способ определения полосы пропускания пространственно- частотных каналов зрительной системы

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 _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

F_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

F_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

F = (F_и+F_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 F_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 F_д, а также полосу пропускания пространственно-частотного канала F 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.