Портативное устройство для исследования зрительных функций
PORTABLE DEVICE FOR VISUAL FUNCTIONS EXAMINATION

Изобретение относится к офтальмологии и предназначено для исследования зрительных функций у людей с офтальмологическими, неврологическими, когнитивными и другими расстройствами, которое также может быть использовано для проведения различных функциональных исследований зрительно-нервного аппарата человека.
Устройство позволяет судить о характере светочувствительности в различных участках сетчатки, об уровне поражения зрительно-нервного пути и о состоянии зрительного анализатора головного мозга, может быть использовано для определения границ поля зрения и выявления участков с дисфункцией яркостной и контрастной чувствительности при диагностике патологии зрительного нерва, центральной нервной системы и сетчатки. Устройство предназначено для исследования зрительных функций (поля зрения, проведения задач на когнитивное восприятие изображений, изучения контрастной чувствительности, выявления цветоаномалий, изучения других функциональных параметров зрительно-нервного аппарата человека) и может быть использовано у людей с офтальмологическими, неврологическими, когнитивными и другими расстройствами, в том числе у людей, не способных удерживать взор в точке фиксации в течение времени, необходимого для полноценного проведения исследования, что может быть результатом:
- отсутствия центрального предметного зрения;
- при непроизвольных и произвольных движениях глазного яблока;
- при быстрой утомляемости пациента с потерей концентрации на точке фиксации, что необходимо в процессе исследования.
Уровень техники
Известны устройства для определения границ поля зрения с помощью периметрии, в которых предъявление зрительных паттернов производится оператором, проводящим исследование. Широко используют приборы, позволяющие в автоматическом режиме определять периферические границы поля зрения, выявлять локальные участки его выпадения, определять границы поля зрения на цвета. Применяемые автоматические периметры («Rodenstock», «Humphrey», «Octopus», «Периком» и др.) представляют собой стационарные приборы, требующие специального помещения с заданным уровнем освещенности, и являются крупногабаритными, дорогостоящими аппаратами. Для получения корректных и адекватных результатов пациент в процессе исследования должен плотно прижимать лицо к лицевым упорам аппарата, фиксировать взор исследуемого глаза на специальной точке фиксации и не отрываться от нее в течение всего процесса исследования. По мере предъявления пациенту световых диагностических паттернов, которые в рамках специального алгоритма задаются программным обеспечением прибора, пациент должен тем или иным образом реагировать на них нажатием кнопки, осуществляя, таким образом, обратную связь. На основании ответов пациента компьютер создает диагностическую карту, позволяющую оценить состояние поля зрения.
Перед началом исследования пациенту дается инструктаж, каким образом следить за предъявляемыми паттернами и как на них реагировать, однако практика показывает, что значительная часть пациентов не сразу понимает, что от них требуется, и поэтому при первом исследовании делают ошибки, искажающие полученные результаты. Даже при наличии уверенной фиксации взора пациенты нередко двигают глазом, активно разыскивая световые паттерны, подсознательно стараясь «улучшить» свои результаты.
Существующие стационарные периметры обладают существенными ограничениями, не давая возможности для обследования пациентов, ограниченно подвижных и лежачих, а также для пациентов, не способных длительно находиться в вынужденном положении из-за физических недостатков опорно-двигательной системы или из-за неврологических нарушений.
Попыткой решения вопроса, позволяющей обследовать пациентов, не способных из-за физического состояния сидеть за стационарным периметром, в том числе лежачих пациентов, стало использование портативной модели периметра, представляющего собой сферу диаметром 7-8 см со смотровым отверстием, при этом внутри сферы пациенту предъявляются световые паттерны, как и при использовании обычного сферопериметра. Вышеназванная сфера насажена на ручку, за которую ее может держать пациент. Ручка снабжена кнопкой, чтобы пациент мог реагировать на появляющиеся световые паттерны (патент RU 2285440, 20.10.2006). Несмотря на преимущества данного портативного периметра, который можно использовать у лежачих пациентов, оператор при исследовании не может контролировать правильность направления взора обследуемого, поскольку пациент может изменить положение портативного периметра в руке в процессе исследования. Помимо этого, даже если пациент обладает хорошей способностью фиксировать свой взор в нужной точке для корректного проецирования паттернов на необходимые участки сетчатки, в данном приборе это не может быть контролируемо.
