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