Устройство для определения остроты зрения
DEVICE FOR DETERMINING VISUAL ACUITY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к медицинской технике, в частности к диагностическому оборудованию, а именно к офтальмологии, и предназначено для определения объективной остроты зрения на основании фиксации и записи специфических движений глаз.
Уровень техники
Система для определения остроты зрения на основе определения медицинским специалистом момента возникновения оптокинетического нистагма, включающая механическое устройство (вращающийся барабан), и принадлежности (сменные, заранее созданные оптотипы, линзы). Недостатки системы: необходимость ручной смены оптотипов, ограниченный набор оптотипов, субъективность оценки остроты зрения, как со стороны пациента, так и со стороны оператора.
Известно устройство для контроля остроты зрения (патент РФ №2164074, 10.09.2000, МПК А61В 3/02). Устройство включает источник света, пластину с размещенными на ней группами знаков одинакового размера, преобразователь информации с блоком памяти, блок индикации и блок формирования команд. Указанные блоки связаны с преобразователем информации для поочередной подсветки группы знаков. Источник света выполнен в виде матрицы световых излучателей, каждый из которых подключен через блок включения к выходу преобразователя информации, при этом преобразователь информации содержит оптическую систему, которая расположена в непосредственной близости от исследуемого глаза. Устройство выполнено с возможностью изменения расстояния между пластиной и оптической системой и снабжено шкалой измерения.
Из уровня техники известно устройство для определения остроты зрения (патент РФ №2269921, 27.10.2005, МПК А61В 3/032). Устройство включает таблицы оптотипов с шагом 0,05, различной контрастностью и цветом фона. Таблицы помещены в открытом спереди деревянном ящике, стенки которого изнутри облицованы зеркалами. Устройство также имеет два датчика: освещенности тестов и освещенности окружающего поля, два регулятора освещенности: окружающего поля и тестов, индикатор освещенности, оценивающий освещенность в цифровом выражении, и источник света, представляющий собой галогеновую лампу, позволяющую добиться освещенности до 1000 люкс.
К недостаткам этих устройств относится статичность оптотипов, которая делает устройства непригодными для оценки динамической остроты зрения.
Также из уровня техники известны способ и устройство определения динамической остроты зрения методом компьютерного тестирования [Кубарко А.И., Лукашевич И.В. Анализ механизмов динамической остроты зрения // Минск; БГМУ, Медицинский журнал. - 2007. - №1 (19)], выбранные авторами за прототип. Способ состоит в том, что испытуемым, находящимся в полностью затемненном помещении, после десятиминутной адаптации к темноте предлагалось распознавать направление дефекта кольца Ландольта во время его перемещения по темному экрану монитора, минимальное время распознавания являлось показателем динамической остроты зрения.
В приведенных аналогах устройств для съемки и записи специфических движений глаз и видеонистагмографах нет возможности объективной оценки остроты зрения на основании регистрации оптокинетического нистагма с использованием ИК-видеокамер, регистрация проводилась с использованием щелевых ламп врачом субъективно, фото- и видеокамер, работающих в видимом диапазоне. Применение излучения в ИК-диапазоне позволяет исключить негативное влияние на определение положения зрачка глаза бликов, паразитной засветки в оптическом диапазоне, исключить мешающее влияние видимого света на реакцию глаз пациента в ходе определения остроты зрения.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание устройства, предназначенного для записи и анализа специфических движений глаз для профессионального использования квалифицированным медицинским специалистом при объективном определении остроты зрения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности определения остроты зрения с коррекцией и без коррекции, основываясь на результатах видеонистагмографии.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет устройства для определения остроты зрения испытуемого, содержащее маску с набором корригирующих линз, устройство вывода информации, выполненное с возможностью демонстрации движущегося объекта с переменным структурным строением, и устройство обработки данных, выполненное с возможностью определения параметров проецируемых движущихся объектов с переменным структурным строением и детекции зрачка с последующим построением графика движения, при этом на маске размещена система ИК-подсветки, два дихроических отражающих инфракрасный свет зеркала, и две ИК-видеокамеры, регистрирующие движения глаз в ИК-диапазоне, и выполненные с возможностью осуществлять съемку движений глаз и непосредственно связаны с модулем ИК-подсветки, причем ИК-видеокамеры выполнены с возможностью передачи проекции изображения области интереса зрения испытуемого в устройство обработки информации, при этом система ИК-подсветки и ИК-видеокамеры расположены на маске так, что выведены за пределы поля зрения испытуемого, а дихроические зеркала, пропускающие видимый свет и отражающие инфракрасный свет, расположены неподвижно относительно камер на подвесе, общем с ними.
В частном случае реализации заявленного технического решение маска выполнена в виде очковой оправы и выполнена с возможностью подстройки и фиксации под индивидуальные особенности лица испытуемого.
В частном случае реализации заявленного технического решение набор корригирующих линз содержит линзы асферического типа.
В частном случае реализации заявленного технического решение набор корригирующих линз содержит положительные и отрицательные сферические и цилиндрические линзы, диафрагмы, цветовые фильтры красного и зеленого цвета, а также окклюдеры.
В частном случае реализации заявленного технического решение набор корригирующих линз содержит сферические линзы, имеющие двояковыпуклую или двояковогнутую форму.
В конструкции устройства для определения остроты зрения применены зеркала, пропускающие видимый свет и отражающие ИК-излучение, а также видеокамеры, регистрирующие возникающие движения глаз (оптокинетический нистагм) в ИК-диапазоне, а также применено устройство обработки информации, которое пересчитывает размеры оптотипа, опираясь на данные, введенные пользователем, и имитирует их перемещение аналогично барабану, применяемому для вызова оптокинетического нистагма (ОКН).
В процессе демонстрации анимации с перемещением оптотипа ведется видеорегистрация перемещения зрачка. Поскольку размер оптотипа рассчитан на определенную остроту зрения, то различить его может только индивид с достаточным зрением. На основе технологии машинного зрения проводится анализ перемещений зрачка, и по этим параметрам строится визуализация - кривые на графике. Визуализация позволяет врачу-специалисту подтвердить, отслеживал ли пациент перемещение оптотипа в процессе анимации или нет, тем самым устанавливается объективно, без участия пациента, факт способности различить объект определенного углового размера с определенной дистанции. Предлагая различные варианты теста с различными оптотипами, можно установить, на каком варианте оптотипа испытуемый перестает следить за анимацией на экране. Для подтверждения испытания предлагается вставить корригирующую линзу и применить размер оптотипа, соответствующий более высокой остроте зрения в тесте, где испытуемый будет отслеживать более малые оптотипы, которые без коррекции не различал. Таким образом, исключается субъективная оценка испытуемым его способности различить элементы на экране, что делает метод объективным и более устойчивым к попыткам ввести в заблуждение врача-специалиста.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - внешний вид маски;
Фиг. 2 - внешний вид маски спереди;
Фиг. 3 - внешний вид маски (очков) видеонистагмографа сбоку;
Фиг. 4 - внешний вид маски (очков) видеонистагмографа;
Фиг. 5 - проекция видимого изображения;
Фиг. 6 - глаз человека;
Фиг. 7 - график исследования ОКН;
Фиг. 8 - описание компонентов нистагменного цикла на примере единичного цикла, состоящего из медленной и быстрой фаз;
Фиг. 9 - блок схема работы устройства;
Фиг. 10 - блок схема работы устройства;
Фиг. 11 - примеры объектов с переменной структурой.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 - заушник; 2 - винт стопорный; 3 - держатель; 4 - колесо регулировки; 5 - фиксатор кабеля; 6 - кожух ИК-видеокамеры; 7 - ИК-видеокамера; 8 - дихроическое зеркало; 9 - переходник C-Mount с ИК-подсветкой; 10 - пластиковая основа; 11 - носоупор; 12 - кольцо фокусировки; 13 - оправа линзы; 14 - корригирующая линза, или светофильтр или окклюдер; 15 - контур глазной щели; 16 - ось глазной щели; 17 - контур свободного края века; 18 - контур радужной оболочки; 19 - белок глаза; 20 - слезное мясцо; 21 - контур верхнего века; 22 - контур нижнего века; 23 - ширина раскрытия глаза; 24 - внутренний угол глаза; 25 - наружный угол глаза; 26 - вершина свободного края нижнего века; 27 - длина глазной щели; 28 - вершина свободного края верхнего века.
На фигурах также обозначены: t - время; ϕ - угол поворота глаза; А - амплитуда; T - длительность; s - признак принадлежности к медленной фазе цикла (slow); f - признак принадлежности к быстрой фазе цикла (fast).
Раскрытие изобретения
Видеонистагмограф представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из маски, набора корригирующих линз, монитора, проецирующего оптотипы определенного размера, и программного обеспечения, позволяющего определять параметры проецируемых оптотипов и проводить детекцию зрачка с последующим построением графика движения.
