Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека

 

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для исследования зрительной системы человека. Устройство содержит пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор, элемент ИЛИ и элемент И. Изобретение позволяет исследовать интегральные параметры инерционности зрительной системы человека и определить их действительное значение в естественных условиях профессиональной деятельности. 6 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для исследования параметров инерционности зрительной системы человека.

Известно устройство для экспериментального определения времени инерции зрительной системы, содержащее маятник, задающий время экспозиции марки и набора контрастных фильтров [1]. С использованием данного устройства измеряют пороговый контраст е для какого-нибудь объекта при стационарном наблюдении, затем при разных контрастах К_п, создаваемых заданным набором фильтров, доводят эффективный контраст К_э до порога видимости подбором времени экспозиции t, задаваемого амплитудой качания маятника. За время инерционности зрительной системы принимается эффективное время сохранения зрительного впечатления и при времени экспозиции t<0,01 определяется по формуле: q=К_пt/е.

Недостатками данного устройства являются его сложность, использование механического принципа задания времени экспозиции, что снижает точность определения времени инерции.

Известно устройство для измерения и регистрации на машинный носитель интервалов времени между моментом раздражения и последовательными импульсами реакции нейрона. Устройство содержит генератор опорной частоты, 12-разрядный счетчик, запоминающее устройство, входной узел, схему управления, формирователь адресов, схему индикации и буферный регистр [2].

Недостатком данного устройства является невозможность исследования интегральных параметров инерционности зрительной системы человека, так как в данном устройстве измеряется время между моментом раздражения и реакции нейрона или группы нейронов. Известно, что при активации мозга один и тот же нейрон может ответить на раздражение как учащением, так и урежением импульсации [3]. При этом обнаружена цикличность колебаний частоты фоновой нейрональной импульсации и доказано, что ответ нейрона зависит от того, в какую фазу цикла попадало раздражение [4]. Кроме того, установлено существование множества различных нейронов со специфическими функциями обработки сигналов, на основе ответа которых нельзя судить об инерционности зрительной системы в целом [5].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения критической частоты слияния мельканий, содержащее пульт управления, делитель частоты на два, элемент И, счетчик, источник света, блок индикации, генератор импульсов, генератор секундных импульсов, одновибратор и распределитель импульсов, причем выход элемента И соединен с первым входом счетчика, выход которого соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом источника света, выход распределителя импульсов соединен с вторым входом источника света, а вход - с выходом генератора импульсов и с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с входом одновибратора и с выходом делителя частоты на два, вход которого соединен с выходом генератора секундных импульсов, выход одновибратора соединен с вторым входом счетчика, второй вход блока индикации соединен со вторым выходом пульта управления, третий выход которого соединен с входом генератора импульсов, причем источник света выполнен линейно-точечным [6].

Критическая частота слияния световых мельканий (КЧСМ), то есть частота мельканий света в секунду, при которой у испытуемого возникает субъективное ощущение непрерывности светового потока, является мерой лабильности (функциональной подвижности) зрительной системы. Лабильность является максимальной скоростью физиологических реакций зрительной системы и определяется ее инерционностью [7].

Недостатком данного устройства является невозможность определения действительного времени инерционности зрительной системы, так как измерения КЧСМ проводятся при наличии последовательной маскировки, заключающейся в том, что при предъявлении испытуемому последовательного ряда световых импульсов, часть их, начиная с определенной частоты предъявления, не воспринимается [8] .

Предлагаемое устройство позволяет исследовать интегральные параметры инерционности зрительной системы человека в целом в естественных условиях его профессиональной деятельности, упростить процедуру исследования параметров инерционности зрительной системы без использования сложного оборудования, определить действительное значение параметров инерционности зрительной системы, исключив влияние эффекта последовательной маскировки.

В предлагаемом изобретении в устройство для измерения критической частоты слияния мельканий, содержащее пульт управления, источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, первый одновибратор, элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход которого соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом источника света, выход первого одновибратора соединен с вторым входом счетчика, второй вход блока индикации соединен с вторым выходом пульта управления, дополнительно введены генератор миллисекундных импульсов, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и элемент ИЛИ, причем выход генератора миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента И, выход генератора секундных импульсов соединен со входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен со вторым входом элемента И и со входом третьего одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом источника света, третий выход пульта управления соединен со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, при этом источник света выполнен точечным.

