Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов определения временных параметров зрительного восприятия 18
1.1. Зрительная система и ее роль в жизнедеятельности человека 18
1.2. Роль зрения в профессиональной деятельности человека 19
1.3. Анатомо-физиологические особенности строения зрительного анализатора человека 20
1.3.1. Строение сетчатки глаза человека 20
1.3.2. Нейрофизиология сетчатки и анатомо-физиологические особенности зрительного пути 22
1.4. Временные параметры зрительного анализатора 26
1.5. Методы и средства исследования временных параметров зрительного восприятия 31
1.5.1. Психофизиологические методы и средства исследования временных параметров зрительного восприятия 32
1.5.2. Электрофизиологические методы и средства исследования временных параметров зрительного восприятия 34
1.6. Выводы 37
2. Методы определения временных параметров зрительного восприятия 38
2.1. Анализ психофизиологических методов определения временных параметров зрительного восприятия 38
2.2. Разработка метода повышения точности определения критической частоты световых мельканий 39
2.3. Разработка модели зрительного восприятия перцептивно простой зрительной информации 41
2.3.1. Исходные положения к моделированию 42
2.3.2. Разработка модели зрительного восприятия перцептивно простой зрительной информации 49
2.3.2.1. Разработка модели нейрона 54
2.3.2.2. Разработка модели временных задержек в нейроне 59
2.3.2.3. Разработка имитационной модели зрительного восприятия перцептивно простой зрительной информации 63
2.4. Разработка методов определения временных параметров зрительного восприятия 65
2.4.1. Разработка метода определения времени восстановления зрительного анализатора 65
2.4.2. Разработка метода определения времени зрительного восприятия 67
2.4.3. Условия и параметры стимуляции для определения временных параметров зрительного восприятия 69
2.5. Выводы 70
3. Устройства для измерения временных параметров зрительного восприятия 72
3.1. Анализ существующих устройств измерения временных параметров зрительного восприятия 72
3.2. Разработка устройств для измерения временных параметров зрительного восприятия 75
3.2.1. Устройство для измерения критической частоты слияния световых мельканий 75
3.2.2. Устройства для измерения времени восстановления зрительного анализатора 79
3.2.3. Устройства для измерения времени зрительного восприятия 88
3.3. Анализ погрешностей измерений 98
3.4. Выводы 99
4. Практическая реализация метода определения времени зрительного восприятия для определения степени зрительного утомления 101
4.1. Разработка методики измерения времени восстановления зрительного анализатора и времени зрительного восприятия 101
4.2. Условия проведения экспериментальных исследований 103
4.3. Результаты экспериментальных исследований зависимости критической частоты световых мельканий от длительности световых импульсов 103
4.4. Результаты экспериментальных исследований определения времени восстановления зрительного анализатора 107
4.5. Результаты экспериментальных исследований определения времени зрительного восприятия 108
4.6. Результаты экспериментальных исследований определения степени зрительного утомления по динамике значения времени зрительного восприятия 110
4.7. Выводы 126
Заключение 128
Список используемой литературы 131
Приложение 149
- Нейрофизиология сетчатки и анатомо-физиологические особенности зрительного пути
- Разработка метода повышения точности определения критической частоты световых мельканий
- Устройство для измерения критической частоты слияния световых мельканий
- Результаты экспериментальных исследований зависимости критической частоты световых мельканий от длительности световых импульсов
Нейрофизиология сетчатки и анатомо-физиологические особенности зрительного пути
Современная технократическая среда определяется, в частности, значительным увеличением информационной нагрузки, воздействующей на человека. Появление многочисленных новых зрительно-напряженных профессий, а так же широкое применение электронных дисплеев и увеличение интенсивности операторской деятельности приводят к значительному увеличению нагрузок на ЗА и как следствие этого -зрительному утомлению [17, 18].
