Автоматизированные системы для исследования зрения с электронными устройствами визуализации и активным управлением параметрами зрительных стимулов

Исследование функций зрения и оценка его состояния имеют большое народно-хозяйственное значение ввиду исключительной роли зрения в производственной и бытовой деятельности человека. Широкое применение электронных дисплеев в составе измерительно-вычислительных, информационных и управляющих комплексов, их повсеместное использование в системе школьного и вузовского образования приводит к увеличению нагрузки на зрительный анализатор. В этой связи актуальными становятся исследование зрения, диагностика его нарушений, профессиональная ориентация и оценка профпригодности. Эти проблемы относятся к числу социально значимых, так как позволяют регулировать трудовой потенциал страны, эффективно приобщать людей к активной жизнедеятельности. Для решения перечисленных задач требуются методы и средства офтальмологических исследований, позволяющие изучить индивидуальные субъективные особенности зрительного восприятия. Эти особенности связаны с психофизикой зрения, влиянием зрительного внимания, мышления, памяти.

Для исследования функций зрения широко используются современные инструментальные методы и средства. Ведущие фирмы мира SHIN-NIPPON, NICON, GRAND SEIKO, HAAG-STREIT, HUMPHREY (Zeiss), MEDELEC и другие принимают активное участие в разработке автоматических рефрактометров, кератометров, средств исследования вызванных зрительных потенциалов [2,25,26,93,95]. Существенный вклад в развитие этих методов и средств внесли отечественные и зарубежные исследователи: Аветисов Э. С., Волков В. В., Глезер В. В., Луи-зов A.B., Розенблюм Ю.3., Айзенштат Л. И., Урмахер Л. С., Campbell F.W., Ginsburg А. Р, Hubell D.H., Robson J. G, Wiesel Т. N. Эти приборы, использующие в основном объективные методы исследования, позволяют оценить характеристики либо некоторых отделов системы зрения, например, оптической системы глаза, либо исследовать процессы передачи зрительной информации от зрительного анализатора до зрительных центров коры головного мозга. При всех преимуществах инструментальных средств, основанных на объективных методах, они не позволяют изучить индивидуальные, субъективные свойства зрения. Эти методы и средства позволяют исследовать только психофизиологические аспекты зрительного восприятия. Знание индивидуальных, субъективных особенностей зрения имеет большое значение при решении ряда задач, связанных с профессиональной ориентацией человека по зрению, оценкой зрительной способности и профпригодности, прогнозированием зрительного утомления, обеспечением условий для надежной зрительной деятельности человека-оператора, диагностикой нарушений зрения на ранних стадиях их развития [1,27,62,88,94,102]. Для изучения субъективных, индивидуальных особенностей зрения, по мнению многих офтальмологов необходимо использовать субъективные методы исследования, основанные на исследовании свойств и характеристик зрительного образа — модели объекта наблюдения [26,93,95]. Эти свойства и характеристики регистрируются в процессе тестирования испытуемого, как правило, по его речевым ответам. Качественный характер и возможность преднамеренных искажений ответов является существенным недостатком субъективного метода.

Для повышения точности и достоверности оценки характеристик зрительного образа необходимо объективизировать ответную реакцию испытуемого. С этой целью ему предоставляется возможность изменять параметры зрительного стимула в соответствии с тестовым заданием. Субъективные особенности зрения при этом можно оценивать по характеру выполнения тестового задания [29,66,89].

Использование методов офтальмологических исследований с привлечением испытуемого к действиям над стимулом требует применения специальных инструментальных средств. Перспективными для этих целей являются системы с электронными устройствами визуализации (ЭУВ). Однако их использование связано с решением ряда принципиальных вопросов, таких как синтез стимулов и управление его параметрами, регистрация ответной реакции испытуемого, обработка результатов и оценка характеристик зрения.

Одной из важных проблем, обусловленных применением ЭУВ, является разработка методов исследования. Система для исследования зрения представляет собой биотехническую измерительно-вычислительную систему (БТИВС). Особенность взаимодействия ее технических звеньев, в частности ЭУВ, с испытуемым требует разработки специальных методов исследования, использующих активное управление (АУ) испытуемым параметрами стимула.

Следующей проблемой является обеспечение воспроизводимости параметров тестового воздействия и разработка метрологических требований к ЭУВ как к генератору эталонных зрительных стимулов. Наиболее пригодны для этих целей дисплеи на цветных электронно-лучевых трубках (ЦЭЛТ), которые превосходят другие типы электронных устройств визуализации по светотехническим параметрам. Решение этой проблемы требует изучения искажений стимулов и определения допустимых уровней при их визуализации.

