Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы определения временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации 19
1.1. Сенсорные системы человека 19
1.2. Зрительный анализатор 21
1.2.1. Строение сетчатки и моделирование зрительного анализатора 21
1.2.2. Математический аппарат динамики возбуждения нервной клетки 25
1.3. Зрительные функции и временные параметры процессов восприятия и переработки зрительной информации 34
1.3.1. Зрительные функции 34
1.3 2 Временные параметры процессов восприятия и переработки зрительной информации 40
1.4. Методы оценки временных параметров зрительного восприятия 42
1.4.1. Методы оценки времени ощущения зрительного анализатора 45
1.5. Приборы для оценки зрительных функций и временных параметров восприятия и переработки т/ч зрительной информации 49
1.6. Зрительное и мышечное утомление 59
1.7. Постановка задачи исследования 61
ГЛАВА 2. Модели и метод оценки временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации 62
Модель ощущения светового импульса , 62
1. Исходные положения к моделированию 62
2. Структурно-функциональная модель прямого пути зрительного анализатора .65
3. Математическая модель прямого пути зрительного анализатора 66
4. Построение имитационной модели ощущения светового импульса модель зрительного восприятия парных световых импульсов... 69
1. Структурно-функциональная модель зрительного анализатора .71
2 Математическая модель нейронов сетчатки 72
3. Построение имитационной модели зрительного восприятия парных световых импульсов 78
Метод оценки времени ощущения зрительного анализатора 80
Выводы 83
ГЛАВА 3. Приборы и аппаратно-программный комплекс для оценки времени ощущения зрительного анализатора 85
Методика оценки времени ощущения зрительного анализатора 85
Приборы для оценки времени ощущения зрительного анализатора 85
Аппаратно-программный комплекс для оценки времени ощущения зрительного анализатора 98
3.4. Выводы 103
ГЛАВА 4. Практическая реализация метода оценки времени ощущения зрительного анализатора 105
4.1. Условия проведения экспериментальных исследований 105
4.2. Результаты экспериментальных исследований оценки времени ощущения зрительного анализатора 106
4.3. Результаты экспериментальных исследований сравнительной точности оценки критической частоты световых мельканий и времени ощущения зрительного анализатора 107
4.4. Результаты экспериментальных исследований оценки зрительного утомления по динамике значения времени ощущения зрительного анализатора ПО
4.5. Результаты экспериментальных исследований оценки мышечного утомления по динамике значения времени ощущения зрительного анализатора 116
4.6. Выводы 128
Заключение 130
Список использованной литературы
- Строение сетчатки и моделирование зрительного анализатора
- Структурно-функциональная модель прямого пути зрительного анализатора
- Приборы для оценки времени ощущения зрительного анализатора
- Результаты экспериментальных исследований сравнительной точности оценки критической частоты световых мельканий и времени ощущения зрительного анализатора
Введение к работе
Процессы восприятия и переработки информации, поступающей из внешнего мира, являются одними из наиболее важных как в повседневной, так и профессиональной деятельности человека. Большую роль в процессе получения информации играет зрительный анализатор (ЗА) человека, обеспечивающий получение более 80% ее объема и являющийся предметом исследования в области нейрофизиологии, физиологии сенсорных систем, офтальмологии и офтальмоэргономики.
Исследованию ЗА посвящены работы СИ. Вавилова, А.Л. Бызова
В.Д. Глезера, B.C. Кравкова, А.В. Луизова, Е.Е. Сомова, Ю.Е. Шелепина,
А.Я. Супина, Н.Ф. Подвигана, A.M. Шамшиновой и многих других.
Наибольший интерес при исследовании ЗА представляют зрительные
функции, аналитический обзор которых приведен в 1-ой главе
v диссертационной работы, среди которых выделяют светоощущение,
цветоощущение и критическую частоту световых мельканий (КЧСМ), то есть частоту световых мельканий, которую глаз вследствие инерционности воспринимает как постоянное свечение.
Явление инерционности обусловлено наличием временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации, таких как время ощущения и время восстановления ЗА, и используется при создании всевозможных технических приборов, связанных с выводом и отображением информации. В связи с широким внедрением информационных технологий в повседневную деятельность человека инерционность зрения приобретает особую значимость.
При восприятии и переработки простой зрительной информации в виде световых импульсов помимо КЧСМ, времени ощущения и времени восстановления выделяют время суммации. Вопросы оценки КЧСМ, времени восстановления и времени суммации рассмотрены в работах В.В. Волкова, А.В. Луизова, Н.Ф. Подвигана, В.В. Роженцова и И.А. Шевелева и многих
других, а вопросы оценки времени ощущения - в работах СВ. Кравкова, Е.Е. Сомова и других. Однако существующие методы и инструментальные средства оценки времени ощущения ЗА обладают низкой точностью.
Известны многочисленные работы по исследованию зрительного и мышечного утомления человека. Обилие фактов, свидетельствующих о разнообразии симптомов утомления, и множество методических подходрв не способствовали созданию общепринятой теории зрительного и мышечного утомления и разработке способов его оценки.
Исходя из вышеизложенного, разработка метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения для повышения точности оценки времени ощущения ЗА является актуальной задачей, имеющей существенное значение для отраслей знаний, связанных с исследованием процессов восприятия и переработки зрительной информации.
Объектом исследования являются инструментальные средства оценки временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации.
Предметом исследования является методическое, алгоритмическое, приборное и программно-техническое обеспечение инструментальных средств.оценки времени ощущения ЗА.
Целью работы является повышение точности оценки и практическая реализация метода и инструментальных средств оценки времени ощущения ЗА.
Научная задача работы заключается в создании метода и синтезе инструментальных средств оценки времени ощущения ЗА.
Для достижения поставленной цели и задачи необходимо решить следующие вопросы:
Предложить модели процессов ощущения ЗА и зрительного восприятия парных световых импульсов;
Разработать метод и методику оценки времени ощущения ЗА;
Разработать приборы и аппаратно-программные средства для оценки времени ощущения ЗА, обеспечивающие повышение ее точности;
Провести экспериментальные исследования по оценки времени ощущения ЗА, сравнительной точности оценок КЧСМ и времени ощущения ЗА, исследовать возможность использования времени ощущения ЗА для оценки зрительного и мышечного утомления.
Методы исследований. Для решения обозначенной цели и задачи в диссертационной работе использовались аналитические методы, аппарат теории автоматического управления, методы алгоритмизации и имитационного моделирования, теории математической статистики.
Достоверность полученных результатов. Сформулированные в диссертационной работе научные положения и рекомендации обоснованы теоретическими решениями, результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными и не противоречат известным положениям, полученными другими авторами; базируются на строго доказанных выводах; обеспечиваются корректной постановкой экспериментов.
В процессе решения перечисленных выше вопросов в диссертационной работе получены новые научные результаты:
Предложены структурно-функциональные модели прямого пути и ЗА в целом, модели ганглиозной клетки, нейронов наружного коленчатого тела (НКТ) и зрительной коры головного мозга, позволившие построить имитационные модели процессов ощущения ЗА и зрительного восприятия парных световых импульсов;
Разработаны метод и методика оценки времени ощущения ЗА, позволившие создать на их основе новые инструментальные средства повышенной точности;
Разработаны алгоритмы работы и структура приборов и аппаратно-программного комплекса (АПК) для оценки времени ощущения ЗА, обеспечивающие повышение ее точности;
Установлено, что анализ динамики времени ощущения ЗА позволяет
оценить степень зрительного и мышечного утомления.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке:
Моделей, позволивших построить имитационные модели процессов ощущения ЗА и восприятия парных световых импульсов, которые качественно и количественно отображают значение времени ощущения ЗА;
Метода оценки времени ощущения ЗА, являющегося базой для разработки новых инструментальных средств.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
Разработаны и внедрены приборы для оценки времени ощущения ЗА - ИВО-1, ИВО-2, ИВО-3 и АТЖ для автоматизации оценки времени ощущения ЗА, обеспечивающие повышение ее точности;
Проведены экспериментальные исследования оценок времени ощущения ЗА и утомления человека, позволившие дать рекомендации по применению метода оценки, диапазона и скорости изменения, шага дискретизации параметров предъявляемых импульсных последовательностей.
Публикации и апробация результатов. Основные научные результаты опубликованы" в 15 работах, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 2 патента РФ на изобретение, 1 свидетельство РОСПАТЕНТа об официальной регистрации программы для ЭВМ, 4 статьи и 7 работ в материалах и трудах конференций.
С целью апробации основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
2-й научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы - 2003», г. Санкт-Петербург, 2003 г.;
всероссийской научно-практической конференции «Методы и устройства в психофизиологических исследований человека», г. Йошкар-Ола, 2004-2005 гг.;
3-й ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», г„ Казань, 2005 г.;
6-й Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», г. Самара, 2005 г.;
региональной научно-практической конференции «Физическая культура, спорт и здоровье», г. Йошкар-Ола, 2005 г.;
международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии», г. Новочеркасск 2005 г.;
VI международной научно-практической конференции «Здоровье и Образование в XXI веке», г: Москва, 2005 г.;
ежегодных научно-технических конференциях МарГТУ (2003 - 2006 гг.).