Размеры контрастных элементов оптотипов рассчитываются на основе известного положения Дондерса-Снеллена о том, что определение остроты зрения требует применения знаков, видимых пациенту с угловым размером порядка одной минуты. Эти размеры определяются из геометрической зависимости tg α=x/h, где х - линейный размер контрастного элемента, h - расстояние от глаза до проецируемого оптотипа. Отсюда получается, например, что элемент с линейным размером 1 мм имеет угловой размер в 1 угловую минуту, если он проецируется с расстояния в 3,5 м. На основе данной зависимости рассчитываются размеры контрастных элементов для фактического исследования. Также при расчете остроты зрения используется зависимость V=d/D, где V - острота зрения, d -расстояние от глаза до оптотипа, и D - расстояние, с которого элемент виден, как имеющий угловой размер в 1 угловую минуту.
Для определения остроты зрения в ходе проведения видеонистагмографии применяется устройство, демонстрирующее движущийся объект с переменным структурным строением - оптотип, при этом глаза делают непроизвольные движения ритмично при способности пациента различать структуру предметов. Оптотипы соответствуют определенной остроте зрения. Оптотипы корреспондируют с величинами остроты зрения таблицы Сивцева и заданным параметрам в соответствии с ранее установленным порядком. Примеры объектов с переменной структурой изображены на фиг. 11.
Маска устройства для определения остроты зрения представляет собой модифицированную форму стандартной очковой оправы. Маска устройства для определения остроты зрения оснащена пластиковой основой с подвижными дужками, съемными носоупорами, двумя съемными держателями с зеркалами, отражающими инфракрасный свет и ИК-видеокамерами, магнитными фиксаторами линз, позволяющими легко менять корригирующие линзы, вращать их, а также устанавливать пакетом, состоящим из двух линз и дистанционной проставки; ИК-подсветкой, расположенной с обратной стороны магнитных фиксаторов, обеспечивающей равномерную подсветку глаза и исключающую засветки, паразитные отражения при работе с линзами.
Маска выполнена с возможностью подстройки/фиксации под индивидуальные особенности лица испытуемого. Для регистрации параметров глаз маска надевается на испытуемого так, чтобы обеспечить полный захват области интереса исследования.
Необходимость использования линз различной диоптрийности накладывает определенные условия на конструкцию маски видеонистагмографа: присутствие направляющих для фиксации линзы, располагающих корригирующую линзу на определенном вертексном расстоянии, не превышающем 15±1 мм.
При регистрации движения глаза возможность наблюдения за движущимися объектами с переменным структурным строением исследователю дает видеорегистрация в ИК-спектре, невидимом для глаза человека. Дополнительным преимуществом является малое влияние внешнего освещения видимого спектра на результат регистрации.
Система ИК-подсветки освещает глазную щель. Система ИК-подсветки представляет собой светодиоды, расположенные на маске со стороны лица испытуемого по обе стороны от каждого глаза и излучающие в сторону глаза. Работа устройства не влияет на восприятие человеком видимого спектра и безопасна для здоровья при допущении не превышения уровня безопасной энергии излучения в данном спектре.
Чтобы элементы подсветки и конструкции не вносили в поле зрения испытуемого значимого ухудшения возможности отслеживать движущиеся объекты, применено дихроическое зеркало. Дихроическое зеркало отражает под углами, близкими к 45°, волны ИК-диапазона, но не преломляет и не искажает лучи видимого спектра. Это свойство дихроических зеркал позволяет построить систему преломления так, чтобы вынести ИК-подсветку и ИК-видеокамеру за пределы поля зрения испытуемого. Свет невидимого для глаза человека спектра отражается от поверхности глаза с разной интенсивностью, что позволяет получить изображение глаза, включающее: внутренний и наружный углы глаз, свободные края верхнего и нижнего век, контур глазной щели, контур свободного края век, контуры радужной оболочки глаза, зрачка, склеру глаза.
Дихроические зеркала, пропускающие видимый свет и отражающие инфракрасный свет, расположены неподвижно относительно камер на подвесе, общем с ними. Данные зеркала необходимы для разделения отражения глаза испытуемого (с дальнейшей видеофиксацией его ИК-видеокамерами) и света, поступающего в глаз пациента от оптотипов, выводимых на экран.
