СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВОСПРИЯТИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD TO INCREASE ACCURACY OF DETERMINING TIME OF VISUAL INFORMATION PERCEPTION

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для увеличения точности определения времени восприятия зрительной информации.
Условием точности определения времени восприятия зрительной информации является получение его значений с малой вариабельностью. Однако в результате адаптации испытуемого к экспериментальным условиям, наличием «этапа врабатывания» [1] и влияния «закона научения», согласно которому процесс формирования навыка развивается по экспоненте [2], присутствует переходной процесс. По окончании переходного процесса наступает квазистационарный режим, в котором наблюдается вариабельность значений времени восприятия зрительной информации, обусловленная стохастичностью центральной нервной системы как сложного биологического объекта. По мнению П.М.Пейсахова и соавт., стабилизация значений происходит после двух-трех измерений, поэтому они рекомендуют первые три полученные значения считать ориентировочными и при статистическом анализе их не учитывать [3].
Однако переходный процесс сугубо индивидуален, поэтому необходимое число измерений времени восприятия зрительной информации до стабилизации его значений для разных испытуемых различно, что подтверждено экспериментально.
и
и
Известен способ определения латентного периода зрительного восприятия человека. По данному способу формируют тестовый объект с равномерной фоновой освещенностью и воздействуют на зрачок глаза вспышкой от источника света при последующей фиксации испытуемым изменений диаметра зрачка глаза под воздействием вспышки света. В качестве тестового объекта используют зрачок испытуемого, а источник света располагают от глаза на расстоянии меньше фокусного, при этом после вспышки света формируют импульс освещенности с амплитудой, равной фоновой заданной длительности Т, задний фронт которого совпадает с моментом восприятия испытуемым начала сокращения его зрачка, и по значению Т определяют латентный период зрительного восприятия зрачковой реакции человека [4].
Недостатком способа является необходимость использования специального оборудования для фиксации момента сокращения зрачка испытуемого, зависимость диаметра зрачка от фоновой освещенности.
Известны исследования временных параметров опознания стимула и принятия решения о реакции, составляющих «средний член» рефлекса. Для измерения временных параметров сенсорной фазы рефлекса применяют методику обратной маскировки, позволяющую определять время восприятия, необходимое для передачи информации в центральную нервную систему и ее опознания. Время восприятия составляет период с момента начала экспозиции тестового короткого стимула до включения маскирующего раздражителя, когда последний уже не может помешать опознанию тестового стимула. В процессе исследований испытуемым предъявляют на электролюминесцентном экране одну из 3-4 букв и через определенный промежуток времени включают маскирующий стимул - однократную вспышку длительностью 100 мкс. Маскирующий стимул включают через 20 мс после окончания экспозиции буквы. Затем пауза между тестовым и маскирующим стимулами с каждой пробой увеличивают на 10 мс, до тех пор пока испытуемый не опознает букву, в результате измеряют время восприятия буквенных стимулов [5].
Недостатком способа является зависимость времени восприятия буквенной информации от параметров стимулов, так как известно, что при опознании признаков стимулов, таких как местоположение контура стимула, его ориентация и размер, временные характеристики опознания различны [6], и низкая точность определения времени восприятия зрительных стимулов, обусловленная величиной дискретизации изменения длительности паузы между буквенным стимулом и маскирующим раздражителем, равной 10 мс.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения времени восприятия зрительной информации путем предъявления испытуемому последовательности двух световых импульсов заданной длительности, равной 50 мс, разделенных паузой, равной 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал 1,5 с, в котором на первом этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с заданной постоянной скоростью 20 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, на втором этапе длительность паузы увеличивают с заданной постоянной скоростью 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений уменьшают длительность паузы между двумя световыми импульсами с заданной постоянной скоростью 2 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, при этом время восприятия зрительной информации человеком принимают равным значению суммы длительности светового импульса и длительности паузы между двумя световыми импульсами в момент субъективного слияния двух световых импульсов в один, определенный на третьем этапе измерений [7].
Недостатком способа является то, что он не учитывает индивидуальный характер стабилизации измеряемых значений, что приводит к малой точности и достоверности оценки времени восприятия зрительной информации при статистической обработке результатов измерений.
Технический результат предлагаемого способа заключается в увеличении точности определения времени восприятия зрительной информации путем статистической обработки его значений, полученных в квазистационарном режиме, что позволяет повысить достоверность оценки результатов измерений.