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы:
при выполнении госбюджетной НИР «Методы и средства исследования функционального состояния зрительной системы и организма человека» по плану Марийского государственного технического университета, номер госрегистрации № 01.2.00306970 (2003-2005 гг.);
в проектно-конструкторской деятельности ОАО «Биомапшрибор» (г, Йошкар-Ола);
в научных исследованиях зрительного утомления при зрительно-напряженном труде на кафедре медицины и гигиены труда с курсом медицинской экологии ПДО в Казанском государственном медицинском университете (г. Казань);
при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Исследование функционального состояния организма человека психофизиологическими методами» на кафедре теоретических основ
физического воспитания Марийского государственного педагогического института (г. Йошкар-Ола);
-в учебном процессе специальности 220500 «Конструирование и
технология электронно-вычислительных средств» кафедрой
«Проектирование и производство электронно-вычислительных средств» Марийского государственного технического университета (г. Йошкар-Ола).
Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами.
Пути дальнейшей реализации результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в офтальмологии, офтальмоэргономике, психофизиологии, в экспериментальной психологии, физиологии и гигиене труда и спорта.
Дальнейшее развитие научных исследований целесообразно проводить по изучению индивидуальных процессов адаптации человека к внешним нагрузкам, индивидуальных особенностей динамики психофизиологического состояния.
По результатам выполнения диссертационной работы сформулированы научные положения, выносимые на защиту:
Структурно-функциональные модели прямого пути и ЗА в целом, модели ганглиозной клетки и формального нейрона, позволившие с использованием известных передаточных функций клеток сетчатки построить имитационные модели процессов ощущения ЗА и восприятия парных световых импульсов, которые качественно и количественно отображают значение времени ощущения ЗА;
Метод и методика оценки времени ощущения ЗА, позволившие создать на основе взаимосвязанности методического, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения новые инструментальные средства;
Алгоритм работы и структура приборов для оценки времени ощущения ЗА, обеспечивающие повышение ее точности;
Сведения о личном вкладе автора. Автором диссертационной
работы:
Выполнен анализ основных направлений в моделировании ЗА, существующих методов и инструментальных средств для оценки зрительных функций и временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации,
Предложены модели процессов ощущения ЗА и зрительного восприятия парных световых импульсов;
Разработаны метод и методика оценки времени ощущения ЗА;
Разработаны алгоритмы работы и структура приборов для оценки времени ощущения ЗА. Разработан алгоритм программы для аппаратно-программного комплекса;
Проведены экспериментальные исследования, обработка и анализ данных, сделаны выводы.
К.Т.Н., доцентом Роженцовым Валерием Витальевичем были поставлены задачи исследований, сформулированы требования к моделям, методикам проведения измерений, структуре приборов и АПК.
К.п.н., профессором Полевщиковым Михаилом Михайловичем осуществлялось методическое руководство при исследовании мышечного утомления.
Д.м.н., профессором Ситдиковой Ириной Дмитриевной осуществлялось методическое руководство в научных исследованиях зрительного утомления при зрительно-напряженном труде.
Автору оказана помощь в выполнении экспериментальных исследований Т.И. Андриановой, Л.Т. Газизуллиной, Т.А. Лежниной, Н.П. Николаевой, И.В. Петуховым, А.М. Шрага, в формулировке технических требований к приборам - АГ. Исаевым, в написании прикладных программ - И.В. Петуховым.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации
14 составляет 162 страницы, в том числе 67 рисунков и 6 таблиц, список
литературы из 174 наименований на 19 страницах, приложения на 11
страницах.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются объект, предмет, цель и задача исследования, отмечены методы исследования, достоверность и новизна полученных результатов, их теоретическая значимость и практическая ценность, приведены данные о публикации, апробации и реализации результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведены данные о структуре и объеме диссертации, дается краткий обзор диссертации по главам.
В первой главе выполнен анализ методов и приборов оценки зрительных функций и временных параметров процессов восприятия и переработки зрительной информации.
Выявлены основные направления в моделировании ЗА, приведен обзор известных методов оценки временных параметров зрительного восприятия, сопоставлены их возможности, проанализированы основные недостатки и ограничения.
Рассмотрена история создания и развития приборов для оценки зрительных функций и временных параметров зрительного восприятия.
Показано, что существующие методы и инструментальные средства для оценки времени ощущения ЗА обладают низкой точностью.
