Математическое программное обеспечение для анализа РОГ сигналов

Для проведения полноценной диагностики необходим не только процесс получения сигналов, но и соответствующие средства их анализа. Для этого было

разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее в автоматизированном режиме проводить анализ зарегистрированных сигналов (см.

В разделе 1.4 были приведены основные показатели реоофтальмограммы, применяемые в классической прилимбарной методике. Одним из информативных показателей является реографический индекс. В ранее применяемой методике этот диагностический показатель наиболее информативен в задачах подтверждения диагноза и оценки эффективности проводимого лечения. В ПО реализован функционал, который учитывает специфику обработки и анализа РОГ-сигналов.

Рисунок 3.15 - Общий вид окна программы обработки реоофтальмограмм

Обработка зарегистрированных сигналов происходит в автоматизированном режиме. Алгоритм работы (см. рисунок 3.16) предполагает следующие основные шаги: оператор открывает файлы, полученные с реографа, подбирает характерный вид отображения сигнала, как правило, длительностью два-три кардиоинтервала. Далее отмечает на сигнале по три точки для двух волн: начало волны, её максимум и её окончание. По умолчанию началом второй волны считается конец первой.

Рисунок 3.16 - Блок схема работы программного обеспечения

Исходя из массива точек для двух РОГ волн рассчитываются следующие параметры:

- реографический индекс;

- период максимального наполнения;

- показатель модуля упругости.

Для повышения точности необходимо проведение нескольких усреднений на одном сигнале в фазе вдоха и в фазе выдоха(см. Рисунок 3.17).

В клинической практике, как правило, рассчитанные показатели необходимо сохранять и передавать для последующего анализа и/или обработки врачу/исследователю, поэтому в ПО реализована возможность не только отображения рассчитанных показателей, но и возможность:

- гибкой работы с буфером обмена операционной системы, учитывающей особенности работы с таблицами Excel и аналогичными, а именно:

- выбор разделителя целой и дробной частей (точка или запятая);

- точность округления при расчете показателей РОГ (количество значащих цифр после запятой);

- способ копирования в буфер обмена массива рассчитанных показателей РОГ (в строку или в столбец);

- работы с серией измерений, реализованной в виде таблицы, в которую заносится информация об обрабатываемых файлах и рассчитанных по ним показателях, перенос информации осуществляется через буфер обмена в табличном виде;

- копирования отображаемого графического изображения сигналов для последующей печати или формирования отчетности;

- сохранения в текстовом формате обработанных и отображаемых на экране сигналов, которое может осуществляться в виде либо всего массива сигналов, либо только того временного отрезка, который отображается на экране.

Рисунок 3.17 - Характерный вид ПО при обработке сигналов

При обработке реоофтальмограмм наибольшая информативность достигается при анализе показателей кровотока в динамике, т.е. сигналов, зарегистрированных с одного пациента в разные периоды времени. Это позволяет снизить влияние индивидуальной вариабельности показателей кровотока на сигнале РОГ у отдельных пациентов и оценивать динамику их изменения в ходе лечения или при серии профилактических осмотров. В этих случаях важно оценивать не только численные показатели кровотока, но и изменение формы кривой реоофтальмограммы. Чтобы учесть эти особенности обработки РОГ в разработанном программном обеспечении была реализована возможность

открытия и отображения на одном экране неограниченного количества кривых РОГ, с возможностью настройки их вида отображения.

В разработанном ПО каждый из загруженных сигналов может быть подвергнут следующим видам обработки:

- настройка графического отображения (цвет, тип, толщина линии);

- фильтрация;

- смещение сигнала РОГ как по вертикали, так и по горизонтали для возможности удобного синхронного отображения отдельных временных отрезков различных сигналов на одном графике.

На регистрируемых сигналах РОГ возможно наличие высокочастотной составляющей, затрудняющей контурный анализ реоофтальмограмм, поэтому для При этом в реализации алгоритма фильтрации порядок фильтра практически не влияет на скорость работы ПО.

В разработанном программном обеспечении реализована возможность анализа дифференциальной реоофтальмограммы (см. Рисунок 3.18), которая рассчитывается как первая производная РОГ.

Для удобства её анализа введена возможность масштабирования полученной кривой, а также её смещения по оси ординат.

В вышеописанном программном обеспечении реализован базовый функционал для автоматизации обработки сигналов реоофтальмографического исследования, который позволяет:

- провести обработку (фильтрацию) зарегистрированных РОГ сигналов;

- сравнить несколько РОГ-сигналов одновременно;

- в автоматизированном режиме рассчитать показатели кровотока;

- сохранить результаты проведенной обработки в различных форматах.

Рисунок 3.18 - Характерный вид ПО при анализе дифференциальной РОГ

3.5. Предварительные испытания разработанных аппаратно-программных средств

В ходе макетирования различных конструктивных исполнений электродной системы проводились испытания, направленные на выявление конструктивных и эксплуатационных недостатков, а также на проверку повторяемости получаемых сигналов.

Предварительные испытания, проведенные на электродной системе с системой её крепления на пациенте показали хорошую повторяемость, погрешность составила 5% (обследовано два человека) для лиц без офтальмопатологий и 9% для лиц с патологиями (обследовано три человека) (см. Рисунок 3.19). Исследования проводилось на добровольцах с интервалом в один час для отдельного пациента, исследование проводил один и тот же оператор.

Обследуемые до начала регистрации сигналов находились в положении лежа около одной минуты. Всего было зарегистрировано 24 записи реоофтальмограмм. Среднее значение РИ для соматически здоровых добровольцев составило в среднем 51,0±2,5 мОм. Поскольку испытания показали хорошую повторяемость

результатов, то было принято решение о продолжении испытаний разработанной

БТС.

Рисунок 3.19 - Испытания на повторяемость результатов: а) два исследования пациента 1 без офтальмопатологий; б) два исследования пациента 2 с миопией средней степени (-5 дптр)

Помимо вышеописанных испытаний при помощи реализованного опытного образца проводились исследования информативности регистрируемых сигналов. Ввиду отсутствия на этом этапе достоверной информации об анамнезе и диагнозах добровольцев, были проведены исследования с применением функциональных проб. В качестве наиболее доступной и очевидной для анализа была выбрана холодовая проба. Вышеописанная проба согласно литературным источниками [42, с 37] является наиболее информативной в оценке функциональных качеств системы кровообращения глаза (см.

Холодовая проба проводилась в аналогичных условиях, что и выше описанные исследования на повторяемость, между сеансами регистрации реоофтальмограмм обследуемый доброволец не вставал с кушетки. Для проведения пробы на исследуемый глаз накладывался компресс с температурой 5­10 °С на 30 секунд. Второе исследование проводилась через минуту после снятия компресса.

Результаты исследований показали увеличение реографического индекса в среднем на 41%, что согласуется с имеющейся литературе информации, когда после снятия холодового эффекта уровень кровотока усиливается. На РОГ-сигнале после пробы отмечено изменение формы сигнала в части увеличения

диастолической волны, что отражает увеличение венозного оттока. Так же следует отметить увеличение амплитуды дыхательных волн.

Рисунок 3.20 - Проведение функциональной (холодовой) пробы на добровольце

Таким образом, проведенные предварительные исследования показали повторяемость результатов и корреляцию между ожидаемым эффектом холодовой пробы и изменениями в регистрируемых сигналах. Так же выявлен спектр особенностей, затрудняющих проведение ТП РОГ исследования. Они связаны с физиологией органа зрения и специфичны для реоофтальмографического исследования.

3.6. Анализ особенностей проведения исследования на закрытом веке, разработка методики проведения исследования

Для качественной регистрации любого физиологического сигнала необходимо выполнение ряда требований, которые максимально стандартизируют условия проведения исследования и максимально приближают их к условиям, близким к физиологическим.

Ввиду этого, на основе анализа особенностей регистрируемых сигналов и физиологических реакций организма необходимо разработать методику проведения транспальпебральной реоофтальмографии, которая будет проводиться в условиях наиболее близких к физиологическим и обладать наибольшей информативностью.

В ранее используемой прилимбарной методике реоофтальмографии процедура регистрации сигнала проводилась в положении испытуемого лежа.

Как и в любой диагностической системе, качество регистрируемых сигналов в первую очередь зависит от корректного места установки электродов. Оптимальное положение электродной системы было определено в главе 2, а рекомендуемая точность наложения электродной системы относительно рассчитанного положения составляет ±1,5 мм. При диагностике пары электродов располагаются попарно симметрично относительно переднезадней оси глазного яблока вдоль глазной щели на закрытое веко (см. Рисунок 3.21).

Ориентиром при наложении электродной системы служит небольшой бугорок на закрытом веке, обусловленный выпуклостью роговицы. Пары электродов необходимо расположить симметрично от него слева и справа вдоль глазной щели чуть выше хряща верхнего века.

В ходе испытаний был разработан оптимальный алгоритм установки ЭС на веко при ТП РОГ исследовании, который включает в себя следующие шаги:

- расположение ЭС под углом около 60° к горизонтали в области нижнего века (предварительная установка);

- центрирование пар электродов относительно переднезадней оси глаза, электроды должны быть установлены в соответствии с рассчитанным положением;

- не отрывая электродной системы от нижнего века, наложение ЭС полностью на глаз (см. Рисунок 3.22);

- обхват головы посредством шлейфа шлема проводится от мочки уха (шлейф не должен ложиться на саму мочку уха) до середины лба таким образом,

чтобы шлейф проходил над центром глаза или был сдвинут к переносице на

3-5 мм (см. Рисунок 3.23).

Рисунок 3.21 - Расположение электродов на пациенте

Зрительная система является достаточно чувствительной, и установка какого-либо инородного тела либо на сам глаз (как в классической методике), либо на веко не является естественным, поэтому ткани глаза век могут испытывать некоторое перенапряжение.

Рисунок 3.22 - Наложение электродной системы на глаз: а) предварительная установка; б) окончательная установка

Наибольшие сложности для регистрации сигнала РОГ представляют нормальное физиологическое поведение глаза - моргание и непроизвольные движения глаз в случае, если они закрыты.

Рисунок 3.23 - Фиксация электродной системы посредством трикотажного шлема

Экспериментальные результаты, полученные при анализе сигналов у группы из 30 пациентов показывают, что, например, при амплитуде РОГ-волны в 40 мОм, амплитуда помехи, связанные с движением глаза может составлять от 20 до 150 мОм (см. Рисунок 3.24, а), а амплитуда артефактов, связанных с морганием может превышать амплитуду полезного сигнала на 1 -2 порядка и составлять более 500 мОм (см. Рисунок 3.24,б). Это сильно усложняет автоматизированное выделение реографической волны из общего сигнала.

Частота возникновения артефактов, связанных с морганием в первую минуту исследования для неподготовленного пациента в среднем составляет пять раз в минуту, при дальнейшем проведении исследования частота непроизвольного моргания учащается и при проведении исследования более трех минут частота появления артефакта увеличивается до 30 и более раз в минуту. Количество артефактов от движения глаз, вызванные изменением направления взгляда в первую минуту в среднем достигает 10 раз в минуту, а при исследовании более трех минут - 60 раз в минуту (см. Таблица 7).

Следует отметить, что эти сигналы получены на детской и подростковой возрастных группах, чем старше обследуемый, тем стабильнее регистрируемые

сигналы, что предположительно связано с психоэмоциональными особенностями возраста исследуемой группы.

Рисунок 3.24 - Характерные виды помехи на реоофтальмограмме: а) движение

глаз; б) моргание

Для того, чтобы исключить непроизвольные движения глаз, было предложено регистрировать сигналы в условиях, когда второй глаз, будучи свободным от исследования, остается открытым (см. Рисунок 3.25).

