Способ измерения пороговой чувствительности зрительного анализатора Советский патент 1991 года по МПК A61B3/06 

Изобретение относится к офтальмологическим исследованиям и предназначено для измерения пороговой чувствительности зрительного анализатора; может использоваться в таких научных областях, как физиологическая оптика (физиология зрения) и биофизика.

Цель изобретения - повышение точности.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ,

Устройство состоит из двух ветвей: основной и опорной, Основная ветвь состоит из последовательно установленных на оптической оси импульсного источника 1 света, блока 2 диафрагм, блока 3 светофильтров, поляризационного светофильтра 4, четверть волнового фазового элемента 5 и зрительного анализатора 6. Опорная ветвь состоит из реперного источника 7 света, оптически сопряженного со зрительным анализатором 6. Выход импульсного источника света 1 соединен с входом блока 8 регистрации световых импульсов, подключенного к первому входу блока 9 обработки результатов, к второму входу которого подключен выход блока 10 регистрации обнаруженных вспышек.

Импульсный источник 1 света выполнен в виде источника непрерывного излучения, обтюратора и электропривода,

В качестве источника непрерывного излучения использована лампа накаливания типа СМИ 6.3-20-2

Обтюратор представляет собой диск с отверстием, периодически пропускающий свет.

В качестве электропривода приманен гистерезисный синхронный двигатель ДСД 80-П1, отвечающий необходимому количеству оборотов обтюратора.

Возможно в качестве импульсного источника света использовать светодиод типа АЛ307ВМ зеленого свечения, запитывая его

О

о ю ел

от импульсного блока питания. В этом случае отпадает необходимость в обтюраторе, электроприводе и блоке 8 регистрации световых импульсов. Изменяя частоту и длительность подаваемых на светодиод импульсов напряжения, можно получать различную частоту и длительность световых импульсов. Выход импульсного блока питания светодиода при этом соединяют с блоком 9 обработки результатов.

В блоке 2 использована сменная диафрагма из фольги с малым (булавочным) отверстием,

Блок 3 светофильтров содержит спектральный светофильтр в виде плоскопарал- лельной пластинки из цветного стекла марки ЗС8, ЗС1, ЗОЮ, ЖЗС-1 или ЖЗС-12, стопу плоскопараллельных пластин из бесцветного стекла К8 и клин из нейтрального стекла марки НС8...НС13.

Поляризационный фильтр 4, например, типа ПФ-42, выполненный на основе по- ляроидной пленки, способен вращаться вокруг оптической оси и закреплен в поворачиваемой оправе с отсчетной шкалой угла поворота.

Четвертьволновый фазовый элемент 5 выполнен в виде оптической призмы, использующей эффект полного внутреннего отражения с углами, соответствующими введению разности фаз между двумя взаим- ноортогональными поляризованными компонентами ± 90°/- п

Реперный источник 7 света представля- ет собой светодиод красного свечения АЛ307 AM, установленный на поворотном столике. В качестве блока 8 регистрации световых импульсов использованы фотодиод типа ФД-25К, вырабатывающий импульс тока при прохождении светового потока от источника 1 излучения через отверстие в обтюраторе, и импульсный усилитель, построенный на микросхеме типа К555ЛАЗ.

В качестве блока 10 регистрации обна- руженных вспышек использован источник питания постоянного тока, например, типа Б5-47, последовательно соединенный с кнопкой типа КМ 1-1.

В качестве блока 9 обработки результа- тов использован быстродействующий самопишущий прибор типа Н338-6.

С целью уменьшения трудоемкости блок 9 обработки результатов может быть выполнен из двух блоков счетчиков, входы которых соединены с выходами блока 8 регистрации световых импульсов и блока 10 регистрации обнаруженных вспышек, а выходы с блоком вычисления вероятности наблюдения вспышек. Блоки счетчиков

состоят из последовательно соединенных трехразрядных счетчиков типа К561Е14, дешифраторов на основе микросхем типа К514ИД1, переводящих импульсы из двоичного кода в код семисегментного элемента и цифровых индикаторов типа АЛС314А. В качестве блока вычисления вероятности наблюдения вспышек использована микро- ЭВМ Искра-226, подключенная через интерфейс к блокам счетчиков.

Способ осуществляют следующим образом.

Выбирают зону исследования, соответствующую определенному участку сетчатки зрительного анализатора, устанавливая угол визирования о).