Диагностика нервнорецепторного утомления ЗА представляет весьма сложную задачу. По общему мнению, надежных тестов выявления утомления этого рода пока не существует. При этом отмечается, что прогноз надежности операторской деятельности в условиях психоэмоционального напряжения существенно зависит от уровней мотивации и навыка у операторов [19]. Для диагностики утомления активно разрабатываются методы системной оценки ФС и физиологических функций человека на рабочем месте [20 - 23], модели «идеального ФС» с использованием статистических методов и методов распознавания образов на основе комплекса физиологических показателей [24], системы автоматического контроля физиологических параметров человека-оператора [25 - 27].
В качестве наиболее информативных показателей зрительного утомления считаются следующие: КЧСМ, пороги контрастной и цветовой чувствительности глаза, время моторного ответа на сенсорный зрительный раздражитель, динамика последовательных образов и устойчивость ясного видения. Однако информативность большинства из них явно недостаточна [2].
Кроме того, многие тесты трудоемки, требуют применения специальной аппаратуры, иногда достаточно сложной. В результате офтальмоэргономика пока не располагает установившейся, стройной и общепринятой системой оценки зрительного утомления операторов в целом и составляющих ее звеньев в отдельности [2].
В связи с этим приобретает особую актуальность разработка методов определения степени зрительного утомления лиц, занятых зрительно-напряженным трудом, оценка работоспособности (в том числе и зрительной) конкретного индивидуума, определение достоверных критериев профотбора кандидатов к овладению специальностями зрительного профиля, организация трудового процесса и отдыха [28].
Исследованию строения сетчатки и ее элементов посвящено множество работ [12, 13, 16, 29].
Сетчатка эмбриологически является частью мозга и состоит из слоя фоторецепторов, биполярных и ганглиозных клеток, как показано на рис. 1. Фоторецепторы, состоящие из палочек и колбочек, обусловливают двойственную природу зрения, скотопического (ночного) и фотопического (дневного). В соответствии с этим выделяют палочковый путь, состоящий из палочковых фоторецепторов, биполярных и ганглиозных клеток, а также нескольких видов амакриновых клеток, являющихся интернейронами, и колбочковый путь, отличающийся тем, что колбочковые биполяры имеют прямые синапсы с дендритами ганглиозных клеток без промежуточных амакриновых клеток [16, 30]. Экспериментальные исследования последних лет синаптической передачи от фоторецепторов к биполярным клеткам в сетчатке протея разницы в латентных периодах палочек и колбочек не выявили [31]. В сетчатке человека различают два типа биполяров: гиперполяризационные (с off-центром) и деполяризационные (с оп-центром) [16]. Аналогичным образом выделяют ганглиозные клетки сетчатки, гиперполяризующиеся на свету и генерирующие спайки в ответ на выключение света (off-центр клетки) и клетки, деполяризующиеся и генерирующие спайки в ответ на включение света (on-центр клетки). Ганглиозные клетки являются началом афферентных зрительных путей, в них продуцируются спайки, потенциал действия. По аксонам ганглиозных клеток - волокнам зрительного нерва - импульсные сигналы передаются в мозг [16, 29]. Имеются данные о различии во временной динамике между on- и off-проводящими зрительными путями [32], причем установлено, что on- и off-пути образуют отдельные нейронные субстраты для восприятия движения [33]. Кроме того, в структуре зрительного пути имеются два типа интернейронов: горизонтальные клетки и амакриновые клетки. Горизонтальные клетки имеют синаптические контакты друг с другом и биполярными клетками, а также обратную связь с фоторецепторами. Амакриновые клетки, богатые нейромедиаторами, имеют синапсы с другими амакриновыми и ганглиозными клетками, а по системе обратной связи - с биполярными клетками [29, 34]. Результаты электрофизиологических и психофизиологических исследований позволили установить следующие особенности строения зрительного пути. Восприятие изображения начинается с поглощения света светочувствительными молекулами зрительного пигмента (родопсина), содержащегося в мембране дистальной части фоторецепторов. Затем следует цепь молекулярных реакций его последовательного превращения, в результате которого пигмент обесцвечивается. После этого начинается каскад реакций, отвечающих за процессы трансдукции, заканчивающийся гиперполяризацией клеточной мембраны наружного сегмента фоторецептора [16].
