Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы

Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы

Реферат

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы.

Известен способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы, характеризующийся тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, после этого поочередно с заданным постоянным периодом - вначале начальную и увеличенную - инкрементную, затем начальную и уменьшенную - декрементную частоты, разность между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно частот, причем на первом этапе измерений вначале с постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты заведомо не различаются, на втором этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на первом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, затем с той же скоростью уменьшают инкрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и инкрементная частоты не различаются, на третьем этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с увеличивают инкрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на втором этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и инкрементной частот, значение порога вычисляют как разность между зафиксированной на этом этапе инкрементной и начальной частотами, на четвертом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо различаются, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты заведомо не различаются, на пятом этапе вначале с заданной постоянной скоростью порядка 0,25 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на четвертом этапе, пока испытуемый не определит оценочно порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, затем с той же скоростью увеличивают декрементную частоту, пока испытуемый не определит оценочно, когда предъявляемые поочередно начальная и декрементная частоты не различаются, на шестом этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,1 Гц/с уменьшают декрементную частоту световых мельканий, зафиксированную на пятом этапе, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно начальной и декрементной частот, значение порога вычисляют как абсолютную разность между зафиксированной на этом этапе декрементной и начальной частотами, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот, вычисленных на третьем и шестом этапах измерений [1]. Полоса пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы определяется полосой пропускания рецептивных полей нейронов.

Недостатком способа является длительное время процедуры измерения для получения одного значения полосы пропускания, что приводит к утомлению зрительного анализатора, увеличению вариабельности значений и, как следствие, уменьшению точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы, характеризующийся тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем с заданным постоянным периодом поочередно уменьшенную начальную - декрементную и увеличенную начальную - инкрементную частоты, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог зоны различения предъявляемых частот световых мельканий, причем на первом этапе измерений с заданной постоянной скоростью порядка 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми частотами, пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, на втором этапе с заданной постоянной скоростью порядка 0,5 Гц/с последовательно уменьшают и увеличивают разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения предъявляемых частот, полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы определяют как пороговое значение, зафиксированное на втором этапе измерений [2].

Недостатком способа является большая погрешность определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы с использованием приборов, в которых полоса пропускания определяется путем измерения декрементной и инкрементной частот световых мельканий и вычисления их разности.

Период повторения декрементной и инкрементной частот световых мельканий в приборах принят равным 1 с [3, 4], поэтому время измерения частоты, то есть калиброванный интервал времени, равно 1 с. В лучшем случае, если для формирования калиброванного интервала времени использовать кварцевый генератор, предел допускаемой абсолютной погрешности измерения частоты Δ_{пред.част} равен [5]:

где δ_кв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); f_изм - максимальное значение измеряемой частоты за время Δt_к; Δt_к - калиброванный интервал времени.

Средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора δ_кв согласно технической документации равна ±1·10^-6. Диапазон предъявляемых частот световых мельканий для определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы принят от 5 до 15 Гц [6]. Калиброванный интервал времени Δt_к, в течение которого происходит подсчет импульсов, равен 1 с. Тогда предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении частоты:

Предел допускаемой относительной погрешности δ_{пред.част}, выраженной в процентах от измеряемого значения, при измерении частоты равен [5]:

где δ_кв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); n - минимальное количество импульсов, сосчитанное в течение калиброванного интервала времени.

Количество импульсов n, сосчитанное в течение калиброванного интервала времени 1 с при генерируемой исходной частоте 5 Гц, равно 5, тогда предел допускаемой относительной погрешности при измерении частоты:

Предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешность приборов для определения полосы различения световых частот.

Предлагаемый способ определения полосы различения световых частот заключается в том, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем с заданным постоянным периодом поочередно - уменьшенную начальную - декрементную и увеличенную начальную - инкрементную частоты, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог зоны различения предъявляемых частот световых мельканий, причем на первом этапе измерений с заданной постоянной скоростью порядка 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми частотами, пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, отличается тем, что на втором этапе измерений уменьшают дискретно с шагом 0,3 Гц разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений, пока испытуемый не определит подпороговое значение зоны различения предъявляемых частот, на третьем этапе измерений увеличивают дискретно с шагом 0,1 Гц разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на втором этапе измерений, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, полосу пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы ΔF в Гц вычисляют по формуле:

где Т_И и Т_Д - периоды световых мельканий в мс, соответствующие инкрементной и декрементной частотам, зафиксированным на третьем этапе измерений.

