CONTRIBUTII LA MODELAREA SI SIMULAREA FUNCTIEI VIZUALE IN VEDEREA PROTEZARII SI ORTEZARII

Biomecanica este stiinta care aplica legile si modurile de rationament ale mecanicii la studiul organismelor vii si, in particular, la om. Cu alte cuvinte, biomecanica este mecanica aplicata in biologie si anatomie.

Concomitent stiinta pura si stiinta aplicata, ea studiaza aspectele fundamentale ale fenomenelor mecanice din material vie si implicatiile lor fiziologice, ca si aspectele mai directe utilitare prin aplicatiile lor in terapeutica si industrie.

De aceea, putem spune ca biomecanica este si biologie si medicina interna si chirurgie si eductie fizica si reeducare neuromotorie si protezare si robotica si probleme industriale legate de sanatatea omului si ergonomie si siguranta rutiera si aeriana si traumatologie etc.

Ca si ramura a biomecanicii, optometria studiaza functiile si functionarea analizorului vizual, metodele si tehnicile de diagnostic si tratament, precum si modelarea functiei optice ca o functie redata printr-un sistem optic perfect.

Prezentul grant propune o tema interdisciplinara sub incidenta biomecanicii si a bioingineriei in general (prin partea de simulare numerica biotribologica a contactului ochi - pleoapa), cu implicatii biotehnologice - tinand cont ca toate metodele analitice si experimentale vizeaza o functie fiziologica umana - si evident optometrica pri 818j96i n modelarea optica, metodele de investigare si aparatura de specialitate. La toate acestea se adauga cunostintele in domeniul modelarii si simularii numerice, precum si a prelucrarilor statistice.

Aflata sub incidenta acestor domenii moderne de cercetare, cele ale optometriei, biomecanicii si bioingineriei in general, domenii ce vor marca cercetarea acestui secol, tema este reprezentativa in dezvoltarea cunoasterii stiintifice viitoare. Ea poate fi privita si ca o problematica a mecanicii fine tinand cont ca aici intervin studii de analiza, modelare si simulare, precum si parte experimentala ce implica aparate si tehnici optometrice (cu specific de mecanica fina si mecatronica).

Proiectul a fost prevazut pe doi ani, dupa cum urmeaza:

I.           Analiza, modelarea si simularea functiei vizuale in vederea protezarii si ortezarii – baze teoretice de cercetare – termen 2003

- stadiul actual al cercetarii functiei vizuale;

- modelarea optica a functiei vizuale;

- modelarea biomecanica oculara;

- simularea contactului ochi – pleoapa;

- analiza comportarii analizorului vizual la socuri si vibratii.

II.        Cercetarea experimentala pentru realizarea analizei, modelarii si simularii functiei vizuale in vederea protezarii si ortezarii – termen 2004

- analiza cercetarilor experimentale ale functiei vizuale;

- metode si tehnici de investigare si tratament a functiei vizuale;

- prelucrare statistica a rezultatelor experimentale obtinute;

- analiza metodelor de protezare si ortezare existente, metode de imbunatatire a acestora.

I.           Analiza, modelarea si simularea functiei vizuale

in vederea protezarii si ortezarii – baze teoretice de cercetare

In scopul definirii corecte a problemelor si pentru a realiza o analiza complexa a functiei vizuale, s-au propus urmatoarele obiective

anatomia si fiziologia analizorului vizual;

analiza subsistemului oculomotor;

analiza functiei vizuale;

metode si tehnici de cercetare a functiei vizuale;

interpretari experimentale ale functiei vizuale;

defectele oculare si principalele metode de protezare si ortezare;

analizei formarii imaginii pe retina;

calculului functiei de transfer a retinei;

simularii optice a functiei vizuale utilizand programe moderne de simulare optica;

modelarea biomecanica oculara, cu referire la:

analiza principiilor modelarii in biomecanica oculara;

modelarea biomecanica a globilor oculari;

calculul stabilitatii vizuale si a perceptiei spatiale;

analiza biotribologica a contactului dintre ochi si pleoapa in timpul alergarii;

studiul miscarii descendente a pleoapei - inceperea clipirii,

analiza evenimentului exterior in timpul miscarii pleoapei – influenta socului datorat alergarii,

studiul opririi din miscarea de forfecare simpla.

analiza comportarii analizorului vizual la socuri si vibratii, urmarindu-se

analiza unor modele vibrationale umane;

propunerea si studiul unui model complet de analiza a comportarii organismului uman la vibratii.

