Устройство для определения времени возбуждения зрительного анализатора человека

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для исследования зрительной системы человека. Устройство содержит генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый, второй, третий и четвертый одновибраторы, элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, формирователь интервала времени, точечный источник света, блок индикации, генератор серии из пяти импульсов, первый и второй ключи. Устройство позволяет повысить точность определения времени возбуждения зрительного анализатора человека за счет возможности изменения длительности импульса с шагом 1 мс. 4 ил.

 

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения времени возбуждения зрительного анализатора человека.

Известен трехканальный тахистоскоп для измерения порогового времени, необходимого для узнавания предъявляемых изображений [1]. Данное устройство в центре предэкспозиционного поля проецирует точку фиксации, которую используют в качестве сигнала готовности. Фронты поля экспозиции составляют 1,5-2,0 мс. Время экспозиции варьируют с помощью электронного устройства с минимальным шагом в 1,5 мс.

Недостатком данного тахистоскопа является низкая точность измерения порогового времени узнавания изображений, обусловленная затянутыми фронтами поля экспозиции, составляющими 1,5-2 мс, и минимальным шагом изменения времени экспозиции, равным 1,5 мс.

Известно устройство для измерения и регистрации на машинный носитель интервалов времени между моментом раздражения и последовательными импульсами реакции нейрона. Устройство содержит генератор опорной частоты, 12-разрядный счетчик, запоминающее устройство, входной узел, схему управления, формирователь адресов, схему индикации и буферный регистр [2].

Недостатком данного устройства является невозможность определения времени возбуждения зрительного анализатора в целом, так как в данном устройстве измеряется время между моментом раздражения и реакции нейрона или группы нейронов. Известно, что при активации мозга один и тот же нейрон может ответить на раздражение как учащением, так и урежением импульсации [3]. При этом обнаружена цикличность колебаний частоты фоновой нейрональной импульсации и установлено, что ответ нейрона зависит от того, в какую фазу цикла попадало раздражение [4]. Кроме того, установлено существование множества различных нейронов со специфическими функциями обработки сигналов [5], поэтому на основе ответа отдельного нейрона или группы нейронов нельзя судить о времени возбуждения зрительного анализатора в целом.

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 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 секундных 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 источника света, третий выход пульта управления соединен со вторым входом второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса [6].

Экспериментально установлено, что недостатком данного устройства является низкая точность измерения параметров инерционности зрительной системы человека, обусловленная невозможностью изменения длительности импульса на выходе второго одновибратора с шагом 1 мс. Минимальный шаг изменения длительности импульса ограничен разрешающей способностью потенциометра пульта управления, то есть наименьшим изменением угла поворота подвижной системы потенциометра, при котором изменение сопротивления может быть различимо [7].

Время возбуждения зрительного анализатора может быть определено по минимальной длительности светового импульса, воспринимаемого испытуемым. Однако экспериментально установлено, что при длительности световых импульсов менее 3 мс интенсивность субъективно воспринимаемого излучения уменьшается. Увеличение интенсивности излучения до нормального субъективно воспринимаемого уровня нежелательно вследствие возможного повреждения сетчатки зрительного анализатора [8].

В то же время известно, что в зрительном анализаторе on- и off-системы, формирующие соответственно сигнал о появлении и окончании светового стимула, функционируют независимо друг от друга [9, 10], а их динамика сходна [11]. Это позволяет определить время возбуждения зрительного анализатора, то есть on-системы, по равному ему времени возбуждения off-системы.

Предлагаемое устройство позволяет изменять длительность импульса с шагом 1 мс, тем самым повысить точность определения времени возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов.

В предлагаемом изобретении в устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека, содержащее генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый, второй и третий одновибраторы, элемент ИЛИ, счетчик, точечный источник света и блок индикации, выход генератора секундных импульсов соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом третьего одновибратора, а выход - с входом источника света, выход счетчика соединен с входом блока индикации, дополнительно введены формирователь интервала времени, генератор серии из пяти импульсов, четвертый одновибратор, первый и второй ключи, причем выход первого ключа соединен с входом четвертого одновибратора, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход второго ключа соединен с входом генератора серии из пяти импульсов, выход которого соединен с вторым входом счетчика, выход которого соединен также с первым входом формирователя интервала времени, второй вход которого соединен с выходом генератора миллисекундных импульсов, третий вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с входом третьего одновибратора.

Заявляемое устройство позволяет благодаря введению формирователя интервала времени, генератора серии из пяти импульсов, четвертого одновибратора, первого и второго ключей:

- повысить точность определения времени возбуждения зрительного анализатора человека за счет возможности изменения длительности импульса с шагом 1 мс;

- определить время возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов.

Таким образом, заявляемое устройство отличается от известных новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временные диаграммы его работы, на фиг.3 - временная диаграмма изменения длительности межимпульсного интервала между световыми импульсами в паре при определении времени возбуждения зрительного анализатора.

