БЕСКОНТАКТНЫЙ ПУПИЛЛОМЕТР ДЛЯ СКРИНИНГ-ДИАГНОСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
CONTACTLESS PUPILLOMETR FOR SCREENING DIAGNOSIS OF FUNCTIONAL STATUS OF AN ORGANISM AND METHOD OF ITS USE

Изобретение относится к медицинской технике, позволяющей регистрировать и анализировать зависимость изменения зрачковых реакций от токсических, физических, психоэмоциональных, соматических и др. факторов, воздействующих на организм, и может быть использовано в области медицины, наркологии, юридической психологии, криминалогии, криминалистики, психологии труда и пр.
Измерение диаметра зрачка (пупиллометрия) является объективным методом исследования функционального состояния организма. Многочисленные исследования показали высокую информативность пупиллографических показателей при оценке функционального состояния нервной системы и организма в целом. Реакция зрачков на световой раздражитель является безусловным рефлексом, который не поддается контролю со стороны коры головного мозга. Зрачок, являясь диафрагмой глаза, регулирует световой поток, падающий на сетчатку. При ярком освещении он сужается, при снижении интенсивности освещения - расширяется. Многие физические и химические факторы влияют на скорость зрачковой реакции. Имеются данные о специфичности зрачковых реакций при интоксикациях, в том числе и наркотических (Куцало Анатолий Леонидович. Пупиллометрия в качестве метода экспресс-диагностики наркотической интоксикации: диссертация кандидата медицинских наук: 14.00.20 /: Институт токсикологии. - Санкт-Петербург, 2004. - 118 с.: 40 ил. РГБ ОД).
Регистрация и математическая обработка результатов исследования зрачкового рефлекса представляют большие трудности в связи с высокой скоростью зрачковой реакции малыми размерами зрачка.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ регистрации зрачковых реакций и устройство для его осуществления (RU 2123797, 27.12.1998, кл. A61B 3/113), включающий фиксацию головы испытуемого, освещение зрачка обследуемого ИК-излучением, регистрацию отраженного светового потока с помощью ИК-чувствительной телевизионной камеры, подачу стимула и запись пупиллограммы с последующей ее обработкой. Производят наводку телевизионной камеры на резкое изображение зрачка, визуально контролируя его на экране видеоконтрольного устройства. Измерение размеров зрачка в абсолютных единицах производят в цифровой форме в каждом кадре телевизионного изображения, при этом регистрируют для каждого обследуемого начальную совокупность пупиллограмм, по которой формируют его индивидуальные нормативы пупиллометрии с учетом типа использованного стимула, вносят их в банк данных компьютера. Параметры зрачковой реакции при последующих регистрациях пупиллограмм автоматически сравнивают с индивидуальными нормативами пупиллометрии с выдачей сообщения "норма" или "отклонение от нормы".
Недостатки известного способа и устройства состоят в том, что они требуют для своей реализации визуального контроля и выбора вида стимула в процессе регистрации зрачковых реакций, что неизбежно приводит к закреплению специалиста к каждому аппарату на весь период проведения исследования.
Необходимость фиксации головы (соприкосновение с устройством) вводит дополнительные требования к гигиене и санитарным нормам при проведении исследований.
Наличие субъективного подхода к контролю устройства, условий фонового освещения при проведении исследований и отсутствие корпуса как такового приводит к погрешности, следовательно, к невысокой точности измерений в целом.
Таким образом, известное выше устройство и способ не позволяют широко использовать при многочисленных массовых обследованиях (например, предсменные и послесменные осмотры шахтеров).
Технический результат изобретения выражается в повышении точности измерений и объективизации исследования, а также уменьшении времени обследования и трудоемкости.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами,
где на фиг. 1 изображен главный вид бесконтактного пупиллометра;
на фиг. 2 изображен бесконтактный пупиллометр (Вид сверху);
на фиг. 3 - бесконтактный пупиллометр (Профильная проекция);
на фиг. 4 - бесконтактный пупиллометр (Общий вид, изометрия);
на фиг. 5 - график изменения площади зрачка в процессе испытаний;
на фиг.6 - расчетные величины Tlat1, Tlat2, F1, F2, AmplRatio, Average;
на фиг. 7 - индивидуальная норма шахтера Иванова И. И. для Примера 1 и 2;
на фиг. 8 - результаты исследований шахтера Иванова И.И. для Примера 1;
на фиг. 9 - результаты исследований шахтера Иванова И.И. для Примера 2.