Известно устройство для оценки зрительных функций с определением бинокулярного зрения, состоящее из монитора для отображения видео и стереоочков с возможностью диоптрийной коррекции. Открытие и закрытие отверстий стекол синхронизировано с отображением различных визуальных образов. Некоторые изображения становятся видимыми для каждого глаза, но не видны другим, и некоторые изображения отображаются таким образом, что они появляются из плоскости изображения (US 5026151, 1991-06-25).
В 1980-х годах началась разработка устройства под названием «Шлем виртуальной реальности» для ПК. Особая конструкция шлема позволяет человеку погружаться в создаваемую компьютером виртуальную среду, которую он наблюдает через видеоэкран, полностью закрывающий обзор. Одна из особенностей виртуальной реальности в том, что у человека задействуется как центральное, так и периферическое зрение.
Виртуальная реальность находит применение в различных сферах. Ее использование началось в виде развлекательной технологии, но постепенно ее стали применять в интеллектуальной, военной, а с недавнего времени и в медицинской отрасли. Так, виртуальную реальность используют для лечения серьезных физических и психологических проблем, а также для диагностики, в частности, через восприятие врачом трехмерной информации о пациенте (томография, трехмерные данные рентгеновских аппаратов, УЗИ и т.д.). Виртуальная реальность также в настоящее время применяется в лечении расстройств пищевого поведения (анорексия, булимия), в качестве VR-игр для обезболивающего эффекта, при лечении фобий, алкогольной зависимости, при посттравматических стрессовых расстройствах, при реабилитации, в частности, у пациентов, перенесших инсульт. В любом случае, особенную пользу использование виртуального шлема представляет для людей с ограниченными возможностями.
Известно портативное устройство для периметрии (Patent US 5,737,060, 04.07.98), которое состоит из очков виртуальной реальности, объединенных с компьютером, и снабженное кнопкой для получения обратной связи от пациента. Данное устройство позволило проводить исследование у пациентов, не способных длительно сидеть с лицом, прижатым к лицевому установу стационарного периметра. Устройство отличается неприхотливостью в использовании, легко транспортируется, не требует для исследования отдельного помещения. Данное устройство принято за ближайший аналог.
Существенным недостатком данного устройства является то, что при его использовании затруднительно проводить исследования, если пациент смещает взор от точки фиксации при утомлении или при попытках активно разыскивать предъявляемые паттерны на проекционном экране. Кроме того, полностью невозможно проводить исследования у пациентов, у которых отсутствует центральное предметное зрение или имеются непроизвольные движения глаз, что делает полученные результаты исследования от умеренно искаженных до полностью неприемлемых.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для исследования зрительных функций на основе шлема виртуальной реальности у пациентов, не способных концентрироваться на точке фиксации из-за отсутствия центрального предметного зрения, у пациентов, не способных находится в вынужденном положении и удерживать взор на точке фиксации в течение необходимого для исследования зрительных функций времени.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения адекватных результатов исследования при отсутствии устойчивой фиксации взора, при непроизвольных и произвольных движениях глазного яблока; при быстрой утомляемости пациента с потерей концентрации на точке фиксации.
Технический результат достигается за счет использования шлема виртуальной реальности, совмещенного с ПК, механизма, позволяющего менять дистанцию от вершины роговицы до дисплея, и окулографа с видеокамерой для контроля за положением направления линии взора и скоординированного с программным обеспечением, позволяющим одновременно с движением взора синхронно смещать координатную сетку совокупности предъявляемых диагностических паттернов.
Портативное устройство для исследования зрительных функций состоит из шлема виртуальной реальности с дисплеем, компьютера для формирования точки фиксации (в том числе и виртуальной точки фиксации), для последовательного предъявления визуальных паттернов и фиксации результатов исследования, механизма, позволяющего менять дистанцию от вершины роговицы до дисплея, и окулографа с видеокамерой для контроля за положением направления линии взора и скоординированного с программным обеспечением, позволяющим одновременно с движением взора синхронно смещать координатную сетку совокупности предъявляемых диагностических паттернов, проецируемых на плоскость дисплея таким образом, что направление взора и точка его виртуальной фиксации все время остаются в центре координатной сетки независимо от реального направления взора, при этом формирование точки виртуальной фиксации в центре координатной сетки проводится перед началом исследования, ориентируясь на сигнал, получаемый с окулографа.
