УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА ЧЕЛОВЕКА
VISUAL ANALYSER ACTIVATION TIME DEVICE

Изобретение относится к медицине и медицинской технике 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, источник света, счетчик, блок индикации, генератор секундных импульсов, первый одновибратор, элемент И, генератор миллисекундных импульсов, второй одновибратор с регулируемой длительностью импульса, третий одновибратор и элемент ИЛИ, причем выход элемента И соединен с первым входом счетчика, выход которого 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].
Недостатком устройства является длительность исследования параметров инерционности зрительной системы человека. Это не позволяет использовать устройство при массовых обследованиях или в процессе тестирования методом велоэргометрии с целью оценки степени утомления человека или его функционального состояния.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в уменьшении времени исследования, благодаря чему оно может применяться при массовых обследованиях или в процессе тестирования методом велоэргометрии с целью оценки степени утомления человека или его функционального состояния.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит первый генератор секундных импульсов, второй генератор миллисекундных импульсов, первый-третий одновибраторы, элемент ИЛИ, счетчик и блок индикации, выход первого генератора соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с входом второго одновибратора, причем новым является то, что дополнительно введены первый-второй мультиплексоры, блок из 10 мультиплексоров, блок из 9 сумматоров, четвертый одновибратор, блок из 10 одновибраторов, блок из 10 формирователей временных интервалов, блок из 11 ключей, блок из 10 элементов ИЛИ, блок из 10 регистров, первый-второй регистры, шифратор, преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный и блок из 10 источников света, второй генератор миллисекундных импульсов вырабатывает импульсы с частотой 10 кГц, выход первого одновибратора соединен также с первыми входами блока элементов ИЛИ, вторые входы которого соединены с выходами блока одновибраторов, а выходы - с входами блока источников света, выход второго генератора соединен с первыми входами блока формирователей временных интервалов, вторые входы которого соединены с выходами блока мультиплексоров, третьи входы - с выходом второго одновибратора, а выходы - с входами блока одновибраторов, выход второго одновибратора соединен также с первыми входами блока регистров, вторые входы которого соединены с выходами блока мультиплексоров, а выходы - с первыми входами второго мультиплексора, вторые входы которого соединены с выходами первого регистра, а выходы - с первыми входами второго регистра, второй вход которого соединен с выходом четвертого одновибратора, а выходы - с входами преобразователя кода, выходы которого соединены с входами блока индикации, выходы второго регистра соединены также с первыми входами блока сумматоров и вторыми входами первого мультиплексора блока мультиплексоров, вторые входы второго-десятого мультиплексоров блока мультиплексоров соединены с выходами блока сумматоров, на первые входы блока мультиплексоров подаются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде 10, 60, 110, 160, 210, 260, 310, 360, 410 и 460, вторые входы блока сумматоров соединены с выходами первого мультиплексора, на первые-вторые входы которого подаются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде 5 и 1, а третий вход соединен с выходом счетчика, выход первого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами второго сумматора, выход второго сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами третьего сумматора, выход третьего сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами четвертого сумматора, выход четвертого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами пятого сумматора, выход пятого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами шестого сумматора, выход шестого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами седьмого сумматора, выход седьмого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами восьмого сумматора, выход восьмого сумматора блока сумматоров соединен также с первыми входами девятого сумматора, выходы блока ключей соединены с входами шифратора и элемента ИЛИ, выходы шифратора соединены с первыми входами первого регистра, выход элемента ИЛИ соединен с входом третьего одновибратора, выход которого соединен с вторым входом первого регистра, входами четвертого одновибратора и счетчика, выход которого соединен также с третьими входами блока мультиплексоров.
Заявляемое устройство благодаря введению первого-второго мультиплексоров, блока из 10 мультиплексоров, блока из 9 сумматоров, четвертого одновибратора, блока из 10 одновибраторов, блока из 10 формирователей временных интервалов, блока из 11 ключей, блока из 10 элементов ИЛИ, блока из 10 регистров, первого-второго регистров, шифратора, преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный и блока из 10 источников света позволяет уменьшить время измерения, благодаря чему может применяться при массовых обследованиях или в процессе тестирования методом велоэргометрии с целью оценки степени утомления человека или его функционального состояния.
