СПОСОБ КОМПЬЮТЕРНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ У ПАЦИЕНТОВ С ДИСФУНКЦИЕЙ МОЗГА
METHOD FOR COMPUTER DIAGNOSIS OF CONTRAST SENSITIVITY IN PATIENTS WITH BRAIN DYSFUNCTION

Ссылки на патенты и литературу:
1. Alan S. Gevins; Michael Е. Smith, patent US 6434419 от 13 авг. 2002 г.
2. Alan S. Gevins; Weixin Du, Harrison Leong, patent US 5513649 от 7 мая 1996 г.
3. Matteo Leonardl, Jean-Marc Wismer, Sacha Cerbonl, Mario Sehlund, patent US 2014/0016097 от 16 янв. 2014 г.
4. А.И. Миланич «Способ определения цветного зрения в численном виде и устройство для его реализации», Патент РФ №2499543 от 04.02.2011.
5. Richard W. Newman, Min Xu, Jiejing Qiu, Edward O′Nell, patent US 2013/0253367 от 26 сентября 2013 г.
6. A.I. Milanich "Physical Concept of Human Eye" // Journal of Physical Science and Application ISSN 2159-5348, USA David Publishing Company - 2013 - 3(2) - p. 86-92.
Область техники
Изобретение относится к медицине, главным образом к оптометрическим средствам диагностики работы глаз и мозга, точнее к способам выявления различных неврологических нарушений на разных стадиях (в том числе патологических: болезнь Альцгеймера, Паркинсона и др.), но может быть полезным для ряда других областей и не только медицинских. Например, мониторинг психологического состояния водителей транспорта или летчиков, объективный контроль утомляемости школьников и студентов, контроль внимания операторов опасных производств и т.д.
Предшествующий уровень техники
Объективные методы оценки психического состояния человека имеют важное не только медицинское значение, но практическое применение. Например, контроль степени усталости или стрессового состояния машиниста поезда, что повышает безопасность на транспорте. А ранняя диагностика нейродегенативных заболеваний и патологий (болезнь Альцгеймера и т.п.) существенно влияют на методику лечения и реабилитации пациента.
До сих пор основным источником информации о функционировании мозга являлись электроэнцефалограммы, которые снимаются в различных тестовых ситуациях. Так в патенте [1] по отклику мозга испытуемого на предъявляемые ему тесты (стимулы) исследуются когнитивные возможности, стрессовые ситуации и даже последствия приема лекарств. Причем для повышения объективности тесты демонстрируются на экране монитора, а отклик анализирует компьютер. Критерием служит уровень сигнала в микровольтах, что даже в представленных в патенте зависимостях приводит к значительному разбросу измеряемых значений. Следовательно, объективность и точность такой методики вызывает обоснованные сомнения, поскольку сигнал электроэнцефалограммы не столь однозначно характеризует состояние мозга, хотя, безусловно, демонстрирует чувствительность метода к приему лекарств, алкоголю и т.д. И, конечно, использование компьютера в значительной мере устраняет субъективный фактор при интерпретации результатов.
Кроме того, при съеме электроэнцефалограмм желательно исключить движения головы и глаз, на что указано в патенте [2]. То есть процедура снятия любых электроэнцефалограмм по сути сама существенно влияет на состояние пациента и, следовательно, понижает точность электроэнцефалографических методов.
Альтернативой электроэнцефалограммы являются офтальмологические и оптометрические параметры глаза. Так в патенте [3] предложено непрерывно измерять хотя бы один биомеханический параметр, например внутриглазное давление, или отслеживать движение глаз, или другие физически значимые параметры в ответ на различные оптические стимулы. Утверждается, что таким способом можно не только контролировать состояние глаза, но и фиксировать отклонения в работе мозга. Недостатком предложенного способа является вживление в глаз датчика измерения биомеханического параметра и одно это обстоятельство существенно затрудняет практическую реализацию предложенного метода.
Однако сама идея, что глаза и зрение являются «интерфейсом» мозга находит все больше сторонников и данное направление бурно развивается в последнее время. Поэтому новые методы компьютерной диагностики параметров зрения получают все большее распространение. Например, в патенте [4] предложен метод тестирования цветовосприятия в численном виде для более объективного выявления цветоаномалий при помощи компьютерных программ. Сходным образом сегодня исследуется периферическое и бинокулярное зрение и т.д.
Предполагается, что расстройства работы мозга влияют не только на когнитивные функции, но и, например, увеличивают время обработки информации и количество ошибок при прохождении оптометрических тестов с когнитивной составляющей и т.п. Для апробации предложенных идей были разработаны специализированные компьютерные программы, принцип работы которых обсуждается далее.
Подчеркнем, что до последнего времени существовало небольшое число метрологических методик [5] и устройств или компьютерных программ для исследования зрения и работы мозга на основе оптических тестов и стимулов и на то существуют серьезные причины. Главная причина состоит в том, что основной метрологической единицей оптометрии всегда являются «ощущения», а их очень трудно количественно измерять («оцифровать»).