взи
взи
i
i
Технический результат достигается тем, что испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов длительностью, равной 50 мс, разделенных паузой, равной 150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал 1,5 с, на первом этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с заданной постоянной скоростью 20 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, на втором этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами увеличивают с заданной постоянной скоростью 5 мс/с, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов, на третьем этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с постоянной скоростью, пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, время восприятия зрительной информации человеком принимают равным значению суммы длительности светового импульса и длительности паузы между двумя световыми импульсами в момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, определенной на третьем этапе измерений, причем новым является то, что скорость уменьшения длительности паузы между двумя световыми импульсами на третьем этапе измерений равна 1 мс/с, время восприятия зрительной информации отмечают на плоскости в координатах «время восприятия зрительной информации - номер измерения», описанную процедуру повторяют, строят график зависимости значений времени восприятия зрительной информации t как функции t=f(N), где N - номер i-ого измерения, i=1, 2, …, k, k - число измерений до получения квазистационарного режима, когда переходный процесс закончен, в квазистационарном режиме выполняют заданное количество измерений, после чего вычисляют оценку времени восприятия зрительной информации как среднеарифметическое значение по формуле:
,
взи j
где t - значение времени восприятия зрительной информации в j-м измерении, мс; j=k, k+1, …, k+(n-1); k - номер измерения, соответствующий окончанию переходного процесса (началу квазистационарного режима); n - число измерений времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме.
Время переходного процесса определяется временем, после которого имеет место неравенство [8]:
взи i
взи 0
|t-t|≤Δ/2,
взи i
взи 0
взи max
взи min
взи max
взи min
где t - значение времени восприятия зрительной информации в i-м измерении, i=1, 2, …, k, k - число измерений до получения квазистационарного режима; t - среднее значение времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме; Δ=( t-t) - вариационный размах значений времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме; t - максимальное значение времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме; t - минимальное значение времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме.
и
п
На фиг.1 представлена временная диаграмма последовательности предъявляемых двух световых импульсов, где τ - длительность световых импульсов; t - длительность паузы между двумя световыми импульсами; T - время повторения двух световых импульсов.
п
На фиг.2 представлена временная диаграмма изменения длительности паузы t между двумя световыми импульсами, предъявляемыми испытуемому в процессе измерения.
и
1
п
п
пор
пор
1
2
На фиг.3 представлены временные диаграммы двух световых импульсов длительностью τ>τ, разделенных паузой t, и вызываемых ими зрительных ощущений, где фиг.3а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных паузой t>t, вызывающих зрительное ощущение раздельности импульсов; фиг.3б - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3а; фиг.3в - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных паузой t, вызывающей субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один; фиг.3г - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.3в; τ - время зрительного ощущения - время между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения [9, 10]; τ - время восстановления - время между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения [9, 10].
На фиг.4-5 представлены графики значений времени восприятия зрительной информации двух испытуемых, полученных в процессе измерения.
и
п нач
1
Предлагаемый способ увеличения точности определения времени восприятия зрительной информации осуществляется следующим образом. Испытуемому предъявляют последовательность двух световых импульсов длительностью τ=50 мс, разделенных паузой начальной длительности t=150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал Т=1,5 с (фиг.2, интервал времени 0-T).
1
2
2
п1
На первом этапе измерений начальную длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с постоянной скоростью 20 мс/с (фиг.2, интервал времени T-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, момент времени Т, длительность паузы между двумя световыми импульсами t).
3
4
4
п2
На втором этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами увеличивают с постоянной скоростью 5 мс/с (фиг.2, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения раздельности двух световых импульсов (фиг.2, момент времени Т, длительность паузы между двумя световыми импульсами t).
5
6
6
пор
На третьем этапе измерений длительность паузы между двумя световыми импульсами уменьшают с постоянной скоростью 1 мс/с (фиг.2, интервал времени Т-Т), пока испытуемый не определит момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один (фиг.2, момент времени Т, длительность паузы между двумя световыми импульсами t).
взи
и
пор
Время восприятия зрительной информации t принимают равным значению суммы длительности светового импульса τ и длительности паузы между двумя световыми импульсами t в момент субъективного ощущения слияния двух световых импульсов в один, определенной на третьем этапе измерений, которое отмечают на плоскости в координатах «время восприятия зрительной информации - номер измерения».
взи
взи
i
i
Описанную процедуру повторяют, строят график зависимости значений времени восприятия зрительной информации t как функции t=f(N), где N - номер i-ого измерения, i=1, 2, …, k, k - число измерений до получения квазистационарного режима, когда переходный процесс закончен.
