Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ достижений в области исследования бинокулярного зрения и лечения его нарушений. Подход к построению БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения 12
1.1 Роль бинокулярного зрения в зрительном восприятии. Основные компоненты бинокулярного зрения 12
1.2 Анализ физиологических данных о бинокулярном зрении 18
1.3 Анализ методов и аппаратов для диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения 20
1.4 Подход к построению БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения 34
1.5 Выводы по главе 1 40
2 Синтез ТС цветоимпульсного воздействия, контролируемого реакцией пациента 41
2.1 Аппарат спектральный офтальмологический лечебно-диагностический АСОЛД-01 41
2.2 АПК диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения .46
2.3 Методика диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрении 61
2.4 Выводы Jїй главе 2 67
3 Синтез БТС цветоимпульсного воздействия, контролируемого автоматически 68
3.1 Структура БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения 68
3.2 Взаимосвязь бинокулярных зрительных восприятий и электро физиологической активности головного мозга 74
3.3 Алгоритм обработки ЭЭГ-сигнала для автоматического обнаружения моментов переключения полей зрения 101
3.4 Техническая реализация БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения 107
3.5 Выводы по главе 3 110
4 Экспериментальные исследования влияния дветоимпульсного воздействия на состояние зрительной системы и биоритмы оинокулярною зрения 111
4.1 Методика проведения эксперимента 111
4.2 Результаты экспериментальных исследований влияния дветоимпульсного воздействия на систему бинокулярного зрения 117
4.3 Опенка эффективности терапевтического дветоимпульсного воздействия 124
4.4 Выводы по главе 4 129
5 Заключение 130
Список использованных источников 132
Приложения
- Анализ физиологических данных о бинокулярном зрении
- АПК диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения
- Взаимосвязь бинокулярных зрительных восприятий и электро физиологической активности головного мозга
- Результаты экспериментальных исследований влияния дветоимпульсного воздействия на систему бинокулярного зрения
Введение к работе
Бинокулярное зрение - это зрение двумя глазами с соединением в зрительгюм анализаторе одновременно полученных ими изображений в единый образ. Наличие бинокулярного зрения является необходимым условием для представителей ряда профессий - водители, летчики, мастера точной механики, операторы сложных систем управления, при выполнении точных производственных операций, при работе с бинокулярными и стереоскопическими приборами, в различных видах спорта. Ухудшение стереозрения приводит к трудностям в оценке удаленности объектов и их положения в окружающем пространстве. Некоторые профессии недоступны для людей, которые хорошо видят только одним глазом (это отсутствие стереозрения и бинокулярного восприятия глубины, см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1).
Преимущества бинокулярного зрения но сравнению с монокулярным общеизвестны. При видении двумя глазами увеличивается поле зрения и возрастает чувствительность, так как суммируются сигналы от обеих сетчаток. Острота бинокулярного зрения выше остроты монокулярного зрения примерно в 1,4 раза, а время реакции оператора в 1,1-1,2 раза меньше. При бинокулярном рассмотрении изображения уменьшается утомляемость и растет распознаваемость объекта рассматривания [60],
В последнее время среди нарушений функции зрительного анализатора возросло количество заболеваний, связанных с нарушением процессов бинокулярных зрительных восприятий. По данным медицинской статистики 12% населения имеет какие-либо нарушения бинокулярного зрения. Только одному тину бинокулярного нарушения - амблиопии подвержено около 3% населения. Множество людей видит мир только одним глазом -монокулярно. Явное косоглазие - нарушение бинокулярного зрения, которое легко распознается сторонним наблюдателем. Но не все нарушения
бинокулярного прения обнаружить так же легко, для комплексной диагностики нарушений бинокулярного зрения и его коррекции із медицинской практике используется широкий спектр аппаратов и меюдов,
В частности, существуют методы и аппараты, позволяющие качественно оценить вид зрения пациента и выявить проявление бинокулярного контраста. Оно заключается в том, что при бинокулярной фиксации объектов с различными свойствами (например, освещенного экрана в очках с красно-зелеными светофильтрами) информация в головной мозг поступает попеременно от правого и левого глаз (цвет экрана периодически воспринимается испытуемым то красным, то зеленым). Явление бинокулярного контраста можно оценить количественно: измерить время наблюдения пациентом объектов от правого и левого глаз - биоритмы зрительных восприятий бинокулярного зрения. Они являются важным физиологическим показателем при оценке функции бинокулярного зрения и зрительной системы в целом. В норме значения биоритмов должно лежать в диапазоне от 1 до 4 секунд, а их соотношение для правого и левого глаз- от J до 1,5.