Таким образом, заявляемое устройство отличается от известных новым свойством, обусловливающим получение положительного эффекта.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - схема блока сумматоров с указанием кодов, формируемых на первом этапе измерений.
На фиг.3 представлены источники света блока источников света и соответствующие им ключи блока ключей.
На фиг.4 представлена временная диаграмма последовательности парных световых импульсов, предъявляемых для определения времени возбуждения зрительного анализатора.
имп
мии
На фиг.5 представлены временные диаграммы двух световых импульсов длительностью τ, разделенных межимпульсным интервалом t, и вызываемых ими зрительных ощущений, где:
мии
- фиг.5,а - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных межимпульсным интервалом t, вызывающих зрительное ощущение раздельности импульсов;
- фиг.5,б - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.5а;
пор
- фиг.5,в - временная диаграмма двух световых импульсов, разделенных пороговым межимпульсным интервалом t, при котором достигается ощущение слияния двух световых импульсов в паре в один;
- фиг.5,г - временная диаграмма зрительного ощущения двух световых импульсов, представленных на фиг.5в;
on
- τ - 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 [7, 8] (фиг.5,б);
off
- τ - время возбуждения off-системы зрительного анализатора - время суммации off-системы, необходимое для возникновения зрительного ощущения окончания стимула (фиг.5,б).
На фиг.6 представлены временные диаграммы работы заявляемого устройства.
Заявляемое устройство содержит первый генератор 1 секундных импульсов, второй генератор миллисекундных импульсов, вырабатывающий импульсы с частотой 10 кГц, первый-второй мультиплексоры 3-4, блок 5 из 10 мультиплексоров, блок 6 из первого-девятого 24-32 сумматоров, счетчик 7, первый-четвертый одновибраторы 8-11, блок 12 из 10 одновибраторов, блок 13 из 10 формирователей временных интервалов, блок 14 из 11 ключей, блок 15 из 10 элементов ИЛИ, элемент 16 ИЛИ, блок 17 из 10 регистров, первый-второй регистры 18-19, шифратор 20, преобразователь 21 двоичного кода в двоично-десятичный, блок 22 из 10 источников света и блок 23 индикации.
Первый 8 одновибратор и блок 12 одновибраторов предназначены для выработки двух световых импульсов длительности 200 мс, второй-четвертый 9-11 одновибраторы - для формирования коротких импульсов. Одновибраторы могут быть выполнены, например, с использованием микросхемы К155АГ1, которая может запускаться как по переднему, так и по заднему фронтам поступающих импульсов, по схеме [9, рис.4.20, с.216].
Формирователи временных интервалов блока 13 предназначены для формирования межимпульсных интервалов между световыми импульсами в паре и могут быть выполнены, например, по схеме [10, рис.7.48а, с.265].
Остальные функциональные узлы структурной схемы общеизвестны или соответствуют прототипу.
Устройство работает следующим образом. При включении питания счетчик 7, регистры блока 17 и регистры 18-19 обнуляются, формирователи временных интервалов блока 13 устанавливаются в режим параллельной записи (цепи не показаны), на первые входы блока 5 подаются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде 10, 60, 110, 160, 210, 260, 310, 360, 410 и 460, поступающие через мультиплексоры блока 5 соответственно на входы блока 17 и на входы параллельной записи блока 13, на первый-второй входы мультиплексора 3 подаются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде 5 и 1. Генератор 2 вырабатывает импульсы с частотой 10 КГц, поступающие на счетный вход блока 13 (фиг.6,а), генератор 1 вырабатывает импульсы с частотой 1 Гц (фиг.6,б), поступающие на вход одновибратора 8, который по переднему фронту каждого импульса вырабатывает первый из двух парных импульсов длительностью 200 мс (фиг.6,в). Импульсы с выхода одновибратора 8 поступают на одновибратор 9 и через блок 15 на источники света блока 22 (фиг.6,ж).
Одновибратор 9 по заднему фронту импульса с выхода одновибратора 8 вырабатывает короткий импульс (фиг.6,г), который записывает коды с выходов блока 5 в блок 17 регистров и запускает формирователи временных интервалов блока 13, длительность формируемых импульсов отрицательной полярности соответствует кодам на входе и равна 1, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 36, 41 и 46 мс (один из импульсов показан на фиг.6,д).
