Введение к работе
Актуальность проблемы. Зрение играет большую роль в жизнедеятельности человека. Зрительная система является одной из важных сенсорных систем организма и обеспечивает человеку получение и обработку более 80% информации об окружающем его 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 не исключены отклонения от его нормального развития, которые приводят к нарушениям аккомодации, бинокулярного и стереоскопического зрения, заболеваниям глаз. Поэтому проблема диагностики состояния и контроля уровня развития зрения детей особенно дошкольного возраста является одной из социально значимых.
Для исследования функций и оценки состояния зрения сегодня широко используют различные офтальмодиагностические приборы и системы. Однако средств исследования зрения детей и, в частности, дошкольного возраста практически нет. Это объясняется целым рядом причин: особенностями психомоторной реакции, психоэмоционального и интеллектуального развития испытуемых рассматриваемой возрастной группы, низким уровнем внимания, быстрой утомляемостью и т.д. Все это делает задачу исследования зрения весьма сложной. По этой причине традиционные методы и инструментальные средства офтальмодиагностики, успешно используемые для изучения зрения взрослого населения, в рассматриваемом случае не пригодны. Для исследования состояния зрения детей необходимо разрабатывать специальные методики и инструментальные средства, которые учитывали бы специфику объекта исследования.
Бурное развитие электронных офтальмодиагностических приборов на основе микропроцессорной техники (персональных ЭВМ) и электронных средств визуализации зрительных стимулов, и в частности дисплеев на цветных электронно-лучевых трубках (ЦЭЛТ), сегодня создает широкие возможности для разработки автоматизированных систем оценки состояния зрения детей дошкольного возраста. Такие системы позволяют использовать методики исследования зрения с учетом психофизических, психофизиологических и психоэмоциональных особенностей развития детей, полностью автоматизировать процесс обследования, включая этапы синтеза и предъявления зрительных стимулов, регистрации ответной реакции испытуемого, обработ-
ки и анализа результатов исследования, обеспечить интеллектуальную поддержку принятия решений врача-исследователя. Для снижения негативного влияния психологических факторов обследования могут быть использованы игровые методики тестирования, которые повысят уровень зрительного внимания и эффективность выполнения тестовых заданий. Использование средств микропроцессорной техники для решения этих задач позволяет говорить о компьютерной технологии исследования зрения детей. Однако сегодня не совсем четко определены структура и элементы компьютерной технологии, остаются открытыми вопросы методического обеспечения исследований.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании компьютерной технологии для оценки порогов зрения детей дошкольного возраста с использованием электронных устройств визуализации зрительных стимулов.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:
систематизация структуры и исследование элементов компьютерной технологии для оценки порогов зрения с использованием ЦЭЛТ;
разработка математической модели зрительного восприятия для изучения порогов зрения и методов их оценки;
разработка алгоритмов оценки порогов зрения с использованием методов статистических измерений, сокращающих продолжительность исследований при заданной точности результатов оценки;
разработка основных элементов компьютерной технологии - средств синтеза тестовых изображений, регастрации ответной реакции испытуемого, обработки результатов исследований и нормализации состояния испытуемого;
реализация биотехнической системы для исследования зрения детей дошкольного возраста, методик исследования, программного обеспечения и проведение экспериментальных исследований.
Объектом исследования является биотехническая система для исследования зрения детей дошкольного возраста.
Предметом исследования являются компоненты компьютерной технологии для исследования зрения с использованием устройств визуализации
зрительных стимулов на ЦЭЛТ.
Методы исследования. Теоретические и прикладные разделы диссертации разработаны с применением теорий синтеза биотехнических систем, математического анализа, методов аналитической и проективной геометрии, аппарата теорий вероятностей и случайных процессов, теории измерений и метрологии.
Экспериментальные исследования проводились в государственном электротехническом университете и базировались на применении методов математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Оценка порогов зрения должна осуществляться при заданной вероятности обнаружения из-за их статистической природы;
-
Компоненты комльютерной технологии для исследования зрения должны использовать методы и алгоритмы статистических измерений и об-работки результатов; адаптивного косвенного управления параметрами стимулов; учитывать изменение характеристик погрешностей оценки порогов зрения из-за использования косвенных методов измерения.
Новые научные результаты, подтверждающие эти научные положения:
проведена систематизация структуры и определены элементы компьютерной технологии для исследования зрения детей с использованием ЦЭЛТ;
разработана математическая модель зрительного восприятия, раскрывающая статистическую природу порогов зрения, а также необходимость определения вероятности правильных ответов испытуемого и индекса обнаружения при их оценке;
предложены методы оценки порогов зрения детей, основанные на методах статистических измерений при заданной вероятности обнаружения зрительных стимулов;
получены аналитические соотношения, связывающие пространства описания зрительного образа и тестового изображения, формируемого ЦЭЛТ;
- предложен метод адаптивного косвенного управления параметрами
тестового изображения с целью сокращения продолжительности тестирования и снижения ошибок регистрации ответной реакции испытуемого;
- показано изменение характеристик распределения и появление систе
матических погрешностей оценки порогов зрения при их оценке по парамет
рам тестового изображения.
Практическая ценность работы составляют:
структура компьютерной технологии исследования зрения детей с использованием ЦЭЛТ;
аналитические соотношения, связывающие пороги зрительного восприятия с вероятностью и индексом обнаружения;
алгоритмы оценки порогов зрения, основанные на методах статистических измерений и сокращающие продолжительность тестирования испытуемого;
аналитические соотношения для синтеза тестового изображения на экране ЦЭЛТ;
аналитические соотношения для оценки систематических погрешностей оценки порогов зрения по результатам косвенных измерений;
рекомендации по снижению методических погрешностей исследования зрения;
методики исследования и автоматизированный комплекс для оценки порогов зрения детей дошкольного возраста
Внедрение результатов.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета гранта "Компьютерная технолопія офтальмо-психологического контроля детей дошкольного возраста" (N гос. регистрации 01960013040) по НТП Минобразования "Фундаментальные проблемы приборостроения"), научно-исследовательских работ "Компьютерные технологии оценки состояігая здоровья, реабилитации и развития детей" по НТП "Фундаментальные исследования в области технологии живых систем"; "Моделирование биологических процессов для информационных систем медицинского назначения", "Автоматизированный комплекс для оценки зрительной способности человека - оператора" (N гос. регистрации 0197 0006874) по НТП "Конверсия и высокие технологии 1998-2000" и внедрены в ТЭТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях по мягким вычислениям и измерениям "SCM-98"
и "SCM-99" (Санкт-Петербург, 1998 - 1999 гг.), "Измерительные информационные технологии и приборы в охране здоровья" МЕТРОМЕД-99 (Санкт-Петербург, 1999 г.), международном симпозиуме "Электроника в медицине" (Санкт-Петербург, 2000 г.), Всероссийских научно-технических конференциях "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 1999 г.), "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность"(Санкт-Петербург, 1998 гг.), и на ежегодных научно-техпиче-ских конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1998-2000 гг.).
Разработанный на основе полученных научных и практических результатов работы автоматизированный комплекс для исследования зрения детей дошкольного возраста демонстрировался на выставке достижений ГЭТУ, Санкт-Петербург, 2000 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста. Работа содержит 34 рисунка и 6 таблиц.