"ПИКАР-1"
Как это работает и почему возникают ошибки?
Как это работает и почему возникают ошибки?
На сегодняшний день в открытом доступе представлено множество моделей портативных авторефрактометров.[1, 2].
К большинству из них прилагаются краткие описания, технические характеристики, а также ссылки на публикации в научной и технической литературе.[3, 4].
Однако, в этих материалах редко уделяется внимание физическим принципам, лежащим в основе работы прибора, и почти не раскрывается структура возможных погрешностей, возникающих в процессе измерения.
К большинству из них прилагаются краткие описания, технические характеристики, а также ссылки на публикации в научной и технической литературе.[3, 4].
Однако, в этих материалах редко уделяется внимание физическим принципам, лежащим в основе работы прибора, и почти не раскрывается структура возможных погрешностей, возникающих в процессе измерения.
В настоящей статье мы бы хотели поделиться нашими наработками, полученными в ходе разработки портативного авторефрактометра «ПИКАР-1».
Мы кратко рассмотрим основные физические эффекты, на которых основана работа авторефрактометра, а также проанализируем природу и типовые источники ошибок измерений
Принцип скиаскопии и его применение в портативных авторефрактометрах
Эффект скиаскопии известен офтальмологам и детально описан во множестве специализированных источников.[5]. Однако в контексте портативного авторефрактометра (ПАР) его практическое применение заслуживает отдельного рассмотрения.
В основе эффекта лежит наблюдение за движением светового блика в зрачке при освещении глаза. Если у пациента гиперметропия, блик перемещается в том же направлении, откуда поступает освещение. При миопии, напротив, блик смещается в противоположную сторону. Это ключевое наблюдение позволяет судить о характере рефракции, даже без использования сложных стационарных приборов.
Для формирования интуитивного понимания механизма скиаскопии полезно воспользоваться интерактивными симуляторами, например, [6].
В качестве иллюстрации рассмотрим, как распределяется интенсивность светового поля в изображении зрачка правого глаза при двух вариантах освещения: слева (лучевой путь 1, см. рис. 1, слева) и справа (путь 2, рис. 1, также слева). Эти распределения лежат в основе алгоритмов, используемых в ПАР для анализа отраженного света и расчёта рефракционных параметров глаза.
В основе эффекта лежит наблюдение за движением светового блика в зрачке при освещении глаза. Если у пациента гиперметропия, блик перемещается в том же направлении, откуда поступает освещение. При миопии, напротив, блик смещается в противоположную сторону. Это ключевое наблюдение позволяет судить о характере рефракции, даже без использования сложных стационарных приборов.
Для формирования интуитивного понимания механизма скиаскопии полезно воспользоваться интерактивными симуляторами, например, [6].
В качестве иллюстрации рассмотрим, как распределяется интенсивность светового поля в изображении зрачка правого глаза при двух вариантах освещения: слева (лучевой путь 1, см. рис. 1, слева) и справа (путь 2, рис. 1, также слева). Эти распределения лежат в основе алгоритмов, используемых в ПАР для анализа отраженного света и расчёта рефракционных параметров глаза.
Рисунок 1.
Слева: схематическое изображение двух из шести вариантов хода лучей, вид сверху. АР — аторефрактометр.
Справа: зависимость рефракции от градиента интенсивности (данные получены с помощью ПАР «ПИКАР-1»).
Слева: схематическое изображение двух из шести вариантов хода лучей, вид сверху. АР — аторефрактометр.
Справа: зависимость рефракции от градиента интенсивности (данные получены с помощью ПАР «ПИКАР-1»).
Рисунок 2 - Фотография ПИКАР-1 правого глаза, рефракция sph: -5.25, cyl: -0.75, angle: 80.
Слева: освещение слева (путь 1, рис.1). Справа: освещение справа (путь 2, рис. 1).
Слева: освещение слева (путь 1, рис.1). Справа: освещение справа (путь 2, рис. 1).
Рисунок 2 демонстрирует монохромные изображения зрачка правого глаза, полученные при освещении по схеме, приведенной на рисунке 1 (левая часть).
Обращает на себя внимание расположение блика: он возникает на стороне, противоположной источнику света, что соответствует миопии.
Для сравнения, рисунок 3 демонстрирует распределение света в зрачке при гиперметропии.
В этом случае максимальная интенсивность наблюдается со стороны, совпадающей с направлением освещения.