I.1. Realizarea unui studiu cu privire la stadiul actual al cercetarilor privind tema data

Acest studiu prezinta principalele probleme cu privire la stadiul actual al cercetarii functiei vizuale, aspecte ce cuprind: anatomia si fiziologia analizorului vizual; analiza subsistemului oculomotor si a functiei vizuale; metodele si tehnicile de cercetare a functiei vizuale; interpretari experimentale ale functiei; defectele oculare si principalele metode de protezare si ortezare.

In urma studiilor si a cercetarilor, s-au desprins urmatoarele concluzii:

I.2. Modelarea optica a functiei vizuale

Pentru a realiza simularea optica a functiei vizuale este necesara realizarea unei modelari matematice a fenomenelor ce implica aceasta functie si anume: analiza formarii imaginii pe retina si calculul functiei de transfer optic. Acest studiu incepe prin a prezenta o modelare a functiei vizuale prin analiza celor trei componente ale sale si anume: senzatia de lumina, vederea colorata si senzatia de forma, face calculul functiei de transfer optic a sistemului vizual si realizeaza simularea optica a acestuia prezentand modelul optic ocular si determinand calitatea imaginii obtinute prin acesta.

Utilizarea programului de simulare optica OSLO presupune:

Figura I.2.1. Introducerea datelor de intrare ale sistemului optic

Figura I.2.2. Traseul razelor Figura I.2.3. Analiza diagramei fasciculului de lumina

In dezvoltarea acestui capitol s-au desprins urmatoarele concluzii:

Aceasta cercetare isi propune sa prezinte aspecte legate de anumite prelucrari statistice ale functiei vizuale, precum si o analiza statistica proprie realizata in scopul gasirii cauzelor care influenteaza aparitia si frecventa ametropiilor oculare.

Pentru a intelege mai bine fenomenele legate de miscarile oculare si ceea ce implica acestea, acest studiu prezinta aspecte din biomecanica oculara si anume: principii ale modelarii, probleme privind statica oculara, analiza dinamica a miscarilor oculare, un studiu matematic asupra acestor miscari, precum si calculul stabilitatii vizuale si a perceptiei spatiale si modul in care acest calcul poate fi computerizat.

Prin prezentarea unor aspecte ce privesc modelarea biomecanica a analizorului vizual s-au desprins urmatoarele concluzii:

I.5. Simularea contactului ochi-pleoapa

Miscarea descendenta a pleoapei;

Eveniment exterior in miscarea pleoapei;

Oprirea din miscarea de forfecare simpla.

Prin aceasta simulare s-au desprins urmatoarele concluzii:

I.6. Comportarea analizorului vizual la socuri si vibratii

In prima parte a acestui studiu sunt evidentiate unele din rezultatele cercetarilor in domeniul influentei socurilor si a vibratiilor asupra organismului uman, iar partea a doua este consacrata studiului teoretic al influentei vibratiilor folosind modele existente si un model propriu propus.

Cercetarea experimentala pentru realizarea

in vederea protezarii si ortezarii

In scopul definirii corecte a problemelor si pentru a realiza o analiza complexa a functiei vizuale, s-au propus urmatoarele obiective

Aceste metode clasice de investigare a functiei vizuale au fost sistematizate dupa cum reiese din tabelul urmator.

Metodele moderne sunt mai putin variate. Cateva exemple sunt prezentate in tabelul urmator:

Un alt mod de ortezare a analizorului vizual consta in utilizarea lentilelor de contact. Corectia defectului de refractie este in acest caz realizata prin aplicarea directa pe fata anterioara a corneei a unui sistem optic. Un dezavantaj al lentilelor de contact este ca, in cazul utilizarii lor, poate sa apara un astigmatism rezidual care exista chiar dupa corectarea astigmatismului fetei anterioare a corneei. Avantajele folosirii lentilelor de contact sunt: acuitatea vizuala este in general mult mai buna decat aceea data de lentilele pentru ochelari in toate cazurile de miopie forte; campul de vedere nu este limitat; campul vizual este normal caci nu exista aberatii periferice ca la lentilele pentru ochelari.