В квазистационарном режиме выполняют заданное количество измерений, после чего вычисляют оценку времени восприятия зрительной информации как среднеарифметическое значение по формуле:
,
взи j
где t - значение времени восприятия зрительной информации в j-м измерении, мс; j=k, k+1, …, k+(n-1); k - номер измерения, соответствующий окончанию переходного процесса (началу квазистационарного режима); n - число измерений времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме.
и
1
п
пор
п
п
пор
При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью τ>τ, разделенных паузой t>t (фиг.3а), у него возникает субъективное ощущение раздельности двух световых импульсов (фиг.3б). При уменьшении длительности паузы t между двумя световыми импульсами до значения t=t (фиг.3в) у испытуемого возникает субъективное ощущение слияния двух световых импульсов в один (фиг.3г).
Во время действия светового стимула рецептивные поля (РП) нейронов претерпевают три фазы перестройки [11]. 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 [12]. 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 паузы должна быть
и
п
τ+t≥(100…200) мс.
и
При длительности светового импульса τ=50 мс начальная длительность паузы должна быть
п нач
t≥(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 [13]. При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [14]. Для устранения эффекта маскировки последовательность двух световых импульсов повторяется через постоянный временной интервал, равный 1,5 с.
Заявляемый способ позволяет учесть индивидуальный характер стабилизации измеряемых значений, что повышает точность определения времени восприятия зрительной информации.
Таким образом, заявляемый способ увеличения точности определения времени восприятия зрительной информации обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.
Пример 1.
и
п нач
1
Испытуемому Е., 23 лет, с помощью персонального компьютера, выдающего через порт LPT на индикатор пульта испытуемого импульсы, предъявили последовательность двух световых импульсов длительностью τ=50 мс, разделенных паузой начальной длительности t=150 мс, повторяющихся через постоянный временной интервал Т=1,5 с (фиг.2, интервал времени 0-T).
взи
и
пop
взи
взи
i
i
В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок «Уменьшение длительности паузы», «Увеличение длительности паузы» и «Измерение». По первому сигналу с кнопки «Уменьшение длительности паузы» компьютер непрерывно уменьшал длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 20 мс/с, по второму сигналу - с постоянной скоростью 1 мс/с. При снятии сигнала с кнопки компьютер сохранял на выходе последовательность двух световых импульсов с последней предъявленной паузой. По сигналу с кнопки «Увеличение длительности паузы» компьютер непрерывно увеличивал длительность паузы между двумя световыми импульсами с постоянной скоростью 5 мс/с. При снятии сигнала с кнопки компьютер сохранял на выходе последовательность двух световых импульсов с последней предъявленной паузой. По сигналу с кнопки «Измерение» компьютер вычислял значение времени восприятия зрительной информации t как сумму длительности светового импульса τ и длительности паузы между двумя световыми импульсами t, заносил его в архив, строил график зависимости значений времени восприятия зрительной информации t как функции t=f(N), где N - номер i-ого измерения, i=1, 2, …, k, k - число измерений, после чего предъявлял испытуемому начальную последовательность световых импульсов.
2
п1
На первом этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Уменьшение длительности паузы», определил подпороговое значение длительности паузы между двумя световыми импульсами (фиг.2, момент времени Т, длительность паузы между двумя световыми импульсами t).
4
п2
На втором этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Увеличение длительности паузы», определил надпороговое значение длительности паузы между двумя световыми импульсами (фиг.2, момент времени Т, длительность паузы между двумя световыми импульсами t).
6
пор
7
На третьем этапе измерений испытуемый, подавая сигнал с кнопки «Уменьшение длительности паузы», определил пороговое значение длительности паузы между двумя световыми импульсами (фиг.2, момент времени T, длительность паузы между двумя световыми импульсами t) и подал сигнал с кнопки «Измерение» (фиг.2, момент времени Т).
взи
и
пор
Персональный компьютер вычислил значение времени восприятия зрительной информации t как сумму длительности светового импульса τ и длительности паузы между двумя световыми импульсами t, занес его в архив, отметил его на плоскости в координатах «время восприятия зрительной информации - номер измерения» и выдал на индикатор пульта испытуемого начальную последовательность световых импульсов.