Для этого реперный источник света 7, т.е. линию визирования опорной ветви, выставляют в требуемое угловое положение относительно линии визирования основной ветви.

Глаз 6 фиксирует на красную точку ре- перного источника 7 света.

К испытуемому месту сетчатки свет доходит от источника непрерывного излучения, пройдя обтюратор, вращающийся при помощи электропривода со скоростью около 60 об/мин и периодически пропускающий свет в течение примерно 0,1 с и задерживающий его в течение 0,9 с. Полученные световые импульсы ограничиваются по интенсивности диафрагмой 2 и ослабляются по интенсивности до определенного числа фотонов щ (десятков и сотен фотонов), а также ограничиваются по спектральному составу с помощью блока светофильтров 3. Далее световые импульсы, проходя через поляризационный светофильтр 4, становятся линейно-поляризованными. Произвольное соотношение лево- или правоциркулярных фотонов (т.е. фотонов с противоположными спинами) преобразуется здесь в равное количество когерентных левых и правых фотонов. Затем линейно-поляризованные световые импульсы, проходя через четвертьволновый фазовый элемент 5, например ромб Френеля, приобретают определенное соотношение левоциркулярных и право- циркулярных фотонов в зависимости от углового азимутального положения плоскости поляризации светофильтра 4 относительно отражающих граней ромба Френеля, Например, для получения световых импульсов с левоциркулярной (левой круговой) поляризацией (вращение вектора напряженности электрического поля наблюдателя, смотрящего навстречу световым импульсам, происходит против хода часовой стрелки) плоскость, в которой лежит вектор Е линейно поляризованных импульсов, должен составлять с плоскостью падения азимутальный угол rz. 45°. Угол отсчитывается по шкале, связанной с опра- вой поляризационного светофильтра 4,против хода часовой стрелки, если смотреть навстречу световым импульсам. В соответствии с принятой в квантовой оптике терми- нологией, такие световые импульсы содержат только правоциркулярные фотоны, спин которых совпадает с направлением движения фотонов. Для получения световых импульсов с правоциркулярной поляризацией - поляризационный фильтр выставляют под азимутальным углом а -45°, Такие импульсы содержат только ле- воциркулярные фотоны. Преобразование световых импульсов в фазовом элементе 5, например, ромбе Френеля - можно пояс- нить следующим образом. Вектор напряженности Е расщепляется на две взаимно-ортогональные компоненты перпендикулярную EI и параллельную EII плоскости падения, т.е. плоскости, в которой лежит нормаль к отражающей плоскости и направление распространения световых импульсов. Соотношение амплитуд компонент Е.и ЕЦ определяется азимутальным углом поляризационного светофильтра относительно фазового элемента. После каждого полного внутреннего отражения от гребней ромба Френеля компоненты Ej. и ЕЦ приобретают относительную разность фаз 5i - 5| - гЗц, причем компонента Ej.one-

1 7t режает компоненту ЕЦ на . После двух

внутренних отражений разность фаз составляет ( --. Величина 5ч определяется известным выражением:

tg -7

61

cos p %sin2 p-

sin2 р

где р угол падения;

п - показатель преломления материала фазового элемента.

.

., Суперпозиция Ei компонент EI и Ем дает определенный вид поляризации света: левоциркулярный, правоциркуляр- ный или эллиптический с левым и правым вращением вектора Е .

Преимущество отражательного фазового элемента по сравнению с фазовым кварцевыми пластинками заключается в том, что позволяет обеспечить постоянство фазово 5 10 15 0 5 0 5

5

П

и

5

го сдвига для болкр широкого спектрлп-мо- го диапазона световых импульсоп.

После фазового элемента свотопыо импульсы с заданной поляризациой попадлюг в зрительный анализатор. Так как цент р сетчатки (fovea) глаза постоянно фиксирокяк на красную точку реперного источника 7 света, то световые импульсы будут попадать на выбранный для исследования и определяемый углом ш участок сетчатки. Репер- ный (фиксационный) источник света и световые импульсы могут наблюдаться как одним и тем же глазом, так и разными гла- зами.-например, правым глазом - реперны й источник, а левым - световые импульсы.