ИК-видеокамеры, регистрирующие специфические движения глаз (оптокинетический нистагм) в ИК-диапазоне, позволяют осуществлять съемку движений глаз пациента и работают в непосредственной связи с модулем ИК-подсветки. ИК-видеокамера позволяет передать полученную проекцию изображения области интереса в компьютерную программу для дальнейшей обработки.
Для повышения точности регистрации параметров глаза устройство должно обладать средствами надежной фиксации на голове испытуемого. Это достигается использованием в конструкции заушников и носоупоров. Заушники предполагают крепления для системы затягивания с фиксатором. Для предоставления возможности увеличить время исследований и минимизации влияния на утомляемость испытуемого конструкция разработана с учетом минимизации веса и комфорта испытуемого при фиксации устройства. Устройство не перекрывает дыхательные пути, не давит на переносицу и в области висков. Наличие в составе маски видеонистагмографа полимерных носоупоров различной величины позволяет сделать маску универсальной, подходящей для использования у широкого круга пациентов.
Набор корригирующих линз представляет собой подборку положительных и отрицательных сферических и цилиндрических линз, диафрагм различного размера (1, 3, 4 мм), цветовых фильтров красного и зеленого цвета, а также окклюдеров. В набор входят сферические линзы для коррекции миопии и гиперметропии, а также цилиндрические линзы, для коррекции астигматизма различной степени. Корригирующие линзы применяются врачом по необходимости, порядок их расположения важен при их установке в держатель устройства, и определяется врачом.
В стандартные корригирующие наборы входят сферические линзы, имеющие двояковыпуклую или двояковогнутую форму. Диаметр используемых линз соответствует среднестатистическому размеры длины глазной щели, что позволяет не нарушать качество съемки глаза и дальнейшей детекции зрачка.
С учетом необходимости использования ИК-видеокамер важным является минимальное искажение изображения, присутствующее в оптической системе «ИК-видеокамера - ИК-зеркало - корригирующая линза - глаз».
Для осуществления данного решения нами предложено использование определенного дизайна линзы - асферического (линза имеет одну поверхность плоскую, а вторую - соответственно диоптрийности - выпуклую или вогнутую) с различными коэффициентами преломления (увеличивающимся в соответствии с увеличением диоптрийности линзы). Соблюдение данных условий позволяет достигать минимального изменения размеров глаза и, как следствие, никак не влияет на качество съемки и детекции зрачка.
Метод видеонистагмографии основан на графической регистрации вызванного оптокинетического нистагма (ОКН). Для осуществления данной методики применяется устройство, демонстрирующее движущийся объект с переменным структурным строением - оптотип, например, анимационный оптотип, при этом глаза делают непроизвольные движения ритмично при способности пациента различать структуру предметов.
Компьютерная программа представляет данные о вызванном ОКН на мониторе оператора в виде специфического графика. На фигуре 7 приведен пример графика исследования, на котором отображено: острота зрения 0,1 при движении объекта с переменной структурой справа налево (скорость: 8 об/мин, оптотип: вертикальные линии).
Активируется вывод анимации на дисплей и процесс захвата кадров с соответствующей камеры в маске. В процессе исследования проводится быстрый анализ положения зрачка. По истечении времени теста вызывается процедура сохранения проведенной записи.
После завершения анализа выводится график, иллюстрирующий перемещение в соответствующем направлении.
В зависимости от установок выбирается несколько стратегий поиска:
1) принимается кадр, производится сглаживание, объединение темных регионов по пороговому значению цветности.
2) выделяется наиболее подходящая область, из нее производится маска для вычисления предполагаемого положения зрачка, область пропускается через предикторы, которые подтверждают, что объект зрачок или нет. Использует методы Canny и Hough. На поиск может влиять предыдущий кадр, который дает область интереса для предполагаемого поиска.
3) принимается кадр, передается в обученный классификатор на специальной выборке, классификатор передает область, похожую на зрачок, предикторам. Предикторы подтверждают результат.
4) 2 и 1 способ последовательно, переход к следующему осуществляется в зависимости от результата проверки предиктором предыдущего. Сначала обрабатывается область интереса, при необходимости весь кадр.
5) относительное перемещение вычисляется относительно первого кадра с успешно распознанным зрачком. После запуска программы инициализируется драйвер на встроенные в маску камеры. В процессе инициализации проверяется принадлежность ИК-камер к введенному лицензионному ключу. В случае несоответствия элементы управления для взаимодействия с устройством блокируются.