СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНОГО КАНАЛА 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. 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 от ориентации тестирующих решеток [8, 9];
- зависимость полосы пропускания от размеров тестирующих решеток [10, 11];
- зависимость чувствительности зрительной системы от яркости тестовых изображений [12];
- измерения выполняются не в условиях освещенностей, в которых обычно приходится работать человеку;
- сложность выполнения измерений у детей. Необходима разработка простых методов, что позволит выполнить раннюю диагностику зрительной системы детей дошкольного возраста и своевременно начать целенаправленные тренировки, чтобы уменьшить число лиц, страдающих от недостатков зрения.

Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы характеризуется тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, после этого поочередно с заданным постоянным периодом вначале начальную и увеличенную - инкрементную, затем начальную и уменьшенную - декрементную, частоты, разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот, причем на первом этапе измерений вначале с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо не различаются, на втором этапе вначале с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на первом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты не различаются, на третьем этапе с заданной постоянной скоростью увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами, на четвертом этапе вначале с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо не различаются, на пятом этапе вначале с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты не различаются, на шестом этапе с заданной постоянной скоростью уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, значение порога вычисляют как абсолютную разность между зафиксированной на этом этапе декрементной и начальной частотами, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений.

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

На фиг.1 представлены предъявляемые поочередно с заданным постоянным периодом Т частоты световых мельканий: начальная и инкрементная (фиг.1а), начальная и декрементная (фиг.1б). На фиг.2 представлены временные диаграммы изменения в процессе измерений инкрементной (фиг.2а) и декрементной (фиг.2б) частот.

Испытуемому предъявляют поочередно с постоянным периодом Т, равным, например, 1 с, вначале начальную F_н и инкрементную F_и (фиг.1а), затем - начальную F_н и декрементную F_д (фиг.1б) частоты световых мельканий. Разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот световых мельканий.

На первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с начальной частотой F_н, равной, например, 10 Гц (фиг. 2а, интервал времени 0-Т₀), вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг. 2а, интервал времени T₀-T₁), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо различаются (фиг.2а, момент времени Т₁, частота F_и1). Затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг.2а, интервал времени T₁-Т₂), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо не различаются (фиг.2а, момент времени Т₂, частота F_и2).

На втором этапе вначале с постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и2 световых мельканий, зафиксированную на первом этапе (фиг.2а, интервал времени Т₂-Т₃), пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот (фиг.2а, момент времени Т₃, частота F_и3). Затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту F_и световых мельканий (фиг.2а, интервал времени Т₃-Т₄), пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты не различаются (фиг.2а, момент времени Т₄, частота F_и4).

На третьем этапе с постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с увеличивают инкрементную частоту F_и4 световых мельканий, зафиксированную на втором этапе (фиг. 2а, интервал времени Т₄-Т₅), пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот (фиг. 2а, момент времени Т₅, частота F_и5). Значение порога вычисляют по формуле
ΔF_и=F_и5-F_н.

На четвертом этапе после предъявления световых мельканий с начальной частотой F_н, равной 10 Гц (фиг.2б, интервал времени Т₆-Т₇), вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени Т₇-Т₈), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо различаются (фиг.2б, момент времени Т₈, частота F_д1). Затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени T₈-T₉), пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо не различаются (фиг. 2б, момент времени Т₉, частота F_д2).

На пятом этапе вначале с постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д2 световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе (фиг.2б, интервал времени Т₉-Т₁₀), пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот (фиг.2б, момент времени Т₁₀, частота F_д3). Затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту F_д световых мельканий (фиг.2б, интервал времени Т₁₀-Т₁₁), пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты не различаются (фиг.2б, момент времени T₁₁, частота F_д4).

На шестом этапе с постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с уменьшают декрементную частоту F_д4 световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе (фиг. 2б, интервал времени Т₁₁-Т₁₂), пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот (фиг.2б, момент времени Т₁₂, частота F_д5). Значение порога вычисляют по формуле
ΔF_д = |F_д5-F_н|.
Полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом 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;
- выполнять измерения у детей с использованием игровых методов.

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

Пример. Испытуемой К. , 35 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, предъявляли через порт LPT на индикатор пульта испытуемого поочередно с постоянным периодом, равным 1 с, частоты световых мельканий: на первом, втором и третьем этапах измерений - начальную F_и и инкрементную F_и; на четвертом, пятом и шестом этапах - начальную F_н и декрементную F_д. В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок "Увеличение", "Уменьшение" и "Измерение".

