Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

Наибольшей чувствительностью обладают периферические места сетчатки, главным образом верхние и носовые отделы. Поэтому слепящий свет особенно неприятен при прямом направлении и при попадании снизу и со стороны виска.

Таким образом, субъективные ощущения яркости определяются исходнойчувствительностьюглаза, зависящей отфоновойинтенсивности световогопотока. Связанноесэтимповышениечувствительностиназывается темновой адаптацией, а понижение – световой адаптацией.

Восприятие светового контраста

Под контрастом понимают степень воспринимаемого различия между двумя яркостями, разделенными в пространстве или времени. Контрастнаячувствительностьпозволяетответитьнавопрос, насколько объект должен отличаться по яркости (или по цвету при цветном контрасте) от фона, чтобы его было видно. Если под величиной (А – В) по-

ниматьразностьяркостейобъектаифона, тонеравенство(А– В) / В Е, где Е – порог контрастной чувствительности, означает, что объект ви-

ден, а неравенство (А – В) / В Е – что его не видно. Для яркости в пре-

делах от 1 до 100 кд и угловых размеров объекта больше 1–2 четкой границей между сравниваемыми яркостями и при ее равномерном распределении по полю является величина Е – константа. Опыт показывает, что контрастная чувствительность становится выше, если угловые размеры объекта велики, и эта зависимость имеет гиперболический характер.

На контрастную чувствительность оказывают влияние и посторонние источники яркости. Их действие аналогично наложению снижающей некоторой равномерной яркости, величина которой пропорциональна освещенности, создаваемой этим источником в глазу наблюдателя. Это действие убывает пропорционально квадрату угла между направлениями на объект и посторонний источник света.

Восприятие пространственных характеристик

Основным понятием при изучении восприятия пространственных характеристикявляетсяостротазрения, т. е. тотминимальныйугол, под которым две точки видны как раздельные. Острота зрения зависит от ряда внешних условий и в первую очередь от освещенности, контрастностииформыобъекта. Приуменьшенииконтрастностиостротазрения снижается. Когдапроводитсяразличиебелых объектовначерномфоне, острота зрения изменяется несколько иначе.

62

Большое значение имеет минимальная величина объекта, при которойонможетбытьзамеченнаблюдателем. Этозависитоттого, рассматривается ли светлый объект на темном фоне, или наоборот. В первом случае светлый объект представляет собой источник света и его видимостьнезависитотугловых размеров, аопределяется лишьосвещенностью и яркостью фона. Так, мы хорошо видим звезды, угловые размеры которых исчезающе малы. Во втором случае угловые размеры имеют важноезначениеиабсолютныйпорогразличенияколеблетсявпределах

20–30 (угловых секунд). В случае линии этот угол уменьшается до 1 . Когдаизображениелиниивиднолишьвременамииопределяетсянеуве-

ренно, то ее угловые размеры по поперечнику составляют 1–7 . Острота зрения изменяется также в зависимости от места проекции

изображения на сетчатке.

Восприятие спектральных характеристик

Цветовые ощущения называют хроматическими. К ахроматическим относятся все серые цвета начиная от белого и кончая черным, к хроматическим – все спектральные цвета. Цветовая чувствительность глаза характеризуется длиной волны от 396 до 760 нм, а при благоприятных условиях эта область расширяется от 302 до 950 нм.

Гамма переходов от белого цвета к черному образует ахроматический ряд, и каждый член этого ряда характеризуется большей или меньшей близостью к белому цвету. Это качество цвета называется светлотой. Светлота характеризует и хроматический ряд: желтый, кажется светлее красного, красный светлее синего и т. д. Можно всегда подобратьизахроматическогорядаодинаковыйпосветлотеслюбымцветом серый цвет.

При сравнении одинаковых по светлоте серого цвета и хроматического цвета возникает новое ощущение – цветовой фон, зависящий от длины волны светового луча.

Для дневного зрения максимальная чувствительность лежит в области желто-зеленого цвета, а в условиях темновой адаптации она сдвигается в сторону синего цвета. Отсюда ясно, что наиболее яркими будут казаться объекты, окрашенные в цвета, лежащие в области максимальной чувствительности глаза.

При длине волны 760–680 нм возникает ощущение красного цвета, 580 нм – оранжевого, 570 нм – желтого, 520 нм – зеленого, 470 нм – голубого, 430 нм – синего, и в области 400 нм возникает ощущение фиолетового.

63

Восприятие зависит от яркости. По мере увеличения яркости воспринимаемыйоттенокцветасдвигаетсявсторонужелтогоилиголубого цвета (эффект Бетцольда – Брюкке).