Выявлено, что зрительный, а также мышечный вид утомления трудно поддается количественному учету и оценке, не до конца решены вопросы учета индивидуальных особенностей процессов адаптации человека к зрительно-напряженной и мышечной нагрузке.
Вторая глава посвящена разработке моделей процессов ощущения ЗА, зрительного восприятия парных световых импульсов и метода оценки времени ощущения ЗА.
Для моделирования процесса ощущения ЗА на основе анализа литературных данных предложена структурно-функциональная модель
прямого пути ЗА, отображающая прохождение возбуждения от нижних уровней ЗА к верхним. Она включает предложенные модели ганглиозной клетки, нейронов НКТ и зрительной коры головного мозга в виде элемента задержки с функцией активации в виде жесткой ступеньки.
Для моделирования зрительного восприятия парных световых импульсов на основе анализа литературных данных предложена структурно-функциональная модель ЗА, которая включает предложенную модель формального нейрона. Модель нейрона учитывает временные задержки, явление адаптации нейрона путем введения схем управления весами синапсов и обратной связи, обеспечивает изменение уровня порога срабатывания нейрона, объясняет взаимодействие процессов возбуждения и торможения, является пороговым элементом, работающим по принципу «все или ничего».
Приведены результаты имитационного моделирования процессов ощущения ЗА и зрительного восприятия парных световых импульсов.
Имитационная модель ощущения светового импульса ЗА построена на основе предложенной структурно-функциональной модели прямого пути ЗА, включающей предложенные модели ганглиозной клетки, нейронов НКТ и зрительной коры головного мозга, известных передаточных функций фоторецепторных и биполярных клеток сетчатки.
Имитационная модель зрительного восприятия парных световых импульсов построена на основе предложенной структурно-функциональной модели ЗА, предложенных моделей ганглиозной клетки и формального нейрона, известных передаточных функций фоторецепторных, биполярных и горизонтальных клеток сетчатки.
Предложенные модели построены с использованием пакета прикладного программного обеспечения академической версии VisSim 4.5. В результате моделирования установлено, что время ощущения ЗА составляет 11,5 мс, а два световых импульса сольются при межимпульсном интервале (МИИ) равном, 11 мс.
Для оценки времени ощущения ЗА разработан метод, основанный на предъявлении последовательности парных световых импульсов и определении длительности порогового МИИ, при котором два импульса в паре сливаются в один. Разработанный метод оценки времени ощущения ЗА позволяет уменьшить время подготовительного периода, упростить процедуру и уменьшить время исследований, проводить их без использования сложного оборудования в естественных условиях профессиональной деятельности.
В третьей главе разработаны методика, алгоритм работы, структура приборов и АПК для оценки времени ощущения ЗА.
Разработанная методика оценки времени ощущения ЗА, основана на методе последовательного приближения с постепенным и дискретным изменением длительности МИИ. Скорость постепенного изменения МИИ на последнем этапе принята равной 1 мс/с, шаг дискретного изменения - ОД мс.
При оценке времени ощущения ЗА на основе данных имитационного эксперимента начальная длительность МИИ принята равной 30 мс.
Оценка времени ощущения выполняется путем измерения длительности порогового МИИ время-импульсным методом с использованием кварцевого генератора частотой 1МГц. Интенсивность световых импульсов при оценке времени ощущения регулируется и методом визуального фотометрирования выравнивается с интенсивностью эталонного источника при частоте световых мельканий, соответствующей индивидуальной подпороговой КЧСМ.
Для реализации предложенного метода и методики оценки времени ощущения ЗА разработаны приборы ИВО-1,ИВО-2 иИВО-3.
Для автоматизации оценки времени ощущения ЗА разработан АПК, выполненный на базе ПЭВМ, в состав которого входит пульт предъявления световых импульсов. Программное обеспечение позволяет выполнять следующие функции: регистрацию испытуемого; оценку времени ощущения ЗА испытуемого; запись данных в архив. Все разработанные приборы и АПК
17 для оценки времени ощущения опробованы экспериментально и внедрены в учебном и производственном процессе, что подтверждено актами о внедрении и использовании.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований времени ощущения ЗА с использованием разработанных приборов и аппаратно-программного комплекса.
В результате экспериментальных исследований установлено, что индивидуальное время ощущения по группе из 30 испытуемых находится в пределах от 5,5 до 18,6 мс, медиана распределения результатов оценки составляет 11,4 мс, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% - [10,1 мс; 13,5 мс].
Выполнен сравнительный анализ точности оценки КЧСМ и времени ощущения ЗА. Точность оценки времени ощущения ЗА выше точности оценки КЧСМ по группе из 15 испытуемых и находится в пределах от 19,9 до 28,7%, медиана распределения составляет 22,5 %, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% - [20,4%; 24,9%].
Проведены экспериментальные исследования зрительного утомления с использованием предложенного метода оценки времени ощущения ЗА. Установлено, что время ощущения ЗА позволяет оценить индивидуальный характер адаптации человека к зрительно-напряженной работе, своевременно внести коррективы объема и интенсивности нагрузки, рационально организовать время и длительность рабочих перерывов и повысить производительность труда..
Проведены экспериментальные исследования методом велоэргометрии утомления человека с использованием разработанного метода оценки времени ощущения ЗА. Установлено что, временя ощущения ЗА отображает индивидуальный характере адаптации человека к мышечной нагрузке и позволяет выделить периоды работоспособности.
В заключении формулируются выводы и приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.
Приложения содержат таблицы с результатами статистической обработки экспериментальных данных по оценки времени ощущения ЗА, листинг программы для оценки времени ощущения ЗА.
Автор благодарит соавторов совместных публикаций, коллег за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований и выражает особую благодарность к.т.н., доценту кафедры проектирования и производства ЭВС Марийского государственного технического университета Роженцову Валерию Витальевичу за научные консультации и оказание методической помощи при работе над диссертацией.
Автор выражает благодарность профессору кафедры гигиены, медицины труда с курсом медицинской экологии ПДО КГМУ, д.м.н. Ситдиковой И.Д. за научные консультации.
Строение сетчатки и моделирование зрительного анализатора
Свет, проходя через радужную оболочку, преломляется роговицей и хрусталиком, попадает на сетчатку и формирует изображение объекта, которое с помощью фоторецепторов (палочек и колбочек) преобразуется в биоэлектрические сигналы. Палочки функционируют при слабых интенсивностях раздражителей, обеспечивают «сумеречное» зрение и служат для получения только ахроматических впечатлений. Колбочки функционируют при сильных интенсивностях раздражителей, обеспечивают «дневное» зрение и служат для получения хроматических ощущений [4, 9].
Первичный процесс зрительной рецепции - фотохимическая реакция. Фотоны поглощаются молекулами зрительных пигментов. Каждая молекула пигмента поглощает один фотон и переходит на более высокий энергетический уровень. С поглощением энергии в палочках и колбочках происходит цепь молекулярных реакций, которая заключается в фотопревращении зрительного пигмента (фотолиза). Одновременно с началом процесса фотолиза начинается процесс восстановления (ресинтез) зрительных пигментов. Таким образом, вследствие фотохимического процесса устанавливается равновесие и в связи с этим обеспечивается светотемновая адаптация [1,10].
Сетчатка имеет вертикальные и горизонтальные ассоциативные связи (рис. 1.1.):. вертикальные связи представлены рефлекторной дугой, в которой первым нейроном являются нейроэпителиальные клетки - палочки и колбочки, вторым - биполярные клетки, третьим - ганглиозные клетки, аксоны которых образуют зрительный нерв и оканчиваются в наружном коленчатом теле, где находятся тела четвертых нейронов [9,11].
Строение сетчатки и электрические ответы ее клеток на световой стимул. а) - схема строения сетчатки [12, стр. 152]; б) - электрические ответы клеток на световой стимул [13, стр. 229]. С помощью горизонтальных связей, присутствующих на каждом уровне ЗА (в сетчатке это горизонтальные и амакриновые клетки), осуществляется взаимодействие между нейронами прямого пути [14,15].
Углубленные исследования существующих взаимоотношений между элементами ЗА позволяют построить модели, способствующие раскрытию закономерностей процессов, происходящих в ЗА.
Моделирование - одна из форм теоретической работы (наиболее естественная в мало изученных областях знаний), направленная на создание новых знаний в виде согласованной системы фактов и гипотез о сущности изучаемых явлений [16].
Сущность моделирования заключается в переходе от непосредственного изучения исходного явления, процесса или технической системы к другому явлению, процессу или технической системе, именуемой моделью. Основная цель такого перехода - облегчить исследования, сделать доступным определение интересующих нас величин и искусственно воспроизвести исследуемые явления [11].