Этот результат хорошо согласуется с классическим пониманием механизма скиаскопии.
Рисунок 3 - Фотография ПИКАР-1 правого глаза в условиях циклоплегии, рефракция
sph: 3.25, cyl: -1.25, angle: 4.
Слева: освещение слева (путь 1, рис.1). Справа: освещение справа (путь 2, рис. 1).
sph: 3.25, cyl: -1.25, angle: 4.
Слева: освещение слева (путь 1, рис.1). Справа: освещение справа (путь 2, рис. 1).
Основная трудность при определении сферической компоненты рефракции заключается не столько в установлении ее знака, сколько в точной количественной оценке.
Это обусловлено значительными ошибками аппроксимации, возникающими при применении упрощенных методов (см. рис. 1, справа).
Особое внимание при разработке прибора «ПИКАР-1» было уделено оценке астигматизма, которая представляет собой еще более сложную задачу.
Решение этой проблемы стало одной из ключевых целей нашей команды.
Кроме того, благодаря использованию оригинальных алгоритмов обработки данных, разработанных специально для «ПИКАР-1», прибор сохраняет высокую точность измерений даже при диаметре зрачка, превышающем 8 мм — что является критически важным для ряда клинических и полевых условий.
Это обусловлено значительными ошибками аппроксимации, возникающими при применении упрощенных методов (см. рис. 1, справа).
Особое внимание при разработке прибора «ПИКАР-1» было уделено оценке астигматизма, которая представляет собой еще более сложную задачу.
Решение этой проблемы стало одной из ключевых целей нашей команды.
Кроме того, благодаря использованию оригинальных алгоритмов обработки данных, разработанных специально для «ПИКАР-1», прибор сохраняет высокую точность измерений даже при диаметре зрачка, превышающем 8 мм — что является критически важным для ряда клинических и полевых условий.
Точность измерений и анализ ошибок
При описании технических характеристик авторефрактометров, как правило, ограничиваются указанием допустимой погрешности (tolerance), не вдаваясь в подробности её происхождения и оценки.
Обычно производители заявляют точность в пределах ±0,25 диоптрии при измерении рефракции.[1, 2].
В качестве примера рассмотрим возможности авторефрактометра «ПИКАР-1» по определению сферической компоненты искажения зрения (см. рисунок 4).
Представленные данные основаны на выборке из более чем 50 добровольцев в возрасте от 1 до 62 лет (средний возраст — 27 лет, медиана — 32 года).
Из них — 33 женщины и 20 мужчин. Смещение возрастного распределения объясняется объективными трудностями при сборе данных у детей младшего возраста.
Обычно производители заявляют точность в пределах ±0,25 диоптрии при измерении рефракции.[1, 2].
В качестве примера рассмотрим возможности авторефрактометра «ПИКАР-1» по определению сферической компоненты искажения зрения (см. рисунок 4).
Представленные данные основаны на выборке из более чем 50 добровольцев в возрасте от 1 до 62 лет (средний возраст — 27 лет, медиана — 32 года).
Из них — 33 женщины и 20 мужчин. Смещение возрастного распределения объясняется объективными трудностями при сборе данных у детей младшего возраста.
Рисунок 4. Распределение точности определения сферической компоненты рефракции на различных этапах работы алгоритма. Два графика приведены для иллюстрации систематических особенностей измерений.
Анализ ошибок измерения
В среднем, по всей выборке и во всём диапазоне измерений, точность определения сферической компоненты рефракции с помощью прибора «ПИКАР-1» укладывается в пределы ±0,25 дптр. Однако при более детальном анализе можно выделить несколько важных аспектов.
Во-первых, наблюдается систематическое смещение результатов на границах измерительного диапазона.
На рисунке 4 это проявляется в виде отклонения центральных горизонтальных рисок от нуля. Чем больше абсолютное значение измеряемой рефракции, тем выраженнее это смещение. При этом в пределах от −4 до +4 дптр прибор демонстрирует стабильную работу без выраженной систематической погрешности — ошибки в этом диапазоне также, как правило, не превышают ±0,25 дптр.
Во-вторых, на границах диапазона фиксируется рост случайной погрешности. Её уровень приближается к 0,25 дптр или может даже превышать это значение при измерениях вне диапазона от −8 до +8 дптр.
В-третьих, максимальные значения ошибок (отраженные в виде краевых горизонтальных рисок на рисунке 4) могут достигать и превышать 1 дптр.
