Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование аккомодации глаза в современной офтальмологии 12
1.1 Основные сведения об аккомодационном аппарате глаза 12
1.2 Методика и аппаратура исследования аккомодации глаза 32
1.3 Практические аспекты исследования аккомодации глаза 39
1.4 Обзор методов исследования аккомодации глаза 42
1.5 Основные подходы к построению приборов исследования электрофизиологических параметров аккомодации 52
1.6 Выводы 57
ГЛАВА 2. Исследование электрических параметров иннервации цилиарной мышцы глаза при аккомодации 60
2.1 Элементы нервно-мышечной системы цилиарного мускула в структуре его электрической модели 61
2.2 Структурно-функциональная модель цилиарной мышцы 64
2.3 Электрические модели элементов нервно-мышечного аппарата цилиарной мышцы глаза 67
2.4 Количественная оценка биопотенциалов цилиарной мышцы в рамках условий проведения экспериментальных исследований 125
2.5 Выводы 135
ГЛАВА 3. Разработка способа и аппаратно-программных средств диагностики электрических параметров цилиарной мышцы глаза при аккомодации 137
3.1 Разработка электрографического способа диагностики аккомодационного аппарата глаза в процессе зрительной нагрузки 137
3.2 Разработка аппаратного средства регистрации биопотенциалов цилиарной мышцы 140
3.3 Оценка инструментальной погрешности устройства регистрации биопотенциалов цилиарной мышцы 146
3.4 Разработка измерительных электродов для съема биопотенциалов цилиарной мышцы 147
3.5 Анализ площади контактов электродов и метрологическая оценка их влияния на регистрируемый сигнал 154
3.6 Разработка электронно-механической конструкции синхронизирующего устройства и его программного прототипа 160
3.7 Методика проведения электрофизиологического исследования биопотенциалов цилиарной мышцы глаза при аккомодации 163
3.8 Анализ факторов методической погрешности 168
3.9 Прикладная программа цифровой регистрации и обработки биопотенциалов цилиарной мышцы глаза при аккомодации 170
3.10 Выводы 175
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование электрических параметров цилиарной мышцы глаза при аккомодации 176
4.1 Регистрация и параметрический анализ биопотенциалов цилиарной мышцы на основе аппаратно-программного комплекса 176
4.2 Прикладная программа сопоставления электрических параметров нервно-мышечного аппарата цилиарного тела при аккомодации 194
4.3 Проверка адекватности электрической модели цилиарной мышцы глаза... 203
4.4 Выводы 207
Заключение 208
Список литературы 211
Приложение 225
- Основные подходы к построению приборов исследования электрофизиологических параметров аккомодации
- Электрические модели элементов нервно-мышечного аппарата цилиарной мышцы глаза
- Анализ площади контактов электродов и метрологическая оценка их влияния на регистрируемый сигнал
- Прикладная программа сопоставления электрических параметров нервно-мышечного аппарата цилиарного тела при аккомодации
Введение к работе
Актуальность темы. Единственной функциональной системой организма человека, обеспечивающей поступление до 85 % информации в головной мозг из окружающего мира, является зрительная система. В настоящее время в условиях широкого применения современных средств информатизации ее работа для жизнедеятельности человека приобретает еще большую значимость. Поэтому точность и оперативность оценки ее функционального состояния имеют первостепенное значение для определения и поддержания оптимальных условий пребывания глаз и своевременного предотвращения развития их патологии.
Высокий уровень статических и динамических зрительных нагрузок на глаза человека, проявляющихся в различных сферах его деятельности, приводит к заболеваниям, в большинстве случаев связанным с функциональным нарушением аккомодационного аппарата глаза: близорукости и дальнозоркости, а также нервно-психологическим расстройствам. Этому в особенности подвержен детский и юношеский контингент населения страны и прежде всего за счет высокого темпа повсеместной компьютеризации и внедрения в практическую жизнь новых информационных технологий, предусматривающих возможность долговременного получения видеоинформации. Согласно данным НИИ глазных болезней РАН на март 2006 года, в России около 85 % людей в возрасте от 14 до 45 лет, деятельность которых связана со зрительным напряжением, в той или иной степени пренебрегают правилами зрительной эргономики, вследствие чего 55 % из них имеют приобретенные патологии зрения, отмеченные выше. При этом медицинские учреждения испытывают острую потребность в современных технических средствах объективной функциональной диагностики аккомодационного аппарата глаза, обеспечивающих оперативное и достоверное выявление нарушений рефракции глаза и нервно-зрительных заболеваний. Причиной являются отсутствие отечественных аналогов и сравнительно высокая стоимость зарубежных приборов данной прикладной направленности.
