УСТРОЙСТВО ПРЕЦИЗИОННОЙ ОЦЕНКИ ЗРИТЕЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ ЧЕЛОВЕКА
DEVICE OF PRECISION EVALUATION OF HUMAN VISUAL FUNCTIONS

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться для офтальмологической диагностики. Устройство позволяет обеспечить автоматизированное проведение тестирования зрительных функций в стандартизированных условиях, оптимизированных для получения точных результатов, а также наблюдение и фиксацию значимых поведенческих особенностей тестируемого. Устройство обеспечивает получение результатов тестирования, автоматическую регистрацию ответов пациента, хранение результатов в базе данных.
Известна проблема оценки зрительных функций пациента, связанная с тем, что пациент, обследуемый в различных медицинских учреждениях, получает значительно отличающиеся результаты. Наличие таких различий не позволяет быть уверенным в адекватности полученного показателя и, соответственно, быть уверенным в правильности последующих за тестированием рекомендаций врача.
Существует ряд проблем, существенно влияющих на точность офтальмологического тестирования лиц различных возрастов. Среди них можно выделить несколько групп известных, но постоянно встречающихся источников ошибок тестирования зрительных функций, которые приведены ниже.
Первая группа. При проведении тестирования многих зрительных функций исключительно важным условием является обеспечение точного расстояния между испытуемым и тестовыми объектами. В реальной жизни часты случаи примерного определения этого расстояния, создающего пропорциональную неточности определения расстояния ошибку, в ряде случаев критическую. Кроме того, в соответствии с современными представлениями об особенностях зрительных функций, для составления более полной картины состояния зрительного анализатора человека целесообразно, во многих случаях, производить замеры показателей работы органа зрения человека на нескольких расстояниях, в том числе для учета влияния на зрительную функцию аккомодационных возможностей глаза. Однако, если во многих медицинских учреждениях предварительными замерами отмечено расстояние для оценки т.н. дальнего зрения (в России обычно 5 м, в Европе - 6 м), то разметка других расстояний реально обеспечивается только имеющимися рабочими навыками и ответственностью персонала, что не является достаточным условием для соблюдения условий точного тестирования, являясь источником систематических ошибок.
Вторая группа. Часто специалисты и представители младшего медицинского персонала не следят за соблюдением корректного уровня яркости тестового поля, на котором демонстрируются оптотипы, а также уровнем яркости окружающего тестовое поле пространства. При этом известно, что при различающихся уровнях тестового поля результаты тестирования могут иметь значительные отличия, так же как и при сильно изменяющихся уровнях яркости окружающего тестовое поле пространства. Кроме того, даже при выполнении на определенном временном интервале этих условий необходимое соотношение может быть внезапно нарушено по тем или иным причинам, таким как восход или заход солнца, включение/выключение дополнительных источников освещения и т.д. Таким образом, несоблюдение допустимых диапазонов яркостей тестового поля и окружающего его пространства также является источником систематических неточностей в результатах тестирования.
Третья группа. Во многих случаях тестирования, особенно при изучении особенностей бинокулярного зрения, существует необходимость наблюдения за движениями глаз пациента. В настоящее время врачи вынуждены сидеть напротив пациента и пристально вглядываться в его глаза при выполнении последним тестовых заданий. Однако такой способ нельзя назвать комфортным ни для пациента, ни для тестирующего. В связи с этим на почве взаимного дискомфорта (особенно это характерно для детского контингента) возможны многочисленные неточности измерения, а также отказы от корректного выполнения тестового задания, что во многих случаях приводит к неточному результирующему диагнозу.
До настоящего времени не существует устройства, системно и автоматически решающего описанные проблемы. В то же время их решение сможет обеспечить качественное повышение точности и достоверности результатов проводимого офтальмологического тестирования. Изобретение, направленное на решение описанных выше проблем, позволит создать специализированное техническое средство нового поколения, востребованное широким кругом учреждений медицинской направленности.