На чертеже представлена временная диаграмма изменения частот световых мельканий, предъявляемых испытуемому в процессе измерения.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Испытуемому предъявляют световые мелькания с начальной F_Н частотой, равной, например, 10 Гц (интервал времени 0-Т₀). Затем с постоянным периодом, равным, например, 1 с, предъявляют поочередно декрементную F_Д и инкрементную F_И частоты (интервал времени Т₀-Т₆). Разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог ΔF зоны различения предъявляемых частот световых мельканий.

На первом этапе измерений с постоянной скоростью порядка 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми декрементной F_Д и инкрементной F_И частотами световых мельканий (интервал времени T₀-T₁), пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения предъявляемых частот и не зафиксирует последние предъявленные декрементную F_Д1 и инкрементную F_И1 частоты (момент времени T₁). Далее испытуемому поочередно предъявляют световые мелькания с зафиксированными частотами F_Д1 и F_И1 (интервал времени Т₁-Т₂).

На втором этапе измерений уменьшают дискретно с шагом 0,3 Гц разницу между предъявляемыми декрементной F_Д и инкрементной F_И частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений (интервал времени Т₂-Т₃), пока испытуемый не определит подпороговое значение зоны различения предъявляемых частот и не зафиксирует последние предъявленные декрементную F_Д2 и инкрементную F_И2 частоты (момент времени Т₃). Далее испытуемому поочередно предъявляют световые мелькания с зафиксированными частотами F_Д2 и F_И2 (интервал времени Т₃-Т₄).

На третьем этапе измерений увеличивают дискретно с шагом 0,1 Гц разницу между предъявляемыми декрементной F_Д и инкрементной F_И частотами световых мельканий, зафиксированную на втором этапе измерений (интервал времени Т₄-Т₅), пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот и не зафиксирует последние предъявленные декрементную F_Д3 и инкрементную F_И3 частоты (момент времени Т₅). Далее испытуемому поочередно предъявляют световые мелькания с зафиксированными частотами F_Д3 и F_И3 (интервал времени Т₅-Т₆).

Полосу различения световых частот ΔF в Гц вычисляют по формуле (5).

Предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении интервала времени, то есть периода, Δ_{пред.пер}, равен [5]:

где δ_кв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); Δt - максимальное значение измеряемого интервала времени; - погрешность преобразования (среднеквадратическая относительная погрешность запуска); h - отношение сигнал/помеха; Т_сч - период следования счетных импульсов.

Средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора δ_кв согласно технической документации равна ±1·10^-6. Диапазон измеряемых интервалов времени Δt, равных одному периоду, при измерении периода в диапазоне частот от 5 до 15 Гц, составляет соответственно от 200 до 70 мс.

Примем частоту кварцевого генератора равной 10 кГц, тогда период следования счетных импульсов Т_сч равен 0,1 мс. Примем отношение сигнал/помеха 40 дБ, так как незаметность помехи на визуальном изображении обеспечивается при соотношении сигнал/помеха порядка 41,5 дБ [7], тогда h=100, среднеквадратическая относительная погрешность запуска:

предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении периода:

Предел допускаемой относительной погрешности при измерении интервала времени, то есть периода, δ_{пред.пер}, выраженной в процентах от измеряемого интервала времени Δt, равен [5]:

где δ_кв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); - погрешность преобразования (среднеквадратическая относительная погрешность запуска); h - отношение сигнал/помеха; m - минимальное число счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени Δt.

Так как диапазон измеряемых интервалов времени Δt при оценке периода составляет от 200 до 70 мс, период следования счетных импульсов Т_сч равен 0,1 мс, то число счетных импульсов m, заполняющих измеряемый интервал времени Δt, равно от 2000 до 700. Тогда предел допускаемой относительной погрешности при измерении периода:

При определении полосы различения световых частот путем измерения декрементной и инкрементной частот световых мельканий и вычисления их разности принято измерять частоты с точностью до 0,1 Гц [8]. Предел допускаемой абсолютной погрешности приборов, в которых измеряется частота, равен ±1 Гц, что в 10 раз больше 0,1 Гц.

