Лаба 3 (Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека) / Теория

Цель работы – выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента.

Общие положения

Различение зрительной системой окружающих предметов зависит не только от их размеров, но и от количества деталей на единицу площади и их контраста с фоном. Для оценки этого свойства глаза служит исследование ча-

стотно-контрастной чувствительности (ЧКЧ) зрения.

ЧКЧ зрения является пространственной передаточной характеристикой зрительной системы и показывает зависимость порогового контраста восприятия от пространственной частоты (угловых размеров) воспринимаемых зрительных образов.

Визоконтрастометрия как метод исследования зрительной системы объединяет большую группу практических методик и технических средств измерения пространственных модуляционных передаточных функций зрительной системы человека. Методом исследования частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) является пространственно-частотный анализ. Результаты фундаментальных исследований по оптике и физиологии глаза позволили рассматривать зрительную систему как фильтр пространственных частот. В то же время на основании психофизиологических работ была выдвинута гипотеза, согласно которой изображение обрабатывается большим числом параллельно действующих каналов, каждый из которых избирательно настроен на определенную пространственную частоту. Метод пространственно-частотного анализа отражает внутренние механизмы работы зрительной системы и удобен для описания процесса восприятия изображения.

наблюдателя. В 50-60-ые годы было выполнено множество работ по измерению передаточных функций оптики глаза и нервной части зрительной системы

2

− зрительного анализатора. В 60-ые годы сложилось общее представление о модуляционной передаточной функции зрительной системы человека, установлен ее вид (рис. 1.).

Для человека видимым является практически весь пространственно-ча- стотный диапазон: от нулевой частоты до верхней граничной частоты лимитируемой дифракцией. Удивительная согласованность зрительной системы с пространственно-частотным спектром указывает на то, что она в результате длительной эволюции оказалась оптимально приспособленной к восприятию пространственных свойств окружающей среды, формы и положения объектов в поле зрения. Уже более тридцати лет известно, что контрастная чувствительность не одинакова в пределах этого диапазона. В основе чувствительности к пространственно-частотному спектру изображения лежит довольно простой нейрофизиологический механизм: определенный вид весовых функций рецептивных полей нейронов различных уровней зрительной системы. Однако в реальных условиях видения значение гармонических составляющих не определяется простой передаточной функцией. В любой жизненной ситуации на работу зрительной системы накладываются результаты работы механизмов установки, мотивации, значения тех или иных объектов для наблюдателя. При этом ЧКХ зрения человека определяется не кривой контрастной чувствительности, а настройкой наблюдателя, неким механизмом избирательного внимания, который следует учитывать при проведении психофизиологических экспериментов для определения ЧКЧ.

Пространственно-частотная полоса пропускания человека меняется в течение его жизни. В начале полоса пропускания зрительной системы захватывает только низкочастотную область, при этом верхняя граничная частота и соответствующая ей острота зрения невелики. С возрастом происходит рост чувствительности и расширяется полоса пропускания в область высоких пространственных частот. Окончательное развитие зрительной системы заканчивается к шестнадцати годам. В этот возрастной период чувствительность зрительной системы максимальна, а пространственно-частотная полоса пропускания наиболее широкая, причем у мужчин чувствительность несколько выше, чем у женщин. После 25 лет начинается медленное уменьшение полосы пропускания зрительной системы человека. Важно отметить, что в возрастной период от пяти до сорока пяти лет ЧКХ изменяются незначительно, и этими изменениями можно пренебречь. У пожилых людей происходит плавное снижение чувствительности в области средних и высоких частот.

Показано, что при таких заболеваниях как глаукома, амблиопия, ретробульбарный неврит, сахарный диабет и ряде других, вид ЧКХ значительно отличается от нормы, поэтому данная характеристика имеет большое диагностическое значение.

При пигментной дегенерации сетчатки наблюдаются существенные изменения модуляционных передаточных функций. При данном заболевании ЧКХ меняется следующим образом: при высокой остроте зрения, измеренной по таблицам, резко снижена чувствительность к высоким пространственным частотам. Чем тяжелее заболевание, тем более существенны изменения в ЧКХ.

3

Поэтому при диагностике пигментной дегенерации сетчатки, текущих осмотрах метод измерения модуляционных передаточных функций является важнейшим методом, позволяющим оценить тяжесть заболевания. Это нельзя сделать с помощью применяемых в настоящее время методов измерения остроты и границ поля зрения.

Постоянно ведется поиск нетрудоемких и общедоступных приемов ранней диагностики глаукомы. Определение ЧКХ может оказаться весьма полезным в решении этой задачи. У больных на ранней стадии заболевания снижена контрастная чувствительность в области средних пространственных частот. Кривая ЧКХ принимает двугорбый вид. Изменение ЧКХ пропорционально тяжести заболевания при глаукоме. Определение ЧКХ существенно в целях ранней диагностики глаукомы. Это имеет большое значение, в частности, возможна дифференциальная диагностика офтальмогипертензий и глаукомы. В первом случае данные визоконтрастометрии не изменяются, во втором − изменения есть.