При поступлении сигнала с кнопок "Увеличение" или "Уменьшение" компьютер соответственно увеличивал или уменьшал инкрементную F_и или декрементную F_д частоты световых мельканий: на первом и четвертом этапах измерений - со скоростью порядка 0,5 Гц/с, на втором и пятом этапах - со скоростью порядка 0,25 Гц/с, на третьем и шестом этапах - со скоростью порядка 0,1 Гц/с; при снятии сигнала с кнопок - фиксировал текущую предъявляемую инкрементную или декрементную частоты; по сигналу с кнопки "Измерение" - вычислял значение порога различения предъявляемых поочередно частот как абсолютную разность между зафиксированной и начальной частотами на третьем и шестом этапах, после шестого этапа - определял полосу пропускания пространственно-частотного канала как среднее арифметическое значений порогов, вычисленных на третьем и шестом этапах.

На первом этапе измерений компьютер предъявил световые мелькания с начальной частотой 10 Гц (фиг.2а, интервал времени 0-Т₀), после чего испытуемая, нажимая вначале кнопку "Увеличение" (фиг. 2а, интервал времени T₀-T₁), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо различаются, и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₁). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и1 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2а, интервал времени T₁-Т₂), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты заведомо не различаются, и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₂). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и2 световых мельканий.

На втором этапе испытуемая, нажимая вначале кнопку "Увеличение" (фиг.2а, интервал времени Т₂-Т₃), определила оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₃). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и3 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2а, интервал времени Т₃-Т₄), определила оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и инкрементная F_и частоты не различаются, и отжала кнопку (фиг. 2а, момент времени Т₄). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и4 световых мельканий.

На третьем этапе испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг. 2а, интервал времени Т₄-Т₅), определила порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и инкрементной F_и частот и отжала кнопку (фиг.2а, момент времени Т₅). При этом компьютер зафиксировал инкрементную частоту F_и5 световых мельканий. После этого испытуемая нажала кнопку "Измерение" и компьютер вычислил значение порога ΔF_и.

На четвертом этапе компьютер предъявил световые мелькания с начальной частотой 10 Гц (фиг.2а, интервал времени Т₆-Т₇), после чего испытуемая, нажимая вначале кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₇-Т₈), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени T₈). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д1 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг.2б, интервал времени T₈-Т₉), определила, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты заведомо не различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₉). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д2 световых мельканий.

На пятом этапе испытуемая, нажимая вначале кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₉-Т₁₀), определила оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₀). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д3 световых мельканий. Затем испытуемая, нажимая кнопку "Увеличение" (фиг. 2б, интервал времени Т₁₀-Т₁₁), определила оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная F_н и декрементная F_д частоты не различаются, и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₁). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д4 световых мельканий.

На шестом этапе испытуемая, нажимая кнопку "Уменьшение" (фиг.2б, интервал времени Т₁₁-Т₁₂), определила порог различения предъявляемых поочередно начальной F_н и декрементной F_д частот и отжала кнопку (фиг.2б, момент времени Т₁₂). При этом компьютер зафиксировал декрементную частоту F_д5 световых мельканий. После этого испытуемая нажала кнопку "Измерение", компьютер вычислил значение порога ΔF_д, полосу пропускания пространственно-частотного канала ΔF и выдал ее значение, равное 1,2 Гц, на экран монитора, после чего предъявил начальную частоту F_н.

В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемая выполнила серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения полосы пропускания в Гц: 1,2; 1,3; 1,1; 1,0; 0,8; 0,9; 0,6; 0,7; 0,8; 0,7. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания равно 0,910 Гц, среднее квадратическое отклонение - 0,233 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результата измерений при довертельной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 0,527 Гц.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить полосу пропускания пространственно-частотного канала 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. - P.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-частотного канала зрительной системы. Испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой. После этого поочередно с постоянным периодом предъявляют вначале начальную и инкрементную, затем начальную и декрементную частоты. Разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот. Причем на первом этапе увеличивают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно частоты заведомо различаются. Затем уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно частоты заведомо не различаются. На втором этапе проводят измерения аналогично первому этапу с меньшей скоростью изменения инкрементной частоты. На третьем этапе медленно увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых частот. Значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами. На четвертом, пятом и шестом этапах проводят измерения аналогично первому, второму и третьему этапам соответственно с предъявлением начальной и декрементной частот световых мельканий. Полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значение порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений. Изобретение позволяет упростить процедуру измерения, уменьшить влияние ориентации, размеров и яркости зрительных стимулов на результаты измерений, выполнять их в естественных условиях. 2 ил.

Способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы, характеризующийся тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, после этого поочередно с заданным постоянным периодом вначале начальную и увеличенную - инкрементную, затем начальную и уменьшенную - декрементную частоты, разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот, причем на первом этапе измерений вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо не различаются, на втором этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на первом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты не различаются, на третьем этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами, на четвертом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо не различаются, на пятом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты не различаются, на шестом этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, значение порога вычисляют как абсолютную разность между зафиксированной на этом этапе декрементной и начальной частотами, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений.