Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы оценки функционального состояния человека и временных характеристик зрительного анализатора 32
1.1. Проблемы оценки
функционального состояния человека 32
1.1.1. Функциональное состояние и утомление человека 32
1.1.2. Функциональное состояние центральной нервной системы 36
1.2. Временные характеристики зрительного анализатора 39
1.2.1. Зрительные функции и временные характеристики зрительного анализатора 39
1.2.2. Критическая частота световых мельканий как параметр функционального состояния зрительного анализатора и организма человека 49
1.2.3. Проблемы оценки критической частоты световых мельканий 51
1.2.4. Инструментальные средства оценки
временных характеристик зрительного анализатора 58
1.3. Постановка задач исследования 70
Глава 2. Модели временных характеристик зрительного анализатора 76
2.1. Принципы построения средств оценки временных характеристик зрительного анализатора 76
2.2. Модель зрительного восприятия световых импульсов 78
2.2.1. Структурно-функциональная модель зрительного анализатора 80
2.2.2. Модели нейронов 81
2.2.3. Имитационная модель восприятия световых импульсов з
2.3. Модель восприятия частот световых мельканий 96
2.4. Различение частот световых мельканий 101
2.4.1. Дифференциальная чувствительность
к частоте световых мельканий 101
2.4.2. Модель различения частот световых мельканий 102
Выводы 106
Глава 3. Способы оценки временных характеристик зрительного анализатора, утомления человека 108
3.1. Способы оценки времени восстановления,
времени зрительного восприятия, времени ощущения 108
3.1.1. Способ оценки времени восстановления 108
3.1.2. Способ оценки времени зрительного восприятия 110
3.1.3. Способ оценки времени ощущения 111
3.2. Способы оценки критической частоты
световых мельканий 113
3.3. Способы оценки дифференциальной чувствительности к частоте световых мельканий 119
3.4. Способы контроля утомления человека путем анализа динамики критической частоты световых мельканий 122
3.4.1. Контроль утомления человека
методом спектрального анализа 124
3.4.2. Контроль утомления человека
методом корреляционного анализа 132
3.4.3. Контроль утомления человека методом фазовой плоскости 138
Выводы 140
Глава 4. Инструментальные средства оценки временных характеристик зрительного анализатора 142
4.1. Приборы оценки времени восстановления, времени зрительного восприятия, времени ощущения 142
4.2. Приборы оценки критической частоты световых мельканий 148
4.3. Приборы оценки дифференциальной чувствительности к частоте световых мельканий 164
4.4. Основные технические характеристики приборов оценки временных характеристик зрительного анализатора 181
4.5. Аппаратно-программные средства оценки временных характеристики зрительного анализатора 183
Выводы 186
Глава 5. Практическая реализация методов и способов оценки временных характеристик зрительного анализатора 188
5.1. Методика оценки времени восстановления и времени ощущения 188
5.2. Результаты экспериментальных и имитационных исследований времени восстановления и времени ощущения 190
5.3. Методика оценки минимального времени зрительного восприятия 191
5.4. Результаты экспериментальных исследований минимального времени зрительного восприятия 192
5.5. Методика оценки критической частоты световых мельканий 192
5.6. Результаты экспериментальных исследований критической частоты световых мельканий 193
5.7. Методика оценки дифференциальной чувствительности к частоте световых мельканий 198
5.8. Результаты экспериментальных исследований дифференциальной чувствительности
к частоте световых мельканий 198
5.9. Результаты экспериментальных исследований точности оценок времени восстановления, времени ощущения, дифференциальной чувствительности к частоте световых мельканий и критической частоты световых мельканий 207
5.10. Результаты экспериментальных исследований утомления человека, функционального состояния зрительного анализатора 214
Выводы 227
Заключение 230
Список литературы
- Временные характеристики зрительного анализатора
- Модель зрительного восприятия световых импульсов
- Способ оценки времени восстановления
- Аппаратно-программные средства оценки временных характеристики зрительного анализатора
Введение к работе
Актуальность темы диссертации Функциональное состояние (ФС) человека служит характеристикой резервных возможностей организма и качества их регулирования Интерес к проблеме ФС человека обусловлен тем, что неблагоприятные ФС увеличивают цену трудовой деятельности, снижают качество работы, ограничивают достижения спортсменов, создают угрозу здоровью, а также могут иметь ряд неприемлемых социально-экономических последствий
Известны многочисленные работы в области контроля ФС, а также значительное количество авторских свидетельств и патентов Решению задач определения ФС человека посвятили рабрты МИ Виноградов, В Г Волков, С И Горшков, Н В Зимкин, В П. Казначеев, А Н Леонова, Е В Матвеев, Р Е Мотылянская, В Б Парашин, Н М Пейсахов, В В Ро-зенблат, В М Фролов, Н Dawson, М J,H Huibers, IJ Kant, G M H Swaen и многие другие
Для контроля ФС человека наряду с другими методами широко применяются электрофизиологические Среди них наиболее распространены кожно-гальваническая реакция, впервые описанная в .1889 г русским ученым ИР Тархановым как биопотенциал кожи, электрокардиография, из параметров которой,наиболее часто используется частота сердечных сокращений (ЧСС), электроэнцефалография, отличающаяся большей информативностью в оценке ФС организма