Важной проблемой также является автоматизация исследований. Она обусловлена сложностью процессов синтеза зрительных стимулов и независимого изменения их параметровнеобходимостью объективизации регистрации реакции испытуемогосложностью обработки результатов исследований и оценки характеристик зрения через показатели эффективности выполнения тестового задания. Решение этой проблемы связано с разработкой автоматизированной системы офтальмологических исследований (АСОфИ).

Системность рассмотрения АСОфИ приводит к выделению ее основных компонентов — инструментального, метрологического, методического, информационного и аппаратно-программного обеспечения. Они тесно взаимосвязаны между собой, и их содержание определяется исходя из решаемой задачи исследования зрения и свойств объекта исследования.

Целью настоящей работы является разработка принципов построения и практической реализации инструментального, метрологического, методического и информационного обеспечений биотехнических систем для исследования зрения с электронными устройствами визуализации.

Для достижения указанной цели требуется решение следующих задач исследования:

1. Разработка принципов построения систем для исследования зрения с ЭУВ и активным управлением параметрами стимулов.

2. Разработка математической и феноменологической моделей зрительной системы, содержащих описания пороговых характеристик зрения.

3. Разработка математической и информационной моделей устройства визуализации, информационной модели АСОфИ с ЭУВ и изучение ее измерительных и управляющих каналов.

4. Исследование факторов, определяющих методическую погрешность исследования зрения, и формирование требований по снижению.

ИХ влияния.

5. Разработка биотехнических методик исследования зрения, учитывающих взаимодействие элементов АСОфИ при использовании АУ.

6. Разработка методов и средств, направленных на повышение точности оценки состояния зрения, системы контроля и поверки светотехнических характеристик дисплея.

7. Создание инструментального, информационного и аппарат-но-алгоритмического обеспечений, разработка АСОфИ и их экспериментальная и клиническая апробация.

Методы исследования. В работе использованы теоретические методы исследования: системного анализа и математического моделирования, теории синтеза биотехнических систем, измерений, математической статистикиметоды машинного моделирования и графики. Экспериментальные методы исследования использовались при изучении зрения и светотехнических характеристик ЭУВ.

Решение сформулированных задач исследования привело к следующим новым результатам.

Научная новизна результатов заключается в разработке и исследовании:

— принципов построения АСОфИ с электронными устройствами визуализации и активным управлением параметрами зрительных стимулов, учитывающих взаимосвязанные компоненты системы — инструментальное, методическое, метрологическое и информационное обеспечения;

— информационной модели исследований зрения с АУ испытуемым параметрами тестового воздействия, комплексно учитывающей этапы преобразования информации в технических и биологических звеньях АСОфИ;

— модели зрительной системы, предназначенной для синтеза измерительного канала АСОфИ, отражающей процессы аккомодации, адаптации, пространственной фильтрации, временной дискретизации и интегрирования сигналов при передаче и обработке зрительной информации, а также собственные шумы фоторецепторов, определяющие пороговые характеристики зрения;

— методов исследования энергетических, пространственных и временных искажений зрительных стимулов и метрологических требований по определению предельно допустимых уровней искажений с учетом пороговых характеристик зрения, позволяющих использовать ЦЭЛТ в качестве генератора эталонных зрительных стимулов для оценки характеристик зрения;

— биотехнических методик исследования зрения с АУ, основанных на использовании итерационных процедур тестирования, функционального управления параметрами стимула, тестовых заданий с обнаружением и различением фрагментов изображения;

— метода контроля и коррекции параметров тестового изображения, основанного на использовании оптико-электрического измерительного преобразователя с пространственно-временным разделением фотоэлектрического преобразования для обеспечения точности и воспроизводимости зрительных стимулов;

— метода повышения эффективности работы АСОфИ, основанного на интерактивном взаимодействии врача-исследователя с подсистемой интеллектуальной поддержки.

Практическую ценность работы представляют:

— информационная структура АСОфИ с ЭУВ и АУ, позволяющая оценивать характеристики зрения испытуемого по эффективности выполнения тестового задания;

— и.

