Оптическая система регистрации и анализа патологии органа зрения

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

Оптическая система регистрации и анализа патологии органа зрения

Моренко В.А. 1
1МБОУ г. Мурманска "Гимназия№2"
Засухина Е.В. 1
1МБОУ г. Мурманска "Гимназия№2"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Развитие науки и техники оказывает влияние как на отдельного человека, так и человечества в целом. За последние 100 лет продолжительность жизни выросла в 2 раза. Это неизбежно привело к старению населения и увеличению доли возрастных заболеваний. Учитывая высокие требования современного человека к качеству зрения, всё более актуальным становится вопрос ранней диагностики и своевременного лечения глазной патологии. По данным ВОЗ в мире насчитывалось более 300 миллионов человек с тяжёлыми нарушениями зрения, а к 2050 году их число возрастёт почти в 2 раза. По оценкам экспертов 75% пациентов может быть возвращено зрение при своевременном лечении. Учитывая, что более 55% обратимой слепоты и слабовидения составляют: помутнения роговицы, хрусталика и стекловидного тела, мы заинтересовались вопросом инструментальной диагностики этой патологии в условиях массовых доврачебных осмотров. В 2019 году начата работа по созданию простого в использовании и дешевого в производстве прибора, способного эффективно выявлять помутнения оптических сред глаза. В 2020 году был разработан и сконструирован первый вариант устройства, а в 2021 году - его модифицированная версия. Эта работа стала продолжением исследований в выбранной области, результатом чего является создание диагностической системы, включающей: оптический прибор PHOTON для выявления заболеваний глаз, алгоритм анализа данных, программное обеспечение для анализа получаемых изображений PHOTONIQ, методические рекомендации для работы с прибором. Единая система позволила эффективно выявлять патологию органа зрения в условиях доврачебного приёма.

Гипотеза: я предполагаю, что выявлять нарушение прозрачности оптических сред глаза можно в условиях доврачебного приёма, если использовать специальные устройства для их регистрации, алгоритмы и программы анализа изображений, объединённые в диагностическую систему.

Цель: создать диагностическую систему для выявления патологии органа зрения в условиях доврачебного приёма. 

Задачи:

1. Изучить физические явления в оптических средах.

2. Изучить принципы медицинских исследований глаз.

3. Модифицировать и улучшить прибор для выявления нарушений прозрачности

оптических сред глаза.

4. Разработать алгоритм анализа данных.

5. Разработать программное обеспечение для анализа изображений.

6. Создать методические рекомендации для работы с прибором.

7.Определить чувствительность и специфичность предложенной диагностической системы.

Методы: 

1. Аналитический (анализ, изучение и обобщение сведений)

2. Конструирование (моделирование)

3. Экспериментальный

4. Алгоритмизация и программирование

5. Статистический

Объект исследования:

Физические явления, возникающие при нарушении прозрачности оптических сред глаза человека.

Предмет исследования:

Определение способов регистрации и анализа нарушений прозрачности оптических сред глаза с помощью специального оборудования и программного обеспечения.

Актуальность: к нарушениям прозрачности оптических сред глаза относят: помутнение роговицы, хрусталика и стекловидного тела. В 90% случаев – это помутнение хрусталика (катаракта). В Мурманске и области проживает 733 тысячи человек, заболеваемость катарактой составляет 3,5% таким образом в нашем регионе более 25655 пациентов с катарактой. Если учесть, что поражаются как правило оба глаза, можно говорить о более чем 50 тысяч случаев заболевания. Учитывая, что только своевременное выявление позволяет использовать эффективные методы предотвращения слепоты и слабовидения, выбранная нами тема для исследования актуальна для нашего региона и имеет практическую значимость.

Новизна: на данный момент персонал кабинетов доврачебного осмотра не имеет в своём распоряжении простого в использовании оборудования для определения прозрачности оптических сред глаза, которое позволяет выявлять заболевания на ранней стадии.

В данной работе мы представляем эволюцию от идеи оригинального прибора до функционирующей диагностической системы скринингового обследования глаз с программным обеспечением для анализа изображений.