При измерении периода частот световых мельканий, исходя из экспериментальных данных по измерению временных интервалов [9], принята точность измерения 0,1 мс. Предел допускаемой абсолютной погрешности приборов для измерения периода равен ±0,7 мс, что в 7 раз больше 0,1 мс, то есть в 1,4 раза меньше по сравнению с измерением частоты.

Предел допускаемой относительной погрешности приборов для измерения периода световых мельканий в 50 раз меньше по сравнению с приборами для измерения их частоты.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешность приборов для определения полосы различения световых частот.

Таким образом, предлагаемый способ отличается от известных новым свойством, обусловливающим получение положительного эффекта.

Пример.

Испытуемой Б., 25 лет, с помощью прибора, формирующего световые мелькания, предъявили на индикаторе начальную частоту 10 Гц. В процессе измерений испытуемой предъявлялись с периодом, равным 1 с, поочередно уменьшенная начальная - декрементная и увеличенная начальная - инкрементная частоты световых мельканий, для управления частотами в приборе использовались кнопки "Увеличение непрерывное", "Уменьшение дискретное", "Увеличение дискретное", для определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы - кнопка "Измерение".

По сигналу с кнопки "Увеличение непрерывное" прибор увеличивал разницу между предъявляемыми поочередно декрементной F_Д и инкрементной F_И частотами световых мельканий пропорционально времени нажатия кнопки симметрично начальной частоте со скоростью 2 Гц/с, по сигналу с кнопки "Уменьшение дискретное" - уменьшал дискретно с шагом 0,3 Гц разницу между предъявляемыми поочередно частотами, по сигналу с кнопки "Увеличение дискретное" - увеличивал дискретно с шагом 0,1 Гц разницу между предъявляемыми поочередно частотами, по сигналу с кнопки "Измерение" - измерял периоды Т_И и Т_Д соответствующих последних предъявляемых инкрементной и декрементной частот световых мельканий, вычислял инкрементную F_И и декрементную F_Д частоты, вычислял значение полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы ΔF и выводил его на соответствующие индикаторы, после чего предъявлял испытуемому световые мелькания с начальной частотой F_Н, равной 10 Гц.

На первом этапе испытуемая, удерживая в замкнутом состоянии кнопку "Увеличение непрерывное" (интервал времени T₀-T₁), определила надпороговое значение зоны различения предъявляемых декрементной F_Д и инкрементной F_И частот световых мельканий и отжала кнопку (момент времени T₁). При этом прибор зафиксировал последние предъявленные декрементную F_Д1 и инкрементную F_И1 частоты, которые далее поочередно предъявил испытуемой (интервал времени T₁-Т₂).

На втором этапе испытуемая, удерживая в замкнутом состоянии кнопку "Уменьшение дискретное" (интервал времени Т₂-Т₃), определила подпороговое значение зоны различения предъявляемых декрементной F_Д и инкрементной F_И частот световых мельканий и отжала кнопку (момент времени Т₃). При этом прибор зафиксировал последние предъявленные декрементную F_Д2 и инкрементную F_И2 частоты, которые далее поочередно предъявил испытуемой (интервал времени Т₃-Т₄).

На третьем этапе испытуемая, удерживая в замкнутом состоянии кнопку "Увеличение дискретное" (интервал времени Т₄-Т₅), определила пороговое значение зоны различения предъявляемых декрементной F_Д и инкрементной F_И частот и отжала кнопку (момент времени Т₅). При этом прибор зафиксировал последние предъявленные декрементную F_Д3 и инкрементную F_И3 частоты, которые далее поочередно предъявил испытуемой (интервал времени Т₅-Т₆).

Испытуемая нажала кнопку "Измерение" (момент времени Т₆), прибор измерил периоды Т_Д и Т_И, соответствующие последним зафиксированным декрементной F_Д3 и инкрементной F_И3 частотам световых мельканий, вычислил и вывел на индикаторы значение полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы ΔF, равное 1,5 Гц, и предъявил начальную частоту мельканий 10 Гц.

