Оптотипы для точной оценки остроты зрения
Владельцы патента RU 2447826:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН (ИППИ РАН) (RU)
Изобретение относится к области медицины, а именно к оптометрии, и может быть использовано для точной оценки остроты зрения в целях ранней диагностики глазных болезней или врачебной экспертизы при профотборе. Оптотипы представляют собой пару черно-белых решеток, одна - из трех горизонтальных, другая - из трех вертикальных полос равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины, при этом отношение длины полосы к ее ширине составляет от 5,7:1 до 6,0:1. Опознание предлагаемых модифицированных оптотипов возможно только на основе восприятия высокочастотных составляющих Фурье-спектра, соответствующих характеристическим частотам изображений. Благодаря этому оптотипы повышают не только точность оценки разрешающей способности зрительной системы, но и стабильность результатов, так как испытуемые вынуждены использовать на протяжении всей процедуры измерений один и тот же критерий идентификации. 12 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области медицины, а именно к оптометрии, и может быть использовано для точной оценки остроты зрения в целях ранней диагностики глазных болезней или для врачебной экспертизы при профотборе.
В настоящее время для оценки остроты зрения используется большое число различных зрительных стимулов - решетки, буквы, цифры, упрощенные изображения предметов. Получаемые при помощи разных тестов результаты могут не совпадать, так как узнавание стимулов из разных наборов определяется не только качеством сетчаточных изображений и различимостью деталей на уровне фоторецепторов, но и последующей переработкой зрительных сигналов в ряде центральных отделов зрительной системы. При восприятии стимулов разного вида могут быть задействованы различные отделы зрительной системы, и могут использоваться разные критерии идентификации. Чем сложнее стимулы, тем большее число центральных отделов участвует в их анализе и тем большей вариабельности результатов можно ожидать, учитывая потенциальные различия в характеристиках разных отделов у разных людей и индивидуальные особенности зависимости этих характеристик от условий тестирования у каждого человека. В последние годы клиницисты пытаются выбрать наилучшие оптотипы, используя для оценки остроты зрения одних и тех же пациентов несколько различных оптотипов (решетки, кольца Ландольта, знаки Е в четырех ориентациях, буквы и т.д.) и сопоставляя результаты. Однако из-за отсутствия удовлетворительной теоретической базы для такого сопоставления и недостаточного учета особенностей испытуемых разные авторы приходят к разным выводам, часто противоречащим друг другу. В частности, до сих пор нет четкого представления о соотношении результатов измерений остроты зрения, получаемых при помощи колец Ландольта, которые рекомендованы в качестве международного стандарта, и при помощи других широко распространенных оптотипов. Этот вопрос обсуждался еще в прошлом веке в книге «Пространственное зрение» (СПб.: Наука, 1999. Авторы: Бондарко В.М., Данилова М.В., Красильников Н.Н., Леушина Л.И., Невская А.А.), и с тех пор ясности не прибавилось.
Анализируя состояние проблемы оценки остроты зрения на сегодняшний день, можно заключить, что понимание специфики результатов, получаемых при помощи различных сложных оптотипов, потребует еще длительных исследований, как теоретических, так и экспериментальных. Чтобы сделать трактовку результатов более прозрачной, представляется целесообразным обратить внимание на относительно простые оптотипы.
Предлагаемая нами в качестве устройства пара оптотипов для определения остроты зрения представляет собой пару модифицированных решеток, т.е. относится к классу простых зрительных стимулов, успешно применяемых как при оценке зрительных способностей у детей младшего дошкольного возраста, так и при профотборе для профессий, требующих высокой остроты зрения.
В качестве прототипа нами были взяты стандартные 3-полосные стимулы (фиг.1), которые используются в США для проверки зрения военных летчиков (USAF 1951 Resolution Test Chart; Test Chart of the National Bureau of Standards, NBS 1963A).
Каждый 3-полосный стимул содержит 3 одинаковые темные полосы и 2 светлых промежутка той же ширины между ними. Отношение ширины полосы к размеру всего изображения по горизонтали и вертикали у стандартных оптотипов составляет 1:5:5, а характеристическая пространственная частота равна 2.5×60/γ цикл/град, где γ - угловой размер оптотипа в минутах. Приведенное значение характеристической частоты получено следующим образом. Характеристической пространственной частотой оптотипа считают частоту пространственной решетки, период которой вдвое больше ширины проверочного элемента. В данном случае это решетка, полупериоды которой накладываются на темные и светлые полосы оптотипа. Поскольку общее число таких полос в обсуждаемом оптотипе равно пяти, получается, что он содержит 5 полупериодов или 2,5 периода характеристической частоты. Соответственно, для вычисления самой характеристической частоты (числа периодов на градус) нужно определить, сколько оптотипов данного размера у содержится в одном угловом градусе (60'/γ) и результат умножить на 2,5.
При проверке зрения используют оптотипы разного размера с горизонтальной и вертикальной ориентацией полос. Задача обследуемого состоит в различении ориентации предъявляемых оптотипов. Для количественной оценки остроты зрения находят порог - наименьший угловой размер оптотипов γmin, при котором обследуемый правильно определяет ориентацию полос решеток с заданной вероятностью. За остроту зрения принимается величина, обратная угловому размеру пороговой ширины полосы, выраженному в минутах, т.е. 5/γmin. Наряду с этим, используют также значение характеристической частоты, соответствующей данной угловой величине ширины полосы: 150/γminцикл/град.
На основе результатов экспериментальной работы с испытуемыми и теоретического анализа Фурье-спектров нами был выявлен следующий недостаток стандартных 3-полосных стимулов - возможность их различения на основе низкочастотных составляющих, не соответствующих характеристической частоте оптотипов. Для устранения этого недостатка мы предлагаем несколько изменить пропорции оптотипов, сделав отношение длины полосы к ее ширине больше чем 5:1. В частности, как будет показано ниже, удовлетворительной является пара оптотипов с отношением длины к ширине, равной 6:1, то есть с отношением величины проверочного элемента к размерам всего изображения по горизонтали и вертикали, равным 1:5:6 и 1:6:5 (фиг.2).
Из проведенных расчетов следует, что такое изменение пропорций устраняет различие двух стимулов по низкой частоте, и опознание предлагаемых оптотипов становится возможным только на основе восприятия высокочастотных составляющих Фурье-спектра, соответствующих характеристическим частотам изображений. Для иллюстрации этого положения ниже приведены разности двумерных спектров пары стандартных (5×5) (фиг.3) и пары модифицированных (5×6 и 6×5) (фиг.4) 3-полосных стимулов с шириной полос 1,5'. На этих рисунках значения разности представлены в 16-уровневой ахроматической шкале. Самые светлые и самые темные участки отражают наибольшие положительные и отрицательные разности, сосредоточенные вблизи характеристической частоты, равной для этих стимулов 20 цикл/град. Кроме того, разностные спектры демонстрируют существование различий и в области других частот, в том числе и более низких. Хотя низкочастотные различия и меньше по абсолютной величине, они могут обеспечить узнавание стимула, когда характеристическая частота уже не воспринимается обследуемым, что приведет к завышению измеряемой остроты зрения. Сравнение разностных спектров для стандартных и модифицированных стимулов показывает, что в результате предлагаемой нами модификации в центральной низкочастотной зоне двумерного разностного спектра появляется серое поле, которым изображается нулевое различие. Благодаря этому возможность опознания стимулов на основе низких пространственных частот практически исключается.
Поскольку наибольшие по абсолютной величине значения разностей располагаются вдоль осей x и y, вместо двумерных спектров можно воспользоваться одномерными спектрами, сравнение которых столь же показательно (фиг.5 - одномерные срезы спектров стандартных стимулов (5×5) и фиг.6 - одномерные срезы спектров модифицированных стимулов (5×6 и 6×5)).
Предлагаемая нами в качестве устройства пара модифицированных оптотипов имеет то преимущество, что позволяет оценить именно разрешающую способность зрительной системы, лимитирующую анализ любых изображений. Опознание предлагаемых оптотипов возможно только на основе восприятия высокочастотных составляющих Фурье-спектра, соответствующих характеристическим частотам изображений, что отличает данные оптотипы от большинства других, в идентификацию которых могут вносить вклад низкочастотные спектральные компоненты.
