способ увеличения точности определения инерционности зрительной системы человека

Формула изобретения

Способ увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов длительности, равной 50 мс, разделенных паузой, равной 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал 1,5 с, длительность паузы между световыми импульсами изменяют, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, на первом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 20 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений увеличивают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, время инерционности зрительной системы человека принимают равным значению длительности паузы в этот момент времени, отличающийся тем, что скорость уменьшения длительности паузы между двумя световыми импульсами на третьем этапе измерений равна 1 мс/с, время инерционности зрительной системы человека отмечают на плоскости в координатах «время инерционности - номер измерения», описанную процедуру повторяют, строят график зависимости значений времени инерционности зрительной системы человека t_ин как функции t_ин=f(N_i), где N_i - номер i-го измерения, i=1, 2, , k, k - число измерений, до получения квазистационарного режима, когда переходной процесс закончен, в квазистационарном режиме выполняют заданное количество измерений, после чего вычисляют оценку времени инерционности зрительной системы человека как среднеарифметическое значение по формуле



где t_{ин j} - значение времени инерционности зрительной системы человека в j-м измерении, мс;

j=k, k+1, , k+(n-1);

k - номер измерения, соответствующий окончанию переходного процесса;

n - число измерений времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека.

Условием точности определения времени инерционности зрительной системы человека является получение его значений с малой вариабельностью. Однако в результате адаптации испытуемого к экспериментальным условиям, наличием «этапа врабатывания» [1] и влияния «закона научения», согласно которому процесс формирования навыка развивается по экспоненте [2], присутствует переходной процесс. По окончании переходного процесса наступает квазистационарный режим, в котором наблюдается вариабельность значений времени инерционности зрительной системы человека, объясняемая стохастичностью центральной нервной системы как сложного биологического объекта. По мнению Н.М.Пейсахова и соавт., стабилизация значений происходит после двух-трех измерений, поэтому они рекомендуют первые три полученных значения считать ориентировочными и при статистическом анализе их не учитывать [3].

Однако переходной процесс сугубо индивидуален, поэтому необходимое число измерений времени инерционности зрительной системы человека до стабилизации его значений для разных испытуемых различно, что подтверждено экспериментально.

Известен способ нейрофизиологических исследований временной переработки сигналов в стриарной коре животных. Эксперименты, проведенные по данному способу, установили у разных нейронов появление регистрируемого рецептивного поля через 20-80 мс после включения светового стимула, максимум реакции рецептивного поля - через 60-100 мс, а его исчезновение - через 100-200 мс [4]. По данному способу животных анестезировали, обездвиживали, искусственно вентилировали и термостабилизировали. Регистрацию рецептивного поля выполняли с использованием электроэнцефалограммы.

Известны исследования инерционности зрительной системы человека с использованием электроретинографии и зрительных вызванных корковых потенциалов [5, 6, 7, 8].

Недостатком известных способов является сложность проведения исследований, необходимость использования специального оборудования, долгий подготовительный период перед исследованиями.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения времени инерционности зрительной системы человека путем предъявления испытуемому световых импульсов, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов заданной длительности, равной, например, 50 мс, разделенных паузой, равной, например, 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал порядка 1,5 с, длительность паузы между световыми импульсами уменьшают, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, причем на первом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 20 мс/с, пока испытуемый не определит оценочно субъективное слияние двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений увеличивают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью порядка 2 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, время инерционности зрительной системы человека принимают равным значению длительности паузы в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один [9].

Недостатком способа является то, что он не учитывает индивидуальный характер стабилизации измеряемых значений, что приводит к малой точности и достоверности оценки времени инерционности зрительной системы человека при статистической обработке результатов измерений.

Технический результат предлагаемого способа заключается в увеличении точности определения времени инерционности зрительной системы человека путем статистической обработки его значений, полученных в квазистационарном режиме, что позволяет повысить достоверность оценки результатов измерений.

