(E) I. Zagadnienia 1. Podstawowe prawa optyki geometrycznej. 2. Zdolność skupiająca i zdolność rozdzielcza układu optycznego. 3. Układ optyczny oka. 4. Fizjologiczne podstawy ciśnienia wewnątrzgałkowego i jego zmienność. 5. Reguła Imberta-Ficka. 6. Zasada działania tonometru aplanacyjnego typu air puff. 7. Szereg czasowy, współczynnik korelacji r-pearsona podstawowe informacje. 8. Zasada działania U-rurki. II. Zadania 1. Pomiar ciśnienia wewnątrz modelu oka tonometrem typu air puff. 2. Analiza zmienności szeregu czasowego ciśnienia (średnia, odchylenie standardowe). 3. Porównanie dwóch szeregów czasowych. 4. Wyznaczenie współczynnika korelacji dwóch szeregów czasowych. Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 1
III. Wykonanie ćwiczenia 1. Fizjologiczne podstawy krążenia cieczy wodnistej Tonometria to pomiar ciśnienia wewnątrz gałki ocznej (Intraocular pressure, IOP). Gałka oczna wypełniona jest cieczą wodnistą (płynem śródocznym), która zapewnia jej prawidłowe napięcie i odpowiednie uwodnienie ośrodków optycznych, tj. rogówki i soczewki, co wpływa na ich przejrzystość i regularność krzywizny. Ciecz wodnistą wytwarza nabłonek ciała rzęskowego i wydziela do tylnej komory oka. Następnie przez otwór źreniczny ciecz ta przedostaje się do komory przedniej, skąd przez beleczkowanie w kącie rogówkowotęczówkowym (nazywanym kątem przesączania) odpływa do zatoki żylnej twardówki (nazywanej kanałem Schlemma), przedostaje się do znajdujących się w rąbku rogówki żył wodnych, a następnie do splotu naczyń żylnych. Przez beleczkowanie, tzw. drogą konwencjonalną, odpływa około 90% cieczy wodnistej. Pozostałe 10% odpływa drogą naczyniówkowo-twardówkową przez tęczówkę oraz przez ciało rzęskowe do przestrzeni nadtwardówkowej. Odpływ cieczy wodnistej uwarunkowany jest oporem w drogach odpływu i ciśnieniem w żyłach nadtwardówkowych. U zdrowych osób za wartości prawidłowe ciśnienia wewnątrzgałkowego powszechnie uznaje się zakres 10 21 mmhg. 2. Biofizyczne podstawy tonometrii Ciśnienie wewnątrzgałkowe zależy od stopnia równowagi między produkcją cieczy wodnistej a jej odpływem z gałki ocznej. Ponieważ objętość cieczy wodnistej jest w przybliżeniu stała w komorze tylnej oka, na IOP wpływa przede wszystkim przepływ przez komorę przednią. Dynamikę produkcji i eliminacji cieczy wodnistej oddaje równanie Goldmanna: P 0 = (F -U) / C+ P V, gdzie: P 0 IOP w [mmhg], F szybkość produkcji cieczy wodnistej w [ml/min], U resorpcja cieczy wodnistej podczas odpływu drogą naczyniówkowo-twardówkową w [ml/min], C odpływ (facility of outflow) w [ml/min/mmhg], P V ciśnienie w żyłach nadtwardówkowych w [mmhg]. Warto zauważyć, że: P 0 - P v = Z(F -U), gdzie Z=1/C to opór. Hans Goldmann sformułował regułę, którą nazwał prawem Imberta-Ficka (niesłusznie, gdyż ani nie jest to ścisłe prawo, ani nie wynika wprost z rozważań Imberta oraz Ficka): Ciśnienie nieściśliwego płynu, otoczonego nieskończenie cienką, nierozciągliwą sferyczną błoną może być zmierzone dzięki wywieraniu ciśnienia spłaszczającego tę błonę. Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 2
