Устройство для определения лабильности зрительной системы человека

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для определения лабильности зрительной системы человека. Заявляемое устройство содержит генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий и четвертый одновибраторы, элемент И, элемент ИЛИ, счетчик, триггер, вычислитель обратной величины, блок индикации, точечный источник света и пульт управления. Использование данного устройства позволит определить истинное значение лабильности зрительной системы человека в естественных условиях профессиональной деятельности. 4 ил.

 

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 исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее пульт управления, точечный источник света, счетчик, блок индикации, генератор импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор, элемент ИЛИ и элемент И, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход счетчика соединен с первым входом блока индикации, первый выход пульта управления соединен с первым входом точечного источника света, выход первого одновибратора соединен с вторым входом счетчика, второй вход блока индикации соединен с вторым выходом пульта управления, выход генератора миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента И, выход генератора импульсов соединен со входом первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ и с первым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен со вторым входом элемента И и со входом третьего одновибратора, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом точечного источника света, третий выход пульта управления соединен со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса [10].

Недостатком устройства является невозможность определения значения лабильности зрительной системы человека.

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 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 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 и вычислитель обратной величины, причем 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 вторым входом вычислителя обратной величины, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а выход - с первым входом блока индикации.

Заявляемое устройство благодаря введению четвертого одновибратора, триггера и вычислителя обратной величины позволяет определить истинное значение лабильности зрительной системы человека.

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_мии - длительность межимпульсного интервала;

Т - временной интервал повторения последовательности парных световых импульсов.

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

фиг.4а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных межимпульсным интервалом t_мии, 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.4г - 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 одновибратор, второй 4 одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий 5 одновибратор, четвертый 6 одновибратор, элемент 7 И, элемент 8 ИЛИ, счетчик 9, триггер 10, вычислитель 11 обратной величины, блок 12 индикации, точечный источник 13 света и пульт 14 управления, причем выход генератора 1 секундных импульсов соединен с входом первого 3 одновибратора, выход которого соединен с первым входом элемента 8 ИЛИ и с первым входом второго 4 одновибратора с регулируемой длительностью импульса, выход которого соединен с входом третьего 5 одновибратора, выход которого соединен с вторым входом элемента 8 ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом точечного источника 13 света, выход третьего 5 одновибратора соединен также с вторым входом триггера 10 и вторым входом вычислителя 11 обратной величины, первый вход которого соединен с выходом счетчика 9, а выход - с первым входом блока 12 индикации, выход генератора 2 миллисекундных импульсов соединен с первым входом элемента 7 И, выход которого соединен с первым входом счетчика 9, вход четвертого 6 одновибратора соединен с выходом генератора 1 секундных импульсов, а выход - с вторым входом счетчика 9 и с первым входом триггера 10, выход которого соединен с вторым входом элемента 7 И, первый выход пульта 14 управления соединен с первым входом точечного источника 13 света, второй выход - с вторым входом блока 12 индикации, третий выход - с вторым входом второго 4 одновибратора с регулируемой длительностью импульса.

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

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

Одновибраторы 3, 5 предназначены для выработки световых импульсов длительностью 50 мс, одновибратор 4 предназначен для формирования регулируемой паузы между двумя световыми импульсами в пределах от 5 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 по схеме [11, рис.4.20, с.216] с использованием микросхемы К155АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов.

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 [12].

Индикаторы в блоке 12 индикации предназначены для отображения значения лабильности зрительной системы и могут быть выполнены, например, на индикаторах типа АЛС333А.

Точечный источник 13 света предназначен для предъявления световых импульсов и выполнен, например, на светодиоде типа АЛС307ЕМ.

Остальные функциональные узлы структурной схемы устройства общеизвестны.

Устройство работает следующим образом. При включении питания счетчик 9, триггер 10 и выходной регистр вычислителя 11 обнуляются (цепи не показаны). С пульта 14 управления на точечный источник 13 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 50 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 его выход.

Импульс с выхода первого 3 одновибратора через элемент 8 ИЛИ поступает на точечный источник 13 света (фиг.2е) и задним фронтом запускает второй 4 одновибратор. Длительность импульса на выходе одновибратора 4 регулируется испытуемым с пульта 14 управления в заданных пределах (фиг.2г). По заднему фронту импульса с выхода второго 4 одновибратора запускается третий 5 одновибратор, вырабатывающий импульс заданной длительности 50 мс (фиг.2д), который через элемент 8 ИЛИ поступает на точечный источник 13 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 на выход элемента 7 И блокируется.

На выходе элемента 7 И сформируется пачка импульсов (фиг.2и), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе триггера 10 (фиг.2ж) или сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов в мс. Пачка импульсов поступает на счетный вход счетчика 9, результат счета записывается импульсом с выхода третьего 5 одновибратора в вычислитель 11, результат вычисления поступает в блок 12 индикации.

Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта 1 управления уменьшает длительность импульса на выходе второго 4 одновибратора (фиг.2 г) до момента субъективного слияния двух световых импульсов в один. Величина, обратная сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов, принимается за значение лабильности зрительной системы человека и вычисляется 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 один, мс.

Для считывания значения лабильности испытуемый переключает ключ на пульте 14 управления, снимает питание с точечного источника 13 света и подает его на блок 12 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.

При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью τ_имп>τ₁, разделенных межимпульсным интервалом t_мии>t_пор (фиг.4а), у него возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.4б). При уменьшении длительности межимпульсного интервала t_мии между двумя световыми импульсами до значения t_мии=t_пор (фиг.4в) у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов 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 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 [13]. 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. Так как вторая фаза формирования РП нейрона заканчивается через 60-70 мс после предъявления светового стимула, длительность световых импульсов принята равной 50 мс.

Исчезновение РП нейронов приходится на период от 100 до 200 мс после предъявления светового стимула [14]. 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.

При длительности светового импульса τ_имп=50 мс начальная длительность межимульсного интервала должна быть

t_нмии≥(50...150) 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 [15]. При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [16]. Для устранения эффекта маскировки последовательность парных световых импульсов повторяется через постоянный временной интервал 1 с.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определить истинное значение лабильности зрительной системы человека.

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 монотонности труда от индивидуальных свойств человека-оператора // Физиология человека. - 1982. - Т.8. - №1. - С.104-110.

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., ЮнусовБ.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. Патент 2220656 РФ, МПК⁷ А 61 В 5/16. Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов (РФ). - Опубл. 10.01.2004, Бюл. №1.

11. Расчет элементов цифровых устройств: Учеб. пособие / Л.Н.Преснухин, Н.В.Воробьев, А.А.Шишкевич. Под ред. Л.Н.Преснухина. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1991. - 526 с.

12. 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.

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

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

15. 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.

16. 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.

Устройство для определения лабильности 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 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 входом третьего одновибратора, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом точечного источника света, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четвертый одновибратор, триггер и вычислитель обратной величины, причем 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 вторым входом вычислителя обратной величины, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а выход - с первым входом блока индикации.