Цвета, одинаковые по светлоте и цветовому тону, отличаются по насыщенности, т. е. качеству, отражающему долю чистого спектрального цвета в данном оттенке. Насыщенность обозначает видимую степень отличия цвета от одинакового с ним по светлоте серого цвета. Так, красный цвет розы является более насыщенным, чем красный цвет кирпича.

Наибольшая чувствительность при яркости выше 10 кд оказывается при различении синих объектов на белом фоне и черных на желтом. Затем в порядке убывания следуют зеленый на белом, черный на белом, зеленый на красном, красный на желтом, красный на белом, оранжевый на черном, черный на пурпурном, оранжевый на белом, красный на зеленом.

Временны́е характеристики восприятия

Ощущение, вызванное световым сигналом, носит дискретный характер, т. е. имеется минимальный промежуток времени, в течение которого сохраняется постоянство зрительного ощущения, несмотря на изменение физических характеристик сигнала. Зрительный анализатор способен воспринимать очень короткие световые явления, которые могут длиться лишь тысячные доли секунды, однако определение яркости сигнала, его цвета и формы требует более длительного времени.

Ощущение, возникающее при действии света, изменяется во времени. Появившись, ощущение нарастает, достигает максимальной интенсивностиизатемпостепенноуменьшается, останавливаясьнапостоянном уровне. Ощущение не прекращается сразу после снятия световогосигнала. Инерциязренияравна0,1–0,3 с. Ощущения, возникающие после снятия раздражителя, называются последовательными образами. Прибольшихяркостяхчерез0,5–1,5 споявляетсяотрицательныйпоследовательный образ (т. е. яркие поверхности кажутся темными, а темные – светлыми). В случае цветового сигнала образ окрашен в дополнительный цвет.

При достаточно резком действии на глаз прерывистого раздражителя возникает ощущение мельканий.

64

Восприятие пространства

Следующаяпсихофизическаяхарактеристиказрениялежитвоснове восприятия объектов в двухмерном и трехмерном пространстве.

Полезрения. Бинокулярноеполезрения, т. е. наблюдение двумяглазами, охватывает в горизонтальной плоскости 120–160 , а по вертикали

55–60 вверх и 65–72 вниз. При восприятии цвета поля зрения сужаются. Зона оптимальной видимости ограничена полем следующей раз-

мерности: вверх 25 , вниз 35 , вправо и влево по 32 .

Глубинное зрение. Восприятие пространства основано на сложном глазодвигательном акте и поэтому характеризуется довольно большим скрытымпериодом0,6–1,0 с. Ошибкаоценкиабсолютнойотдаленности на расстоянии до 30 м равна в среднем 12 % общего расстояния. На характеристиках глубинного зрения сказываются такие факторы, как различия в освещенности и контрастности объектов, четкость их контуров, знание реальных размеров объекта и др.

Восприятие движений и ускорений

Восприятие движения во многом зависит от наличия неподвижного

ориентира. В этом случае порог восприятия скорости равен 1–2 /с (угловых минут в секунду); без ориентира порог увеличивается до

15–30 /с. Этипараметрызависятотвеличиныдвижущегосяобъекта, характера фона, величины освещенности и др. Интересна установленная Брауном закономерность: если испытуемый оценивает движение двух одинаковых объектов, но один из них кажется меньше (расположен дальше), то оценка его скорости дается более завышенной, чем для большего (расположенного ближе) объекта. Восприятие ускорения также связано с наличием неподвижного ориентира и исходной скорости движения.

6.2. ХАРАКТЕРИСТИКА СЛУХОВОГО АППАРАТА

Восприятие интенсивности звуковых колебаний

Восприятие звуковых колебаний с частотами 16–22 000 Гц субъективно и воспринимается как громкость звука. Абсолютный минимальный порог восприятия звука зависит от частоты звуковых колебаний. Верхней границей является порог болевого ощущения, который в меньшей степени зависит от частоты и лежит в области 130–135 дБ. Наименее раздражающими являются уровни 40–80 дБ.

65

За эталон при сравнении громкости была принята громкость звука с частотой 1000 Гц, повышение громкости которого на каждые 10 дБ равно 10 фонам.

Восприятие частотных характеристик

Слуховой анализатор обладает довольно высокой чувствительностью к изменениям высоты звука. Частотные характеристики звука воспринимаются в виде ощущения высоты звука. Единицей измерения высоты звука принят мел. В основу шкалы взята высота тона частотой 100 Гц при уровне интенсивности 40 дБ, равная 1000 мел. Увеличению числа мел в два раза соответствует ощущение увеличения увеличение высоты звука в два раза. Ощущение высоты звука зависит от его громкости. Низкие тона с увеличением громкости кажутся более низкими, а высокие – более высокими.

