Sinteza lucrarii de doctorat

Titlul tezei (româna) : „Metode psihofizice noi de investigare a pacient, ilor cu ambliopie”

Titlul tezei (engleza): „New Psychophysical Methods for Investigation of Amblyopic Pati-

ents”

Autor: Iftime Adrian Marius

Anul predarii tezei de doctorat: 2009

Institut, ia: Universitatea de Medicina s, i Farmacie „Carol Davila” Bucures, ti

Îndrumator doctorat: Prof. Dr. Constant,a Ganea

Ambliopia este o condit,ie patologica de dezvoltare a vederii, manifestata prin sca-

derea acuitat,ii vizuale la unul sau ambii ochi, în ciuda corect,iei totale a unor defecte

detectabile ale structurilor optice oculare s, i în condit,ii de sanatate ale cailor nervoase

de transmitere vizuala. Aceasta este una dintre cele mai frecvente boli debilitante care

afecteaza aparatul vizual al copiilor, cu o prevalent,a de 2-4% în populat,ie.

Condit,iile preexistente cunoscute ca fiind cauzatoare de ambliopie sunt:

i) imposibilitatea de a obt,ine doua imagini la fel de clare, echivalente, pe cele doua

retine;

ii) imposibilitatea de a focaliza simultan cei doi ochi pe acelas, i obiect.

Cele doua condit,ii au din punct de vedere fiziologic acelas, i rezultat: sistemul vizual

primes, te în mod constant doua imagini diferite care nu pot fi fuzionate la nivel central

într-o percept,ie tridimensionala unitara. Drept consecint,a, segmentul central al anali-

zatorului vizual face o alegere dramatica: foloses, te informat,iile vizuale furnizate de un

singur ochi (denumit „ochi dominant”) s, i suprima informt,iile venite de la celalalt.

Din punct de vedere clinic, cele doua mecanisme pot act,iona individual sau în

combinat,ie, ele fiind descrise în mod uzual în urmatoarele trei categorii:

a) strabismul - este inabilitatea permanenta sau temporara de a fixa acelas, i obiect

cu cei doi ochi. În acest fel pe fiecare retina se formeaza o imagine diferita; imaginile

furnizate de cei doi ochi nu pot fuzionate;

b) probleme optice oculare (ametropii) - acestea se refera la toate situat,iile în care

mediile optic active oculare produc o imagine neclara pe retina, în locul unei imagini

perfect focalizate. Termenul de izometropie se refera la situat,ia normala, în care di-

optrii celor doi ochi sunt echivalent,i. Anizometropia este definita ca fiind o diferent,a

mare (mai mare de 1...3 dioptrii) între caracteristicile optice, de exemplu: un ochi este

optic normal s, i produce o imagine clara, dar celalat are o problema pe care nu o poate

compensa (miopie / hipermetropie / astigmatism), producând o imagine neclara;

1

c) Ocluziile optice oculare - Acesta este termenul folosit pentru toate situat,iile în

care razele de lumina sunt întrerupte în propagarea lor normala în drumul catre retina

de exemplu de catre:

- ptoza palpebrala - inabilitatea de a deschide complet un ochi, fie congenital, fie

datorita unor probleme musculare ale pleoapei sau a inervat,iei motorii

- cataracta congenitala - opacitat,i în cristalin

- aparit,ia de vascularizat,ie anormala în corpul vitros (normal transparent)

- cicatrici corneene dobândite în primii ani de viat,a, etc.

Clasic, ambliopia este caracterizata de triada: scaderea acuitat,ii vizuale, scaderea

sensibilitat,ii la contrast, reducerea sau disparit,ia vederii stereo binoculare. De aseme-

nea apar s, i percept,ii anormale care nu pot fi încadrate în nici una din categoriile descrise

mai sus. Aceste fenomene greu clasificabile poarta numele de „percept,ie ambliopica”

s, i investigarea lor detaliata constituie tema centrala a lucrarii de doctorat de fat,a.

În literatura de specialitate se gasesc relativ put,ine date obiective asupra acestor

probleme perceptuale deosebite ale pacient,ilor suferind de ambliopie. În decursul

activitat,ilor noastre de cercetare am încercat sa caracterizam problemele lor într-o ma-

niera masurabila s, i reproductibila. Am analizat trei categorii diferite de date care pot fi

obt,inute de la pacient,ii suferind de ambliopie:

1. Erorile de localizare spat,iala în câmpul vizual (rezultatele numerice ale metodei

psihofizice denumita “Circle Experiment”)

2. Distorsiunile spat,iale iluzorii raportate de o parte din pacient,i (imagini validate

ale percept,iei ambliopice)

3. Instabilitat,ile în timp ale acestor distorsiuni iluzorii - denumite în literatura de

specialitate s, i în teza de fat,a, “instabilitat,i temporale ale percept,iei” (filme digi-

tale validate ale percept,iei ambliopice).

Pentru fiecare din aceste categorii am propus metode experimentale noi de masurare

sau de analiza a datelor s, i am obt,inut urmatoarele categorii de rezultate, pe care le

prezentam în rezumat în paginile urmatoare.

Activitat,ile s, tiint,ifice descrise în aceasta lucrare au avut loc în trei locuri diferite:

1. Institutul Max Planck pentru Cercetarea Creierului (Psychophysics Lab), Fran-

kfurt am Main, Germania

2. Universitatea Goethe (Physiologische Psychologie / Biopsychologie), Frankfurt

am Main, Germaia

3. Universitatea de Medicina s, i Farmacie „Carol Davila” (Catedra de Biofizica),

Bucures, ti, Romania.

2

Pacient,ii s, i subiect,ii de control au fost investigat,i în locat,iile 1 s, i 2, sub directa

îndrumare a Prof. Dr. Ruxandra Sireteanu, iar cea mai mare parte a analizei de date s, i a

modelarii a fost realizata în locat,ia 3. Studiile au fost realizate în cadrul unor programe

de cercetare din institut,iile gazda, cu participarea a doua grupuri de participant,i (cu

etiologiile specificate în Anexa I), s, i s-au desfas,urat cu aprobarea Comisiei de Etica a

Universitat,ii Goethe.