Разработка метода повышения точности определения критической частоты световых мельканий
Целью исследования является определение потенциально возможных временных параметров зрительного анализатора.
В литературных источниках описывается значительное количество методов определения ВПЗВ, в частности, КЧСМ, времени зрительного ощущения, ВВ, критической длительности зрения, ВЗВ и т.д.
Для определения ВЗВ буквенных стимулов, предъявляют тестовый, а через 20 мс маскирующий стимул. Длительность паузы между тестовым и маскирующим стимулом увеличивают с шагом 10 мс, пока испытуемый не опознает буквенный стимул [3]. При определении ВПЗВ методом КЧСМ испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной надпороговой [107] или подпороговой [5, 108] частотой, а затем, соответственно, уменьшают или увеличивают частоту световых мельканий до момента их субъективного слияния. В способе определения степени зрительного утомления предложено предъявлять испытуемому световые импульсы с частотой мельканий порядка 10 Гц и длительностью 0,5 периода, а затем плавно увеличивать длительность импульсов при постоянной частоте мельканий, до их субъективного слияния [109]. Е.Е. Сомовым и В.А. Маревским предложено определять минимальную различимую длительность светового импульса (критическую длительность зрения), а затем, увеличивая частоту мелькания светового импульса, определять КЧСМ, использующуюся в качестве мерила зрительного утомления [2]. Ранее автором совместно с В.В. Роженцовым была установлена взаимосвязь критической длительности зрения Тс и времени зрительного ощущения [ПО]. Известно, что при предъявлении испытуемому короткого тестового стимула длительностью меньшей Тс зрительное ощущение не возникает. Аналогичным образом, при предъявлении светового импульса длительностью меньшей времени ощущения ЗА Tj зрительное ощущение также не возникает, так как время воздействия светового импульса на сетчатку меньше времени суммации, необходимого для возникновения зрительного ощущения. Следовательно, время зрительного ощущения Ті может быть принято равным критической длительности зрения Тс. Методов определения потенциально возможных параметров ЗА анализ литературных источников не выявил. Метод КЧСМ является простым и удобным для испытуемого способом определения ВПЗВ. Для определения КЧСМ испытуемому предъявляют ритмическую последовательность световых импульсов и, регулирую частоту, определяют момент их субъективного слияния. В тоже время, как было показано в подразделе 1.4, измерение КЧСМ проводят при действии последовательной маскировки, вызванной ритмической последовательностью световых импульсов. Анализ литературных данных показал, что большинство известных методов определения КЧСМ основано на предъявлении световых мельканий с длительностью импульсов, равной 0,5 периода их предъявления. В тоже время известно, что значение КЧСМ зависит от многих факторов, в том числе и от длительности предъявляемых световых импульсов [4, 5]. С целью исследования зависимости значения КЧСМ и точности ее измерения от длительности световых импульсов проведены экспериментальные исследования измерений КЧСМ у группы испытуемых из 30 человек при следующих длительностях тестовых световых стимулов [111,112]: - длительность светового стимула переменна и равна 0,5 периода предъявления; - длительность светового стимула постоянна и равна 5 мс; - длительность светового стимула постоянна и равна 1 мс. Результаты экспериментальных исследований измерения КЧСМ приведены в подразделе 4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что с уменьшением длительности световых импульсов случайная составляющая погрешности измерений, определяемая средним квадратическим отклонением и характеризующая точность измерений КЧСМ, уменьшается. В тоже время изменение значений КЧСМ во всех сериях измерений статистически недостоверно, что свидетельствует о том, что изменение длительностей световых импульсов на условия маскировки значимо не влияет. Для увеличения точности измерений и уменьшения случайной составляющей погрешности измерений предложено использование фиксированных длительностей световых импульсов, как показано на рис. 5. Данный метод предусматривает предъявление испытуемому световых импульсов фиксированной длительности с начальной частотой 20 Гц. Частоту световых мельканий увеличивают до возникновения ощущения непрерывности светового потока. Длительность световых импульсов в процессе измерения не изменяется. На разработанный метод получено решение ФИПС о выдаче патента на изобретение.
