Determinação computacional do borramento visual subjetivo de voluntários

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1 Determinação computacional do borramento visual subjetivo de voluntários normais 1, 2,3. César Augusto Cardoso Caetano Willivan Luiz Palaro 1 Paulo Shor 2 1 Faculdade de Informática e Administração Paulista - FIAP - Brasil 2 Laboratório de Bioengenharia Oftálmica-Dep. Oftalmologia Unifesp Brasil 3 Departamento de Informática em Saúde DIS Unifesp - Brasil Resumo. Há varias décadas a refração ocular tem sido determinada de forma objetiva e subjetiva, o que enseja a necessidade de instrumentos e treinamentos refinados. No contexto da oftalmologia moderna, metodologias para determinar erros de refração oculares evoluem à medida que surgem necessidades de um atendimento mais rápido e um diagnóstico mais preciso. Este trabalho apresenta uma proposta para analisar vícios refrativos de forma rápida, simples e sem auxílio de equipamento óptico especializado. Utilizando técnicas de processamento de imagem e interpolação matemática é possível caracterizar o borramento visual subjetivo dos indivíduos e eventualmente relacioná-lo com alguns vícios refrativos passíveis de correção. Palavras-chave. Informática Médica, Interpolação Spline Cúbica, Oftalmologia, Auto-refrator. refração, borramento visual, psicofísica. Abstract. For decades the optical refraction has been determined in a objective and subjective manner, which leads the need for tools and specific training. In the context of modern ophthalmology, methodologies for determining optical refraction errors evolve as they arise from a service faster and a more precise diagnosis. This paper presents a proposal to review refraction addiction as a fast, simple and without aid of optical equipment specialist. Using image processing and mathematical interpolation techniques is possible to characterize the subjective visual blurring of individuals and possibly relate it with some refraction vices subject to correction. Keywords: Medical Informatics, Cubic Spline Interpolation, Optical, Refraction, visual blurring, psychophysics. Introdução Quando uma pessoa olha para um objeto [11], os olhos captam os raios de luz que são refletidos do objeto. Os raios que penetram no sistema óptico do globo ocular sofrem um desvio, e produzem uma imagem invertida do objeto na retina. A retina percebe a luz e produz estímulos que são transmitidos ao córtex cerebral, que interpreta a imagem na posição correta, produzindo assim a sensação visual. No córtex visual [7], os neurônios estão organizados em várias colunas que atravessam as camadas do córtex formando diversos mapas bidimensionais das cenas em frente aos olhos. Cada mapa é uma rede neural especializada em determinados tipos de análise do mundo real. Por exemplo, um conjunto de neurônios é especialista em perceber cor ou o movimento, outro conjunto é responsável pela distância dos objetos, através de diferenças de disparidade entre a informação proveniente de cada um dos olhos. Quando o globo ocular apresenta alguma dificuldade de focalização, a imagem é enviada ao córtex com alterações. Essa condição é conhecida como erro de refração [1] [4], que podem ser classificadas como três tipos diferentes: miopia, hipermetropia e astigmatismo. Na miopia, o ponto focal ocorre antes da retina, enquanto que na hipermetropia o ponto focal ocorre depois da mesma. A Figura 11 mostra a diferença entre miopia e hipermetropia. Figura 1 - Exemplo de Miopia e Hipermetropia Fonte: deficiencias/foto03.jpg A diferença entre os dois casos é que Pessoas com miopia possuem dificuldade para focali- 1