Исследования известных отечественных и зарубежных специалистов-офтальмологов Кравкова СВ., Ананина В.Ф., Розенблюма Ю.З., Волкова В.В., Дашевского А.И., Грегори Р.Л., Глассера А., Кауфмана П. в области влияния зрительных нагрузок на глаза человека показали, что в большинстве случаев физиологическим нарушениям подвержен исполнительный элемент аккомодационного аппарата глаза - пилиарная (аккомодационная) мышца.
Для исследования работоспособности пилиарной мышцы в условиях зрительной нагрузки традиционно применяются оптические автоматизированные и ручные методы. Однако они не позволяют с высокой диагностической точностью определить функциональное состояние пилиарной мышцы при аккомодации. Это связано с тем, что ручные тесты предусматривают активное участие обследуемого в оценке конечных результатов, где может проявляться элемент субъективизма, а прикладные возможности существующих зарубежных офтальмологических аппаратно-программных средств, таких как лазерные аккомодометры, авторефрактометры и кератографы, ограничиваются морфометрическими измерениями или косвенным определением оптических параметров пилиарной мышцы при аккомодации.
Исследования, проведенные электрофизиологами Г. Шубертом, X. Хадживара и С. Ищикава, показали, что наиболее эффективным способом оценки состояния пилиарной мышцы глаза является определение динамики ее электрических потенциалов, которые с высокой точностью отражают физиологическое состояние аккомодационного аппарата и достоверно позволяют судить о состоянии органов зрения в целом (в условиях процесса аккомодации). До настоящего времени предпринятые попытки данных ученых в части практического исследования амплитудно-временных параметров биопотенциалов пилиарной мышцы в связи с отсутствием четкой методики регистрации и соответствующей аппаратуры ее проведения были безуспешными. При этом анализ известных электрографических методов, в
частности метода реоофтальмографии, выявил ряд существенных недостатков, которые значительно ограничивают его применение для электродиагностики цилиарнои мышцы.
Электрофизиологические исследования аккомодационного аппарата, направленные на изучение динамики электрических параметров цилиарнои мышцы, позволяют достоверно определять состояние как поверхностных, так и внутренних структур органа зрения. Это, прежде всего, основано на возможности анализа источника электрического сигнала, его природы и внутренних электрических взаимосвязей с другими органами. В настоящее время в таких исследованиях заинтересованы специалисты в области электро- и нейрофизиологии глаза с целью создания адекватной электрофизиологической модели зрительно-глазодвигательной системы человека.
Это подчеркивает актуальность решаемых задач, направленных на разработку и внедрение в офтальмологическую практику новых электродиагностических способов и технических средств оперативной диагностики состояния аккомодационного аппарата глаза человека, что позволит с высокой точностью определять степень влияния на него зрительной нагрузки и корректировать ее, тем самым оптимизировать процесс восприятия зрительной информации.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности диагностики аккомодационного аппарата глаза человека путем разработки способа и технических средств исследования динамики биопотенциалов цилиарнои мышцы в условиях естественной зрительной нагрузки или ее имитации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
-провести сравнительный анализ существующих методов и технических средств исследования аккомодационного аппарата глаза в условиях зрительной нагрузки, на основе которого сформулировать требования к способу объективного исследования цилиарнои мышцы при аккомодации и техническим средствам его реализации; -разработать электрическую модель цилиарнои мышцы глаза, характеризующую ее функционирование в структуре нервно-мышечного управления в процессе зрительной нагрузки и получить аналитическое описание сигнала биопотенциалов цилиарнои мышцы на поверхности глазного яблока при аккомодации; -разработать неинвазивный электрографический способ регистрации амплитудно-временных параметров биопотенциалов цилиарнои мышцы для оперативной диагностики состояния аккомодационного аппарата глаза, обеспечивающей получение как клинической, так и научно-исследовательской информации; -разработать электродные устройства для съема биопотенциалов цилиарнои мышцы через веки при аккомодации, обеспечивающие необходимую точность измерения и максимально благоприятные условия для глаза обследуемого в процессе регистрации при многократных и продолжительных измерениях; -разработать аппаратно-программный комплекс оперативной диагностики аккомодационного аппарата глаза, обеспечивающий измерение амплитудно-временных параметров биопотенциалов цилиарнои мышцы при аккомодации; -провести проверку адекватности электрической модели цилиарнои мышцы по заданным статистическим критериям на основании вычислительного эксперимента.
Достоверность полученных результатов. Соотношения, описывающие изменение электрических потенциалов цилиарнои мышцы в процессе ее сократительной деятельности (при аккомодации), разработаны на основе общепризнанной теории распространения электрического сигнала в нервно-мышечной среде А. Ходжкина и теории электростатического поля. Экспериментальные исследования по определению амплитудно-временных парамет-
ров биопотенциалов пилиарной мышцы при аккомодации показали адекватность выведенных расчетных соотношений. Диагностическая достоверность экспериментальных исследований, полученных на основе применения аппаратно-программного комплекса, проверена и подтверждена на трех категориях обследуемых: людях без зрительной патологии и людях с нарушением рефракции глаза - близорукостью и дальнозоркостью. Научная новизна работы
Впервые предложена электрическая модель пилиарной мышцы глаза, отличающаяся расширенным представлением числа токовых компонентов, образованных ионными процессами на мембране гладкомышечного волокна и участвующих в формировании его электрического потенциала при аккомодации глаза.
