Исследование пространственной контрастной чувствительности

Описание

Пространственная контрастная чувствительность (ПКЧ) характеризует способность зрительной системы воспринимать и анализировать распределение яркостей в поле зрения. Визоконтрастометрия, или определение пространственной частотно-контрастной чувствительности, получила применение в диагностической практике благодаря работам F.W. Campbell и J. Robson (1968), G.B. Arden и JJ. Jacobson (1978), В.В. Волкова и соавт. (1983). Стимулами в этом методе служат синусоидальные решетки из чередующихся темных и светлых ахроматических (или цветных) параллельных полос. Пространственная частота решетки определяется количеством циклов, т.е. пар полос, в 1 ° угла зрения, и выражается в цикл/град. Дня каждой пространственной частоты находят минимальный контраст решетки, при котором она остается видимой. Под контрастной чувствительностью при этом понимают величину, обратную к минимальному контрасту. Таким образом, в результате измерения получают кривые ПКЧ — графики зависимости контрастной чувствительности от пространственной частоты.

По сравнению с визометрией визоконтрастометрия является более тонким и более информативным психофизическим методом исследования форменного зрения. Несколько упрощая, это можно пояснить следующим образом. При визометрии определяют, какой наименьший размер должны иметь детали высококонтрастных объектов, чтобы глаз еще был способен их различать.

При визоконтрастометрии определяют отдельно для каждого размера, какой минимальный контраст должны иметь объекты из деталей этого размера, чтобы оставаться различимыми. Таким образом, визометрия измеряет величину только самых мелких возбудительных и тормозных зон рецептивных полей нейронов, хоть в какой-то степени участвующих в зрительном восприятии. А визоконтрастометрия исследует чувствительность множества нейронных структур с разными размерами возбудительных и тормозных зон рецептивных полей. Несомненно, остроту зрения измерить проще. Но ее снижение коррелирует со степенью поражения лишь для ограниченного числа заболеваний, так как отражает состояние только некоторой части пространственно-частотных каналов в зрительной системе.

Визоконтрастометрия же в ряде случаев позволяет обнаружить патологию там, где визометрия не находит отклонений от нормы, например у интактного глаза при амблиопии. Другой пример — объективное подтверждение результатами визоконтрастометрии жалоб на «туман в глазах» после лечения оптического неврита, несмотря на высокую остроту зрения. Наоборот, при низкой остроте зрения исследование ПКЧ может выявить и благоприятные прогностические признаки, скажем, в первые дни и недели после черепно-мозговой травмы. И, конечно, результаты визоконтрастометрии во многих случаях отражают разницу в состоянии зрительной системы при одной и той же остроте зрения.

Наиболее распространена визоконтрастометрия с ахроматическими стимулами. Трудность ее компьютерной реализации заключается в необходимости визуализации решеток с синусоидальным профилем яркости при очень низких контрастах — до 0,002 (0,2 %). В программах серии «Зебра» эту задачу удалось решить, причем не только для нынешнего, но и для предыдущего поколения компьютерных видеокарт и мониторов.

Визоконтрастометрия с использованием цветооппонентных решеток применяется при исследовании цветоаномалий. Создание и широкое распространение соответствующих компьютерных программ сдерживается, в частности, отсутствием простого способа уравнивания по яркости разных цветов на экране компьютера. Технически более легко осуществима визоконтрастометрия с решетками из основных цветов на черном фоне, и для ее реализации есть свои основания. Оптические среды глаза имеют хроматические аберрации и вносят рассеяние: оба этих эффекта определяются длиной волны излучения. Разные типы цветовых рецепторов по-разному распределены по сетчатке: плотность длинно- и средневолновых колбочек максимальна в центре, а коротковолновых — в кольце на расстоянии Г от центра фовеолы.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

При этом, как показывают колориметрические исследования, излучение красного люминофора возбуждает в основном длинноволновые колбочки, зеленого — в равной степени длинноволновые и средневолновые, синего — коротковолновые колбочки, а белый цвет монитора вызывает одинаковое возбуждение колбочек всех трех видов. По зрительному нерву цветовая информация передается уже закодированной, но ее поток также неоднороден в поперечном направлении. В экстрастриарных зонах зрительной коры информация о цвете снова декодируется. Как показали исследования с использованием программ «Зебра», проведенные нами и нашими коллегами, визоконтрастометрия, не пользующая основные цвета, может давать диагностическую информацию о состоянии зрительной системы от роговицы и сетчатки до зрительной коры.