Используются для контроля ФС организма также информация о состоянии биологически активных точек меридианов тела человека, метод электротермометрии, электромагнитное излучение крайне высоких частот В последнее время стали применяться фотометрические методы, позволяющие контролировать ряд функций организма человека, в том числе системы центрального и периферического кровообращения и дыхания
Исходя из доминирующей роли центральной нервной системы (ЦНС), при исследовании ФС человека в первую очередь необходимо контролировать состояние ЦНС Динамика параметров, характеризующих ее состояние, отображает индивидуальные особенности процессов регулирования в организме в ходе адаптации к нагрузке
Объективные методы исследования ЦНС, основанные на регистрации электрофизиологических сигналов, малопригодны в условиях производственной деятельности, при занятиях физической культурой и спортом, при массовых обследованиях В этих целях используются психофизиологические методы оценки характеристик зрительного анализатора (ЗА), так как в зрительном акте участвует более половины коры головного мозга
Вопросы, связанные со строением ЗА, процессами восприятия и обработки зрительной информации, рассматривали В Д Глезер, С В Кравков, Н Н Красильников, А В Луизов, Н Ф Подвигин, А Н Радченко, Е Е Со-
мов, А Я Супин, И А Шевелев, Ю Е Шелепин, Я А Фурман, С Куффлер, У С МакКаллок, С Оке, У Питтс, Д Хьюбел, F W Campbell, A Higashi-yama, Н DeLangeDzn, GM Long, HH Mikeahan, GC Norton, JG Rob-son, W К Stell, T Tomita и многие другие
Широко используемой временной характеристикой зрительного анализатора (ВХЗА) является критическая частота световых мельканий (КЧСМ) - частота перехода от видимости мельканий к ощущению их субъективного слияния Метод КЧСМ применяется в офтальмологии, в офтальмоэрго-номике, в экспериментальной психологии, в физиологии и гигиене труда и спорта
Оценка КЧСМ связана с рядом проблем Особенностью метода являются небольшие по абсолютной величине, порядка 2-3 Гц, изменения величины КЧСМ при различных внешних воздействиях и большая вариабельность значений, обусловленная отсутствием четкого перехода от видимости световых мельканий к ощущению их слияния
Анализ показал, что при исследовании ЗА перспективно использование методов оценки таких ВХЗА, как время восстановления, время зрительного восприятия и время ощущения, при исследовании восприятия световых мельканий не анализируется дифференциальная чувствительность к частоте световых мельканий (ДЧСМ) При оценке ФС человека недостаточно изучены индивидуальные особенности процесса адаптации организма к нагрузке, отсутствует простой и наглядный инструментальный метод принятия решения о моменте перехода от состояния утомления к состоянию переутомления
В связи с вышеизложенным, актуальным является разработка способов оценки времени восстановления, времени зрительного восприятия и времени ощущения, разработка способов оценки КЧСМ, обеспечивающих повышение точности оценки, разработка метода и способов оценки ДЧСМ, разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения оценки этих ВХЗА, разработка способов контроля ФС и утомления человека
Объектом исследования являются методы и средства контроля функционального состояния человека, предметом исследования - методы и средства оценки временных характеристик зрительного анализатора
Целью диссертационной работы является повышение точности оценки временных характеристик зрительного анализатора путем разработки новых способов и создания средств оценки для обеспечения контроля функционального состояния человека в процессе трудовой деятельности, при занятиях физической'культурой и спортом и массовых обследованиях
Научная проблема заключается в разработке методов и создании средств контроля функционального состояния человека, основанных на временных характеристиках зрительного анализатора, имеющая важное социальное и хозяйственное значение
Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие основные задачи
Выполнить анализ современного состояния методов и средств контроля функционального состояния человека, оценки временных характеристик зрительного анализатора, выявить резервы улучшения их метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей, сформулировать на этой основе направление исследований
Развить теорию возбуждения и расширить функциональные возможности метода парных стимулов, разработать имитационную модель восприятия световых импульсов
Установить причины низкой точности оценки критической частоты световых мельканий, разработать модель различения частот световых мельканий
Разработать методы и способы оценки- временных характеристик зрительного анализатора, позволяющие повысить точность оценки, контролировать функциональное состояние и утомление зрительного анализатора и организма человека
Сформулировать системные принципы построения средств оценки временных характеристик зрительного анализатора, создать на их основе инструментальные средства обеспечивающие повышение точности оценки '
Провести экспериментальные исследования по оценке временных характеристик зрительного анализатора, контролю функционального состояния и утомления зрительного анализатора и организма человека
Разработать рекомендации по применению способов оценки временных характеристик зрительного анализатора Внедрить разработанные способы и инструментальные средства оценки с целью контроля функционального состояния и утомления зрительного анализатора и организма человека
процессе решения поставленных задач использовались методы исследований: системный анализ, математическое и имитационное моделирование, аппарат теории случайных процессов, автоматического управления, методы алгоритмизации, математической статистики, прикладные программы и экспериментальные исследования
