БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРЕНИЯ ДЕТЕЙ

Гарайбех Наср Юсеф

Государственный электротехнический университет "ЛЭТИ",
Санкт-Петербург, 197376, ул. Профессора Попова 5,
тел. 234-01-33

Зрение играет большую роль в жизнедеятельности человека. Зрительная система является одной из важных сенсорных систем организма и обеспечивает получение и обработку более 80% информации об окружающем нас мире. Формирование зрения наблюдается в возрасте от 2 до 9 лет. В этом возрасте активно развиваются функции пространственного, бинокулярного, глубинного, стереоскопического и цветового зрения, которые в дальнейшем определяют способность человека воспринимать окружающий мир в многообразии. В процессе формирования зрения имеют место и отклонения от нормального развития, которые приводят к нарушениям аккомодации, развития бинокулярного зрения и другим заболеваниям глаз. Поэтому проблема диагностики состояния и контроля уровня развития зрения детей является одной из социально значимых. Недостаточная эффективность существующих технических и методических средств для исследования зрения детей явилась причиной разработки биотехнической системы.

Рассматриваемая биотехническая система предназначена для клинических исследований состояния зрения детей дошкольного возраста - оценки остроты зрения, цветоразличительной способности, частотно-контрастной чувствительности зрения. Рассмотрим основные компоненты разработанной биотехнической системы.

Аппаратное обеспечение.

Разработанная биотехническая система БТС является типичным примером интеллектуальной информационно – измерительной системы.

Ядро системы составляет микропроцессорное устройство (компьютер), МПУ, которое обеспечивает управление цифровым синтезатором изображения ЦСИ, блоками регистрации БР ответной реакции испытуемого, отображения БО результатов исследования, панелью управления ПУ врача. Ввод в МПУ сигналов, характеризующих ответную реакцию испытуемого, осуществляется через устройства ввода УВ. Содержательная часть перечисленных блоков и модулей может быть раскрыта компонентами, широко известными в компьютерных системах. В этом случае можно перейти к следующему уровню детализации структуры БТС. Например, ЦСИ может быть реализован на основе графического контроллера или высокоскоростного видеоконтроллера ВК. Устройство ввода УВ может быть представлен в виде параллельного порта, а ПУ – клавиатурой персонального компьютера. Структурная схема аппаратного обеспечения БТС представлена на рис.1.

Программное обеспечение

Программной обеспечение разработанной офтальмодиагностической системы состоит из десяти модулей. При запуске программного комплекса пользователь входит в Меню верхнего уровня, которое содержит следующие модули: “Параметры компьютера”, “Регистрационная карта”, “Острота зрения”, “Частотно-контрастная чувствительность зрения”, “Цветовое зрение”, “Тестирование”, “Обработка результатов”, “Просмотр результатов”, “О программе”, “Завершение результатов” .



Рис.1 Структурная схема офтальмо-диагностической системы

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина; ВК - видеоконтроллер; ДИ - дисплей испытуемого; И - испытуемый; ПИ - пульт испытуемого; ЭОИП - электро-оптический измерительный преобразователь; ДВ - дисплей врача; В - врач-исследователь; ПВ - пульт врача П- печать.

Модуль “Конфигурация компьютера” обеспечивает согласование программного комплекса с конкретным аппаратным обеспечение. Поскольку разработанный комплекс может работать с мониторами и видеокартами различных типов, удовлетворяющих минимальным требованиям, сформулированным в пункте “аппаратное обеспечене”, то пользователю необходимо задать в явном виде используемый аппаратный состав, если он отличается от стандартного. Это относится к видеоконтроллеру, дисплею испытуемого, типу пульта испытуемого (одно – или двух координатные манипуляторы). Кроме того, при использовании в системе дисплея испытуемого, отличающегося от принятого по умолчанию линейными размерами экрана, система должна будет произвести пересчет угловых размеров выводимого тесового изображения.

Модуль “Регистрационная карта” осуществляет автоматический поиск регистрационной карты испытуемого по его идентификаторам для ее заполнения врачом на этапе формирования анамнеза и врачебного заключения или оперативного просмотра результатов предыдущих исследований. Результаты обследования фиксируются в регистрационной карте автоматически при подтверждении этой операции врачом. Регистрационная карта представляет собой автоматизированную базу данных.

Модуль “Острота зрения” обеспечивает задание конкретных параметров исследования остроты зрения: угловые размеры начального зрительного стимула, число разрядов уравновешивания (шагов приближения), количество повторов, способ регистрации ответной реакции.

Модуль “Частотно-контрастная чувствительность зрения” обеспечивает задание конкретных параметров исследования пространственных передаточных характеристик зрения.

Модуль “Цветовое зрение” обеспечивает задание конкретных параметров исследования цветового зрения: эталонные цвета, максимальное различие между эталонным фоном и тестовым стимулом, количество повторов.

Модуль “Тестирование” обеспечивает контроль фиксации испытуемого на заданном расстоянии от дисплея для обеспечения заданных угловых размеров стимулов и тестирование испытуемого. В процессе тестирования эффективность выполнения тестового задания.

