УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАБИЛЬНОСТИ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2006 года по МПК A61B3/10 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для определения лабильности зрительной системы человека.

Мерой лабильности по Н.Е. Введенскому является та максимальная частота реакций, которую ткань может воспроизводить в точном соответствии с ритмом применяемых раздражений [1]. Значение лабильности определяется по критической частоте слияния мелькающего фосфена [2], по критической частоте световых мельканий [3, 4] и критической частоте звуковых щелчков [5].

Известен прибор «Фосфен» - электронный цифровой прибор для изучения лабильности нервных процессов по критической частоте слияния мелькающего фосфена, критической частоте световых мельканий и критической частоте звуковых щелчков [5].

Известны нейрохронометр [5], аппарат ДПФИ [6] и прибор ИРИС [7] для исследования свойств нервной системы, в том числе лабильности по критической частоте световых мельканий.

Недостатком известных технических средств является недостоверное определение истинного значения лабильности, так как при ритмическом раздражении непрерывная активация нейрона, являющегося структурно-морфологической функциональной единицей мозга [8], наблюдается только при частотах не более 13-15 Гц [9].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для определения лабильности зрительной системы человека, содержащее пульт управления и точечный источник света [10].

Недостатком устройства является малая точность определения момента слияния световых импульсов.

Заявляемое устройство позволяет повысить достоверность исследования за счет более точного определения момента слияния световых импульсов.

Экспериментально установлено, что время восприятия зрительной информации t_взи зависит от длительности светового импульса τ_имп и функция t_взи=f(τ_имп) имеет минимум. Лабильность в точке минимума вычисляется по формуле [11]

,

следовательно, функция F=f(τ_имп) имеет максимум.

В предлагаемом изобретении в устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор, элемент ИЛИ и элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора миллисекундных импульсов, а выход - с первым входом счетчика, первый выход пульта управления соединен с первым входом точечного источника света, второй выход - с вторым входом блока индикации, третий выход - с вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход генератора секундных импульсов соединен с первым входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен с первым входом третьего одновибратора, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом точечного источника света, дополнительно введены четвертый одновибратор, триггер, вычислитель обратной величины, цифровой компаратор, первый и второй регистры и индикатор, причем четвертый выход пульта управления соединен с вторыми входами первого и третьего одновибраторов, вход четвертого одновибратора соединен с выходом генератора секундных импульсов, а выход - с вторым входом счетчика и с первым входом триггера, выход которого соединен с вторым входом элемента И, выход третьего одновибратора соединен также с вторым входом триггера и с вторым входом вычислителя обратной величины, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а выход - с первым входом цифрового компаратора и с первым входом первого регистра, выход которого соединен с первым входом второго регистра и с вторым входом цифрового компаратора, первый выход которого соединен с вторым входом первого регистра, а второй выход - с входом индикатора и с вторым входом второго регистра, выход которого соединен с первым входом блока индикации, причем первый и третий одновибраторы выполнены с регулируемой длительностью импульса, а пульт управления дополнительно содержит сдвоенный потенциометр для регулировки длительности импульса на выходах первого и третьего одновибраторов.

Заявляемое устройство благодаря введению четвертого одновибратора, триггера, вычислителя обратной величины, цифрового компаратора, первого и второго регистров и индикатора позволяет определить значение лабильности зрительной системы человека в точке максимума функции F=f(τ_имп).

Таким образом, заявляемое устройство отличается от известных новым свойством, обусловливающим получение положительного эффекта.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая его работу.

На фиг.3 представлена временная диаграмма последовательности парных световых импульсов, предъявляемых для определения лабильности зрительной системы человека, где:

- τ_имп - длительность светового импульса;

- t_нмии - начальная длительность межимпульсного интервала;

- Т - временной интервал повторения последовательности парных световых импульсов.

