СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫХ КАНАЛОВ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2003 года по МПК A61B3/00 

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы.

Известно, что вначале зрительную систему рассматривали как один пространственный фильтр. Предполагали, что чувствительность зрительной системы к различным пространственным частотам определяется передаточной функцией этого фильтра [1] . Кемпбелл и Робсон впервые высказали предположение, что зрительная система состоит из множества параллельных каналов - фильтров, каждый из которых чувствителен к определенным пространственным частотам, то есть имеет свою полосу пропускания [2].

Известны эксперименты Блэкмора и Кемпбелла, установившие существование пространственно-частотных каналов в зрительной системе. Они показали, что адаптация к синусоидальной решетке определенной частоты вызывает снижение чувствительности только к этой частоте и ее ближайшим окрестностям. Вычитая из передаточной функции зрительной системы ту же функцию, полученную после адаптации к одной частоте, авторы получили пространственно-частотную характеристику канала, настроенного на эту частоту [3].

Пространственно-частотные каналы со своей полосой пропускания занимают некоторый участок в видимом диапазоне. При этом полосы пропускания пространственно-частотных каналов всей зрительной системы перекрывают весь видимый пространственно-частотный диапазон [4].

Известно определение полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы с помощью тонких светлых и темных полос, а также решеток разной пространственной частоты с синусоидальным распределением освещенности. При этом под пространственной частотой решетки понимается число периодов распределения яркости на один градус поля зрения [4, 5].

Известно определение полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы путем формирования синусоидальных решеток на экране электронно-лучевых трубок [2, 6], а также с использованием персональных компьютеров [7].

Ни один из известных способов не может быть принят в качестве прототипа к предлагаемому способу определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы.

Недостатками известных способов являются
- их сложность;
- зависимость чувствительности зрительной системы к пространственным частотам от ориентации тестирующих решеток [8, 9];
- зависимость полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы от размеров тестирующих решеток [10, 11];
- зависимость чувствительности зрительной системы к пространственным частотам от яркости тестовых изображений [12];
- измерения выполняются не в условиях освещенностей, в которых обычно приходится работать человеку.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы заключается в том, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной или уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотами, при этом вначале предъявляют световые мелькания с непрерывно увеличивающейся инкрементной или непрерывно уменьшающейся декрементной частотами, после чего поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной и инкрементной или начальной и декрементной частотами, причем на первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с заданной начальной частотой вначале непрерывно увеличивают с заданной постоянной скоростью инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся во время предъявления с заданной постоянной скоростью инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и инкрементной частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную частоту световых мельканий, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся в моменты начала предъявления дискретно с заданным шагом инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью инкрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной и начальной частотами световых мельканий; на втором этапе измерений после предъявления световых мельканий с той же заданной начальной частотой вначале непрерывно уменьшают с той же заданной постоянной скоростью декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую декрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся во время предъявления с той же заданной постоянной скоростью декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и декрементной частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную частоту световых мельканий, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся в моменты начала предъявления дискретно с тем же заданным шагом декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью декрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной и начальной частотами световых мельканий, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений.

На фиг. 1 представлена временная диаграмма предъявляемых в процессе измерений световых мельканий с начальной и инкрементной, а на фиг.2 - начальной и декрементной частотами.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы осуществляется следующим образом.

Испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой F_н, равной, например, 10 Гц (фиг.1, интервал времени 0-Т₀; фиг, 2, интервал времени Т₄-Т₃), затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной F_н - инкрементной F_и или уменьшенной по сравнению с начальной F_н - декрементной F_д частотами, при этом вначале световые мелькания с непрерывно увеличивающейся инкрементной F_и (фиг.1, интервал времени T₀-T₁) или непрерывно уменьшающейся декрементной F_д (фиг.2, интервал времени Т₅-Т₆) частотами, после чего поочередно с заданным постоянным периодом, равным, например, 1 с, световые мелькания с начальной F_н и инкрементной F_и (фиг.1, интервал времени T₁-Т₃) или начальной F_н и декрементной F_д (фиг.2, интервал времени Т₆-T₈) частотами.

На первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с начальной F_н частотой (фиг.1, интервал времени 0-Т₀) вначале непрерывно увеличивают с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с инкрементную F_и частоту световых мельканий (фиг.1, интервал времени T₀-T₁), пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной F_н и инкрементной F_и частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную F_и1 частоту световых мельканий (фиг.1, момент времени T₁).

Затем предъявляют поочередно с постоянным периодом 1 с световые мелькания с начальной F_н частотой и уменьшающейся во время предъявления с постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с инкрементной F_и частотой (фиг.1, интервал времени Т₁-Т₂) до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной F_н и инкрементной F_и частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную F_и2 частоту световых мельканий (фиг.1, момент времени Т₂).

После этого предъявляют поочередно с тем же постоянным периодом 1 с световые мелькания с начальной F_н частотой и увеличивающейся в моменты начала предъявления дискретно с заданным шагом, например, 0,1 Гц, инкрементной F_и частотой (фиг.1, интервал времени Т₂-Т₃) до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной F_н и инкрементной F_и частотами и не зафиксирует в этот момент третью инкрементную F_и3 частоту световых мельканий (фиг.1, момент времени Т₃). Значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной F_и3 и начальной F_н частотами световых мельканий по формуле
ΔF_и=F_и3-F_н.

На втором этапе измерений после предъявления световых мельканий с той же начальной F_н частотой (фиг.2, интервал времени Т₄-Т₅) вначале непрерывно уменьшают с той же постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с декрементную F_д частоту световых мельканий (фиг.2, интервал времени Т₅-Т₆), пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной F_н и декрементной F_д частотами и не зафиксирует в этот момент первую декрементную F_д1 частоту световых мельканий (фиг.2, момент времени Т₆).

Затем предъявляют поочередно с тем же постоянным периодом 1 с световые мелькания с начальной F_н частотой и увеличивающейся во время предъявления с той же постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с декрементной F_д частотой (фиг. 2, интервал времени Т₆-Т₇) до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной F_н и декрементной F_д частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную F_д2 частоту световых мельканий (фиг.2, момент времени Т₇).

После этого предъявляют поочередно с тем же постоянным периодом 1 с световые мелькания с начальной F_н частотой и уменьшающейся в моменты начала предъявления дискретно с тем же шагом 0,1 Гц декрементной F_д частотой (фиг. 2, интервал времени T₇-T₈) до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной F_н и декрементной F_д частотами и не зафиксирует в этот момент третью декрементную F_д3 частоту световых мельканий (фиг.2, момент времени T₈). Значение порога вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной F_д3 и начальной F_н частотами световых мельканий по формуле
ΔF_д = |F_д3-F_н|.
Полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений по формуле
ΔF = (ΔF_и+ΔF_д)/2.
Заявляемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы позволяет
- упростить процедуру измерений;
- уменьшить влияние ориентации, размеров и яркости зрительных стимулов на результаты измерений;
- выполнять измерения в естественных условиях, в том числе освещенности, присущих трудовой деятельности человека.

Таким образом, заявляемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы обладает новыми свойствами, обуславливающими получение положительного эффекта.

Пример. Испытуемому Г. , 23 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, предъявляли через порт LPT на индикатор пульта испытуемого световые мелькания с начальной F_н частотой, равной 10 Гц (фиг.1, интервал времени 0-Т₀; фиг.2, интервал времени Т₄-Т₅), затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной F_н - инкрементной F_и и уменьшенной по сравнению с начальной F_н - декрементной F_д частотами, при этом вначале световые мелькания с непрерывно увеличивающейся инкрементной F_и (фиг.1, интервал времени T₀-T₁) или непрерывно уменьшающейся декрементной F_д (фиг.2, интервал времени Т₅-Т₆) частотами, после чего поочередно с постоянным периодом, равным 1 с, световые мелькания с начальной F_н и инкрементной F_н (фиг.1, интервал времени Т₁-Т₃) или начальной F_н и декрементной F_д (фиг. 2, интервал времени Т₆-T₈) частотами.

В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок "Изменение непрерывное быстрое", "Изменение непрерывное медленное", "Изменение дискретное" и "Измерение".