Благодаря исключению косвенных отличительных признаков, предлагаемые оптотипы повышают не только точность оценок разрешающей способности зрительной системы (остроты зрения), но и стабильность результатов, получаемых при повторных измерениях, так как испытуемые вынуждены использовать для различения тестовых изображений один и тот же критерий.
Конструктивные признаки предлагаемых оптотипов:
- увеличенная в 1.14-1.2 раза длина полос в сравнении со стандартными 3-полосными решетками, состоящими из одинаковых темных полос со светлыми промежутками той же ширины между ними и имеющими соотношение между шириной полос и размерами по горизонтали и вертикали 1:5:5;
- различие в ширине и высоте оптотипов при горизонтальной и вертикальной ориентации.
Для экспериментального испытания предложенных оптотипов были изготовлены офтальмологические таблицы с 3-полосными стандартными и модифицированными стимулами. Оптотипы одного размера располагались в этих таблицах строками по 10 стимулов; закон изменения размера от строки к строке был близок к геометрической прогрессии со знаменателем 1,1.
В таблице 1 для примера приведены параметры десяти оптотипов, использованных в ходе апробации. В действительности, диапазон размеров был шире, но указанных оптотипов хватало для построения психометрических функций всех испытуемых, участвовавших в апробации. Остроту зрения определяли по психометрическим функциям, принимая за критический уровень вероятность правильных ответов 0,9 и находя соответствующий размер оптотипа.
В таблице 2 представлены результаты измерения остроты зрения для расстояния наблюдения 4 м, полученные на десяти испытуемых с применением стандартных и модифицированных 3-полосных стимулов. Из этой таблицы видно, что у разных испытуемых разность между двумя значениями остроты зрения варьирует как по величине, так и по знаку. Это означает, что использование испытуемыми низкочастотных составляющих спектра может приводить к ошибкам в оценке остроты зрения не только в сторону ее завышения (как мы предполагали), но и в сторону ее занижения (что, на первый взгляд, кажется парадоксальным). Причины ошибок разного рода становятся ясными при сравнительном анализе индивидуальных психометрических функций обследованных испытуемых (фиг.7-12).
Испытуемые, психометрические функции которых показаны на фиг.7 и 8, продемонстрировали ожидаемое завышение порога за счет использования низкочастотных спектральных составляющих стимула: при уменьшении размеров стандартных стимулов кривые вероятности опознания (сплошные линии) гораздо медленнее приближались к уровню случайного угадывания, чем в случае модифицированных стимулов (пунктирные линии).
Принимая во внимание, что для выбора из двух возможностей уровень случайного угадывания соответствует вероятности 0,5, легко понять, в чем состояла особенность испытуемых, продемонстрировавших занижение порога (фиг.9 и 10). У этих испытуемых при уменьшении размера стимулов правильное узнавание заменялось не на случайное угадывание, а на инверсию ответов - они с большой вероятностью называли неправильный ответ (вероятность правильных ответов была 0,1 или ниже). Такая инверсия обусловлена тем, что стандартный оптотип с вертикальными линиями на пределе разрешения выглядит как овальное пятно, вытянутое по горизонтали, и наоборот. Это вводит часть испытуемых в заблуждение - они ошибочно связывают ориентацию полос с ориентацией овальных пятен. В случае модифицированных оптотипов это исключено, так как на пределе разрешения они выглядят как пятна, имеющие одинаковые размеры по горизонтали и вертикали.
Таким образом, как показала апробация, при наблюдении стандартных 3-полосных стимулов разные испытуемые используют разные критерии узнавания, а часть испытуемых может к тому же менять критерий идентификации по ходу процедуры измерения, комбинируя низкочастотные и высокочастотные признаки различным образом, что повышает разброс результатов в таких случаях. Кроме того, различие критериев, используемых разными испытуемыми, увеличивает различия между получаемыми показателями у людей, фактически имеющих одинаковую остроту зрения.
Предлагаемое устройство - оптотипы для точной оценки остроты зрения, - представляет собой черно-белые решетки из трех горизонтальных или вертикальных полос равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины, отличительной особенностью является отношение длины полосы к ее ширине, которое составляет от 5,7:1 до 6,0:1.