2 zar objetos distantes. Já indivíduos que possuem hipermetropia não conseguem focalizar objetos próximos. No astigmatismo [2] ocorre diferença de curvatura da córnea ou cristalino nas direções horizontal e vertical (comparável às curvaturas de uma bola de futebol americano), resultando em diferentes profundidades de foco que distorcem a visão tanto de perto quanto de longe. Existem métodos de detecção de vícios de refração. Esses métodos foram evoluindo a medida que surgiam as necessidades de diminuir o tempo de atendimento aos pacientes, diminuir a margem de erro da avaliação da lente corretiva mais adequada e tornar as medições mais precisas. Uma das metologias é chamada de aberrometria [5], que utiliza um equipamento chamado aberrômetro para encontrar possíveis aberrações relacionadas ou não à miopia, hipermetropia e astigmatismo. O aberrômetro envia feixes de luz e, pela resposta do olho, calcula suas irregularidades. Uma forma eficiente porém complexa de avaliar os erros de refração ocular faz uso de um equipamento constituído de lentes-teste (refratômetro) e figuras projetadas (projetos) a certa distância do paciente, que deve reconhecer perfeitamente as imagens. Esse exame subjetivo, realizado por um médico oftalmologista treinado, permite determinar as lentes corretivas mais adequadas ao paciente. Entretanto, a avaliação subjetiva é passível de erro uma vez que é o paciente e o medico quem determinam, em grande parte, a lente à qual melhor se adapta. A refração em geral inicia-se por um préreconhecimento semi-automatizado do sistema visual do paciente. Tal etapa se realiza por intermédio de um aparelho denominado auto-refrator, ou pela esquiascopia manual realizada pelo medico oftalmologista. A partir desses dados preliminares segue-se o exame subjetivo das lentes e optiotipos. O auto-refrator é um equipamento caro, custa cerca de R$ ,00, apresenta um conjunto de lentes, câmeras e iluminação muito sensíveis o que não permite o seu transporte e utilização em qualquer ambiente. O esquiascopio é acessível porem de difícil manipulação e necessita treinamento dos médicos de modo a usá-lo com consistência. O objetivo deste projeto é buscar uma abordagem inédita para a avaliação de vícios refrativos. Utilizando técnicas de processamento de imagem, o software permite que se avalie a interpretação que cada paciente tem ao observar um objeto padrão apresentado na tela do computador. Por meio desta avaliação é possível estabelecer uma correlação entre o vício refrativo associado e conseqüentemente o tipo de lente mais adequada ao paciente. A observação desses borramentos é possível com aparelhos como os a- berrômetros, mas a percepção do paciente acerca desses fenômenos é pouco explorada e poderia resultar numa triagem de vícios de refração. Métodos Figura 2 - Olho com astigmatismo Fonte: articles/5w_astigmatism_modelx300.jpg Os voluntários examinados foram posicionados a três metros do monitor do computador (próximo suficiente para que os mesmos possam visualizar o objeto, porém distante o suficiente para que o objeto fique com uma distorção relevante), que exibe um ponto branco com 10 pixels de diâmetro no centro da tela. No ambiente de exame não havia a presença fonte extra de luz, para que a mesma não influencie no contraste e conseqüentemente sobre o formato da imagem do objeto que está sendo visualizado [6]. Os indivíduos avaliados não possuíam quaisquer tipos de vícios refrativos. A tela principal do sistema (figura 3) permite ao usuário configurar algumas características do exame do paciente, caso seja necessário. Mudar a quantidade de pontos que serão demarcados pelo paciente, o tamanho e a cor dos pontos, a direção de movimento dos mesmos e se os pontos permanecerão na tela após a demarcação. Figura 3 - Tela Principal Ao iniciar o exame, um ponto vermelho com 10 pixels de diâmetro começa a se movimentar da borda do monitor em direção ao ponto branco central. Existem oito pontos vermelhos, esses pontos estão posicionados em ângulos fixos de 45 0 em 45 0 graus, com relação ao ponto 2

3 central e a horizontal do monitor do computador, começando do ângulo zero (figura 4). Figura 4 - Ilustração do exame com os oito pontos separados a 45º de distancia. Um ponto vermelho começa a se movimentar da borda da tela em direção ao ponto branco localizado no centro do monitor, quando o usuário compreender que a borda do ponto vermelho entra em contato com a borda do ponto branco, o usuário interrompe o movimento deste ponto a- través do evento de clique do mouse. A seguir um novo ponto vermelho, posicionado em uma nova posição, inicia o seu deslocamento em direção ao ponto branco. A velocidade com que o ponto se movimenta