În timpul activitat,ii experimentale s, i al analizei datelor, autorul lucrarii a beneficiat

de finant,are din grantul Deutscheforshungsgemeineschaft DFG SI 344/17-1,2,3 (direc-

tor Ruxandra Sireteanu) s, i part,ial din grantul CNCSIS TD-48/2008 (director Adrian

Iftime). Autorul a primit de asemena s, i o bursa din partea European Biophysical So-

cieties’ Association acordata pentru a sust,ine prezentarea unor rezultate la Conferint,a

internat,ionala EBSA - 2007).

1. Erorile de localizare spat, iala în câmpul vizual

Am folosit pentru colectarea datelor un procedeu experimental denumit „Circle Ex-

periment” (folosit în studii anterioare s, i de alte grupuri de cercetatori). Acesta permite

crearea unei „hart,i” a erorilor de localizare în câmpul vizual pentru fiecare subiect in-

vestigat. Datele rezultate au o rezolut,ie joasa s, i sunt dificil de interpretat; în lucrarea de

fat,a am încercat s, i solut,ionarea acestor probleme.

Acest procedeu experimental evalueaza gradul de eroare cu care pacient,ii pot loca-

liza precis un obiect în câmpul vizual. Sarcina subiectului participant este aceasta: el

trebuie sa ment,ina privirea (monocular) fixata pe un reper fix, afis, at pe ecranul unui mo-

nitor. Un cerc centrat în punctul de fixare este afis, at de computer, s, i ment,inut timp de

5 secunde. Participantul a fost rugat sa memoreze raza cercului, dupa care se prezinta

auditiv acestuia un numar între 1 s, i 12 (echivalent cu pozit,ia orelor de pe ecranul unui

ceas analogic). El este rugat sa mis, te pointer-ul calculatorului cu mouse-ul în pozit,ia în

care el crede ca se suprapun cercul memorat s, i pozit,ia descrisa auditiv. Aceasta pozit,ie

indicata de subiect este înregistrata de catre calculator. La fiecare masuratoare se vari-

aza: ochiul investigat (cel dominant sau cel non-dominant), raza cercului prezentat (1°,

2°,..., 6° grade de câmp vizual) s, i pozit,ia (1-12). Astfel, rezulta 144 de locat,ii posibile;

pentru fiecare din aceaste locat,ii s-au efectuat câte 5 masuratori, de-a lungul a aprox.

1.5 ore (cu pauze ori de câte ori a fost necesar). Pentru a se asigura monocularitatea, au

fost folosit,i ochelari cu filtre de culoare ros,u-verde, în condit,ii de iluminare controlata.

3

Fig. 1: Rezultatele tipice ale unei masuratori psihofizice de tip “Circle Experiment”(date de la subiectul C.L. Stânga-sus: harta de localizare provenita de la ochiul domi-nant. Dreapta-sus: Harta de localizare provenita de la ochiul non-dominant (ambliop).Punctele galbene: pozit,iile t,intelor prezentate; Punctele colorate (ros,u/verde): pozit,iileînregistrate. Centru-jos: diferent,a vectoriala între cele doua colect,ii de pozit,ii.

Astfel se obt,in colect,ii de pozit,ii indicate de subiect,i. Persoanele sanatoase au

colect,ii simetrice de astfel de localizari, fara diferent,e statistic semnificative între ele.

Nu acelas, i lucru se întâmpla cu majoritatea subiect,ilor ambliopi, care au diferent,e mar-

cate între datele culese de la cei doi ochi. În Fig.1 este redat un astfel de exemplu de

la un pacient cu ambliopie, care arata un fenomen de torsionare consistenta a pozit,iilor

recunoscute de pacient.

Am realizat doua îmbunatat,iri ale procedurii de analiza a datelor obt,inute prin me-

toda descrisa mai sus:

• 1. a) Metoda “CEXGRAPHER” : îmbunatat,irea analizei datelor experimentale

unor indici sintetici.

• 1. b) Metoda “DISIM”: utilizarea datelor numerice obt,inute pentru a crea o

metoda de simulare digitala a distorsiunilor perceptuale.

4

1. a) Indicii SDAreaRatio s, i AVL - definire, metoda de calcul, rezultate (acronim

„CEXGRAPHER”)

Am propus ca metoda de evaluare un mod de calculare a doi indici numerici sinte-

tici, care pot caracteriza rapid gravitatea erorilor de localizare a unui obiect în câmpul

vizual.

Indicele SDAreaRatio (Standard Deviation Area Ratio) poate fi folosit ca o masura

de evaluare rapida a raspunsului la întrebarea: cât de eficient este ochiul ambliop în

localizarea obiectelor în câmpul vizual, în comparat,ie cu ochiul sanatos? Acest indice

va avea o valoare apropiata de 1.00, daca va fi masurat pe un subiect sanatos, cu vederea

normala la ambii ochi (Nota: acest indice este adimensional, fiind un raport a deviat,iilor

standard a doua seturi de valori).

Pentru un pacient ambliop, acest scor este diferit de 1.00, în mod tipic mai crescut

cu o valoare mai mare cu cât diferent,a de performant,a intre cei doi ochi este mai mare.

De exemplu, valoarea acestui indice a fost de 1.45, semnificativ statistic mai mare de-

cât a subiect,ilor normali (1.07, la p=0.01). Am constatat de asemenea, ca folosirea

acestui indice nu este utila numai pentru a evalua performant,ele în localizarea obiec-

telor în câmpul vizual, dar s, i ca unealta de predict,ie a aparit,iei instabilitat,ii temporale

a percept,iei (în setul de date pe care l-am analizat, pacient,ii care aveau s, i instabili-

tate temporala a percept,iei tind sa se grupeze în zonele cu valori mari, >1, ale acestui

indice).

