СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНОГО КАНАЛА ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
METHOD OF DETECTION OF PASSBAND OF SPATIAL FREQUENCY CHANNEL OF HUMAN VISION SYSTEM

Изобретение относится к медицине и предназначено для определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы.
Известно, что вначале зрительную систему рассматривали как один пространственный фильтр. Предполагали, что чувствительность зрительной системы к различным пространственным частотам определяется передаточной функцией этого фильтра [1]. Кемпбелл и Робсон впервые высказали предположение, что зрительная система состоит из множества параллельных каналов-фильтров, каждый из которых чувствителен к определенным пространственным частотам, то есть имеет свою полосу пропускания [2].
Известны эксперименты Блэкмора и Кемпбелла, установившие существование пространственно-частотных каналов в зрительной системе. Они показали, что адаптация к синусоидальной решетке определенной частоты вызывает снижение чувствительности только к этой частоте и ее ближайшим окрестностям. Вычитая из передаточной функции зрительной системы ту же функцию, полученную после адаптации к одной частоте, авторы получили пространственно-частотную характеристику канала, настроенного на эту частоту [3].
Пространственно-частотные каналы со своей полосой пропускания занимают некоторый участок в видимом диапазоне. Полосы пропускания пространственно-частотных каналов всей зрительной системы перекрывают весь видимый пространственно-частотный диапазон [4].
Известно определение полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы с помощью тонких светлых и темных полос, а также решеток разной пространственной частоты с синусоидальным распределением освещенности. При этом под пространственной частотой решетки понимается число периодов распределения яркости на один градус поля зрения [4, 5].
Известно определение полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы путем формирования синусоидальных решеток на экране электронно-лучевых трубок [2, 6], а также с использованием персональных компьютеров [7].
Недостатком способов является низкая точность определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы путем предъявления испытуемому световых мельканий, заключающийся в том, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной начальной частотой, например 10 Гц, затем световые мелькания с увеличенной по сравнению с начальной - инкрементной или уменьшенной по сравнению с начальной - декрементной частотами, при этом вначале предъявляют световые мелькания с непрерывно увеличивающейся инкрементной или непрерывно уменьшающейся декрементной частотами, после этого поочередно с заданным постоянным периодом, равным, например, 1 с, световые мелькания с начальной и инкрементной или начальной и декрементной частотами, причем на первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с заданной начальной частотой вначале непрерывно увеличивают с заданной постоянной скоростью, например 0,5 Гц/с, инкрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся во время предъявления с заданной постоянной скоростью, например 0,25 Гц/с, инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и инкрементной частотами не различаются и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную частоту световых мелькании, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся в моменты начала предъявления дискретно с заданным шагом, например 0,1 Гц, инкрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью инкрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной и начальной частотами световых мельканий, на втором этапе измерений после предъявления световых мельканий с той же заданной - начальной - частотой вначале непрерывно уменьшают с той же заданной постоянной скоростью 0,5 Гц/с декрементную частоту световых мельканий, пока испытуемый не определит субъективно разницу между начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую декрементную частоту световых мельканий, затем предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и увеличивающейся во время предъявления с той же заданной постоянной скоростью 0,25 Гц/с декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые поочередно световые мелькания с начальной и декрементной частотами не различаются и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную частоту световых мельканий, после этого предъявляют поочередно с заданным постоянным периодом световые мелькания с начальной частотой и уменьшающейся в моменты начала предъявления дискретно с тем же заданным шагом 0,1 Гц декрементной частотой до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых поочередно световых мельканий с начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент третью декрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной и начальной частотами световых мельканий, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений [8].
Недостатком способа является низкая точность определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы, обусловленная необходимостью использования мнестических функций, в частности обращения к кратковременной логико-смысловой памяти.
Технический результат предлагаемого способа определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы заключается в повышении точности оценки.