Ретробульбарный неврит − это поражение зрительного нерва самой разнообразной этиологии. ЧКХ позволяет оценить тяжесть заболевания, преимущественную локализацию поражения, количественно измерить сохранность зрительных функций, выражающуюся в таких субъективных нарушениях восприятия, которые больные характеризуют как туман, мушки перед глазами и так далее.

Исследования ЧКХ проводят обычно с помощью изображений вертикальных черно-белых полос с синусоидальным распределением яркости – «синусоидальных решеток» (см. рис. 2) с различными пространственными частотами и изменяющимся контрастом.

Яркость тестового изображения определяется выражением:

B(x) = Bф + BSin( пx),

где Bф − средний уровень яркости (яркость фона), В − амплитуда яркости (амплитуда полос), п − пространственная частота решетки (число периодов сигнала на 1 поля зрения).

Контраст решетки (глубина модуляции) определяется следующим соотношением:

К = (Bmax − Bmin)/(Bmax + Bmin) = B/Bф.

Известно несколько видов тестовых изображений для исследований ЧКХ зрения. Наиболее простым представляется набор изображений в виде синусоидальных решеток фиксированных частот – «пространственных решеток». Обычно используются пространственные частоты в диапазоне 0,5…20 циклов/градус поля зрения. В пределах тестового изображения из набора контраст синусоидальной решетки одной частоты изменяется плавно сверху вниз по логарифмическому закону, начиная с нулевого значения и до 0,4…0,5. Различия в известных методиках заключаются в том, что изображения решеток могут быть изготовлены на бумаге в виде атласа, на листах

4

пленки и в виде диапозитивов, и демонстрироваться с помощью негатоскопа или проекционного аппарата соответственно.

При предъявлении испытуемому тестового изображения в виде атласа всю таблицу (трафарет) закрывают серой карточкой (коэффициент отражения карточки равен коэффициенту отражения таблицы), кроме той части, где контраст ниже порога. В этот момент трафарет кажется испытуемому однотонно серым. Затем исследователь медленно перемещает карточку, показывая части трафарета с прогрессивно увеличивающимся контрастом. При определенном положении карточки испытуемый начинает различать решетки. Это положение отмечается на шкале, нанесенной на трафарете.

При предъявлении наблюдателю тестового изображения с помощью пленки или слайдов используют два вида масок. Первый из них представляет собой щель постоянных размеров. Перемещая щель по направлению увеличения контраста изображения, исследователь фиксирует момент, когда испытуемый начинает видеть решетку. Второй тип маски представляет собой ограничитель лишь со стороны максимального контраста. Исследователь фиксирует пороговый контраст, при котором наблюдатель перестает видеть периодичность в изображении.

Предъявляя последовательно изображения простых синусоидальных решеток, можно построить зависимость минимально различимого контраста от частоты решетки. Обычно достаточно набора содержащего 8–10 тестовых изображений.

Изображение простой синусоидальной решетки может быть предъявлено испытуемому и на дисплее. В настоящее время существуют варианты

компьютерной визоконтрастометрии, разновидность одного из которых положена в основу данной лабораторной работы.

Стремление к уменьшению количества тестовых изображений привело к разработке другого варианта теста − сложной решетки. Изображение этого теста строится так, чтобы пространственная частота синусоидальной решетки возрастала по одной координате, а ее контраст по другой. Изображение испытуемому предъявляется целиком, и он фиксирует огибающую минимального контраста при различении периодичности решетки. Процедура регистрации ЧКХ при таком тесте упрощается, но точность ее определения ниже. Кроме того, возрастает трудоемкость синтеза такого тестового изображения.

Приведенные методики исследования основаны на обнаружении испытуемым периодичности в изображении. Однако возможны другие подходы. Например, известен метод, основанный на уравнивании контрастов. Испытуемому предъявляют изображение, состоящее из двух частей. В одной из них находится эталонное изображение простой синусоидальной решетки постоянного контраста, изображением в другой части экрана управляет испытуемый.

5

Цель управления − подобрать такое изображение решетки, чтобы поля не отличались по контрасту.

Измерения модуляционных пространственных передаточных функций зрительной системы человека не позволяет дать исчерпывающую характеристику зрительного анализатора в прямой аналогии с простейшими оптическими приборами. В настоящее время невозможно, в силу ряда причин, построить полную передаточную функцию зрительной системы. Однако этот метод позволяет провести анализ пространственно-частотной полосы пропускания, как всей зрительной системы, так и ее отдельных частей, представить характер информации, передаваемой по отдельным каналам в системе глаз-мозг, косвенным путем установить качество восприятия изображений нормальной и патологически измененной зрительной системы.

Методика проведения исследований

Методика оценки ЧКЧ зрения, используемая в данной лабораторной работе, основана на различении периодичности тестового стимула при достижении его контрастом пороговой величины. В ходе проведения психофизиологического эксперимента испытуемому предъявляется тестовое изображение в виде полос (решеток) с синусоидальным распределением яркости и определяется пороговый контраст (контрастная чувствительность) зрения на 28 различных пространственных частотах в диапазоне примерно от 0,8 до 25 циклов/градус поля зрения.

