Методи і технічні засоби відновлення бінокулярного зору

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи і технічні засоби відновлення бінокулярного зору

Верьовкін Л.Л.

05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

Київ - 2010

Вступ

Актуальність теми. Розробка нових методів діагностики і відновлення бінокулярного зору відноситься до одного з найважливіших завдань сучасної медицини. Особливо важливою є проблема створення автоматизованих офтальмологічних пристроїв, що дозволяють забезпечити якісну діагностику патологій окорухового апарату (ОРА).

Підвищення точності результатів діагностики вимагає проведення заходів щодо відновлення функцій зорового аналізатора, розширення набору вимірюваних параметрів, вдосконалення схемотехнічних рішень вживаного устаткування, розробки аналітичних інформаційно-програмних застосувань. Проблему представляє складність побудови імітаційної моделі бінокулярного зору й інформаційної моделі стану окорухового апарату зорового аналізатора (ЗА).

Діагностика ОРА істотно впливає на подальший хід лікувального процесу в офтальмології, оскільки від якості рішення завдань діагностування залежить ефективність прийнятих рішень. Головними недоліками відомих на сьогодні різних методів діагностики порушень функціонування ОРА є: спрямованість на визначення тільки величини кута косоокості; велика похибка визначення параметрів стану м'язів ОРА; вимога від пацієнта усидливості, уваги, певного рівня розвитку центральної нервової системи, що ускладнює обстеження дітей молодшого віку.

Досліджені методи діагностики є неавтоматизованими і вимагають на етапі визначення параметрів ОРА і на етапі формулювання діагнозу наявності висококваліфікованого фахівця-офтальмолога. Використання автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки (АОДУ) дозволить розділити в часі процес отримання діагнозу на дві послідовності дій: обстеження пацієнта з використанням АОДУ під керуванням оператора і отримання параметрів ОРА зорового аналізатора; аналіз лікарем-офтальмологом значень параметрів ОРА пацієнта і формування діагнозу. Це забезпечує заощадження часу і дозволяє використовувати в процесі діагностики менш кваліфікований персонал. Застосування у складі автоматизованої установки нових методик що усувають патологічні зміни функцій зорового аналізатора, дозволяють скоротити витрати на відновлення бінокулярного зору.

Таким чином, дослідження, спрямовані на створення і впровадження сучасних пристроїв автоматизованого відновлення і діагностування ОРА зорового аналізатора, є актуальними як з наукової, так і з практичної точок зору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень пов'язаний з науковою тематикою і темами навчального процесу кафедри "Фізичної та біомедичної електроніки" факультету "Інформаційних та електронних технологій" Запорізької державної інженерної академії. Частина досліджень виконувалась відповідно до цілей і завдань науково-дослідної роботи № 7-1П/2003 рег. № 0103U000952 "Розробка систем комп'ютерної діагностики в медицині", що виконувалася в 2003 - 2005 рр., в якій автор брав безпосередню участь як керівник окремих етапів і старший науковий співробітник.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є: розробка методологій, які усувають чинники, що перешкоджають проведенню діагностики і ускладнюють відновлення функцій окорухового апарату зорового аналізатора; підвищення точності результатів діагностування ОРА зорового аналізатора шляхом розробки автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки, заснованої на об'єктно-орієнтованій інформаційній моделі процесу діагностики.

Для досягнення вказаної мети необхідно розв'язати наступні задачі:

- визначити найбільш ефективні методики діагностики бінокулярного зору і відновлення функцій окорухового апарату;

- розробити нові методики і апаратні засоби для відновлення функцій ОРА зорового аналізатора;

- провести дослідження залежності динаміки відновлення бінокулярного зору від зміни параметрів розроблених установок електронного комплексу;

- дослідити особливості функціонування методик і розроблених електронних пристроїв безпосередньо в умовах медичних установ.

Об'єктом дослідження є процес діагностики і відновлення функцій ОРА зорового аналізатора.

Предметом дослідження є імітаційна модель бінокулярного зору, інформаційна модель стану окорухового апарату зорового аналізатора, технічні методи відновлення і діагностики стану м'язів ОРА зорового аналізатора.

Методи дослідження: математичні методи розрахунку параметрів пристроїв, методи комп'ютерного моделювання, методи графічної обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблено нову імітаційну модель бінокулярного зору, призначену для обґрунтування методик відновлення функцій органу зору; удосконалено математичну і інформаційну модель стану окорухового апарату зорового аналізатора, яка призначена для підвищення точності результатів дослідження;

- вперше запропоновано метод комп'ютерної обробки результатів коордиметричних досліджень для далечини;

- вперше запропоновано і обґрунтовано новий метод отримання ефекту послідовного образу при лікуванні амбліопії;

- вперше запропоновано і обґрунтовано новий метод відновлення бінокулярних функцій ока перемиканням в імпульсному режимі різним кольором свічення загального для обох очей об'єкту фіксації і електронною призматичною корекцією органу зору;