Основная часть

Теоретическая часть

Глазное яблоко имеет форму близкую к форме шара диаметром 23-24 мм, большую часть поверхности которого составляет непрозрачная склера. Свет проникает в глаз через роговицу, сравнительно небольшой прозрачный участок (порядка 15% площади) с оптической силой 42-47D. Далее световой поток ограничивается зрачком (подвижной диафрагмой), преломляется двояковыпуклой линзой хрусталиком (порядка 20D) и, проходя через ряд оптически слабых структур, фокусируется на сетчатке в заднем полюсе глаза. Часть света отражается от внутренних оболочек глазного яблока и покидает глаз через зрачок, что может вызывать его свечение. Оптическая ось практически совпадает со зрительной, поэтому помутнения, располагающиеся близко к главной оси оптической системы глаза, частично или полностью перекрывают световой поток и в обоих направлениях. В нашей работе особое значение имела диафрагмальная функция зрачка, которая в зависимости от условий освещения менялась от 1 до 10 мм, что существенно влияло на результаты исследований. Зрачковый рефлекс запускается видимой частью спектра, значения длин волн которой находятся между 380 нм (фиолетовый) и 780 нм (красный).

Также приходилось учитывать значительную вариабельность антропометрических данных глаз с различной клинической рефракцией.

Нарушение прозрачности оптических сред может характеризоваться коэффициентом пропускания - безразмерной физической величиной равной отношению потока излучения, прошедшего через среду, к потоку излучения, упавшему на его поверхность. В неактивных средах он не может быть больше единицы. Коэффициент пропускания зависит не только от свойств самого тела, но и от характеристик излучения (поляризации, спектра). Также приходится учитывать коэффициенты отражения, поглощения и рассеяния, которые вместе с пропусканием равны 100% по закону сохранения энергии. Всё выше сказанное, делает затруднительным использование коэффициента пропускания как единственного критерия прозрачности оптических сред глаза. В медицинской практике принято анализировать не входящий, а отражённый от внутренних оболочек световой поток. Оценивать его проще не количественно, а качественно. Такая методика называется «исследованием в проходящем свете». Её суть заключается в наблюдении затемнений, вызванных нарушением прозрачности оптических сред, на фоне розового свечения зрачка. Для уточнения расположения непрозрачных участков используют эффект параллакса. Так как точка вращения глазного яблока лежит на 12 мм глубже его передней поверхности, место нахождения помутнений, располагающихся в различных отделах глазного яблока, можно определить по направлению и амплитуде смещения тени относительно какой-либо стабильной точки, например, центра зрачка.

Проблема исследования глаза в проходящем свете заключается в том, что для качественного наблюдения розового зрачкового рефлекса необходимы два взаимоисключающих фактора: яркое освещение и широкий зрачок. При врачебном осмотре этот парадокс решается применением медицинских препаратов (глазных капель), расширяющих зрачок, что сопровождается дискомфортом во время обследования, имеет ряд противопоказаний и невозможно в условиях скринингового доврачебного обследования. В клинической практике для исследования в проходящем свете используют зеркальный или электрический офтальмоскоп(см. Приложения, рис.2А, рис.2Б), работа с которым требует определённых условий (затемнённое помещение, дополнительные источники света и т.д.), наличие специальных навыков у персонала, а также не позволяет документировать полученные изображения.

Практическая часть

Оптический прибор PHOTON

Предположим, что можно эффективно выявлять нарушения прозрачности оптических сред в условиях доврачебного осмотра, если использовать специально сконструированное устройство для их визуализации и регистрации. Для этих целей мы предлагаем разработать и сконструировать прибор, который будет прост в применении и нетребователен к условиям выполнения исследований. Устройство представляет из себя несколько полых трубок различного диаметра и конфигурации, вставленных друг в друга: на одном конце конструкции располагается собирающая линза, на другом-источник инфракрасного освещения (светодиоды) и система регистрации изображений (цифровая камера) (см. Приложения, рис.3).

Физическая модель прибора PHOTON

Инфракрасные светодиоды создают узконаправленный (в пределах 50) источник света с длинной волны близкой к 760-780 нм, который не воспринимается человеческим глазом, но регистрируются матрицей цифровой камеры. Расположение источника света, регистрирующего устройства и обследуемого глаза на одной оси обеспечивает равномерное освещение внутренних оболочек глаза, а отражённые ими лучи вызывают свечение в области зрачка. Использование непрозрачных материалов для создания корпуса прибора позволяет отсечь внешние источники света, что в совокупности с применением подсветки в невидимой части спектра приводит к рефлекторному расширению зрачка, а следовательно, повышает качество исследований. При выборе линзы мы исходили из следующих соображений. Необходимо получить прямое увеличенное изображение глаза, для чего подходящим вариантом оказалась собирающая линза. В вопросе оптической силы линзы, наш выбор был основан на подборе удобного расстояния от предмета, то есть глаза, до прибора. Оно оказалось 5 см.Кроме того, физика линзы такова, что при расположении предмета на расстоянии от линзы меньше фокусного, мы получаем мнимое прямое увеличенное изображение, которое нам и необходимо. Этими факторами обусловлен выбор собирающей линзы оптической силой в 20 D.