Восприятие пространственных характеристик звука

Восприятие пространственных характеристик звука относится к так называемому бинауральному слуху, в основе которого лежат различия в уровне громкости звука, воспринимаемого одним и вторым ухом, во время прихода звука. Точность локализации связана с громкостью звука. Очень слабые или очень сильные звуки локализуются плохо. Оптимальным является уровень 70 фонов.

Временны́е характеристики слуха

Ощущение, возникающее при действии слуховых колебаний, подчиняется определенным временны́м закономерностям. Так, очень короткие звуки, продолжающиеся в течение миллисекунд, ощущаются как менее громкие по сравнению с длинными звуками той же интенсивности. При увеличении длительности тона частотой 800 Гц с 5 до 200 мс громкость нарастает на 16 фонов. Громкость очень длительных звуков в результате процесса адаптации несколько снижается по мере звучания.

6.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ТАКТИЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Кожа является тем органом, который отделяет внутреннюю среду человека от внешней, надежно охраняя ее постоянство. Ощущения, обеспечиваемые кожей, создают связь с внешним миром. Посредством ocязания, или тактильных ощущений, человек узнает о трехмерных

66

особенностях нашего окружения. Терморецепция – это восприятие тепла и холода; чувство боли служит для распознавания потенциально опасных стимулов.

Снаружи кожа покрыта тонким слоем покровной ткани – эпидермисом, состоящим из нескольких слоев довольно мелких клеток, постоянно обновляемых. За эпидермисом следует собственно кожа – дерма. Здесь находятся многочисленные рецепторы, воспринимающие давление (прикосновение), холод и тепло, боль.

Первая функция кожи – механическая. Она предохраняет ткани от повреждений, высыхания, физических, химических и биологических воздействий и, как уже отмечалось, выполняет барьерную функцию.

Подтактильнойчувствительностьюпонимаютощущениеприкосновения и давления. В среднем на 1 см2 находится около 25 рецепторов. Кожа, покрытая коротким волосяным покровом, очень чувствительна. В этом случае прикосновение к волоску превращает его в своеобразный рычаг, многократно усиливающий давление у корня волоса.

Абсолютный порог тактильной чувствительности определяется по тому минимальному давлению предмета на кожную поверхность, при котором наблюдается едва заметное ощущение прикосновения.

Сами рецепторы меняют свой порог чувствительности. Характернойособенностьютактильногоанализатораявляетсябыст-

рое развитие адаптации, т. е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Благодаря адаптации человек не чувствует прикосновения одежды к телу.

Сильнее всего развита чувствительность на частях тела, наиболее удаленных от его оси. Пороги ощущения тактильного анализатора(чувство прикосновения, давления) не являются стабильной величиной, они зависят от характера рецептора и его функционального состояния. Так,

длярецепторовкончикаязыкаэтотпорогравен2 мг/мм2 , длякончиков пальцев руки – 3 г/ мм2 , на тыльной поверхности пальцев – 5 г/ мм2 , на ладонной поверхности предплечья – 8 г/ мм2 , на тыльной поверхно-

сти кисти – 12 г/ мм2 , на животе – 26 г/мм2 и на пятке – 250 г/ мм2 .

Чем толще кожа, тем меньше чувствительность.

Использование тактильного анализатора в качестве канала связи требует применения датчика с достаточной площадью (1 – 2 см2 ),

67

чтобы захватить поля, снабженные по крайней мере десятком рецепторов, желательно от двух разных нервных волокон.

До сих пор дискутируется вопрос о наличии специфических рецепторов, способныхвосприниматьчастотныехарактеристики– вибрацию. Ощущение вибрации возникает при частоте колебаний 5–20 в секунду, при более редких колебаниях формируется ощущение отдельных толчков. Наибольшая чувствительность к вибрационным колебаниям наблюдается при частоте 200–300 Гц, когда хорошо воспринимается амплитуда до 0,1 мкм. Для восприятия более высоких частот необходима бо́льшая амплитуда колебаний. Дифференциальная чувствительность к вибрационным колебаниям составляет 5–10 % от исходной величины.

Восприятие пространственных характеристик

Способность к пространственной локализации в тактильном анализаторе весьма высока. Так, при нанесении одиночных раздражителей на различные участки тела выясняется, что ошибка в локализации весьма невелика и колеблется в зависимости от места от 2 до 8 мм. Это зависит от плотности расположения рецепторов. Например, на кончике языка двараздражителя, нанесенныенарасстоянии1 мм, воспринимаютсякак раздельные, на бедре такое расстояние равно 68 мм, а на предплечье – 14 мм. Следует указать, что эти величины весьма относительные, поскольку с помощью соответствующей тренировки можно значительно повысить разностную чувствительность.

Основанное на тактильном раздражителе восприятие плоских форм (пространственного рисунка) зависит от участка воспринимаемой поверхности. Например, рецепторы внутренней поверхности предплечья не дают правильного представления о поверхности предмета, а поверхность ладони обладает высокой способностью различения.