Образцы устройств для тестирования зрительных функций с помощью предъявления специализированных паттернов на экране монитора известны. Известны патенты «Optometric chart presenting apparatus», US 6,244,713 B1 от 12 июня 2001 г.; «Visual acuity examination apparatus», US 6,425,665 B2 от 30 июня 2002 г.; «Optotype presenting apparatus», US 7549751 от 31 января 2008 г. и др., содержащие современные технические решения для предъявления оптотипов в процессе тестировании зрительных функций, однако не позволяющие проводить автоматизированный контроль условий их проведения, фиксировать поведенческие особенности испытуемого, а также имеющие значительные ограничения по составу оптотипов.
В качестве наиболее близкого технического аналога был выбран патент "Optotype presenting apparatus", US 2008/0018858 A1 от 24 января 2008 г. Патент описывает техническое решение, предназначенное для создания устройства предъявления оптотипов базового уровня, формируемых при тестировании зрительных функций. Под оптотипами базового уровня подразумеваются оптотипы для классического исследования остроты зрения и бинокулярных тестов на уровне теста Ворса и фории. Устройство состоит из следующих элементов:
- блок предъявления оптотипов и интерфейса,
- блок памяти оптотипов базового уровня,
- блок переключения оптотипов,
- блок управления в составе блока контроля размеров оптотипов, блока контроля бессимвольного интервала между двумя предъявлениями тестов, блока сопряжения с блоком переключения тестовых оптотипов.
Проверка зрительных функций, в частности остроты зрения, выглядит в описываемом патенте следующим образом: на тестовом мониторе (блок предъявления оптотипов и интерфейса) врачом инициируется появление оптотипов базового уровня с помощью дистанционного пульта (блок переключения тестовых оптотипов), после чего испытуемый устно сообщает о том, что он видит на экране тестового монитора (блока предъявления оптотипов и интерфейса), затем на основании его ответа врач выносит свое суждение о состоянии зрительной функции.
В патенте предложено современное техническое решение для оценки ряда зрительных функций, однако в нем, так же как в большинстве других изученных технических решений, отсутствуют элементы, необходимые для стандартизации условий проведения тестирования, в частности, устройство не позволяет обеспечить контроль расстояния между испытуемым и тестовым монитором (блоком предъявления оптотипов и интерфейса), автоматически обеспечить требуемый уровень яркости последнего при проведении тестирования. Устройство не позволяет фиксировать, для уточнения оценки результатов тестирования, положения глаз человека при исследовании зрительных функций, не обеспечивает формирования современной электронной базы данных результатов тестирования. Кроме того, устройство не обладает интерактивным невербальным принципом получения результатов, имеющим, в большинстве случаев, значительные преимущества, а также имеет значительные ограничения по составу оптотипов.
Настоящее изобретение направлено на решение следующей технической задачи:
- Повышение точности и достоверности результатов тестирования лиц различных возрастов за счет автоматизированного обеспечения точного расстояния тестирования.
- Повышение точности и достоверности результатов тестирования лиц различных возрастов за счет обеспечения ситуационно необходимых уровней яркостей тестового поля.
- Повышение точности и достоверности тестирования за счет автоматизированной фиксации особенностей движений пациента, в том числе его глаз при проведении тестирования.
- Повышение возможности системных оценок зрительных показателей испытуемого за счет автоматизированного формирования базы данных результатов тестирования.
Решение поставленной задачи осуществляется следующим образом: устройство для прецизионной оценки зрительных функций человека, включающее блок питания, а также:
- блок предъявления оптотипов и интерфейса, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами с первым блоком управления;
- блок памяти оптотипов базового уровня, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами с первым блоком управления;
- блок переключения оптотипов, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами с первым блоком управления;
- первый блок управления, включающий блок контроля размеров оптотипов, блок контроля бессимвольного интервала между двумя предъявлениями тестов, блок сопряжения с блоком переключения оптотипов, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами с блоком предъявления оптотипов и интерфейса, блоком памяти оптотипов базового уровня, блоком переключения тестовых оптотипов, согласно изобретению содержит дополнительно:
- второй блок управления, включающий второй блок контроля размеров оптотипов, второй блок контроля бессимвольного интервала между двумя предъявлениями тестов, блок сопряжения с вынесенным блоком фиксации ответа испытуемого, блок синхронизации работы устройства, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами с блоком предъявления оптотипов и интерфейса;
- блок памяти оптотипов уточняющей диагностики и индикационных сигналов, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок измерения расстояния от испытуемого до блока предъявления оптотипов и интерфейса, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок измерения внешней освещенности, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок коррекции яркости тестового поля блока предъявления оптотипов и интерфейса, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок фиксации положения глаз пациента, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок наблюдения глаз пациента во время проведения тестирования, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок разделения полей зрения испытуемого, соединенный, при необходимости, двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок фиксации ответов испытуемого, соединенный двунаправленными многоразрядными проводными и/или беспроводными шинами со вторым блоком управления;
- блок базы данных, обеспечивающий автоматическое сохранение результатов тестирования, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления;
- блок настройки и запуска заданий, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления.