1 - корпус бесконтактного пупиллометра;
1а - козырек корпуса бесконтактного пупиллометра;
1б - ограждающие борты корпуса бесконтактного пупиллометра;
1.1 - передняя торцевая сторона козырька корпуса бесконтактного пупиллометра;
1.2 - внутренняя часть ограждающих бортов корпуса бесконтактного пупиллометра;
2 - держатель;
3 - излучатель;
4 - приемник;
5 - температурный датчик;
6 - камера;
6а - объектив камеры;
7 - кожух;
8 - индикатор расположения;
9 - ИК светодиода;
10 - красный светодиод;
11 - источник белого света;
12 - датчик освещенности;
13 - ПК со специальным программным обеспечением (не показан)
Заявленный прибор, бесконтактный пупиллометр для скрининг-диагностики функционального состояния организма, состоит из корпуса (1) и держателя (2). Корпус (1) выполнен сложной формы, которую условно можно разделить на две поверхности (1а) и (1б), где (1а) - поверхность корпуса бесконтактного пупиллометра (1), формирующая козырек; (1б) - поверхность корпуса бесконтактного пупиллометра (1), формирующая ограждающие борты (вокруг козырька). Такая форма обеспечивает компактное размещение составных частей прибора бесконтактного пупиллометра, а также необходимые условия для проведения исследований.
Передняя торцевая сторона козырька корпуса (1.1) имеет вогнутую форму, то есть в плане представлена дугой (см. фиг.2,4,1), на краях которых симметрично размещены излучатель (3) и приемник (4) соответственно, а по центру установлен температурный датчик (5). Излучатель (3) - фотоэлектродатчик, генерирующий световой поток. Приемник (4) - фотоэлектродатчик, принимающий световой поток от излучателя (3). Температурный датчик (5) - инфракрасный термометр, обеспечивающий бесконтактное измерение температуры.
За счет вогнутой формы передней торцевой стороны козырька корпуса (1.1) приемник (4) и излучатель (3) располагают напротив друг друга таким образом, чтобы световой поток излучателя (3) попадал непосредственно на приемник (4).
Внутренняя часть ограждающих бортов корпуса (1.2) - часть корпуса (1) бесконтактного пупиллометра, в котором по центру располагается камера (6) в кожухе (7) и индикатор расположения (8), а по сторонам оппозитно от камеры (6) монтируются два инфракрасных (ИК) светодиода (9) по одному элементу с каждой стороны. При этом индикатор положения (8) находится выше камеры.
Кожух (7) выполнен большего размера, чем камера (6), при этом объектив камеры (6а) расположен вне кожуха. На задней стенке кожуха (7) за камерой (6) располагаются красный светодиод (10) и источник белого света (11). Два ИК светодиода (9) работают в диапазоне инфракрасного света (невидимого для глаза человека), при этом выполняют функцию постоянной подсветки правого и левого глаза соответственно (работают непрерывно). Мощности ИК светодиодов (9) составляет диапазон величин, при котором обеспечивается изображение с максимальным контрастом без помех (бликов).
При перекрывании светового потока от излучателя (3) к приемнику (4) срабатывает I красный светодиод (10).
Непрерывно горящий красный светодиод (10) информирует испытуемого о начале этапа исследования, моргающий светодиод (10) информирует испытуемого об окончании этапа исследования.
Источник белого света (11) - осветитель или источник стимула. Источник белого света (11) предназначен для дозированного воздействия на область зрачка глаза световым стимулом.
Кожух (7) выполнен из материала, способного равномерно распределять свет от элементов (10) и (11), расположенных в нем, например из матового оргстекла.