W rzeczywistości taka sfera nie może być spłaszczona bez względu na panujące wewnątrz ciśnienie, ponieważ spłaszczanie musiałoby prowadzić do zwiększenia pola powierzchni bryły (sfera ma bowiem maksymalną objętość przy najmniejszej możliwej powierzchni), co jest niemożliwe przy założeniu nierozciągliwości błony. Fizyczną podstawą tonometrii jest III zasada dynamiki Newtona. Z praktycznego punktu widzenia do zaproponowanego przez Goldmanna modelu ilustrującego rzekomo zasadę Imberta-Ficka wprowadza się poprawkę uwzględniającą opór stawiany spłaszczaniu obszaru gałki ocznej o polu powierzchni A siłą równą Q przez napięcie powierzchniowe filmu łzowego,, oraz przez rogówkę, b: Q+s = IOP A+ b Przyjmuje się, że dla pola powierzchni A=7.35 nm 2 napięcie powierzchniowe płynu łzowego równoważy opór rogówki (= b), co prowadzi do zależności: Q= IOP A 3. Zmienność ciśnienia wewnątrzgałkowego Ciśnienie wewnątrzgałkowe waha się w ciągu dnia (najwyższe jest w godzinach porannych). Jego średnie dobowe wahania niekiedy przekraczają 5 mmhg, a zmienność sekundowa jest tego samego rzędu! Większość badaczy uważa, że dane uzyskane podczas kilku dni są od siebie zupełnie niezależne. Innymi słowy, nie udało się potwierdzić korelacji dziennej, ani znaleźć rytmu dobowego, odpowiedzialnego za okresowy wzrost lub spadek ciśnienia wewnątrzgałkowego (choć jego istnienie nie jest wykluczone). Ponadto bardzo wiele czynników może wpływać na zmianę IOP, np. zmiana pozycji ciała (szczególnie z leżącej na wyprostowaną), mruganie, pocieranie oczu, a nawet gra na niektórych instrumentach dętych. Utrudnia to interpretowanie danych pod kątem diagnostyki jaskry, określanie ryzykownych zachowań u pacjentów i monitorowanie postępu choroby. 4. Układ pomiarowy W ćwiczeniu wykorzystuje się tonometr spłaszczający (aplanacyjny) typu air puff. Generowany przez urządzenie strumień sprężonego powietrza spłaszcza rogówkę badanego, działając określoną siłą. Zmiana geometrii oka rejestrowana jest przez omiatającą jego powierzchnię wiązkę światła, a detektor interpretuje dane, określając ciśnienie strumienia powietrza, niezbędne do spłaszczenia obszaru rogówki o znanej powierzchni. Ostateczny Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 3
wynik, czyli wartość ciśnienia wewnątrzgałkowego w chwili pomiaru, szacowany jest z reguły Imberta-Ficka. Ćwiczenie składa się z dwóch części: 1. Badania związku ciśnienia wewnątrz modelu oka z różnicą wysokości słupów wody w ramionach U-rurki. 2. Badania związku ciśnienia wewnątrz modelu oka z sekwencją ciśnień wygenerowanych przez program Tono. I. Badania związku ciśnienia wewnątrz modelu oka z różnicą wysokości słupów wody w ramionach U-rurki. Aby dokonać pomiaru ciśnienia wewnątrz modelu oka proszę: - upewnić się, że czerwony zawór w modelu oka (por. Rys. 1) jest otwarty; - napełnić U-rurkę wodą tak, by poziom wody w obu ramionach był taki sam i sięgał czerwonej linii na podziałce; - zamknąć zawór; - za pomocą strzykawki (por. Rys 4) ustawić różnicę poziomów słupów wody w ramionach U-rurki tak, by poziom w prawym ramieniu sięgał poziomów oznaczonych cyframi od 1 do 5 (rys. obok); UWAGA: tłok strzykawki należy wciskać BARDZO ostrożnie, najlepiej zaś regulować ciśnienie za pomocą czarnego pokrętła na tłoku! - postępując zgodnie ze skróconą instrukcją tonometru, dla każdego poziomu wykonać po 10 