Pentru a evalua sintetic numarul s, i erorile totale de deplasare ale unui obiect per-

ceput de un pacient cu ambliopie, am propus o metoda de calcul a unui indice separat,

caruia i-am dat acronimul AVL (Average Vector Length). Acesta este valoarea medie

a tuturor deplasarilor vectoriale (ponderata la distant,a fat,a de centrul câmpul vizual)

dintr-o harta de deplasari obt,inuta prin metoda psihofizica „Circle Experiment”. Uni-

tatea de masura a acestui indice este gradul de câmp vizual. Pentru un subiect sanatos,

cu vederea normala, aceasta valoare este în mod ideal 0° (în grupul nostru de control

din subiect,i sanatos, i, valoarea a fost de 0.27°). Pentru un pacient cu ambliopie, acesta

valoare este mai mare, s, i exista o corelat,ie între marimea acestei valori s, i severitatea

erorilor de localizare (cu cât pacientul face mai multe erori în localizare, cu atât mai

mare va fi valoarea acestui indice).

Valorile AVL pe care le-am calculat cu metoda noastra au fost statistic semnifica-

tiv mai mari la pacient,ii ambliopi de etiologie strabismica, în comparat,ie cu subiect,ii

sanatos, i din lotul martor. Diferent,ele nu au fost însa semnificative statistic la cei care

au avut în istoric probleme oculare de refract,ie (anizometropii). Acesta constatare ne

permite sa afirmam, ca cel put,in dupa datele obt,inute din grupurile noastre de subiect,i s, i

pacient,i, ca atât strabismul cât s, i o pierdere a acuitat,ii vizuale sunt corelate cu prezent,a

5

unei incertitudini în localizarea precisa a unui obiect în câmpul vizual.

În urma acestei analize am ajuns la concluzia ca pacient,ii care au o instabilitate în

timp a percept,iei lor vizuale tind sa aiba de asemenea s, i un grad mare de incertitudine

în ceea ce prives, te abilitatea de a localiza precis obiectele în câmpul vizual, atunci

când folosesc pentru aceasta ochiul ambliop. Pacient,ii care nu au instabilitate în timp a

percept,iei vizuale tind sa aiba erori mai mici în ceea ce prives, te localizarea obiectelor

în câmpul vizual. Prezentarea în detaliu a celor doi indici s, i a rezultatelor obt,inute este

expusa în Capitolul 4. În Anexa II sunt prezentate rezultatele numerice s, i noul tip de

hart,i de erori de localizare.

1. b) Simulare digitala a distorsiunilor spat, iale (acronim „DISIM”)

Am dezvoltat o metoda originala s, i un algoritm informatic precis care poate produce

distorsiuni geometrice artificiale în orice fel de imagini arbitrare, pe baza datelor nu-

merice din masuratorile psihofizice obt,inute prin tehnica „CircleExperiment”. Aceasta

metoda a avut ca obiectiv încercarea de a produce prin procedee digitale imagini dis-

torsionate dupa modelul presupus de formare al distorsiunilor percepute de pacient,ii

ambliopi, atunci când îs, i folosesc ochiul bolnav. Am produs seturi de imagini dis-

torsionate a 4 imagini statice standard, s, i le-am comparat cu imaginile descrise de un

grup de 17 subiect,i ambliopi, care au participat în experimente s, i au furnizat s, i date

numerice prin metoda „Circle Experiment” (descrisa pe scurt mai sus). Am constatat

ca seturile de date (cele simulate s, i cele de la pacient,i) nu sunt în acord semnificativ.

Drept urmare noi sugeram ca este posibil ca percept,ia ambliopica sa nu poate fi redusa

doar la distorsiuni spat,iale geometrice simple, as,a cum a fost considerat în cercetarile

anterioare din domeniu.

Un rezultat neas, teptat al tehnicilor de simulare pe care le-am dezvoltat este legata

de o observat,ie perceptuala: daca se aplica distorsiuni spat,iale unor imagini diferite,

cu acelas, i set de transformari geometrice, rezultatele (des, i la nivel de pixel, numeric

identice) sunt complet diferite la nivelul percept,iei umane normale. Am putut observa

ca imaginile care sunt init,ial foarte regulate (modele geometrice regulate) par sever

distorsionate; aplicând acelas, i set de transformari unor imagini naturale (vegetat,ie, pe-

isaje, etc), imaginile distorsionate nu apar subiectiv ca fiind foarte mult diferite de cele

init,iale. Un exemplu sugestiv este prezentat în Fig. 2.

Noi consideram ca aceasta observat,ie poate fi cheia de rezolvare a urmatoarei pro-

bleme: în mod obis,nuit, pacient,ii ambliopi nu se plâng oftalmologului clinician de

modul distorsionat în care pot percepe uneori lumea (imagini reale). Drept urmare,

concluzia ar fi ca un medic clinician nu ar trebui sa se bazeze pe observat,iile facute de

6

pacient,i asupra unor imagini obis,nuite, din viat,a cotidiana. În schimb, pentru a eva-

lua prezent,a s, i severitatea distorsiunilor spatiale, oftalmologul clinician ar trebui sa le

prezinte spre observat,ie imagini stimul special concepute, artificiale. Noi sugeram ca

aceste imagini-test diagnostic ar trebui sa fie modele geometrice regulate (gen benzi

sau patrate, de un contrast mare). Urmatoarele capitole din teza se concentreaza s, i în-

cearca s, i un raspuns argumentat asupra acestui aspect: care imagini stimul ar putea fi

mai eficiente în investigarea acestor pacient,i?

Fig. 2: Comparat,ie între imagini originale s, i versiunea distorsionata digital. Dreapta:imagini originale; Stânga: imagini artificiale, distorsionate cu ajutorul metodei DISIM,folosind datele psihofizice culese de la pacientul C.L. a) imagine cont,inând modeleartificiale cu grad mare de ordine (text). b) peisaj natural.

2. Distorsiunile spat, iale descrise subiectiv

Lasând deoparte datele psihofizice numerice existente s, i metodele de înregistrare

cunoscute în cercetarea medicala (de ex. „Circle Experiment”), ne-am focalizat atent,ia

asupra descrierilor subiective ale pacient,ilor ambliopi. Uneori, aces, tia pot descrie pre-

cis sau chiar s, i desena schematic ceea ce vad atunci când folosesc ochiul ambliop.

