способ определения полосы пропускания пространственно- частотного канала зрительной системы

Формула изобретения

Способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы, характеризующийся тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, после этого поочередно с заданным постоянным периодом вначале начальную и увеличенную - инкрементную, затем начальную и уменьшенную - декрементную частоты, разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот, причем на первом этапе измерений вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо не различаются, на втором этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на первом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты не различаются, на третьем этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами, на четвертом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо не различаются, на пятом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты не различаются, на шестом этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, значение порога вычисляют как абсолютную разность между зафиксированной на этом этапе декрементной и начальной частотами, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы.

Известно, что вначале зрительную систему рассматривали как один пространственный фильтр. Предполагали, что чувствительность зрительной системы к различным пространственным частотам определяется передаточной функцией этого фильтра [1] . Кемпбелл и Робсон впервые высказали предположение, что зрительная система состоит из множества параллельных каналов - фильтров, каждый из которых чувствителен к определенным пространственным частотам, то есть имеет свою полосу пропускания [2].

Известны эксперименты Блэкмора и Кемпбелла, установившие существование пространственно-частотных каналов в зрительной системе. Они показали, что адаптация к синусоидальной решетке определенной частоты вызывает снижение чувствительности только к этой частоте и ее ближайшим окрестностям. Вычитая из передаточной функции зрительной системы ту же функцию, полученную после адаптации к одной частоте, авторы получили пространственно-частотную характеристику канала, настроенного на эту частоту [3].

Пространственно-частотные каналы со своей полосой пропускания занимают некоторый участок в видимом диапазоне. Полосы пропускания пространственно-частотных каналов всей зрительной системы перекрывают весь видимый пространственно-частотный диапазон [4].

Известно определение полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы с помощью тонких светлых и темных полос, а также решеток разной пространственной частоты с синусоидальным распределением освещенности. При этом под пространственной частотой решетки понимается число периодов распределения яркости на один градус поля зрения [4, 5].

Известно определение полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы путем формирования синусоидальных решеток на экране электронно-лучевых трубок [2, 6], а также с использованием персональных компьютеров [7].

Ни один из известных способов не может быть принят в качестве прототипа к предлагаемому способу определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы.

Недостатками известных способов являются

- их сложность;

- зависимость чувствительности зрительной системы от ориентации тестирующих решеток [8, 9];

- зависимость полосы пропускания от размеров тестирующих решеток [10, 11];

- зависимость чувствительности зрительной системы от яркости тестовых изображений [12];

- измерения выполняются не в условиях освещенностей, в которых обычно приходится работать человеку;

- сложность выполнения измерений у детей. Необходима разработка простых методов, что позволит выполнить раннюю диагностику зрительной системы детей дошкольного возраста и своевременно начать целенаправленные тренировки, чтобы уменьшить число лиц, страдающих от недостатков зрения.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы характеризуется тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, после этого поочередно с заданным постоянным периодом вначале начальную и увеличенную - инкрементную, затем начальную и уменьшенную - декрементную, частоты, разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот, причем на первом этапе измерений вначале с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо не различаются, на втором этапе вначале с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на первом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты не различаются, на третьем этапе с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами, на четвертом этапе вначале с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо не различаются, на пятом этапе вначале с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты не различаются, на шестом этапе с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, значение порога вычисляют как абсолютную разность между зафиксированной на этом этапе декрементной и начальной частотами, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы осуществляется следующим образом.

На фиг.1 представлены предъявляемые поочередно с заданным постоянным периодом Т частоты световых мельканий: начальная и инкрементная (фиг.1а), начальная и декрементная (фиг.1б). На фиг.2 представлены временные диаграммы изменения в процессе измерений инкрементной (фиг.2а) и декрементной (фиг.2б) частот.

Испытуемому предъявляют поочередно с постоянным периодом Т, равным, например, 1 с, вначале начальную F_н и инкрементную F_и (фиг.1а), затем - начальную F_н и декрементную F_д (фиг.1б) частоты световых мельканий. Разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот световых мельканий.

На первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с начальной частотой F_н, равной, например, 10 Гц (фиг. 2а, интервал времени 0-Т₀), вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг. 2а, интервал времени T₀-T₁), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо различаются (фиг.2а, момент времени Т₁, частота F_и1). Затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг.2а, интервал времени T₁-Т₂), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо не различаются (фиг.2а, момент времени Т₂, частота F_и2).

На втором этапе вначале с постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и2 световых мельканий, зафиксированную на первом этапе (фиг.2а, интервал времени Т₂-Т₃), пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот (фиг.2а, момент времени Т₃, частота F_и3). Затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг.2а, интервал времени Т₃-Т₄), пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты не различаются (фиг.2а, момент времени Т₄, частота F_и4).

На третьем этапе с постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и4 световых мельканий, зафиксированную на втором этапе (фиг. 2а, интервал времени Т₄-Т₅), пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот (фиг. 2а, момент времени Т₅, частота F_и5). Значение порога вычисляют по формуле

F_и=F_и5-F_н.

На четвертом этапе после предъявления световых мельканий с начальной частотой F_н, равной 10 Гц (фиг.2б, интервал времени Т₆-Т₇), вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени Т₇-Т₈), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо различаются (фиг.2б, момент времени Т₈, частота F_д1). Затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени T₈-T₉), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо не различаются (фиг. 2б, момент времени Т₉, частота F_д2).

На пятом этапе вначале с постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д2 световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе (фиг.2б, интервал времени Т₉-Т₁₀), пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот (фиг.2б, момент времени Т₁₀, частота F_д3). Затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени Т₁₀-Т₁₁), пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты не различаются (фиг.2б, момент времени T₁₁, частота F_д4).

На шестом этапе с постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д4 световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе (фиг. 2б, интервал времени Т₁₁-Т₁₂), пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот (фиг.2б, момент времени Т₁₂, частота F_д5). Значение порога вычисляют по формуле

F_д = |F_д5-F_н|.

Полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений по формуле

F = (F_и+F_д)/2.

Заявляемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы позволяет

- упростить процедуру измерений;

- уменьшить влияние ориентации, размеров и яркости зрительных стимулов на результаты измерений;

- выполнять измерения в естественных условиях, в том числе освещенности, присущих трудовой деятельности человека;

- выполнять измерения у детей с использованием игровых методов.

Таким образом, заявляемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы обладает новыми свойствами, обуславливающими получение положительного эффекта.

Пример. Испытуемой К. , 35 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, предъявляли через порт LPT на индикатор пульта испытуемого поочередно с постоянным периодом, равным 1 с, частоты световых мельканий: на первом, втором и третьем этапах измерений - начальную F_и и инкрементную F_и; на четвертом, пятом и шестом этапах - начальную F_н и декрементную F_д. В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок "Увеличение", "Уменьшение" и "Измерение".

При поступлении сигнала с кнопок "Увеличение" или "Уменьшение" компьютер соответственно увеличивал или уменьшал инкрементную F_и или декрементную F_д частоты световых мельканий: на первом и четвертом этапах измерений - со скоростью порядка 0,5 Гц/с, на втором и пятом этапах - со скоростью порядка 0,25 Гц/с, на третьем и шестом этапах - со скоростью порядка 0,1 Гц/с; при снятии сигнала с кнопок - фиксировал текущую предъявляемую инкрементную или декрементную частоты; по сигналу с кнопки "Измерение" - вычислял значение порога различения предъявляемых поочередно частот как абсолютную разность между зафиксированной и начальной частотами на третьем и шестом этапах, после шестого этапа - определял полосу пропускания пространственно-частотного канала как среднее арифметическое значений порогов, вычисленных на третьем и шестом этапах.

На первом этапе измерений компьютер предъявил световые мелькания с начальной частотой 10 Гц (фиг.2а, интервал времени 0-Т₀), после чего испытуемая, нажимая вначале кнопку "Увеличение" (фиг. 2а, интервал времени T₀-T₁), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо различаются, и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₁). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и1 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2а, интервал времени T₁-Т₂), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо не различаются, и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₂). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и2 световых мельканий.