Технический результат достигается тем, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов длительности, равной 50 мс, разделенных паузой, равной 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал 1,5 с, длительность паузы между световыми импульсами изменяют, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, на первом этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 20 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений увеличивают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, время инерционности зрительной системы человека принимают равным значению длительности паузы в этот момент времени, причем новым является то, что скорость уменьшения длительности паузы между двумя световыми импульсами на третьем этапе измерений равна 1 мс/с, время инерционности зрительной системы человека отмечают на плоскости в координатах «время инерционности - номер измерения», описанную процедуру повторяют, строят график зависимости значений времени инерционности зрительной системы человека t_ин как функции t_ин=f(N_i ), где N_i - номер i-го измерения, i=1, 2, , k, k - число измерений, до получения квазистационарного режима, когда переходной процесс закончен, в квазистационарном режиме выполняют заданное количество измерений, после чего вычисляют оценку времени инерционности зрительной системы человека как среднеарифметическое значение по формуле

,

где t_{ин j} - значение времени инерционности зрительной системы человека в j-м измерении, мс; j=k, k+1, , k+(n-1); k - номер измерения, соответствующий окончанию переходного процесса (началу квазистационарного режима); n - число измерений времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме.

Время переходного процесса определяется временем, после которого имеет место неравенство [10]:

|t_{ин i}-t_{ин 0}| /2,

где t_{ин i} - значение времени инерционности зрительной системы человека в i-м измерении, i=1, 2, , k, k - число измерений до получения квазистационарного режима; t_{ин 0} - среднее значение времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме; =(t_{ин max}-t_{ин min}) - вариационный размах значений времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме; t_{ин max} - максимальное значение времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме; t_{ин min} - минимальное значение времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме.

На фиг.1 представлена временная диаграмма последовательности предъявляемых двух световых импульсов, где _и - длительность световых импульсов; t_п - длительность паузы между двумя световыми импульсами; Т - интервал повторения двух световых импульсов.

На фиг.2 представлена временная диаграмма изменения длительности паузы t_п между двумя световыми импульсами, предъявляемыми испытуемому в процессе измерения.

На фиг.3 представлены временные диаграммы двух световых импульсов длительностью _и> ₁, разделенных паузой t_п, и вызываемых ими зрительных ощущений, где фиг.3а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных паузой t_п>t _пор, вызывающих зрительное ощущение раздельности импульсов; фиг.3б - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3а; фиг.3в - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных паузой t_пор, вызывающих субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один; фиг.3г - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3в; ₁ - время зрительного ощущения - время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [11, 12]; ₂ - время восстановления - время между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения [11, 12]; t_пор - пороговая длительность паузы между двумя световыми импульсами, при которой возникает субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один.

На фиг.4-5 представлены графики значений времени инерционности зрительной системы двух испытуемых, полученных в процессе измерения.

Предлагаемый способ увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека осуществляется следующим образом.

Испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов длительности _и=50 мс, разделенных паузой начальной длительности t_п.нач=150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал Т=1,5 с (фиг.1; фиг.2, интервал времени 0-T₁ ).

На первом этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с постоянной скоростью 20 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, интервал времени T₁-Т₂, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_п1).

На втором этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами увеличивают с постоянной скоростью 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.2, интервал времени Т₃-Т₄, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_п2).

На третьем этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с постоянной скоростью 1 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, интервал времени Т₅-Т ₆, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_пор).

Время инерционности зрительной системы человека t_ин принимают равным значению длительности паузы t_пор, которое отмечают на плоскости в координатах «время инерционности - номер измерения».

Описанную процедуру повторяют, строят график зависимости значений времени инерционности зрительной системы человека t_ин как функции t_ин=f(N_i), где N_i - номер i-го измерения, i=1, 2, , k, k - число измерений, до получения квазистационарного режима, когда переходной процесс закончен.

В квазистационарном режиме выполняют заданное количество измерений, после чего вычисляют оценку времени инерционности зрительной системы человека как среднеарифметическое значение по формуле

,

где t_{ин j} - значение времени инерционности зрительной системы человека в j-м измерении, мс; j=k, k+1, , k+(n-1); k - номер измерения, соответствующий окончанию переходного процесса (началу квазистационарного режима); n - число измерений времени инерционности зрительной системы человека в квазистационарном режиме.

При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью _и> ₁, разделенных паузой t_п>t _пор (фиг.3а), у него возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.3б). При уменьшении длительности паузы t_п между двумя световыми импульсами до значения t_п=t_пор (фиг.3в) у испытуемого возникает субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один (фиг.3г).

Во время действия светового стимула рецептивные поля (РП) нейронов претерпевают три фазы перестройки [13]. Во время первой фазы длительностью порядка 10 мс происходит пространственно-временное накопление сигналов и формирование зоны возбуждения РП. Во время второй фазы длительностью от 50 до 60 мс, зависящей от параметров стимула, протекает процесс сужения зоны суммации РП. В течение третьей фазы перестройки происходит расширение зон суммации полей и функциональная дезорганизация РП. Нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к новому циклу восприятия. Так как вторая фаза формирования РП нейрона заканчивается через 60-70 мс после предъявления светового стимула, длительность световых импульсов принята равной 50 мс.

Исчезновение РП нейронов приходится на период от 100 до 200 мс после предъявления светового стимула [4]. Поэтому два световых импульса будут ощущаться раздельными, если второй световой импульс предъявляется через 100-200 мс после начала предъявления первого светового импульса. Тогда общая длительность светового импульса и паузы должна быть

_и+t_п (100 200) мс.

При длительности светового импульса _и=50 мс начальная длительность паузы должна быть

t_{п н} (50 150) мс

и принята равной 150 мс.

Восприятие зрительного стимула затрудняется в условиях обратной маскировки, заключающейся в ухудшении восприятия первого по времени стимула вследствие предъявления второго стимула в непосредственной пространственно-временной близости с первым. Показано существование не только эффекта обратной, но и прямой маскировки, при которой первый стимул влияет на качество восприятия второго [14]. При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [15]. Для устранения эффекта маскировки последовательность двух световых импульсов повторяется через постоянный временной интервал, равный 1,5 с.

Заявляемый способ позволяет учесть индивидуальный характер стабилизации измеряемых значений, что повышает точность определения времени инерционности зрительной системы человека.

Таким образом, заявляемый способ увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.

Пример 1.

Испытуемому И., 23 лет, с помощью персонального компьютера, выдающего через порт LPT на индикатор пульта испытуемого импульсы, предъявили последовательность двух световых импульсов длительности _и=50 мс, разделенных паузой начальной длительности t_{п нач}=150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал Т=1,5 с (фиг.1; фиг.2, интервал времени 0-T₁ ).

В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок «Уменьшение длительности паузы», «Увеличение длительности паузы» и «Измерение». По первому сигналу с кнопки «Уменьшение длительности паузы» компьютер непрерывно уменьшал длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 20 мс/с, по второму сигналу - с постоянной скоростью 1 мс/с. По сигналу с кнопки «Увеличение длительности паузы» компьютер непрерывно увеличивал длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 5 мс/с. По сигналу с кнопки «Измерение» компьютер фиксировал значение времени инерционности зрительной системы испытуемого, заносил его в архив, отмечал на плоскости в координатах «время инерционности - номер измерения», после чего предъявлял испытуемому начальную последовательность световых импульсов.

На первом этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Уменьшение длительности паузы», определил момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, интервал времени T₁-Т₂, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_п1).

На втором этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Увеличение длительности паузы», определил момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.2, интервал времени Т₃ -Т₄, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_п2).

На третьем этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Уменьшение длительности паузы», определил момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, интервал времени Т₅-Т ₆, длительность паузы между двумя световыми импульсами t_пор), после чего подал сигнал с кнопки «Измерение» (фиг.2, момент времени Т₇).

Компьютер зафиксировал значение времени инерционности зрительной системы испытуемого, занес его в архив, отметил на плоскости в координатах «время инерционности - номер измерения» и выдал на индикатор пульта испытуемого начальную последовательность световых импульсов.

Испытуемый повторил описанную процедуру до получения квазистационарного режима, когда переходной процесс закончен. В квазистационарном режиме испытуемый в соответствии с рекомендациями физиологов выполнил 10 измерений времени инерционности зрительной системы. В результате измерений получены следующие значения времени инерционности зрительной системы испытуемого в мс: 50,0; 49,0; 48,7; 47,8; 47,5; 48,3; 47,4; 48,3; 47,8; 48,3; 47,4; 48,3; 47,6, которые представлены в виде графика на фиг.4. По графику определили номер измерения 4, соответствующий окончанию переходного процесса.