При поступлении сигнала с кнопки "Изменение непрерывное быстрое" компьютер на первом этапе непрерывно увеличивал с постоянной скоростью 0,5 Гц/с инкрементную F_и, а на втором этапе с той же скоростью непрерывно уменьшал декрементную F_д частоты световых мельканий. При поступлении сигнала с кнопки "Изменение непрерывное медленное" на первом этапе уменьшал во время предъявления с постоянной скоростью 0,25 Гц/с инкрементную F_н, а на втором этапе с той же скоростью увеличивал во время предъявления декрементную F_д частоты. При поступлении сигнала с кнопки "Изменение дискретное" на первом этапе увеличивал в моменты начала предъявления дискретно с шагом 0,1 Гц инкрементную F_и, а на втором - с тем же шагом уменьшал в моменты начала предъявления декрементную F_д частоты. При снятии сигнала с кнопок фиксировал текущие инкрементную F_н или декрементную F_д предъявляемые частоты. По сигналу с кнопки "Измерение" на первом этапе вычислял значение порога различения предъявляемых поочередно частот световых мельканий как разность между последней зафиксированной инкрементной F_и и начальной F_н частотами, на втором этапе - как абсолютную разность между последней зафиксированной декрементной F_д и начальной F_н частотами, а также определял полосу пропускания пространственно-частотного канала как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах.

На первом этапе измерений компьютер предъявил световые мелькания с начальной частотой 10 Гц (фиг.1, интервал времени 0-Т₀), после чего испытуемый, нажимая кнопку "Изменение непрерывное быстрое" (фиг.1, интервал времени T₀-T₁), определил субъективно разницу между начальной F_н и инкрементной F_н частотами и отжал кнопку (фиг.1, момент времени T₁). При этом компьютер зафиксировал первую инкрементную F_и1 частоту световых мельканий.

Затем испытуемый, нажимая кнопку "Изменение непрерывное медленное" (фиг. 1, интервал времени Т₁-Т₂), определил, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной F_н и инкрементной F_и частотами не различаются, и отжал кнопку (фиг. 1, момент времени Т₂). При этом компьютер зафиксировал вторую инкрементную F_и2 частоту световых мельканий.

После этого испытуемый, нажимая кнопку "Изменение дискретное" (фиг.1, интервал времени T₂-Т₃), определил порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной F_н и инкрементной F_и частотами и отжал кнопку (фиг. 1, момент времени Т₃). При этом компьютер зафиксировал третью инкрементную F_и3 частоту световых мельканий. После этого испытуемый нажал кнопку "Измерение", и компьютер вычислил значение порога ΔF_и.

На втором этапе измерений компьютер предъявил световые мелькания с той же начальной частотой 10 Гц (фиг.2, интервал времени Т₄-Т₅), после чего испытуемый, нажимая кнопку "Изменение непрерывное быстрое" (фиг.2, интервал времени Т₅-Т₆), определил субъективно разницу между начальной F_н и декрементной F_д частотами и отжал кнопку (фиг.2, момент времени Т₆). При этом компьютер зафиксировал первую декрементную F_д1 частоту световых мельканий.

Затем испытуемый, нажимая кнопку "Изменение непрерывное медленное" (фиг. 2, интервал времени Т₆-Т₇), определил, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной F_н и декрементной F_д частотами не различаются, и отжал кнопку (фиг. 2, момент времени Т7). При этом компьютер зафиксировал вторую декрементную F_д2 частоту световых мельканий.

После этого испытуемый, нажимая кнопку "Изменение дискретное" (фиг.2, интервал времени Т₇-T₈), определил порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной F_н и декрементной F_д частотами и отжал кнопку (фиг. 2, момент времени T₈). При этом компьютер зафиксировал третью декрементную F_д3 частоту световых мельканий. После этого испытуемый нажал кнопку "Измерение", и компьютер вычислил значение порога ΔF_д, а также полосу пропускания пространственно-частотного канала ΔF и выдал ее значение, равное 1,0 Гц, на экран монитора.

В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемый выполнил серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения полосы пропускания, Гц: 1,0; 0,9; 0,9; 0,7; 1,0; 0,9; 0,7; 0,9; 0,7; 0,7. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания равно 0,840 Гц, среднее квадратическое отклонение - 0,126 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 0,285 Гц.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить полосу пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы.

Литература
1. Kelly D.H. Spatial frequency, bandwidth, resolution // Appl. Optics. - 1965. -V.4. - 2. -Р.435-437.