Exista urmatoarele categorii de lentile de contact:

lentilele sclerale sunt lentile care acopera ansamblul conjunctiva si cornee si sunt formate din trei zone distincte: partea sclerala, partea limbica si partea din cornee care prezinta curburi diferite;

lentilele corneene sunt lentile care acopera corneea si sunt aderente prin proprietatea lor de capilaritate.

lentile de contact speciale, si anume: lentile usoare pentru corectia miopiei forte; lentile astigmate cu raze de curbura interioare si exterioare, lentile avand o prisma inferioara incorporata care nu se roteste, lentile bifocale pentru afaki sau prezbiti.

III. Concluzii finale si contributii personale

Concluzii generale:

Frecventa ametropiilor depinde de un mare numar de factori: economico-sociali, varsta, profesie, sex etc. De cele mai multe ori greu de decelat. Ei intervin in geneza ametropiilor simple. Precizia statisticilor de mai sus este determinata de factori economici (exista persoane cu probleme oculare care nu se prezinta la medic din cauze economice sau sociale – lipsa educatiei in domeniu), precum si de metodele de investigare utilizate.

Tehnicile experimentale de analiza a comportarii organismului uman la socuri si vibratii trebuie sa se efectueze in laborator, in conditii simulate si controlate.

Acuratetea experimentelor cu deplasari ca date de intrare a fost mai mare decat a celor ce au utilizat forta sinusoidala ca data de intrare.

Contributii personale si originale:

In dezvoltarea amplei problematici ce face subiectul acestei lucrari de cercetare, colectivul de autori au adus urmatoarele contributii personale si originale:

in urma unei analize riguroase si a parcurgerii unui bogat si variat material bibliografic se realizeaza sistematizarea notiunilor anatomice si fiziologice ale analizorului vizual in scopul utilizarii acestora de catre ingineri;

pornind de la lucrari similare din literatura de specialitate, s-a conceput modele matematice utile analizei formarii imaginii pe retina;

s-a dedus functia de transfer optic, esentiala caracterizarii sistemului vizual;

utilizand cel mai modern program de simulare optica OSLO, s-a prezentat modelul optic ocular si s-a analizat calitativ functia vizuala - pentru un ochi emetrop - prin caracteristicile si functiile sale specifice: s-au dedus si reprezentat grafic functiile de transfer optic si cele de imprastiere; s-au analizat aberatiile sistemului optic si modul in care lungimea de unda influenteaza functia vizuala;

s-a realizat o prelucrare statistica a ametropiilor oculare si s-au evidentiat factorii ce o influenteaza;

prin utilizarea unui model matematic al miscarilor oculare, s-a analizat si reprezentat grafic dependenta proiectiei pupilare de unghiurile de rotatie ale ochiului;

pornind de la o lucrare de referinta in domeniu [H2], s-a conceput o schema de computerizare a calculului perceptiei spatiale si al stabilitatii vizuale, necesare caracterizarii biomecanice a analizorului vizual;

in urma unor stagii de specializare la Laboratorul de Mecanica Contactului, al Institutului National de Stiinte Aplicate din Lyon (Franta) s-a realizat simularea contactului dintre ochi si pleoapa, utilizand medii de programare moderne ce aplica metoda elementului finit;

conceperea, analiza si verificarea unui model propus pentru studiul comportarii analizorului vizual la vibratii in urma caruia s-a ajuns la concluzia ca organismul uman modelat ca un sistem de mase, arcuri si amortizoare se comporta asemeni tuturor sistemelor mecanice, cele mai afectate parti ale organismului fiind ochii, capul (sistemele neurologice) si viscerele;

conceperea si realizarea unui stand experimental care verifica modelul teoretic de mai sus.