Разработана система легкоуправляемых геометрических фигур, с помощью которых возможно тактильное различие кончиками пальцев клавиш наборной машины.

Временны́е характеристики

Характерной особенностью тактильного анализатора является быстрое развитие адаптации, т. е. затухание чувства прикосновения или давления. При больших величинах давление может восприниматься мышечными рецепторами, которые обладают довольно низкой адаптацией, поэтому ощущение давления сохраняется длительное

68

время. При снятии раздражения чувствительность быстро восстанавливается, чтопозволяетотнеститактильныйанализаторксистемамградиентного восприятия, т. е. системам, реагирующим не на величину раздражения, а на изменение силы раздражающего агента. На этом, по-ви- димому, основано такое свойство, как ощущение и оценка фактуры поверхности, т. е. ее большей или меньшей грубости или шероховатости. При простом прикосновении к поверхности оценка фактуры затруднительна, однако она хорошо воспринимается при движении пальцев по поверхности.

Точность воспроизведения пространственных характеристик зависит от числа степеней свободы. Так, кисть имеет большее число степеней свободы по отношению к плечу. Большей точностью отличаются плавные эллиптические движения.

Болевая чувствительность

Ощущение боли воспринимается специальными рецепторами. Они рассеяны по всему нашему телу, на 1 см2 кожи приходится около 100 таких рецепторов. Чувство боли возникает в результате раздражения не только кожи, но и ряда внутренних органов. Часто единственным сигналом, предупреждающим о неблагополучии в состоянии того или другого внутреннего органа, является боль. В отличие от другихсенсорных систем, боль дает мало сведений об окружающем нас мире, а скорее сообщает о внутренних опасностях, грозящих нашему телу. Если бы боль не предостерегала, то уже при самых обыденных действиях мы часто наносили бы себе повреждения. Биологический смысл боли заключается в том, что, являясь сигналом опасности, она мобилизует организм наборьбузасамосохранение. Подвлияниемболевогосигналаперестраивается работа всех систем организма и повышается его реактивность.

Болевые рецепторы не подчиняютсязакону Вебера– Фехнера, которыйгласит, чтоинтенсивностьощущениячего-либолинейнозависитот логарифма интенсивности раздражителя [1]. Для болевых рецепторов характерна линейная зависимость между интенсивностью воздействия и ощущением.

Температурная чувствительность

В коже человека находятся два вида рецепторов: одни реагируют только на холод (их около 250 тысяч), другие – только на тепло (около 30 тысяч). Температура кожи несколько ниже температуры тела и различна для отдельных участков: на лбу 34–35 °С, на лице 20–25 °С,

69

на животе 34 °С, на стопах 25–27 °С. Средняя температура свободных от одежды участков кожи составляет 30–32 °С.

Пространственные пороги зависят от стимулирующих факторов. Например, при контактном воздействии ощущение возникает уже на площади в 1 мм2, при лучевом – начиная с 700 мм2. Латентный период температурного ощущения равен примерно 0,2 с.

Абсолютный порог температурной чувствительности определяется по минимально ощущаемому изменению температуры участков кожи относительно физиологического нуля, т. е. собственной температуры данной области кожи, адаптировавшейся к внешней температуре. Физиологический нуль для различных областей кожи достигается при температурах среды между 12–18 °С и 41–42 °С. Для тепловых рецепторов абсолютный порог составляет примерно 0,2 °С, для холодовых – 0,4 °С. Порог различительной чувствительности составляет примерно 1 °С.

Продолжительное ощущение тепла при температуре кожи выше 36 °С тем сильнее, чем выше эта температура. При температуре около 45 °С чувство тепла сменяется болью от горячего. Пороговая плотность потока тепла, вызывающего болевое ощущение, составляет 88 Вт/м2.

Когда обширные области тела охлаждаются до температуры ниже 30 °С, возникает ощущение холода. Боль от холода возникает при температуре кожи 17 °С и ниже.

Терморегуляция – это совокупность физиологических и химических процессов в организме человека, направленных на поддержание постоянства температуры тела. Благодаря терморегуляции сохраняется постояннаятемпературатела. Функционированиеорганизмачеловекатребует протекания в нем химических и биохимических процессов в доста-

точно строгих температурных пределах (36,5–37,0 С). Приспособление организма человека к изменениям параметров со-

стояния окружающей среды выражается в способности протекания в немпроцессовтерморегуляции. Врезультатежизнедеятельностиворганизме человека постоянно образуется тепло.

Терморегуляция обеспечивает равновесие между количеством тепла, непрерывно образующимся в организме, и излишком тепла, непрерывно отдаваемым вокружающуюсреду, т. е. сохраняет тепловой баланс организма:

Qвыд Qотд.

70