Ниже описано назначение дополнительных функциональных блоков устройства.
Второй блок управления в составе второго блока контроля размеров оптотипов, второго блока контроля бессимвольного интервала между двумя предъявлениями тестов, блока сопряжения с вынесенным блоком фиксации ответа испытуемого, блока синхронизации работы устройства предназначен для формирования требуемых оптотипов блоком предъявления оптотипов и интерфейса в соответствии с алгоритмом и режимами работы тестовой системы, а также для приема и декодирования сигналов с вынесенного блока фиксации ответов испытуемого, обеспечения интерфейса настройки и управления процессом тестирования (в т.ч. настройки и запуска заданий), сохранения полученных данных, обеспечения получения данных от блоков измерения расстояния и внешней освещенности, обеспечения правильной корректировки яркости блока предъявления оптотипов и интерфейса, изменения угловых размеров оптотипов в зависимости от измеренного расстояния тестируемый - блок предъявления оптотипов и интерфейса, получения и передачи для наблюдения специалистом видеоинформации о движениях глаз тестируемого пациента на блок наблюдения глаз пациента.
Блок фиксации ответов испытуемого, соединенный двунаправленными многоразрядными проводными и/или беспроводными шинами со вторым блоком управления предназначен для обеспечения интерактивного безвербального проведения тестовых испытаний. Вариант конструктивного исполнения блока фиксации ответов испытуемого, ориентированного на детскую аудиторию, показан на Фиг.2.
Блок базы данных, соединенный двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления, предназначен для сохранения результатов тестирования и сопутствующей информации, необходимой для последующего анализа данных.
Блок памяти оптотипов уточняющей диагностики и индикационных сигналов включает в себя группы тестовых заданий, обладающих повышенной диагностической информационностью, в том числе уточняющих результат базового тестирования. К таким тестам и, соответственно, оптотипам относятся, например, исследования частотно-контрастной характеристики человека, тесты с ограниченным временем предъявления, пониженной контрастностью, с маскированием и т.д., пригодные для проведения интерактивного тестирования. Кроме того, этот блок обеспечивает хранение и вывод на монитор индикационных сигналов типа: «в помещении слишком большая освещенность», «расстояние до пациента 3,2 метра» и т.д.
Блок настройки и запуска заданий, соединенный двунаправленными многоразрядными проводными и/или беспроводными шинами со вторым блоком управления, предназначен для обеспечения настройки процедуры тестирования и ее запуска по соответствующему алгоритму.
Блок измерения расстояния от испытуемого до блока предъявления оптотипов и интерфейса предназначен для измерения этого расстояния. Как правило, конструктивно этот функциональный элемент располагается в непосредственной близости от блока предъявления оптотипов и интерфейса или укреплен на нем.
Блок измерения внешней освещенности предназначен для измерения внешней освещенности в непосредственной близости от блока предъявления оптотипов и интерфейса и передачи полученной информации на второй блок управления.
Блок коррекции яркости тестового поля блока предъявления оптотипов и интерфейса предназначен для обеспечения стабильной и/или скорректированной, на базе полученных замеров, яркости блока предъявления оптотипов и интерфейса для обеспечения правильного соотношения собственной яркости блока предъявления оптотипов и интерфейса и внешней освещенности.
Блок фиксации положения глаз пациента предназначен для видеозаписи этих движений в масштабе реального времени. Может быть укреплен на блоке предъявления оптотипов и интерфейса и сориентирован в направлении глаз пациента.
Блок наблюдения глаз пациента во время проведения тестирования предназначен для дистанционного наблюдения врачом особенностей движений и расположения глаз испытуемого на основе видеоинформации, получаемой с блока фиксации положения глаз пациента. Расположен в удобном для врача месте, не препятствующем проведению тестирования.