Заявляемое устройство благодаря введению генератора миллисекундных импульсов, второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, третьего одновибратора и элемента ИЛИ позволяет: - проводить исследования интегральных параметров инерционности зрительной системы человека в целом в естественных условиях его профессиональной деятельности; - упростить процедуру исследования параметров инерционности зрительной системы; - проводить исследования без использования сложного оборудования; - определить действительное значение значения параметров инерционности зрительной системы человека, исключив влияние эффекта последовательной маскировки.

Таким образом, заявляемое устройство отличается от известных новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временная диаграмма изменения длительности паузы между двумя световыми импульсами при исследовании параметров инерционности зрительной системы человека.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы параметров, характеризующих инерционность зрительной системы, где фиг.3а - временная диаграмма светового импульса; фиг.3б - зрительное ощущение, вызванное световым импульсом.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие взаимосвязь времени зрительного ощущения τ₁, времени между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения и критической длительности зрения Т_c, минимальным временем предъявления светового импульса, при котором достигается светоощущение, где фиг.4а - временная диаграмма светового импульса длительностью τ≥τ₁; фиг.4б - зрительное ощущение на световой импульс длительностью τ≥τ₁; фиг.4в - временная диаграмма светового импульса длительностью τ<τ₁, при которой зрительное ощущение не возникает, так как время воздействия светового импульса на сетчатку меньше времени суммации, необходимого для возникновения зрительного ощущения.

На фиг.5 представлена временная диаграмма сдвоенных тестовых импульсов, предъявляемых для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, где τ_и - длительность импульса, равная 50 мс; Т - время повторения сдвоенных тестовых импульсов, равное 1000 мс; t - длительность регулируемой испытуемым паузы между сдвоенными тестовыми импульсами.

На фиг.6 представлены временные диаграммы реакции зрительной системы на сдвоенные тестовые импульсы заданной длительности, разделенных регулируемой паузой длительности t, где фиг.6а - временная диаграмма сдвоенных тестовых импульсов, разделенных паузой t, при которой у испытуемого достигается субъективное ощущение раздельности сдвоенных тестовых импульсов; фиг.6б - зрительное ощущение на сдвоенные тестовые импульсы, представленные на фиг. 6а; фиг. 6в - временная диаграмма сдвоенных тестовых импульсов, разделенных паузой t= t_кр, где t_кр - максимальная длительность паузы t между сдвоенными тестовыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния сдвоенных тестовых импульсов в один; фиг.6г - зрительное ощущение на сдвоенные тестовые импульсы, разделенные паузой t=t_кр.

Заявляемое устройство содержит генератор 1 секундных импульсов, генератор 2 миллисекундных импульсов, первый 3 одновибратор, второй 4 одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий 5 одновибратор, элемент 6 И, элемент 7 ИЛИ, счетчик 8, пульт 9 управления, источник 10 света и блок 11 индикации, причем выход элемента 6 И соединен с первым входом счетчика 8, выход которого соединен с первым входом блока 11 индикации, первый выход пульта 9 управления соединен с первым входом источника 10 света, выход первого 3 одновибратора соединен с вторым входом счетчика 8, второй вход блока 11 индикации соединен с вторым выходом пульта 9 управления, выход генератора 2 миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента 6 И, выход генератора 1 секундных импульсов соединен со входом первого 3 одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента 7 ИЛИ и с первым входом второго 4 одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен со вторым входом элемента 6 И и со входом третьего 5 одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента 7 ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом источника 10 света, третий выход пульта 9 управления соединен со вторым входом второго 4 одновибратора с регулируемой длительностью импульса.

Генератор 1 секундных импульсов предназначен для формирования последовательности импульсов с частотой 1 Гц, обеспечивающих заданное время повторения сдвоенных тестовых импульсов, и может быть выполнен по известной схеме.

Генератор 2 миллисекундных импульсов предназначен для формирования последовательности счетных импульсов с частотой 1 кГц, обеспечивающих точность измерения, равную 1 мс, и может быть выполнен по известной схеме.

Первый 3 и третий 5 одновибраторы предназначены для выработки сдвоенных тестовых импульсов фиксированной длительности 50 мс, второй 4 одновибратор с регулируемой длительностью импульса - для формирования регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами в пределах 5-150 мс. Одновибраторы 3, 4, 5 могут быть выполнены, например, с использованием микросхемы К155АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов, по схеме [9, рис.4.20, с.216]. Одновибраторы 3, 5 содержат резистор постоянного сопротивления, одновибратор 4 - потенциометр, расположенный в пульте 9 управления, изменение сопротивления которого определяет изменение длительности выходного импульса.