Предлагаемые оптотипы могут использоваться таким же образом, как и традиционные оптотипы - кольца Ландольта, буквы, цифры или изображения простых предметов. Из оптотипов разного размера составляются таблицы, которые распечатываются и предъявляются испытуемым при стандартном освещении с определенного расстояния. Обычно таблицы состоят из горизонтальных строк, содержащих по 5-10 оптотипов одного размера, причем размеры закономерно меняются от строки к строке. Для оценки остроты зрения находят строку с наименьшими размерами оптотипов, которые испытуемый способен узнать без ошибок. Первые таблицы для измерения остроты зрения были предложены Снелленом в 1862 г. Стандартная процедура, используемая для измерения остроты зрения и называемая также визометрией, описана во всех учебниках для студентов медвузов и медицинских колледжей (см., например, Сомов Е.Е. Клиническая офтальмология. М.: МЕДпресс-информ, 2005; Волков В.В., Горбань А.И., Джалиашвили О.А. Клиническая визо- и рефрактометрия. Л.: Медицина, 1976; Глазные болезни. Учебник для медвузов. Под ред. Брошевского Т.И. и Бочкаревой A.M. М.: Медицина, 1977). В нашей стране исследование остроты зрения для дали производят по таблицам Сивцева (с буквами и с кольцами Ландольта) или Орловой (с детскими картинками), помещаемым в аппарат Рота и рассматриваемым с расстояния 5 м. При оценке остроты зрения для близи пользуются таблицей с фрагментами текста, напечатанными шрифтами разного размера. Эта таблица рассчитана на показ с расстояния 33 см.
Переход к предлагаемым нами модифицированным стимулам позволяет получать более точные и стабильные результаты.
| Таблица 1 | ||||||
| Параметры использованных при испытании стандартных и модифицированных 3-полосных оптотипов для расстояния наблюдения 4 м |
||||||
| Оптотипы № | Уровни остроты зрения | Ширина полос (мм) | Стандартные размеры решеток (мм) | Модифицированные размеры решеток (мм) | ||
| ширина | высота | ширина | высота | |||
| 1 | 1 | 1,16 | 5,8 | 5,8 | 5,8 | 6,96 |
| 2 | 1,1 | 1,06 | 5,3 | 5,3 | 5,3 | 6,36 |
| 3 | 1,2 | 0,95 | 4,75 | 4,75 | 4,75 | 5,7 |
| 4 | 1,34 | 0,87 | 4,35 | 4,35 | 4,35 | 5,22 |
| 5 | 1,49 | 0,78 | 3,9 | 3,9 | 3,9 | 4,68 |
| 6 | 1,62 | 0,72 | 3,6 | 3,6 | 3,6 | 4,32 |
| 7 | 1,77 | 0,65 | 3,25 | 3,25 | 3,25 | 3,9 |
| 8 | 1,96 | 0,59 | 2,95 | 2,95 | 2,95 | 3,54 |
| 9 | 2,2 | 0,52 | 2,6 | 2,6 | 2,6 | 3,12 |
| 10 | 2,39 | 0,49 | 2,45 | 2,45 | 2,45 | 2,94 |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Результаты оценки остроты (ОЗ) зрения у 10 испытуемых при помощи стандартных и новых 3-полосных стимулов | ||||||||||
| Результаты | Номер испытуемого | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| ОЗ (по старым) | 1,54 | 2,27 | 1,87 | 2,27 | 1,62 | 1,62 | 2,2 | 1,52 | 1,58 | 1,51 |
| ОЗ (по новым) | 1,62 | 1,67 | 1,67 | 1,89 | 1,62 | 1,62 | 2,2 | 1,62 | 1,62 | 1,80 |
| Разность | - 0,08 | 0,60 | 0,20 | 0,38 | 0 | 0 | 0 | 0,1 | -0,04 | -0,29 |
Оптотипы для точной оценки остроты зрения, представляющие собой пару черно-белых решеток, одна - из трех горизонтальных, а другая - из трех вертикальных полос равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины, отличающиеся тем, что отношение длины полосы к ее ширине составляет от 5,7:1 до 6,0:1.