Модуль “Обработка результатов” предназначен для указания интересующих статистических характеристик, которые необходимо оценить при обработке измерительной информации (средне выборочное значение, выборочная дисперсия) задания доверительной вероятности или указания доверительного интервала. Модуль используется для предварительной обработки измерительной информации.

Модуль “Просмотр результатов” предназначен для указания типа отображения и документирования полученных результатов. Модуль обеспечивает просмотр, ранее полученный результатов исследования зрения и сравнения их с усредненными индивидуальными и групповыми показателями. Модуль можно рассматривать как элемент интеллектуальной поддержки принятия решения врача.

Модуль “О программе” обеспечивает пользователю информацию о назначении системы, ее функциональных возможностях, используемых методиках исследования, основных технических, в том числе и метрологических, характеристики, информацию об условиях эксплуатации системы и т.д.

Модуль “Завершение работы” предназначен для выхода из программного комплекса.

Методическое обеспечение

Методика исследования зрения представляет собой совокупность действий, направленных на:
  • обеспечение определенных условий исследования в биотехнической системе (обеспечение угловых размеров тестовых объектов на экране электронно-лучевой трубки ЭЛТ, зрительного внимания и сосредоточенности, воздействия на определенные участки сетчатки, исключения влияния внешних факторов, снижающих точность результатов оценки пороговых характеристик зрения);
  • регистрацию ответной реакции испытуемого на тестовое воздействие;
  • обработку и оценку информативных показателей регистрируемых сигналов;
  • анализ результатов исследований и формирование врачебного заключения о состоянии зрительной системы испытуемого.

Каждое исследование зрительной системы направлено на оценку определенной пороговой характеристики зрения, для получения которой разрабатывается соответствующая методика исследования.

Предлагаемый нами офтальмодиагностической комплекс предназначен для оценки ряда пороговых характеристик зрения, например, оценки остроты зрения, цветовой чувствительности зрения, частотно–контрастной чувствительности.

Наряду с перечисленными уровнями обеспечения разработанная биотехническая система содержит "Метрологическое обеспечение" и "Информационное обеспечение". Метрологическое обеспечение включает совокупность средств для обеспечения единства измерений, воспроизводимости результатов исследований и периодической поверки фотометрических и цветовых характеристик дисплея испытуемого. Информационное обеспечение содержит средства, необходимые для обработки результатов исследований, интеллектуальной поддержки принятия решений врача-исследователя. Эти средства составляют основу базы знаний и данных.

Экспериментальные исследования зрения

Апробация разработанной автоматизированной системы, методов и алгоритмов исследования проводилась осуществлялась на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" на группе испытуемых, численностью до 100 человек. Исследования цветоразличительной способности, частотно-контрастной чувствительности и остроты зрения проводились для каждого испытуемого монокулярно и бинокулярно.

При проведении исследований цветоразличительной способности использовались 8 эталонных цветовых стимулов (СТ1-СТ8), которые равномерно распределены по краям диаграммы цветности колориметрической системы люминофоров дисплеев на ЦЭЛТ стандарта Hi-Bri и имеют 100% насыщенность. Программный комплекс обеспечивает возможность задания эталонных цветовых стимулов с произвольными параметрами.

На рис.2 приведены примеры результатов исследований цветоразличительной способности для 2 пациентов. В равноконтрастной системе UVW МКО-64 пороги цветового зрения для выбранных 7 эталонных стимулов для пациента с нормальным трихроматическим зрением приблизительно одинаковы. Цветоразличительная способность составляет 1-3 единиц порогов цветоразличения Мак-Адама (0,0039 единиц координат цветности uv), а диапазон разброса не превышает 50% от уровня индивидуальной нормы. В случае аномальной трихромазии имеет место явно выраженная неоднородность порогов цветоразличения для выбранных эталонных стимулов, существенно увеличивается и диапазон разброса. В Таблице 1. приведены результаты исследования цветоразличительной способности для 16 испытуемых. Испытуемые № 3, 8 и 11 имеют слабо выраженную аномальную трихромазию в виде снижения чувствительности одного из 3 типов фоторецепторов. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований цветового зрения, проведенных зарубежными и российскими исследователями.

Таблица 1.

№ ПОРОГИ ЦВЕТОРАЗЛИЧЕНИЯ, относительные единицы
Пп СТ1 СТ2 СТ3 СТ4 СТ5 СТ6 СТ7 СТ8
1 0.68 1.21 1.27 0.59 1.15 1.28 1.32 1.78
2 1.34 1.21 0.66 1.14 1.15 1.28 1.31 1.79
3 0.68 0.61 1.27 0.59 2.24 1.28 2.61 1.78
4 1.34 1.80 1.27 1.15 1.15 1.28 2.61 1.78
5 1.34 1.21 0.66 1.14 1.15 1.27 2.61 1.78
6 0.68 1.21 0.65 0.59 1.15 1.28 1.32 1.78
7 1.34 1.21 0.66 0.59 1.15 1.28 2.61 1.78
8 1.09 0.98 0.81 0.52 0.58 0.65 1.64 2.22
9 1.34 0.61 0.66 0.59 1.15 1.28 1.32 1.78
10 1.34 1.80 1.27 1.14 1.15 1.28 2.60 1.78
11 1.34 1.80 0.65 0.59 1.15 1.28 1.32 3.5
12 1.34 1.21 0.65 0.59 1.15 1.27 1.32 1.78
13 2.63 1.80 0.66 1.14 1.15 1.28 1.32 1.78
14 1.34 1.21 0.66 0.59 1.15 1.28 1.32 1.78
15 1.34 1.80 1.27 0.59 1.15 1.28 2.6 1.78
16 1.34 1.21 0.66 0.59 1.15 1.28 1.32 1.78