Импульсы с выходов блока 13 поступают на одновибраторы блока 12, которые по окончании импульсов вырабатывают вторые из двух парных импульсов длительностью 200 мс (фиг.6,е), поступающие через блок 15 на источники света блока 22 (фиг.6,ж).
На первом этапе испытуемый определяет источник света блока 22 с наибольшим номером, для которого ощущает слияние двух световых импульсов в паре в один, и замыкает соответствующий ему ключ блока 14, сигнал с выхода которого поступает на шифратор 20 и элемент 16 ИЛИ. Код замкнутого ключа с выхода шифратора 20 поступает на регистр 18, сигнал с выхода элемента 16 ИЛИ - на одновибратор 10, импульс с выхода которого (фиг.6,з) поступает на одновибратор 11, счетчик 7 и записывает в регистр 18 код замкнутого ключа.
Код замкнутого ключа с выхода регистра 18 поступает на адресные входы мультиплексора 4. Двоичный код N с выхода блока 17, соответствующий длительности межимпульсного интервала источника света с наибольшим номером, для которого испытуемым ощущается слияние двух световых импульсов в паре в один, через мультиплексор 4 поступает на регистр 19, в который записывается импульсом с выхода одновибратора 11. Двоичный код N с выхода регистра 19 поступает на вторые входы первого мультиплексора блока 5 и блок сумматоров 6.
Импульс с выхода одновибратора 10 увеличивает код на выходе счетчика 7 на единицу, который поступает на адресные входы мультиплексоров блока 5 и мультиплексора 3. Двоичный код, соответствующий числу в десятичном коде 5, с выхода мультиплексора 3 поступает на входы сумматоров блока 6, на выходах которого формируются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде Р+5, Р+10, Р+15, Р+20, Р+25, Р+30, Р+35, Р+40 и Р+45 (число Р в десятичном коде соответствует числу N в двоичном коде). Коды с выходов сумматоров блока 6 поступают на вторые входы второго-десятого мультиплексоров блока 5, коды с выходов мультиплексоров блока 5 поступают на входы блока 17 и на входы параллельной записи блока 13. Остальная часть схемы работает аналогично тому, как описано выше.
На втором этапе испытуемый определяет источник света блока 22 с наибольшим номером, для которого ощущает слияние двух световых импульсов в паре в один, и замыкает соответствующий ему ключ блока 14, сигнал с выхода которого поступает на шифратор 20 и элемент 16 ИЛИ. Код замкнутого ключа с выхода шифратора 20 поступает на регистр 18, сигнал с выхода элемента 16 ИЛИ - на одновибратор 10, импульс с выхода которого (фиг.6,з) поступает на одновибратор И, счетчик 7 и записывает в регистр 18 код замкнутого ключа. Остальная часть схемы работает аналогично тому, как описано выше.
При этом двоичный код М с выхода блока 17, соответствующий длительности межимпульсного интервала источника света с наибольшим номером, для которого испытуемым ощущается слияние двух световых импульсов в паре в один, через мультиплексор 4 поступает на регистр 19, в который записывается импульсом с выхода одновибратора 11. Двоичный код М с выхода регистра 19 поступает на вторые входы первого мультиплексора блока 5 и блок сумматоров 6.
Импульс с выхода одновибратора 10 увеличивает код на выходе счетчика 7 на единицу, который поступает на адресные входы мультиплексоров блока 5 и мультиплексора 3. Двоичный код, соответствующий числу в десятичном коде 1, с выхода мультиплексора 3 поступает на входы сумматоров блока 6, на выходах которого формируются двоичные коды, соответствующие числам в десятичном коде Q+1, Q+2, Q+3, Q+4, Q+5, Q+6, Q+7, Q+8 и Q+9 (число Q в десятичном коде соответствует числу М в двоичном коде). Коды с выходов сумматоров блока 6 поступают на вторые входы второго-десятого мультиплексоров блока 5, коды с выходов мультиплексоров блока 5 поступают на входы блока 17 и на входы параллельной записи блока 13. Остальная часть схемы работает аналогично тому, как описано выше.