Acest tip de date au fost colectate s, i în studii anterioare, dar au fost analizate doar cali-

tativ sau clasificate în categorii perceptuale. Pentru exemplu, reproducem în Fig.3 doua

7

imagini realizate dupa descrieri de catre Dr. Psih. Claudia Baeumer în Laboratorul

de Psihofizica al Institutului Max-Planck pentru Cercetarea Creierului, Frankfurt. Ero-

rile perceptuale nu sunt de natura optica ci neurologica (s, i consecutiv, necorectabile cu

mijloace optice).

Fig. 3: Exemplu de distorsiuni spat,iale. Stânga: subiectul S.B; Dreapta: subiectul B.B.Imaginile realizate s, i validate dupa descrierile subiect,ilor, realizate în timp ce aces, tiaobservau cu ochiul ambliop o imagine compusa din benzi regulate negre pe fond alb(imaginile prezentate au dimensiunea unei coli A4).

Pentru a standardiza acest proces subiectiv de raportare a percept,iei personale, am

folosit descrierile a patru imagini-stimul unice cu parametri definit,i (frecvent,e spat,iale

s, i contrast). Aceste imagini au fost alese special în zona de frecvent,e vizuale joase

s, i înalte, atât pe componenta orizontala (gratinguri) cât s, i pe ambele componente -

orizontal s, i vertical, astfel: a) grating-uri (benzi verticale) de frecventa spatiala 0.4 cicli

/ grad b) grating-uri de frecventa spatiala 1.6 cicli / grad; c) checkerboard (model tabla

de s,ah), frecvent,a spatiala de 0.4 cicli/grad; d) grid rectangular, frecvent,a spatiala de

3.2 cicli/grad. Un psiholog special pregatit (Psih. Aylin Thiel) a investigat pacient,ii,

care descriau ceea ce percep ei atunci când observa aceste imagini. Psihologul a rafinat

succesiv descrierile pacient,ilor, în cel mult patru interviuri succesive, pâna când aces, tia

au validat imaginile desenate ca fiind acceptabil de apropiate cu ceea ce percep ei. Am

folosit aceste imagini validate ca set de date în procedurile descrise mai jos: a) analiza

entropiei medii s, i b) analiza distribut,iei locale a entropiei.

2. a) Analiza entropiei medii (acronim: ENTPACK)

Am calculat entropia Shannon a fiecarei imagini distorsionate validate de pacient,i

(dupa un proces prealabil de digitizare s, i normalizare geometrica s, i a spat,iului de cu-

lori) s, i am comparat-o cu entropia imaginii stimul originale. Pentru vasta majoritate

a imaginilor distorsionate, am constat ca entropia acestor este semnificativ mai mare

decât entropia imaginii statice folosite drept stimul. Noi interpretam aceasta cres, tere a

entropiei informat,ionale (care reflecta o cres, tere a dezordinii în structura imaginii) ca o

8

pierdere a informat,iei structurate în fluxul vizual al pacient,ilor.

De asemenea, am comparat s, i valorile entropiei între cele 4 categorii de imagini dis-

torsionate, corespunzatoare celor 4 imagini stimul folosite. Am obt,inut drept rezultat

ca imaginea stimul cu cea mai mare frecventa spat,iala a produs cele mai mari cres, teri

ale entropiei în imaginile raportate de pacient,i. Acest lucru nu s-a întâmplat de pilda

cu imaginile produse ca rezultat al observarii unor imagini geometrice de tip modele

geometrice regulate (griduri sau table de s,ah). Aceste rezultate tind sa arate ca imagi-

nile compuse din benzi alternante alb-negru, cu frecvent,e spat,iale înalte, produc cu o

probabilitate mai înalta aparit,ia de percept,ii vizuale anormale pacient,ilor cu amblio-

pie. Ele par a fi deci un candidat mai bun pentru aceste investigat,ii, decât orice alte

imagini naturale sau cu alt tip de organizare intrinseca neordonata. Aceste rezultate

sunt o confirmare a celor expuse la punctul 1.b de mai sus.

Ca o concluzie, rezultatul s, tiint,ific principal al acestei metode este observat,ia fap-

tului ca aparit,ia s, i cont,inutul distorsiunilor spatiale sunt influent,ate s, i de cont,inutul

imaginii stimul din câmpul vizual. Aceasta metoda este prezentata detaliat în Capitolul

7 al lucrarii de doctorat).

2. b) Analiza distribut, iei locale a entropiei (acronim: ENTGRID)

Am încercat sa raspundem urmatoarei întrebari: care este distribut,ia frecvent,ei de

aparit,ie a problemelor perceptuale în câmpul vizual? Sunt ele difuz prezente sau sunt

localizate într-o zona anume? Raspunsul la aceste întrebari este dificil de gasit deoa-

rece pacient,ii raporteaza de multe ori fenomene neobis,nuite, specifice, care se preteaza

mai degraba analizei de caz decât încercarii de gasire a unei reguli generale (în plus,

metodele normale de evaluare a câmpului vizual nu pot fi aplicate). Pentru a încerca sa

raspundem la aceasta întrebare, am efectuat o tehnica de analiza locala a entropiei în

imaginile descrise de subiect,i.

Pentru aceasta am recurs la segmentarea imaginilor distorsionate raportate de pacient,i

în port,iuni patrate care acopera echivalentul unei zone de 1x1 grade în câmpul vizual.

Am efectuat analiza entropiei în fiecare din aceste segmente, acoperind pentru fiecare

imagine tot câmpul vizual cuprins de imagine. Prin compararea zonelor echivalente ale

câmpului vizual, am constatat ca zona centrala a câmpului are o entropie locala sem-

nificativ mai mare decât zona periferica a câmpului vizual. Zona centrala analizata (cu

entropie crescuta) are o forma elipsoidala.

Astfel, pentru fiecare imagine distorsionata validata de subiect,ie am obt,inut o ma-

trice de valori ale entropiei (fiecare element din matrice corespunde unei celule din

reticulul supraimpus peste imagine). Pentru a us,ura vizualizarea acestora le afis, am sub

forma de „hart,i de entropie”: ariile cu entropie scazuta sunt prezentate cu tonuri mai

9

închise de gri, cele cu entropie mai ridicata sunt prezentate cu tonuri mai deschise de

gri. Un exemplu de astfel de hart,i complete pentru un subiect, vezi Fig. 4.

