Устройство для определения лабильности зрительной системы человека

Устройство для определения лабильности зрительной системы человека

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 недостоверное определение значения лабильности зрительной системы человека.

Заявляемое устройство позволяет повысить достоверность определения лабильности зрительной системы человека.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит пульт управления и точечный источник света, причем новым является то, что дополнительно введены счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и четвертый одновибратор, элемент ИЛИ, элемент И, второй генератор, второй элемент И, делитель на 10, делитель на 1000, делитель программируемый, первый и второй триггеры, второй счетчик и регистр, при этом выход элемента И соединен 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, вход четвертого одновибратора соединен с выходом генератора секундных импульсов, а выход - с первым входом первого триггера и с вторым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом регистра, выход третьего одновибратора соединен также с вторыми входами первого и второго триггеров, делителя на 1000, делителя программируемого, второго счетчика и регистра, выход второго генератора соединен с первыми входами второго элемента И и делителя на 1000 и входом делителя на 10, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, выход делителя на 1000 соединен с первым входом второго триггера, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с третьим входом делителя программируемого, первый вход которого соединен с выходом регистра, а выход - с первым входом второго счетчика, выход которого соединен с первым входом блока индикации.

Заявляемое устройство благодаря введению счетчика, блока индикации, генератора секундных импульсов, первого одновибратора, второго одновибратора с регулируемой длительностью импульса, третьего одновибратора и четвертого одновибратора, элемента ИЛИ, элемента И, второго генератора, второго элемента И, делителя на 10, делителя на 1000, делителя программируемого, первого и второго триггеров, второго счетчика и регистра позволяет повысить достоверность определения 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;

- τ_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, первый 3 одновибратор, второй 4 одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий 5 и четвертый 6 одновибраторы, элемент ИЛИ 7, первый 8 и второй 9 элементы И, делитель 10 на 10, делитель 11 на 1000, делитель 12 программируемый, первый 13 и второй 14 триггеры, первый 15 и второй 16 счетчики, регистр 17, точечный источник 18 света, блок 19 индикации и пульт 20 управления.

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 предназначен для формирования последовательности импульсов с частотой 10 кГц 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 паре в пределах от 5 до 150 мс. Одновибратор 6 предназначен для выработки короткого импульса.

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.

Делитель 10 на 10 предназначен для формирования счетных импульсов с частотой 1 кГц, обеспечивающих точность измерения, равную 1 мс, и может быть выполнен, например, на микросхеме К155ИЕ1.

Делитель 11 на 1000 предназначен для формирования временного интервала 0,1 с и может быть выполнен, например, на микросхемах К155ИЕ1 путем соединения счетных входов последующих каскадов с выходами предыдущих [12, с.42].

Делитель 12 программируемый предназначен для деления 1000 импульсов на число, равное значению суммарной длительности светового импульса τ_имп и межимпульсного интервала t_мии между световыми импульсами в паре. Делитель может быть выполнен, например, на микросхемах К155ИЕ8 по схеме [12, рис.32, с.48].

Первый 13 и второй 14 триггеры представляют собой стандартные RS-триггеры.

Первый счетчик 15 предназначен для определения значения суммарной длительности светового импульса τ_имп и межимпульсного интервала t_мии между световыми импульсами в паре, в мс.

Второй счетчик 16 предназначен для определения значения результата деления на выходе делителя 12, в Гц.

Регистр 17 предназначен для хранения значения суммарной длительности светового импульса τ_имп и межимпульсного интервала t_мии между световыми импульсами в паре, мс. Регистр может быть выполнен, например, на микросхемах К555ИР22.

Точечный источник 18 света предназначен для предъявления световых импульсов и может быть выполнен, например, на светодиоде типа АЛ307ЕМ.

Индикаторы в блоке 19 индикации предназначены для отображения значения лабильности зрительной системы и могут быть выполнены, например, на индикаторах типа АЛС333А.

Остальные функциональные узлы структурной схемы устройства общеизвестны.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания делители 11 и 12, первый 13 и второй 14 триггеры, первый 15 и второй 16 счетчики обнуляются (цепи не показаны). С пульта 20 управления на точечный источник 18 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 импульсов с частотой 10 кГц, поступающих на первый вход второго элемента И 9 и на счетные входы делителей 10 и 11. С выхода делителя 10 импульсы с частотой 1 кГц поступают на первый вход первого элемента И 8 (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 первый 15 счетчик и устанавливает первый 13 триггер в «1» (фиг.2ж). С выхода первого 13 триггера уровень логической единицы поступает на второй вход первого элемента И 8, при этом импульсы с выхода делителя 10 через первый элемент И 8 поступают на счетный вход первого 15 счетчика.