Шлем виртуальной реальности содержит дисплей, который может быть разделен на два изолированных поля для проецирования паттернов отдельно для каждого глаза таким образом, что для каждого из указанных полей могут быть представлены независимые задачи. На разделенные поля дисплея предъявляются различные диагностические световые паттерны и визуальные образы, необходимые для проведения исследования. При этом компьютер снабжен программным обеспечением для генерирования необходимых паттернов и визуальных образов на основании заданного алгоритма, а также устройством обратной связи, с помощью которого обследуемый подает сигналы в ответ на увиденные паттерны. Кроме того, компьютер может быть снабжен устройствами, позволяющими оператору фиксировать, анализировать, архивировать, воспроизводить и сравнивать результаты исследования для создания карты имеющихся зрительных нарушений и формирования представления об имеющихся у обследуемого изменениях в системе зрительного и когнитивного восприятия и распечатки полученных результатов. Устройство может быть укомплектовано звуковоспроизводящими приспособлениями, позволяющими блокировать посторонние звуки и воспроизводить необходимые сигналы и информацию. Зона каждого глаза снабжена окулографом, позволяющим контролировать направление линии взора исследуемого глаза, а при его изменении -отслеживать движения глазного яблока, синхронно координировано смещать одновременно с изменением линии взора координатную сетку совокупности предъявляемых диагностических паттернов и визуальных образов, проецируемых на плоскость дисплея таким образом, что направление взора и точка его виртуальной фиксации все время остаются в центре этой координатной сетки, независимо от направления взора. Формирование виртуальной точки фиксации в центре координатной сетки проводится перед началом исследования, ориентируясь на обратную связь со стороны пациента. Компьютер может быть снабжен программным обеспечением для воспроизведения учебно-инструктирующих материалов для подготовки пациента к исследованию, для предъявления релаксирующих заставок на дисплее шлема виртуальной реальности, которые могут запускаться в плановом порядке, по команде оператора или по сигналу от окулографа, указывающему на утомление пациента. Устройство снабжено механизмом, позволяющим менять дистанцию от вершины роговицы до дисплея, который может приводиться в действие механической кремальерой, при помощи электромагнитов, электродвигателя или других перемещающих механизмов.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - устройство для исследования зрительных функций
поз. 1 - шлем виртуальной реальности
поз. 2 - ПК
поз. 3 - средство обратной связи
Фиг. 2 - схема механизма перемещения экрана
поз. 4 - глаз исследуемого
поз. 5 - оптическая система шлема BP
поз. 6 - плоскость дисплея шлема BP
поз. 7 - линия взора исследуемого (оптическая ось)
поз. 8 - механизм перемещения дисплея
поз. 9 - диапазон перемещения дисплея для настройки четкости восприятия пациентом
Фиг. 3 - схема окулографа
поз. 10 - видеокамера окулографа (айтрекера)
Фиг. 4 - формирование виртуальной точки фиксации взора
поз. 11 - палец исследуемого, на который сфокусирован его мысленный взор
поз. 12 - виртуальная ось направления взора в момент создания точки виртуальной фиксации взора
Окулограф (айтрекер), позволяет фиксировать и контролировать направление взора исследуемого глаза, ориентируясь на положение зрачка и на рефлекс от вершины роговицы, а при изменении направления взора - с высокой точностью отслеживать эти движения, постоянно отправляя сигнал о направлении линии взора на компьютер. В случае непроизвольного или произвольного смещения направления взора, комплекс предъявляемых визуальных паттернов автоматически смещается таким образом, что нулевая ось угловой системы координат с привязанными к ней координатами предъявляемых паттернов, перемещается скоординировано с изменением вектора оси направления взора и, соответственно, динамически изменяется положение виртуальной точки фиксации взора.
Это позволяет, благодаря программному обеспечению, одновременно с движением взора синхронно смещать координатную сетку совокупности предъявляемых диагностических паттернов, проецируемых на плоскость дисплея таким образом, что направление взора и точка его виртуальной фиксации все время остаются в центре этой координатной сетки, независимо от реального направления взора даже при его смещении.
Шлем виртуальной реальности снабжен устройством, позволяющим изменять положение дисплея относительно глаз обследуемого, на который выводятся предъявляемые диагностические зрительные паттерны, что позволяет пациентам с аномалиями рефракции достичь четкого видения паттернов в процессе исследования.
При отличии межзрачковой дистанции исследуемого пациента от параметров, заложенных в оптических характеристиках шлема, для адаптации предъявляемых диагностических тестов, в размеры и интенсивность предъявляемых световых паттернов вносятся программные корректирующие коэффициенты, улучшающие их различение. Коэффициент вносимых изменений зависит от величины отклонения между установленной межзрачковой дистанцией шлема и от реальной межзрачковой дистанции исследуемого пациента.
