устройство для определения времени возбуждения зрительного анализатора человека

Формула изобретения

Устройство для определения времени возбуждения зрительного анализатора человека, содержащее пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом источника света, второй выход - со вторым входом блока индикации, третий выход - со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход генератора миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента И, выход генератора импульсов соединен с первым входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит триггер, делитель на два и вентиль, причем четвертый выход пульта управления соединен с входом генератора импульсов, выход которого соединен с входом третьего одновибратора, выход первого одновибратора соединен со вторым входом источника света и с первым входом делителя на два, выход третьего одновибратора соединен с первым входом триггера и со вторыми входами счетчика и делителя на два, выход делителя на два соединен со вторым входом триггера, выход которого соединен с первым входом вентиля, второй вход вентиля соединен с выходом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, а выход - со вторыми входами первого одновибратора и элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения времени возбуждения зрительного анализатора человека.

Известен трехканальный тахистоскоп для измерения порогового времени, необходимого для узнавания предъявляемых изображений [1]. Данное устройство в центре предэкспозиционного поля проецирует точку фиксации, которую используют в качестве сигнала готовности. Фронты поля экспозиции составляют 1,5-2,0 мс. Время экспозиции варьируют с помощью электронного устройства с минимальным шагом в 1,5 мс.

Недостатком данного тахистоскопа является низкая точность измерения порогового времени узнавания изображений, обусловленная затянутыми фронтами поля экспозиции, составляющими 1,5-2 мс, и минимальным шагом изменения времени экспозиции, равным 1,5 мс.

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 определения времени возбуждения зрительного анализатора в целом, 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 установлено, 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 [5], поэтому на основе ответа отдельного нейрона или группы нейронов нельзя судить о времени возбуждения зрительного анализатора в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор, элемент ИЛИ и элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход счетчика 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, 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 [6].

Недостатками данного устройства является:

- отсутствие индивидуального подбора времени повторения парных световых импульсов;

- возможность предъявления световых импульсов в паре разной длительности, так как они вырабатываются разными одновибраторами. Это приводит к дополнительной погрешности определения параметров инерционности зрительной системы человека, так как ответ сетчатки, являющейся первыми тремя нейронами зрительного пути, формируется при взаимодействии двух нервных процессов - возбуждения и торможения, а количественные характеристики возбуждения и торможения зависят от параметров светового стимула, в том числе от его длительности [7];

- невозможность определения времени возбуждения зрительного анализатора человека.

Время возбуждения зрительного анализатора может быть определено по минимальной длительности светового импульса, воспринимаемого испытуемым. Однако экспериментально установлено, что при длительности световых импульсов менее 3 мс интенсивность субъективно воспринимаемого излучения уменьшается. Увеличение интенсивности излучения до нормального субъективно воспринимаемого уровня нежелательно вследствие возможного повреждения сетчатки зрительного анализатора [8].

В то же время известно, что в зрительном анализаторе on- и off-системы, формирующие соответственно сигнал о появлении и окончании светового стимула, функционируют независимо друг от друга [9, 10], а их динамика сходна [11]. Это позволяет определить время возбуждения зрительного анализатора, то есть on-системы, по равному ему времени возбуждения off-системы.

Предлагаемое устройство позволяет подобрать индивидуальное время повторения парных световых импульсов, определить время возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов, исключить погрешность определения времени возбуждения за счет предъявления световых импульсов в паре одинаковой длительности.

В предлагаемом изобретении в устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом источника света, второй выход - со вторым входом блока индикации, третий выход - со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход генератора миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента И, выход генератора импульсов соединен с первым входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, дополнительно введены триггер, делитель на два и вентиль, причем четвертый выход пульта управления соединен с входом генератора импульсов, выход которого соединен с входом третьего одновибратора, выход первого одновибратора соединен со вторым входом источника света и с первым входом делителя на два, выход третьего одновибратора соединен с первым входом триггера и со вторыми входами счетчика и делителя на два, выход делителя на два соединен со вторым входом триггера, выход которого соединен с первым входом вентиля, второй вход вентиля соединен с выходом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, а выход - со вторыми входами первого одновибратора и элемента И.

Заявляемое устройство благодаря введению триггера, второго счетчика и вентиля позволяет

- подобрать индивидуальное время повторения парных световых импульсов;

- определить время возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов;

- исключить погрешность определения времени возбуждения за счет предъявления световых импульсов в паре одинаковой длительности.

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 его работы.

На фиг.3 представлена временная диаграмма последовательности парных световых импульсов, предъявляемых для определения времени возбуждения зрительного анализатора, где _имп - длительность импульса, равная 200 мс; t _мии - длительность регулируемого межимпульсного интервала между световыми импульсами в паре; Т - время повторения парных световых импульсов, регулируемое в пределах от 750 до 1500 мс.

На фиг.4 представлены временные диаграммы двух световых импульсов длительностью _имп, разделенных межимпульсным интервалом t_мии , и вызываемых ими зрительных ощущений, где:

- фиг.4а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных межимпульсным интервалом t_мии, вызывающих зрительное ощущение раздельности импульсов;

- фиг.4б - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3а;

- фиг.4в - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных пороговым межимпульсным интервалом t_пор, при котором достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в паре в один;

- фиг.4 г - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3в;

- _on - время возбуждения on-системы зрительного анализатора - время суммации on-системы, необходимое для возникновения зрительного ощущения начала стимула, то есть время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [12, 13, 14] (фиг.3б);

- _off - время возбуждения off-системы зрительного анализатора - время суммации off-системы, необходимое для возникновения зрительного ощущения окончания стимула (фиг.3б).

Заявляемое устройство содержит пульт 1 управления, точечный источник 2 света, счетчик 3, блок 4 индикации, генератор 5 импульсов, генератор 6 миллисекундных импульсов, первый 7 одновибратор, второй 8 одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий 9 одновибратор, элемент 10 И, триггер 11, делитель 12 на два и вентиль 13, причем выход элемента 10 И соединен с первым входом счетчика 3, выход которого соединен с первым входом блока 4 индикации, первый выход пульта 1 управления соединен с первым входом источника 2 света, второй выход - со вторым входом блока 4 индикации, третий выход - со вторым входом второго 8 одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход генератора 6 миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента 10 И, выход генератора 5 импульсов соединен с первым входом первого 7 одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго 8 одновибратора с регулируемой длительностью импульса, четвертый выход пульта 1 управления соединен с входом генератора 5 импульсов, выход которого соединен со входом третьего 9 одновибратора, выход первого 7 одновибратора соединен со вторым входом источника 2 света и с первым входом делителя 12 на два, выход третьего 9 одновибратора соединен с первым входом триггера 11 и со вторыми входами счетчика 3 и делителя 12 на два, выход делителя 12 на два соединен со вторым входом триггера 11, выход которого соединен с первым входом вентиля 13, второй вход вентиля 13 соединен с выходом второго 8 одновибратора с регулируемой длительностью импульса, а выход - со вторыми входами первого 7 одновибратора и элемента 10 И.

Генератор 5 импульсов предназначен для формирования последовательности импульсов с длительностью от 750 до 1500 мс, которая задает время повторения сдвоенных тестовых импульсов и подбирается для обеспечения комфортности наблюдения для каждого испытуемого индивидуально. Генератор 5 импульсов может быть выполнен по известной схеме.

Генератор 6 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 7 одновибратор предназначен для выработки сдвоенных тестовых импульсов фиксированной длительности 200 мс, второй 8 одновибратор с регулируемой длительностью импульса - для формирования регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами в пределах от 5 до 150 мс, третий 9 одновибратор - для выработки короткого импульса, обнуляющего счетчик 3, делитель 12 на два и устанавливающего триггер 11 в единицу. Одновибраторы 7, 8 и 9 могут быть выполнены, например, с использованием микросхемы К155АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов, по схеме [15]. Одновибраторы 7 и 9 содержат резистор постоянного сопротивления, одновибратор 8 - потенциометр, расположенный в пульте 1 управления, изменение сопротивления которого определяет изменение длительности выходного импульса.

Счетчик 3 предназначен для определения длительности регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами с точностью 1 мс.

Источник 10 света предназначен для предъявления световых импульсов и выполнен точечным, 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 счетчик 3, триггер 11 и делитель 12 на два обнуляются (цепи не показаны), с пульта 1 управления на источник 2 света подается питание, генератор 5 вырабатывает импульсы (фиг.2а). Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта 1 подбирает индивидуальное время повторения сдвоенных тестовых импульсов. Импульсы с выхода генератора 5 поступают на вход третьего 9 одновибратора, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает короткий импульс (фиг.2б), обнуляющий счетчик 3, делитель 12 на два и устанавливающий триггер 11 в единицу (фиг.2в), которая открывает вентиль 13. Генератор 6 вырабатывает импульсы (фиг.2е), которые поступают на вход элемента 10 И.

Импульсы с выхода генератора 5 поступают также на вход первого 7 одновибратора, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает первый импульс заданной длительности (фиг.2 г). Эти импульсы поступают на источник 2 света, на счетный вход делителя 12 на два и задним фронтом запускают второй 8 одновибратор, длительность импульса на выходе которого регулируется испытуемым с пульта 9 управления в заданных пределах (фиг.2д).

Первый импульс с выхода второго 8 одновибратора через открытый вентиль 13 поступает на элемент 10 И и на вход первого 7 одновибратора, который по заднему фронту импульса вырабатывает второй импульс заданной длительности (фиг.2 г). Этот импульс поступают на источник 2 света, на счетный вход делителя 12 на два и задним фронтом запускают второй 8 одновибратор, который вырабатывает второй импульс (фиг.2д). Сигнал с выхода делителя 12 на два обнуляет триггер 11 (фиг.2в), вентиль 13 закрывается, поэтому второй импульс с выхода второго 8 одновибратора через вентиль 13 не проходит.

Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта 1 уменьшает длительность импульсов на выходе второго 8 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. При поступлении первого импульса с выхода второго 8 одновибратора через открытый вентиль 13 на элемент 10 И на его выходе формируется пачка импульсов (фиг.2ж), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе второго 8 одновибратора в мс. Пачка импульсов поступает на счетный вход счетчика 3, результат счета отображается в блоке 4 индикации. Для считывания значения длительности паузы испытуемый переключает ключ на пульте 1, снимает питание с источника 2 света и подает его на блок 4 индикации, на котором отображается значение параметра времени инерционности в мс.

При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью _имп> _on, разделенных межимпульсным интервалом t_мии >t_пор (фиг.4а), off-система зрительного анализатора после окончания первого импульса возбудится и сформирует сигнал, свидетельствующий о его окончании, поэтому у испытуемого возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.4б).

При уменьшении длительности межимпульсного интервала между двумя световыми импульсами восприятие зрительных импульсов затрудняется из-за влияния обратной маскировки, заключающейся в ухудшении восприятия первого по времени импульса вследствие предъявления второго импульса в непосредственной пространственно-временной близости с первым, а также прямой маскировки, при которой первый импульс влияет на качество восприятия второго [16]. Поэтому при уменьшении длительности межимпульсного интервала t_мии между двумя световыми импульсами до значения t_мии =t_пор (фиг.4в) off-система зрительного анализатора после окончания первого импульса не успевает возбудится и сформировать сигнал, свидетельствующий о его окончании, и у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4 г).

Длительность порогового межимпульсного интервала t_пор между двумя световыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один, определяет пороговое значение времени возбуждения off-системы или равного ему порогового значения времени возбуждения on-системы зрительного анализатора.

Во время ответов на световые стимулы появляется вначале рецептивное поле (РП) нейрона небольшого размера. Затем регистрируемое РП расширяется, после чего ослабляется, фрагментируется и исчезает. Статистическая оценка показала, что исчезновение регистрируемого РП нейрона приходится на период от 100 до 200 мс после появления светового стимула [11]. После исчезновения РП нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к восприятию нового стимула [17], поэтому длительность световых импульсов принята равной 200 мс.

Так как формирование зоны возбуждения РП заканчивается через 60-70 мс после предъявления светового стимула [17], длительность межимпульсного интервала принята равной 70 мс. При такой длительности межимпульсного интервала on-система зрительного анализатора после окончания первого светового импульса возбудится и сформирует сигнал, свидетельствующий о его прекращении.

При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [18]. Для устранения эффекта маскировки последовательность парных световых импульсов повторяется через минимальный временной интервал 750 мс.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет подобрать индивидуальное время повторения парных световых импульсов, определить время возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов, исключить погрешность определения времени возбуждения за счет предъявления световых импульсов в паре одинаковой длительности.

Источники информации

1. Кроль В.М., Таненгольц Л.И. Время узнавания, пороговое время предъявления и длительность маскирования изображений // Физиология человека. - 1976. - Т.2. - №4. - С.566-570.

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. Патент 2220656 РФ, МКИ А 61 В 5/16. Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов. - 13 с.

7. Камилов Х.М., Туракулов Х.А. Системный подход при исследовании зрительной системы - Ташкент: Фан, 1990. - 104 с.

8. Преображенский П.В., Шостак В.И., Балашевич Л.И. Световые повреждения глаз. - Л.: Медицина, 1986. - 200 с.

9. Супин А.Я. Нейронные механизмы зрительного анализа. - М.: Наука, 1974. - 192 с.

10. Глезер В.Д. Зрение и мышление. 2-е изд., перераб. и доп.- СПб.: Наука, 1993. - 284 с.

11. Шевелев И. А. Временная переработка сигналов в зрительной коре // Физиология человека. -1997. - Т.23. - №2. - С.68-79.

12. Роженцов В.В., Петухов И.В. Определение времени ощущения зрительной системы человека // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Матер. II междунар. научн.-практич. конф. / Юж.-Рос. госуд. технич. ун-т (НПИ) - Новочеркасск: OOO НПО "ТЕМП", 2001. - Ч.4. - С.12-14.

13. 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.

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

15. 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.

16. Кропотов Ю.Д., Пономорев В.А. Реакция нейронов и вызванные потенциалы в подкорковых структурах мозга при зрительном опознании. Сообщение IV. Эффект маскировки зрительных стимулов // Физиология человека. - 1987. - Т.13. - №4. - С.561-566.

17. Подвигин Н.Ф. Динамические свойства нейронных структур зрительной системы. Л.: Наука, 1979. - 158 с.

18. 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.