В моделировании ЗА и процесса восприятия зрительной информации сложились следующие этапы [17,18]: - выбор объекта моделирования; - формулирование цели моделирования; - определение системы количественных показателей; - сбор материала и проведение предварительных опытов; - расчет обобщенных показателей сложности биосистемы и уровня ее организации по отношению к выбранной системе показателей; - выбор математического аппарата; - построение структурно-функциональной блок-схемы; - составление уравнений структурных блоков системы и уравнений взаимодействия структурных блоков; - проведение основной серии экспериментов;
Структурно-функциональная модель прямого пути зрительного анализатора
Согласно современным представлениям в ЗА существуют два принципиально различных пути передачи сигнала [1,14,15,130]: - прямой путь - фоторецепторная клетка, биполярная и ганглиозная клетки, далее НКТ и зрительные центры коры головного мозга; - путь передачи сигнала по горизонтальным связям.
Принципиальное различие этих путей заключается в том, что по прямому пути передается возбуждение от нижних уровней к верхним, а по горизонтальным связям на каждом из уровней ЗА порождаются тормозные процессы, которые развиваются медленнее или с некоторой задержкой по отношению к возбуждению.
В рецептивных полях по прямому пути, как правило, одна рецепторная клетка (колбочка) связана с одной биполярной клеткой, а один биполяр - с одной ганглиозной клеткой. В ганглиозных клетках происходит преобразование аналогового сигнала в импульсный [26,34,132]. Затем зрительная информация передается в НКТ, из которого направляется в зрительную кору головного мозга [14,133,134].
Таким образом, возбуждение передается по прямому пути от уровня к уровню и вызывает зрительное ощущение, как показано на рис. 2.3. [135] . TN ФРК — БК011 — гк -» НКТ — НЗК ОиТЗА S Рис.2.3. Структурно-функциональная модель прямого пути зрительного анализатора IN - входной сигнал; ФРК - фоторецепторные клетки; БКМ - биполярные клетки оп-канала; ГК - ганглиозные клетки; НКТ - наружное коленчатое тело; НЗК - нейроны зрительной коры головного мозга; ОиТзд - выходной сигнал ЗА. 2.1.3, Математическая модель прямого пути зрительного анализатора
Передаточные функции фоторецепторных ФРК, биполярных клеток оп-канала БК0П известны и имеют вид [27]: 133 + {fi(x) + f2(x)l WEKAS) = 0,02s 1 + 0,0065 (1 + 050 Ь)(1 + 0,006.?) 0,5 (1 + 0,Ш)(1+ 0,5/) (2.1) (2.2) где s - оператор Лапласа; fi(x), f2(x) - независимые от времени нелинейные функции, имеющие вид: А(х) = т= х, х 0; 0, х 0, 0, х 0; -х, х 0, (2.3) (2.4) где х - входное воздействие на нелинейное звено.
Модель ганглиозной клетки, сигнал на выходе которой импульсный, и модель нейронов НКТ и зрительной коры головного мозга прямого пути ЗА представим в виде элемента задержки с функцией активации, как показано на рис.2.4 [136].
Модель ганглиозной клетки и нейронов прямого пути ЗА. IN - входной сигнал; ЭЗ - элемент задержки; 1 - сигнал на выходе элемента задержки;/- функция активации; OUT - выходной сигнал.
При анализе задержек в нейронах прямого пути ЗА были обобщены и выявлены следующие составляющие [49 ,138,139]: - передача информации через синапсы дендритам; - прохождение сигналов в дендритах; - время, затраченное на генерацию импульса в нейроне; - прохождение сигналов в аксоне.
Представим суммарную задержку в нейроне в виде последовательно соединенных временных задержек (рис. 2.5.) [49].
Структура задержки сигнала в нейроне IN - входной сигнал; t - время, проведения сигнала через синапс; taeM -время, проведения сигнала в дендритах; treH - время, затраченное на генерацию импульса в нейроне; t c - время, затраченное на прохождение сигнала в аксоне; 1 - сигнал на выходе элемента задержки.
На основе анализа структуры, приведенной на рис.2.5, представим суммарное время задержки tz в нейроне в виде: Е сип "г депен акс; (2.5) где h - суммарное время задержки в нейроне; tCUH - время, проведения сигнала через синапс; иен - время, проведения сигнала в дендритах; ггш -время, затраченное на генерацию импульса в нейроне; taKC - время, затраченное на прохождение сигнала в аксоне.
Определим составляющие времени задержки сигнала в нейроне. Время прохождения сигнала через синапс tcm на основе литературных данных составляет от 0,3 до 0,5 мс [50,139].
Скорость прохождения сигнала в дендритах на расстоянии 100 мкм от сомы около 0,1 м/с. Постоянная длина для дендрита диаметром 5 мкм равна приблизительно 300 мкм [50].