На фиг.4 представлены временные диаграммы двух световых импульсов длительностью τ_имп, 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;

- τ_on - время возбуждения on-системы зрительного анализатора - время суммации on-системы, необходимое для возникновения зрительного ощущения начала стимула, то есть время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [12, 13, 14] (фиг.4б);

- τ_off - время возбуждения off-системы зрительного анализатора - время суммации off-системы, необходимое для возникновения зрительного ощущения окончания стимула (фиг.4б).

Заявляемое устройство содержит генератор 1 секундных импульсов, генератор 2 миллисекундных импульсов, первый 3, второй 4, третий 5 и четвертый 6 одновибраторы, элемент 7 ИЛИ, реверсивный счетчик 8, формирователь 9 интервала времени, точечный источник 10 света, блок 11 индикации, генератор 12 серии из пяти импульсов, первый 13 и второй 14 ключи.

Генератор 1 секундных импульсов предназначен для формирования последовательности импульсов с частотой 1 Гц, обеспечивающих заданное время повторения 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.

Первый 3 и третий 5 одновибраторы предназначены для выработки парных тестовых импульсов длительностью 200 мс, второй 4 одновибратор - импульса запуска необходимой длительности для формирователя 9 интервала времени, четвертый 6 одновибратор - для выработки короткого импульса с целью устранения «звона» контактов первого ключа 13. Одновибраторы 3-6 могут быть выполнены, например, с использованием микросхемы К155АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов, по схеме рис.4.20, с.216 [15].

Счетчик 8 выполнен реверсивным. Формирователь 9 интервала времени предназначен для формирования межимпульсного интервала между двумя импульсами в паре с точностью 1 мс и может быть выполнен, например, по схеме рис.7.48а, стр.265 [16].

Источник 10 света предназначен для предъявления световых импульсов и выполнен точечным, например, на светодиоде типа АЛС307ЕМ.

Индикаторы в блоке 11 индикации предназначены для отображения значения времени возбуждения и могут быть выполнены, например, на индикаторах типа АЛС333А.

Генератор 12 серии из пяти импульсов может быть выполнен, например, аналогично генераторам 7 и 8 а.с. 1309062 СССР [17].

Ключ 13 предназначен для запуска четвертого 6 одновибратора, ключ 14 - для запуска генератора 12 серии из пяти импульсов.

Остальные функциональные узлы структурной схемы устройства общеизвестны.

Устройство работает следующим образом. При включении питания счетчик 8 обнуляется, схема формирователя 9 интервала времени и схема генератора 12 серии из пяти импульсов устанавливаются в исходное состояние (цепи не показаны), генератор 1 вырабатывает секундные импульсы (фиг.2а), генератор 2 - миллисекундные импульсы. Импульсы с выхода генератора 1 поступают на вход первого 3 одновибратора, вырабатывающего по переднему фронту каждого импульса первый импульс длительностью 200 мс (фиг.2б), который через элемент 7 ИЛИ поступает на источник 10 света (фиг.2е) и задним фронтом запускает второй 4 одновибратор, вырабатывающий импульс длительности, необходимой для запуска формирователя 9 интервала времени (фиг.2в).

На первом этапе (фиг.3, интервал времени T₀-T₁) испытуемый нажимает ключ 14, генератор 12 вырабатывает пачку из пяти импульсов, которые поступают на счетчик 8, суммируются, результат счета поступает на формирователь 9 интервала времени и отображается в блоке 11 индикации. На формирователь 9 интервала времени поступают миллисекундные импульсы с генератора 2, после запуска формирователя 9 импульсом с выхода второго 4 одновибратора (фиг.2в) на выходе формирователя 9 формируется импульс длительностью 5 мс (фиг.2г), по его заднему фронту запускается третий 5 одновибратор, вырабатывающий второй импульс длительностью 200 мс (фиг.2д), который через элемент 7 ИЛИ поступает на источник 10 света (фиг.2е). В результате испытуемому предъявляется последовательность парных световых импульсов длительности, равной 200 мс, разделенных межимпульсным интервалом, равным 5 мс, повторяющихся через временной интервал 1 с. Далее испытуемый нажимает ключ 14 необходимое число раз, пока не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов в паре (фиг.3, момент времени T₁).

На втором этапе (фиг.3, интервал времени T₁-Т₂) испытуемый нажимает ключ 13, одновибратор 6 вырабатывает импульс, который поступают на счетчик 8, вычитается, результат счета поступает на формирователь 9 интервала времени и отображается в блоке 11 индикации. Аналогично предыдущему на выходе формирователя 9 формируется импульс меньшей на 1 мс длительности, по его заднему фронту запускается третий 5 одновибратор, вырабатывающий второй импульс длительностью 200 мс, который через элемент 7 ИЛИ поступает на источник 10 света. Далее испытуемый нажимает ключ 13 необходимое число раз, пока не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в паре в один (фиг.3, момент времени Т₂).

Время возбуждения зрительного анализатора принимается равным значению длительности импульса на выходе формирователя 9 в момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в паре в один, которое отображается на индикаторах блока 12 индикации в мс.

При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью τ_имп>τ_on, разделенных межимпульсным интервалом t_мии>t_пор (фиг.4а), off-система зрительного анализатора после окончания первого импульса возбудится и сформирует сигнал, свидетельствующий о его окончании, поэтому у испытуемого возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.4б).