Поправочный коэффициент каждого конкретного пациента вносится в программное обеспечение системы автоматически на основании данных, представленных окулографом, или может вноситься оператором вручную на основании величины межзрачковой дистанции, измеренной до начала исследования.
В основе исследования с помощью шлема виртуальной реальности лежит реакция пациента на визуальные сигналы, генерируемые и предъявляемые на экран шлема BP соответствующим программным обеспечением подключенного компьютера. Для проведения исследования пациенту надевают шлем виртуальной реальности, объединенный с компьютером, снабженным соответствующим программным обеспечением и устройством обратной связи (кнопкой, джойстиком и т.д.), позволяющим фиксировать ответы обследуемого, а также программами, необходимыми для введения полученных результатов в базы данных, их хранения, анализа и воспроизведения.
Программа, управляющая работой шлема BP, состоит из логических модулей:
- модуля вывода изображения на экран шлема BP, который реализует взаимодействие программы и шлема виртуальной реальности, подключенного к компьютеру;
- модуля расчета основной логики шлема BP, который реализует обработку основной логики программы, проведения тестирования, контроля данных, обработки сигналов с внешних устройств и др.;
- модуля управления с выводом информации для оператора, который реализует интерфейс взаимодействия оператора и программы, осуществляет вывод текущей информации на экран компьютера и обрабатывает действия по управлению проведения теста;
- модуля анализа информации, поступающей от окулографов, вносящей коррективы в расчет логики предъявления визуальных паттернов на экран шлема BP.
Исследование происходит путем предъявления диагностического теста, представляющего собой совокупность комплекса разнообразных визуальных паттернов, предъявляемых пациенту в последовательности, определяемой выбранной диагностической методикой, и жестко привязанных к угловой системе координат, нулевая ось которой совпадает с направлением взора. Точкой фиксации взора мы называем точку пересечения нулевой оси с плоскостью предъявляемых паттернов, которая совпадает с плоскостью дисплея.
Устройство используется следующим образом.
В процессе исследования пациенту, по заданной программе, на дисплее шлема BP поочередно предъявляются разнообразные диагностические зрительные паттерны, на которые пациент должен реагировать. При этом компьютер фиксирует и анализирует полученные ответы, создавая соответствующую диагностическую карту.
Правильная постоянная фиксация взора в процессе исследования, без которой оно не может быть корректно выполнено, происходит путем предъявления соответствующих фиксационных маркеров, на которых должно быть постоянно сосредоточено внимание исследуемого.
При невозможности пациентом зафиксировать взор на фиксационном маркере из-за отсутствия центрального предметного зрения, при непроизвольных движениях глаза, при быстрой утомляемости пациента, правильная постоянная фиксация взора достигается путем формирования виртуальной точки фиксации, что в представленном изобретении достигается следующим образом: после того, как шлем виртуальной реальности надет на голову обследуемого, подогнан и приведен в рабочее состояние, и проведен инструктаж, пациенту предлагается поднять указательный палец своей руки прямо перед собой на уровне глаз и мысленно зафиксировать взор на кончике своего пальца. Несмотря на то, что исследуемый пациент в этот момент, из-за надетого на голову шлема, не может видеть своего пальца, для людей без грубых неврологических расстройств не составляет труда виртуально зафиксировать положение пальца. Пациент дает сигнал прибору о том, что мысленный взор сконцентрирован на кончике пальца. Окулограф при этом совокупно фиксирует положение глаза и линии взора. Сигнал пациента рассматривается прибором как старт исследования, а положение взора в этот момент фиксируется компьютером как виртуальная точка фиксации и использует эту точку в процессе дальнейшего исследования в качестве точки отсчета для предъявления остальных диагностических паттернов.
В процессе дальнейшего исследования, при произвольном или непроизвольном смещении линии взора, окулограф отслеживает микродвижения глаза и смещение линии взора и передает информацию на компьютер, где сигнал обрабатывается, и, соответственно, положению линии взора, динамично перемещает центр координационной сетки совокупности предъявляемых паттернов, постоянно оставляя точку, изначально принятую системой за виртуальную точку фиксации взора в центре совокупности предъявляемых паттернов на дисплее.
Способ позволяет эффективно исследовать поле зрения у пациентов, не способных фиксировать взор из-за непроизвольных движений глаза, при отсутствии центрального предметного зрения, возникшего из-за причин различного происхождения, у пациентов, не способных длительно удерживать точку фиксации из-за быстрой утомляемости, а также у пациентов с аномалиями рефракции.