Первым шагом проведения тестовых испытаний является расположение тестируемого на заданном расстоянии от экрана монитора, на котором отображаются зрительные стимулы. Данная процедура необходима для обеспечения заданных угловых размеров решеток и исключения каких-либо изменений поля зрения, уровня фонового освещения и шумовых факторов, способных влиять на устойчивость зрительного внимания и точность результатов исследования.

Затем исследователь задает параметры тестового изображения:

- Тип тестовой решетки: вертикальная, горизонтальная или диагональ-

ная.

-Цвет тестовой решетки: Серый, Красный, Синий, Зеленый, Желтый, Голубой или Фиолетовый.

-Яркость фона (Bф): от 128 до 240 отн. ед.

-Линейная частота тестовой решетки: от 5 до 135 циклов. Из заданных значений линейной частоты, расстояния до экрана и размера экранной формы рассчитываются пространственные частоты решеток, на которых будет осу-

ществляться тестирование, i в циклах/градус поля зрения.

-Шаг изменения контраста изображения k: 1…10 отн. ед.

-Расстояние от испытуемого до монитора h: 70…400 см.

-Тестируемый зрительный канал: бинокулярно, левый или правый глаз.

-Минимальное время адаптации к фоновому изображению Ta: от 2 до 10

с.

6

- Время ожидания ответной реакции испытуемого Tож, определяющее скорость изменения контраста тестовой решетки: от 100 до 3000 мс.

- Количество повторов исследования на каждой пространственной частоте n: от 1 до 17.

Следующим шагом после задания условий проведения эксперимента является процесс формирования зрительных стимулов, которые будут использоваться h непосредственно в ходе осуществления

исследований.

Учитывая дискретность экрана монитора, на котором осуществляется воспроизведение тестовых стимулов, зависимость размера элемента дискретного растра (пикселя) от физического размера экрана, его разрешающей способности и текущего разрешения, закон распределе-

ния яркости тестового стимула вдоль оси абсцисс может быть описан следующим аналитическим соотношением:

B(i) = Bф + A sin(2 Qi/L) = Bф + A sin(2 i j /L) =

= Bф + A sin(4 i j[arctg(0,5Ldpix/h)]/L),

где: Bф – яркость фона изображения, A – амплитуда «синусоидальной решетки», Q – количество периодов синусоидального сигнала, L – горизонтальный размер тестового стимула (в элементах дискретного растра), i – номер отсчета (элемента дискретного растра), j – пространственная частота, – угол зрения, dpix – горизонтальный размер элемента дискретного растра, h – расстояние от испытуемого до экрана монитора.

В ходе процесса прохождения исследования после предварительной адаптации зрительной системы к фоновой яркости на экране монитора воспроизводятся тестовые стимулы фиксированной пространственной частоты и заданного цвета с контрастом, плавно (с шагом k/Bф) нарастающим по линейному закону от нулевого значения до уровня превышающего порог его восприятия обследуемым. В момент четкого различения структуры тестового стимула испытуемый сообщает об этом нажатием левой кнопки манипулятора «мышь». Затем исследования повторяются на следующей пространственной частоте i. Поскольку в данном случае используется субъективный метод регистрации оцениваемого медико-биологического параметра, то для повышения достоверности проводимых исследований тестирование на каждой пространственной частоте повторяются n раз. Кроме того, для снижения вероятности сознательной или бессознательной фальсификации результатов тестирования последовательность предъявления тестовых стимулов формируется случайным образом. В результате автоматически строятся графические

7

Рис. 4. Результаты исследований

Описание программного обеспечения

Программное обеспечение лабораторной работы выполнено в виде многооконного приложения, функционирующего в операционной среде Windows 7/8/10. Необходимое разрешение экрана – 1024х768, качество цветопередачи

– 32 бита.

Допуск к модулю процесса проведения тестирования осуществляется после регистрации испытуемого с помощью соответствующего раздела программного обеспечения: Режим>Картотека. Внешний вид экранной формы приложения в процессе заполнения анкетных данных приведен на рис. 5.

Картотека позволяет сохранить, отредактировать, удалить основные сведения об испытуемом в реляционной базе данных, выполненной в формате MS Access 2000. При закрытии экранной формы активной остается запись испытуемого, выделенная в списке, расположенном в левом верхнем углу экрана. Двойной щелчок левой кнопки манипулятора «мышь» при расположении его курсора в области списка пациентов приводит к автоматическому закрытию формы с активацией соответствующей записи. Имя «активного» испытуемого отображается в строке статуса основной экранной формы приложения.

Задание параметров тестирования происходит с помощью активных элементов интерфейса, помещенных на экранную форму Тестирование>Параметры, внешний вид которой приведен на рис. 6. Данный раздел программного обеспечения позволяет определить все характеристики тестовых стимулов и условия проведения психофизиологического эксперимента, сформулированные в разделе «Методика проведения исследований».

8

Рис. 6. Вид экранной формы при определении параметров исследования

10