é diretamente proporcional à distância do mesmo em relação ao ponto branco central, ou seja, quanto menor a distância entre o ponto e o centro, mais lentamente o ponto se movimenta. A Figura 5, é uma ilustração que permite compreender como os voluntários, com vícios refrativos devem perceber a borda do ponto vermelho, quando está próximo do ponto central. Figura 5 - Ilustração de como o indivíduo deve posicionar os pontos Para a realização do exame, os voluntários deveriam imaginar uma linha que divide imagem distorcida do ponto branco com o fundo preto e posicionar o ponto vermelho sobre essa linha i- maginária, posição que indica quando os pontos se tocam, segundo a interpretação do paciente. Demarcados os oito pontos, o sistema finaliza o exame e inicia os cálculos para determinar os pontos intermediários com o objetivo de formar a borda do objeto que está sendo visualizado pelo paciente. O cálculo é feito utilizando a técnica conhecida como Interpolação Spline Cúbica [8] [9]. Calculados os pontos intermediários, é exibido ao médico um gráfico cartesiano representando a distância dos pontos demarcados e interpolados em relação ao ponto central e um gráfico polar, representando a borda do ponto central visualizado pelo paciente. Nos testes iniciais, o sistema foi utilizado por seis voluntários. Para realização dos testes foram utilizadas lentes positivas de 2,75 dioptrias, que simularam um míope de 2,75 dioptrias, e lentes com cilindro positivo de 2,75 dioptrias, que simulavam um astigmatismo miópico simples de 2,75 dioptrias no eixo vertical (astigmatismo na regra). Os voluntários 1 e 2 utilizaram a lente de astigmatismo em um ângulo de 45 graus, o paciente 3 utilizou a lente em um ângulo de 0 graus. Foi utilizado um computador com um microprocessador Intel Pentium IV 3.0 GHz com 1 GB de memória RAM e um monitor de 15 polegadas. Resultados Durante a realização dos exames, foi possível observar que a operação do sistema, pelo paciente, foi simples e seu funcionando foi rápido (não houve grande tempo de espera para os resultados). A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam a distância do ponto central em cada ponto vermelho para cada ângulo para cada pessoa examinada. Tabela 1 - Resultados do exame de Miopia Exame de Miopia Distância do ponto Central (pixels) Ângulo Vol1 Vol2 Vol3 0º º º º º º º º Tabela 2 - Resultados do exame de Astigmatismo Exame de Astigmatismo Distância do ponto Central (pixels) Ângulo Vol1 Vol2 Vol3 0º º º º º º º º

4 A Figura 6 ilustra os gráficos representando os dados da Tabela º 135º 225º 90º º 45º 315º 0º Voluntário 3 Voluntário 1 Voluntário 2 Figura 6 - Gráfico cartesiano com o desvio padrão baixo A Figura apresentam os gráficos representando os dados da Tabela º 135º 225º 90º º 45º 315º 0º Voluntário 3 Voluntário 2 Voluntário 1 Figura 7 - Gráfico cartesiano com o desvio padrão alto Na Tabela 2, os dados possuem o desvio padrão mais elevado e os pontos mais elevados ocorrem no ângulo o qual a lente foi posicionada, neste caso, 0º e 180º (ângulo oposto) indicando astigmatismo preferencial nesta posição, coincidindo com o eixo maior da lente teste. Não foi realizado nenhum tipo de treinamento por parte dos examinados. Os mesmos foram instruídos a clicar com o botão do mouse quando o objeto em movimento sobrepusesse a borda ponto central. Foi encontrada certa dificuldade ao explicar aos voluntários em que momento os mesmos deveriam confirmar o posicionamento do ponto. Ao realizar o exame, deve-se ter o cuidado de apagar todas as lâmpadas no ambiente. A única luz deve ser emitida pelo monitor, caso contrário a integridade do exame e conseqüentemente dos dados pode ser comprometida. O sistema está em fase de aperfeiçoamento e brevemente será testado em campo, supervisionado por profissionais da área de oftalmologia. Será necessário um mínimo de 100 exames para que sejam feitos ajustes e calibração do sistema. Os gráficos das figuras 6 e figuras 7 foram gerados no aplicativo Microsoft Excel Ainda não é possível retificar os pontos demarcados, esta funcionalidade está em fase de implantação. Em uma fase anterior, o sistema utilizava a interpolação de