На фиг.4 представлены временные диаграммы двух световых импульсов, разделенных начальным межимпульсным интервалом t_нмии, и вызываемых ими зрительных ощущений, где:

- фиг.4а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных начальным межимпульсным интервалом t_нмии, вызывающих зрительное ощущение раздельности импульсов;

- фиг.4б - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.4а;

- фиг.4в - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных пороговым межимпульсным интервалом t_пор, при котором достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в паре в один;

- фиг.4 г - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.4в;

- τ₁ - время зрительного ощущения - время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [1, 2] (фиг.4б);

- τ₂ - время восстановления - время между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения [1, 2] (фиг.4б).

Заявляемое устройство содержит генератор 1 секундных импульсов, генератор 2 миллисекундных импульсов, первый 3, второй 4 и третий 5 одновибраторы с регулируемой длительностью импульса, четвертый 6 одновибратор, элемент 7 И, элемент 8 ИЛИ, счетчик 9, триггер 10, вычислитель 11 обратной величины, цифровой компаратор 12, первый 13 и второй 14 регистры, точечный источник 15 света, индикатор 16, блок 17 индикации и пульт 18 управления.

Генератор 1 секундных импульсов предназначен для формирования импульсов с частотой 1 Гц, обеспечивающих заданное время повторения последовательности парных световых импульсов, и может быть выполнен по известной схеме.

Генератор 2 миллисекундных импульсов предназначен для формирования последовательности счетных импульсов с частотой 1 кГц, обеспечивающих точность измерения, равную 1 мс, и может быть выполнен по известной схеме.

Одновибраторы 3,5 предназначены для выработки световых импульсов длительностью от 2 до 50 мс, одновибратор 4 предназначен для формирования регулируемой паузы между двумя световыми импульсами в пределах от 3 до 150 мс. Одновибратор 6 предназначен для выработки короткого импульса обнуления счетчика 9 и для установки в «1» триггера 10.

Одновибраторы 3-6 могут быть выполнены с использованием микросхемы К555АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов [12, рис.3.32, с.116].

Счетчик 9 предназначен для определения суммарной длительности светового импульса τ_имп и порогового межимпульсного интервала t_пор между световыми импульсами в паре, зафиксированного в момент субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один, с точностью 1 мс.

Триггер 10 представляет собой стандартный RS-триггер.

Вычислитель 11 обратной величины может быть выполнен по а.с.1173412 [13].

Цифровой компаратор 12 предназначен для определения значения лабильности зрительной системы в точке максимума функции F=f(τ_имп) и может быть выполнен с использованием микросхемы К555СП1 по схеме [14, рис.141, с.112].

Регистр 13 предназначен для хранения текущего значения лабильности, а регистр 14 - для фиксации значения лабильности зрительной системы в точке максимума функции F=t(τ_имп). Регистры 13 и 14 могут быть выполнены на микросхемах К555ИР22.

Точечный источник 15 света предназначен для предъявления световых импульсов и может быть выполнен на светодиоде типа АЛ307ЕМ.

Индикатор 16 предназначен для индикации момента фиксации значения лабильности зрительной системы в точке максимума функции F=f(τ_имп) и может быть выполнен на светодиоде типа АЛ307БМ.

Индикаторы в блоке 17 индикации предназначены для отображения значения лабильности зрительной системы в точке максимума функции F=f(τ_имп) и могут быть выполнены на индикаторах типа АЛС333А.

Остальные функциональные узлы структурной схемы устройства общеизвестны.

Устройство работает следующим образом. Испытуемый устанавливает ручку потенциометра пульта 18 управления в исходное положение, соответствующее длительности импульса на выходе второго 4 одновибратора, равной начальной длительности межимпульсного интервала t_нмии=150 мс, а ручку сдвоенного потенциометра - в положение, соответствующее длительности импульса на выходах первого 3 и третьего 5 одновибраторов τ_имп=2 мс. При включении питания счетчик 9, триггер 10, выходной регистр вычислителя 11, первый 13 и второй 14 регистры обнуляются (цепи не показаны). С пульта 18 управления на точечный источник 15 света подается питание, генератор 1 вырабатывает импульсы с частотой 1 Гц (фиг.2а), поступающие на вход первого 3 одновибратора, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает импульс заданной длительности 2 мс (фиг.2б), а генератор 2 вырабатывает последовательность счетных импульсов, поступающих на первый вход элемента 7 И (фиг.2з).