На втором этапе испытуемая, нажимая вначале кнопку "Увеличение" (фиг.2а, интервал времени Т₂-Т₃), определила оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₃). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и3 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2а, интервал времени Т₃-Т₄), определила оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты не различаются, и отжала кнопку (фиг. 2а, момент времени Т₄). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и4 световых мельканий.

На третьем этапе испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг. 2а, интервал времени Т₄-Т₅), определила порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₅). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и5 световых мельканий. После этого испытуемая нажала кнопку "Измерение" и компьютер вычислил значение порога F_и.

На четвертом этапе компьютер предъявил световые мелькания с начальной частотой 10 Гц (фиг.2а, интервал времени Т₆-Т₇), после чего испытуемая, нажимая вначале кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₇-Т₈), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени T₈). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д1 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг.2б, интервал времени T₈-Т₉), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо не различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₉). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д2 световых мельканий.

На пятом этапе испытуемая, нажимая вначале кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₉-Т₁₀), определила оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₀). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д3 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг. 2б, интервал времени Т₁₀-Т₁₁), определила оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты не различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₁). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д4 световых мельканий.

На шестом этапе испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₁₁-Т₁₂), определила порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₂). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д5 световых мельканий. После этого испытуемая нажала кнопку "Измерение", компьютер вычислил значение порога F_д, полосу пропускания пространственно-частотного канала F и выдал ее значение, равное 1,2 Гц, на экран монитора, после чего предъявил начальную частоту F_н.

В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемая выполнила серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения полосы пропускания в Гц: 1,2; 1,3; 1,1; 1,0; 0,8; 0,9; 0,6; 0,7; 0,8; 0,7. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания равно 0,910 Гц, среднее квадратическое отклонение - 0,233 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерений при довертельной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 0,527 Гц.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить полосу пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы.

Литература

1. Kelly D.H. Spatial frequency, bandwidth, resolution//Appl. Optics. - 1965. - V.4. - 2. - Р.435-437.

2. Campbell F. W., Robson J. Application of Fourier analysis to the visibility of gratings//J.Physiol. - 1968. - V.197. - 3. - Р.551-561.

3. Blakemore С. В., Campbell F.W. On the existence in the human visual system of neurons selectively sensitive to the orientation and size of retinal images// J.Physiol. - 1969. - V.203. - 1. - Р.237-260.

4. Шелепин Ю. Е., Колесникова Л.Н., Левкович Ю.И. Визоконтрастометрия: Измерение пространственных передаточных функций зрительной системы. - Л.: Наука, 1985. - 103 с.

5. Глезер В. Д. Зрение и мышление. Изд. 2-е, испр. и доп. - СПб.: Наука, 1993. - 284 с.

6. Green D.G., Campbell F. W. Effect of focus on the visual response to a sinusoidally modulated spatial stimulus/ J. Opt. Soc. Amer. - 1965. - V. 55. - 9. - Р.1154-1157.

7. Болсунов К.Н. Метод и средства визоконтрастометрии для задач ранней диагностики нарушений зрения: Автореф. дис....канд. техн. наук. - С-Пб., 1997. - 15 с.

8. Campbell F.W., Kulikowski J.J. Orientational selectivity of the human visual system // J. Physiol. - 1966. - V.187. - 2. - Р.437-445.

9. Campbell F.W., Cleland B.G., Cooper G.F., Enroth-Cugell Ch. The angular selectivity of visual cortical cells to moving gratings //J.Physiol. - 1968. - V.198. - 1. - P.237-250.

10. Savoy R.L., McCann J. Visibility of low-spatial-frequency sine-wave targets: Dependence of number of cycles //J.Opt. Soc. Amer. - 1975. - V.65. - 3. - Р.343-350.

11. Cohen R.W. Applying psychophysics to display design // Photogr. Sci. and Engineering. - 1978. - V.22. - 2. - Р.56-59.

12. Savoy R.L. Low spatial frequencies and low number of cycles at low luminances // Photogr. Sci. and Engineering. - 1978. - V.22. - 2. - Р.76-79.