Камера (6) - обеспечивает регистрацию изображения зрачка в инфракрасном спектре, при этом частота кадров должна быть не менее 60 кадров в секунду (60 fps), а оптическое разрешение - не менее 1,31 MPix.
Поверхность профильной стороны индикатора расположения (8) обладает отражающей способностью, со степенью четкости достаточной для отражения контуров глаз испытуемого (по типу нечеткого зеркала). Такая степень четкости снижает влияние засветки изображения. Форма исполнения индикатора положения (8) может быть любая, в данном случае это пластина прямоугольной формы с шириной, равной ширине кожуха (7).
В верхней части корпуса (1) пупиллометра расположен датчик освещенности (12), который может быть представлен люксометром.
Ограждающие борты корпуса (1б) совместно с козырьком (1а), у которого передняя торцевая сторона (1.1) имеет вогнутую форму, а также с двумя ИК светодиодами (9) и датчиком освещенности (12) создают необходимое физиологическое условие фонового освещения при исследовании и позволяют оценить его (измерить). Таким образом, заявленное устройство обеспечивает бесконтактное проведение диагностики функционального состояния организма в режиме реального времени без необходимости предварительной подготовки и/или создания дополнительных условий.
Держатель (2) обеспечивает устойчивость конструкции в целом и требуемую высоту расположения, в частности, объектива камеры (6а) при исследовании. Высота расположения подбирается таким образом, чтобы испытуемый смотрел прямо при естественном положении головы, а его глаза были на одном уровне с индикатором расположения (8). Конструкция держателя может быть любая удовлетворяющая вышеперечисленным требованиям, например в виде штатива, стойки, анкеров (задних держателей для крепления на стену). На фиг. 1 представлен случай, когда держатель выполнен в виде штатива.
Позиционирование испытуемого происходит бесконтактным способом. Когда голова испытуемого перекрывает путь луча от излучателя (3) к приемнику(4), срабатывает красный светодиод (10), при этом испытуемый фиксирует и видит свои глаза на индикаторе расположения (8). При позиционировании красный светодиод (10) при срабатывании горит непрерывно, тем самым информируя о правильности позиционирования и «о начале этапа исследования». Горящий красный светодиод (10) не нарушает условий фонового освещения за счет размещения в кожухе (7), который равномерно рассеивает свет.
Все составные части бесконтактный пупиллометр для скрининг-диагностики функционального состояния организма подключены к компьютеру со специальным программным обеспечением (13) (на чертеже не показано). ПК со специальным программным обеспечением (13) обеспечивает в режиме реального времени автономную скрининг-диагностику функционального состояния организма, а именно следующие операции: определение личности испытуемого и регистрацию наличия жалоб на здоровье;
- бесконтактное позиционирование испытуемого;
- автоматическое инициирование начала исследования;
- автоматическое бесконтактное измерение фонового освещения;
- автоматическое бесконтактное измерение значений температурного датчика;
- автоматическую подачу светового стимула источником белого света;
- бесконтактное измерение камерой зрачковых реакций глаза;
- автоматическое окончание исследования;
- автоматическое сохранение, обработку, анализ измерений;
- автоматический расчет параметров;
- автоматическое формирование индивидуальных норм;
- выдачу эпикриза.
Бесконтактный способ скрининг-диагностики функционального состояния организма основан на регистрации зрачковых реакций и для этого использует вышеописанное устройство.
Бесконтактный способ скрининг-диагностики функционального состояния организма проводится поэтапно в следующей последовательности: предысследование, исследование и заключение.
На этапе предысследования в базе данных компьютера (13) регистрируют наличие жалоб на здоровье и идентификационный код обследуемого, под которым в дальнейшем будет храниться информация.
Обследуемый удобно располагается на стуле или стоя (в зависимости от конструкции держателя). Обследуемый приближает голову к передней торцевой стороне козырька корпуса (1.1), но не касается ее, при этом все время фиксирует свой взгляд (то есть, видя очертания своих глаз) на индикаторе расположения (8). При перекрывании головой испытуемого светового потока от излучателя (3) к приемнику (4) срабатывает красный светодиод (10). При горящем красном светодиоде (10) обследуемый прекращает свое приближение головы к передней торцевой стороне козырька корпуса (1.1).
При таком положении перед глазами испытуемого создается зона с необходимым фоновым освещением за счет конструкции корпуса (1) бесконтактного пупиллометра (а именно ограждающих поверхностей бортов (16) и козырька (1а)) и двух ИК светодиодов (9), постоянно подсвечивающих в инфракрасном диапазоне правый и левый глаза соответственно. Такое фоновое освещение при исследовании обеспечивает высокую точность измерений.
Непрерывно горящий красный светодиод (10) информирует о правильном бесконтактном позиционировании, а также инициирует этап исследования при условии, что испытуемый видит очертания глаз на индикаторе расположения (8).
При постоянной работе красного светодиода (10) и подсвечивающих глаза ИК светодиодах (9) осуществляется этап исследования функционального состояния организма, заключающийся в измерении показаний в трех последовательно сменяемых режимах: адаптации, нагрузки и восстановления, см. фиг. 5.
Адаптация - режим работы заявленного бесконтактного пупиллометра с момента включения красного светодиода (10) до момента включения источника белого света (11). В данном режиме происходит адаптация зрачков человека к физиологическим условиеям фонового освещения. Длительность режима адаптации в среднем составляет 1 с.
Нагрузка - режим работы при включенном источнике белого света (11). В данном режиме происходит реакция зрачков на подачу стимула. Длительность режима нагрузки в среднем составляет 2 с.
Восстановление - режим работы заявленного бесконтактного пупиллометра с момента выключения источника белого света (11) до момента моргания красного светодиода (10). В данном режиме зрачки человека адаптируются к прежнему условию фонового освещения (аналогичному режиму адаптации). Длительность режима восстановления в среднем составляет 3 с.
Во всем трех режимах бесконтактно, непрерывно и одновременно измеряют показания фонового освещения, температуры тела человека и зрачковой реакции глаза.
Измерение фонового освещения выполняется при помощи датчика освещенности (12). Измерение температуры тела осуществляется при помощи температурного датчика (5). Измерение зрачковой реакции глаза фиксируется камерой (6).
Моргающий красный светодиод (10) информирует об окончании этапа обследования и начале заключительного этапа.
В начале этапа заключения заносятся в базу данных ПК (13) под идентификационным кодом обследуемого измерения, которые выполнялись на протяжении адаптации, нагрузки и восстановления. Далее производится обработка измерений и анализ данных, полученных на этапе исследования.
Для измерений зрачковой реакции обрабатывается каждый кадр изображения в цифровой форме (по пикселям) и путем статистической обработки строится график изменения площади зрачка во времени, в зависимости от освещения, см. фиг.5. Потом рассчитываются как минимум следующие параметры, см. фиг. 6.
Латентное время реакции зрачка на источник белого света (Tlat1) рассчитывается как время от момента включения источника белого света до момента пересечения графиком значения (0,95)b, где b - значение площади зрачка до включения источника белого света.
Латентное время реакции зрачка на выключение источника белого света (Tlat2) рассчитывается как время от выключения источника белого света до пересечения графиком значения (1,05)а, где а - установившаяся площадь зрачка при включенном источнике белого света.
Угол реакции зрачка на включение источника белого света (F1) - при расчетах используется тангенс этого угла (отношение изменения площади зрачка к длительности реакции). В качестве изменения площади используется разность между (0,95)b и (1,05)а. Длительность реакции - разность между временами пересечения графиком значений (0,95)b и (1,05)а.
Угол реакции зрачка на выключение источника белого света (F2) - при расчетах используется его тангенс. В качестве изменения площади используется разность между (0,95)с и (1,05)а. Длительность реакции - разность между временами пересечения графиком значений (0,95)с и (1,05)а.
Коэффициент реакции (AmplRatio) - отношение значения (0,95)b к значению (1,05)а.
Средняя площадь зрачка до начала реакции (Average) - среднее значение площади зрачка на интервале адаптации глаза. Рассчитывается как сумма всех значений, деленная на их количество.