Одновременно импульсы с генератора 1 поступают на четвертый 6 одновибратор, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает короткий импульс (фиг.2в), который обнуляет счетчик 9 и устанавливает триггер 10 в «1» (фиг.2ж). С выхода триггера 10 уровень логической единицы поступает на второй вход элемента 7 И, при этом импульсы с выхода генератора 2 через элемент 7 И поступают на первый вход счетчика 9.

Импульс с выхода первого 3 одновибратора через элемент 8 ИЛИ поступает на точечный источник 15 света (фиг.2е) и задним фронтом запускает второй 4 одновибратор. По заднему фронту импульса с выхода второго 4 одновибратора запускается третий 5 одновибратор, вырабатывающий импульс заданной длительности 2 мс (фиг.2д), который через элемент 8 ИЛИ поступает на точечный источник 15 света (фиг.2е).

По фронту импульса с выхода третьего 5 одновибратора триггер 10 обнуляется и на его выходе устанавливается уровень логического нуля (фиг.2ж), который поступает на второй вход элемента 7 И, при этом прохождение импульсов с выхода генератора 2 через элемент 7 И на первый вход счетчика 9 блокируется.

На выходе элемента 7 И сформируется пачка импульсов (фиг.2и), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе триггера 10 (фиг.2ж), равной сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов в мс. Число импульсов в пачке считается счетчиком 9, результат счета записывается импульсом с выхода третьего 5 одновибратора в вычислитель 11. Результат вычисления поступает на первый вход первого 13 регистра и на первый вход (вход А) компаратора 12. Число на входе А компаратора 12 больше числа на втором его входе (вход В), так как регистр 13 обнулен. Поэтому на первом выходе (выход А>В) компаратора 12 формируется уровень логической единицы, по которому результат вычисления с выхода вычислителя 11 записывается в первый 13 регистр, с выхода которого поступает на второй вход (вход В) компаратора 12. Так как числа на входах А и В компаратора равны, на первом выходе (выход А>В) компаратора 12 формируется уровень логического нуля.

Испытуемый вращением ручки потенциометра пульт 18 управления уменьшает длительность импульса на выходе второго 4 одновибратора (фиг.2 г) до момента субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один. Величина, обратная сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов, принимается за значение лабильности зрительной системы человека при длительности импульса τ_имп=2 мс и вычисляется в вычислителе 11 по формуле

F=1/(τ_имп+t_пор),

где F - лабильность зрительной системы человека, кГц; τ_имп - длительность светового импульса, мс; t_пор - длительность межимпульсного интервала, при котором у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один, мс.

Испытуемый устанавливает ручку потенциометра пульта 18 управления в исходное положение, а вращением ручки сдвоенного потенциометра пульта 18 управления увеличивает длительность импульсов τ_имп на выходах первого 3 и третьего 5 одновибраторов на 2 мс, далее процесс вычисления лабильности F повторяется аналогичным образом.

Указанная последовательность действий повторяется до тех пор, пока результат вычисления очередного значения лабильности на входе А компаратора 12 не окажется меньше предыдущего значения лабильности, записанного в первый 13 регистр и поступающего на вход В компаратора 12. При этом на первом выходе (выход А>В) компаратора 12 сохранится уровень логического нуля, а на втором выходе (выход А<В) сформируется уровень логической единицы, по которому во второй 14 регистр запишется результат предыдущего вычисления с выхода первого 13 регистра и загорится индикатор 16, свидетельствующий о том, что значение лабильности зрительной системы человека в точке максимума функции F=t(τ_имп) определено.

Для считывания этого значения лабильности испытуемый переключает ключ на пульте 18 управления, снимает питание с точечного источника 15 света и подает его на блок 17 индикации, на котором отображается значение лабильности в кГц.

