Устройство для исследования инерционности зрительной системы человека

Устройство относится к медицинской технике и предназначено для исследования времени инерционности зрительной системы человека. Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для исследования инерционности зрительной системы человека. Устройство содержит микроконтроллер, жидкокристаллический индикационный модуль и пульт испытуемого. Предложенное устройство позволяет исследовать инерционность, изменяя время задержки предъявления и раннего окончания регулируемого по длительности импульса относительно эталонного, уменьшить длительность процедуры определения времени инерционности зрительной системы человека, проводить статистическую обработку результатов измерений, сохранять результаты измерений за счет использования микроконтроллера.

Устройство относится к медицинской технике и предназначено для исследования времени инерционности зрительной системы человека.

Известно устройство для экспериментального исследования времени инерции зрительной системы, содержащее маятник, задающий время экспозиции марки и набора контрастных фильтров [1]. На данном устройстве измеряют пороговый контраст е для какого-нибудь объекта при стационарном наблюдении, затем при разных контрастах K_n, создаваемых заданным набором фильтров, доводят эффективный контраст К_э 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=K_n t/e.

Недостатком устройства являются его сложность, использование механического принципа задания времени экспозиции, что снижает точность определения времени инерции.

Известно устройство для исследования пропускной способности зрительного анализатора человека на базе малой ЭЦВМ ПРОМИНЬ-М, включающее цифровое табло, блоки управления им, устройство задержки (ПП9-2 м), блоки анализа точности приема цифрового сигнала и блок памяти [2]. В качестве тестовых сигналов используют числа, предъявляемые на цифровых лампах ИН-1 на табло ЭЦВМ каждые 7 с. На табло демонстрируют первое число из цифрового массива с заданным до эксперимента временем экспозиции, по истечении которого на табло появляется стирающее изображение. Испытуемый распознает каждое число и набирает его на клавиатуре. Программа диспетчер сопоставляет это число с набранным на клавиатуре испытуемым. Ошибка и время экспозиции, при котором она была допущена, фиксируется.

Время распознавания, то есть время, необходимое на узнавание изображения, зависит от параметров инерционности зрительной системы и определяется временем восприятия зрительной информации [3, 4].

Недостатком устройства является его сложность и большая продолжительность эксперимента, что приводит к утомлению зрительной системы и уменьшению точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для исследования инерционности зрительной системы, содержащее генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор, третий одновибратор, источник света, блок индикации и счетчик, выход генератора секундных импульсов соединен со входом первого одновибратора, выход счетчика соединен со входом блока индикации, (дополнительно введены) элемент исключающее ИЛИ, второй источник света, первый ключ для уменьшения регулируемой задержки предъявления одного импульса относительно другого на 1 мс, второй ключ для увеличения регулируемой задержки предъявления одного импульса относительно другого на 5 мс, генератор серии из пяти импульсов и формирователь интервала времени, причем выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора и с первым входом формирователя интервала времени, второй вход которого соединен с выходом счетчика, третий вход - с выходом генератора миллисекундных импульсов, а выход - с первым входом элемента исключающее ИЛИ, выход которого соединен с входом первого источника света, а второй вход с выходом второго одновибратора, выход которого соединен с входом второго источника света, выход первого ключа соединен с входом третьего одновибратора, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход второго ключа соединен с входом генератора серии из пяти импульсов, выход которого соединен со вторым входом счетчика [5].

Время инерционности зрительной системы человека при одновременном предъявлении двух световых импульсов равно значению порогового времени задержки регулируемого по длительности импульса относительно начала эталонного, постоянного по длительности, или порогового времени раннего окончания регулируемого по длительности импульса относительно времени окончания эталонного, в момент субъективного ощущения, что световые импульсы начинаются или оканчиваются одновременно [5, 6].