Блок разделения полей зрения испытуемого, соединенный, при необходимости, двунаправленными многоразрядными шинами со вторым блоком управления (в случае применения разделительных очков, формирующих раздельные изображения для глаз в корреляции с попеременно формируемыми изображениями на блоке предъявления оптотипов и интерфейса тестовом мониторе для левого и правого глаз), предназначен для создания условий диплопии при исследованиях бинокулярных функций зрения, а также в других психофизиологических экспериментах.
Технический результат настоящего изобретения заключается в автоматическом обеспечении ряда принципиальных условий, выполнение которых обеспечит повышение точности и достоверности тестирования зрительных функций.
Сущность изобретения поясняется примером конкретной реализации устройства, показанной на Фиг.1 (структурная схема устройства). На Фиг.2 показан вариант конструктивного исполнения специализированного детского блока фиксации ответов испытуемого. На Фиг.3 показан вариант предъявления результатов из базы данных.
Патентуемое устройство (Фиг.1) содержит несколько согласованно работающих функциональных блоков, соединенных между собой двунаправленными многоразрядными шинами:
- блок предъявления оптотипов и интерфейса (1),
- первый блок управления (2), включающий блок контроля размеров оптотипов (3), блок контроля бессимвольного интервала (4), блок сопряжения с блоком переключения тестовых оптотипов (5);
- блок переключения тестовых оптотипов (6),
- блок памяти оптотипов базового уровня (7),
- второй блок управления (8), включающий второй блок контроля размеров оптотипов (9), второй блок контроля бессимвольного интервала (10), блок сопряжения с вынесенным блоком фиксации ответа испытуемого (11); блок синхронизации работы устройства (12);
- блок памяти оптотипов уточняющей диагностики и индикационных сигналов (13),
- блок измерения расстояния от испытуемого до блока предъявления оптотипов и интерфейса (14),
- блок измерения внешней освещенности (15);
- блок коррекции яркости тестового поля (16);
- блок фиксации положения глаз пациента (17),
- блок наблюдения глаз пациента (18),
- блок разделения полей зрения испытуемого (19),
- блок фиксации ответов испытуемого (20),
- блок базы данных (21),
- блок настройки и запуска заданий (22).
Все блоки устройства подключены к соответствующим выводам блока питания.
Все блоки патентуемого устройства могут быть реализованы на основе современных электронных компонентов:
блоки предъявления оптотипов и наблюдения глаз пациента могут быть реализованы на базе компьютерных мониторов;
первый и второй блоки управления могут быть реализованы на базе стандартного системного компьютерного блока;
блок переключения тестовых оптотипов может быть изготовлен по технологии, аналогичной используемой при создании инфракрасных телевизионных пультов дистанционного управления;
блок памяти оптотипов уточняющей диагностики и индикационных сигналов, блок базы данных могут быть реализованы на базе стандартного компьютерного блока памяти;
блок фиксации ответов испытуемого может быть реализован на базе следующих комплектующих элементов: управляющий контроллер - один из современных контроллеров фирмы Microchip (см., например, Microchip 2009 Product Selector Guide); обеспечение беспроводной связи по протоколу BLUETOOTH на базе стандартных модулей типа WT-12-A фирмы Bluegiga. Вариант конструктивного решения блока фиксации ответов испытуемого показан на Фиг.2;
блок настройки и запуска заданий может быть реализован на базе стандартной проводной или беспроводной клавиатуры;
блок измерения расстояния от испытуемого до блока предъявления оптотипов и интерфейса может быть реализован, например, на базе ультразвукового измерителя расстояния при использовании ультразвуковых датчиков, например, серии 4012 фирмы Parsonics Corp. и управляющего микроконтроллера на базе линейки flash контроллеров Microchip (см., например, Microchip 2009 Product Selector Guide);
блок измерения внешней освещенности, блок коррекции яркости тестового поля может быть реализован (и уже реализован) на базе датчиков специализированных мониторов, например NEC MultiSync, MD series;
блок фиксации положения глаз пациента может быть реализован, например, на базе стандартной web-камеры;
блок наблюдения глаз пациента может быть реализован, например, на базе стандартного лаптопа с возможностью приемопередачи информации со второго блока управления по одной из беспроводных технологий, например Bluetooth;
блок разделения полей зрения испытуемого может быть реализован различными способами, в том числе при использовании анаглифических очков, поляризационных или стандартных сепарационных очков на основе жидкокристаллических затворов (в этом случае необходима их синхронизация с блоком управления);
блок контроля размеров оптотипов может быть реализован программно при формировании оптотипа на экране компьютерного монитора;
блок контроля бессимвольного интервала может быть реализован на базе электронного или программного таймера, фиксирующего начало и окончание периода паузы между предъявлениями оптотипов;
блок синхронизации работы устройства может быть реализован на базе стандартного компьютера или современного микроконтроллера, например фирмы Microchip.