pomiarów ciśnienia wewnątrz modelu oka i zanotować te wartości; - dla każdego położenia (1-5) zmierzyć różnicę wysokości słupów wody w ramionach U-rurki i przeliczyć ją na ciśnienie, wyrażone w paskalach, mmh 2 0 oraz mmhg; - wykonać wykres zależności ciśnienia wewnątrz oka (wszystkie zmierzone punkty!) od różnicy wysokości słupów wody w ramionach U-rurki; - korzystając z dodatku Analiza Korelacji w programie Statistica znaleźć współczynnik korelacji między różnicą wysokości słupów wody w ramionach U-rurki i ciśnieniem wewnątrz modelu oka; - skomentować wyniki. 1 mmh 2 O = 0.074 mmhg w temperaturze 4 o C (maksymalna gęstość wody) Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 4
II. Badania związku ciśnienia wewnątrz modelu oka z sekwencją ciśnień wygenerowanych przez program Tono Proszę: - zmierzyć dodatkowo 10 razy ciśnień dla różnicy poziomów odpowiadającej poziomowi 5 (tak, by w sumie dysponować 20 wynikami); - uruchomić program Tono; - wyniki wpisać do środkowej kolumny tabeli w programie Tono; - przyciskiem Recalc wygenerować sekwencję ciśnień dla drugiego oka (pojawi się w trzeciej kolumnie), a następnie zapisać wyniki przyciskiem Save (domyślnie: D:\Programy\Tonometria) i następnie otworzyć w programie Statistica; UWAGA: dane można też bezpośrednio przekopiować do arkusza programu Statistica (zaznaczyć zawartość trzech kolumn, skopiować je naciskająć Ctrl+C, a następnie wkleić do arkusza w programie Statistica) Aby wykonać wstępną analizę wyników proszę: - policzyć średnią, odchylenie standardowe i medianę dla każdej sekwencji ciśnień otrzymanej w eksperymencie oraz wygenerowanej w programie; - sporządzić i skomentować wykresy: o obu sekwencji ciśnień w funkcji czasu; o histogramy obu sekwencji ciśnień; o ilorazu ciśnień w funkcji czasu; - sporządzić i skomentować wykres ciśnienia zmierzonego w eksperymencie w funkcji ciśnienia wygenerowanego w programie Tono, czyli IOP1(IOP2), z dopasowaną funkcją liniową (równanie musi być widoczne na wykresie!); - analizując wyniki poprzedniego punktu oszacować współczynnik korelacji Pearsona dla obu szeregów czasowych; - wykonać analizę korelacji, wyznaczyć współczynnik korelacji Pearsona dla obu ciśnień; przedstawić graficzną interpretacją korelacji (np. odpowiedni wykres wygenerowany w programie Statistica); - skomentować otrzymane wyniki, w tym różnicę między mierzonym ciśnieniem wewnątrz modelu oka a tym ustawionym w U-rurce. Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 5
IV. Sprawozdanie (szablon tonometria.docx) Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Analizę statystyczną obu szeregów czasowych (średnia, odchylenie standardowe, wariancja, liczba pomiarów) wraz z komentarzem. 2. Wykres zmienności czasowej ciśnień w modelu oka i wygenerowanych w programie Tono. 3. Wykresy różnicy i ilorazu obu sekwencji wraz z komentarzem. 4. Histogramy ciśnień z obu sekwencji wraz z komentarzem. 5. Oszacowany współczynnik korelacji Pearsona. 6. Wyniki analizy korelacji, wartość parametru r-pearsona oraz odpowiedni wykres wraz z komentarzem. 7. Komentarz dotyczący wszystkich uzyskanych wyników wraz z podsumowaniem ćwiczenia. V. Instrukcje 1. Instrukcja obsługi tonometru Nidek NT-1000 2. Skrócona instrukcja analizy korelacji w programie Statistica 3. Skrócona instrukcja obsługi tonometru Nidek NT-1000 Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 6