— аналитические соотношения для оценки предельных яркостных, цветовых, пространственных и временных искажений, вносимых электронным устройством визуализации, в частности ЦЭЛТ;

— рекомендации по снижению влияния ряда факторов на методические погрешности оценки характеристик зрения, обеспечивающие воспроизводимость и достоверность результатов исследования;

— биотехнические методики оценки характеристик зрения, основанные на использовании ЭУВ в качестве генератора эталонных стимулов;

— средства контроля и коррекции характеристик устройства визуализации, обеспечивающие стабильность параметров зрительных стимулов;

— требования к элементам аппаратного обеспечения автоматизированного комплекса для решения ряда задач исследования зрения;

— разработанные АСОфИ, рекомендации по их эксплуатации и результаты экспериментальных исследований, повышающие эффективность офтальмологических исследований.

Совокупность теоретических положений работы, направленных на синтез автоматизированных систем офтальмологических исследований с ЭУВ, представляет собой решение научной проблемы, имеющей важное социальное и народнохозяйственное значение.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Синтез автоматизированной системы для изучения субъективных особенностей зрения должен основываться на комплексной разработке инструментального, метрологического, методического и информационного обеспечений системы, а также на использовании электронных устройств визуализации и активного управления испытуемым параметрами стимулов.

2. Метрологические требования по предельным яркостным, цветовым, пространственным и временным искажениям стимулов, вносимым ЭУВ, необходимо определять исходя из порогов зрения, зависящих от пространственных передаточных характеристик и собственных шумов зрительной системы.

3. Биотехнические методики исследования зрения с активным управлением параметрами стимулов должны использовать: методы косвенного управления и функционального изменения параметров стимулаитерационные процедуры тестирования и регистрации реакции испытуемогоспособы выполнения тестового задания, направленные на выявление простых тестовых реакций — обнаружение и различение зрительных стимулов.

4. Коррекция сигналов изображения с целью снижения искажений, вносимых на этапе электро-оптического преобразования, и обеспечения воспроизводимости зрительных стимулов должна осуществляться с помощью оптико-электрического измерительного канала с пространственно-временным разделением фотоэлектрического преобразования.

5. Интерактивное взаимодействие врача-исследователя с системой интеллектуальной поддержки, направленное на уточнение методик исследования, методов обработки результатов, параметров зрительных стимулов, критериев оценки, моделей состояния зрения и стратегии поиска решений, является основой для эффективной работы автоматизированной системы офтальмологических исследований.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и прикладных исследований, полученные в работе, использовались при разработке БТИВС для исследования зрения при выполнении 11 научно-исследовательских работ в рамках научно-технических программ, в том числе: «Разработка методов и средств оценки состояния цветового зрения оператора» (1987;1988 гг., N гос. регистрации 0187 29 383, межотраслевая комплексная программа «АВАНГАРД», НИИ авиационного оборудования, г. Жуковский) — «Разработка средств оценки характеристик зрения операторов, работающих с дисплейными индикаторами» (1990;1991 гг., межотраслевая комплексная программа «Р0-ТЕРИН», НИИ авиационного оборудования, г. Жуковский) — «Разработка методов и средств оценки характеристик зрения операторов, работающих с дисплейными индикаторами» (1992;1993 гг., межотраслевая комплексная программа «РОТЕРИН», НИКТИ Биотехнических систем, г. Санкт-Петербург) — «Автоматизированный комплекс для оценки зрительной способности человека — оператора» (1997;1998 г., N гос. регистрации 0197 6 874, НТП Минобразования «Конверсия и высокие технологии 1997 — 2000 гг.) — «Методы формирования и измерения параметров спектрально-распределенных световых потоков для диагностических исследований» (1997;1998 гг. N гос. регистрации 0197 6 877, НТП Минобразования) — «Разработка автоматического кампи-метра» (1992;1993 гг., N гос. регистрации 0193 5 722, НТП Минобразования «Трансферные технологии, комплексы и оборудование») — «Компьютерная технология офтальмо-психологического контроля детей дошкольного возраста» (1995;1997 гг., N гос. регистрации 0196 13 040, НТП Минобразования «Фундаментальные проблемы приборостроения») и др.

Результаты работы внедрены в НИИ авиационного оборудования, НИКТИ Биотехнических систем, Государственном научно-производственном унитарном предприятии по Биотехническим системам, НТОО «СИГМА», учебном процессе СПб ГЭТУ, использовались при проведении научных исследований в Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, ВНИИ охраны труда, в СПб филиале МНТК «Микрохирургия глаза» .