Lagrange [10], porém esta metologia apresentava distorções e inconsistência no processo de reconstrução de bordas não regulares devido a algumas características da interpolação, como pode ser observado na Figura 8. Este método foi substituído pelo método de interpolação por meio de Spline cúbica, que se mostrou mais estável com figuras com bordas irregulares. Em teste, prévios, e nos exames feitos, a interpolação dos dados utilizando a técnica de Spline cúbico atendeu perfeitamente às necessidades do sistema, interpolando os dados com suavidade e precisão. Discussão Antes dos testes com os voluntários, o sistema foi testado pelo programador e pelos orientadores, o software era testado a cada implementação de novas funcionalidades. Apesar de os valores terem sido variáveis em relação à distância do ponto central, é possível observar um padrão nos dados apresentados em ambas as tabelas. Na Tabela 1, os dados possuem um desvio padrão baixo, indicando que o objeto visualizado possui uma forma arredondada podendo tratar-se de miopia ou hipermetropia. Figura 8 - Erro de interpolação causado pelo algoritmo de Lagrange Não foi encontrado um padrão em relação à distância dos pontos em relação ao ponto central. Este fato pode ter ocorrido devido à má interpretação dos examinados perante a explicação sobre como proceder, ou os olhos dos pacientes começaram a acomodar-se à lente durante a realização do exame ou a forma como cada paciente interpreta a imagem pode afetar o resultado. Mas independente das discrepâncias, observasse um 4

5 padrão, o que coloca o projeto em uma nova direção. Conclusões Foi encontrado um padrão no formato dos objetos tanto em casos de astigmatismo quanto em miopia e hipermetropia, porém ainda não é possível determinar o grau dos erros de refração. Próximos Passos A próxima fase do projeto é criar um padrão para a realização dos exames (iluminação, tamanho de monitor, distância que o paciente deve ficar do monitor e se o tamanho do objeto está adequado ao exame). Desenvolver uma metodologia para correlacionar e apresentar automaticamente e quantitativamente o vício refrativo identificado. Por meio desta ferramenta, realizar estudos que permitam classificar grupos de pessoas segundo seus vícios refrativos ou maneiras de como o cérebro interpreta a imagem apresentada aos olhos. Agradecimentos Referências [1] Carvalho, Luis Eduardo Morato. Anatomia O- cular. Informações sobre a medicina dos olhos. Acessado em Julho/2008. A Faculdade de Informática e Administração Paulista (FIAP) pelo apoio financeiro. Ao Laboratório de Bioengenharia Oftálmica da Unifesp pelo apoio no desenvolvimento deste projeto. [2] Eliezer, Ricardo Nunes. Olho. Informações sobre as partes que constituem o olho humano, Acessado em Julho/2008. [3] URAS, R. Análise comparativa da refração automática objetiva com refração clínica, Tese(Doutorado), UNIFESP, Escola Paulista de Medicina, São Paulo SP. [4] Greivenkamp, John E. (2004). Field Guide to Geometrical Optics, SPIE Field Guides vol. FG01, SPIE. ISBN [5] JANKOV, Mirko, MROCHEN, Michael, S- CHOR, Paulo et al. Frentes de ondas (wavefronts) e limites da visão humana Parte 1: fundamentos. Arq. Bras. Oftalmol., nov./dez. 2002, vol.65, no.6, p ISSN [6] Pinna, B. and Grossberg, S. (2005). The watercolor illusion and neon color spreading: A unified analysis of new cases and neural mechanisms. Journal of the Optical Society of America A, 22, [7] Hubel, David H. Eye, Brain, and Vision. Harvard University. Disponível em: Acessado em 05/08/2008. [8] Gerald, C.F., and Wheatley, P.O., Applied Numerical Analysis, Third Edition. Addison- Wesley 579p. (ISBN: ).. [9] O Neill, Charles. Cubic Spline Interpolation. Disponível em: spline.pdf. Publicado em 28/Mai/2002. Acessado em: 08/08/2008 [10] Jean-Paul Berrut, Lloyd N. Trefethen (2004) "Barycentric Lagrange Interpolation" in SIAM Review Volume 46 (3), pages DOI: /S [11] David J. Spalton(2004). Atlas Of Clinical Ophthalmology. Mosby Inc. Publication Date: November ISBN: Contato Willivan Luiz Palaro, willivan@gmail.com, Telefone: (11) ; César Augusto Cardoso Caetano, caetanousp@uol.com.br, Telefone: (11) ; Paulo Shor, pschor@pobox.com 5