На третьем этапе испытуемый определяет источник света блока 22 с наибольшим номером, для которого ощущает слияние двух световых импульсов в паре в один, и замыкает соответствующий ему ключ блока 14, сигнал с выхода которого поступает на шифратор 20 и элемент 16 ИЛИ. Код замкнутого ключа с выхода шифратора 20 поступает на регистр 18, сигнал с выхода элемента 16 ИЛИ - на одновибратор 10, импульс с выхода которого (фиг.6,з) поступает на одновибратор 11, счетчик 7 и записывает в регистр 18 код замкнутого ключа. Остальная часть схемы работает аналогично тому, как описано выше. При этом двоичный код с выхода регистра 19, соответствующий длительности межимпульсного интервала источника света с наибольшим номером, для которого испытуемым ощущается слияние двух световых импульсов в паре в один, поступает на преобразователь кода 21, результат преобразования отображается на индикаторах блока 23 индикации.
После считывания с индикаторов блока 23 индикации значения длительности межимпульсного интервала, принимаемого за значение времени возбуждения зрительного анализатора человека, испытуемый кратковременным замыканием одиннадцатого ключа блока 14 устанавливает устройство в исходное состояние (цепи не показаны).
Известно, что в зрительном анализаторе on- и off-системы, формирующие соответственно сигнал о появлении и окончании светового стимула, функционируют независимо друг от друга [11, 12], а их динамика сходна [13]. Это позволяет определить время возбуждения зрительного анализатора, то есть on-системы, по равному ему времени возбуждения off-системы.
имп
on
мии
пор
При предъявлении испытуемому двух световых импульсов длительностью τ>τ, разделенных межимпульсным интервалом t>t(фиг.5,а), 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.5,б).
мии
мии
пор
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 [14]. Поэтому при уменьшении длительности межимпульсного интервала t между двумя световыми импульсами до значения t=t (фиг.5,в) 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.5,г).
пор
Длительность порогового межимпульсного интервала t 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 [13]. После исчезновения РП нейронные структуры приходят в исходное состояние и становятся готовыми к восприятию нового стимула [15], поэтому длительность световых импульсов принята равной 200 мс.
Экспериментально установлено, что время возбуждения зрительного анализатора человека находится в пределах от 5 до 19 мс [16], поэтому длительность межимпульсного интервала между двумя световыми импульсами на первом этапе измерений принята с некоторым запасом для первого светодиода блока 22 равной 1 мс, для последнего светодиода - 46 мс. Шаг увеличения длительности межимпульсного интервала между двумя световыми импульсами для последующего диода по сравнению с длительностью межимпульсного интервала предыдущего диода на третьем этапе измерений равен 0,1 мс, так как точность отсчета время возбуждения зрительного анализатора принята равной 0,1 мс [16].
При межстимульном интервале, равном 500 мс, эффекты маскировки отсутствуют или слабо выражены [17]. Для устранения эффекта маскировки последовательность парных световых импульсов повторяется через постоянный временной интервал 1 с.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет уменьшить время исследования, благодаря чему может применяться при массовых обследованиях или в процессе тестирования методом велоэргометрии с целью оценки степени утомления человека или его функционального состояния.
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.LXIX, №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. - T.LXXIII, №5. - C.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 A.M., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии: - М.: Медицина, 1999. - 416 с.
6. Патент 2220656, А61В 5/16. Устройство для исследования параметров инерционности зрительной системы человека / В.В.Роженцов, И.В.Петухов (РФ). - Опубл. 10.01.04, Бюл. №1.
7. 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.
8. Семеновская Е.Н. Электрофизиологические исследования в офтальмологии. - М.: Медгиз, 1963. - 279 с.
9. 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.
10. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992. - 336 с.
11. Супин А.Я. Нейронные механизмы зрительного анализа. - М.: Наука, 1974. - 192 с.
12. Глезер В.Д. Зрение и мышление. Изд. 2-е, испр. и доп.- СПб.: Наука, 1993. - 284 с.
13. Шевелев И.А. Временная переработка сигналов в зрительной коре // Физиология человека. - 1997. - Т.23, №2. - С.68-79.
14. 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.
15. Подвигин Н.Ф. Динамические свойства нейронных структур зрительной системы. Л.: Наука, 1979. - 158 с.
16. Роженцов В.В., Алиев М.Т. Время ощущения зрительного анализатора человека // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева. - 2005. - №3(39). - С.20-23.
17. 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.