- розроблено інформаційну технологію для автоматизованої діагностики ОРА зорового аналізатора, а також складові цієї технології: методи, відповідні методики і програмне забезпечення.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- випробувано в умовах Кримського республіканського центру реабілітації зору пристрій для розвитку бінокулярного зору, з метою його залучення в процес лікування пацієнтів з косоокістю;

- розроблено методику та пристрій відновлення зору амбліопічного ока, які запропоновано для використання і подальшої модернізації в умовах дитячих офтальмологічних закладів міста Запоріжжя;

- використання розробленого офтальмологічного діагностичного пристрою та програмного забезпечення дозволило: підвищити точність діагностики стану окорухового апарату зорового аналізатора, виконати попередню обробку експериментальної інформації, сформувати діагностичний висновок. Помилка при отриманні результатів знижена на 4,83%, при зниженні часу діагностики в середньому в 2,94 рази;

- розроблене програмне забезпечення "КООРДИМЕТР" впроваджено в навчальний процес ЗДІА на кафедрі ФБМЕ у дисциплінах "Експертні системи в медицині", "Мікропроцесорна техніка", у дипломному та курсовому проектуванні.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі узагальнено результати теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних здобувачем особисто. Автор розробив методики проведення експериментів, здійснив основний об'єм експериментів і вимірів, виконав статистичну обробку отриманих результатів досліджень, дав їм коректну інтерпретацію, розробив принципи функціонування, конструкцію і технологію виготовлення пристроїв комплексу, алгоритмічні принципи функціонування мікропроцесорів, виготовив дослідні зразки пристрою для лікування амбліопії, планшетного коордиметра, пристрою для відновлення бінокулярного зору. Брав участь в підготовці наукових публікацій і в розробці винаходів, покладених в основу дисертаційної роботи і захищених патентами України.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень, викладених у дисертації, були оприлюднені на наукових семінарах кафедри ФБМЕ (2002 - 2010 рр., Запоріжжя, ЗДІА,), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Наука і соціальні проблеми суспільства: медицина, фармація, біотехнологія" (2003 р., Харків, НФаУ), міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми Електроніки" (2003 - 2008 р., Київ, НТУУ "КПІ"), ІІ Конференції дитячих офтальмологів України "Сучасні технології діагностики та лікування очної патології у дітей" (2003 р., Київ, КВІЦ), науково-технічних конференціях викладачів та студентів ЗДІА (2004 - 2005 р., Запоріжжя, ЗДІА), першій міжнародній науково-практичній конференції "Науковий потенціал світу 2004" (2004 р., Дніпропетровськ), міжнародній науково-практичній конференції лікарів-офтальмологів України "Запобігання сліпоті у дітей в Україні в рамках виконання програми ВООЗ "Зір-2020" з практичним семінаром "Жива хірургія" (2005 р., Київ), IX Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь в XXI ст." (2005 р., Харків, ХНУРЕ), міжнародних науково-технічних конференціях "Електроніка і нанотехнології"(2009 - 2010 р., Київ, НТУУ "КПІ").

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 8 статтях у фахових та наукових журналах, перелік яких затверджений ВАК України та у 15 тезах доповідей у збірках матеріалів міжнародних та всеукраїнських конференцій і форумів. За темою дисертації отримано 4 патенти України на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 146 сторінок з 73 рисунками і 6 таблицями, список використаних джерел містить 110 найменувань, додатки наведено на 10 сторінках.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність виконання дисертаційного дослідження, сформульовано мету та поставлено задачі роботи, викладено загальну характеристику дисертації, визначено наукову новизну та практичне значення результатів дисертації.

У першому розділі зроблено огляд літературних джерел з сучасного стану проблеми патологічних порушень бінокулярного зору, дано класифікацію і докладний опис технічних методів діагностики і відновлення окорухового апарату, дана змістовна постановка завдання дослідження.

Визначено, що патологія окорухового апарату найчастіше виражається у неправильному положенні очей - косоокості, яка характеризується відхиленням одного з очей від загальної точки фіксації і порушенням бінокулярного зору.

Визначено, що, незалежно від виду косоокості, при цьому захворюванні виникають ускладнення, що утрудняють виправлення неправильного положення очей і важко піддаються лікуванню. Ці ускладнення можна розглядати як своєрідне сенсорне пристосування для звільнення від подвоєння зображення при зорі двома очима. Функціональна скотома основна і найбільш типова форма пристосування бінокулярної зорової системи до неправильного положення очей. Вона виражається у подавлені зображення в одному з очей і спостерігається лише при зорі обома очима. Зниження зору косого ока без органічних поразок позначається як амбліопія.

Визначено переважне використання методики відновлення бінокулярних функцій зорового аналізатора диплоптичним розділенням полів зору очей спеціально підібраними світлофільтрами, при спостереженні через них загального об'єкту фіксації, що перемикається червоно-зеленим кольором світіння з певною частотою. Основна увага при розробці імітаційної моделі сприйняття світлових імпульсів приділяється дослідженню характеристик, які обумовлюють інерційність і обмежують роздільну здатність зору: час зорового сприйняття, час розрізнення частот світлових мерехтінь, час відновлення.