Fig.4: Exemplu de „harta de entropie” (subiectul K.B.). Coloana stânga: imaginiledistorsionate descrise de subiect. Coloana dreapta: valoarea corespunzatoare a entro-piei în segmente de imagine de 1 grad2 (reticulul de culoare ros, ie). Negru corespundevalorii minime (S=0.0), iar alb corespunde valorii maxime (S=1.0).

O corelat,ie interesanta apare daca se examineaza o reprezentare în 3D (realizata de

noi) a câmpului vizual al celulelor ganglionare retiniene: zona de pierdere a binocularitat,ii

în cazul ambliopiei de tip strabismic nu este simetrica pe axele orizontal s, i vertical.

Acesta arie are forma unui elipsoid similar cu cel descris mai sus. Aceasta observat,ie

nu a mai fost facuta în literatura de specialitate, dupa cunos, tint,ele noastre, modele pre-

10

existente reducându-se la o analiza în 2D. Noi speculam ca aceasta arie elipsoidala în

care apare o pierdere totala a binocularitat,ii poate fi o sursa majora a distorsiunilor ra-

portate de pacient,ii ambliopi. Forma ei elipsoidala ar putea explica frecvent,a marita

cu care aces, tia raporteaza aparit,ia de zone ovale cu caracteristici diferite de restul

imaginii distorsionate. Sugeram ca o linie interesanta de urmarit în continuare în acest

domeniu este studierea corelat,iei dintre aparit,ia acestor fenomene cu etiologia amblio-

piei. Modul detaliat de analiza este prezentat în Capitolul 8 al lucrarii de doctorat. Mai

jos redam aspectele esent,iale ale modelului explicativ realizat de noi:

Starea normala a câmpurilor celulelor receptoare ganglionare

În cazul indivizilor sanatos, i, fuzionarea centrala a celor doua imagini generate de

cei doi ochi este perfecta la punctul de fixare asupra obiectului (punct care se constituie

în centrul câmpului vizual, proiectat pe retina în fovee). Fiecare ochi are un câmp vizual

similar unei emisfere, cu sect,iune în planul orizontal de aprox. ~ 140 grade, asimetric

distribuita (pe partea mediala, nasul blocheaza câmpul vizual). Aceasta situat,ie este

reprezentata în Fig. 5 (vedere TOP). În toate descrierile s, i imaginile urmatoare am

respectat urmatoarea convent,ie de culoare: ochiul stâng este figurat cu ros,u, cel drept,

cu verde. Zonele monoculare corespunzatoare fiecarui ochi sunt reprezentate de zonele

has,urate, cu nuant,e de ros,u / verde.

Zona binoculara (unde cele doua câmpuri vizuale drept s, i stâng se suprapun) este

regiunea unde se formeaza vederea spat,iala (stereo), prin integrarea informat,iilor la

nivel central. Este reprezentata în figura printr-o zona dublu has,urata, ea având o întin-

dere de aprox. 100 grade în plan orizontal. Este simetric centrata în jurul punctului de

fixat,ie (marcat cu 0° pe raportor). Direct,iile celor doi ochi sunt marcate cu câte o linie

ros, ie, respectiv verde, catre punctul de fixare.

Celulele ganglionare sunt cele din care ce se formeaza axonii retinieni (nervul op-

tic). O celula ganglionara are un câmp receptor în retina, care este definit ca regiunea

continua de fotoreceptori care furnizeaza informat,ii acelei celule ganglionare. Acest

câmp receptor (o port,iune de retina fotosensibila) primeste informat,ia optica dintr-o

zona limitata a câmpului vizual (cu alte cuvinte, acea port,iune din obiect care formeaza

port,iunea corespunzatoare de imagine proiectata pe zona de interes din retina deservita

de o celula ganglionara). Astfel, o celula ganglionara „vede” numai o port,iune limitata

a câmpului vizual. Aceasta port,iune din câmpul vizual este denumita în mod similar

câmpul vizual receptor al unei celule ganglionare (din eng. „receptive field-of-view”).

Aceste câmpuri receptoare sunt variabile ca marime (mai mici în centru, mai mari

catre periferie). Sistemul vizual uman are doua beneficii de pe urma acestei variat,ii

anatomice a dimensiunilor câmpurilor receptoare:

11

Fig.5:

Mod

elul

norm

alal

câmpu

rilorvizualealecelulelorgang

lion

are.

Ros

,u:inform

at ,iilegate

deochiul

stâng;

Verde

-de

ochiul

drept.

Regiunile

dinspat ,iu

care

sunt

procesatede

catreosing

uracelula

gang

lion

arase

suprapun

perfect(aceasta

fiindnecesara

pentru

obt ,inerea

unei

vederibino

culare

norm

ale).Câm

purilereceptoare

sunt

reprezentate

caarcuride

cerc

invederea2D

,cadiscuriin

vederea3D

s ,iîn

cea

fron

tala.

12

- zona centrala retiniana produce imagini de înalta rezolut,ie. Dimensiunile câmpu-

rilor receptoare sunt minime (în fovee, un fotoreceptor corespunde unei singure celule

ganglionare)

- zona periferica retiniana are rezolut,ie mai mica, dar o mai mare deschidere de

câmp (field-of-view).

În figurile 5 s, i 6 , în vederile de sect,iune (TOP) aceste câmpuri vizuale receptoare

sunt reprezentate de sectoare de cerc colorate (ros,u s, i verde) adiacente marginii rapor-

torului. Variat,ia în dimensiune (arc) este anatomic precisa pentru sistemul vizual uman

adult.

Pentru a obt,ine la nivel central o imagine clara s, i tri-dimensionala, este necesara fu-

zionarea celor doua imagini transmise de cei doi ochi. Pentru aceasta, pozit,iile câmpu-

rilor receptoare ale celor doi ochi trebuie sa se suprapuna perfect. Discurile reprezinta

aria câmpului vizual deservita de o celula ganglionara. De notat faptul ca în imagine,

doar câmpurile receptoare ale unui singur ochi sunt vizibile. În panoul inferior, am

reprezentat aceleas, i câmpuri receptoare, dar privite în proiect,ie frontala.