Analiza Korelacji w programie Statistica Aby wykonać analizę korelacji (wyznaczyć współczynnik korelacji Pearsona) należy skorzystać z opcji Correlation Matrices z zakładki Basic Statistics. Następnie należy zaznaczyć dane w zakładce Two lists (rect. matrix) i zobaczyć wynik wizualizacji, klikając w ikonkę Graphs Ścieżka dostępu: StatisticsBasic StatisticsCorrelation matrices. Two lists (rect. matrix)graphs Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 7
Skrócona instrukcja obsługi tonometru Nidek NT-1000 Tonometr typu air-puff Nidek NT-1000 umożliwia nieinwazyjny pomiar ciśnienia wewnątrzgałkowego w oczach oraz w modelu oka, wykorzystywanym w pracowni. Po umieszczeniu modelu oka na podpórce i umocowaniu go śrubami należy upewnić się, iż pozioma oś symetrii modelu rogówki pokrywa się ze znacznikiem poziomu oczu. Od strony operatora widoczne są: dwa panele, główny oraz dodatkowy (zabezpieczony klapką), joystick kontrolny oraz zakręcana blokada. Panel Ustawień Głównych: RNG zakres (range), pozwala zmieniać ciśnienie strumienia powietrza; każda opcja (30 lub 60 mmhg) występuje w dwóch wariantach: z lub bez APC (Auto Puff Control) w przypadku dużych fluktuacji IOP zaleca się wyłączenie opcji APC; CLR kasowanie (clear), pozwala usunąć zmierzone dotąd wartości IOP; A/M Auto/Manual, pozwala zmieniać tryb między Automatycznym (urządzenie strzela powietrzem samoczynnie po prawidłowym wycelowaniu w płaszczyznę aplanacyjną) a Ręcznym (urządzenie strzela powietrzem dopiero po naciśnięciu przycisku joysticka); Ikona drukowania wyniku nie korzystamy z niej w trakcie zajęć. Panel Ustawień Dodatkowych: Pokrętła C i B regulacja kontrastu i jasności; Przełącznik między pokrętłami C i B włączanie/wyłączanie trybu wykrywania powiek; Przełącznik OFF/All nieaktywny w tym modelu urządzenia; Przełącznik zmiany trybu pozycja neutralna pozwala na wykonywanie pomiarów, wychylenie w prawo umożliwia zmianę daty i godziny, zaś w lewo wykonanie testu. Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 8
Pomiar ciśnienia wewnątrz modelu powinien być wykonywany w trybie MANUAL dla maksymalnego ciśnienia (RNG) podmuchu równego 60 mmhg (bez opcji APC), przy wyłączonym trybie wykrywania powiek. Możliwe błędy związane z pomiarem: APL oko pacjenta nie było dostatecznie otwarte, żeby umożliwić aplanację rogówki. W przypadku modelu wybrany obszar był za mały lub za mało ugiął się pod wpływem powietrza, żeby wiązka mogła zogniskować się w detektorze; OVR ciśnienie wewnątrzgałkowe (lub wewnątrz modelu) jest zbyt wysokie. PCE fluktuacje ciśnienia są zbyt wysokie, należy wyłączyć funkcję APC Rysunek 1 Układ pomiarowy - tonometr z zamontowanym modelem oka Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 9
Rysunek 2 Panel sterujący tonometru Rysunek 3 Celownik wskazuje właściwą pozycję tonometru względem oka - możliwy pomiar Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 10
Rysunek 4 Schemat U-rurki i strzykawki, wykorzystywanych w ćwiczeniu do ustawienia ciśnienia wewnątrz modelu oka. Instrukcje do ćwiczenia Tonometria 11