2. Campbell F.W., Robson J. Application of Fourier analysis to the visibility of gratings // J. Physiol. - 1968. - V.197. - 3. - Р.551-561.

3. Blakemore С. В., Campbell F.W. On the existence in the human visual system of neurons selectively sensitive to the orientation and size of retinal images // J. Physiol. - 1969. - V.203. - 1. - Р.237-260.

4. Шелепин Ю. Е., Колесникова Л.Н., Левкович Ю.И. Визоконтрастометрия: Измерение пространственных передаточных функций зрительной системы. - Л.: Наука, 1985. - 103 с.

5. Глезер В.Д. Зрение и мышление. Изд. 2-е, испр. и доп.- СПб.: Наука, 1993. - 284 с.

6. Green D.G., Campbell F.W. Effect of focus on the visual response to a sinusoidally modulated spatial stimulus // J. Opt. Soc. Amer. - 1965. - V. 55. - 9. -Р.1154-1157.

7. Болсунов К.Н. Метод и средства визоконтрастометрии для задач ранней диагностики нарушений зрения: Автореф. дис....канд.техн.наук. - С-Пб., 1997. - 15 с.

8. Campbell F.W., Kulikowski J.J. Orientational selectivity of the human visual system // J. Physiol. - 1966. - V.187. - 2. - Р.437-445.

9. Campbell F.W., Cleland B.G., Cooper G.F., Enroth-Cugell Ch. The angular selectivity of visual cortical cells to moving gratings // J. Physiol. - 1968. - V.198. - 1. - Р.237-250.

10. Savoy R.L., McCann J. Visibility of low-spatial-frequency sine-wave targets: Dependence of number of cycles // J. Opt. Soc. Amer. - 1975. - V. 65. - 3. - Р.343-350.

11. Cohen R.W. Applying psychophysics to display design // Photogr. Sci. and Engineering. - 1978. - V.22. - 2. - Р.56-59.

12. Savoy R.L. Low spatial frequencies and low number of cycles at low luminances // Photogr. Sci. and Engineering. - 1978. - V.22. - 2. - Р.76-79.

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы. Испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной или уменьшенной - декрементной частотами. На первом этапе измерений вначале непрерывно увеличивают с постоянной скоростью инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит разницу между начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту. Затем уменьшают инкрементную частоту и определяют ее второе значение, когда предъявляемые поочередно мелькания не различаются, после чего увеличивают дискретно инкрементную частоту и определяют ее третье значение, когда испытуемый определит их различение. Значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной и начальной частотами световых мельканий. На втором этапе проводят измерения аналогично первому этапу, фиксируя три декрементные частоты. Полосу пропускания определяют как среднее арифметическое значение порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений. Изобретение позволяет упростить процедуру измерения, уменьшить влияние ориентации, размеров и яркости зрительных стимулов на результаты измерений, выполнять их в условиях профессиональной деятельности. 2 ил.

Способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы путем предъявления испытуемому световых мельканий, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, например, 10 Гц, затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной или уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотами, при этом вначале предъявляют световые мелькания с непрерывно увеличивающейся инкрементной или непрерывно уменьшающейся декрементной частотами, после этого поочередно с заданным постоянным периодом, равным, например, 1 с, световые мелькания с начальной и инкрементной или начальной и декрементной частотами, причем на первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с заданной начальной частотой вначале непрерывно увеличивают с заданной постоянной скоростью, например, 0,5 Гц/с инкрементную частоту световых мельканий пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся во время предъявления с заданной постоянной скоростью, например, 0,25 Гц/с инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и инкрементной частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную частоту световых мельканий, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся в моменты начала предъявления дискретно с заданным шагом, например, 0,1 Гц инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью инкрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной и начальной частотами световых мельканий, на втором этапе измерений после предъявления световых мельканий с той же заданной начальной частотой вначале непрерывно уменьшают с той же заданной постоянной скоростью 0,5 Гц/с декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую декрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся во время предъявления с той же заданной постоянной скоростью 0,25 Гц/с декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и декрементной частотами не различаются, и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную частоту световых мельканий, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся в моменты начала предъявления дискретно с тем же заданным шагом 0,1 Гц декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью декрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной и начальной частотами световых мельканий, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений.