CC BY
25
УДК 681.335
DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-1-121-125
СПОСОБ ТОНОМЕТРИИ ГЛАЗА
© А.А. Лунгина, А.В. Курганский, Е.И. Глинкин
Тамбовский государственный технический университет 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, 106 E-mail: glinkinei@rambler.ru
Предложен способ тонометрии глаза по калибровочной амплитудно-временной характеристике, которая служит нормируемым эквивалентом и устраняет методическую и динамическую погрешность оценки внутриглазного давления.
Ключевые слова: способ тонометрии; постоянная времени; предельное напряжение; амплитудно -временные характеристики; методическая и динамическая погрешности
Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности, к измерению внутриглазного давления (ВГД), и может быть использовано для измерения оф-тальмотонуса в раннем посттравматическом периоде.
Известен способ измерения ВГД [1], основанный на получении реакции от глаза при воздействии на него механического вибратора. К глазу подводится устройство с вибрирующим зондом и фиксируется. На глаз оказывается давление с определенной силой устройством вместе с вибрирующим датчиком (зондом). Измеряется характер колебаний зонда, по которым судят о степени ВГД. Во время измерения ВГД положение устройства по отношению к глазу не меняют. Окончив измерение ВГД, устройство отводят от глаза.
Недостатками данного способа являются: низкая точность, связанная с влиянием на амплитуду колезон-да плотности ретробульбарной клетчатки, влияющей на амплитуду колебаний всего глаза, соизмеримой с амплитудой колебаний зонда; значительная нагрузка на глаз тонометром (не менее 3-5 г), т. к. этот способ требует постоянного контакта тонометра с глазом; обязательная анестезия глаза, т. к. нагрузка в 3-5 г вызывает неприятные ощущения у больного; трудоемкость тонометрии.
Известен способ измерения ВГД [2], согласно которому приближают вибрирующий датчик к глазу до наступления контакта с ним и действуют на глаз до момента исчезновения сигнала на выходе вибрирующего датчика, отводят вибрирующий датчик от глаза и при этом измеряют максимальную амплитуду сигнала на выходе вибрирующего датчика, по значению которого судят об офтальмотонусе.
Недостатками данного способа являются: нестабильность во времени характеристик механического вибрирующего датчика; характеристики механического вибрирующего датчика в значительной мере подвержены влиянию окружающей среды, что приводит к изменению усилий в колебательной системе; амплитуда вынужденных акустических колебаний зависит от массы, механического сопротивления и других показателей, характеризующих общее состояние среды; мак-
симальное значение амплитуды будет на частоте механического резонанса; резонансные явления появляются при совпадении частот звуковых (ультразвуковых) колебаний с частотами мод колеблющихся оболочек клеток и составляющих цитоплазмы клеток, а также молекул и других элементов и структур.
Прототипом является способ [3], согласно которому приближают вибрирующий датчик к глазу до наступления контакта с ним и действуют на глаз до момента исчезновения сигнала на выходе вибрирующего датчика, отводят вибрирующий датчик от глаза и при этом измеряют максимальную амплитуду сигнала на выходе вибрирующего датчика, по значению которого судят об офтальмотонусе, вводят стабильную меру в виде костной ткани лобной части лица, для чего вначале приближают вибрирующий датчик к средней точке лобной части лица до наступления контакта с этой точкой и действуют на нее до момента исчезновения сигнала на выходе вибрирующего датчика, отводят вибрирующий датчик от средней точки лобной части лица и при этом измеряют максимальную амплитуду сигнала на выходе вибрирующего датчика, значение которой принимают за опорный сигнал, который сравнивают с измерительным сигналом.
Недостатками данного способа являются: низкая метрологическая эффективность из-за субъективного анализа максимального амплитудно-временного сигнала; асинхронность во времени между измерениями амплитуд измерительного и опорного сигналов; отсутствие нормируемого эквивалента, позволяющего интегрально судить об изменении амплитуды измерительного и опорного сигналов во времени.
Технической задачей способа является повышение метрологической эффективности, а именно точности тонометрии, за счет устранения методической и динамической погрешностей.
Техническая задача достигается тем, что в способе тонометрии глаза, в отличие от известных решений, нормируемым эквивалентом служит амплитудно-временная калибровочная характеристика с программно управляемыми предельными параметрами, для этого
последовательно измеряют две амплитуды исследуемого и опорного сигналов в два момента времени, по которым рассчитывают предельные параметры исследуемой и опорной характеристик: предельную амплитуду и постоянную времени, по которым аппроксимируют исследуемую и опорную характеристики, из разницы которых находят действительную характеристику, по которой судят об офтальмотонусе.
Сущность способа [4] поясняют рис. 1-4. Калибровочная амплитудно-временная характеристика (АВХ), полученная из аппроксимации исследуемой и опорной характеристик по двум амплитудам в два момента времени, представлена на рис. 1. На рис. 2 изображены исследуемая Пь опорная и2 и действительная характеристики - ди. Эталонная 1 и калибровочная 2 АВХ на рис. 3, а на рис. 4 приведена погрешность между ними, по которым рассчитывают предельные параметры исследуемой и опорной характеристик.
Способ тонометрии глаза включает 2 режима работы: 1) «измерение» и 2) «калибровка» (рис. 1).
1. Режим «измерение» предназначен для организации исследуемого и опорного сигналов при воздействии на глаз и лобную часть лица вибрирующим датчиком, который приближают к глазу и лобной части лица до наступления контакта с ними и действуют на глаз и лобную часть лица до момента исчезновения сигнала на выходе вибрирующего датчика, отводят вибрирующий датчик от глаза и лобной части лица, костная ткань которой служит нормируемой мерой (рис. 1).
2. Режим «калибровка» предназначен для ввода нормируемого эквивалента, которым служит калибровочная амплитудно-временная характеристика и (рис. 1) с программно управляемыми предельными параметрами. Для этого последовательно измеряют две амплитуды исследуемого П1 и опорного и2 сигналов в два момента времени ^ и Г2 (рис. 1), по которым рассчитывают предельные параметры исследуемой П1 и опорной и2 (рис. 2) характеристик: предельную амплитуду и0 и постоянную Т0 времени. По ним аппроксимируют исследуемую П1 и опорную и2 характеристики, из разницы которых находят действительную ди характеристику, по которой судят об офтальмотонусе.
Далее определяют предельные параметры калибровочной амплитудно-временной характеристики (АВХ).
Математическая модель АВХ выбрана в экспоненциальной форме ^0(Ф) = и (?,и0,Г0):
и = и0(е 0 -1),
(1)
где и0 и Т0 - предельные параметры АВХ: предельное напряжение и постоянная времени.
Определяют параметры АВХ, решая систему из двух уравнений:
и = и(о(в 0 -1)
и2 = и0(е 0 -1),
(2)
где и - амплитуда сигнала в момент времени и2 -амплитуда сигнала в момент времени
Параметр и0 рассчитывают из инверсной (2) системы уравнений модели
/1 = ТЪВД/ и 0 +1) /2 = Т)1п(и2/ и0 + 1).
(3)
Поделим второе уравнение системы (3) на первое, и с учетом соотношения моментов времени /2 = п • ^, из логарифмического уравнения
п • 1п(и / и0 +1) = 1п(и2 / и0 +1) ,
после экспоненцирования, запишем степенное уравнение
(^/ис + 1)п = (и2/ и0 +1),
где п = /2/ /1.
Разложим левую часть равенства по формуле бинома Ньютона:
{Щ/и0 +1)п и 1 + п •и1/и0 + П ^(П 1)
•(их/ и0 )2
отсюда приведем к квадратному уравнению
1 + п •и1/и0 + п •(п 1) • (и1/и0)2 = и2/и0 +1.
После сокращения единиц и понижения степени на
и 0 находим предельное напряжение
и =
_ п(п - 1)и1
2(и2 / и -п)
(4)
Рис. 1. Исследуемая амплитудно-временная характеристика
Из первого уравнения системы (3) определяем алгоритм оптимизации постоянной времени
Т =
\п(У\ / и0 +1)
(5)
По найденным предельным параметрам восстанавливают исследуемую характеристику Ц в экспоненциальной форме по формуле (1) (рис. 1). Таким же образом восстанавливают опорную характеристику, затем получают следующую систему
и = и01(6 01 -1) '2
и2 = и02(ет02 -1).
(6)
Из разницы исследуемой и опорной характеристик соответственно получают калибровочную характеристику ДЦ, по которой судят об офтальмотонусе (7) (рис. 2).
ди = и1 -и2.
(7)
Определяем калибровочную характеристику Д^ здорового человека. Судить об офтальмотонусе любого
Рис. 2. АВХ: и1 - исследуемая, и2 - опорная, Ди - калибровочная
пациента можно, сравнивая полученную Ди для него характеристику с нормированной Ди0 характеристикой.
По алгоритму возможны три случая: 1) если ДП^ = Ди0, то пациент здоров; 2) если Ди^ > Д^,
то у пациента ВГД повышено; 3) если Ди; < Д^, то у пациента ВГД понижено (8).
Докажем эффективность предлагаемого способа тонометрии глаза.
Эффективность предлагаемого способа достигается в результате введения нормируемого эквивалента, которым служит калибровочная амплитудно-временная характеристика с программно управляемыми предельными параметрами.
1. Снижение методической погрешности и работоспособность метода доказываются тождественностью предельных параметров Ц0 и Т0 амплитудно-временной характеристики, определяемых по любым у-м сочетаниям двух амплитуд Ц измеренных сигналов в два момента времени с периодом 0,1 с. Полученные в результате эксперимента данные для каждого момента времени приведены в табл. 1.
Ц - амплитуды исследуемого сигнала; Ц0,- и Т0,- -предельные параметры исследуемой и опорной характеристик; еЦ0,- и еТ0,- - погрешности определения предельных параметров калибровочной характеристики; еР - погрешность между экспериментальной и калибровочной функциями моделирования.
Из табл. 1 видно, что при увеличении амплитуд Ц сигнала в десять раз (с 2,66 до 26,95) тождественность предельных параметров Ц0,- и Т0,- с погрешностью Ем ~ &Ты < 0,2 %. При этом методическая погрешность еР между экспериментальной 2 и калибровочной 1 функциями (рис. 3) не превышает 2-10-14 % (рис. 4).
2. Снижение динамической погрешности определяется сравнением погрешностей предельных параметров е№ ~ ет предлагаемого способа и способа-прототипа е+_ изменения максимальной амплитуды.
Л+- ="
(9)
I
е
+
е
Таблица 1
Тождественность предельных параметров
1 г, с Ц\ и01 Т01 Еи0ь % 8Т01 ер , х10-12, % Пара I—
1 0,1 2,661 90,765 34,606 0,196 0,193 0,003 1-8
2 0,2 5,4 90,893 34,655 0,054 0,053 0,002 2-8
3 0,3 8,219 90,956 34,678 0,014 0,014 0,001 3-8
4 0,4 11,121 90,909 34,661 0,038 0,036 0,001 4-8
5 0,5 14,107 90,844 34,638 0,109 0,102 0,001 5-8
6 0,6 17,181 90,943 34,673 0,001 0,001 0,002 6-2
7 0,7 20,345 90,924 34,666 0,021 0,020 0,001 7-2
8 0,8 23,601 90,893 34,655 0,054 0,053 0,001 8-2
9 0,9 26,953 90,851 34,639 0,101 0,098 0,001 9-2
Рис. 3. Тождественность эксперименту: 1 2 - АВХ
калибровочной;
Рис. 4. Методическая погрешность
Динамическая погрешность измерения максимальной амплитуды определяется как соотношение амплитуд А,- и А,+1 к А, (рис. 1)
A - A-
A
(10)
В результате эксперимента установлено, что е+ = 12,79 % и е - = 12,44 % .
Динамическая погрешность определения предельных параметров амплитудно-временной характеристики не превышает - 0,196 %.
глазного давления, что в свою очередь позволяет поставить более точный диагноз заболевания и провести соответствующее лечение.
ОТВЕТ
на запрос патентной экспертизы от 03.12.2015 г. по заявке № 2015111776/14
Ознакомившись с запросом патентной экспертизы, авторы согласны с убедительными доводами эксперта и предлагают скорректировать формулу, исключив признак «программно управляемыми» с определением нормируемого эквивалента как «амплитудно-временная калибровочная характеристика с предельными параметрами». При этом отличительный признак формулы изобретения скорректировать как «...что нормируемым эквивалентом служит амплитудно-временная калибровочная характеристика с предельными параметрами, для определения которых последовательно измеряют.» (и далее по формуле изобретения в редакции заявителя) для ясного и понятного осуществления всех приемов предложенного способа.
Авторы благодарят эксперта за внимательное изучение материалов заявки, положительную экспертную оценку и просят продолжить экспертизу по существу согласно «откорректированной формулы, не содержащей признаки, мешающие признанию осуществимости способа».
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ тонометрии глаза, заключающийся в организации исследуемого и опорного сигналов при воздействии на глаз и лобную часть лица вибрирующим датчиком, который приближают к глазу и лобной части лица до наступления контакта с ними и действуют на глаз и лобную часть лица до момента исчезновения сигнала на выходе вибрирующего датчика, отводят вибрирующий датчик от глаза и лобной части лица, костная ткань которой служит стабильной мерой, отличающейся тем, что нормируемым эквивалентом служит амплитудно-временная калибровочная характеристика с предельными параметрами, для определения которых последовательно измеряют две амплитуды исследуемого и опорного сигналов в моменты времени ?! и ?2, по которым рассчитывают предельные параметры исследуемой и опорной характеристик: предельную амплитуду и постоянную времени, по которым аппроксимируют исследуемую и опорную характеристики, из разницы которых находят действительную характеристику, по которой судят об офтальмотонусе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
^ = 1279 я 65,26,
„п, 0,196
следовательно, эффективность по точности увеличилась на два порядка.