В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемая выполнила серию из 10 измерений. В результате измерений получены следующие значения полосы пропускания в Гц: 1,5; 1,3; 1,4; 1,1; 1,1; 1,3; 1,4; 1,3; 1,0; 1,3. Среднеарифметическое значение результатов измерений равно 1,3 Гц, среднеквадратическое отклонение - 0,157 Гц.

В результате серии из 10 измерений, выполненных испытуемой с использованием прибора, реализующего известный способ [2], получены следующие значения полосы пропускания в Гц: 1,6; 1,5; 1,4; 1,1; 1,4; 1,2; 1,6; 1,4; 1,1; 1,5. Среднеарифметическое значение результатов измерений равно 1,4 Гц, среднеквадратическое отклонение - 0,187 Гц.

Уменьшение погрешности измерений (среднеквадратическое отклонение) при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу, составило 16,0%.

Для оценки достоверности уменьшения погрешности измерений проведены измерения полосы пропускания по предложенному и известному способу в группе из 10 испытуемых, каждый из которых выполнил серию из 10 измерений с использованием приборов, реализующих соответствующий способ. Уменьшение погрешности измерений при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу, составило от 10,9% до 24,2%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешность приборов для определения полосы различения световых частот, тем самым увеличить точность ее определения.

Источники информации

1. Патент 2212182 РФ, МКИ А61В 3/00. Способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы / В.В.Роженцов, Т.А.Лежнина (РФ). - Опубл. 20.09.2003. Бюл. №26. - 8 с.

2. Патент 2209028 РФ, МКИ А61В 3/00. Способ определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы / В.В.Роженцов, Т.А.Лежнина (РФ). - Опубл. 27.07.2003. Бюл. №21. - 4 с.

3. Патент 2237425 РФ, МКИ А61В 3/00. Устройство для измерения разрешающей способности зрения по частоте световых мельканий / Т.А.Лежнина (РФ). - Опубл. 10.10.2004. Бюл. №28. - 7 с.

4. Патент 2240029 РФ, МКИ А61В 3/00. Устройство для определения полосы пропускания рецептивных полей нейронов зрительной системы / А.Г.Исаев, Т.А.Лежнина, В.В.Роженцов (РФ). - Опубл. 20.11.2004. Бюл. №32. - 7 с.

5. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2 т. Т.2. / Под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978. - 328 с.

6. Лежнина Т.А. Методы и устройства для измерения частотно-временных параметров зрительной системы человека: автореф ... канд. техн. наук. - Казань, 2004. - 18 с.

7. Красильников Н.Н. Обобщенная функциональная модель зрения и ее применение в системах обработки и передачи изображений // Автометрия. - 1990. - №6. - С.7-14.

8. Роженцов В.В. Дифференциальная чувствительность зрения к частоте световых мельканий // Медицинская техника. - 2005. - №2. - С.33-35.

9. Роженцов В.В. Измерение времени восстановления зрительного анализатора // Проектирование и технология электронных средств. - 2004. - №4. - С.73-75.

Способ определения полосы различения световых частот, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, затем с заданным постоянным периодом поочередно уменьшенную начальную - декрементную и увеличенную начальную - инкрементную частоты, разницу между предъявляемыми частотами изменяют, пока испытуемый не определит порог зоны различения предъявляемых частот световых мельканий, причем на первом этапе измерений с заданной постоянной скоростью порядка 2 Гц/с увеличивают разницу между предъявляемыми частотами, пока испытуемый не определит надпороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, отличающийся тем, что на втором этапе измерений уменьшают дискретно с шагом 0,3 Гц разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на первом этапе измерений, пока испытуемый не определит подпороговое значение зоны различения предъявляемых частот, на третьем этапе измерений увеличивают дискретно с шагом 0,1 Гц разницу между предъявляемыми частотами световых мельканий, зафиксированную на втором этапе измерений, пока испытуемый не определит пороговое значение зоны различения декрементной и инкрементной частот, полосу различения световых частот ΔF в Гц вычисляют по формуле:

где Т_и и Т_д - периоды световых мельканий в мс, соответствующие инкрементной и декрементной частотам, зафиксированным на третьем этапе измерений.