В тоже время уменьшение длительности световых импульсов менее 3 мс нецелесообразно, так как при этом уменьшается видимая яркость светового источника. Показано, что использование данного метода при предъявлении испытуемому световых импульсов фиксированной длительности порядка 5 мс приводит к увеличению точности измерений от 14,2 до 75,4% по сравнению со стандартной методикой измерения КЧСМ.
Использование разработанного метода для измерения КЧСМ позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения случайной составляющей погрешности измерения [113, 114].
Устройство для измерения критической частоты слияния световых мельканий
В настоящее время известно значительное количество устройств для измерения временных параметров зрительного восприятия. Однако, абсолютное большинство из них характеризуются значительной дороговизной аппаратуры и ее сложностью, что не позволяет широко использовать их в офтальмологии и офтальмоэргономике. Как было показано выше, разработка простых инструментальных способов экспресс - оценки зрительных функций, позволяющих проводить измерения без специальной подготовки испытуемого, длительного подготовительного периода перед проведением исследований и использованием сложного медицинского оборудования является актуальной и востребованной.
Для экспериментального определения времени инерции зрительной системы известно устройство, содержащее маятник, задающий время экспозиции марки и набор контрастных фильтров [50]. С использованием данного устройства измеряют пороговый контраст для какого-нибудь объекта при стационарном наблюдении, затем при разных контрастах Кп, создаваемых заданным набором фильтров, доводят эффективный контраст Кэ до порога видимости подбором времени экспозиции t, задаваемое амплитудой качания маятника. За время инерционности зрительной системы принимается эффективное время сохранения зрительного впечатления и при времени экспозиции t 0,01, определяется по формуле: q = Кп t / е. где q- время сохранения зрительного впечатления; Кп - контраст, создаваемый набором фильтров; t - время экспозиции;
Для электрофизиологического определения временных параметров зрительного восприятия известна специализированная электрофизиологическая система «Nueropta», позволяющая снимать данные электроретинографии. В специализированной системе «МБН-нейрокартограф», включающей усилитель, стимулятор, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, производится регистрация и обработка сигнала для картирования ЗВКП. Система предусматривает цифровую фильтрацию записи, удаление артефактов, выбор участков записи произвольной длины для последующей обработки, получение цифровых данных по каждому из каналов для любого момента времени относительно нулевой линии. Для регистрации компонентов электроэнцефалографии при световой стимуляции применяют электроэнцефалографы «Grass Model 8-10-10» [16].
Кроме того, известен ряд устройств для определения ВПЗВ методом измерения КЧСМ. Так, например, известно устройство, посредством которого испытуемому предъявляют источник световых импульсов с частотой, автоматически возрастающей от первоначального значения по линейному закону. При достижении частоты мельканий критического значения испытуемый фиксирует результаты измерения КЧСМ, затем через заданное время паузы устройство возвращается в исходное состояние [138]. Недостатком данного устройства является высокая погрешность измерений, обусловленная, в частности, временем сенсомоторной реакции испытуемого.
В известном устройстве для измерения критической частоты слияния мельканий по а. с. 1373399 СССР, испытуемому предъявляют источник световых импульсов с дискретно изменяющимся значением частоты мельканий. На первом шаге испытаний частота световых мельканий равна средней точке зоны возможных значений от 20 до 60 Гц. Если испытуемый видит мелькания, КЧСМ находится в высокочастотной части зоны возможных значений, если не видит - в низкочастотной части. На втором шаге испытуемому предъявляют частоту мельканий, равную средней точке определенной на первом шаге высокочастотной или низкочастотной части зоны возможных значений и т.д. Количество шагов определяется необходимой точностью измерений [139].
Недостатком устройства является большое количество шагов для определения КЧСМ, что занимает значительное время, приводит к дополнительному утомлению зрительных анализаторов, а следовательно, к снижению точности результатов измерений.