Лабильность зрительной системы человека объясняется ее инерционностью, то есть наличием времени зрительного ощущения τ₁ и временем восстановления τ₂ (фиг.4).

При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью τ_имп>τ₁, разделенных начальным межимпульсным интервалом t_нмии>t_пор (фиг.4а), у него возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.4б). При уменьшении длительности межимпульсного интервала t_нмии между двумя световыми импульсами до значения t_мии=t_пор (фиг.4в) у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один (фиг.4г). Сумма длительности светового импульса τ_имп и длительности порогового межимпульсного интервала t_пор между двумя световыми импульсами, при котором достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в паре в один, определяет пороговое значение периода, выше которого зрительная система может ощущать световые импульсы в точном соответствии с их частотой.

Во время действия светового стимула рецептивные поля (РП) нейронов претерпевают три фазы перестройки [15]. Во время первой фазы длительностью порядка 10 мс происходит пространственно-временное накопление сигналов и формирование зоны возбуждения РП. Во время второй фазы длительностью от 50 до 60 мс, зависящей от параметров стимула, протекает процесс сужения зоны суммации РП. В течение третьей фазы перестройки происходит расширение зон суммации полей и функциональная дезорганизация РП. Нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к новому циклу восприятия.

Исчезновение РП нейронов приходится на период от 100 до 200 мс после предъявления светового стимула [16]. Поэтому два световых импульса будут ощущаться раздельными, если второй световой импульс предъявляется через 100-200 мс после начала предъявления первого светового импульса. Тогда общая длительность светового импульса и межимпульсного интервала должна быть

τ_имп+t_мии>(100...200)мс.

Экспериментально установлено, что при длительности светового импульса τ_имп=2 мс длительность порогового межимпульсного интервала t_пор находится в пределах от 38 до 106 мс, при длительности τ_имп=50 мс - от 8 до 66 мс, максимальное значение лабильности соответствует длительности светового импульса τ_имп от 5 до 30 мс.

Поэтому начальная длительность межимульсного интервала при длительности импульса τ_имп=2 мс должна быть

t_нмии≥(38...106) мс,

при длительности импульса τ_имп=50 мс она должна быть

t_нмии≥(8...66) мс

и принята равной 150 мс.

Восприятие зрительного стимула затрудняется в условиях обратной маскировки, заключающейся в ухудшении восприятия первого по времени стимула вследствие предъявления второго стимула в непосредственной пространственно-временной близости с первым. Показано существование не только эффекта обратной, но и прямой маскировки, при которой первый стимул влияет на качество восприятия второго [17]. При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [18]. Для устранения эффекта маскировки последовательность парных световых импульсов повторяется через постоянный временной интервал 1 с.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определить значение лабильности зрительной системы человека в точке максимума функции F=f(τ_имп).

Источники информации

1. Кравков С.В. Глаз и его работа. Психофизиология зрения, гигиена освещения. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 531 с.

2. Семеновская Е.Н. Электрофизиологические исследования в офтальмологии. - М.: Медгиз, 1963. - 279 с.

3.Бушов Ю.В., Рябчук Ю.А., Писанко А.П., Ершов А.Ф. Зависимость продуктивности однообразной деятельности и устойчивости к воздействию фактора

4. Матюхин В.В., Подоба Е.В. Работоспособность и показатели сердечно-сосудистой системы у лиц с различным сочетанием основных свойств нервной системы // Физиология человека. - 1981. - Т.7. - №1. - С.91-97.

5. Методы и портативная аппаратура для исследования индивидуально-психологических различий человека / Н.М.Пейсахов, А.П.Кашин, Г.Г.Баранов, Р.Г.Вагапов. Под ред. В.М.Шадрина. - Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1976. - 238 с.

6. Макаренко Н.В. Лабильность нервной системы у лиц с различным уровнем функциональной подвижности нервных процессов // Физиология человека. - 1990. - Т.16. - №2. - С.51-57.

7. Артамонова Е.А., Юнусов Б.Р. Локальные модификации пространства состояний зрительной системы // Сенсорные системы. - 2002. - Т.16. - №3. -С.202-210.