Часто нарушения функций зрительного анализатора связаны именно с процессом бинокулярных, зрительных восприятий, когда значения биоритмов не соответствуют приведенным выше или увеличиваются со временем и ритмического чередования полей прения нс происходит. Своевременное выявление таких отклонений позволит обнаружить скрытые нарушения зрительной системы и диагностировать склонность к зрительному утомлению. Скорректировать такие нарушения возможно с помощью правильно подобранного цветоимпульсиого воздействия.
Несмотря на важность количественной диагностики биоритмов бинокулярного зрения, в настоящее время нет аппаратуры, позволяющей определить их значения, либо точность диагностики неудовлетворительна вследствие наличия субъективного фактора - моменты переключения полей зрения (а по ним - значения биоритмов бинокулярного зрения) определяются
со слов пациента. Для того чтобы избежать его влияния, необходимо перейти к объективному способу оценки ритмического процесса бинокулярных зрительных восприятий, основанному на обработке электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и построить систему с использованием биопотенциалов головного мозіа в качестве сигналов, содержащих информацию о моментах переключения полей зрения. В исследование бинокулярных зрительных восприятий большой вклад внесли отечественные ученые И.М- Сеченов, И.П. Павлов, ЯЛ. Рапопорт, Т.П. Тетерина, ЛЛ1 Волкова, Л.Н. Добромыслов и др. Перспективным продолжением работ в данном направлении является выявление признаков отображения бинокулярного контраста на ЭЭГ с целью автоматизации определения биоритмов бинокулярного зрения.
Результаты количественной оценки биоритмов зрительных восприятий могут с успехом использоваться .для определения индивидуальных параметров цветоимпульсного воздействия на зрительный анализатор, что повысило бы эффективность терапевтической процедуры. В существующих аппаратах для цветотерапии отсутствует возможность синхронизировать параметры воздействующих импульсов с биоритмами пациента.
В связи с этим актуальной задачей является построение биотехнической системы (БГС) диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения, в которой биоритмы бинокулярного зрения определяются автоматически по результатам обработки сигнала ЭЭГ. а цветонмпульсное воздействие связано с собственными биоритмами пациента: на начальном этапе воздействие производится с автоматически измеренными биоритмами пациента, а затем происходит перестройка ритмического процесса бинокулярных восприятий до значений, соответствующих норме.
Работа по исследованию и проектированию БТС выполнялась при поддержке федеральной целевой научно-технической программы по гранту Федеральною агентства по образованию, предоставленному автору для
/
выполнения НИР "Теоретические основы построения БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения" (шифр А04-3.20-846).
Актуальность работы подтверждается тем, что медико-технические требования на разработку и освоение одного из вариантов реализации БТС -аппарата спектрального офтальмологического лечебно-диагностического АСОЛД-01 утверждены Департаментом государственного контроля лекарственных средств, изделий медицинского назначения и медицинской техники 3 ноября 2003 г.
Цель диссертационной работы
Целью работы является повышение эффективности цветоимпульсиой терапии зрительных функций за счет индивидуальной подстройки параметров воздействующих импульсов под биоритмы бинокулярного зрения человека, реализованной в БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:
Анализ физиологических данных о бинокулярном зрении
Анализ современных физиологических данных приводит к заключению, что зрительная система обладает несколькими взаимно-дополняющими друг друга механизмами бинокулярного слияния б, І4, 21, 22, 24, 25, 26? 27, 33, 36].
При рассматривании реальных трехмерных сцен наблюдателю приходится переводить взор с одного объекта на другой, расположенный на ином расстоянии от глаз, и осуществлять бификсацию очередного рассматриваемого объекта [24, 100, 108, 121].
Ниже будут рассмотрены данные, относящиеся к трем основным уровням обработки зрительной информации - сетчатка, наружное коленчатое тело (НКТ) и первичные области зрительной коры, имеющие значение для бинокулярного зрения (рисунок 1.2).
Сетчатка и зрительный тракт. Пусть входное изображение попадает на те половины обеих сетчаток, которые окрашены в красный нвет. Ыазти области проецируется противоположная половина пространства (левое зрительное поле); в конечном счете, входная информация передается в правую половину мозга (пути ее передачи тоже окрашены в красный цвет). Связь сетчатки с высшими отделами характерна тем, что пучки зрительных волокон от разных глаз в хиазме перекрещиваются - примерно половина волокон остается в том же (ипсилатералъном) полушарии, а половина волокон переходит в другое (контрлатеральное данному і лазу) полушарие. Таким образом, во-первых, каждое полушарие получает информацию от обоих глаз; во-вторых, каждое полушарие получает информацию о противоположной половине видимого мира, в-третьих, уже в зрительном тракте осуществляется перекрытие полей зрения в области вертикального меридиана [106].
На этапе постановки задачи исследования был проведен обзор и анализ существующих методов и аппаратов для диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения, методов исследования физиологии бинокулярного зрения с целью определения направления дальнейших исследований и формулирования медико-технических требований к БТС диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения и выделения основных этапов ее синтеза.
Специфика исследования, восстановления и закрепления путем тренировочных упражнений нормального функционирования аппарата бинокулярного зрения требует разнообразия условий исследования и тренировок, максимально приближенных к естественным, во избежание возникновения так называемого приборного зрения. Этим объясняется наличие в медицинской практике различных приборов одинаконого функционального назначения.
Значительную часть приборов для исследования и восстановления бинокулярного зрения составляют приборы и аппараты для исследования и лечения косоглазия и амблиопии. Также в медицинской практике и научных исследованиях используются различные методы диагностики функций бинокулярного зрения.
Наиболее часто используемым способом измерения угла косоглазия является тест Гиршберги. Свет (ш зеркала офтальмоскопа, лампочки, свечи) направляют прямо (спереди) в глаза и оценивают место расположения его рефлекса на роговице, С помоіцью тгого теста легко исключается ложное косоглазие, напоминающее сходящееся при широкой переносице или расходящееся при укорочении глазной щели со стороны виска.
Тесты с перекрытием одного г:ш:ш предназначены для выявления явного и скрытого косоглазия по установочному движению, а также для измерения его угла страбомстром или миллиметровой линейкой по степени смещения. Тесть} Меддокса с разделением полей зрения для выявления скрытого косоглазия. Исследование проводят с разделением изображений парных глаз. Испытуемый одним глазом может видеть только две (горизонтальную и вертикальную) крестовидно пересекающиеся шкалы цифр, а другим -вертикально и горизонтально ориентированные стрелки. В результате бинокулярного наложения одного изображения на другое и невозможности слияния столь разных картин н единый образ обнаружится скрытое косоглазие.
Исследование диплопии но Гаабу. Исследование диплопии по Гаабу в отсутствие коордиметра играет важную роль в определении слабо-функционирующей мьшшы.
Оценка силы мышц по данным коордиметрии (тест Тесса). Пациенту надевают очки с красным и зеленым фильтрами, в руки дают зеленую световую указку. У врача световая указка красного цвета. Свет от нее врач направляет на экран и просит пациента своим зеленым "зайчиком" накрыть красное пятно. При нормальной функции всех наружных мышц обоих глаз это без труда удается, хотя каждый глаз видит только одну метку такого цвета, который совпадает с цветом соответетствуюшего фильтра.
АПК диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения
Описанная выше система для диагностики и восстановления зрительных функций, также как и аппарат АСОЛД-01, наряду с указанными достоинствами, обладает ограниченным набором функций.
Следующим этапом работы является создание АПК диагностики и лечения нарушений бинокулярного зрения на базе ПК, обладает большими возможностями, необходимыми для проведения экспериментальных исследований влияния цветоимпульсного воздействия на биоритмы бинокулярного зрения и на состояние зрительной системы в целом. 2.2.1 Структура АПК
АПК спроектирован на базе ПЭВМ, как удобного средства, служащего для хранения и оперирования полученной информацией, т.к. результаты диагностики биоритмов должны быть наглядно представлены в виде таблиц и графиков текущих и средних значений, архивироваться в базе данных. Также система должна позволять использование различных методик диагностики и терапии, отличающихся комбинациями цветов, длительностей импульсов, режимов воздействия, длительностей процедуры.
Блока управления построен на основе микроконтроллера серии AVR. Выбор микроконтроллера обусловлен наличием в его составе встроенного АЦП, которое предполагается использовать для дальнейшего совершенствования комплекса. В устройегвс предусмотрена схема сброса для перевода микроконтроллера в исходное состояние, схема светодиодной индикации (4 светодиода), отображающая режим функционирования устройства, схема звуковой индикации, используемая для сигнализации некоторых ключевых состояний блока управления. Обе схемы различным образом могут использоваться при отладке программного обеспечения микроконтроллера. В состав устройства входят транзисторные ключи, посредством которых осуществляется управление светодиодами очкое-фотостумуляторов. Связь с ПЭВМ осуществляется посредством интерфейса RS-232C.
Очки-фотостгтуляторы состоят из 2-х каналов (для левого и правого глаз), содержащих свегодподы красного, зеленого и синего цвета. Устройство позволяет подавать в калсдый глаз свет, излучаемый произвольной комбинацией светодиодов соответствующей пары с чередованием по требуемому алгоритму, что и составляет основу цветоимпульсного воздействия.
На базе электрической принципиальной схемы блока управления был разработан макетный образец комплекса, в котором использованы очки-фотостимуляторы аппарата АСОЛД-01. Для данной системы было разработано ПО, включающее программу для микропроцессора и программный комплекс для ПК с возможностью хранения параметров процедур и результатов диагностики в базе данных.
Для этого необходимо выбрать номер оот-пурта щ списка и нажать клавишу орет После этого активизируется клавиша close, которая позволят закрыть corn-порт (используется е служебных целях), 2. Ввтети фанйлиіо испытуемого о поле. При необходимое можйо шюттъ їюж"Оітстт" тгь неооходиж е количество ояошв для диагностики и задать параметры кшлош. 4. Затем испытуемый лплжені одеть очкк-фотостемулеторм и отрегулировать их меж -фичшвое расстояние. 5. Нажать кцопку "STAET" дш начала диагностики. Во время диагностика испытуемый должен нажимать следующие кнопки т клавиатуре ПК: стрелка вправо - в воспринимать объект, предъявляемый правому глазу; ?!стрелка шісво - о момент времени, кшде он нэтинвд :приништь объест, предъявляемый левому глазу; "стрелка вштп - в случае, еслш он воспринимает оЫ объекта Рщувдк 2Ж - Окт программы View тжй View состоит на пяти полей 1. поле исследований; 2. поле параметров блоков диагностики; 3. поле комментариев; 4. таблица значений биоритмов (рисунок 2.9) 5. поле графического представления результатов (рисунок 2.10). Красными маркерами отмечены моменты времени, когда испытуемый начинал воспринимать объект, предъявляемый правому глазу; зелеными маркерами -левому глазу, синими маркерами - моменты начала одновременного зрения.
Взаимосвязь бинокулярных зрительных восприятий и электро физиологической активности головного мозга
Была разработана методика проведения экспериментальных исследований, которая заключается в одновременном наблюдении пациентом явления бинокулярного контракта и регистрации электроэнцефалограммы. Предварительно пациенты проходили качественную оценку нида зрения, и для участия в экспериментах были отобраны 14 человек (возраст от 20 до 30 лет) с явным наличием бинокулярного зрения. Эксперименты проводились в отделении функциональной диагностики Клинико-диагностического центра ГУЗ ТО "Тульская областная больница". Испытания проводились с использованием метода электроэнцефалографии с компьютерной обработкой на аппаратно-программном комплексе "Нейрокартограф-ОІ-МБН" научно-медицинской фирмы МБН .
Для выявления вішшосішй биоримав бинокулярных зрительных восприятий и ЭЭГ обрабатываются ЭЭГ сигналы в отведениях 01 и 02, Выбар этих отведений обусловлен шштомо фшиояогическими характеристиками зрительной системи, в том числе системы бішокугшрного зрения, Т-к. предполагается, HJQ биоритмы зрительных восприятий связаны непосредственно с шидитудно-шдулирощшньш здьфз-ритмом [93], необходимо пронести фильтрацию исходного ЭЭГ-сигнала в полосе альфа-ритма.
