лупах (б).

Если во время или после использования хирургических луп хирург испытывает боли в шее, спине, повышенное напряжение глаз, то это повод проверить параметры используемых луп и правильность посадки луп на лице. Частой причиной перенапряжения мышц шеи являются неправильно подобранные рабочее расстояние и рабочий угол луп. Частыми источниками перенапряжения глаз являются неправильный угол конвергенции или неправильная посадка луп на лице.

На сегодняшний день некоторые производители предлагают лупы с изогнутым тубусом, который позволяет полностью избежать наклона головы и работать с ровной шеей (рис. 15).

Рис. 15. Пример эргономичных луп с изогнутым тубусом.

Заключение

Использование оптического увеличения в хирургии и стоматологии повышает остроту зрения, обеспечивает точность выполнения деликатных процедур и улучшает эргономику рабочего места врача. Знание базовых оптических принципов, устройства оптических систем, используемых в хирургических лупах, особенностей конструкции различных типов луп позволяет подойти к выбору хирургических луп осознанно и пользоваться всеми преимуществами оптического увеличения без вреда для зрения и для здоровья в целом.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Funding. The study had no sponsorship.