Не менее чем по пяти исследованиям формируют индивидуальные нормативы испытуемого, которые вносятся в базу данных в виде таблицы. Для каждой величины Tlat1, Tlat2, F1, F2, AmplRatio, Average выбираются минимальное и максимальное значения, которые вносятся в таблицу с допуском в 10%.
Результаты всех исследований накапливаются в базе данных под личным идентификационным кодом обследуемого, что позволяет уточнить расчет индивидуальных норм по выбранным проведенным ранее измерениям.
При повторном исследовании измерения проводится один раз, после чего параметры зрачковой реакции обследуемого автоматически сравнивают с его же индивидуальными нормативами с выдачей эпикриза функционального состояния организма обследуемого. Эпикриз описывает характер отклонений от нормы.
Длительность одной бесконтактной скрининг-диагностики функционального состояния организма с выдачей заключений занимает менее 1 минуты.
Достоверность реализации полученного результата подтверждена изготовлением и испытанием опытного образца.
Использование бесконтактного пупиллометра для скрининг-диагностики функционального состояния организма подразумевает присутствие одного квалифицированного медработника (например, фельдшер) на неограниченное количество в одном помещении устройств. В первый раз медработник проводит инструктаж, а в дальнейшем скрининг-диагностика (например, входящая в предсменный осмотр) проходит автоматически. Если у обследуемого по результатам скрининг-диагностики зафиксировали показания, превышающие норму, тогда либо повторяют процедуру повторно через 15 минут или обследуемый проходит индивидуальный осмотр у медработника.
За счет автоматизированного бесконтактного способа скрининг-диагностики, высокой точности измерений, нетрудоемкости, а также короткого времени всей процедуры и выдачи эпикриза предлагаемое изобретение найдет широкое применение как минимум в следующих областях:
- в наркологии для диагностики наркотической интоксикации;
- в медицине для профессиональных и плановых медицинских осмотров, психиатрических освидетельствованиях;
- в производственных условиях для экспресс - диагностики до и после рабочего дня (смены) состояния здоровья операторов ответственных производств, водителей и пр., чья профессиональная деятельность связана с риском техногенных катастроф и безопасностью населения;
- в судебной деятельности для изучения достоверности показаний подозреваемых, свидетелей, потерпевших.
Пример 1:
Обследуемому Иванову И.И., 40 лет, шахтер, стаж работы 9 лет, проведен предсменные/послесменные медицинские осмотры на заявленном бесконтактном пупиллометре для скрининг-диагностики функционального состояния организма.
Перед рабочей сменой в базе данных ПК регистрируют идентификационный код Иванова И.И., под которым в дальнейшем будет храниться информация о его зрачковых реакциях. Далее проводят бесконтактную скрининг-диагностику не менее пяти раз по описанному выше способу и формируют индивидуальные нормы Иванова И.И, см. фиг. 7.
После рабочей смены бесконтактном пупиллометром проводят повторную скрининг-диагностику (один раз), результаты (см. фиг. 8) которого после рабочей смены автоматически сравниваются с индивидуальными нормами.
Выдача эпикриза - "ослабленная реакция".
Далее медработник должен интерпретировать заключение как сигнал об отклонении от нормы, а в частности как об отравлении сероводородом/угарным газом сотрудника на производстве (которое подтверждается при индивидуальном). После чего проводят неплановую проверку условий труда, в случае подтверждения заключения организация принимает действия по устранению причин аварии и оказания помощи пострадавшим.
Пример 2:
Обследуемому Иванову И.И., 40 лет, шахтер, стаж работы 9 лет, проведен утренний предсменный медицинский осмотр по вышезаявленному способу с уже ранее сформированными индивидуальными нормами (фиг. 7). Результаты бесконтактной скрининг-диагностики представлены на фиг. 9.
Выдача эпикриза - "миоз".
Далее медработник должен интерпретировать заключение как сигнал об отклонении от нормы, а в частности как об наркотическом опьянении сотрудника (которое подтверждается при индивидуальном осмотре). После чего принимаются меры о запрете допуска к работам.