Приборы для оценки времени ощущения зрительного анализатора
Для оценки времени ощущения ЗА разработан прибор ИВО-1 [155]. Временная диаграмма изменения длительности МИИ между световыми импульсами в паре представлена на рис. 3.1, алгоритм работы прибора - на рис. 3.2. структурная схема прибора - на рис. 3.3, временная диаграмма работы - на рис. 3.4.
При оценке времени ощущения ЗА испытуемому предъявляется последовательность парных световых импульсов (рис. 3.1, интервал времени То-Т]) длительностью 200 мс каждый, разделенных начальным МИИ длительностью Тнмии, равным 30 мс. На первом этапе (рис. 3.1, интервал времени Т1-Т2) испытуемый уменьшает, длительность МИИ с постоянной скоростью равной порядка Vi мс/с до момента субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в паре (рис. 3.1, момент времени Тг). На втором этапе (рис. 3.1, интервал времени Т2-Т3) - увеличивает длительность МИИ с постоянной скоростью равной порядка V2 мс/с до момента субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов в паре (рис. 3.1, момент времени Т3). На последнем этапе (рис. 3.1, интервал времени Т3-Т4) - уменьшает длительность МИИ с постоянной скоростью равной порядка V3 мс/с до момента субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в паре в один (рис. 3.1, момент времени Т4). Длительность МИИ в момент времени Т4 принимается равным значению времени ощущения ЗА.
Прибор содержит пульт управления НУ, точечный источник света ИС, счетчик CTR, блок индикации БИ, генератор импульсов ГИ, генератор миллисекундных импульсов ГМИ, первый одновибратор ОВь второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса ОВ2, третий одновибратор ОВ3) элемент И, триггер Т, делитель на два DIV, вентиль VEN.
Пульт управления ПУ служит для изменения частоты световых мельканий, предъявляемых испытуемому посредством точечного источника света ИС.
Счетчик CTR предназначен для определения длительности регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами с точностью ОД мс.
Индикаторы в блоке индикации БИ предназначены для отображения значения длительности регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами.
Генератор импульсов ГИ предназначен для формирования последовательности импульсов с длительностью от 750 до 1-500 мс, которая задает время повторения сдвоенных тестовых импульсов и подбирается для обеспечения комфортности наблюдения для каждого испытуемого индивидуально.
Генератор миллисекундных импульсов ГМИ предназначен для формирования последовательности счетных импульсов с частотой 10 кГц, обеспечивающих точность оценки, равную ОД мс.
Первый одновибратор ОВі предназначен для выработки сдвоенных тестовых импульсов фиксированной длительности 200 мс, второй одновибратор ОВг с регулируемой длительностью импульса - для формирования регулируемой паузы между сдвоенными тестовыми импульсами в пределах от 5 до 30 мс, третий одновибратор ОВ3 - для выработки короткого импульса, обнуляющего счетчик CTR, делитель на два DIV и устанавливающего триггер Т в единицу, Одновибратор ОВг расположен в пульте управления ПУ, изменение сопротивления которого определяет изменение длительности выходного импульса.
Прибор работает следующим образом. При включении питания счетчик CTR, триггер Т и делитель на два DIV обнуляются, с пульта управления ПУ на источник света ИС подается питание, генератор импульсов ГИ вырабатывает последовательность парных импульсов (рис. 3,4а) [98,156].
Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта управления ПУ подбирает индивидуальное время повторения парных световых импульсов. Импульсы с выхода генератора импульсов поступают на вход третьего одновибратора ОВз, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает короткий импульс (рис. 3.46), обнуляющий счетчик CTR, делитель на два DIV и устанавливающий триггер Т в единицу (рис. 3.4в), которая открывает вентиль VEN. Генератор миллисекундных импульсов ГМИ вырабатывает импульсы (рис. 3.4е), которые поступают на вход элемента И.
Импульсы с выхода генератора импульсов ГИ поступают также на вход первого одновибратора ОВь который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает первый импульс заданной длительности (рис. 3.4г). Эти импульсы поступают на источник света ИС, на счетный вход делителя на два DIV и задним фронтом запускают второй одновибратор ОВг, длительность импульса на выходе которого регулируется испытуемым с пульта управления ПУ в заданных пределах (рис. 3.4д).
Первый импульс с выхода второго одновибратора ОВг через открытый вентиль VEN поступает на элемент И и на вход первого одновибратора ОВ], который по заднему фронту импульса вырабатывает второй импульс заданной длительности (рис. 3.4г). Этот импульс поступают на источник света ИС= на счетный вход делителя на два DEV и задним фронтом запускают второй одновибратор ОВ2) который вырабатывает второй импульс (рис. 3.4д). Сигнал с выхода делителя на два DIV обнуляет триггер Т (рис. 3.4в), вентиль VEN закрывается, поэтому второй импульс с выхода второго одновибратора ОВ2 через вентиль VEN не проходит.