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных положений фундаментальных наук, адекватностью используемых моделей реальным процессам, подтверждается совпадением результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными, не противоречащими исследованиям других авторов Подтверждением достоверности полученных результатов является успешная апробация и использование методов, способов и инструментальных средств в ряде предприятий и организаций Разработанные способы и созданные сред-
ства прошли экспертизу в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и защищены а с СССР и патентами РФ Научная новизна полученных результатов
Развита теория возбуждения и расширены функциональные возможности метода парньіх стимулов Впервые разработана имитационная модель восприятия световых импульсов, основанная на концепции «черного» ящика и развитии теории возбуждения, предложенных структурно-функциональньгх моделях зрительного анализатора и его нейронов Показана возможность оценки времени восстановления и времени ощущения методом парных световых импульсов, их вариабельность, зависимость порогового межимпульсного' интервала и времени зрительного восприятия от длительности светбвых ймпульйов
Впервые предложена модель различения частот световых мельканий, позволившая разработать метод и способы оценки дифференциальной чувствительности по частоте световых мельканич
Впервые разработаны способы оценки времени восстановления, времени зрительного восприятия и времени ощущения зрительного анализатора, метод! и способы оценки дифференциальной чувствительности по частоте световых мельканий1 Разработаны' способы оценки критической частоты световых мельканий Предложенные способы позволяют повысить точность оценки, контролировать функциональное состояние и утомление зрительного анализатора и организма человека
Практическая ценность результатов заключается в следующем
Созданы новые инструментальные средства оценки временных характеристик зрительного анализатора, основаньые на системных принципах, учитывающих взаимосвязанность информационного, алгоритмического и программно-технического обеспечений, отличающиеся повышением точности оценки
Получены экспериментальные данные, позволяющие определить точность результатов оценки временных характеристик зрительного анализатора
Разработаны рекомендации по применению способов оценки временных характеристик зрительного анализатора Разработанные способы и созданные инструментальные средства оценки внедрены на ряде предприятий и организаций для контроля функционального состояния и утомления зрительного анализатора и организма человека
Публикации По теме диссертации опубликовано 115 работ, из них основных публикаций 52, в том числе 2 монографии, 17 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 2 статьи опубликованы за рубежом, 26 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения, 5 свидетельств об официаль-- ной регистрации программ для ЭВМ
Апробация результатов Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 Всероссийских и 20 международных НПК, конгрессах, съездах и форумах, I конференции офтальмологов Русского Севера (Вологда, 2004 г), I съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005 г)
Реализация результатов работы Основные положения диссертационной работы использовались при выполнении НИР «Методы и устройства диагностики зрительного анализатора и организма человека», финансированной Фондом НИОКР Республики Татарстан, договор подряда № 06-6 6-115 (2002-2004 гг), госбюджешой НИР «Методы и средства исследования функционального состояния зрительной системы и организма человека», выполняемой по плану Марийского государственного технического университета, номер госрегистрации 012 00306970 (2003-2007 гг ), НИР «Математическое моделирование технических, биологических, физиологических и экономических объектов и процессов», выполненной по заданию Министерства образования РФ (2004 г), в которых автор являлся научным руководителем
Результаты проведенных исследований используются в Российском государственном научно-исследовательском испытательном центре подготовки космонавтов им Ю А Гагарина для исследования функционального состояния зрительного анализатора (Звездный городок, Московская обл), в Московском НИИ глазных болезней им Гельмгольца в отделении промышленной офтальмоэргономики и лаборатории клинической физиологии зрения им Кравкова для диагностики зрительного утомления, ранних нарушений в сетчатке, зрительных проводящих путях и центрах при различных видах офтальмопатолог ии (г Москва), в Российском государственном медицинском университете им Пирогова на кафедре офтальмологи» для оценки хода глаукомного процесса (г Москва), в Казанской государственной медицинской академии на кафедре офтальмологии для дифференциальной диагностики атрофии зрительного нерва (г Казань), в Казанском государственном медицинском университете на кафедре медицины и гигиены труда при исследовании зрительного утомления (г Казайь), в Республиканской офтальмологической больнице Республики Марий Эл для оценки КЧСМ (г Йошкар-Ола), в ЗАО «Удел» при разработке офтальмологического прибора для диагностики состояния зрительно-нервного аппарата (г Москва), в ОАО «Биомашприбор» при выполнении НИР и ОКР (г Йошкар-Ола), в Марийском государственном педагогическом институте на кафедре теоретических основ физического воспитания для исследования функционального состояния человека (г Йошкар-Ола), в учебном процессе в «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им К Э Циолковского (г Москва), в учебном процессе в Марий-
ском государственном техническом университете (г Йошкар-Ола), что подтверждается соответствующими актами
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты системного поиска путей улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей методов и средств контроля функционального состояния человека, оценки временных характеристик зрительного анализатора
Развитие теории возбуждения и расширение функциональных возможностей метода парных стимулов Имитационная модель восприятия световых импульсов Результаты имитационного моделирования, показавшие возможность оценки времени восстановления и времени ощущения методом парных световых импульсов, их вариабельность, зависимость порогового межимпульсного интервала и времени зрительного восприятия от длительности световых импульсов
Модель различения частот световых мельканий, являющаяся основой разработки метода и способов оценки дифференциальной чувствительности к частоте световых мельканий
Методы и способы оценки временных характеристик зрительного анализатора, позволяющие повысить точность оценки, контролировать функциональное состояние и утомление зрительного анализатора и организма человека
Структурные схемы средств оценки временных характеристик зрительного анализатора, обеспечивающие повышение точности оценки, их алгоритмическое и программно-техническое обеспечение
Результаты внедрения разработанных методов, способов и созданных средств оценки временных характеристик зрительного анализатора, позволяющих контролировать функциональное состояние и утомление зрительного анализатора и организма человека
Личный вклад автора заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, разработке моделей, методов и способов, алгоритмического и технического обеспечения оценки ВХЗА Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором или при его непосредственном участии
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 198 наименований, и четырех приложений Основная часть работы изложена на 1,96 страницах машинописного текста Работа содержит 94 рисунка и 37 таблиц
Временные характеристики зрительного анализатора
Наиболее совершенным способом оценки КЧСМ считается способ Н.М. Пейсахова, по которому КЧСМ оценивается дважды - при увеличении частоты световых мельканий от минимального значения, принятого равным 20 Гц, и при ее уменьшении от максимального значения, принятого равным 60 Гц, до критического. Истинное значение КЧСМ вычисляется как среднеарифметическое результатов двух оценок.
Для уменьшения времени измерений для оценки КЧСМ предложена модификация способа Н.М. Пейсахова, которая заключается во введении оценочного цикла с быстрым изменением частоты световых мельканий и уменьшении диапазона изменения частоты световых мельканий при измерении до заданной фиксированной величины.
Для повышения точности оценки предложено определять КЧСМ методом последовательного приближения, при этом скорость изменения частоты световых мельканий на каждом последующем этапе уменьшается, а на последнем этапе изменяется дискретно.
Разработан способ оценки точности метода КЧСМ, за которую принята разность частот между минимальным допустимым надпороговым и максимальным допустимым подпороговым значениями КЧСМ, определяемыми по критериям «источник видимо не мелькает» и «источник видимо мелькает» соответственно. Разработаны метод оценки ДЧСМ, заключающийся в определении в видимом диапазоне частот световых мельканий порога различения частот, и способы его реализации: - с непрерывным изменением частоты световых мельканий; - с попеременным предъявлением вначале начальной и инкрементной, затем начальной и декрементной частот световых мельканий; -с попеременным предъявлением инкрементной и декрементной частот световых мельканий. С использованием разработанных способов оценки ДЧСМ предложены способы определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов и пространственно-частотных каналов зрительного анализатора.
Предложены способы исследования утомления человека по динамике значений КЧСМ методами спектрального и корреляционного анализа. При спектральном анализе влияние утомления на значение КЧСМ определяется через функцию когерентности, при корреляционном анализе - через корреляционную функцию и коэффициент корреляции. Параметром, характеризующим общие, интегральные свойства влияния утомления на значение КЧСМ, является интервал корреляции, который определяется через частоту среза идеального ФНЧ, отображающую значение КЧСМ, простым вычислением.
Разработан способ оценки степени утомления человека путем анализа фазовых траекторий, отображающих динамику значений КЧСМ. Процедура определения времени наступления утомления и перехода от состояния утомления к состоянию переутомления заключается в определении момента времени изменения направления фазовой траектории. Анализ фазовых траекторий позволяет определить индивидуальный характер адаптации организма человека к нагрузке в исследуемых условиях, его работоспособность и функциональное состояние.
Четвертая глава посвящена созданию инструментальных средств оценки ВХЗА. Оценка временных характеристик выполняется путем измерения временных интервалов с использованием кварцевого генератора частотой 100 КГц и измерения частоты световых мельканий время-импульсным методом. Интенсивность световых импульсов при оценке ВХЗА регулируется и методом визуального фотометрирования выравнивается с интенсивности эталонного источника при частоте световых мельканий, соответствующей индивидуальной подпороговой КЧСМ. Интенсивность эталонного источника периодически проверяется и при необходимости регулируется с использованием спектрометра. Для оценки времени восстановления, времени зрительного восприятия и времени ощущения созданы приборы, реализующие разработанные способы оценки.
Для оценки КЧСМ создан ряд приборов. В приборе ИКЧСМ-1 используется ручное изменение частоты световых мельканий, в остальных приборах - автоматическое. Особенностью прибора ИКЧСМ-2 является адаптивное изменение шага уменьшения частоты световых мельканий в модификации способа Н.М. Пейсахова после оценочного цикла, прибора ИКЧСМ-3 - наличие контроля достоверности оценки КЧСМ, прибора ИКЧСМ—4 - измерение изменения частоты световых мельканий за время сенсомоторной реакции, являющегося диагностическим параметром степени утомления, прибора ИКЧСМ-5 -изменение частоты световых мельканий по методу последовательного приближения, прибора ИКЧСМ-6- дискретное изменение частоты световых мельканий, прибора ИКЧСМ-Т - оценка точности метода КЧСМ, прибора ИКЧСМ-7 - вычисление КЧСМ по измеренному значению ее периода.
Для оценки ДЧСМ созданы приборы: ИДЧСМ-1, в котором используется непрерывное изменение частоты световых мельканий; ИДЧСМ-2, в котором используется попеременное предъявление вначале начальной и инкрементной, затем начальной и декрементной частот световых мельканий; ИДЧСМ-3, в котором используется попеременное предъявление инкрементной и декрементной частот световых мельканий; ИДЧСМ-4, в котором частоты световых мельканий вычисляются по измеренному значению их периода.
Для автоматизации оценки ВХЗА создан прибор на базе однокристального микроконтроллера и аппаратно-программный комплекс на базе ПЭВМ с комплексом программ.
В пятой главе разработаны методики оценки ВХЗА, приведены результаты экспериментальных и имитационных исследований.
По результатам экспериментальных исследований по группе из 30 испытуемых индивидуальное время восстановления равно от 12,7 до 37,9 мс, медиана распределения равна 22,9 мс, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% - [18,3 мс; 25,1 мс], индивидуальное время ощущения - от 5,5 до 18,6 мс, медиана распределения - 11,4мс, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% - [10,1 мс; 13,5 мс].
По результатам имитационного эксперимента вариабельность времени восстановления и времени ощущения в пределах доверительного интервала для медианы наблюдается при вариабельности значения порога возбуждения нейронов в пределах ±10%.
По результатам экспериментальных исследований индивидуальное минимальное время зрительного восприятия по группе из 15 испытуемых находится в пределах от 44,5 до 50,6 мс, медиана распределения равна 47,1 мс, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% -[46,2 мс; 49,0 мс].
По результатам исследований влияния способа оценки на точность оценки КЧСМ рекомендуется способ, основанный на методе последовательного приближения с дискретным изменением частоты световых мельканий на последнем этапе измерений, который обеспечивает увеличение точности оценки КЧСМ по сравнению со способом Н.М. Пейсахова по группе из 15 испытуемых от 61,1 до 75,6%, медиана распределения равна 67,3%, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95% - [64,3%; 74,4%].
Модель зрительного восприятия световых импульсов
Тогда текущее значение порогового уровня возбуждения ганглиозной клетки можно представить в виде аддитивной смеси постоянной составляющей и случайного колебательного процесса с распределенными в соответствии с нормальным законом амплитудой и частотой: где /поргк = - постоянная составляющая порогового уровня возбуждения ганглиозной клетки; Щ - амплитуда случайного колебательного процесса; ю - угловая частота случайного колебательного процесса; р - плотность вероятности распределения; а ф и д. ф - дисперсия и математическое ожидание амплитуды случайного колебательного процесса; стш и ц.ш - дисперсия и математическое ожидание угловой частоты случайного колебательного процесса.
Нейроны НКТ и зрительной коры головного мозга могут быть представлены в виде математической модели или в виде формальных нейронов. Наиболее широко известна модель формального нейрона У.С. МакКаллока и В. Питтса, представленная на рис. 2.3.
Модель формального нейрона МакКаллока-Питтса. мпор - вход сигнала, отображающего пороговый уровень; xt - г-й вход нейрона, г =1,2,... ,п; wt - вес входного сигнала х{; I - сумматор; U-z - сигнал на выходе сумматора; / - функция активации нейрона; OUT- выходной сигнал нейрона.
Модель формального нейрона, предложенная У.С. МакКаллоком и В. Питтсом, определяет ответ нейрона в зависимости от состояния его входных сигналов, но не учитывает их временные задержки.
Более адекватно описывающей механизмы возбуждения и торможения в нейроне является модель, предложенная А.Н. Радченко [125], учитывающая временную задержку сигналов в дендритах нейрона и изменение порога срабатывания нейрона при его адаптации, представленная на рис. 2.4.