Окоруховий апарат зорового аналізатора людини відповідає за переміщення ока, з метою забезпечення заданої області зорового сприйняття. Знаючи механізм функціонування ОРА, можна побудувати функціональну модель окорухової системи. Така модель є важливою при розробці автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки, оскільки дозволяє використовувати розраховані параметри при обробці результатів досліджень, що підвищує точність і якість діагностики. Процес автоматизованого діагностування ОРА повинен враховувати всі контрольовані параметри моделі зорового аналізатора, що впливають на визначення її стану, тому предметом даного дослідження є побудова апаратної й інформаційної моделі діагностики ОРА.

На підставі аналізу відомих підходів дослідження бінокулярного зору сформульовано мету і завдання роботи.

У другому розділі описано основні характеристики запропонованої структурно-функціональної імітаційної моделі бінокулярного зору, призначеної для обґрунтування методик відновлення функцій органу зору, описаний метод автоматизованої діагностики стану ОРА, який базується на ієрархічній інформаційній об'єктно-орієнтованій моделі, що дозволяє автоматизувати процес діагностування й підвищити точність досліджень.

Розроблена модель сприйняття органом зору світлових імпульсів, при використанні диплоптичного розділення полів зору очей спеціально підібраними світлофільтрами, заснована на дослідженні частотно-тимчасових і частотно-контрастних показників зорового сприйняття. Зір людини чутливіший до сприйняття частоти світлових мерехтінь, що дискретно змінюються. При зменшенні частоти пред'явлення загального об'єкту фіксації, що перемикається червоним і зеленим кольором свічення і спостережуваного двома очима через червоно-зелені світлофільтри, зменшується здатність злиття зображення в єдиний зоровий образ. Тому режими відновлення бінокулярного зору мають бути оптимально підібрані в області близької до критичної частоти злиття мерехтінь (КЧЗМ), що полегшить прояв рефлексів двоїння і біфіксації при злитті різних зображень в єдине ціле.

При описі сприйняття частоти світлових мерехтінь необхідно ослабити вплив власних шумів фоторецепторів сітківки з більш високочастотним спектром, тому застосуємо модель у вигляді фільтру низьких частот (рис. 1).

Рис. 1 Модель сприйняття світлових імпульсів у вигляді фільтру низьких частот

fГР = fВ - гранична частота, вище за яку визначається критична частота злиття мерехтінь; fЗ - частота загороди; МЗ - коефіцієнт частотних спотворень на частоті загороди; С - точка з ідеальною АЧХ (коефіцієнт прямокутності КП = 1).

Для представлення експериментальних даних, що отримуються в серії оцінок, зручно використувати кусково-лінійну апроксимацію, при цьому значення КЧЗМ знаходяться усередині смуги переходу моделі від граничної частоти fГР, що дорівнює FКЧЗМ min - мінімальному значенню КЧЗМ (рис. 2а), до граничної частоти fз смуги затримання, що дорівнює FКЧЗМ max - максимальному значенню КЧЗМ (рис. 2б).



Рис. 2 Кусково-лінійна апроксимація моделі

Амплітудно-частотна характеристика при кусково-лінійній апроксимації виражається залежністю:

(1)

При апроксимації АЧХ поліномами Баттерворта і Чебишева індивідуальна варіабельність сприйняття частот світлових мерехтінь характеризується порядком фільтру n.

Апроксимація поліномом Баттерворта:

, (2)

де поліном Баттерворта, f - нормована частота; r - коефіцієнт нерівномірності, визначуваний через нерівномірність моделі.

Чим вище міра полінома, тим менше коефіцієнт прямокутності КП, тим ближче модель до ідеальної. Процес апроксимації зводиться до визначення міри n, при якій КП ? КП ДОП.:

, (3)

а відповідний коефіцієнт прямокутності:

. (4)

Апроксимація поліномом Баттерворта забезпечує оптимальний синтез моделі сприйняття світлових імпульсів, гладкої в смузі пропускання. Ця модель при заданих параметрах перемикання світлових імпульсів забезпечує найменший коефіцієнт прямокутності.

Більш круто спадаюча модель сприйняття світлових імпульсів в зоні КЧЗМ виходить при апроксимації поліномом Чебишева.

, (5)

Поліном Чебишева n-го порядку:

. (6)

Коефіцієнт прямокутності:

. (7)

Порядок полінома:

. (8)

Для опису розрізнення частот світлових мерехтінь застосуємо модель у вигляді смугового фільтру (рис. 3).

Рис. 3 Модель розрізнення частот світлових імпульсів у вигляді смугового фільтру

Кусково-лінійна апроксимація моделі представлена на рис. 4а. Значення частот світлових імпульсів, отримані в серії оцінок, знаходяться усередині смуг переходу моделі. Ширина смуги пропускання дорівнює мінімальному значенню частот світлових імпульсів в серії отриманих оцінок

F min = FВ min - FН max.