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

9. Супин А.Я. Нейронные механизмы зрительного анализа. - М.: Наука, 1974. - 192 с.

10. Думбай В.Н., Бугаев К.Е. Физиологические основы валеологии труда и спорта. - Ростов-на Дону, 2002. - С.19.

11. Патент РФ 2233115, МПК⁷ А 61 В 5/16. Способ определения лабильности зрительной системы человека / О.В.Роженцов. (РФ). - Опубл. 27.07.2004, Бюл. №21.

12. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379 с.

13. А.С. 1173412 СССР, МКИ G 06 F 7/52. Устройство для вычисления обратной величины 48-разрядных чисел / А.Е.Боярский, Ю.В.Захаров, Ю.И.Митропольский и др. (СССР). - Опубл. 15.08.1985, Бюл. №30.

14. Бирюков С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП. -2-е изд., стер. - М.: ДМК, 2000. - 240 с.

15. Подвигин Н.Ф. Динамические свойства нейронных структур зрительной системы. - Л.: Наука. 1979. - 158 с.

16. Шевелев И.А. Временная переработка сигналов в зрительной коре // Физиология человека. -1997. - Т. 23. - №2. - С.68-79.

17. 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.561-566.

18. 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.

Изобретение относится к области медицины. Устройство содержит пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор, элемент ИЛИ и элемент И. Первый вход элемента И соединен с выходом генератора миллисекундных импульсов, а выход - с первым входом счетчика. Первый выход пульта управления соединен с первым входом точечного источника света, второй выход - с вторым входом блока индикации, третий выход - с вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса. Выход генератора секундных импульсов соединен с первым входом первого одновибратора. Выход первого одновибратора соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса. Выход второго одновибратора соединен с первым входом третьего одновибратора, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ. Выход элемента ИЛИ соединен с вторым входом точечного источника света. В устройство введены четвертый одновибратор, триггер, вычислитель обратной величины, цифровой компаратор, первый и второй регистры и индикатор. Первый и третий одновибраторы выполнены с регулируемой длительностью импульса. Пульт управления содержит сдвоенный потенциометр для регулировки длительности импульса на выходах первого и третьего одновибраторов. Изобретение позволяет повысить достоверность исследования. 4 ил.

Устройство для определения лабильности зрительной системы человека, содержащее пульт управления и точечный источник света, отличающееся тем, что оно снабжено счетчиком, блоком индикации, генератором секундных импульсов, генератором миллисекундных импульсов, первым одновибратором, вторым одновибратором с регулируемой длительностью импульса, третьим и четвертым одновибраторами, элементом ИЛИ, элементом И, триггером, вычислителем обратной величины, цифровым компаратором, первым и вторым регистрами и индикатором, при этом первый вход элемента И соединен с выходом генератора миллисекундных импульсов, а выход - с первым входом счетчика, первый выход пульта управления соединен с первым входом точечного источника света, второй выход - с вторым входом блока индикации, третий выход - с вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход генератора секундных импульсов соединен с первым входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен с первым входом третьего одновибратора, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом точечного источника света, четвертый выход пульта управления соединен с вторыми входами первого и третьего одновибраторов, вход четвертого одновибратора соединен с выходом генератора секундных импульсов, а выход - с вторым входом счетчика и с первым входом триггера, выход которого соединен с вторым входом элемента И, выход третьего одновибратора соединен также с вторым входом триггера и с вторым входом вычислителя обратной величины, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а выход - с первым входом цифрового компаратора и с первым входом первого регистра, выход которого соединен с первым входом второго регистра и с вторым входом цифрового компаратора, первый выход которого соединен с вторым входом первого регистра, а второй выход - с входом индикатора и с вторым входом второго регистра, выход соединен с первым входом блока индикации, первый и третий одновибраторы выполнены с регулируемой длительностью импульса, а пульт управления содержит сдвоенный потенциометр для регулировки длительности импульса на выходах первого и третьего одновибраторов.