Компьютерная программа для визоконтрастометрии предусматривает измерение с расстояния 1,8—2,4 м в зависимости от размеров монитора, чтобы обеспечить постоянство угловых размеров стимула. Стимулами служат ахроматические, а также красные, зеленые и синие решетки на черном фоне с контрастом 0,002-1,0 (0,2¬100 %), причем на краях решеток контраст плавно снижается до нуля (рис. 16.2).

Поле стимуляции составляет 5,6° (в последних версиях — 4,5°). Измерение ПКЧ проводят в диапазоне пространственных частот 0,5—22 цикл/ град (0,5—16 цикл/град), от низких пространственных частот к высоким, с интервалом, равным 0,5 или 1,0 октаве. Полученные кривые ПКЧ сравнивают с возрастной нормой.

Границы нормы строятся программой по результатам тестирования здоровых обследуемых. При этом никаких жестких требований к характеристикам монитора и условиям внешнего освещения не предъявляется, за исключением того, что они должны поддерживаться постоянными при всех последующих измерениях.

В программах серии «Зебра» предусмотрены 3 различные методики опроса, позволяющие обследовать детей разного уровня развития и склонности к сотрудничеству. Взаимодействовать с компьютером во время опроса может как врач, так и сам ребенок. Для этого мышь подключается к компьютеру через удлинитель, а ребенок держит ее обеими руками и большими пальцами нажимает на кнопки.

Для детей, ведущих себя адекватно, подойдет режим быстрого измерения. Измерение проходит наиболее быстро, если ребенок сам повышает или понижает контраст решетки, нажимая правую или левую кнопку мыши.

Подобрав пороговый контраст, ребенок нажимает обе кнопки одновременно; программа фиксирует это значение и переходит к следующей пространственной частоте. То же самое со слов ребенка может делать и врач, пользуясь мышью или клавиатурой. Для детей, склонных занижать или завышать свои возможности, подойдет режим измерения вручную. В этом режиме врач сначала приближенно определяет околопороговую область со слов ребенка, а затем уточняет порог, проводя тестирование при нескольких соседних значениях контраста. Программа же обеспечивает случайное предъявление решетки или однородного поля и дает врачу возможность проверить, действительно ли ребенок их различает при том или ином контрасте. Автоматический режим измерения понравится детям, предпочитающим тестирование в форме мультимедийной компьютерной игры, даже если измерение из-за этого будет идти вдвое дольше.

Описанный выше принцип проведения опроса заложен в программу, которая в данном случае полностью заменяет врача. Ребенок пытается угадать, где на экране появляется решетка, и нажимает кнопки мыши, получая в ответ зрительную и звуковую реакцию программы. Программа управляет предъявлением стимулов и по статистике ответов ребенка находит значение порогового контраста.

Единицами измерения ПКЧ в программах служат децибелы. В технике в децибелах выражают чувствительность, усиление, ослабление.

Децибелы на такой шкале образуют равные отрезки, при этом 10-кратному изменению мощности сигнала соответствует 1 Б или 10 дБ. Однако, так как мощность сигнала равна квадрату его амплитуды, 10-кратное изменение амплитуды приводит уже к 100-кратному изменению мощности, и ему соответствует 20 дБ. Сравним децибелы с процентами. Уменьшение амплитуды сигнала в 10 раз, т.е. на 90 %, эквивалентно его ослаблению на 20 дБ. Чтобы восстановить прежнюю величину сигнала, необходимо вновь увеличить амплитуду в 10 раз, т.е. на 20 дБ. Но если увеличить ее на те, же 90 %, она составит, лишь 19 % от первоначальной. Чтобы сделать амплитуду прежней, необходимо увеличить ее уже на 900 %. Таким образом, если уменьшение и увеличение на одно и то же количество децибел эквивалентны по величине, то в процентном исчислении аналогичная эквивалентность не соблюдается.