Впервые предложено аналитическое описание амплитудно-временной характеристики сигнала электрических потенциалов пилиарной мышцы при аккомодации глаза, позволяющее производить их численный расчет на поверхности века для людей с различной рефракцией.
Впервые предложен электрографический способ исследования аккомодационного аппарата глаза человека, основанный на определении максимальной амплитуды биопотенциалов пилиарной мышцы и времени ее достижения в процессе аккомодации, отличающийся возможностью неинвазивной регистрации амплитудно-временной характеристики биопотенциалов пилиарной мышцы в естественных для обследуемого условиях и позволяющий повысить точность определения функциональных нарушений аккомодационного аппарата и снизить время процедуры диагностики.
Определены диагностические амплитудно-временные параметры, позволяющие с высокой точностью выявлять нарушения рефракции глаза.
Практическая значимость работы. Разработанная электрическая модель пилиарной мышцы и ее аналитическое описание, обеспечивающие адекватное представление динамики электрофизиологических процессов при аккомодации глаза в области электро- и нейрофизиологии глаза, позволяют:
проводить лабораторные исследования функциональных нарушений аккомодационного аппарата глаза;
проводить клинические и научно-практические исследования функционирования пилиарной мышцы глаза при различных зрительных и нервно-мышечных патологиях и выявление новых форм заболеваний;
уточнять электрофизиологическую модель зрительно-глазодвигательной системы человека.
Применение предложенного способа и аппаратно-программных средств диагностики в офтальмологии позволяет повысить достоверность и точность определения работоспособности аккомодационного аппарата глаза человека, выявлять потенциальные возможности пилиарной мышцы у людей с различными нарушениями рефракции глаза. Это достигается за счет следующих полученных результатов работы:
разработки электродных устройств, позволяющих неинвазивно и долговременно выполнять съем биопотенциалов с поверхности век и обеспечивающих максимально комфортные условия для глаз обследуемого в процессе измерений;
разработки прикладной программы, обеспечивающей многомерную регистрацию и обработку биоэлектрических сигналов пилиарной мышцы глаза при аккомодации;
3)разработки прикладной программы визуализации динамики амплитудно-временных параметров биоэлектрических потенциалов пилиарной мышцы глаза при аккомодации в соответствии с управляющими сигналами ее иннервации;
4) разработки механического устройства синхронизации предъявляемых искусственных
стимулов аккомодации и естественной электрофизиологической реакции на них пилиар-ной мышцы и его программного прототипа.
Методы исследования. При решении поставленных задач применялись «Современная мембранная теория о роли ионных градиентов в генерировании нервного импульса и о механизме распределения ионов между клеткой и средой» А. Ходжкина, теория электростатического поля, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, теории случайных сигналов, теории численного анализа, методы математического моделирования на ЭВМ.
Проведена экспериментальная проверка диагностического эффекта от использования амплитудно-временных параметров биопотенциалов цилиарной мышцы для оценки состояния аккомодационного аппарата глаза человека в процессе зрительной нагрузки с применением аппаратно-программного комплекса диагностики аккомодационного аппарата глаза. Сравнение данных расчета с результатами практических исследований проводилось посредством вычислительного эксперимента.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской НТК «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (г. Рязань, 2000-2005 гг.), международной НПК «Вуз. Здоровье. Интеллект. Биоинформационные оздоровительные технологии» (г. Волгоград, 2001 г.), международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 2002 г.), всероссийской конференции «Современная образовательная среда» (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.), V международной НТК «Современные средства управления бытовой техникой» (г. Москва, 2003 г.), V межвузовской НПК «Информационные технологии в XXI веке» (г. Москва, 2003 г.), НПК Рязанского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова (г. Рязань, 2004 г.), X всероссийской НТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2005 г.), VII межвузовской НПК «Информационные технологии в XXI веке» (г. Москва, 2005 г.).
Результаты диссертационной работы использовались в двух госбюджетных научно-исследовательских работах (рег.№ НИР: 04.02.084/204, 2001-2002 гг; рег.№ НИР: 204.02.04.005, 2003-2004 гг, программа "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники").
Экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса диагностики аккомодационного аппарата глаза демонстрировался на выставке «Наука и образование» (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.).
Клиническая апробация макета аппаратно-программного комплекса диагностики аккомодационного аппарата глаза проведена на базе кафедры глазных и ЛОР болезней ГОУВПО «Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Росздрава», ГУЗ «Рязанская клиническая больница им. Н.А. Семашко».