Технический результат достигается тем, что испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной в видимом диапазоне частот начальной частотой, причем новым является то, что начальную частоту предъявляют одновременно с использованием двух светодиодов, частоту световых мельканий первого светодиода не меняют, частоту световых мельканий второго светодиода увеличивают, предъявляя инкрементную частоту, или уменьшают, предъявляя декрементную частоту, на первом этапе измерений после предъявления световых мельканий с заданной начальной частотой частоту световых мельканий второго светодиода вначале непрерывно увеличивают с постоянной скоростью 0,5 Гц/с, пока испытуемый не определит субъективно разницу между предъявляемыми начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту световых мельканий, затем частоту световых мельканий второго светодиода уменьшают с постоянной скоростью 0,25 Гц/с до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые световые мелькания с начальной и инкрементной частотами не различаются и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную частоту световых мельканий, после этого частоту световых мельканий второго светодиода увеличивают дискретно с шагом 0,1 Гц до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной и инкрементной частотами и не зафиксирует третью инкрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как разность между третьей инкрементной и начальной частотами световых мельканий, на втором этапе измерений после предъявления световых мельканий с заданной начальной частотой частоту световых мельканий второго светодиода вначале непрерывно уменьшают с той же постоянной скоростью 0,5 Гц/с, пока испытуемый не определит субъективно разницу между предъявляемыми начальной и декрементной частотами и не зафиксирует в этот момент первую декрементную частоту световых мельканий, затем частоту световых мельканий второго светодиода увеличивают с той же постоянной скоростью 0,25 Гц/с до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые световые мелькания с начальной и декрементной частотами не различаются и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную частоту световых мельканий, после этого частоту световых мельканий второго светодиода уменьшают дискретно с шагом 0,1 Гц до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной и декрементной частотами и не зафиксирует третью декрементную частоту световых мельканий, значение порога вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной и начальной частотами световых мельканий, полосу пропускания пространственно-частотного канала определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах измерений.
На фиг.1 представлены временные диаграммы изменения частот световых мельканий, предъявляемых испытуемому на первом этапе измерений, на фиг.2 - предъявляемых испытуемому на втором этапе измерений.
Предлагаемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала зрительной системы осуществляется следующим образом.
н
1
Испытуемому предъявляют световые мелькания с заданной в видимом диапазоне частот начальной частотой F, например 10 Гц, одновременно с использованием двух светодиодов (фиг.1, интервал времени 0-T), частоту световых мельканий первого светодиода не меняют.
н
и
1
2
и1
2
н
и
3
4
и2
4
н
и
5
6
и3
7
и
и3
н
На первом этапе измерений частоту световых мельканий второго светодиода вначале непрерывно увеличивают с постоянной скоростью 0,5 Гц/с, пока испытуемый не определит субъективно разницу между предъявляемыми начальной F и инкрементной F частотами (фиг.1, интервал времени T-T) и не зафиксирует в этот момент первую инкрементную частоту световых мельканий F (фиг.1, момент времени Т), затем частоту световых мельканий второго светодиода уменьшают с постоянной скоростью 0,25 Гц/с до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые световые мелькания с начальной F и инкрементной F частотами не различаются (фиг.1, интервал времени Т-Т), и не зафиксирует в этот момент вторую инкрементную частоту световых мельканий F (фиг.1, момент времени Т), после этого частоту световых мельканий второго светодиода увеличивают дискретно с шагом 0,1 Гц до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной F и инкрементной F частотами (фиг.1, интервал времени T-T) и не зафиксирует третью инкрементную частоту световых мельканий F (фиг.1, момент времени Т). Значение порога различения частот ΔF вычисляют как разность между третьей инкрементной F и начальной F частотами световых мельканий по формуле
и
и3
н
ΔF=F-F.
н
д
8
9
д1
9
н
д
10
11
д2
11
н
д
12
13
д3
14
д
д3
н
На втором этапе измерений частоту световых мельканий второго светодиода вначале непрерывно уменьшают с той же постоянной скоростью 0,5 Гц/с, пока испытуемый не определит субъективно разницу между предъявляемыми начальной F и декрементной F частотами (фиг.2, интервал времени Т-Т) и не зафиксирует в этот момент первую декрементную частоту световых мельканий F (фиг.2, момент времени Т), затем частоту световых мельканий второго светодиода увеличивают с той же постоянной скоростью 0,25 Гц/с до тех пор, пока испытуемый не определит, когда предъявляемые световые мелькания с начальной F и декрементной F частотами не различаются (фиг.2, интервал времени Т-Т) и не зафиксирует в этот момент вторую декрементную частоту световых мельканий F; (фиг.2, момент времени Т), после этого частоту световых мельканий второго светодиода уменьшают дискретно с шагом 0,1 Гц до тех пор, пока испытуемый не определит порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной F и декрементной F частотами (фиг.2, интервал времени T-T) и не зафиксирует третью декрементную частоту световых мельканий F (фиг.2, момент времени Т). Значение порога различения частот ΔF вычисляют как абсолютную разность между третьей декрементной F и начальной F частотами световых мельканий по формуле
д
д3
н
ΔF=|F-F|.