Ширина смуг переходу і смуги пропускання дорівнює максимальному значенню частот світлових імпульсів в цій серії оцінок F max = FВ max - FН min (рис. 4б). Модель розрізнення частот світлових імпульсів при кусково-лінійній апроксимації виражається залежністю:

(9)



Рис. 4 Модель розрізнення частот світлових імпульсів

З метою дослідження зорового сприйняття світлових імпульсів розроблена імітаційна модель, для чого на підставі аналізу структурної схеми функціонування зорового аналізатора людини запропоновано структурно-функціональну модель у вигляді системи із зворотними зв'язками (рис. 6).

У результаті імітаційного моделювання визначена можливість оцінки часу відновлення і часу відчуття, їх варіабельність, залежність порогового міжімпульсного інтервалу і часу зорового сприйняття від тривалості імпульсів. Розроблені моделі дозволяють якісно і кількісно ідентифікувати частотно-часові режими впливу на орган зору імпульсним світлом загального об'єкту фіксації, що перемикається червоно-зеленим кольором свічення.

Найбільш ефективним при лікування амбліопії являються методи, у яких пацієнт свідомо намагається ідентифікувати послідовний образ. При цьому включаються резервні механізми в корі і підкірці головного мозку, які знімають процеси гальмування в амбліопічному оці.

Завданням розробленого автоматизованого методу є підвищення гостроти зору амбліопічного ока до рівня 0,3 - 0,4 Visus, що необхідно для проведення заходів щодо діагностики і лікування косоокості. Здатність злити зоровим аналізатором проміжні фрагменти тест-об'єкта, видимі через отвори в непрозорому диску, що обертається, в безперервне зображення, близька до здатності зберігати послідовний образ, оскільки в основі обох феноменів знаходиться ефект інертності зорового сприйняття. Інертність зорового сприйняття є його здатністю якийсь час зберігати результат світлової дії на око і, таким чином, накопичувати результати таких дій за деякий час Т. Інерція сприяє стійкості зорового відчуття і забезпечує саму можливість осмислення зорових образів. Часом інерції Т можна вважати деякий умовний проміжок часу, протягом якого тривало б зорове враження, якби воно якийсь час зберігало своє максимальне значення, а потім зникало б миттєво. Визначення часу інерції ускладнюється тим, що зорове відчуття загасає поступово, як деяка функція часу F(t), де t - час, що пройшов з моменту припинення дії світла.

Рис. 6 Структурно-функціональна модель зорового аналізатора

ал и ап - центральні ямки лівого і правого ока; Fл и Fп - вхідна зорова інформація лівого і правого ока; СР - світлочутливі рецептори; Гор К - горизонтальні клітини; БК - біполярні клітини; АК - амакрінові клітини; ГК - гангліозні клітини; Iзор - імпульси, що передаються у зорову частину головного мозку; Дл и Дп - лівий і правий підкіркові окорухові ядра; КДл і КДп - лівий і правий кіркові центри рухів очей; КСл і КСп - лівий і правий кіркові зорові центри; Ал і Ап - ліве і праве фовеальні кіркові представництва; Iм - вихідні імпульси зорового аналізатора; Е - асоціативний центр; б - кут повороту очного яблука у напрямі загальної точки фіксації.

Моменту t = 0 відповідає F(t)= 1, а t = ? відповідає F(t)= 0. Звідси:

. (10)

Час інерції T(с), залежить в основному від яскравості фону L (кд/м2) і може бути визначений за наближеною формулою:

. (11)

Отримання повного зображення оптотипа, в результаті підсвідомого злиття його фрагментів в єдине ціле, для дітей молодшого віку набагато легше, ніж утримання послідовного образу.

Дослідження властивостей і характеристик роботи рухового апарату зорового аналізатора вимагає аналізу внутрішніх процесів. Для цього необхідна побудова математичної моделі ОРА, що дозволяє відстежувати зміни його стану.

Математична модель ОРА представляється системою рівнянь:

(12)

де Iм - імпульси керування ОРА; P = {Px, Py} = м(?) - горизонтальне і вертикальне переміщення проекції напряму погляду в площині екрану коордиметрічної установки; м - функція перетворення; N - діагональна матриця сталих часу ti диференціальних рівнянь, що описують роботу однієї з трьох пар окорухаючих м'язів (i=1-3); M - вектор-стовбець вільних членів; ? - довжини м'язів, що рухають оком, визначувані функцією f по значеннях проекцій Р; f - функція перетворення поточного значення кута залежно від довжини ?.

Завдання визначення статичних характеристик лінійної частини ОРА розбивається на наступні етапи:

- визначення координат точок кріплення м'язів до сфери в стані спокою;

- визначення декартових координат тих же точок при зміні напряму взору, для фіксації контрольних точок екрану коордиметричної установки;

- визначення довжин тягових м'язів при зміні напряму взору;

- порівняння фактичних і номінальних довжин м'язів і видача відомостей про розузгодження.

Для здобуття геометричного опису точок кріплення м'язів до очного яблука необхідно представити їх у системі координат, прив'язаної до центру обертання сфери (точка О). Для цього розглядається проекція сфери очного яблука на горизонтальну площину XOY (рис. 7).

Рис. 7 Проекція сфери очного яблука на площину XOY

Оскільки м'язи діють попарно, то завдання визначення координат точок кріплення м'язів до сфери зводиться до знаходження координат пар точок A і B, C і D, N і K. Довжини м'язів, що рухають оком ? ={ ?AF, ?BF, ?CF, ?DF, ?NMF, ?KL} залежать від координат точок кріплення м'язів до очного яблука, які у довільний момент часу обчислювали таким чином:

, (13)

де , щ- відповідні кути при ОРА, що знаходиться в стані спокою; Д, Дщ - прирости кутів в довільний момент часу.

Довжини м'язів AF, BF, CF і DF в довільний момент часу обчислюються таким чином:

?, (14)

де ? - довжина відповідного м'яза; , , - координати кріплення відповідного м'яза; , , - координати його торкання.

Для м'яза NMF довжина визначається сумою складових NM і MF:

?

. (15)

Довжина м'яза KL обчислюється таким чином:

?

. (16)

Розроблені моделі дозволяють реалізувати апаратні методи розвитку і діагностики бінокулярного зору максимально наближено до дійсних і з високою точністю.

У третьому розділі приведена розробка апаратних засобів і програмного забезпечення офтальмологічного комплексу для діагностики і відновлення м'язів окорухового апарату зорового аналізатора.

Розроблена установка для відновлення зору амбліопічного ока забезпечує дію на зоровий аналізатор світловим потоком, сформованим у зображення, тобто такі зображення, що містять зорову інформацію, яка розглядається як адекватний подразник зорової системи, що збуджує детекторні елементи і викликає у відповідь реакцію у вигляді зорового образу. Рівномірне сканування об'єкту досягається тим, що всі отвори на диску рухаються з однаковою кутовою швидкістю. Отвори виконані на непрозорому диску по спіралі Архімеда і проходять різні відстані на своїх колах за один і той же проміжок часу. Орган зору здійснюватиме верзійні рухи по дузі, утвореній отвором, що виходить за область сектора, і що входить в нього (рис. 8).

Рис. 8 Порядок проходження отворів через сектор

Довжина дуги при обертанні диска змінюється. У полярній системі координат:

. (17)

. (18)

Розроблена офтальмологічна діагностична установка з високою точністю забезпечує: вимір кута косоокості, побудову коордиметрічної фігури для визначення стану м'язів окорухового апарату, можливість проведення диплоптичних вправ для відновлення бінокулярного зору. Автоматизація процесу діагностики вимагає використання сучасних схемотехнічних і інформаційних технологій, які дозволяють перекласти на апаратний і програмний інструментарії багато етапів діагностування. В основу розробленої офтальмологічної діагностичної установки лягли описані в розділі 2: структурно-функціональна імітаційна модель бінокулярного зору, автоматизований метод і об'єктно-орієнтована модель діагностування.

Функціональна схема розробленої автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки (АОДУ) представлена на рис. 9.

Рис. 9 Функціональна схема АОДУ

Пристрій керування світловим випромінювачем за технічними характеристиками забезпечує високу точність позиціювання світлових плям (не гірше n = 0,001 м). Погрішність муг, що вноситься механізмом переміщення світлового випромінювача, при діагностиці з відстані 1м в кутових градусах складає 0,27є. Це дозволило при проведенні аналізу коордиметрічних досліджень відповідно до прийнятих в офтальмології методик мати точні дані про ступінь ураження окорухових м'язів. Вживання керованих мікроконтролером крокових двигунів світлового випромінювача дає можливість визначення координат точки, що фіксується, і передачі їх в ПК для подальшого аналізу, відповідно до схеми розшифровки отриманих результатів.

В АОДУ для диплоптичного розділення полів зору як джерела випромінювання застосовуються світлодіоди, виготовлені на основі гетероструктур AlInGaP/GaP. Із залежності порівняння спектральних характеристик вибраних світлодіодів і чутливості ока людини видно, що вказані джерела випромінювання забезпечують максимальну світлопередачу. У досліджених методах діагностики і відновлення зору особливо важливою є висока вибірковість випромінювання. Найбільш оптимальними, для використовуваних джерел випромінювання, є оптичні абсорбційні світлофільтри марки ЗС7 і КС11 (ГОСТ 9411-81). З порівняльних характеристик визначено, що світлофільтр ЗС7 забезпечує пропускання випромінювання з довжиною хвилі 573 нм на рівні 80% і повне відбивання випромінювання з довжиною хвилі 639 нм. Відповідно, світлофільтр КС11 пропускає випромінювання довжиною хвилі 639 нм на рівні 90% і повністю відбиває випромінювання з довжиною хвилі 573 нм.

Мікроконтролер пристрою керування функціонує відповідно до розробленої мікропрограми, записаної в постійний пристрій, що запам'ятовує. Блок-схема мікропрограми показана на рис. 10. Викладені в попередніх главах теоретичні положення отримали свою реалізацію у вигляді автоматизованого засобу діагностування ОРА зорового аналізатора - програмного застосування "КООРДИМЕТР", що входить до складу автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки. Автором розроблена структура і алгоритми програмного інструментарію, а також виконані їх реалізація і впровадження.

Завданням програмного забезпечення є побудова діаграми, що характеризує ступінь ураження м'язів окорухового апарату. Таке рішення документально визначає ефективність заходів щодо відновлення бінокулярного зору.

Принцип функціонування програмного застосування "Коордиметр" представлений у вигляді блок - схеми на рис. 11. Програмний код складається з 4 основних модулів: модуль створення нового пацієнта, модуль вибору існуючого пацієнта з бази даних, модуль "експертної оцінки", основний модуль програми.

Рис. 10 Блок-схема мікропрограми функціонування мікроконтролера пристрою керування

Рис. 11 Блок - схема функціонування програмного забезпечення "Коордиметр"

Головна форма програмного меню "КООРДИМЕТР" (рис. 12) є зручним інструментом для користувача і дозволяє за допомогою маніпулятора здійснювати роботу з базою даних пацієнтів, управляти процесом діагностики, документувати дані результатів досліджень, управляти параметрами екранного коордиметричного поля.

Рис. 12 Головна форма програмного меню "Коордиметр"

У четвертому розділі описано експериментальне дослідження та оцінка ефективності розроблених методик і апаратних засобів відновлення і діагностики стану окорухового апарату зорового аналізатора.

Ефективність методики плеоптичного впливу на зоровий аналізатор була підтверджена у двадцяти п'яти пацієнтів з амбліопією слабкого, середнього і високого ступеню. Першу групу представляли десять пацієнтів віком п'ять - шість років. Серед них у п'яти була амбліопія слабкого ступеню, у трьох - середнього і в двох - високого. Пацієнти зі слабким ступенем амбліопії отримували лікування лише розробленою методикою на пристрої "Плеофор". Пацієнти з середнім і високим ступенем амбліопії спочатку отримували засвітлення методом Кюперса, а потім утримання послідовного образу було замінено прочитуванням оптотипу за розробленою методикою. Оцінка ефективності проведення відновлювального лікування на пристрої "Плеофор" у пацієнтів першої групи показала статистично значиме підвищення гостроти зору, не залежно від ступеню амбліопії. Підвищення гостроти зору спостерігалося в середньому на дві десятих (рис.13).

У другої групи з п'ятнадцяти пацієнтів з різними формами астигматизму гострота зору на обидва ока була 0,3 - 0,4 Visus. Після підбору окулярів гострота зору підвищилася до 0,4 - 0,5 Visus. Не чекаючи місячного терміну носіння окулярів, після звуження зіниць, відразу був призначений десятиденний курс лікування новим методом. Гострота зору в окулярах піднялася до 0,8 - 0,9 Visus. Паралельно обстежувалася контрольна група з п'ятнадцяти пацієнтів, в яких гострота зору на обидва ока була 0,3 - 0,5 Visus. Після корекції окулярами гострота зору підвищилася до 0,4 - 0,55 Visus. Контрольна група пройшла десятиденний курс відновлення зору амблиопичного ока: засвічення на великому безрефлексному офтальмоскопі з визначенням послідовного образу, вправи на локалізаторі-коректорі, заняття з амбліоспеклом. Гострота зору в окулярах піднялася до 0,65 - 0,8 Visus. Спостереження за пацієнтами обох груп проводилось протягом року (рис.14).

Рис. 13 Середня гострота зору у пацієнтів після проведення відновлювального лікування на пристрої "Плеофор"



Рис. 14 Гострота зору у пацієнтів другої і контрольної груп у різні періоди спостереження

Пацієнти, які пройшли відновлювальне лікування на пристрої "Плеофор" швидко адаптувалися до носіння окулярів корекції.

Розроблений пристрій відновлення бінокулярного зору компенсує недоліки характерні для хроматичної і призматичної диплоптик (двохетапність, вимоги свідомої участі пацієнта). Методика проста, що дозволяє її використовувати для пацієнтів різних вікових груп. Скорочується кількість сеансів без втрати якості результатів лікування. Новий спосіб розвитку бінокулярного зору був апробований у тридцяти дітей з різними формами косоокості (рис. 15). До і після проведення тренувань на розробленому пристрої, досліджувався характер зору на кольоротесті

У основу роботи діагностичної частини АОДУ лягла описана в розділі 2 модель, що визначає ступінь ураження окорухових м'язів при порівнянні основної і зміщеної координатних сіток, отриманих при фіксації діагностичних точок екрану.

Розроблена інформаційна технологія, описана в розділі 3, дозволяє автоматизувати всі етапи процесу діагностики від знімання інформації до її обробки і занесення в базу даних.



Рис. 15 Дослідження ефективності використання пристрою для відновлення бінокулярного зору

Таблиця 1 Характер зору при дослідженні на кольоротесті до і після відновлення бінокулярного зору за допомогою розробленого пристрою

Після лікування	До лікування
	Монокулярний	Одночасний	Нестійкий бинокулярний	Всього
	Кількість пацієнтів	%	Кількість пацієнтів	%	Кількість пацієнтів	%	Кількість пацієнтів	%
	10	33,3	14	46,7	6	20	30	100
Монокулярний	1	3,3	0	0	0	0	1	3,3
Одночасний	4	13,3	3	10	0	0	7	23,3
Бінокулярний	5	16,7	9	30	5	16,7	19	63,3
Нестійкий бінокулярний	0	0	2	6,7	1	3,3	3	10

Експериментальні дослідження часу діагностики проводилися на стандартній коордиметричній установці і на розробленій АОДУ для десяти пацієнтів із стійким бінокулярним зором, отриманим після проведення курсу відновних заходів на диплоптичному пристрої. Кожен пацієнт по три рази визначав положення контрольних точок на екранах установок у визначеному методикою порядку. Усереднені результати досліджень (рис. 16) показують, що витрати часу діагностики на розробленій автоматизованій діагностичній установці в 2,94 рази менше, ніж стандартним методом. Це пояснюється тим, що робота з маніпулятором і фіксація контрольної точки кнопкою, зручніша, ніж поєднання світлових плям ліхтариками і відмітка фіксатором відповідної точки на коордиметричній сітці.

Рис. 16 Результати часу діагностичних досліджень стандартним і знов розробленим методами

Знаючи координати діагностичних точок екрану, точок зафіксованих пацієнтом і систему лінійних і диференціальних рівнянь, що представляють математичну модель функціонування ОРА, можна обчислити значення коефіцієнтів системи рівнянь, тобто параметри досліджуваного органу зору. Підсистема розрахунку параметрів ОРА визначає параметри окорухових м'язів при відхиленнях напряму погляду. Для визначення значень статичних діагностичних показників використовується математична модель ОРА. На вхід моделі поступає кут відхилення напряму погляду, з виходу знімаються значення довжин ОРМ. Міра порушення ОРА характеризується величиною кута відхилення напряму погляду від нормального.

Точність результатів діагностики стану окорухових м'язів оцінювалася при порівнянні діаграм отриманих на розробленій автоматизованій діагностичній установці і стандартним коордиметричним методом. Вимір кута косоокості контролювався об'єктивним методом на синоптофорі. Дослідження проведені для десяти пацієнтів показали, що точність визначення кута косоокості АОДУ на 4,83% вища, ніж існуючим коордиметричним методом і наближена до об'єктивних методів виміру.

бінокулярний окоруховий зоровий діагностика

Висновки

Проведені у роботі розробки та дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Встановлено, що метод коордиметричних досліджень стану м'язів, які рухають оком ефективно застосовується при відновлені бінокулярного зору, в поєднанні з плеоптичним та диплоптичним методами впливу на зоровий аналізатор.

2. Розроблено методику відновлення бінокулярних функцій органу зору шляхом спостереження загального об'єкту фіксації, що перемикається червоним і зеленим кольором світіння, при диплоптичному розділенні полів зору очей. Показано можливість оцінки часу відновлення і часу відчуття, їх варіабельність, залежність порогового міжімпульсного інтервалу і часу зорового сприйняття від тривалості світлових імпульсів.

3. Запропоновано методику здобуття вторинного зорового образу за рахунок інертності зорового сприйняття при спостереженні оптотипу через скануючі його отвори, що в результаті підсвідомого злиття його фрагментів в єдине ціле для пацієнтів молодшого віку набагато легше, ніж утримання послідовного образу існуючими методами.

4. Встановлено, що метод автоматизованої діагностики стану ОРА дозволяє на підставі значень показників об'єкту і процесу діагностики побудувати з точністю 0,98 діаграму стану окорухаючих м'язів.

5. Проведено оптимізацію спектральних характеристик світлодіодів і світлофільтрів,що підвищує якість і точність діагностики стану органу зору до 0,99 і наближує процес відновлення бінокулярного зору до природних умов.

6. Запропоновано апаратну і інформаційну технологію діагностування ОРА зорового аналізатора, що використовує оригінальну інформаційну модель.

7. Створено діючий стенд розробленої автоматизованої офтальмологічної діагностичної установки, дослідження на якому показали, що час обстеження одного пацієнта зменшується в 2,94 рази а точність визначення кута косоокості підвищується на 4,83%, порівняно з існуючим коордиметричним методом.

9. Показано, що застосування запропонованої методики та розробленого обладнання плеоптичного відновлення бінокулярного зору дозволяє у десятиденний термін лікування підвищити гостроту зору пацієнтів з 0,3-0,4 Visus до 0,8-0,9 Visus (за стандартною методикою: засвітлення на великому безрефлексному офтальмоскопі з визначенням послідовного образу, вправи на локалізаторі-коректорі, заняття з амбліоспеклом, гострота зору підвищилась до 0,65 - 0,8 Visus).

Список опублікованих праць

1. Электростимулятор глазных мышц экспоненциальными модулированными импульсами / Е.Я.Швец, Л.Л. Веревкин, Посунько А.П. [и др.] // Радиоэлектроника Информатика Управление. - 2003. - №1. - С. 24-26. Здобувачем виконано дослідження впливу імпульсів різної форми на м'язи окорухаючого апарату та запропоновано ввести паузу між послідовністю імпульсів для усунення ефекту звикання.