Человеку изменения контраста кажутся одинаковыми, если они происходят в одни и те же «разы», поэтому естественно выражать их в децибелах. Считать ли 10-кратное изменение контраста изменением на 10 или 20 дБ, т.е. к чему относить контраст синусоидальной решетки — к амплитуде или к мощности, единого мнения нет, и каждое имеет свою аргументацию. Для практики же это не принципиально, просто в численном выражении результаты будут различаться в 2 раза. Важно лишь указать, по какой формуле вычислялась величина в децибелах: с коэффициентом 10 или 20 перед десятичным логарифмом. В первой версии программы «Зебра» мы использовали первый коэффициент, в последующих версиях — второй, в частности потому, что в литературных источниках этот вариант более распространен.

Так как чувствительность и пороговый контраст обратно пропорциональны, их изменения в децибелах будут иметь одну и ту же величину, но разные знаки. В нашем случае контраст, равный 1, удобно принять за 0 дБ на шкале ПКЧ. Таким образом, чувствительность равна 0 дБ, если 100 % контраст оказывается порогом различения. Каждые последующие 20 дБ на шкале ПКЧ соответствуют 10-кратному уменьшению величины порогового контраста. Таким образом, ПКЧ [дБ] = -20 lg (пороговый контраст), где пороговый контраст изменяется от 0 до 1,0. В свою очередь пороговый контраст = 10^-(ПКЧ/20)

В клинической практике удобнее пользоваться не самой контрастной чувствительностью, а ее сохранностью — отличием от возрастной нормы.

Сохранность контрастной чувствительности вычисляется как арифметическая разница между измеренной ПКЧ и возрастной нормой ПКЧ, выраженными в децибелах. Таким образом, сохранность ПКЧ, равная —20дБ, означает 10-кратное снижение ПКЧ по сравнению с ее величиной в норме, т.е. 10-кратное возрастание порогового контраста. Сохранность —10 дБ соответствует снижению в 3,16 раза, -5 дБ — в 1,78 раза, -3 дБ — в 1,41 раза. А сохранность, равная 0 дБ, означает точное совпадение величины контрастной чувствительности с нормой.

Графики средней ПКЧ в норме для белого и трех основных цветов приведены на рис. 16.3 (жирные линии внутри закрашенных областей).

Реальные кривые ПКЧ нормального зрения занимают некоторую область вокруг этих средних. Характерный разброс случайных величин относительно среднего значения в статистике описывается стандартным отклонением. Для ПКЧ нормального зрения величина стандартного отклонения составляет от 3 до 8 дБ: на средних частотах разброс минимальный, на низких — промежуточный, на высоких — максимальный. На практике, анализируя конкретные результаты измерения сохранности контрастной чувствительности, нужно сравнивать их с границами области разброса значений ПКЧ в норме.

Методика использования программ «Зебра» предусматривает автоматическое построение нормы ПКЧ и ее границ по результатам обследования нескольких здоровых глаз. Границы рассчитываются программой по квантилям 0,05 и 0,95, т.е. включают 9 из 10 значений для здоровых глаз. В дальнейшем результаты измерения ПКЧ представляются в виде, как ее абсолютных значений, так и отклонения от нормы, т.е. сохранности контрастной чувствительности.