Счетчик 8 предназначен для определения длительности регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами с точностью 1 мс.

Источник 10 света предназначен для предъявления световых импульсов и выполнен одиночным, например, на светодиоде типа АЛС307ЕМ.

Индикаторы в блоке 11 индикации предназначены для отображения значения длительности регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами и могут быть выполнены, например, на индикаторах типа АЛС333А.

Остальные функциональные узлы структурной схемы устройства общеизвестны.

Устройство работает следующим образом. При включении питания с пульта 9 управления на источник 10 света подается питание, генератор 1 вырабатывает импульсы с частотой 1 Гц (фиг.2а), поступающие на вход первого 3 одновибратора, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает импульс заданной длительности (фиг. 2б). Импульсы с выхода первого 3 одновибратора обнуляют счетчик 8, через элемент 7 ИЛИ поступают на источник 10 света (фиг. 2д) и задним фронтом запускают второй 4 одновибратор с регулируемой длительностью импульса. Длительность импульсов на выходе второго 4 одновибратора регулируется испытуемым с пульта 9 управления в заданных пределах (фиг.2в).

По заднему фронту импульсов со второго 4 одновибратора запускается третий 5 одновибратор, вырабатывающий импульсы заданной длительности (фиг.6г), которые через элемент 7 ИЛИ поступают на источник 10 света (фиг.2д). Одновременно при включении питания генератор 2 вырабатывает импульсы с заданной частотой, поступающие на первый вход элемента И (фиг.2е). При поступлении на второй вход элемента И импульса с выхода второго 4 одновибратора на выходе элемента 6 И формируется пачка импульсов, число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе второго 4 одновибратора в мс (фиг.2ж). Пачка импульсов поступает на счетный вход счетчика 8, результат счета отображается в блоке 11 индикации.

Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта 9 уменьшает длительность импульсов на выходе второго 4 одновибратора до момента субъективного слияния сдвоенных тестовых импульсов в один. Длительность паузы в момент субъективного слияния сдвоенных тестовых импульсов в один принимается за параметр инерционности зрительной системы человека.

Для считывания значения длительности паузы испытуемый переключает ключ на пульте 9, снимает питание с источника 10 света и подает его на блок 11 индикации, на котором отображается значение параметра времени инерционности в мс.

Известно, что инерционность зрительной системы принято характеризовать временными параметрами [7, 10], представленными на фиг.3: - временем зрительного ощущения τ₁ - временем между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения; - временем восстановления τ₂ - временем между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения.

Инерционность зрительной системы также характеризуется критической длительностью зрения Т_c - минимальным временем предъявления светового импульса, при котором достигается светоощущение [5].

При предъявлении светового импульса длительностью τ<τ₁ (фиг.4в) - зрительное ощущение у испытуемого не возникает, так как время воздействия светового импульса на сетчатку меньше времени суммации, необходимого для возникновения зрительного ощущения.

При предъявлении импульса длительностью τ<T зрительное ощущение также не возникает, следовательно время зрительного ощущения τ₁ может быть принято равным критической длительности зрения Т_c.

Для исследования параметров инерционности зрительной системы предложено предъявлять сдвоенные тестовые импульсы заданной длительности и регулируемой паузой между ними, следующих с заданным временем повторения (фиг.5).

Время повторения сдвоенных тестовых импульсов выбрано из условия исключения маскировки по принципу интеграции. Данная маскировка заключается в том, что зрительный образ второго светового стимула накладывается на образ первого светового стимула, при времени межстимульного интервала более 500 мс маскировка исчезает и решение зрительно-пространственной задачи облегчается [11] . Для исключения эффекта маскировки по принципу интеграции предложено предъявлять сдвоенные тестовые импульсы с временем повторения, равным 1000 мс.

Известно, что обработка зрительной информации идет временными квантами с частотой альфа-ритма 8-13 Гц [12, 13], что соответствует периоду 75-125 мс, поэтому длительность каждого из сдвоенных тестовых импульсов выбрана равной 50 мс.