и
д
Полосу пропускания пространственно-частотного канала AF определяют как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий ΔF и ΔF, вычисленных на первом и втором этапах измерений по формуле
и
д
ΔF=(ΔF+ΔF)/2.
Таким образом, заявляемый способ определения полосы пропускания пространственно-частотного канала обладает свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.
н
1
Пример. Испытуемому Л., 22 лет, с помощью персонального компьютера, совместимого с IBM PC, предъявляли через порт LPT на светодиоды пульта испытуемого световые мелькания с заданной начальной частотой F, равной 10 Гц (фиг.1, интервал времени О-T), частоту световых мельканий первого светодиода не меняли.
В процессе измерений через порт LPT на персональный компьютер с пульта испытуемого подавались сигналы с кнопок «Изменение непрерывное быстрое», «Изменение непрерывное медленное», «Изменение дискретное» и «Измерение».
При поступлении сигнала с кнопки «Изменение непрерывное быстрое» компьютер на первом этапе непрерывно увеличивал частоту световых мельканий второго светодиода с постоянной скоростью 0,5 Гц/с, на втором этапе - с той же скоростью непрерывно уменьшал.
При поступлении сигнала с кнопки «Изменение непрерывное медленное» компьютер на первом этапе непрерывно уменьшал частоту световых мельканий второго светодиода с постоянной скоростью 0,25 Гц/с, на втором этапе - с той же скоростью непрерывно увеличивал.
При поступлении сигнала с кнопки «Изменение дискретное» компьютер на первом этапе дискретно увеличивал частоту световых мельканий второго светодиода с шагом 0,1 Гц, на втором этапе - с тем же шагом уменьшал.
и
д
При снятии сигнала с кнопок фиксировал текущие инкрементную F или декрементную F предъявляемые частоты.
и
н
н
д
н
н
По сигналу с кнопки «Измерение» компьютер на первом этапе вычислял значение порога различения предъявляемых частот световых мельканий как разность между последней зафиксированной инкрементной F и начальной F частотами, после чего предъявлял испытуемому на второй светодиод световые мелькания с заданной начальной F частотой, равной 10 Гц. На втором этапе компьютер вычислял значение порога различения предъявляемых частот световых мельканий как абсолютную разность между последней зафиксированной декрементной F и начальной F частотами, затем вычислял полосу пропускания пространственно-частотного канала как среднее арифметическое значений порогов различения частот световых мельканий, вычисленных на первом и втором этапах, выводил значение полосы пропускания на экран монитора, после чего предъявлял испытуемому на второй светодиод световые мелькания с заданной начальной F частотой, равной 10 Гц.
н
и
1
2
2
и1
и1
2
3
На первом этапе измерений испытуемый, замыкая кнопку «Изменение непрерывное быстрое», определил субъективно разницу между начальной F и инкрементной F частотами (фиг.1, интервал времени T-T) и разомкнул кнопку (фиг.1, момент времени Т). При этом компьютер зафиксировал первую инкрементную частоту F и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с зафиксированной инкрементной частотой F (фиг.1, интервал времени Т-Т).
н
и
3
4
4
и2
и2
4
5
Затем испытуемый, замыкая кнопку «Изменение непрерывное медленное», определил субъективно, что предъявляемые световые мелькания с начальной F и инкрементной F частотами не различаются (фиг.1, интервал времени Т-Т) и разомкнул кнопку (фиг.1, момент времени Т). При этом компьютер зафиксировал вторую инкрементную частоту F и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с зафиксированной инкрементной частотой F (фиг.1, интервал времени Т-Т)
н
и
5
6
7
и3
и
н
После этого испытуемый, последовательно замыкая кнопку «Изменение дискретное», определил порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной F и инкрементной F частотами (фиг.1, интервал времени Т-Т) и замкнул кнопку «Измерение» (фиг.1, момент времени Т). При этом компьютер зафиксировал третью инкрементную частоту F световых мельканий, вычислил значение порога различения частот ΔF и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с начальной F частотой, равной 10 Гц.
н
д
8
9
9
д1
д1
9
10
На втором этапе измерений испытуемый, замыкая кнопку «Изменение непрерывное быстрое», определил субъективно разницу между начальной F и декрементной F частотами (фиг.2, интервал времени Т-Т) и разомкнул кнопку (фиг.2, момент времени Т). При этом компьютер зафиксировал первую декрементную частоту F и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с зафиксированной декрементной частотой F (фиг.2, интервал времени Т-Т).