В качестве прототипа рассмотрим Американский патент [5] «Прибор для корреляционной оценки здоровья». Главная идея прибора и метода состоит в том, что на основании стандартных оптометрических тестов для правого и левого глаза измеряют распределение контрастной чувствительности по полю зрения. Затем при помощи некоторой эмпирической формулы и других, стандартных оптометричевских параметров (время выполнения теста, наследственная предрасположенность к заболеваниям и др.), пациента классифицируют в одну из групп по предрасположенности к болезни Альцгеймера. Притом, что все равно затем следуют стандартные клинические исследования для подтверждения диагноза.
Помимо того, что справедливость используемой формулы, содержащей 3 уравнения с 6 коэффициентами, вызывает сомнения и ее достоверность никак не обсуждается, предложенный метод далек от практической реализации, поскольку лишь относит пациента к группе риска и указывает на повышенную вероятность, но напрямую достоверно не констатирует заболевание. Только дополнительные клинические исследования дают окончательный ответ о реальном состоянии пациента. Кроме того, использование основной расчетной формулы вероятности вызывает затруднения, поскольку входящие в нее параметры и коэффициенты записаны в достаточно общем виде, и формула становится малопригодной при отсутствии некоторых параметров (например, если не удалось выполнить тест для обоих глаз). Главным же недостатком предложенного метода является перегруженность формул второстепенными параметрами (например, возраст пациента и т.п., хотя априори известно, что чем моложе пациент, тем он здоровее). Также в патенте никак не обсуждаются требования к точности измерения контрастной чувствительности, требования к освещенности и т.д., зато большое внимание уделено различным второстепенным вопросам, например способу хранения информации (на диске), формату файлов, структуре взаимодействия частей комплекса и алгоритму расчета.
Таким образом, предложенный метод, по сути, только декларирует общий подход и носит достаточно абстрактный характер, но не констатирует достоверно дисфункции мозга, а лишь указывает на некоторую вероятность и только болезни Альцгеймера. При этом из-за обилия измеряемых параметров тест достаточно продолжителен и трудоемок в его практической реализации (например, чего стоит хотя бы исследование периферического зрения!). Так на приведенных в патенте графиках время теста для одного глаза составляет 6-7 минут, а значит, общее время тестирования составит не менее 12-15 минут. Для пациента с когнитивными расстройствами это долго, поэтому из-за утомляемости пациента измеряемые параметры могут значительно различаться в начале и в конце серии измерений.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является разработка простого, надежного способа объективной диагностики патологий у пациентов с дисфункций работы мозга, основанного на анализе зрительных стимулов, и создание устройства для его реализации.
Каждый из рассмотренных выше методов [1-5] обладает своими достоинствами и специфическими недостатками, начиная от необходимости вживления в глаз датчиков и кончая низкой достоверностью или сложностью практической реализации. Хотя сам «оптометрический» подход к анализу работы мозга является достаточно новым и перспективным, но конкретные методики диагностики пока слабо представлены в современной клинической практике.
Оказалось, что для быстрой диагностики работоспособности мозга достаточно анализировать, например, контрастную чувствительность, даже без распределения по сетчатке или периферии, как это предлагалось в патенте [5]. Много информации содержат и другие объективные физические параметры, например время реакции, число ошибок, характер ошибок и т.д.
Для диагностики дисфункций работы мозга можно предложить следующий способ.
Например, при помощи компьютерной программы на экране монитора можно генерировать различные серые фигуры, тексты или цифры (оптический стимул) на сером же фоне. Контраст изображения и фона можно задавать некоторым предопределенным алгоритмом или случайным образом. Необходимым элементом программы является интерфейс, при помощи которого пациент делает выбор, и так осуществляется обратная связь.
Соответствие оптическому стимулу может осуществляться выбором цифры (буквы или фигуры), которую надо указать (см. Фиг. 1), либо ползунком, при помощи которого надо выровнять два поля и т.п. Это не столь важно.
Как показали эксперименты, здоровый человек (контрольная группа) в состоянии различать контраст, соответствующий около 200 градаций серого [6]. Поэтому в оптических стимулах достаточно использовать 16-битную RGB палитру монитора (градации от 0 до 255). Причем аппаратно серому цвету фона и стимула соответствует условие R=G=B. Исследовав реакцию пациента и уровень ошибок в диапазоне градаций серого от 0 (черный) до 255 (белый), можно выявлять пациентов с отклонениями работы мозга (см. Фиг. 2). Анализ полученных результатов (уровень и область ошибок, время выполнения теста и т.д.) осуществляет компьютерная программа, что существенно повышает объективность результата. Как следует из клинических испытаний, пациенты с разными дисфункциями работы мозга (группы 1 и 2) обладают разной контрастной чувствительностью во всем диапазоне градаций серого. При этом наибольшее отклонение наблюдается вблизи значений градаций 140-255. Критерием дисфункции служит ошибка определения градации более 4 единиц в данной области (Фиг. 2). Кроме того, величина ошибки коррелирует с видом дисфункции. Для группы 1 это 4-16, а для группы 2 это 4-5 при норме 1-2. Таким образом, существует простой и однозначный критерий определения контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга с помощью оптометрических тестов.