В модели нейрона А.Н. Радченко приняты допущения [125]: входной сигнал подается на все синапсы одновременно, нейрон осуществляет временную суммацию действующих на обобщенный дендрит синаптических групп сигналов по п различимым временным интервалам, каждая временная синаптическая группа из п различимых временных интервалов моделируется одним синапсом (возбуждающим или тормозным), тормозные и возбуждающие синапсы считаются равносильными, затухание сигналов при распространении по дендритам компенсируется увеличением числа синапсов от сомы к периферии, порог нейрона повышается при возбуждении на А/г+ и понижается при торможении на А/Г. А/г" Модель нейрона по А.Н. Радченко [125], рис. 2, стр. 13. ОД - обобщенный дендрит в виде линии задержки без затухания из п различимых временных интервалов; а\... ап - веса синапсов; щ - выходной сигнал обобщенного дендрита в момент времени t, а0 — вес синапса сомы; - возбуждающий синапс; о - тормозной синапс; S - сома; h - порог срабатывания нейрона; Л/Г - уменьшение порога срабатывания, если действие внешних сигналов не приводит к возбуждению нейрона; Л/Г- увеличение порога срабатывания при возбуждении нейрона; А - аксон нейрона; OUT- выходной сигнал нейрона. времени /, і = 1, 2, ... , п; п - число различимых временных интервалов; at - вес синапса; хы - входной сигнал дендрита в момент времени (t-i); а0 - вес синапса сомы; xt - входной сигнал сомы в момент времени t; ht - порог срабатывания нейрона в момент времени t. Порог срабатывания нейрона определяется по формуле [125]: где ht+\ - порог срабатывания нейрона в момент времени (/ + 1); ht - порог срабатывания нейрона в момент времени t; Л/Г- уменьшение порога срабатывания, если действие внешних сигналов не приводит к возбуждению нейрона; Ah+ увеличение порога срабатывания при возбуждении нейрона; OUTt - выходной сигнал нейрона в момент времени t.
Однако модель А.Н. Радченко не учитывает изменение весов синаптических связей нейрона и возможные комбинации соотношений возбуждения и торможения в нейроне, заключающиеся в том, что пресинаптические процессы могут вызывать как прямой, так и обратный эффект в постсинаптическом нейроне [23].
Для обеспечения комбинаторного соотношения возбуждения и торможения разделим потоки возбуждающих и тормозных сигналов, при этом выделим в каждом потоке сигналы, поступающие на сому клетки без задержки, и сигналы дендритов, поступающие на сому с задержкой, определяемой длинной дендрита. Совокупность дендритов, обеспечивающих проведение возбуждающих и тормозных сигналов к соме нейрона, представим в виде «эквивалентных» дендритов, реализованных в виде линий задержки. Явление адаптации нейрона учтем посредством введения схем управления весами синапсов и обратной связи, обеспечивающей изменение уровня порога срабатывания нейрона. Кроме того, для обеспечения возвратного и эфферентного торможения введем, соответственно, обратные связи от аксона нейрона и от нейронов верхнего уровня. Задержку на распространение сигнала по аксону представим в виде элемента задержки.
Предложенная структурно-функциональная модель нейрона, обеспечивающая выполнение сформулированных условий, представлена на рис. 2.5. Нейрон в модели является пороговым элементом, работающим по принципу «все или ничего», условие возбуждения нейрона имеет вид: где Uu = Uu нач + U-z вых - величина мембранного потенциала; UM Hm -начальная величина мембранного потенциала при отсутствии входных сигналов; /sBbK - величина потенциала, вызванная воздействием входных сигналов; Unop - пороговый уровень возбуждения нейрона, определяемый по формуле (2.2), текущее значение которого является аддитивной смесью постоянной составляющей и случайного колебательного процесса с распределенными в соответствии с нормальным законом амплитудой и частотой.
Способ оценки времени восстановления
Если для части испытуемых из-за большого времени сенсомоторной реакции и (или) отсутствия навыка работы с прибором уменьшение частоты световых мельканий в момент времени Г2 (рис. 3.4) на заданную величину недостаточно, то они уже не видят световые мелькания и не нажимают кнопки управления на интервале времени Т2 -Т3 (рис. 3.4). В этом случае компаратор КОМП через вентиль блока управления БУ включает шестой триггер, который задает в момент времени Т2 уменьшение частоты при последующем измерении на большую величину. Одновременно компаратор КОМП приводит схему в исходное состояние, за исключением шестого триггера блока БУ, измерение возобновляется нажатием кнопки управления.
Для обеспечения достоверности оценки КЧСМ создан прибор ИКЧСМ-3 [14]. Временная диаграмма изменения частоты световых мельканий прибора соответствует рис. 3.4, структурная Структурная схема прибора ИКЧСМ-3. Обозначение блоков схемы в тексте.
Прибор содержит блоки, аналогичные соответствующим блокам прибора ИКЧСМ-2; блок контроля БК достоверности оценки, содержащий триггер, ждущий мультивибратор, два счетчика, элемент сравнения и одновибратор; блок управления БУ содержит дополнительно кнопку сброса, [128].
Прибор работает аналогично прибору ИКЧСМ-2, но при не объективном определении КЧСМ, то есть при F2 F3 (рис. 3.4) триггер блока контроля БК вырабатывает сигнал сбоя. Установка триггера в исходное состояние производится нажатием кнопки сброса.