Испытуемый повторил описанную процедуру до получения квазистационарного режима, когда переходной процесс закончен. В квазистационарном режиме испытуемый в соответствии с рекомендациями физиологов выполнил 10 измерений времени восприятия зрительной информации. В результате измерений получены следующие значения времени восприятия зрительной информации в мс: 89,9; 89,0; 88,7; 87,8; 87,4; 88,1; 87,8; 88,2; 87,4, 87,7; 87,6; 88,2; 88,0, которые представлены в виде графика на фиг.4. По графику определили номер измерения 4, соответствующий окончанию переходного процесса.
Значение времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме вычислили как среднеарифметическое значение по 4юрмуле:
В соответствии с ГОСТ Р 50779.21-2004 [15] среднеквадратическое отклонение измеренных значений времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме равно 0,301 мс.
При исключении из статистического анализа первых трех измерений среднеарифметическое значение и среднеквадратическое отклонение времени восприятия зрительной информации совпадают с значениями, вычисленными для квазистационарного режима.
Пример 2.
Испытуемый Г., 20 лет, аналогично испытуемому Е., выполнил серию измерений времени восприятия зрительной информации, в результате получены следующие его значения в мс: 74,0; 73,8; 72,9; 72,8; 72,2; 72,3; 71,6; 71,4; 71,0; 71,2; 71,6; 71,2; 71,0; 71,2; 71,3; 71,5, которые представлены в виде графика на фиг.5. По графику определили номер измерения 7, соответствующий окончанию переходного процесса.
Значение времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме вычислили как среднеарифметическое по формуле:
В соответствии с ГОСТ Р 50779.21-2004 [15] среднеквадратическое отклонение измеренных значений времени восприятия зрительной информации в квазистационарном режиме равно 0,221 мс.
При условии обработки первых 13 измерений и исключении из статистического анализа первых трех измерений среднеарифметическое значение времени инерционности зрительной системы человека равно 71,6 мс, среднеквадратическое отклонение - 0,611 мс.
Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений (среднеквадратическое отклонение) при вычислении времени восприятия зрительной информации по предложенному способу по сравнению с вычислениями, когда из статистического анализа исключены первые три измерения, составило 63,8%.
Положительный эффект предлагаемого способа увеличения точности определения времени инерционности зрительной системы человека подтвержден результатами экспериментального исследования по группе из 10 испытуемых. Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений получено у 7 испытуемых, которое составило от 35,7 до 93,4%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность определения времени восприятия зрительной информации путем статистической обработки его значений, полученных в квазистационарном режиме, за счет чего повысить достоверность оценки результатов измерений.
Источники информации
1. Приборы и комплексы для психофизиологических исследований. Исследования, разработка, применение / Под ред. В.А.Викторова, Е.В.Матвеева. - М.: ЗАО "ВНИИМП-ВИТА", 2002. - 228 с.
2. Ткачук В.Г., Петрович Б. Вариативность физиологических показателей в механизме адаптации биосистем // VII Междунар. науч. конгресс «Современный олимпийский спорт и спорт для всех»: Матер. конф. - Т.2. - М.: СпортАкадемПресс, 2003. - С.182-183.
3. 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.
4. Заявка РФ на изобретение 99103477/14, МКИ A61B 3/06. Способ определения латентного периода зрительного восприятия человека / Аграновский А.В., Берг О.Ю., Евреинов Г.Е. // Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. - 2001. - №1. - С.14.
5. Костандов Э.А., Арзуманов Ю.Л., Важнова Т.Н., Рещикова Т.Н., Шостакович Г.С. Принятие решения и "средний член" рефлекса по И.М.Сеченову // Физиология человека. - 1979. - Т.5, №3. - С.415-426.
6. Костелянец Н.Б., Каменкович В.М. Временные характеристики оценки простых свойств контурных и текстурированных изображений // Физиология человека. - 1984. - Т.10, №2. - С.272-275.
7. Патент 2209030 РФ, A61B 5/00. Способ определения времени восприятия зрительной информации / В.В.Роженцов, И.В.Петухов (РФ). - Опубл. 27.07.2003, Бюл. №21.
8. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. - М.: Машиностроение, 1985. - 535 с.
9. 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.
10. Семеновская Е.Н. Электрофизиологические исследования в офтальмологии. - М.: Медгиз, 1963. - 279 с.
11. Подвигин Н.Ф. Динамические свойства нейронных структур зрительной системы. Л.: Наука, 1979. - 158 с.
12. Шевелев И.А. Временная переработка сигналов в зрительной коре // Физиология человека. - 1997. - Т.23, №2. - С.68-79.
13. 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.
14. 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.
15. ГОСТ Р 50779.21-2004. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. - Ч.1: Нормальное распределение. - М.: Изд-во стандартов, 2004. - 43 с.