Таблица 7 - Артефакты сигнала РОГ

Испытуемым предлагалось после наложения электродной системы на глаз открыть второй глаз и сфокусироваться на одной точке перед собой. Существенных сложностей для испытуемых в таком способе регистрации не было. Это позволило значительно снизить количество вышеуказанных артефактов. Испытуемых

просили воздерживаться от моргания, это позволяло зарегистрировать более продолжительный сигнал без артефактов и сократить тем самым продолжительность всей процедуры.

Рисунок 3.25 - Состояние глаз при проведении исследования

В конечном итоге, процедуру регистрации стали проводить по следующему алгоритму (см. Рисунок 3.26):

-на пациента надевается трикотажный шлем;

-пациент принимает положение лежа и закрывает оба глаза, перед следующим этапом пациент находится в таком положении не менее двух минут для уменьшения ортостатических эффектов;

-на электроды ЭС наносится электропроводный гель,

- ЭС накладывается на один глаз и фиксируется посредством трикотажного шлема;

- проводится контроль качества наложения электродной системы;

- пациент открывает второй глаз и фиксирует взгляд на одной точке чуть ниже направления прямого взгляда;

- производится регистрация сигнала РОГ в течение одной-полутора минут;

- по окончании регистрации процедура диагностики повторяется на другом глазу.

В случае некорректной установки ЭС, т.е. при ненадлежащем качестве сигнала или значения базового импеданса, ЭС снимается полностью, проводится удаление электропроводного геля. После этого процедура установки проводится заново.

Рисунок 3.26 - Блок-схема алгоритма проведения ТП РОГ исследования

До и после проведения процедуры ТП реоофтальмографии ЭС необходимо обрабатывать дезинфицирующими салфетками на основе этилового или изопропилового спирта. Последующие результаты практического внедрения показали невозможность применения дезинфицирующих составов на основе соединений хлорида и пропанола, которые используются для дезинфекции ультразвуковых датчиков, т.к. они разрушают латексную оболочку ЭС.

Для облегчения фиксирования взгляда перед пациентом помещается изображение-мишень, на которой он может сфокусироваться в течение проведения исследования. В случае отсутствия точки фокусировки взгляда количество артефактов, связанных с непроизвольными движениями глаз, остается неизменным.

Эмпирически было получено, что оптимальным направлением взгляда является угол 45° относительно горизонтальной плоскости (см. Рисунок 3.27), это способствует тому, что веко открытого глаза оказывается полуприкрытым, что облегчает испытуемому задачу держать второй глаз закрытым.

Рисунок 3.27 - Рекомендуемое направление взгляда во время исследований

Предложенная методика позволила существенно снизить количество артефактов. Для того, чтобы не вызвать преждевременного слезотечения, в области прямого и периферического зрения при проведении исследования у испытуемого не должно быть источников света. Т.е. общее освещение помещения должно быть выключено.

Контроль корректности установки электродной системы косвенно определяется по наличию полезного сигнала, получаемого с ЭС, и по усилию прижатия, оцениваемому по базовому импедансу, который должен составлять 34±3 Ом. В случае отсутствия полезного сигнала или некорректного значения базового импеданса необходимо снять электродную систему с пациента и наложить её повторно.

По результатам проведенных испытаний и в ходе апробации методики проведения транспальпебрального реоофтальмографического исследования были разработаны методические рекомендации для операторов, проводящих исследование.

Следует отметить, что пациентам, которым РОГ исследование проводится впервые, сложнее фиксировать взгляд на одной точке и не моргать, чем тем, кто проходит исследование второй и последующий разы. Возможно, это связано с эффектом тренировки и адаптации зрительной системы к проводимой процедуре (при приложении усилия прижатия на глаз). Стабильность регистрируемых сигналов достоверно повышается, более того, уменьшаются дискомфортные ощущения у обследуемого. Количественная оценка влияния эффекта тренировки на точность регистрируемых сигналов в рамках настоящей работы не проводилась.

3.6.