Таким образом, формируют с помощью источника 1 света заданное количество световых импульсов NCI с определенным числом фотонов гм с определенной поляризацией и подают эти импульсы на выбранную зону исследования сетчатки зрительного анализатора 6. Импульсы наблюдаются оператором в виде вспышек. Одновременно световой поток от лампы источника 1 света проходит через второе отверстие в обтюраторе, вырабатывает электрический импульс на фотодиоде, который усиливается в импульсном усилителе. Усиленный сигнал поступает на один из каналов записи самопишущего прибора блока 9 обработки результатов и на цифровой счетчик, где происходит подсчет количества сформированных световых вспышек Net, за отрезок времени ti. Наблюдатель фиксирует информацию об увиденных им световых вспышках нажатием кнопки блока 10 регистрации обнаруженных вспышек при каждой увиденной им вспышке. Электрический сигнал поступает на второй канал самопишущего прибора и второй цифровой счетчик, подсчитывающий суммарное количество обнаруженных вспышек N06i за тот же отрезок времени ti. Значение вспышек N06i и NCI поступают на блок вычисления вероятности наблюдения вспышек, где нзnNo61 о

ходится отношение Pi - -- . Затем измеNCI

няют интенсивность световых импульсов вблизи порога чувствительности зрительного анализатора, например, путем установки (съема) нескольких дополнительных плоскопараллельных пластин или смещения нейтрального клина в блоке 3. И все операции цикла измерения повторяют при новрм значении интенсивности сформированных импульсов, содержащих число фотонов в каждом импульсе П2, но с той же поляризацией. Получают вероятность наблюдения

вспышек Р2

М062

Nc2

Аналогично выполняются и последующие циклы измерений, добиваясь получения нескольких значений Р 0,5 и нескольких значений 1 Р 0,5. На основе результатов измерений строят график зависимости вероятности наблюдения вспышек от интенсивности формируемых световых импульсов, выраженный,

N06 например, числом фотонов п, т.е.

Nc

Мое

симости

Nc

от количества пластин в блоке

f (n). Для отношения -- 0,5 из графика

NC

функции f(n), находят значение поро- NC

говой чувствительности зрительной системы по. Для определения числа фотонов п в одном световом импульсе необходимо знать абсолютное значение энергии. Для этой цели может служить черное тело, устанавливаемое за обтюратором при убранном источнике 1 света, Зная температуру черного тела, диаметр отверстия диафрагмы 2, коэффициенты спектрального пропускания светофильтров 3 и 4 и фазового элемента 5, расстояние от диафрагмы 2 до зрачка глаза, диаметр зрачка глаза в условиях темновой адаптации и длительность импульса - на основании закона излучения черного тела (закона Планка) можно рассчитать энергию излучения одного светового импульса, падающего на зрачок зрительного анализатора, а, следовательно, и количество фотонов в одном световом импульсе, падающем на зрачок. Вместо указанного расчетного метода возможно использование устройства на основе фотоэлектронного умножителя в режиме счета фотонов, обеспечивающего измерение количества падающих на зрачок фотонов. Можно также строить график зави- Моб

3, соответствующего определенному значению коэффициента пропускания. Таким графиком удобно пользоваться, когда необходимо определить зависимость порога чувствительности зрительного анализатора от состояния поляризации сформированных световых импульсов (фотонов).

Число фотонов п0 , поглощаемых в палочках сетчатки для получения зрительного ощущения на пороге, определяется по формуле

по -по ч- р -у -д , где п- коэффициент пропускания глазных сред до сетчатки;

/J - коэффициент пропускания слоев сетчатки:

0

у - доля площади сетчатки в исследуемой зоне, покрытая палочками;

д - доля света, поглощаемая палочками.

Значение коэффициентов о. ft, у и Л известны из физиологических исследований. Например, для длины волны А-0,5 мкм, а- 0,5, Ј-1,(5 0,2; для ш 8° - у 0,5. Определение п0 и п0 позволяет исследовать пороговую чувствительность зрительного анализатора и долю света, активно проявляющего себя в зрительном акте. Отметки об обнаруженных наблюдателем вспышках и сформированных световых импульсах, за- 5 фиксированные на ленте самописца, дают наглядное представление о закономерностях зрительных флуктуации.

Пример реализации способа на испытуемом А.

1.Наблюдатель направляет свой взгляд на красную светящую точку (реперный источник света). В результате чего красная точка фиксируется в области fovea.