Клинические примеры
Пациент М. 68 л. Диагноз:
OD- открытоугольная глаукома I-II -А, острота зрения 0,9 без коррекции, ВГД 14 мм рт. ст., компенсировано на гипотензивном режиме;
OS - открытоугольная II-III-А, острота зрения 0,6 сф+1,5=0,8, ВГД 17 мм рт. ст., компенсировано без гипотензивного режима после антиглаукомной операции.
При ранее проведенной периметии при помощи автоматического периметра, на OD выявлена относительная скотома в зоне Бьеррума. При периметрии OS выявлено сужение поля зрения по периферии до 35-40 градусов, с носовой стороны до 15 градусов, абсолютная скотома в зоне Бъеррума.
При проведении аналогичного исследования при помощи предлагаемого устройства для периметрии на базе шлема BP удалось получить результаты периметрии, идентичные результатам, полученным на стационарном автоматическом приборе для клинической периметрии.
Пациент С. 64 л. Диагноз: OD - открытоугольная глаукома IV-C, зрелая катаракта, ВГД не компенсировано, острота зрения 0 (ноль) без перспектив на восстановление;
OS- открытоугольная глаукома II-А, сухая форма центральной дистрофии сетчатки, начальная катаракта, ВГД 15 мм рт. ст., компенсировано на гипотензивном режиме, острота зрения 0,09, не корригируется при сохранном периферическом зрении. Проведение периметрических исследований на OD не показано из-за полного отсутствия зрительных функций.
На OS получить точные данные о состоянии поля зрения при помощи используемых в клинической практике периметров невозможно из-за отсутствия способности к концентрации зрения на точке фиксации, что необходимо для проведения исследования.
При проведении периметрического исследования при помощи предлагаемого устройства для периметрии, созданного на базе шлема BP, в качестве первого этапа исследования была создана виртуальная точка фиксации взора. Для этого, после того как на пациента был одет шлем BP, после инициации прибора, пациента попросили выставить перед собой на уровне глаз указательный палец левой руки, после чего сфокусировать свой мысленный взор на кончике пальца. В момент, когда пациент сообщил о выполнении этого условия, его попросили правой рукой нажать кнопку обратной связи, сигнал был зафиксирован компьютером и использован программным обеспечением для формирования виртуальной точки фиксации взора. С этого момента начато проведение исследования по выработанному протоколу. При этом при непроизвольном смещении пациентом линии взора, из-за невозможности его фиксации, все поле предъявляемых паттернов также смещалось одновременно и синхронно. После завершения исследования была выявлена абсолютная центральная скотома с шириной от виртуальной точки фиксации до 6-12 градусов, переходящая в скотому в зоне Бъеррума, абсолютную вблизи от точки виртуальной фиксации взора и переходящую в относительную скотому в своей периферической части, а также сужение поля зрения с носовой стороны до 25 градусов. Полученные результаты позволили верифицировать диагноз по стадии глаукомы, что было бы невозможно при помощи других моделей периметров, используемых в клинической практике, и организовать для пациента мониторинговое наблюдение.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает следующим достоинствами:
- портативность и мобильность;
- отсутствие необходимости подготовки помещения (затемнения) для достижения темновой адаптации;
- обеспечивает визуальную изоляцию пациента от отвлекающих факторов вокруг него, что обеспечивает лучшую концентрацию внимания и меньшую подвижность глазного яблока;
- обеспечивает динамический контроль за линией взора пациента с динамическим координированием направления взора с зоной проецирования на дисплей диагностических паттернов, что обеспечивает объективное исследование пациентов, не способных сконцентрироваться на точке фиксации взора;
- позволяет скорригировать рефракцию пациента при основных видах аномалий рефракции;
- обеспечивает возможность использования устройства у лежачих пациентов и пациентов, не способных находиться в вынужденном положении, необходимом для исследования из-за неврологических и заболеваний опорно-двигательной системы;
- обеспечивает возможность формирования максимально разнообразных предъявляемых паттернов и переходных режимов между ними;
- обеспечивает возможность давать пациенту инструктаж перед исследованием в виде короткого фильма, проецируемого на дисплеи шлема;
- обеспечивает возможность использования разнообразных релаксирующих заставок;
- требует минимальную площадь для проведения процедур, ограниченную только одним посадочным (или лежачим) местом (стулом, кроватью) для пациента;
- благодаря замкнутости пространства шлема обеспечивает комфортность для глаз в процессе диагностического теста, уменьшение «высыхания» глаз в процессе исследования, улучшает комфорт пациента и уменьшает его утомляемость в процессе исследования, а также уменьшает количество визуальных помех, связанных с появлением сухих участков на роговице.