н
д
10
11
11
д2
д2
11
12
Затем испытуемый, замыкая кнопку «Изменение непрерывное медленное», определил субъективно, что предъявляемые световые мелькания с начальной F и декрементной F частотами не различаются (фиг.2, интервал времени Т-Т) и разомкнул кнопку (фиг.2, момент времени Т). При этом компьютер зафиксировал вторую декрементную частоту F и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с зафиксированной декрементной частотой F (фиг.2, интервал времени Т-Т)
н
д
12
13
14
д3
д2
н
После этого испытуемый, последовательно замыкая кнопку «Изменение дискретное», определил порог различения предъявляемых световых мельканий с начальной F и декрементной F частотами (фиг.2, интервал времени Т-Т) и замкнул кнопку «Измерение» (фиг.2, момент времени T). При этом компьютер зафиксировал третью декрементную частоту F световых мельканий, вычислил значение порога различения частот ΔF, значение полосы пропускания пространственно-частотного канала ΔF, равное 0,9 Гц, вывел его на экран монитора и предъявил испытуемому на втором светодиоде световые мелькания с начальной F частотой, равной 10 Гц.
В соответствии с рекомендациями физиологов испытуемый выполнил серию из 10 измерений, в результате которой получены следующие значения полосы пропускания пространственно-частотного канала в Гц: 0,9; 0,7; 1,0; 1,3; 1,1; 0,8; 0,8; 1,3; 1,4; 1,1. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания пространственно-частотного канала составило 1,0 Гц, среднее квадратическое отклонение - 0,076 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результатов измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 0,173 Гц.
В результате измерений, выполненных испытуемым Л. по известному способу [8], получены следующие значения полосы пропускания пространственно-частотного канала в Гц: 0,6; 1,0; 0,8; 1,2; 0,7; 0,5; 1,2; 1,4; 0,9; 0,7. Среднее арифметическое измеренных значений полосы пропускания пространственно-частотного канала составило 0,9 Гц, среднее квадратическое отклонение - 0,093 Гц, доверительные границы случайной составляющей погрешности результатов измерений при доверительной вероятности 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента - 0,211 Гц.
Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений (среднее квадратическое отклонение) при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу [8], составило 18,3%.
Для оценки достоверности уменьшения случайной составляющей погрешности измерений проведены измерения полосы пропускания пространственно-частотного канала по предложенному и известному способам у группы из 10 испытуемых, каждый из которых выполнил серию из 10 измерений по каждому способу. Уменьшение случайной составляющей погрешности измерений при выполнении измерений по предложенному способу по сравнению с измерениями, выполненными по известному способу, составило от 12 до 27%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность определения полосы пропускания пространственно-частотного канала.
Источники информации
1. Kelly D.H. Spatial frequency, bandwidth, resolution // Appl. Optics. - 1965. - V.4. - №2. - Р.435-437.
2. Campbell F.W., Robson J.Application of Fourier analysis to the visibility of gratings // J.Physiol. - 1968. - V.197. - №3. - P.551-561.
3. Blakemore С. В., Campbell F.W. On the existence in the human visual system of neurons selectively sensitive to the orientation and size of retinal images // J.Physiol. - 1969. - V.203. - №1. - P.237-260.
4. Шелепин Ю.Е., Колесникова Л.Н., Левкович Ю.И. Визоконтрастометрия: Измерение пространственных передаточных функций зрительной системы. - Л.: Наука, 1985. - 103 с.
5. Глезер В.Д. Зрение и мышление. Изд. 2-е, испр. и доп.- СПб.: Наука, 1993.-284 с.
6. Green D.G., Campbell F.W. Effect of focus on the visual response to a sinusoidally modulated spatial stimulus // J.Opt. Soc. Amer. - 1965. - V.55. - №9. - P.1154-1157.
7. Болсунов К.Н. Метод и средства визоконтрастометрии для задач ранней диагностики нарушений зрения: Автореф. дис. канд. техн. наук. - С-Пб., 1997. - 15 с.
8. Патент 2211657 РФ, А61В 3/00. Способ определения полосы пропускания пространственно-частотных каналов зрительной системы. / В.В.Роженцов, Т.А.Лежнина (РФ). - Опубл. 10.09.2003, бюл. №25. - 8 с.