Pozit, ii patologice ale câmpurilor celulelor receptoare ganglionare

Acesta aliniere precisa între câmpurile vizuale ale ochiului stâng s, i a celui drept

nu este conservata în condit,iile patologice care duc la ambliopie. În strabism apare o

deviere a axei de fixat,ie, ceea ce duce la o proasta aliniere câmpurilor receptoare. Am

realizat pentru aceasta o modelare precisa, a strabismului convergent s, i divergent, intre

0.1 s, i 10 grade, cu un pas de 0.1 grade. Pentru exemplificare vezi imaginea de mai jos,

reprezentând un strabism convergent de 6.1 grade.

Datorita faptului ca exista o variat,ie anatomica a dimensiunii câmpurilor receptoare,

un strabism de acest tip are doua categorii de consecint,e:

• a) în partea centrala a câmpului vizual apare o ne-suprapunere totala a câm-

purilor receptoare corespunzatoare ochiului drept s, i stâng. Fiecare celula

ganglionara a unui ochi primes, te informat,ii din alta zona a câmpului vizual decât

celula ganglionara corespunzatoare din celalalt ochi. Astfel, vederea binoculara

este imposibila în aceasta zona. Zona respectiva este marcata cu gri-închis în

figurile urmatoare.

• b) în partea perferica a câmpului vizual exista o suprapunere part,iala a câm-

purilor receptoare. Drept urmare, informat,iile furnizate de celulele ganglionare

corespunzatoare au o s,ansa de a fi fuzionate la nivel central. Apare astfel posibi-

litatea pastrarii unui grad de vedere binoculara în periferie. Trebuie semnalat ca

aria de suprapunere relativa a oricare doua câmpuri vizuale cres, te cu cât acestea

13

sunt mai departate de centrul câmpului vizual (dimensiunile angulare ale câmpu-

rilor receptoare sunt mai mari decât unghiul de deviat,ie al strabismului respectiv).

O observat,ie interesanta apare daca examinam reprezentarea 3D: zona de pierdere a

binocularitat,ii nu este simetrica. Axa orizontala (cea aflata în planul deviat,iei stra-

bismice) este mai lunga decât axa verticala (perpendiculara pe direct,ia de deviat,ie).

Suprafat,a elipsoidala respectiva este marcata cu gri-închis în vederile 3D s, i cele fron-

tale în imaginile de mai jos. Se constata ca aria cres, te în dimensiune pe masura ce

cres, te unghiul de deviat,ie din strabism, dar îs, i pastreaza forma elipsoidala (vezi Fig. 6

pentru un exemplu al acestei situat,ii la un unghi de strabism de ~ 6 grade).

Noi speculam ca aceasta arie de pierdere totala a binocularitat,ii este sursa ma-

jora a distorsiunilor spat,iale în imaginile raportate de subiect,i. Forma s, i pozit,ia ei

sunt similare cu cele situat,iile în care subiect,ii descriu diverse fenomene particulare

restrânse în centrul câmpului vizual. Credem ca un model asemanator este valabil s, i

pentru anizometropie: chiar daca neclaritatea optica este uniforma în proiect,ia ei pe

retina, zona centrala a acesteia sufera cel mai mult (datorita dimensiunii mai mici a

câmpurilor receptoare).

14

Fig.6:

Sup

rapu

nere

part ,iala

înstrabism

de~6grade.

Ros

,u:inform

at ,iilegate

deochiul

stâng;

Verde-de

ochiul

drept.

Ochiulstângeste

deviatanormal,s

,iîn

mod

corespun

zators ,ipo

zit ,iilecâmpu

rilorsalereceptoare.Pentruca

acesteasunt

maimiciînpo

rt ,iunilecentrale,elenu

sesuprapun

(drept

urmareapareozona

depierdere

totalaabino

cularitat ,ii).În

periferie,câmpu

rilereceptoare

sunt

maimari,existând

drept

urmareun

grad

desuprapun

ere,

drepturmareneuron

iicorticaliau

os ,ansade

apu

teaintegrainform

at ,iibino

culare.În

vedereafron

tala

sepo

ateob

servaca

zona

depierdere

abino

cularitat ,iiare

form

aelipsoidala,s ,ica

marim

eaacesteiacres,tecu

cres,terea

ungh

iuluistrabismului.

15

3. Instabilitat, i temporale ale percept, iei

Unii dintre pacient,ii cu ambliopie raporteaza ca percept,ia lor are un caracter deo-

sebit: distorsiunile pe care le percep sunt instabile în timp, nu numai pe o scala mare

(zile, luni, ani) ci s, i pe o scala mica de timp (minute, secunde), în timp ce observa ima-

ginea statica. Acest fenomen a fost descris în literatura de specialitate pâna acum, dupa

cunostint,ele noastre, doar în termeni calitativi. Noi credem ca aceste fenomene pot fi

descrise s, i în termeni obiectivi s, i propunem doua metode diferite de masurare:

a) o metoda indirecta, bazata pe analiza variat,iei entropiei în timp

b) o metoda directa, bazata pe un experiment interactiv de psihofizica.

3. a) Analiza variat, iei în timp a entropiei (acronim: ENTPACK-TEMP)

Am conceput s, i implementat o metoda de analiza a entropiei în fiecare fotograma

a filmelor digitale validate de pacient,i, care descriu percept,ia lor deosebita asupra unor

imagini stimul standardizate. Aceste filme au fost produse de un psiholog special pre-

gatit, care a condus toate sesiunile de interact,iune cu pacient,ii. Ele au fost ajustate

s, i rafinate progresiv, pâna când pacient,ii au validat aceste filme ca fiind o aproximat,ie

suficient de buna a percept,iei lor (descriere în detaliu în Capitolul 9 al tezei de doctorat).