Устройством для реализации предложенного метода может служить стандартный компьютер (в том числе персональный), планшет или даже мобильный телефон с монитором, снабженный соответствующей программой. В некоторых случаях, с целью повышения точности и комфортности проведения теста, целесообразно использовать мониторы с частотой кадров не менее 100 Гц. Для повышения достоверности все тесты можно выполнять раздельно для правого и левого глаза, например, если нарушена работа одного из полушарий мозга. Также, выбор определенных марок мониторов со светодиодной подсветкой, спектральные характеристики которого имеют 3 раздельных максимума в диапазонах: красный (R) 590-750 нм, зеленый (G) 490-570 нм, синий (В) 380-485 нм, стандартизирует процедуру диагностики и повышает чувствительность способа.
Таким образом, предложен новый метод для определения контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга, который объективно оценивает его работу. Анализ различий в результатах тестов разных групп (больных и здоровых) испытуемых позволит ответить на принципиальный вопрос о возможности раннего выявления рассеянного склероза, болезни Паркинсона и Альцгеймера и других дисфункций данными методами. Кроме того, появляется возможность оперативно контролировать процесс лечения.
Описание предпочтительной реализации изобретения
Предпочтительно использовать компьютерные методы определения контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга с помощью оптометрических тестов.
При этом компьютерная программа анализирует число и вид ошибок и время выполнения теста. Число основных параметров, на основании анализа которых делается заключение о нарушении контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга, целесообразно сократить до 1-3 (например, ошибка определения контрастной чувствительности и значение фона или время выполнения теста).
Для целей сокращения времени тестирования и снижения требований к монитору целесообразно ограничить число градаций каждого из цветов RGB значениями 0-255 (стандартная 16-битная палитра).
Предпочтительно выполнять диагностики в области фотопии, т.е. 700-1000 люкс.
Изменение генераций значения фона может проходить по заранее заданному (прописанному) алгоритму либо используя случайно генерируемые числа в диапазоне от 0 до 255 для каждой из компонент R, G, В и/или интерактивно в зависимости от ответов пациента. Общее число отдельных тестов по градациям серого должно быть не менее 3-5, но не более 10-40, что гарантирует разумное (1-2 минуты) время выполнения всей серии тестирования. Данное ограничение 10-40 тестов в серии применимо и к другим программам.
Для большей унификации измерений тестовые значения R, G, В могут быть прошиты в памяти устройства, как и общее количество тестов в серии.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет однозначно выявлять нарушение контрастной чувствительности у пациентов, а в ряде случаев и предлагать наиболее вероятный диагноз. При этом измерения происходят в численном виде, параметры измерений объективны, а результат измерений легко персонализировать и архивировать.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Пример реализации определения контрастной чувствительности (серая).
Фиг. 2 - Пример результатов по контрастной чувствительности 2-х групп больных и контрольной группы. По вертикали отложен предельный уровень фиксируемой разности градаций стимула и фона. По горизонтали - градации фона.
Примеры практической реализации.
Пример 1. Здоровая испытуемая Б.С.Н., возраст 25 лет.
В данном примере демонстрируется быстрое выполнение, правильность большинства ответов и минимальный градиент оттенков серого для здорового испытуемого.
Пример 2. Пациент Т.А.А., возраст 35 лет. Находился на лечении в неврологическом отделении ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского с 15.01.2014 по 31.01.2014. Диагноз: Рассеянный склероз, вторично-прогредиентное течение. EDSS=5,5 баллов.
В данном примере демонстрируется замедленное выполнение теста, большое число ошибочных ответов и отказов от ответа, больший градиент оттенков серого. После лечения отмечено небольшое улучшение показателей.
Пример 3. Пациентка З.А.И., возраст 23 года, находилась на лечении в ГБУЗ МО МОНИКИ в Неврологическом отделении с 25.12.2013 по 27.12.2013. Диагноз: Рассеянный склероз, ремитирующее течение, обострение. EDSS=2,0 балла.
В данном примере также демонстрируется длительное выполнение теста, значительное число ошибочных ответов и отказов от ответа, больший градиент оттенков серого. После лечения отмечено существенное улучшение показателей, указывающее на начальную стадию болезни.
Промышленная применимость
Способ определения контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга с помощью оптометрических тестов может быть реализован на любом компьютере, поэтому он компактен, автономен, результаты измерений надежны. Изобретение имеет коммерческую перспективу. Это изобретение полезно как средство первичной диагностики для врачей общей практики и позволяет врачу без специальных знаний диагностировать нарушение контрастной чувствительности у пациентов с дисфункциями мозга.