Недостатком устройства является невозможность исследования инерционности путем раннего окончания регулируемого по длительности импульса относительно эталонного, длительность процедуры определения инерционности, отсутствие статистической обработки результатов измерений, невозможность сохранения результатов измерений.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем применения микроконтроллера за счет добавления второго режима работы, позволяющего исследовать инерционность, изменяя время раннего окончания регулируемого по длительности импульса относительно эталонного, уменьшении длительности процедуры определения времени инерционности зрительной системы человека, вычислении среднеарифметического значения и среднеквадратичного отклонения результатов измерений и их доверительных интервалов, сохранении результатов измерений.

Технический результат достигается тем, что в устройство для исследования времени инерционности зрительной системы, содержащее первый источник света, второй источник света, дополнительно введены микроконтроллер, жидкокристаллический индикационный модуль, пульт испытуемого, содержащий органы управления и дополнительные девять пар источников света.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг.2 представлены последовательности пар предъявляемых световых импульсов, повторяющихся через временной интервал Т, равный 1 с, где фиг.2а - временная диаграмма эталонного светового импульса длительностью t_имп =80 мс; фиг.2б - временная диаграмма регулируемого по длительности светового импульса, задержанного относительно эталонного на время t_зад, вызывающего ощущение того, что предъявляемые импульсы начинаются не одновременно; фиг.2в - временная диаграмма регулируемого по длительности импульса, задержанного относительно времени предъявления эталонного на пороговое время t_{зад.пор} , вызывающего ощущение того, что предъявляемые импульсы начинаются одновременно; фиг.2г - временная диаграмма регулируемого по длительности светового импульса, оканчивающегося ранее относительно эталонного на время t_ок, вызывающего ощущение того, что предъявляемые импульсы оканчиваются не одновременно; фиг.2в - временная диаграмма регулируемого по длительности импульса, оканчивающегося ранее относительно времени предъявления эталонного на пороговое время t_ок.пор, вызывающего ощущение того, что предъявляемые импульсы оканчиваются одновременно.

Заявляемое устройство содержит микроконтроллер 1, жидкокристаллический индикационный модуль 2, пульт испытуемого 3.

Микроконтроллер 1 представляет собой стандартный микроконтроллер, имеющий один свободный 8-и разрядный порт для подключения жидкокристаллического индикационного модуля, четыре свободных 8-и разрядных порта для подключения пульта испытуемого и энергонезависимую память для сохранения результатов измерений.

Жидкокристаллический индикационный модуль 2 предназначен для отображения режима работы, времени задержки или раннего окончания регулируемого импульса первой пары относительно эталонного, результатов статистической обработки. В качестве жидкокристаллического индикационного модуля может быть использован, например, жидкокристаллический модуль MT-16S2H.

Пульт испытуемого 3 содержит:

- десять пар источников света, которые предназначены для предъявления световых импульсов, подключаются к любым портам микроконтроллера 1 и могут быть выполнены, например, на светодиодах АЛС307ЕМ. Эталонный импульс предъявляется первым источником света каждой пары, а регулируемый - вторым источником света каждой пары;

- десять ключей, выполненных в виде кнопок управления, причем каждой паре источников света соответствует одна из кнопок. Каждая кнопка предназначена для подачи сигнала контроллеру о выборе испытуемым соответствующей ей пары источников света;

- ключи «Старт», «Увеличение интервала повторения», «Уменьшение интервала повторения», «Статистическая обработка» и переключатель «Режим работы», имеющий положения: «Задержка регулируемого импульса» и «Раннее окончание регулируемого импульса». Ключи выполнены в виде кнопок управления. Кнопка «Старт» предназначена для подачи сигнала контроллеру на выход из режима ожидания и начала предъявления последовательности импульсов. Кнопки «Увеличение интервала повторения» и «Уменьшение интервала повторения» предназначены для подачи сигналов контроллеру на изменение длительности интервала повторения Т пар импульсов (фиг.2а) при индивидуальном подборе интервала повторения в диапазоне от 0,5 с до 1,5 с с шагом 0,1 с.Кнопка «Статистическая обработка» предназначена для подачи сигнала контроллеру на выполнение статистической обработки результатов измерений: вычисления среднеарифметического значения, среднеквадратичного отклонения серии измерений и их доверительных интервалов, последующего перевода микроконтроллера в режим ожидания. Переключатель «Режим работы» предназначен для установки режима работы устройства. При установке переключателя в положение «Задержка регулируемого импульса» испытуемому предъявляются пары импульсов, причем начала регулируемых по длительности импульсов задержаны относительно начал эталонных. При установке переключателя в положение «Раннее окончание регулируемого импульса» испытуемому предъявляются пары импульсов, причем регулируемые по длительности импульсы оканчивается ранее эталонных.