Испытуемый вращением ручек потенциометра пульта ПУ изменяет длительность импульсов на выходе второго одновибратора ОВ2 до момента субъективного слияния сдвоенных тестовых импульсов в один. Длительность паузы в момент субъективного слияния сдвоенных тестовых импульсов в один принимается за времени ощущения ЗА. При поступлении первого импульса с выхода второго одновибратора ОВ2 через открытый вентиль VEN на элемент И на его выходе формируется пачка импульсов (рис. 2.7ж), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе второго одновибратора ОВ2 в мс. Пачка импульсов поступает на счетный вход счетчика CTR, результат счета отображается в блоке индикации БИ. Для считывания значения длительности паузы испытуемый переключает ключ на пульте управления ПУ, снимает питание с источника света ИС и подает его на блок индикации БИ, на котором отображается значение параметра времени ощущения в мс.
Результаты экспериментальных исследований сравнительной точности оценки критической частоты световых мельканий и времени ощущения зрительного анализатора
Для исследования сравнительной точности оценки КЧСМ и времени ощущения ЗА по разработанному в пункте 2.4 методу проведены экспериментальные исследования с использованием разработанного АПК.
При оценки КЧСМ испытуемому предъявлялись световые мелькания с начальной частотой 30 Гц. При первом измерении в серии частота световых мельканий увеличивалась дискретно с шагом 0,5 Гц до появления у испытуемого субъективного ощущения слияния мельканий. Затем уменьшалась на случайную величину в диапазоне 1-2 Гц, после ,чего увеличивалась дискретно с шагом ОД Гц до появления у испытуемого субъективного ощущения слияния мельканий. Значение частоты световых мельканий, зафиксированное в этот момент, принималось равным значению КЧСМ. При второй и последующей оценке в серии зафиксированное значение частоты уменьшалось на случайную величину в диапазоне 2-3 Гц, далее процедура оценки выполнялась аналогично первому измерению [68]. В обследовании приняла участие группа из 15 испытуемых.
Значения числовых характеристик распределения индивидуальных результатов оценки КЧСМ и времени ощущения ЗА представлены в приложении А, таблица А2.
Результаты статистической обработки данных исследований по группе испытуемых с указанием уменьшения среднеквадратичного отклонения (СКО) в процентах, определяющего увеличение точности оценки, по сравнению с его значением при оценке КЧСМ, представлены в таблице 2.
Для анализа точности оценки времени ощущения в сравнении с точностью метода КЧСМ построена диаграмма индивидуальных значений СКО, представлена на рис. 4.2.
Результаты статистической обработки данных увеличения точцости оценки времени ощущения ЗА в сравнении с точностью оценки КЧСМ, по группе испытуемых в соответствии представлены в таблице 3.
В результате экспериментов установлено: - точность оценки времени ощущения ЗА по группе испытуемых выше точности оценки КЧСМ и находится в пределах от 19,9 до 28,7%; - медиана распределения равна 22,5%; -доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95%, оцениваемый верхней и нижней доверительными границами [20,4%; 24,9%]; Результаты экспериментальных исследований оценки степени зрительного утомления по динамике значения времени ощущения зрительного анализатора
Для оценки степени зрительного утомления по динамике значения времени ощущения ЗА проведены экспериментальные исследования с использованием разработанного аппаратно-программного комплекса [165].
Экспериментальные исследования зрительного утомления выполнялись в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.2.542-96, ГОСТ Р 50949-2001, ГОСТ Р 50923-96, СНиП 23-05-95, указании и рекомендаций гигиены труда [166-171].
Исследование утомления выполнялось при 8-ми часовой рабочей смене, регламентированные перерывы продолжительностью 15 минут каждый предоставлялись через каждые 2 часа после начала рабочей смены и через каждые 2 часа после обеденного перерыва. Обеденный перерыв предоставлялся через 4 часа после начала рабочей смены. Во время работы все операторы вводили один и тот же текст при максимальной индивидуальной скорости ввода.
Оценка времени ощущения проводились в начале рабочего дня, после перерывов и через каждые 30 мин работы [165].
В экспериментальных исследованиях приняли участие 10 испытуемых. Каждый испытуемый при каждой оценке времени зрительного ощущения выполнял серию из 4-6 измерений до получения трех последних результатов оценки с вариабельностью не более 0,3-0,5 мс. Последние три результата оценки оставлялись, предыдущие отбрасывались [165].