2.Формируют световые импульсы, содержащие только левоциркулярные фотоны. Устанавливают интенсивность световых импульсов на уровне порога чувствительности зрительного анализатора характеризующего тем, что наблюдают не все сформированные световые импульсы. Пусть расчетное число фотонов, падающих на зрачок глаза, гмлев. 30. Световые импульсы направляют на выбранную зону сетчатки. Выбранная зона определяется заданным углом зрения на реперный источник света относительно источника, формирующего световые импульсы.

3.Сформированные световые импульсы наблюдаются в виде световых вспышек. Наблюдатель фиксирует информацию об увиденных им световых вспышках нажатием кнопки регистрирующего устройства при каждой увиденной им вспышке. Наблюдение вспышек проводится в течение некоторого промежутка времени, например, в течение трех минут. Общее число сформированных световых импульсов за это время составляет NCI, которое автоматически регистрируется. Общее число обнаруженных оператором вспышек равно No6v

4.Зная общее количество зафиксированных зрительным анализатором вспышек N06i и общее количество формируемых световых импульсов Nn. находят вероятность наблюдения вспышек

- f (n). Например, для наблюдателя

0

5

0

5

0

5

0

5

NCI А Мс.б1лев 31.

N

clflfMi

- 70. PiPPB-0,44

5.Меняют интенсивность световых импульсов до уровня, например, палев 58 фотонов. Повторяют наблюдения вспышек,

фИКСИруЮТ Значения: М0б2лев 42, МС2лев

70. Находят вероятность Р2лев 0,6.

6.Меняют интенсивность световых импульсов до уровня, например, пзлеа 100 фотонов. Повторяют наблюдения вспышек, фиксируют значения: М0бзЛев 60, Мсзлев 70, находят вероятность Рзлев - 0,85.

7.Строят график зависимости (вероятности наблюдения вспышек) от количества

сформированных фотонов f(n).

8. Для значения отношения

Nc No6

Nc

: 0,5 no

графику находят соответствующее значение пороговой чувствительности зрительной системы Полев 40 фотонов, падающих на входной зрачок глаза.

9.Находят пороговую чувствительность зрительного анализатора на уровне сетчатки по формуле п0 По о. /3 у 6 . Для длины волны Я 0,5 мкм значения коэффициентов можно принять следующие: а- 0,5; д 0,02; у 0,5. Итак, для угла визирования 20° значение пороговой чувствительности зрительного анализатора к правоциркулярно поляризованному свету (левоциркулярным фотонам) составит Попев - 2 фотона

10.При том же значении угла визирования проводят те же измерения при наличии только правоцмркулярных фотонов наблюдателем А.

При гиправ 30 значения М0б1Прав 14; Ncinpas 70; вероятность Рчправ 0,2. При

П2прав 58 фОТОНОВ ЗНЗЧ6НИЯ М0б2прэв 27. Мс2прав 70, вероятность Р2прав 0,38. При ПЗправ 100 фОТОНОВ Значение МобЗпрап 43,

МсЗправ 70; вероятность Рзправ - 0,62.

5 f, N06

Строим график зависимости f(n) -- на осNC

нове результатов. Для значения отношения

0,5 по графику находят поправ - 80

ш с

ш фотонов.

По формуле определяют Поправ 4 фотона.

Изобретение по сравнению с прототипом повышает точность измерения пороговой чувствительности и зрительного анализатора более, чем в 2 раза за счет учета состояния поляризации света и исключения неопределенности числа фотонов с различной поляризацией, поступающих в глаз, и которые могут привести к различным значениям пороговой чувствительности.

15

20

Формула изобретения Способ измерения пороговой чувствительности зрительного анализатора путем формирования заданного количества световых импульсов с изменяемым числом фотонов, направления световых импульсов на выбранную зону сетчатки, фиксирования их зрительным анализатором в виде вспышек и определения пороговой чувствительности при соотношении зафиксированных вспышек световых импульсов к их заданному числу 0,5, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, световые импульсы формируют из право- или левоцир- кулярных фотонов.

Изобретение относится к офтальмологическим исследованиям и предназначено для измерения пороговой чувствительности зрительного анализатора. В глаз на определенную зону сетчатки напоэвляют заданное число световых импульсов с изменяемым числом фотонов. Испытуемый фиксирует вспышки зрительным анализатором. Пороговая чувствительность зрительного анализатора определяется при соотношении зафиксированных вспышек световых импульсов к их заданному числу, равному 0,5. Световые импульсы формируют из когерентных право- или левоциркулярных фотонов. 1 ил.