Устройство работает следующим образом. При включении питания на жидкокристаллическом индикационном модуле 2 отображается режим работы устройства, микроконтроллер переходит в режим ожидания. Переключатель «Режим работы» пульта испытуемого 3 устанавливается в положение «Задержка регулируемого импульса». Испытуемый нажимает кнопку «Старт» пульта испытуемого 3.

На первом этапе микроконтроллер 1 формирует эталонный импульс, подаваемый на первый светодиод каждой пары, и регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, задержанный на 5 мс относительно начала эталонного.

В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а длительность задержки начала регулируемого импульса относительно начала эталонного увеличена на 5 мс по сравнению с задержкой регулируемого импульса относительно начала эталонного предыдущей пары. Значения задержек регулируемых импульсов приведены в таблице 1.

Таблица 1
пары светодиодов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Время задержки предъявления регулируемого импульса (мс)	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50

Последовательность импульсов повторяется с интервалом T=1c. Испытуемый, при необходимости, изменяет длительность интервала повторения T в диапазоне от 0,5 с до 1,5 с с шагом 0,1 с (фиг.2а,б), путем необходимого числа нажатий кнопок «Увеличение интервала повторения» или «Уменьшение интервала повторения» пульта испытуемого 3.

Испытуемый определяет пару светодиодов, с наибольшим номером, для которой субъективно ощущает, что эталонный и регулируемый по длительности импульсы начинаются одновременно, и нажимает соответствующую ей кнопку на пульте испытуемого 3. Значение времени задержки предъявления регулируемого импульса этой пары относительно эталонного t_зад1 фиксируется.

На втором этапе микроконтроллер 1 формирует эталонный импульс, подаваемый на первый светодиод первой пары и регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, задержанный относительно начала эталонного на время t_зад1.

В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а длительность задержки регулируемого импульса относительно начала эталонного увеличена на 0,5 мс по сравнению с задержкой регулируемого импульса относительно начала эталонного предыдущей пары. Значения задержек регулируемых импульсов приведены в таблице 2.

Таблица 2
пары светодиодов	1	2	3	4	5
Время задержки предъявления регулируемого импульса(мс)	tзад1	tзад1+0,5	tзад1+1	tзад1+1,5	tзад1+2
пары светодиодов	6	7	8	9	10
Время задержки предъявления регулируемого импульса (мс)	tзад1+2,5	tзaд1+3	tзад1+3,5	tзад1+4	tзад1+4,5

Испытуемый определяет пару светодиодов с наибольшим номером, для которой субъективно ощущает, что эталонный и регулируемый по длительности импульсы начинаются одновременно, и нажимает соответствующую ей кнопку на пульте испытуемого 3. Значение времени задержки предъявления регулируемого импульса этой пары относительно эталонного t_{зад.пор} фиксируется и принимается за оценку времени инерционности зрительной системы человека.

Микроконтроллер 1 заносит значение времени инерционности зрительной системы человека t_{зад.пор} в энергонезависимую память микроконтроллера 1, формирует регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, который задержан относительно начала эталонного импульса, подаваемого на первый светодиод первой пары на случайную величину, лежащую в интервале от (t_{зад.пор} - 2) мс до (t_{зад.пор} - 5) мс, при (t_{зад.пор} - 5)<0 или (t_{зад.пор} - 2)<0 в интервале от 0 до t_{зад.пор} мс. В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а длительность задержки начала регулируемого импульса относительно начала эталонного увеличена на 5 мс по сравнению с задержкой регулируемого импульса относительно начала эталонного предыдущей пары.