Придерживаясь принципов доступности и универсальности прототипа нашего устройства, мы остановили свой выбор на тех материалах и компонентах, которые легко приобрести в розничной торговой сети (см. Приложения, рис.5).

В 2020 году первый собранный нами прибор в качестве источника света содержал четыре светодиода 5 мм белого света, что позволило получить качественные снимки только в условиях медикаментозного расширения зрачка. В последней модели использовались инфракрасные светодиоды (780 нм), спектр излучения которых не воспринимается человеком, но фиксируется цифровыми камерами. Это позволяет отказаться от использования медикаментов, делает исследование комфортным и повышает качество снимков. Нами была приобретена миниатюрная цифровая wi-fi камера (см. Приложения, п.3), способная снимать в инфракрасном диапазоне. Её использование позволило решить несколько проблем. Во-первых, мы получили возможность фиксировать изображения в спектре, невидимом человеческим глазом, а во-вторых, унифицировали прибор для применения с различными моделями гаджетов (смартфон, планшет, компьютер), благодаря встроенному wi-fi модулю. Для достижения результата пришлось модифицировать схему питания камеры, которая изначально не позволяла вести фотосъёмку с включённой инфракрасной подсветкой.Конструкция из нескольких подвижных относительно друг друга пластиковых труб, с подвижным шпоночным соединением позволила добиться плавной настройки чёткости изображения в пределах фокуса линзы. Замена собирающей линзы 60 D на собирающую линзу 20 D упростило работу с прибором за счёт более комфортного фокусного расстояния.

Разработка программного обеспечения для анализа изображений PHOTONIQ

На этапе тестирования и апробации диагностической системы в клинических условиях отмечалась высокая точность работы самого прибора PHOTON. Однако, чувствительность методики при определении локализации помутнений с помощью предложенного нами рутинного алгоритма, в значительной мере коррелировала с квалификацией в группе исследователей. Для стандартизации диагностического алгоритма и достижения высокой повторяемости результатов анализа, вне зависимости от уровня подготовки исследователя, было принято решение разработать и применить на практике программу для анализа изображений, получаемых при помощи оптического прибора PHOTON. На первом этапе был сформирован архив изображений глаз с помутнениями оптических сред различной локализации. Отбирались пары изображений одного глазного яблока с противоположным направлением взора, хорошего качества, локализация помутнений в котором была установлена контрольными методами исследований. Все пары изображений были разделены на три группы (роговица, хрусталик и стекловидное тело). Далее проводилась их обработка с расстановкой маркеров в ручном режиме. На следующем этапе, мы определяли то, как меняется расстояние между маркерами в каждой группе при изменении направления взгляда. За точку отсчёта принимался центр зрачка, а переменной являлось отмеченное помутнение. Полученные данные были использованы для формирования математического алгоритма, который лёг в основу нашей программы. Был выбран объектно-ориентированный язык Java с использованием AndroidSDK, чтобы компилировать программу под Android. Созданное нами Приложение позволяет загружать парные изображения из памяти устройства и определяет координаты маркеров, отмеченные пользователем. Данные обрабатываются алгоритмом анализа (см. Приложения, п. 6). Программа делает заключение о локализации помутнений и выдаёт его пользователю. В ходе тестирования Приложения выяснилось, что оно корректно работает на большинстве пациентов, но при значительном отклонении размеров глазного яблока от средних значений делает ошибочные выводы о локализации помутнений (это случалось при высоких степенях близорукости и дальнозоркости у пациентов из-за смещения точки вращения глазного яблока, вызванного удлинением или укорочением зрительной оси). Для устранения влияния антропометрических факторов на работу программного алгоритма анализа в Приложение была встроена линейная нейронная сеть. На данный момент проходит её обучение.

Заключение. Вывод.

Изучив специальную литературу, был сконструирован и применён на практике прибор PHOTON. Для анализа получаемых данных разработано специальное программное обеспечение PHOTONIQ. Оптическое устройство и алгоритмы анализа объединены в единую диагностическую систему, по результатам испытаний которой можем сделать следующие выводы:

1. В условиях доврачебного приёма представленная диагностическая система позволяет выявлять и регистрировать патологию органа зрения.

2. Чувствительность предложенной нами диагностической системы достигает 90%, что позволяет проводить исследования с высокой точностью, вне зависимости от уровня профессиональной подготовки.

3. Разработанное программное обеспечение для анализа полученных данных позволяет определять локализацию помутнений в автоматическом режиме.

4.Разработаны методические рекомендации для работы с прибором и программным обеспечением.