O observat,ie se impune la analiza acestor filme: exista o variat,ie foarte mare între

tipurile de fenomene care apar, viteza lor de desfas,urare, s, i durata lor în timp. Aceasta

variat,ie poate aparea dificil de interpretat sau de analizat. De aceea am propus ca me-

tode de investigare analiza variat,iei entropiei imaginilor (fotogramelor) dupa o proce-

dura similara cu cea descrisa mai sus la sect,iunea 2.a. Dupa calcularea entropiei din

fiecare fotograma pentru fiecare animat,ie digitala analizata, am efectuat analiza statis-

tica a datelor. A rezultat ca entropia variaza în aceste animat,ii dupa un model ciclic

(cres, tere - scadere), având ca parametru central frecvent,a de variat,ie sub < 2 Hz, pen-

tru majoritatea cazurilor investigate. Aceasta se poate concluziona astfel: instabilitatea

temporala a percept,iei tinde sa se prezinte sub forma unui fenomen ciclic, cu o frecvent,a

joasa (aproximativ 2 schimbari / secunda). Rezultatele numerice la nivel de grup s, i in-

dividual sunt sumarizate în tabelul III.1 s, i tabelul III.2 în Anexa III.

O a doua observat,ie a fost constatarea ca exista diferent,e statistice semnificative

între instabilitat,ile temporale produse de observarea divers, ilor stimuli statici folosit,i:

a) nu tot,i subiect,ii au raportat instabilitat,i temporale pentru fiecare din cele 4 ima-

gini statice folosite ca stimul. Rezultatele noastre arata ca s, i în cazul instabilitat,ilor

temporale pare sa existe o legatura între cont,inutul s, i frecvent,a acestora s, i tipul de sti-

mul (experient,a vizuala) care le induce. Din setul de date analizat de noi rezulta ca

imaginile stimul care au cea mai mare probabilitate de a produce fenomene de instabi-

16

litate temporala perceptuala sunt cele care sunt compuse din benzi de contrast mare cu

o frecvent,a spat,iala de 1.6 cicli / grad vizual).

b) am constatat prezent,a unei relat,ii între viteza de variat,ie a instabilitat,ii temporale

a percept,iei s, i tipul de stimul static folosit (experient,a vizuala nemijlocita): cu cât este

mai mare frecvent,a spat,iala a imaginii statice folosite, cu atât este mai mare s,ansa

ca instabilitatea temporala sa aiba o frecvent,a de variat,ie mai mare. Totus, i, aceasta

constatare nu a fost consistenta pentru toate categoriile de stimuli folosit,i, ceea ce ne

sugereaza ca o cercetare ulterioara cu mai multe tipuri de imagini stimuli ar fi necesara.

3. b) Experiment interactiv de „matching” (acronim - TEDI experiment)

Pentru a investiga instabilitat,ile temporale cu o precizie mai mare decât cea ofe-

rita prin metoda descrisa anterior, am propus un setup experimental inovator care poate

masura direct viteza de variat,ie a percept,iei. Acest setup este bazat pe un algoritm

adaptiv care permite pacientului / subiectului sa ajusteze cu ajutorul unui mouse viteza

de afis,are a unei animat,ii digitale, pâna când el poate valida afirmat,ia „viteza afis, ata

este similara cu propria mea percept,ie”. Pentru a construi acest setup s, i a verifica

funct,ionarea lui am folosit init,ial un grup de subiect,i sanatos, i, apoi am testat aceasta

metoda pe un grup restrâns de pacient,i ambliopi eligibili pentru participare. Rezultatele

obt,inute sunt în acord cu cele obt,inute prin metodele anterioare, totus, i datorita numaru-

lui mic de pacient,i intrat,i în acest studiu, nu se poate face o analiza statistica a datelor

obt,inute din acest experiment pilot. Avantajele lui principale sunt rapiditatea cu care

se poate face o evaluare a status-ului instabilitat,ii temporale a percept,iei, în comparat,ie

cu metoda descrisa mai sus, care este consumatoare de timp (Aceasta este descrisa în

detaliu în Capitolul 10 al tezei de doctorat ). Rezultatele numerice s, i comparat,ia între

aceasta metoda s, i cea precedenta sunt sintetizate în tabelul de mai jos:

Tabel 1: Comparatie între metoda ENTPACK-TEMP si metoda TEDI. Abrevieri: - Pa-cientul nu raporteaza instabilitate în timp a percept,iei; AS: Ambliopie de etiologie:strabism; ASA: Ambliopie de etiologie mixta: strabism si anizometropie; ES: esotro-pie cu fixare alternanta; EX: exotropie cu fixare alternanta

17

. . .

Indiferent de cont,inutul distorsiunilor raportate s, i de metoda folosita, aspectele tem-

porale ale instabilitat,ii perceptuale din ambliopie pot fi divizate, credem noi, în doua

mari categorii:

1. Variat,ii ciclice (marea majoritate). Acestea pot fi descrise în termeni calitativi

astfel: vibrat,ii ale contururilor obiectelor, oscilat,ii (mis,cari într-o singura axa)

s, i variat,ii ciclice ale contrastului (cres, terea s, i scaderea repetata a contrastului

anumitor port,iuni din imagine). De asemena, tot aici încadram s, i cres, terea s, i

descres, terea ciclica a dimensiunii aparente a obiectelor sau a unor port,iuni din

acestea în câmpul vizual.

2. Mis,cari de deplasare continua aparenta. Acestea sunt foarte greu de descris

verbal de catre pacient,i: apare iluzia unei mis,cari continue în câmpul vizual am-

bliopic (des, i pacient,ii sunt cons, tient,i ca obiectul-sursa nu se mis,ca).

Fenomenele calitative descrise mai sus pot fi, credem noi, analizate s, i în termeni can-

titativi prin metodele dezvoltate în cadrul proiectului de doctorat. Rezultatele obt,inute

de noi par sa indice ca fenomenele subiective descrise au un model cuantificabil de

aparit,ie. Dupa cunostint,ele noastre, aceste tipuri noi de investigat,ii pe care le-am reali-

zat s, i datele obt,inute sunt o premiera în domeniu. Cunoas, terea obiectivabila a acestor

fenomene poate fi folosita în investigat,ii funct,ionale (RMN funct,ional, EMG, EEG)

pentru studierea s, i identificarea corelatelor lor neuronale.