Для сравнительного анализа степени утомления нескольких испытуемых в процессе работы или тренировки необходимо определять не конечное значение КЧСМ, которое зависит от начального индивидуального значения, различного у испытуемых, а изменение КЧСМ.
С этой целью предложен диагностический параметр - величина изменения частоты световых мельканий за время сенсомоторной реакции, то есть за промежуток времени с момента определения КЧСМ до момента ее фиксации испытуемым. Данный диагностический параметр определяется в приборе ИКЧСМ-4 [92], временная диаграмма изменения частоты световых мельканий которого представлена на рис. 4.10, структурная схема прибора соответствует рис. 4.7, алгоритм работы представлен на рис. 4.11.
Временная диаграмма изменения частоты световых мельканий в приборе ИКЧСМ-4. Обозначения величин в тексте.
На первом этапе измерения на интервале времени Т\-Т2 начальная частота световых мельканий FH с заданной скоростью непрерывно увеличивается до фиксации в момент времени Т2 испытуемым надпорогового значения КЧСМ Fu равного: Fl=F+AFB, (4.1) где F - действительное значение КЧСМ, AFB - изменение частоты световых мельканий, обусловленное временем сенсомоторнои реакции с момента определения испытуемым КЧСМ до момента ее фиксации.
На втором этапе измерения в момент времени Т2 частота световых мельканий увеличивается на величину 2-3 Гц, после чего на интервале времени Тт-Тъ непрерывно уменьшается с той же скоростью до фиксации в момент времени Тъ испытуемым подпорогового значения КЧСМ F2, равного: F2 = F-AFH, (4.2) где F - действительное значение КЧСМ, AFH - изменение частоты световых мельканий, также обусловленное временем сенсомоторнои реакции. Затем в приборе вычисляется разность частот Fl-F2 = AFB + AFH, (4.3) то есть изменение частоты световых мельканий на двух этапах измерения за промежуток времени с момента определения испытуемым КЧСМ до момента ее фиксации.
Этот параметр является относительным, не зависит от начального уровня КЧСМ, который у разных людей существенно отличается, позволяет сравнить степень утомления нескольких испытуемых в одинаковых условиях работы или тренировки.
В приборе, в отличие от прибора ИКЧСМ-2, блок управления БУ частотой световых мельканий содержит три триггера и два ждущих мультивибратора.
Прибор работает аналогично прибору ИКЧСМ-2, но блок БВ вычисляет частоты F\ и F2 и их разницу, значение которой является диагностическим параметром и отображается в блоке индикации БИ.
Прибор содержит блок управления БУ с первой кнопкой «Увеличение частоты», второй кнопкой «Уменьшение частоты», тумблер «КЧСМ» с положениями «Измерение» и «Считывание»; блок формирования БФ частоты световых мельканий, содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, переключатель режимов и преобразователь напряжение-частота; блок вычислений БВ частоты световых мельканий; одновибратор ОВ, источник световых мельканий ИСМ и блок индикации БИ значения КЧСМ.
Прибор работает следующим образом. При включении питания блок БФ формирует начальную частоту FH световых мельканий (рис. 3.5), которая поступает на источник световых мельканий ИСМ.
Тумблер «КЧСМ» блока управления БУ устанавливается в положение «Измерение». Испытуемый кнопками блока управления БУ «Увеличение частоты» и «Уменьшение частоты» изменяет частоту световых мельканий, формируемую блоком БФ, методом последовательного приближения определяет КЧСМ и переводит тумблер «КЧСМ» в положение «Считывание». Значение КЧСМ вычисляется в блоке БВ и выводится на блок индикации БИ.
Аппаратно-программные средства оценки временных характеристики зрительного анализатора
Для сравнения точности оценки методов ДЧСМ и КЧСМ выполнены экспериментальные исследования. Отбор испытуемых, условия проведения измерений и статистическая обработка их результатов выполнялись аналогично оценке времени восстановления и времени ощущения.
В обследовании приняло участие 15 испытуемых, каждый из которых выполнил серии измерений для оценки КЧСМ и ДЧСМ на начальных частотах 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 Гц. Оценка КЧСМ выполнялась методом последовательного приближения с дискретным изменением частоты световых мельканий на последнем этапе с шагом 0,1 Гц, оценке ДЧСМ - по способу с попеременным предъявлением инкрементной и декрементной частот световых мельканий с дискретным изменением разности частот на последнем этапе с шагом 0,1 Гц.
Числовые характеристики функций распределения индивидуальных результатов оценки приведены в приложении Б, таблицы Б.15-Б.16. Результаты статистической обработки данных измерений по оценке значений КЧСМ и ДЧСМ по группе испытуемых представлены в таблицах 5.12-5.13.
Для анализа точности оценки ДЧСМ в сравнении с точностью оценки КЧСМ построены диаграммы индивидуальных значений СКО, представленные на рис. 5.8, и диаграммы значений СКО по группе испытуемых, представленные на рис. 5.9.
Из экспериментальных данных следует, что по критерию СКО точность метода ДЧСМ выше точности метода КЧСМ. Сравнимую точность дает оценка ДЧСМ на начальных частотах 5, 10, 20 и 25 Гц, однако из нейрофизиологических исследований известно, что при ритмическом раздражении ответ одиночных нейронов в точном соответствии с частотой световых импульсов наблюдается только при частотах не выше 13-15 Гц [156]. Исходя из этого для проведения исследований ЗА с использованием метода ДЧСМ рекомендуется оценивать ДЧСМ на начальных частотах до 10 Гц.
Результаты статистической обработки данных оценки ДЧСМ по группе испытуемых с указанием уменьшения СКО в процентах, определяющего погрешность оценки, по сравнению с его значением при оценки КЧСМ, приведены в таблице 5.14. Диаграмма индивидуальных значений СКО. По горизонтальной оси - порядковые номера испытуемых; по вертикальной оси - значение СКО; столбцы испытуемых слева-направо: первый - значение СКО результатов оценки КЧСМ; второй-восьмой - ДЧСМ, оцененной на частотах 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 Гц соответственно.
Диаграмма значений СКО по группе из 15 испытуемых. По горизонтальной оси - временные характеристики: КЧСМ, F5 - F35 -ДЧСМ на частотах 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 Гц соответственно; по вертикальной оси - значения СКО; пояснения справа внизу: 25% -75% -нижний и верхний квартили, Мин-Макс - минимальное и максимальное значения.
Точность оценки ДЧСМ на начальной частоте 10 Гц выше точности оценки КЧСМ по обследованной группе от 27,4 до 74,2%, медиана распределения равна 63,1%, доверительный интервал для медианы при уровне доверия 95%о - [49,2%; 67,5%], нижний квартиль - 49,2%, верхний квартиль - 67,5%).
На основе экспериментальных данных, полученных при сравнении точности методов КЧСМ и ДЧСМ, для каждого испытуемого построены АЧХ фильтров, моделирующих восприятие (КЧСМ) и различение частот световых мельканий (ДЧСМ), и вычислены порядки фильтров Баттерворта и Чебышева с использованием прикладных программ, на которые получены свидетельства РОСПАТЕНТа об официальной регистрации программ для ЭВМ [144, 146]. АЧХ фильтров строились в соответствии с аналитическими выражениями, приведенными в формуле (2.19) для КЧСМ и формуле (2.32) для ДЧСМ, с заменой круговой частоты со на циклическую/
Примеры построения аппроксимирующих функций Баттерворта и Чебышева АЧХ фильтров приведены в приложении В. Порядки фильтров, характеризующие крутизну АЧХ, приведены в таблице В.1. Оценки точности приближения полиномиальных кривых к линеаризованной характеристике на участке спада АЧХ от 1 до 0 по критерию наименьшей суммы квадратов отклонений для фильтров, моделирующих КЧСМ, приведены в таблице В.2, ДЧСМ - в таблице В.З. Анализ результатов расчета оценок точности аппроксимации показал, что для фильтров КЧСМ аппроксимация точнее полиномом Чебышева, а для фильтров ДЧСМ - полиномом Баттерворта.
Результаты экспериментальных исследований утомления человека, функционального состояния зрительного анализатора Экспериментальные исследования развития утомления и динамики КЧСМ при воздействии физической нагрузки проведены методом велоэргометрии в положении сидя. Группа испытуемых разного пола и возраста состояла из восьми человек, четверо из которых не занимались физической культурой и спортом, четверо - спортсмены различной квалификации.
Величина нагрузки постоянной мощности соответствовала 75% должного максимального потребления кислорода, определяемого по номограммам Б.П. Преварского «Определение должного максимального поглощения кислорода (ДМПК) и расчет мощности физических нагрузок соответственно проценту ДМПК». Скорость педалирования принята равной 60 об/мин.
Оценку КЧСМ выполняли непосредственно перед тестированием и через каждые 100 оборотов велоэргометра. Во время тестирования выполнялся постоянный контроль сердечной деятельности при помощи монитора сердечного ритма фирмы «Polar», артериального давления, общего состояния и внешнего вида испытуемого, изменения которых служили основанием для определения времени наступления утомления, перехода от состояния утомления к состоянию переутомления и прекращения тестирования.
Фазовые траектории динамики КЧСМ по результатам тестирования, на которых пунктиром отражено время врабатывания, для двух испытуемых представлены на рис. 5.10 и рис. 5.11.
Процедура определения времени врабатывания (точки 6 фазовых траекторий) и перехода от состояния утомления к состоянию переутомления (точка 14 фазовой траектории на рис. 5.10, точка 22 фазовой траектории на рис. 5.11) заключается в определении момента времени изменения направления фазовой траектории, отображающей динамику изменения КЧСМ. При этом наступление переутомления по фазовой траектории выявляется раньше, чем по медицинским показателям.