Испытуемый выполняет заданное количество измерений и нажимает кнопку «Статистическая обработка» пульта испытуемого 3. Микроконтроллер 1 вычисляет среднеарифметическое значение и среднеквадратичное отклонение серии измерений и их доверительные интервалы, заносит результаты вычислений в энергонезависимую память микроконтроллера 1, выводит их на жидкокристаллический индикационный модуль 2 и переходит в режим ожидания.

Переключатель «Режим работы» пульта испытуемого 3 устанавливается в положение «Раннее окончание регулируемого импульса». Испытуемый нажимает кнопку «Старт» пульта испытуемого 3.

На первом этапе микроконтроллер 1 формирует эталонный импульс, подаваемый на первый светодиод первой пары и регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, оканчивающийся ранее эталонного на 5 мс.

В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а величина раннего окончания регулируемого импульса относительно эталонного увеличена на 5 мс по сравнению с ранним окончанием регулируемого импульса относительно эталонного предыдущей пары. Значения величин раннего окончания регулируемых импульсов приведены в таблице 3.

Таблица 3
пары светодиодов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Время раннего окончания регулируемого импульса (мс)	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50

Последовательность импульсов повторяется с интервалом T=1c. Испытуемый, при необходимости, изменяет длительность интервала повторения Т в диапазоне от 0,5 с до 1,5 с с шагом 0,1 с (фиг.2а,б), путем необходимого числа нажатий кнопок «Увеличение интервала повторения» или «Уменьшение интервала повторения» пульта испытуемого 3.

Испытуемый определяет пару светодиодов, с наибольшим номером, для которой субъективно ощущает, что эталонный и регулируемый по длительности импульсы оканчиваются одновременно, и нажимает соответствующую ей кнопку на пульте испытуемого 3. Значение времени раннего окончания предъявления регулируемого импульса этой пары относительно эталонного t_ок1 фиксируется.

На втором этапе микроконтроллер 1 формирует эталонный импульс, подаваемый на первый светодиод первой пары и регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, оканчивающийся ранее эталонного на время t_ок1.

В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а величина раннего окончания регулируемого импульса относительно начала эталонного увеличена на 0,5 мс по сравнению с ранним окончанием регулируемого импульса относительно эталонного предыдущей пары. Значения величин раннего окончания регулируемых импульсов приведены в таблице 4.

Таблица 4
пары светодиодов	1	2	3	4	5
Время раннего окончания предъявления регулируемого импульса(мс)	tок1	tок1+0,5	tок1+1	tок1+1,5	tок1+2
пары светодиодов	6	7	8	9	10
Время раннего окончания предъявления регулируемого импульса (мс)	tок1+2,5	tок1+3	tок1+3,5	tок1+4	tок1+4,5

Испытуемый определяет пару светодиодов с наибольшим номером, для которой субъективно ощущает, что эталонный и регулируемый по длительности импульсы оканчиваются одновременно, и нажимает соответствующую ей кнопку на пульте испытуемого 3. Значение времени раннего окончания предъявления регулируемого импульса этой пары относительно эталонного t _ок.пор фиксируется и принимается за оценку времени инерционности зрительной системы человека.

Микроконтроллер 1 заносит значение времени инерционности зрительной системы человека t_ок.пор в энергонезависимую память микроконтроллера 1, формирует эталонный импульс, подаваемый на первый светодиод первой пары и регулируемый импульс, подаваемый на второй светодиод первой пары, который оканчивается ранее эталонного на случайную величину, лежащую в интервале от (t_ок.пор - 2) мс до (t_ок.пор - 5) мс, при (t_ок.пор - 5)<0 или (t_ок.пор - 2)<0 в интервале от 0 до t_ок.пор мс. В каждой последующей паре длительность эталонного импульса постоянна, а величина раннего окончания регулируемого импульса относительно эталонного увеличена на 5 мс по сравнению с ранним окончанием регулируемого импульса относительно эталонного предыдущей пары.

Испытуемый выполняет заданное количество измерений и нажимает кнопку «Статистическая обработка» пульта испытуемого 3. Микроконтроллер 1 вычисляет среднеарифметическое значение и среднеквадратичное отклонение серии измерений и их доверительные интервалы, заносит результаты вычислений в энергонезависимую память микроконтроллера 1, выводит их на жидкокристаллический индикационный модуль 2 и переходит в режим ожидания.