Оценку времени инерционности зрительной системы испытуемого в квазистационарном режиме вычислили как среднеарифметическое значение по формуле

В соответствии с ГОСТ Р 50779.21-2004 [16] среднеквадратическое отклонение измеренных значений времени инерционности зрительной системы испытуемого в квазистационарном режиме равно 0,395 Гц.

При исключении из статистического анализа первых трех измерений среднеарифметическое значение и среднеквадратическое отклонение времени инерционности зрительной системы испытуемого совпадают с значениями, вычисленными для квазистационарного режима.

Пример 2.

Испытуемый М., 20 лет, аналогично испытуемому И., выполнил серию измерений времени инерционности зрительной системы до получения квазистационарного режима и 10 измерений в квазистационарном режиме, в результате получены следующие его значения в мс: 55,9; 55,6; 54,4; 54,0; 53,1; 51,9; 51,5; 50,8; 51,4; 51,6; 51,0; 50,8; 51,5; 51,0; 50,8; 51,5, которые представлены в виде графика на фиг.5. По графику определили номер измерения 7, соответствующий окончанию переходного процесса.

Оценку времени инерционности зрительной системы испытуемого в квазистационарном режиме вычислили как среднеарифметическое значение по формуле

В соответствии с ГОСТ Р 50779.21-2004 [16] среднеквадратическое отклонение измеренных значений времени инерционности зрительной системы испытуемого в квазистационарном режиме равно 0,350 мс.

При условии обработки первых 13 измерений и исключении из статистического анализа первых трех измерений, как рекомендуется в [3], среднеарифметическое значение времени инерционности зрительной системы испытуемого равно 51,8 мс, среднеквадратическое отклонение 1,027 мс.

Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений (среднеквадратическое отклонение) при вычислении времени инерционности зрительной системы испытуемого по предложенному способу по сравнению с вычислениями, когда обрабатываются первые 13 измерений и из статистического анализа исключены первые три измерения, составило 65,9%.

Положительный эффект предлагаемого способа увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека подтвержден результатами экспериментального исследования по группе из 10 испытуемых. Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений получено у 7 испытуемых, которое составило от 45,7 до 88,4%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность определения времени инерционности зрительной системы человека путем статистической обработки его значений, полученных в квазистационарном режиме, за счет чего повысить достоверность оценки результатов измерений.

Источники информации

1. Приборы и комплексы для психофизиологических исследований. Исследования, разработка, применение / Под ред. В.А.Викторова, Е.В.Матвеева. - М.: ЗАО"ВНИИМП-ВИТА", 2002. - 228 с.

2. Ткачук В.Г., Петрович Б. Вариативность физиологических показателей в механизме адаптации биосистем // VII Междунар. науч. конгресс «Современный олимпийский спорт и спорт для всех»: Матер. конф. - Т.2. - М.: СпортАкадемПресс, 2003. - С.182-183.

3. Методы и портативная аппаратура для исследования индивидуально-психологических различий человека / Н.М.Пейсахов, А.П.Кашин, Г.Г.Баранов, Р.Г.Вагапов; Под ред. В.М.Шадрина. - Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1976. - 238 с.

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

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

6. Татко В.Л. Хронометрия процессов переработки информации человеком // Проблемы современной психофизиологии / Итоги науки и техники. Серия Физиология человека и животных. Том 35. - М.: ВИНИТИ, 1989. - С.3-144.

7. Бетелева Т.Г. Функциональная специализация полушарий при составлении наличного и предыдущего стимулов // Физиология человека. - 2000. - Т.26, № 3. - С.21-30.

8. Нечаев В.Б., Ключарев В.А., Кропотов Ю.Д., Пономарев В.А. Вызванные потенциалы коры больших полушарий при сравнении зрительных стимулов // Физиология человека. - 2000. - Т.26, № 2. - С.17-23.

9. Патент 2195174 РФ, A61B 5/16. Способ определения времени инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов. - Опубл. 27.12.2002, Бюл. № 36.

10. Солодовников В.В., Плотников В.П., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. - М.: Машиностроение, 1985. - 535 с.

11. 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.

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

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

14. Кропотов Ю.Д., Пономарев 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.

15. 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.

16. ГОСТ Р 50779.21-2004. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. - Ч.1: Нормальное распределение. - М.: Изд-во стандартов, 2004. - 43 с.