18

Anexa I - Status-ul oftalmologic al pacient, ilor investigat,i

Tabelul I.1: Grupul no. 1 de subiect, i investigat, i. LEGENDA: RE - ochi drept; LE - ochi stâng;acuitate vizuala - exprimata decimal; Ø - lipsa stereopsis; VD - deviat, ie verticala; plano -

corect, ie optica ne-necesara; * - ochiul ambliop.

19

Tabelul I.2: Grupul no.2 de subiect, i investigat, i. LEGENDA: RE - ochi drept; LE - ochi stâng;acuitate vizuala - exprimata decimal; Ø - lipsa stereopsis; VD - deviat, ie verticala; plano -corect, ie optica ne-necesara; * - ochiul ambliop.

20

Anexa II - Rezultatele numerice ale metodei„CEXGRAPHER”

Tabelul II.1: Indicii AVL (Average Vector Lengths) s, i SDarea (Standard DeviationAreas) pentru subiect,ii examinat,i

21

Fig.II.1:Hart ,ile

erorilor

delocalizare

calculatepentru

fiecaresubiectparticipant.

Eroarea

delocalizare

medie

pentru

fiecarezona

este

reprezentata

devectori(baza:

ochiul

dominant;

vârf:ochiul

non-do

minant).Sectoa

rele

verzi:

zonele

SDarea

corespun

zatoareochiului

dominant;Sectoa

releros ,ii:zoneleSD

areacorespun

zatoareochiului

non-do

minant.Fiecare

punctestecalculatpe

baza

acincim

asuratori.

22

(con

tinu

arede

pepagina

precedenta).Hart ,ileerorilor

delocalizare

calculatepentru

fiecaresubiectp

articipant.Eroarea

delocalizare

medie

pentru

fiecarezona

este

reprezentata

devectori(baza:

ochiul

dominant;vârf:ochiul

non-do

minant).Sectoa

rele

verzi:zonele

SDarea

cores-

punzatoare

ochiului

dominant;Sectoa

releros ,ii:zoneleSD

area

corespun

zatoareochiului

non-do

minant.Fiecare

punctestecalculatpe

baza

acincim

asuratori.

23

Anexa III - Rezultatele numerice ale metodei „ENTPACK-TEMP”

Tabelul III.1: Participant,ii care au raportat prezent,a instabilitat,ii temporale a percept,iei.Abrevieri: + Instabilitate perceptuala în timp pentru imaginea stimul data; - Pacientulnu raporteaza instabilitate în timp a percept,iei; AS: Ambliopie de etiologie: strabism;ASA: Ambliopie de etiologie mixta: strabism s, i anizometropie; AA: Ambliopie de eti-ologie: anizometropie; AD: Ambliopie prin deprivare vizuala; ES: Esotropie cu fixarealternanta; EX: Exotropie cu fixare alternanta.

24

Tabelul III.2: Valorile individuale s, i la nivel de grup al frecvent,ei calculate ainstabilitat,ilor temporale.Abrevieri: - Pacientul nu raporteaza instabilitate în timp a percept,iei; AS: Ambliopiede etiologie: strabism; ASA: Ambliopie de etiologie mixta: strabism s, i anizometropie;AA: Ambliopie de etiologie: anizometropie; AD: Ambliopie prin deprivare vizuala;ES: esotropie cu fixare alternanta; EX: exotropie cu fixare alternanta.

25

Lucrari s, tiint, ifice publicate în timpul proiectului de doctorat

Teza de doctorat de fat,a prezinta în detaliu rezultele cercetarilor noastre publicate în

reviste s, tiint,ifice de specialitate s, i în cadrul unor conferint,e internat,ionale. Prezentam

mai jos lista acestora:

Articole în extenso în reviste internat, ionale indexate s, i cotate ISI

1. Sireteanu R., Thiel A., Fikus S., Iftime A., (2008), ’Patterns of spatial distortions

in human amblyopia are invariant to stimulus duration and instructionmodality’,Vision

Research, 48, 1150-1163; ISSN:0042-6989; DOI: 10.1016/j.visres.2008.01.028

2. Sireteanu R., Baeumer C., Iftime A. (2008) ’Temporal instability in amblyopic

vision:Relationship to a displacement map of visual space’, Investigative Ophthalmo-

logy and Visual Science, 49, 3940-3954; ISSN: 0146-0404; DOI: 10.1167/iovs.07-

0351

Articole in extenso în reviste internat, ionale indexate MEDLINE

1. Iftime, A.; Baeumer, C.C. & Sireteanu, R. (2007), ’An Automated Method for

Creating Simulated Distorted Images in Amblyopic Vision’, Strabismus, Volume 15,

Issue 1 January 2007 , pages 21 - 27; ISSN: 1744-5132 (electronic) 0927-3972 (paper)

; DOI: 10.1080/09273970601175016

2. Sireteanu, R.; Baeumer, C.C.; Sarbu, C. & Iftime, A. (2007), ’Spatial and

temporal misperceptions in amblyopic vision’, Strabismus. Volume 15, Issue 1 Ja-

nuary 2007 , pages 45 - 54; ISSN: 1744-5132 (electronic) 0927-3972 (paper); DOI:

10.1080/09273970601180263

Abstracte - conferint,e s, tiint, ifice internat, ionale cu comitet de program

1. Iftime A, Thiel A, Sireteanu R, (2008), ‘An objective evaluation of temporal

instabilities in amblyopic perception’, Perception, 37, ECVP Abstract Supplement, p.

112 [ISI]

2. Iftime A, Thiel A, Sireteanu R, (2007), ‘An objective evaluation of information

loss in amblyopic perception’, Eur Biophys J, 36, EBSA Abstract supplement 1 [ISI]

3. Iftime A, Thiel A, Sireteanu R, (2007.b), ‘A 3-D model of amblyopic visual

field’, Perception, 36, ECVP Abstract Supplement, ISSN 0301-0066 [ISI]

4. Iftime AM, Baeumer, C.C. & Sireteanu, R. (2006), ’Computer simulations of

spatial misperceptions in amblyopic vision’, Perception 35, ECVP06 Abstracts Su-

pplement. [ISI]

26