Использование подобных диагностических систем обследования пациентов в процессе доврачебного осмотра позволит своевременно выявлять заболевания, нарушающие прозрачность оптических сред глаз, что имеет практическую значимость и актуальность для нашего региона.

Список литературы

Роль сестринского персонала в организации диспансерного наблюдения за больными катарактой / Е. А. Зиновьева // Гл. мед. сестра. - 2011. - N 8. - С. 12-25.

Глазные болезни [Электронный ресурс]: учебник / Егоров Е. А., Епифанова Л. М. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. URL:http://www.rosmedlib.ru/book/ISBN9785970433218.html (дата обращения 31.10.2017).

Сестринское дело в офтальмологии: учебное пособие / Э. Д. Рубан, И. К. Гайнутдинов.-Ростов-на-Дону: Феникс, 2015. - 352 с.: ил. - (Среднее медицинское образование). (Шифр 614.253.52(075) Р-82).

Клиническое исследование глаза с помощью приборов / Волков В.В., Горбань А.И., Джалиашвили О.А. // Медицина - 334 стр. – 1971

Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С.// - М. Физматлит 2003г

Качество жизни пожилых людей с диагнозом катаракты как критерий оценки амбулаторного лечения / А. И. Мяжитова, Н. В.Туркина // Мед. сестра. - 2014. - № 5. - С. 45-48

Не довести до слепоты / Д. Кубраков // Сестр. дело. - 2013. - № 2. - С. 36-37. Мяжитова, А. И.

Физика 9 кл. / А.В. Пёрышкин // Учебник для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2003, — 256 с.

Физика для всех / Ландау Л.Д.//М.: -Наука 1974

Вопросы и задачи по физике / Тарасов Л.В.// - М.: Высш. шк. 1990г

OCA OCP JAVA SE 7 Programmer I&II Study Guide / Sierra K., Bates B // -2015

Приложения

Катаракта — это болезнь глаз, которая обусловлена полным или частичным помутнением вещества хрусталика, в результате чего происходит снижение остроты зрения вплоть до его полной потери.

Паралла́кс — изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.

Рисунок 1А. Параллактическое смещение помутнений Рисунок 1Б.

Виды офтальмоскопов

Рисунок 2А Рисунок 2Б

Зеркальный офтальмоскоп Электрический офтальмоскоп

Рисунок 3. Модель предлагаемого прибора PHOTON

Особенности регистрирующего устройства (wi-fi камеры)

Н аше устройство является прототипом, для регистрации изображений, в котором использована миниатюрная wi-fi камера 11 Мегапикселей. Остальные части прибора подвижны относительно друг друга с сохранением осевой симметрии, и центрированы относительно собирающей линзы и объектива камеры.

Рисунок 4. Wi-Fi камера - 11 МР

Таблица 1. Группы фотобиологической опасности светодиодов

Группы риска

Обоснование

Исключения

Фотобиологической опасности не представляет

I группа

Фотобиологической безопасности при допустимых нагрузках не представляет

2 группа

Не представляют опасности по причине отрицательной реакции на яркий свет и тепловой дискомфорт

3 группа

Опасны даже при мгновенном воздействии

Светодиод используется как низкоэнергетический источник света. В нашем проекте использовались светодиоды 0-1 группы фотобиологической опасности (Таблица 3).

Рисунок 5. Прибор PHOTON. Общий вид (3D модель)

4. Моделирование прибора PHOTON

1. ПВХ трубы различного диаметра

2. Манжеты для труб

3. Уплотнители для труб

4. Силиконовый клей

6. Миниатюрнаяwi-fi цифровая камера, способная фиксировать изображения в инфракрасном диапазоне

7. Инфракрасныесветодиоды (780 нм) и резисторы

8. Соединительные провода

9. Блок питания (Li-ионная батарея)

10. Блок питания (батарейный отсек для гальванических элементов АА).

11. Собирающая линза 20 D

Таблица 2. Алгоритм анализа (рутинный) полученных данных в результате апробации и тестирования экспериментальной установкиPHOTON

Таблица 3. Результаты контрольных методов исследования

Фрагмент кода программы Приложения на JAVA

Приложение PHOTONIQ. Алгоритм работы.

А лгоритм работы с приложением PHOTONIQпредполагает следующие этапы:

Загрузить два изображения глаза с противоположным направлением взора, следуя интерактивным подсказкам.

Отметить помутнение и центр зрачка на загруженных изображениях, следуя подсказкам.

Запустить автоматический алгоритм анализа.

Оценить результаты программного анализа (при необходимости проверить результаты, используя рутинный алгоритм).

Просмотров работы: 12