Таким образом, введение калибровочной амплитудно-временной характеристики, которая служит нормируемым эквивалентом, в отличие от известных решений устраняет методическую и уменьшает на два порядка динамическую погрешности измерения. Это приводит к повышению точности измерения внутри-
Способ тонометрии глаза и устройство для его осуществления / В.А. Пашков, Л.П. Чередниченко, В.К. Полторак. А. с. 133171 СССР, А61В 3/16. 1957.
Способ тонометрии глаза и устройство для его осуществления / В.А. Пашков, Л.П. Чередниченко, В.К. Полторак. А. с. 18233788 СССР, 61В 3/16. 1993. Бюл. № 23.
Патент № 2361506 РФ. Способ тонометрии глаза / Т.С. Соколова, Л.Ю. Иванова, Е.В. Калинина, Е.А. Леонтьев. A61B3/16. 2007. Патент по заявке № 2015111776 РФ. Способ тонометрии глаза / А.А. Лунгина, А.В. Курганский, Е.И. Глинкин. A61B3/00, решение от 14.06.2016.
Поступила в редакцию 25 ноября 2016 г.
П
+
Лунгина Алена Алексеевна, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Биотехнические системы и технологии», кафедра биомедицинской техники, e-mail: alena-lungina@rambler.ru
Курганский Андрей Владимирович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Биотехнические системы и технологии», кафедра биомедицинской техники, e-mail: cadam@mail.ru
Глинкин Евгений Иванович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры биомедицинской техники, заслуженный изобретатель Российской Федерации, e-mail: glinkinei@rambler.ru
UDC 681.335
DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-1-121-125
THE METHOD OF EYE TONOMETRY
© A.A. Lungina, A.V. Kurganskiy, E.I. Glinkin
Tambov State Technical University 106 Sovetskaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: glinkinei@rambler.ru
A method of eye tonometry from the calibration amplitude-time characteristic, which is the normalized equivalent and which eliminates methodical and dynamic error of assessment of intraocular pressure is proposed.
Key words: method of tonometry; time constant; limit voltage; amplitude-time characteristics; methodic and dynamic error
REFERENCES
1. Pashkov V.A., Cherednichenko L.P., Poltorak V.K. Sposob tonometrii glaza i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [The method of eye tonometry and tools for its implementation]. Author's license 133171 SSSR, A61V 3/16, 1957. (In Russian).
2. Pashkov V.A., Cherednichenko L.P., Poltorak V.K. Sposob tonometrii glaza i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [The method of eye tonometry and tools for its implementation]. Author's license 18233788 SSSR, 61V 3/16, no. 23, 1993. (In Russian).
3. Sokolova T.S., Ivanova L.Yu., Kalinina E.V., Leont'ev E.A. Sposob tonometrii glaza [The method of eye tonometry]. Patent no. 2361506 RF, A61B3/16, 2007. (In Russian).
4. Lungina A.A., Kurganskiy A.V., Glinkin E.I. Sposob tonometrii glaza [The method of eye tonometry]. Patent no. 2015111776 RF, A61B3/00, 2016. (In Russian).
Received 25 November 2016
Lungina Alena Alekseevna, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Master's Degree Student on Training Direction "Biotechnical Systems and Technologies", Biomedical Technics Department, e-mail: alena-lungina@rambler.ru
Kurganskiy Andrey Vladimirovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Master's Degree Student on Training Direction "Biotechnical Systems and Technologies", Biomedical Technics Department, e-mail: cadam@mail.ru Glinkin Evgeniy Ivanovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Professor of Biomedical Technics Department, Honored Inventor of Russian Federation, e-mail: glinkinei@rambler.ru
Информация для цитирования:
Лунгина А.А., Курганский А.В., Глинкин Е.И. Способ тонометрии глаза // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2017. Т. 22. Вып. 1. С. 121-125. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-1-121-125
Lungina A.A., Kurganskii A.V., Glinkin E.I. Sposob tonometrii glaza [The method of eye tonometry]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2017, vol. 22, no. 1, pp. 121-125. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-1-121-125 (In Russian).