Цифровая фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных средств цифровой обработки сигналов (ЦОС). Кроме очевидных преимуществ устранения ошибок в фильтре, связанных с флуктуациями параметров пассивных компонентов во времени и по температуре, дрейфом ОУ (в активных фильтрах) и т.д., цифровые фильтры способны удовлетворять таким техническим требованиям, которых было бы чрезвычайно трудно достичь в аналоговом исполнении. Кроме того, характеристики цифрового фильтра могут быть легко изменены программно.
Процесс проектирования цифровых фильтров состоит из тех же этапов, что и процесс проектирования аналоговых фильтров. Сначала формулируются требования к желаемым характеристикам фильтра, по которым затем рассчитываются параметры фильтра, позволяющие получить амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики заданного тина. Основными параметрами цифрового фильтра являются частоты среза и неравномерность АЧХ и полосе частот пропускания и задержания.
Следует отметить, что сигнал регистрируется при открытых глазах, что сопровождается подавлением альфа-ритма в исходном сигнале, а в результате фильтрации амплитудная модуляция альфа-ритма становится более выраженной.
Таким образом, предварительные результаты анализа отфильтрованного сигнала показывают, что задача автоматизации обнаружения моментов переключения полей зрения сводится к выделению перегибов амплитудно-модулированного альфа-ритма отфильтрованного сигнала.
Результаты экспериментальных исследований влияния дветоимпульсного воздействия на систему бинокулярного зрения
Результаты зкеперимеїггальньїх исследований оценивались в двух основных аспектах: влияние на состояние зрительной системы в целом и на биоритмы бинокулярного зрения в частности. Наличие слияния двух объектов, предъявляемых правому и левому глазам, в один тесно связано с типами бинокулярных проекций. Как видно из графиков (рисунок 4.1) терапевтический эффект достигается более чем в 50% случаев.
Рассмотрим влияние цветоимпульсного воздействия на состояние системы бинокулярного зрения - биоритмы зрительных восприятий, их соотношение, тип бинокулярных проекций (параметры 1, 2 и 3) более подробно.
Как описано выше, выделены следующие типы бинокулярных проекций: тип 1 - соответствует нормальному механизму межмонокулярных ритмических взаимосвязей и взаимодействий в акте бинокулярного зрения, тип 2а -характеризуется тем, что на фоне светового экрана наблюдается совмещение цветовых полей па 2А, тип 26 - характеризуется тем, что на фоне светового экрана наблюдается совмещение цветовых полей ш 72 или па ]/3 , тип 2с -наблюдается в ряде случаев при нарушении бинокулярных зрительных функций, амблиопии и нарушений на уровне полушарий мозга и характеризуется тем, что на фоне красного круга с левой стороны периодически то появляется, то исчезает зеленый цвет, распространяющийся до половины круга или наоборот. Различают так же типЗ, при котором ритмическая периодичность смены цветов отсутствует. При проведении данного исследования тип 3 у испытуемых не встречался. По результатам обследований до проведения воздействия ш у одного испытуемого не ыл отменен тип І бнжокуішрнмх щжкщщ а после проведения воздействия шлшеетво человек, у которых тип 1 бинокулярных проекций составило 20 (рисунок 4.2). Причем испытуемые у которых до воздействия был таи 26 или тин 2с дерешш в грушш с более высоким типом бинокулярных ороещий, что свидетельствует об улучшении динного параметра, mm если его значение не пришло в норму. После проведення нветоижіульшого воздействия у 1 человек! остался тип 2с бинокулярных іщошдай, но следует учитывать, что у данного испытуемого присутствует явное нарушение бинокулярного зрения, евязшіное с таким заболеванием, как коеопшие.
Ишешние значений бипритаой и иъ соотношений после первых двух и с 3-ю но 7-ую процедур не существенны (рисунок 4,4, а, б). Терапевтический эффект явно начинает наблюдаться на 8-10 процедурах (рисунок 4,4, в% Таким образом, количество исследований с соотношением биоритмов от 1 до ІД возросло с 37% до 74% к концу проведения цветоимнудшюго количество исследований с соотношением биоритмов более соответствуй норме) снизилось с 13% до 2.5%,
По полученным cmmctmvcRHM яттьт можно сделать вывод о том что вменение значений бшцттоь бинокулярного лретш п сторону понижений более эффективно чем в сторону повышения. Это свидетельствуй V о повышении четкое и ритмичности переключения полей зрения и в целом положительно характеризует цветоимиуяьеное воздействие.