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались в 1980;1998 гг. более, чем на тридцати международных, всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и симпозиумах по проблемам теории синтеза БТИВС, медицинского приборостроения, метрологии, офтальмоэргоно-мики, в том числе международной конференции по мягким вычислениям и измерениям «ЗСМ-98» (Санкт-Петербург, 1998 г.), международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-технических конференциях «Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность» (Санкт-Петербург, 1996;1998 гг.), «Диагностика, информатика, метрология» (Санкт-Петербург, 1994;1995 гг.), международном симпозиуме ЗУМВКШБЧМ (Санкт-Петербург, 1994 г.), всесоюзных симпозиумах «Офтальмоэргономика операторской деятельности» (Ленинград, 1986 г.) «Зрение организмов и роботов» (Вильнюс, 1986 г.), всесоюзных научно-технических конференциях «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение» (Москва, 1986 г.), «Реализация математических методов с использованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине» (Москва, 1986 г.) «Диспансеризация населения и автоматизированные информационные системы, медицинская техника для диспансеризации всего населения» (Москва, 1984 г.), «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 1982 г.) и др. и получили положительную оценку.

Разработанные на основе полученных научных и практических результатов работы АСОфИ «Установка для комплексного исследования цветового зрения ЦВЕТОТЕСТ», «Установка для исследования частотно-контрастной чувствительности зрения СПЕКТР», «Автоматизированный комплекс для исследования зрения», «Автоматизированный комплекс для офтальмо-психологического контроля детей дошкольного возраста» неоднократно демонстрировались на международных, всесоюзных и республиканских научно-технических выставках, в т. ч. ТЕ-ЬЕС0М-83 (Швейцария, 1983 г.), ВДНХ СССР (1981, 1982, 1985, 1986 гг.), «Достижения Высшей Школы России» (Москва, 1995 г.), «Достижения Высшей школы России в области высоких технологий, экологии и медицины» (Египет, 1996 г.) и были отмечены 4 медалями и дипломами выставок.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 печатные работы, в том числе учебное пособие «Биотехнические системы в оф-тальмодиагностических исследованиях» и 15 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 162 наименования и приложения. Основная часть работы изложена на 253 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 4 таблицы.

2.4. ВЫВОДЫ.

1. Показано, что важными компонентами разработки эффективной системы для исследования зрения являются: комплексность рассмотрения объекта исследования (зрительной системы) как центрального элемента измерительного канала биотехнической измерительно-вычислительной системывыполнение совокупности общих и частных требований синтеза биотехнических системиспользование двух и более контуров управления для получения диагностической информациисогласование характеристик всех биологических и технических звеньев системы.

2. Для разработки измерительного канала АСОфИ требуется знание модели объекта исследования, содержащей описания сенсорных характеристик зрения, и обобщенной структуры измерительного процесса. Для оптимального согласования характеристик объекта исследования со звеньями измерительного канала разработана математическая модель зрительной системы, учитывающая влияние: световой адаптации и аккомодации на обработку и анализ зрительной информации, собственных шумов, порогов восприятия, нелинейностей преобразования информации и структуры обработки зрительной информации на характер зрительного восприятия.

3. Для изучения субъективных особенностей зрения человека необходимо использовать интерактивный режим работы испытуемого с тестовым воздействием, АУ его параметрами и оценку эффективности выполнения тестового задания.

4. Для обеспечения сопоставимости результатов исследований с использованием различных методик оценку характеристик зрения необходимо осуществлять через параметры тестового воздействия, т.к. достигается общность описаний тестового воздействия и ответной реакции испытуемого и исключается влияние неточностей сенсомотор-ных действий на точность результатов исследований;

5. Разработанная обобщенная структура измерительного процесса позволяет предложить механизмы формирования различных методик исследования системы зрения для задач офтальмоэргономики.

ГЛАВА III. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСОфИ.

Метрологическое обеспечение АСОфИ в значительной степени определяет функциональные возможности комплекса. Разрабатываемые биотехнические измерительно-вычислительные системы предназначены для решения различных задач исследований зрения. При их использовании для клинических исследований с целью выявления патологических нарушений зрения, как показывают экспериментальные исследования, оценка характеристик зрения должна осуществлять с погрешностью не более 15−20%. При решении исследовательских задач, изучении механизмов передачи, обработки и анализа зрительной информации погрешности измерения должны быть не более 5−10% в зависимости от решаемой задачи, а при решении задач ранней диагностики нарушений зрения — не более 2−5% [25, 27,134,162]. Следовательно, метрологические требования к системе исследования зрения должны обосновано определяться целями и задачами проводимых офтальмологических исследований, и вместе с аппаратным, методическим и информационным обеспечениями составлять основу биотехнической измерительно-вычислительной системы.