Для исследования инерционности зрительной системы, испытуемому предъявляют последовательность пар импульсов, повторяющихся через задаваемый временной интервал Т. Во время ответов на световые импульсы появляется вначале рецептивное поле нейрона небольшого размера. Затем рецептивное поле расширяется, после чего ослабляется, фрагментируется и исчезает. После исчезновения рецептивного поля нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к восприятию нового стимула. Так как формирование рецептивного поля происходит через 20-80 мс после включения светового стимула [7], длительность эталонного импульса принята равной 80 мс.

Временной интервал Т выбирается из условия исключения влияния эффекта маскировки, которая заключается в ухудшении восприятия первого по времени светового импульса вследствие предъявления второго импульса в непосредственной пространственно-временной близости с первым. Показано существование не только эффекта обратной, но и прямой маскировки, при которой первый световой импульс влияет на качество восприятия второго [8]. При межимпульсном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [9]. Для устранения эффекта маскировки последовательность пар световых импульсов предъявляется через задаваемый индивидуально временной интервал в диапазоне от 500 до 1500 мс.

Экспериментально установлено, что время инерционности зрительной системы человека находится в диапазоне от 15 до 25 мс [5]. Для того, чтобы испытуемый вначале ощущал, что регулируемый по длительности и эталонный импульсы начинаются или оканчиваются не одновременно, величина задержки или раннего окончания принята равной 40 мс.

С целью расширения функциональных возможностей устройства за счет добавления второго режима работы, позволяющего исследовать инерционность, изменяя время раннего окончания регулируемого по длительности импульса относительно эталонного, вычислять среднеарифметическое значение и среднеквадратичное отклонение результатов измерений и их доверительные интервалы, сохранять результаты измерений в устройство введены микроконтроллер, жидкокристаллический индикационный модуль, пульт испытуемого, содержащий органы управления и дополнительные девять пар светодиодов.

Источники информации

1. Луизов А.В. Глаз и свет.- Л.: Энергия, 1983. - 140 с.

2. Мещеряков В.А., Шабаев В.В., Казановская И.А. Методика автоматической тахистоскопии с обратной связью // Физиология человека. - 1977. - Т.3. - 3. - С.549-552.

3. Иваницкий A.M. Мозговые потенциалы при мыслительных операциях разной степени сложности // Физиология человека. - 1989. - Т.15. - 3. - С.11-18.

4. Стрелец В.Б. Нарушение физиологических механизмов восприятия, эмоций и мышления при некоторых видах психической патологии // Физиология человека. - 1989. - Т.15. - 3. - С.135 -144.

5. Патент 2262293 РФ, МПК А61В 3/02. Способ определения времени инерционности зрительной системы человека. / Петухов И.В., Лежнин А.В., Роженцов В.В. - Опубл. 20.10.2005, Бюл. 29.

6. Решение ФИПС от 20.10.2008 о выдаче патента на изобретение по заявке 2008102402/14(002618). Способ определения инерционности зрительной системы человека / Роженцов В.В., Лежнин А.В. (РФ).

7. Шевелев И.А. Временная переработка сигналов в зрительной коре // Физиология человека. - 1997. - Т.23. - 2. - С.68-79.

8. Кропотов Ю.Д., Пономарев В.А. Реакция нейронов и вызванные потенциалы в подкорковых структурах мозга при зрительном опознании. Сообщение IV. Эффект маскировки зрительных стимулов // Физиология человека. - 1987. - Т.13. - 4. - С.561.

9. Тароян Н.А., Мямлин В.В., Генкина О.А. Межполушарные функциональные отношения в процессе решения человеком зрительно-пространственной задачи // Физиология человека. - 1992. - Т.18. - 2 -С.5-14.

Устройство для исследования времени инерционности зрительной системы, содержащее первый источник света, второй источник света, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены микроконтроллер, жидкокристаллический индикационный модуль, пульт испытуемого, содержащий органы управления и дополнительные девять пар источников света.