Для определения КЧСМ с использованием линейно-точечного источника света известно устройство по а. с. СССР 1627130 [140]. Испытуемый, вращая ручку потенциометра на пульте управления, увеличивает частоту световых мельканий и фиксирует момент слияния световых мельканий. Для считывания показания КЧСМ испытуемый через пульт управления подает питание на цифровые индикаторы КЧСМ. Недостатком данного устройства является периодическое мелькание показаний индикаторов КЧСМ, что затрудняет их считывание и вызывает дополнительное утомление ЗА. Этот недостаток устранен в устройстве по а.с. 1741778 [141], при считывании показаний на индикаторах которого постоянно отображается значение КЧСМ.
С целью обеспечения автоматического режима работы при многократных измерениях наиболее эффективно устройство по а. с. 1762897 СССР, позволяющее проводить измерения КЧСМ, обеспечивая контроль достоверности результатов измерений [142].
Общим недостатком всех устройств измерения КЧСМ является низкая точность измерения, так как установлено, как показано в подразделе 4.3, что значение КЧСМ зависит от длительности предъявляемых световых импульсов. В известных устройствах длительность светового импульса равна 0,5 периода предъявляемых световых мельканий. При изменении частоты световых мельканий происходит изменение длительности предъявляемых световых импульсов, что в свою очередь влияет на значение КЧСМ и точность ее определения.
В устройстве для определения критической длительности паузы на базе малой ЭЦВМ ПРОМИНЬ-М испытуемому предъявляют в качестве тестового сигнала число с заданным временем экспозиции, а затем подают стирающее изображение. Инструкцией испытуемому предлагают распознавать каждое предъявленное число и в качестве ответа набирать его на клавиатуре машины. В случае правильного ответа время предъявления следующего числа уменьшалось. В случае ошибки или отсутствия ответа время экспозиции следующего числа увеличивалось на аналогичный шаг. Ошибка и время экспозиции, при котором она была допущена, фиксировались [17]. Недостатком устройства является сложность и различия пространственно-ориентационного представления изображений чисел, что не позволяет определить потенциальные возможности ЗА, так как известно, что временные параметры зрительного восприятия зависят от сложности обрабатываемой информации.
Результаты экспериментальных исследований зависимости критической частоты световых мельканий от длительности световых импульсов
Запускающий одновибратор OBj формирует импульсы длительностью 1 мс, повторяющиеся с периодом 1 с. Элемент ИЛИ служит для подачи импульсов запуска одновибратора ОВ2 с одновибраторов OBi и ОВ3. Элемент ИЛИ-НЕ предназначен для разрешения/запрещения прохождения импульсов с выхода одновибратора ОВ3. Последовательность импульсов с частотой 1 Гц, обеспечивающая время повторения тестовых импульсов 1 с, формируется делителем счетных импульсов DIVi (коэффициент деления 82 10000). Одновибратор ОВ2 вырабатывает тестовый импульса длительностью 50 мс. Одновибратор ОВ3 формирует длительность МИИ между тестовыми импульсами в диапазоне от 1 до 150 мс. Счетчик-дешифратор CTR предназначен для подсчета числа тестовых импульсов одновибратора ОВ2 и формирования сигнала разрешения работы делителя счетных импульсов DIV,.
Пульт управления ПУ используется для регулирования длительностью МИИ между световыми импульсами в паре в диапазоне от 1 до 150 мс. Источник световых импульсов ИС предназначен для предъявления световых импульсов и выполнен одиночным на светодиоде типа АЛ307ЕМ. Генератор импульсов G формирует последовательность счетных импульсов с частотой 10 кГц, обеспечивающих точность измерения, равную 0,1 мс. Элемент И используется как вентиль парных счетных импульсов для определения длительности МИИ. Счетчик CTR2 предназначен для определения длительности МИИ между тестовыми импульсами. Регистр RG осуществляет фиксацию и хранение значения длительности МИИ. Регистр RG2 осуществляет фиксацию и хранение значения суммы длительностей МИИ. Регистр RG3 осуществляет фиксацию и хранение значения суммы длительностей МИИ в серии из 10 измерений. Арифметико-логическое устройство ALU предназначено для суммирования текущего значения измеренной длительности МИИ и суммы длительностей МИИ, полученных в предыдущих измерениях. Одновибратор ОВ4 формирует сигнал записи в регистр RG2. Делитель импульсов на 10 DIV2 формирует сигнал разрешения записи в регистр RG3. Индикаторы в блоке индикации БИ отображают значение среднего арифметического значения ВВ в серии из 10 измерений и выполнены на индикаторах типа АЛСЗЗЗА.