Импульс с выхода первого 3 одновибратора через элемент ИЛИ 7 поступает на точечный источник 18 света (фиг.2е) и задним фронтом запускает второй 4 одновибратор. Длительность импульса на выходе одновибратора 4 регулируется испытуемым с пульта 20 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 ИЛИ 7 поступает на точечный источник 18 света (фиг.2е).

По фронту импульса с выхода третьего 5 одновибратора первый 13 триггер обнуляется и на его выходе устанавливается уровень логического нуля (фиг.2ж), который поступает на второй вход первого элемента И 8, при этом прохождение импульсов с выхода делителя 10 через первый элемент И 8 на счетный вход первого 15 счетчика блокируется.

На выходе первого элемента И 8 сформируется пачка импульсов (фиг.2и), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе первого 13 триггера (фиг.2ж) или сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов в мс. Число импульсов в пачке считается первым 15 счетчиком, результат счета записывается импульсом с выхода третьего 5 одновибратора в регистр 17, с выхода которого поступает на управляющие входы делителя 12.

Одновременно импульс с выхода третьего 5 одновибратора обнуляет делители 11 и 12, второй 16 счетчик и устанавливает второй 14 триггер в «1» (фиг.2к). С выхода второго 14 триггера уровень логической единицы поступает на второй вход второго элемента И 9, при этом импульсы с выхода второго 2 генератора через второй элемент И 9 поступают на счетный вход делителя 12 (фиг.2л). По окончании импульса с выхода третьего 5 одновибратора разрешается работа делителей 11, 12 и второго 16 счетчика. Через 0,1 с импульсом с выхода делителя 11 второй 14 триггер обнуляется и на его выходе устанавливается уровень логического нуля (фиг.2к), который поступает на второй вход второго элемента И 9, при этом прохождение импульсов с выхода генератора 2 через второй элемент И 9 на счетный вход делителя 12 блокируется (фиг.2л). За время 0,1 с на счетный вход делителя 12 поступит пачка из 1000 импульсов (фиг.2м).

Делитель 12 делит пачку из 1000 импульсов на значение суммарной длительности светового импульса τ_имп на выходе первого 3 одновибратора и межимпульсного интервала t_мии между световыми импульсами в паре на выходе второго 4 одновибратора, в результате чего на его выходе сформируется пачка импульсов. Число импульсов в пачке считается вторым 16 счетчиком, результат вычисления поступает на блок 19 индикации.

Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта 20 управления уменьшает длительность импульса на выходе второго 4 одновибратора до момента субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один (фиг.4в, г). Величина, обратная сумме длительностей импульсов на выходах первого 3 и второго 4 одновибраторов, принимается за значение лабильности зрительной системы человека и вычисляется делителем 12 и вторым 16 счетчиком по формуле

где F - лабильность зрительной системы человека, Гц; 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.

Для считывания значения лабильности испытуемый переключает ключ на пульте 20 управления, снимает питание с точечного источника 18 света и подает его на блок 19 индикации, на котором отображается значение лабильности в Гц.

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 в паре (фиг.4б). При уменьшении длительности межимпульсного интервала t_мии между двумя световыми импульсами в паре до значения t_мии=t_пор (фиг.4в) у испытуемого возникает ощущение субъективного слияния двух световых импульсов в паре в один (фиг.4 г). Сумма длительности светового импульса τ_имп и длительности порогового межимпульсного интервала t_пор между двумя световыми импульсами в паре, 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 [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 повысить достоверность определения 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., 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. Расчет элементов цифровых устройств: Учебн. 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. Бирюков С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП. - 2-е изд., стер. - М.: ДМК, 2000. - 240 с.

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 и точечный источник света, отличающееся тем, что в него дополнительно введены счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, первый одновибратор, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и четвертый одновибратор, элемент ИЛИ, элемент И, второй генератор, второй элемент И, делитель на 10, делитель на 1000, делитель программируемый, первый и второй триггеры, второй счетчик и регистр, при этом выход элемента И соединен 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, вход четвертого одновибратора соединен с выходом генератора секундных импульсов, а выход - с первым входом первого триггера и с вторым входом первого счетчика, выход которого соединен с первым входом регистра, выход третьего одновибратора соединен также с вторыми входами первого и второго триггеров, делителя на 1000, делителя программируемого, второго счетчика и регистра, выход второго генератора соединен с первыми входами второго элемента И и делителя на 1000 и входом делителя на 10, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, выход делителя на 1000 соединен с первым входом второго триггера, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с третьим входом делителя программируемого, первый вход которого соединен с выходом регистра, а выход - с первым входом второго счетчика, выход которого соединен с первым входом блока индикации.