Основные положения, выносимые на защиту
Электрическая модель цилиарной мышцы глаза и ее аналитическое описание, характеризующие электрофизиологические процессы иннервации цилиарной мышцы в структуре нервно-мышечного управления при аккомодации глаза и обеспечивающие численное определение биопотенциалов цилиарной мышцы на поверхности век.
Автоматизированный электрографический способ диагностики аккомодационного аппарата глаза человека, основанный на анализе амплитудно-временных показателей биопотенциалов цилиарной мышцы при аккомодации, и аппаратно-программное средство его реализации для выявления людей с различной рефракцией глаза.
Конструкции электродных устройств, обеспечивающих неинвазивное долговременное отведение биопотенциалов с поверхности век и максимально комфортные условия пребывания глаз обследуемого в процессе измерений.
4. Структура и алгоритм работы механического элемента синхронизации и его программного прототипа предъявляемых искусственных стимулов аккомодации и естественной электрофизиологической реакции на них пилиарной мышцы.
Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты научно-практических исследований внедрены в клиническую практику на кафедре глазных и ЛОР болезней ГОУВПО «Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Росздрава», ГУЗ «Рязанская клиническая больница им. Н.А. Семашко», в учебный процесс ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», использованы при проектировании физиотерапевтического оборудования в ООО НПФ «РРТИ-Интерком», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ, из них 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ, 1 свидетельство об отраслевой регистрации программы для ЭВМ, 4 статьи в центральной печати, 6 статей в межвузовских сборниках, 23 тезиса докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 139 наименований, и одного приложения. Диссертация содержит 148 страниц основного текста, 60 страниц рисунков и таблиц (98 рисунков и 20 таблиц).
Основные подходы к построению приборов исследования электрофизиологических параметров аккомодации
Математические модели. В основе построения известных математических моделей аккомодационного аппарата и его элементов лежит применение биомеханического подхода представления их функционирования. Данный подход не всегда способен раскрыть сущность исследуемых внутренних явлений какого-либо отдельного органа или взаимосвязи группы органов при зрительной нагрузке, вследствие его ограниченности, обусловленной описанием и воспроизведением только механических процессов, происходящих в структуре глаза.
Анализ литературы выявил существование двух таких математических моделей: модели, выполненной на основе оптотехнических расчетов схематического глаза [11] и модели, уточняющей расчетную схему глаза [16], в основе которой лежит теория оболочек исследования внутриглазного давления. Данные модели обеспечивают представление рефракционной биомеханики глаза и поэтому их применение является малоэффективным для решения поставленных в работе задач.
Физические модели. Объектной областью при создании физических моделей аккомодационного аппарата глаза также является биомеханика его элементов. Такое эквивалентное представление предопределяет по большей части демонстрационную направленность, которая ограничивается воспроизведением механических взаимодействий элементов аккомодационного аппарата глаза.
На основании литературного обзора, посвященной разработке физических моделей [11,16], в качестве наиболее информативной можно выделить типовую физическую модель представленную в [11], воспроизводящую механизм интрааккомодаци-онной части аппарата фокусирования глаза. Однако данная модель не позволяет достоверно выявлять и обосновывать нарушения в структуре аккомодационного аппарата и для этого требует дополнительных аналитических либо практических результатов, в связи с чем физические модели в работе не рассматриваются. Программные (компьютерные) модели. Такие модели занимают ведущее место в имитационном воспроизведении процессов функционирования, как в целом аккомодационного аппарата и его элементов, так и их взаимосвязи со структурами управления ЦНС. Анализ отечественной литературы не выявил работ, связанньк с разработкой программных моделей аккомодации. Среди зарубежных работ следует выделить одну наиболее эффективную и адекватную программную модель: двухре-жимную динамическую модель аккомодационной системы человека [127].
В основе двухрежимной динамической модели аккомодационной системы глаза лежит алгоритм воспроизведения механизма биомеханического управления аккомодацией, обоснованного с позиции теории автоматического управления и ранее представленного в данной работе, в п.7.7.7. Основным критерием при построении данной модели и проверке ее адекватности является достижение и последующая стабилизация значений математического эквивалента, отражающего параметры максимальной четкости изображения на сетчатке при предъявлении разноудаленных предметов. Это обеспечивается за счет аналитического описания процессов управления, в первую очередь в случае расфокусированного изображения на сетчатке глаза, элементами аккомодационного аппарата - цилиарной мышцей и хрусталиком. Таким образом, в модели аккомодационная система представлена как система управления с обратной связью, в которой ошибка определяется потерей четкости изображения на сетчатке глаза, при этом мозг выступает контроллером, а цилиарная мышца и хрусталик - системными исполнителями. Модель аккомодационной системы позволяет получать ответы зрительного анализатора на различные стимулы, имитирующие расфокусированные изображения на сетчатке глаза, представленные в виде эквивалентных сигналов прямоугольной, пилообразной и синусоидальной форм.