При уменьшении длительности межимпульсного интервала между двумя световыми импульсами восприятие зрительных импульсов затрудняется из-за влияния обратной маскировки, заключающейся в ухудшении восприятия первого по времени импульса вследствие предъявления второго импульса в непосредственной пространственно-временной близости с первым, а также прямой маскировки, при которой первый импульс влияет на качество восприятия второго [18]. Поэтому при уменьшении длительности межимпульсного интервала t_мии между двумя световыми импульсами до значения t_мии=t_пор (фиг.4в) off-система зрительного анализатора после окончания первого импульса не успевает возбудится и сформировать сигнал, свидетельствующий о его окончании, и у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов в один (фиг.4г).

Длительность порогового межимпульсного интервала tnop между двумя световыми импульсами, при которой достигается субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один, определяет пороговое значение времени возбуждения off-системы или равного ему порогового значения времени возбуждения on-системы зрительного анализатора.

Во время ответов на световые стимулы появляется вначале рецептивное поле (РП) нейрона небольшого размера. Затем регистрируемое РП расширяется, после чего ослабляется, фрагментируется и исчезает. Статистическая оценка показала, что исчезновение регистрируемого РП нейрона приходится на период от 100 до 200 мс после появления светового стимула [11]. После исчезновения РП нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к восприятию нового стимула [19], поэтому длительность световых импульсов принята равной 200 мс.

При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабовыражены [20]. Для устранения эффекта маскировки последовательность парных световых импульсов повторяется через временной интервал 1 с.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность определения времени возбуждения зрительного анализатора человека за счет возможности изменения длительности импульса с шагом 1 мс, определить время возбуждения зрительного анализатора человека, исключив опасность повреждения сетчатки большой интенсивностью предъявляемых световых импульсов.

Источники информации

1. Кроль В.М., Таненгольц Л.И. Время узнавания, пороговое время предъявления и длительность маскирования изображений // Физиология человека. - 1976. - Т.2. - №4. - С.566-570.

2. Хабибуллин Р.Д., Перфильев А.Н. Устройства для измерения и регистрации на машинный носитель интервалов времени между моментом раздражения и последовательными импульсами реакции нейрона // Физиол. журнал СССР им. И.М.Сеченова. - 1983. - Т.64. - №10. - С.1383-1385.

3. Кратин Ю.Г., Чукова С.В., Пантелеев С.С., Рыбаков М.В. Мозаичность возбудительных и тормозных процессов в популяциях нейронов коры при реакции активации мозга // Физиол. журнал СССР им. И.М.Сеченова. - 1987. - Т.73. - №5. - С.607-617.

4. Лавров В.В. Динамика сверхмедленных колебаний мультинейронной активности и биоэлектрических потенциалов мозга кошки при неподкрепляемом световом раздражении // Физиол. журнал СССР им. И.М.Сеченова. - 1989. - Т.75. - №7. - С.890-897.

5. Шамшинова А.М., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии: - М.: Медицина, 1999. - 416 с.

6. Патент 2220656 РФ, МКИ А61В 5/16 Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов (РФ). - Опубл. 10.01.2004, Бюл. №1.

7. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы: Учебник для ВУЗов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

8. Преображенский П.В., Шостак В.И., Балашевич Л.И. Световые повреждения глаз. - Л.: Медицина, 1986. - 200 с.

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

10. Глезер В.Д. Зрение и мышление. 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Наука, 1993. - 284 с.

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

12. 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.

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

14. Роженцов В.В., Петухов И.В. Определение времени ощущения зрительной системы человека // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Матер. II междунар. научн.-практич. конф. / Юж. - Рос. госуд. технич. ун-т (НПИ) - Новочеркасск: ООО НПО «ТЕМП», 2001. - Ч.4. - С.12-14.

15. 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.

16. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992. - 336 с.

17. Авторское свидетельство 1309062 СССР, G07С 1/22. Устройство для судейства спортивной игры / Б.Ф.Лаврентьев, В.В.Роженцов. - Опубл. 07.05.87, Бюл. №17.

18. Кропотов Ю.Д., Пономорев 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.

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

20. 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 времени возбуждения зрительного анализатора человека, содержащее генератор секундных импульсов, генератор миллисекундных импульсов, первый, второй и третий одновибраторы, элемент ИЛИ, счетчик, точечный источник света и блок индикации, выход генератора секундных импульсов соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом третьего одновибратора, а выход - с входом источника света, выход счетчика соединен с входом блока индикации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены формирователь интервала времени, генератор серии из пяти импульсов, четвертый одновибратор, первый и второй ключи, причем выход первого ключа соединен с входом четвертого одновибратора, выход которого соединен с первым входом счетчика, выход второго ключа соединен с входом генератора серии из пяти импульсов, выход которого соединен с вторым входом счетчика, выход которого соединен также с первым входом формирователя интервала времени, второй вход которого соединен с выходом генератора миллисекундных импульсов, третий вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с входом третьего одновибратора.