Подобные отклонения обычно связаны с особенностями проведения измерений: отсутствие жесткой фиксации головы, вариации расстояния от прибора (в пределах от 97 мм до 103 см), частичное закрытие глаз или недостаточная фиксация взгляда.
Хотя подобные ошибки возможны и в реальной практике применения авторефрактометра «ПИКАР-1», их вероятность остается низкой при соблюдении стандартных условий измерения.
Во-первых, наблюдается систематическое смещение результатов на границах измерительного диапазона.
На рисунке 4 это проявляется в виде отклонения центральных горизонтальных рисок от нуля. Чем больше абсолютное значение измеряемой рефракции, тем выраженнее это смещение. При этом в пределах от −4 до +4 дптр прибор демонстрирует стабильную работу без выраженной систематической погрешности — ошибки в этом диапазоне также, как правило, не превышают ±0,25 дптр.
Во-вторых, на границах диапазона фиксируется рост случайной погрешности. Её уровень приближается к 0,25 дптр или может даже превышать это значение при измерениях вне диапазона от −8 до +8 дптр.
В-третьих, максимальные значения ошибок (отраженные в виде краевых горизонтальных рисок на рисунке 4) могут достигать и превышать 1 дптр.
Подобные отклонения обычно связаны с особенностями проведения измерений: отсутствие жесткой фиксации головы, вариации расстояния от прибора (в пределах от 97 мм до 103 см), частичное закрытие глаз или недостаточная фиксация взгляда.
Хотя подобные ошибки возможны и в реальной практике применения авторефрактометра «ПИКАР-1», их вероятность остается низкой при соблюдении стандартных условий измерения.
В данной работе были рассмотрены два ключевых аспекта применения портативного авторефрактометра «ПИКАР-1»: физический принцип, лежащий в основе измерений, и основные факторы, влияющие на точность.
Были проанализированы различные компоненты ошибок, включая систематические и случайные, а также их распределение по диапазону измерений.
Проведенный анализ показал, что в интервале от −8 до +8 дптр точность измерений, обеспечиваемая «ПИКАР-1», сопоставима с показателями современных коммерческих аналогов, таких как Plusoptix A12 и 2WIN.[1, 2].
Были проанализированы различные компоненты ошибок, включая систематические и случайные, а также их распределение по диапазону измерений.
Проведенный анализ показал, что в интервале от −8 до +8 дптр точность измерений, обеспечиваемая «ПИКАР-1», сопоставима с показателями современных коммерческих аналогов, таких как Plusoptix A12 и 2WIN.[1, 2].
Ссылки:
1.Plusoptix: Products
2.2WIN » binocular vision screener
3.Arnold RW. Comparative Validation of PlusoptiX and AI-Optic Photoscreeners in Children with High Amblyopia Risk Factor Prevalence. Clin Ophthalmol. 2022 Aug 16;16:2639-2650. doi: 10.2147/OPTH.S378777.
4.Arnold R, Silbert D, Modjesky H. Instrument Referral Criteria for PlusoptiX, SPOT and 2WIN Targeting 2021 AAPOS Guidelines. Clin Ophthalmol. 2022 Feb 25;16:489-505. doi: 10.2147/OPTH.S342666.
5.https://www.nkj.ru/archive/articles/45142/
6.Retinoscopy Simulator - American Academy of Ophthalmology
1.Plusoptix: Products
2.2WIN » binocular vision screener
3.Arnold RW. Comparative Validation of PlusoptiX and AI-Optic Photoscreeners in Children with High Amblyopia Risk Factor Prevalence. Clin Ophthalmol. 2022 Aug 16;16:2639-2650. doi: 10.2147/OPTH.S378777.
4.Arnold R, Silbert D, Modjesky H. Instrument Referral Criteria for PlusoptiX, SPOT and 2WIN Targeting 2021 AAPOS Guidelines. Clin Ophthalmol. 2022 Feb 25;16:489-505. doi: 10.2147/OPTH.S342666.
5.https://www.nkj.ru/archive/articles/45142/
6.Retinoscopy Simulator - American Academy of Ophthalmology
Авт.: Томилов А.А.
Ред.: Ковалев И.А., Ковалева Л.Б., Анисина Е.О.
Ред.: Ковалев И.А., Ковалева Л.Б., Анисина Е.О.