Блок-схема модели аккомодационной системы глаза человека, реализованная в среде имитационного моделирования Matlab/Simulink, представлена на рис. 1.6.
В модели аккомодационная система глаза человека реализована по принципу двойного режима, обеспечивающего условия переключения быстрых и медленных процессов зрительного приспособления, имитирующих работу элементов аккомодационного аппарата. Это обеспечивает отдельную работу быстрых и медленных компонентов в цикле управления с обратной связью.
Результаты работы представленной модели приведены на рис. 1.7. Имитационное моделирование аккомодационного ответа, выполненное на основе алгоритмического представления двухкомпонентного (двухрежимного) функционирования его элементов, достаточно хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями, описанными в работах [118,119,124-126].
Однако данная модель также имеет ряд существенных недостатков, связанных с отсутствием возможности дифференциального анализа внутренних свойств и поведения отдельных элементов глаза при аккомодации. Представление функционирования всей оптической системы в модели основано на обобщенном математическом описании динамики процесса автофокусировки глаза, изложенного в n.l.l.l, и при необходимости выделения конкретного элемента, прежде всего цилиарной мышцы, требует аналитических расчетов не только биомеханических процессов, но и внут-риполостных, что в настоящее время представляется сложной задачей.
Электрические модели. Модели такого типа несмотря на их высокую информационную значимость для понимания большинства внутри- и межорганных процессов, сопровождающих работу аккомодационного аппарата глаза, а также для исследования состояния каналов связи элементов зрительного анализатора с ЦНС, достаточного отражения в отечественной литературе не нашли.
Это, прежде всего, связано с анатомо-физиологическими особенностями расположения и функционирования элементов аккомодационного аппарата и объясняется сложностью проведения соответствующих исследований состояния органов глаза без нарушения его целостности для получения параметров, необходимых при их электрическом моделировании. Однако в зарубежной литературе был выявлен ряд фундаментальных работ, посвященных разработке электрических моделей глаза и его отдельных элементов, теоретическое обоснование которых может служить базовым для создания электрических моделей аккомодационного аппарата. Это аксиально-симметричная модель глаза [116] и электрическая модель сетчатки [115].
Электрические модели элементов нервно-мышечного аппарата цилиарной мышцы глаза
Совместно с отмеченными негативными факторами, проявляющимися при исследовании реограммы цилиарной мышцы методом реоофтальмографии при аккомодации глаза, также имеется существенный недостаток, связанный с применением в процессе исследования переменного тока, протекающего через все отделы цилиарно-го тела, тем самым, стимулируя их [34,60,86]. В условиях электротерапевтического воздействия цилиарная мышца активизируется и может функционировать неадекватно своему патологическому состоянию, проявляя при диагностике недостоверные результаты, что вносит значительные ошибки при формировании заключения о ее состоянии.
Метод регистрации биоэлектрической активности мозга [17,80,81,83]. Данный электрофизиологический метод позволяет выполнять измерения электрических потенциалов на поверхности головы (электроэнцефалограмму) с электродов, расположенных в затылочных и затылочно-теменных областях правого и левого полушарий мозга на предъявление изображений с различными пространственно-частотными составляющими. Производится анализ соотношения а- и /?-ритмов ЭЭГ дифференцированно для каждой зоны. По степени изменения количественных параметров определяют зону локализации патологического процесса.
Нейрофизиологические исследования позволяют, используя пространственно-частотный анализ, изучать те базисные функции, которые использует зрительная система для описания свойств окружающего мира. При этом синхронно активизируются многие зрительные центры, которые способствуют активации резервных возможностей многоканальной многоуровневой зрительной системы. Использование зрительных стимулов в совокупности с регистрацией ЭЭГ обеспечивает активацию нейронных систем как периферического так и центрального уровней зрительной системы. Это дает возможность выполнять анализ работоспособности обратной связи зрительной системы и в частности ее аккомодационной функции.
Однако данный метод имеет основной недостаток при исследовании зрительных функций, связанный с тем, что при закрытых глазах значения амплитудно-временных составляющих электроэнцефалографического сигнала могут быть аналогичные открытым глазам.
Метод электрофизиологического исследования цилиарной мышцы [34]. Несмотря на то, что структура цилиарной мышцы изучена достаточно детально, об электрофизиологических особенностях ее известно мало. Шуберт в 1955г. наблюдал слабые изменения электрических потенциалов цилиарнои мышцы в процессе аккомодации, применив для этого электрод в виде контактного стекла без роговичной части. Кроме этого им были предприняты попытки, используя указанный электрод, выяснить, зависят ли эти изменения от цилиарнои мышцы или от хрусталика. Для этого проводилось исследование корнео-ретинального потенциала. Сравнивая изменения потенциала в норме и при искусственной циклоплегии, электрофизиолог пришел к заключению, что их прежде всего следует отнести на счет действия цилиарнои мышцы. К аналогичным выводам в 1958г. пришли Алперн с соавторами [34].