2. Миниатюрный электростимулятор глазных мышц / Е.Я. Швец, Л.Л. Веревкин, О.Н. Поправка [и др.] // Электроника и связь. - 2003. - №18. - С. 102-103. Здобувачем запропоновано схему пристрою, яка виробляє імпульси з наростаючими і спадаючими фронтами експоненціальної форми з регульованою частотою заповнення для міостимуляції.

3. Лазерная система для ультрафиолетовой стерилизации внутритканевых очагов бактериального заражения / Н.В. Свитанько, Ю.С. Оселедчик, И.Ф. Червонный [и др.] // Электроника и связь. - 2004. - Т. 9, №21. - С. 62-63. Здобувачем виконані експериментальні дослідження ефективності знезараження медичного інструменту запропонованим способом.

4. Компьютерный комплекс для диагностики косоглазия / Л.Л. Веревкин, Е.Я. Швец, А.П. Посунько [и др.] // Электроника и связь. - 2004. - №23. - С. 112-113. Здобувачем розроблено методику проведення діагностики та розроблено програмне забезпечення комплексу.

5. Швец Е.Я. Микроконтроллерное устройство для лечения амблиопии / Е.Я. Швец, Л.Л. Веревкин // Радиоэлектроника Информатика Управление. - 2006. - №2. - С. 45-48. Здобувачем розроблено методику отримання послідовного зорового образу без свідомої участі пацієнта.

6. Оптимизация спектральных характеристик диплоптических приборов для диагностики и восстановления бинокулярного зрения / Е.Я. Швец, Л.Л. Веревкин, Н.В. Свитанько [и др.] // Электроника и связь. - 2008. - №3-4. - С. 99-101. Здобувачем виконано аналіз спектральних характеристик оптичних фільтрів та світлодіодів на відповідність світосприйняття кольору органом зору.

7. Плеоптическое устройство для восстановления зрения амблиопичного глаза / Л.Л. Веревкин, Е.Я. Швец, Н.В. Свитанько [и др.] // Электроника и связь. - 2009. - №2-3. - С. 181-184. Здобувачем розроблено конструкцію та схему програмного керування пристроєм.

8. Веревкин Л.Л. Математическое моделирование диплоптического разделения полей зрения для дальнейшего использования в автоматизированной коордиметрической установке / Л.Л. Веревкин, Е.Я. Швец, Н.В. Свитанько // Электроника и связь. - №2. - 2010. - С. 149-153. Здобувачем розраховано імітаційну модель сприйняття світлових імпульсів, визначено можливість оцінки часу відновлення і часу відчуття, залежність порогового міжімпульсного інтервалу і часу зорового сприйняття від тривалості імпульсів.

9. Пат. 47271А Україна, МПК А61F9/00. Апарат для розвитку бінокулярного зору / Поправка О.М., Верьовкін Л.Л.; заявник і патентовласник Запорізька державна інженерна академія. - №2001106711; заявл. 01.10.2001; опубл. 17.06.2002, Бюл. №6. Здобувачем запропоновано ввести в конструкцію апарату диск з червоним і зеленим світлофільтрами, для освітлення загального об'єкта фіксації.

10. Пат. 6122 Україна, МПК А61F9/00. Апарат для лікування амбліопії „Плеофор” / Поправка О.М., Верьовкін Л.Л., Швець Є.Я., Червоний І.Ф., Сидоренко М.Г., Посунько О.П., Багаєв Р.А.; заявник і патентовласник Запорізька державна інженерна академія. - №20040907958; заявл. 30.09.2004; опубл. 15.04.2005, Бюл. №4. Здобувачем запропоновано для отримання послідовного зорового образу без свідомої участі пацієнта, розглядати оптотипи розташовані за непрозорим диском з отворами, що обертається.

11. Пат. 10699 Україна, МПК А61F9/00. Апарат для розвитку бінокулярного зору / Поправка О.М., Верьовкін Л.Л., Швець Є.Я., Червоний І.Ф., Сидоренко М.Г., Посунько О.П.,. Багаєв Р.А,. Юдачов А.В; заявник і патентовласник Запорізька державна інженерна академія. - № u200505443; заявл. 07.06.2005; опубл. 15.11.2005, Бюл. №11. Здобувачем запропоновано використовувати при диплоптичному відновленні бінокулярного зору призматичну корекцію.

12. Пат. 12715 Україна, МПК B62D21/02, А61F9/00. Апарат для розвитку бінокулярного зору / Поправка О.М., Верьовкін Л.Л., Швець Є.Я., Червоний І.Ф., Сидоренко М.Г., Посунько О.П., Юдачов А.В., Багаєв Р.А.; заявник і патентовласник Запорізька державна інженерна академія. - № u200508887; заявл. 19.09.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл. №2. Здобувачем запропоновано використання оптотипа спеціальної форми з центральною точкою загальної фіксації при диплоптичному відновленні бінокулярного зору.

Размещено на Allbest.ru

...