Исследования частотно-контрастной чувствительности ЧКЧ проводились в диапазоне пространственных частот w от 0,5 до 20 циклов/градус на 11 фиксированных частотах. Количество измерений на каждой фиксированной частоте при проведении одного сеанса монокулярных исследований было не менее 5. Количество сеансов обследований было не менее 10. В качестве тест-объектов использовались изображения птицы, рыбы, собаки, контуры которых ограничивали тестовые решетки заданной частоты. На рис.3 приведены примеры зависимости контрастной чувствительности зрения от пространственной частоты синусоидальных решеток. Для зрительной системы, не имеющей какие-либо функциональные нарушения, частотно-контрастная чувствительность имеет максимум на уровне 70-100 единиц в диапазоне пространственных частот от 4 до 10 циклов/градус (рис.3-a). На рис. 3-b приведен пример ЧКЧ зрения пациента, имеющего патологию сетчатки. Контрастная чувствительность зрения исследуемого глаза существенно понижена. В таблице 2. приведены результаты исследований ЧКЧ для 16 испытуемых. Пациент7 имеет пониженную чувствительность глаза, пациент 13 имеет выраженную неравномерность ЧКЧ глаза в области высоких частот, что обусловлено функциональными нарушениями аккомодации. Эти результаты согласуются с результатами известных исследований.

Таблица 2

№
П.п		 Пространственная частота [цикл / град.]
0.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
  Контрастная чувствительность
1 66.66 100 71.42 100 100 66.66 46.66 20.63 18.45 13.21 9.44
2 100 100 100 100 71.42 66.66 50 30 16.19 12.03 8.27
3 100 100 100 100 100 29.52 17.17 15.59 16.4 8.68 6.69
4 83.33 100 100 83.33 50 31.74 16.98 12.96 10.18 8.73 6.48
5 50 100 100 50 50 20 20 16.66 10.52 9.52 8.33
6 50 100 100 50 40 16.66 14.28 11.11 9.52 8.33 8.33
7 36 22.5 18 6.92 11.25 10.58 11.25 11.25 5.8 4.73 4.73
8 140 150 140 48.57 28.28 44 50.57 23 14.15 19.87 17.29
9 100 100 100 100 100 50 32.38 18.88 12.5 9.12 12.43
10 83.33 100 100 100 100 50 39.5 20.37 19.84 12.69 8.73
11 100 100 100 75 50 19 19 14.76 12.7 20.54 6.58
12 75 100 100 100 75 39.29 14.58 18.33 13.39 13.39 11.19
13 75 100 100 100 45 57.14 17.14 54.76 18.33 32.14 6.9
14 75 100 100 83.33 66.66 57.14 14.58 14.76 14.15 13.39 11.19
15 83.33 76.19 100 100 83.33 42.85 25.71 15.87 12.43 8.85 8.51
16 80 100 100 63.33 38.88 18.88 13.69 13.1 8.45 15.6 11.44

Исследования остроты зрения проводились с использование тест-обектов двух типов: с кольцами Ландольта и с использованием силуэтных картинок (круга, домика и квадрата). Дополнительно результаты исследования проверялись с использованием таблиц Головина -Сивцева. Количество измерений остроты зрения испытуемого для одного сеанса исследования (монокулярно для каждого глаза) было не менее 5, общее количество сеансов тестирования было не менее 10. Эти исследования проводились в течении 3 месяцев. Результаты исследований для каждого глаза усреднялись по общему количеству измерений. Результаты исследования с помощью предложенных методик дали несколько заниженную (от 20 до 30%) оценку остроты зрения по сравнению с исследованиями на таблицах Головина-Сивцева. В качестве причин, вызвавших снижение остроты зрения, можно отметить импульсный характер излучения тестового изображения и дискретных характер растра. В основном эти результаты также хорошо согласуются с результатами известных исследований.

Проведенные исследования подтвердили шумовую природу порогов зрения, необходимость оценки порогов зрения на заданном уровне вероятности обнаружения зрительных стимулов, работоспособность разработанных компонент компьютерной технологии исследования зрения с использованием электронных дисплеев и алгоритмов оценки порогов зрения.



а)


б)

Рис.2. Примеры результатов исследования порогов цветового зрения






а)


б)

Рис.3. Примеры результатов исследования ЧКЧ зрения.

Содержание конференции | Секция10