Японские ученые X. Хадживара и И. Ищикава в 1962г для исследования электрического потенциала во время аккомодации произвели имплантирование в цилиар-ное тело человека тонкого игольчатого серебряного электрода. Электрод вводили через склеру на расстоянии 2мм от лимба. В результате таких экспериментов было установлено, что при напряжении аккомодации потенциал цилиарнои мышцы повышался. У лиц пожилого возраста его величина была меньшей, чем у молодых.
Однако ввиду отсутствия теоретического обоснования получаемых результатов с позиции динамики электрических потенциалов цилиарнои мышцы и их распространения по внутриглазным средам в межэлектродном пространстве при аккомодации, а также методические и технические трудности исполнения данного метода не позволили ему найти должного применения в клинической офтальмологии.
При этом, как было ранее отмечено, информативность электрофизиологических параметров цилиарнои мышцы является наиболее высокой по сравнению с другими показателями. В связи с этим развитие данного метода представляется целесообразным и необходимым для возможности объективной диагностики нервно-мышечной системы аккомодационного аппарата глаза.
Метод компьютерной кератографии [78]. Данный метод структурно-функционального исследования физических параметров внешних и внутренних органов глаза основан на определении динамики оптико-морфометрческих показателей роговой оболочки глаза в условиях функционального покоя и напряжения относительной аккомодации. Данные параметры проявляются за счет того, что при фиксировании обследуемым предметов на близком расстоянии роговица глаза неравномерно по различным меридианам изменяют свою кривизну и оптическую силу, что и определяет активные компоненты акта аккомодации.
При этом регистрация параметров осуществляется по принципу измерения отраженных сигналов от внутренних структур глаза, участвующих в перефокусировке глаза, как было подробно представлено выше для метода регистрации отраженных от сетчатки изображений. Структурная схема такой установки представлена на рис. 1.20,г. По результатам статистического накопления многократных измерений каждого пространственного показателя строят дву- или трехмерную кератограмму, т.е. поле распределения морфометрческих параметров или в случае трехмерного построения -оптико-морфометрческих параметров при аккомодации глаза. Типовая двумерная ке-ратограмма роговицы представлена на рис. 1.26 [78].
Данный метод положен в основу построения современных приборов - керато-графов, выпускаемых зарубежными производителями, в частности японской фирмой "MufeAr", вариант исполнения которого представлен на рис. 1.20,в.
Недостатком метода компьютерной кератографии является отсутствие возможности анализа внутренних свойств элементов глаза, в том числе и при аккомодации.
На основании проведенного обзора необходимо сформулировать технические и методические подходы к проектированию современного диагностического средства исследования аккомодации путем регистрации биопотенциалов цилиарной мышцы.
Анализ площади контактов электродов и метрологическая оценка их влияния на регистрируемый сигнал
Широко использующимся подходом в биомедицинской инженерии для представления биологического объекта, законы функционирования которого достоверно не известны и не описаны, является его рассмотрение с позиции "черного ящика", имеющего входные и выходные параметры и некоторую функцию преобразования, в большинстве случаев с большой погрешностью отражающей их нелинейные взаимосвязи и воспроизводящую ограниченное число состояний объекта [14]. Здесь успешно применяются методы кластерного анализа и адаптивного моделирования и идентификации систем, подробно описанные в [94,95]. Однако их универсальные алгоритмы ориентированы на воспроизведение состояния объекта (отклика нелинейной системы по заданному критерию с проверкой адекватности) по ограниченному набору достоверно известных входных/выходных параметров и вследствие этого, такое теоретическое представление применительно к моделированию цилиарной мышцы, не сможет обеспечить четкого понимания и количественной оценки изменений ее внутренних электрических свойств при иннервации в течение всего периода аккомодации глаза. И при этом, не позволит анализировать ее функциональное состояние отдельно и совместно с элементами управления автономной нервной системы. Кроме того, проведенный обзор литературы позволяет сделать вывод, что до настоящего времени не были четко определены выходные электрические параметры цилиарного мускула и поставлено их прямое соответствие входным параметрам - расстоянию до аккомодационного стимула.
В связи с этим, основываясь на существующих подходах к разработке электрических моделей элементов глаза [114-116,128,130,134], изложенных в главе 7, и элементов нервно-мышечного аппарата [18,33,76,97,116,120,121,123,129], для исполнения модели цилиарной мышцы глаза, характеризующей ее динамические электрофизические и электрохимические процессы при аккомодации, необходимо выделить следующие этапы модельного проектирования: 1. Конкретизация анатомических элементов нервно-мышечного аппарата в структуре цилиарного тела, участвующих в процессе иннервации цилиарной мышцы глаза. 2. Качественный анализ электрических свойств выделенных элементов нервно-мышечного аппарата при аккомодации. 3. Разработка структурно-функциональной модели иннервации цилиарной мышцы. 4. Разработка электрической модели нервно-мышечного соединения в структуре ци-лиарного тела и получение численных показателей мионевральной передачи сигналов. 5. Определение амплитудно-временных параметров стимулирующего нервного сигнала, воздействующего на мышечную клетку при аккомодации. 6. Разработка электрической модели цилиарного нерва (структура из постгаглиозных волокон) на основе представления биоэлектрических процессов его аксональной мембраны в состоянии покоя и активизации нервного волокна и получение их аналитических описаний. 7. Разработка электрической модели мышечного волокна цилиарного мускула на основе представления электрохимических процессов мембраны отдельной мышечной клетки и их аналитическое описание. 8. Получение аналитического описания изменения потенциалов на поверхности роговицы глаза, генерируемых цилиарной мышцей при аккомодации. Следует указать, что в основе построения адекватной электрической модели цилиарной мышцы, согласно современным представлениям и знаниям о биоэлектричестве [33,76,97,116], лежит воспроизведение процессов, вызывающих акт переаккомодации глаза, а именно передача электрического возбуждения от ЦНС по нервным каналам к мышечным волокнам цилиарного мускула, его иннервация, сопровождающаяся изменениями биопотенциалов генерируемьк источников, электрическое поле которых распространяется по внутренним структурам глаза и механическое сокращение, обеспечивающее оптическую настройку элементов аккомодационного аппарата. Такие особенности позволяет раскрыть "Современная мембранная теория о роли ионных градиентов в генерировании нервного импульса и о механизме распределения ионов между клеткой и средой", разработанная А. Ходжкиным [33,76,97,116], основанная на анализе электрических свойств клеточной мембраны и применении электрохимических законов, объясняющих процессы генерирования потенциалов покоя и потенциалов действия в биологической нервно-мышечной ткани.
В соответствии с выделенными / и 2 этапами моделирования, рассмотрим структурную организацию цилиарной мышцы, определяющую проявление динамических свойств элементов мышцы при ее иннервации, и обозначим подход к их эквивалентному электрическому представлению. Принимая во внимание изложенные в главе 1 анатомо-физиологические особенности цилиарной мышцы и ее основные электрические свойства, для уточнения начальных условий разрабатываемой модели необходимо отметить, что цилиарная мышца обладает сложным пространственным расположением мышечных волокон, среди которых основную роль при аккомодации глаза для настройки оптической системы на разноудаленные предметы отводят меридиональным волокнам [11]. Последние обладают многоэлементной гладкой мускулатурой, строение которой схематично представлено на рис. 2.1.
Управление таким мышечным аппаратом при аккомодации глаза производится парасимпатической автономной нервной системой, образующейся от парного срединного ядра Edinger-Westphal головного мозга, связанного с III окуломоторным нервом, по которому происходит распространение сигнала электрического возбуждения к синапсу в ресничном нервном узле, а далее к волокнам цилиарной мышцы через короткий или длинный цилиарный нервы [11]. В результате электрического возбуждения происходит мембранная деполяризация мышечных клеток и осуществляется механическое сокращение мышечных волокон цилиарного мускула (электромеханическое сцепление). Анатомический канал описанной системы нервно-мышечного взаимодействия показан на рис. 2.2.
Ограниченность в теоретическом обосновании электрических свойств клетки гладкомышечного волокна, как в покое, так и при иннервации связана с проявлением многочисленных электрохимических процессов на поверхности ее мембраны, сложностью их интегральной интерпретации и эквивалентного представления, которые несколько отличаются от хорошо изученных и описанных в [116,120,121,123,128,129, 134-136,138] - классических для миокардиальных и скелетных волокон. Это определенно указывает на актуальность настоящей работы, рассматривающей вопросы разработки электрической модели функционирования цилиарного мускула, как одного из представителей гладкомышечной структуры человека.
Прикладная программа сопоставления электрических параметров нервно-мышечного аппарата цилиарного тела при аккомодации
Из приведенного выше электрофизиологического обоснования и представленной на рис. 2.4 структурно-функциональной модели следует, что для построения диагностически достоверной электрической модели функционирования цилиарной мышцы глаза, которая позволит сопоставлять имитационные результаты с экспериментально регистрируемыми параметрами, целесообразно, принимая во внимание п./. 1.3, при моделировании рассматривать электрические процессы, возникающие на поверхности отдельной мышечной клетки цилиарного тела при ее активизации, а далее применять классические законы теории электростатического поля для определения его суммарного значения в отдаленной от поверхности мышцы точке - на роговице глазного яблока.
Следует отметить, что совместно с функционированием элементов мышечной клетки необходимо рассматривать работу ее нервной структуры управления, обеспечивающей взаимодействие нервно-мышечной системы аккомодационного аппарата глаза и раскрывающей в модели интегральные электрические свойства двух его физиологических систем: исполнительной и управляющей. С точки зрения электрофизиологии последняя представляет электрический сигнал, формирующийся в преганг-лиозном нейроне головного мозга, который проходит через преганглиозныи аксон в цилиарный ганглий, откуда транслируется по цилиарному постганглиозному нервному волокну к мышечной клетке. Это является управляющим воздействием автономной парасимпатической нервной системы для осуществления иннервации цилиарной мышцы, а точнее представляет динамический стимул к началу электрохимических мембранных процессов в мышце.
Для сохранения адекватности теоретических расчетов и практических исследований при моделировании следует учитывать, что характеристики экспериментально зарегистрированных сигналов цилиарной мышцы зависят от следующих биоэлектрических факторов в структуре глаза [116]: 1) Источников, генерирующих электрические потенциалы и сосредоточенных в мембранах нервных и мышечных клеток; 2) Проводящей биологической среды вокруг активных клеток и в межэлектродном пространстве; 3) Способа, используемого для регистрации сигналов. Кроме этого, при обосновании и представлении сигналов, поступающих от структуры нервного управления цилиарным телом, следует учитывать, что сокращение мышечного волокна обусловлено действием сигналов возбуждения, имеющих электрическую природу. При этом возникновение процесса возбуждения нервно-мышечной ткани зависит от: 1) Параметров стимулирующего сигнала: амплитуды, формы и частоты повторения; 2) Электропроводящих свойств биологической ткани, расположенной в межклеточном пространстве. С учетом сказанного, рассмотрим параметры, связанные с формированием электрического сигнала стимулирующего воздействия, а далее выполним последовательное представление функциональных элементов мышцы, использующих данные управляющие сигналы, как входные параметры. Для решения поставленных задач, определенных 4-6 этапами проектирования, связанных с построением адекватной электрической модели нервно-мышечного аппарата цилиарного тела, в данной работе анализируются два электрофизиологических процесса, представляющих электрическое функционирование нервного аппарата управления цилиарной мышцей и определяющих вклад в суммарный регистрируемый потенциал при ее сокращении. Во-первых, это проявление потенциала действия на поверхности аксона нервного волокна, рассмотрение которого направлено на количественную оценку его параметров при нестационарных процессах распространения сигнала возбуждения во времени и в пространстве, а во-вторых, функциональное поведение мышечной клетки, отражающее пассивное и активное ее состояния, при изменении амплитудно-временных пороговых параметров стимулирующего сигнала, которое позволяет дать последним математическое описание. Необходимость представления в модели цилиарного тела мембранного потенциала действия цилиарного нервного волокна связана с электрофизиологией гладкой мышцы, подробно представленной в п./. 7.3, которая указывает на отсутствие непосредственного электрического контакта постганглиозного аксона цилиарного нерва с взаимодействующим мышечным волокном ввиду наличия у них концевых мембран и разделяющей узкой межклеточной щели [33]. С позиции схемотехнического представления нервно-мышечное соединение отражает функционирование электрического реле [33]. При этом наиболее эффективно рассматривать его как устройство для согласования импедансов, которое дает на выходе электрический ток, достаточный для того, чтобы поднять выше порога потенциал мышечной мембраны, обладающей малым импедансом.
Покажем на основе электрических моделей синаптического контакта и их аналитического описания ограниченность применения теории "непрерывности" для обоснования непосредственной электрической передачи нервного импульса по нервно-мышечному соединению в структуре цилиарного тела. Это определяет выполнение, в соответствии с п.2.1, 4 этапа проектирования адекватной электрической модели цилиарной мышцы.
Согласно нейронной теории "контакта" [33], синапс представляет собой функциональный контакт между двумя возбудимыми клетками, цитоплазма каждой из которых заключена в отдельную мембрану. В нервно-мышечном соединении цилиарного тела, согласно [33], межклеточное пространство образует промежуток ("разрыв") величиной 200А. Оно разделено фиброзным слоем (базальной мембраной), который является непрерывным над всей поверхностью цилиарного мышечного волокна. Это указывает на то, что такая структурная организация противоречит наличию кабельного электрического соединения между нервным и мышечным волокнами. Произведем вычисления, подтверждающие этот факт.
Используя электрофизиологические показатели цилиарного нерва - кабельные константы для расчета мионевральнои синаптическои передачи электрического сигнала, представленные в таблице 2.1, и выражение для входного импеданса [33]: определим свойства перехода стимулирующего сигнала от нервной к мышечной структуре для различных организаций их синаптического соединения.