В случае воздействия на сетчатку испытуемого сдвоенными тестовыми импульсами, разделенными паузой t>t_кр (фиг.6а), возникает светоощущение раздельности сдвоенных тестовых импульсов (фиг.6б). При уменьшении длительности паузы t до некоторого значения t=t_кр между сдвоенными тестовыми импульсами (фиг. 6 в) возникает субъективное ощущение слияния сдвоенных тестовых импульсов в один (фиг.6г). Длительность паузы t=t_кр между сдвоенными тестовыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния сдвоенных тестовых импульсов в один, будет определяться параметрами инерционности зрительной системы человека: t_кр = τ₂-τ₁. Известны следующие значения параметров инерционности зрительной системы человека [5, 14]:
- время восстановления (время сохранения зрительного впечатления) τ₂ - порядка 50 мс;
- время зрительного ощущения (критическая длительность зрения Т_c) τ₁ - порядка 1,5 мс.

Так как τ₂≫τ₁, то t_кр можно принять равным времени восстановления τ₂.
Длительность паузы t_кр в момент субъективного слияния сдвоенных тестовых импульсов в один принимается за параметр инерционности зрительной системы человека и считается равной времени восстановления τ₂.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет исследовать интегральные параметры инерционности зрительной системы человека в естественных условиях его профессиональной деятельности, упростить процедуру исследования параметров инерционности зрительной, определить действительное значение параметров инерционности зрительной системы.

Источники информации
1. Луизов А.В. Глаз и свет. - Л.: Энергия, 1983. - 140 с.

2. Хабибуллин Р. Д., Перфильев А.Н. Устройства для измерения и регистрации на машинный носитель интервалов времени между моментом раздражения и последовательными импульсами реакции нейрона // Физиол. журнал СССР им. И.М. Сеченова. - 1983. - Т. LXIX. - 10. - С.1383-1385.

3. Кратин Ю. Г., Чукова С.В., Пантелеев С.С., Рыбаков М.В. Мозаичность возбудительных и тормозных процессов в популяциях нейронов коры при реакции активации мозга // Физиол. журнал СССР им. И.М.Сеченова. - 1987. - Т. LXXIII. - 5.- С.607-617.

4. Лавров В.В. Динамика сверхмедленных колебаний мультинейронной активности и биоэлектрических потенциалов мозга кошки при неподкрепляемом световом раздражении // Физиол. журнал СССР им. И.М.Сеченова. - 1989. - Т.75. - 7. - С.890-897.

5. Шамшинова А.М., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии: - М.: Медицина, 1999. - 416 с.

6. А.с. 1627130 СССР, МКИ А 61 В 5/16. Устройство для измерения критической частоты слияния мельканий / Б.Ф.Лаврентьев, М.М.Полевщиков, В.В.Роженцов, О.В.Роженцов. - 2 с.

7. Семеновская Е.Н. Электрофизиологические исследования в офтальмологии. - М.: Медгиз, 1963. - 279 с.

8. Самойлович Л.А., Труш В.Д. Корковые вызванные потенциалы при последовательной зрительной маскировке // Физиология человека. - 1978. - Т.4. - 2. - С. 267-274.

9. Расчет элементов цифровых устройств: Учеб. пособие / Л.Н.Преснухин, Н.В.Воробьев, А.А.Шишкевич. /Под ред. Л.Н.Преснухина. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1991. - 526 с.

10. Кравков С. В. Глаз и его работа. Психофизиология зрения, гигиена освещения. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 531 с.

11. Тароян Н.А., Мямлин В.В., Генкина О.А. Межполушарные функциональные отношения в процессе решения человеком зрительно-пространственной задачи // Физиология человека. - 1992. - Т. 18. - 2 - С. 5-14.

12. Шевелев И.А., Костелянец Н.Б., Каменкович В.М., Шараев Г.А., Ильянок В. А. Электроэнцефалограмма и считывание информации в зрительной коре человека при опознании образов // Физиология человека. - 1985. - Т.11. - 5. - С. 707-711.

13. Шеповальников А.Н., Цицерошин М.Н. О механизмах пространственной интеграции альфа-ритма // Физиология человека. - 1977. - Т.3. - 4. - С.685-698.

14. Сомов Е.Е. Методы офтальмоэргономики. - Л.: Наука, 1989. - 157 с.

Формула изобретения

Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее пульт управления, источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, первый одновибратор, элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход которого соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом источника света, выход первого одновибратора соединен с вторым входом счетчика, второй вход блока индикации соединен с вторым выходом пульта управления, отличающееся тем, что оно содержит генератор миллисекундных импульсов, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и элемент ИЛИ, причем выход генератора миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента И, выход генератора секундных импульсов соединен со входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен со вторым входом элемента И и со входом третьего одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом источника света, третий выход пульта управления соединен со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, при этом источник света выполнен точечным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6