Устройство ИВВ-1 работает следующим образом. При включении питания генератор G вырабатывает импульсы с частотой 10 кГц (рис. 21 а), поступающие на вход элемента И и вход делителя счетных импульсов DIVi с коэффициентом деления 10000, формирующего импульсы с периодом следования 1 с (рис. 21 б). Импульсы с выхода делителя счетных импульсов DIVj поступают на запускающий одновибратор ОВь с выхода которого подаются на первый вход элемента ИЛИ (рис. 21 в) и обнуляют счетчик-дешифратор CTRi. Импульсы с выхода элемента ИЛИ поступают на вход обнуления счетчика CTR2 и на одновибратор ОВг, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает импульс длительностью 50 мс (рис. 21 г), которые поступают на источник световых импульсов ИС. По его заднему фронту происходит запуск одновибратора ОВ3 с регулируемой длительностью импульса (рис. 21 д), а также подсчет числа тестовых световых импульсов счетчиком-дешифратором CTR]. Длительность импульсов на выходе одновибратора ОВ3 регулируется испытуемым с пульта управления ПУ в диапазоне от 1 до 150 мс.
После формирования двух тестовых световых импульсов на второй вход элемента ИЛИ-НЕ подается сигнал, запрещающий прохождение импульсов с одновибратора ОВз (рис. 21 е), импульсы с которого поступают на первый вход элемента ИЛИ-НЕ. Также этот сигнал разрешает работу делителя счетных импульсов DIVi, формирующего паузу 1 с между окончанием последней и началом следующей пары тестовых световых импульсов (рис. 21 е). При поступлении очередного импульса запускающего одновибратора OBt счетчик-дешифратор CTRi обнуляется, запрещая работу делителя счетных импульсов DIVj.
Импульсы с выхода одновибратора ОВ3 поступают на вход элемента И, на второй вход которого поступают импульсы с выхода генератора G. Пачка импульсов с выхода элемента И поступает на счетный вход счетчика CTR2, результат счета заносится в регистр RGi.
Для первичной обработки результатов измерений в устройстве предусмотрено определение среднего арифметического значения в серии из 10 измерений. Арифметико-логическое устройство ALU суммирует текущее значение длительности МИИ с регистра RGi с суммой значений длительностей МИИ, определенных на предыдущих этапах измерений, хранящейся в регистре RG2. Делитель импульсов на 10 DIV2 формирует сигнал записи суммарного значения определенных длительностей в регистр RG3 при выполнении 10 измерений.
По выполнении 10 измерений на блоке индикации БИ высветится сумма значений МИИ в серии из 10 измерений. Для определения среднего арифметического значения МИИ в серии из 10 измерений в БИ предусмотрено дополнительное отделение младшего от старших разрядов. Среднее арифметическое значение МИИ будет индицироваться в БИ до тех пор, пока не будет выполнена следующая серия из 10 измерений.
Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта управления ПУ уменьшает длительность импульсов на выходе одновибратора ОВ3 до момента субъективного слияния световых импульсов в паре. Время восстановления ЗА принимается равным длительности МИИ в момент субъективного слияния парных световых импульсов в один.
Для измерения времени восстановления ЗА с использованием парных световых импульсов, разработано устройство «ИВВ-2». Для расширения функциональных возможностей метода в устройстве предусмотрена возможность варьирования длительностью каждого светового импульса в паре.
Структурная схема устройства «ИВВ-2» представлена на рис. 22, временные диаграммы его работы - на рис. 23.