За счет новых возможностей устройство может работать в различных функциональных режимах, а также в комбинации этих режимов, основные из которых приведены ниже:
- режим автоматического точного согласования углового размера оптотипов и расстояния от пациента до блока предъявления оптотипов и интерфейса;
- режим оптимизации яркости монитора в зависимости от внешней освещенности;
- режим непрямого наблюдения глаз пациента при проведении тестирования;
- режим интерактивного тестирования на заданных расстояниях;
- режим стандартного тестирования (аналогичный прототипу);
- режим формирования и просмотра базы данных.
Ниже описаны основные режимы работы устройства.
- Режим точного согласования углового размера оптотипов и расстояния от пациента до блока предъявления оптотипов и интерфейса. Реализуется путем измерения расстояния от блока предъявления оптотипов и интерфейса до испытуемого с целью правильного согласования угловых размеров тестов и измеренного расстояния. Режим функционирует следующим образом: блок измерения расстояний (14) проводит измерение расстояния от блока предъявления оптотипов и интерфейса до пациента, данные о котором поступают во второй блок управления, который соответственно изменяет угловой размер предъявляемых на блоке предъявления оптотипов. Одновременно информация об измеренном расстоянии индицируется на блоке предъявления оптотипов и интерфейса.
- Режим оптимизации яркости монитора функционирует следующим образом: замеренные данные внешней освещенности поступают на второй блок управления, который в свою очередь изменяет, при необходимости, яркость блока предъявления оптотипов и интерфейса для обеспечения их допустимого соотношения. При исключительных показателях внешней освещенности, при которых обеспечение требуемого соотношения невозможно, вторым блоком управления выводится предупреждающий индикационный сигнал, демонстрируемый на блоке предъявления оптотипов и интерфейса.
- Режим непрямого наблюдения глаз пациента при проведении тестирования формируется следующим образом: блок фиксации положения глаз пациента, созданный, например, на основе цифровой видеокамеры, установленной над блоком предъявления оптотипов и интерфейса, и направленный для фиксации движений глаз пациента, записывает цифровой видеосигнал, который затем передается на дополнительный монитор (блок наблюдения глаз пациента), для последующей демонстрации врачу. При этом, в связи с тем, что блок наблюдения глаз пациента расположен вне непосредственной близости от пациента, наблюдение за поведением глаз не мешает тестированию и не создает дискомфортных условий для пациента и тестирующего. При необходимости видеосигнал (или его фрагмент) может быть записан и занесен в базу данных стандартными методами. Управление этим процессом обеспечивается блоком настройки и запуска заданий.
- Режим интерактивного тестирования на заданных расстояниях проводится с помощью специализированного беспроводного пульта (блок фиксации ответов испытуемого (19)). Пациенту предъявляются на блоке предъявления оптотипов и интерфейса (1) тестовые задания, которые могут быть выполнены с помощью органов управления блока фиксации ответов испытуемого (20). Благодаря наличию беспроводной связи этот режим комфортно реализуется при различных расстояниях от блока фиксации до блока предъявления оптотипов и интерфейса.
- Режим стандартного тестирования аналогичен работе прототипа.
- Режим формирования и просмотра базы данных позволяет сохранить результаты проведенных проверок и осуществлять просмотр и анализ полученных результатов. Технология формирования базы данных и инструментов работы с ней - традиционная. Скриншот одного из окон просмотра данных базы данных показан на Фиг.2. Данные записываются в базу данных автоматически после окончания проведения тестирования.