Результаты измерения ПКЧ в норме также использовались нами для оценки качества визуализации на экране решеток с низким контрастом. Проведены численное моделирование и анализ работы реализованного в программе алгоритма построения решеток при низких контрастах с точки зрения зрительного восприятия человека. Сравнение результатов исследования контрастной чувствительности в норме с результатами моделирования подтвердило, что обеспечиваемый программой диапазон изменения контраста достаточен для целей визоконтрастометрии.

Проведено сопоставление ПКЧ у детей для патологических состояний, локализованных на различных уровнях зрительной системы, например и сетчатке — дисфункция палочковой и колбочковой системы, центральная дистрофия сетчатки; в зрительном нерве — рстробульбарный неврит; в центральных зрительных путях — ретрохиазмальные поражения; на всех уровнях зрительного анализатора (в первую очередь корковом) — амблипия. Это позволило выявить следующие диагностические психофизические симптомы.

При палочковой дисфункции (стационарная ночная слепота) ПКЧ выше нормы на всех, особенно на высоких частотах (рис. 16.4), что может быть объяснено нарушением межрецепторного взаимодействия (торможения колбочковой системы палочками).

У пациентов с колбочковой дисфункцией ПКЧ на все цвета снижена, в большей степени на средних частотах, более выражено на ахроматические, а также на красные и зеленые стимулы (рис. 16.5).

Это обусловлено нарушением функций колбочек лишь одного или двух видов с соответствующими пигментами при локализации процесса в макулярной области сетчатки с определенной топографией распределения колбочек. У больных с центральной дистрофией сетчатки (болезнь Штаргардта) из-за включения в патологический процесс макулы чувствительность на высоких пространственных частотах полностью отсутствует (рис. 16.6).

При ретробульбарном неврите в зависимости от включения в патологический процесс периферических или центральных волокон зрительного нерва наблюдаются разные формы изменений ПКЧ. Контрастная чувствительность при этом снижается ко всем цветам во всем пространственно-частотном диапазоне (рис. 16.7).

Для поражений зрительных путей выше хиазмы характерно неравномерное снижение кривых сохранности контрастной чувствительности с увеличением пространственной частоты. Отличительным признаком нарушений ПКЧ при этой патологии является изломанность кривых, причем частоты изломов не совпадают для разных цветов (рис. 16.8).

Это согласуется с Представлениями о наличии в зрительной коре цветоспенифических нейронов и большого числа нейронов со сложными и сверхсложными рецептивными полями, которые, возможно, неодинаково вовлекаются в патологический процесс.

При разных формах амблиопии и на разных ее стадиях изменения ПКЧ имеют свои особенности. Для дисбинокулярной амблиопии слабой степени характерны плавное снижение и последующий подъем кривых сохранности ПКЧ на среднихвысоких частотах (рис. 16.9).

Похожие изменения ПКЧ, хотя и менее выраженные, наблюдаются и у интактного глаза, что указывает на связь этого явления с развивающейся способностью зрительной системы устранять бинокулярное двоение. По мере прогрессирования амблиопии чувствительность начинает теряться на самых высоких частотах. Этот процесс распространяется в сторону все более низких частот, хотя на высокочастотном краю кривых еще некоторое время остается «всплеск» чувствительности.

Для рефракционной и анизометро-амблиопии характерно снижение контрастной чувствительности на высоких и средних высоких пространственных частотах (рис. 16.10).

Встречается и снижение на низких частотах, особенно при высокой степени амблиопии. Наблюдается тенденция к меньшему снижению сохранности ПКЧ к синему по сравнению с красным при гиперметропии и к боль- пении частичной цветовой амблиопии при данных нарушениях рефракции вследствие продольной хроматической аберрации, при гиперметропии легче, с точки зрения аккомодации, фокусируются синие лучи, а при миопии — красные. Однако эта гипотеза требует более тщательной проверки. Разнообразие возможных изменений контрастной чувствительности учитывалось при разработке компьютерного метода тренировки зрительных функций при амблиопии.




Статья из книги: Зрительные функции и их коррекция у детей | С.Э. Аветисов, Т.П. Кащенко, А.М. Шамшинова.