Метод, алгоритмическое, приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности зрительного анализатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Метод, алгоритмическое, приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности зрительного анализатора

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

кандидата технических наук

Роженцов Олег Валерьевич

Казань, 2006

Работа выполнена на кафедре компьютерных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: кандидат технических наук Петухов Игорь Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Морозов Олег Геннадьевич

кандидат технических наук Сапаров Игорь Борисович

Ведущая организация: Институт проблем информатики АН РТ, г. Казань

Защита состоится «____» _____________ 2006 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан «_____» ______________ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент В.А. Козлов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем XXI века в человеко-машинных системах является «человеческий фактор». Подтверждением этому служит нарастание аварий по вине персонала, в том числе с наиболее совершенными и наукоемкими объектами. Определяющим фактором качества работы системы «человек-машина» в целом является функциональное состояние (ФС) человека-оператора, под которым понимают характеристику резервных возможностей организма и качества их регулирования. В общем случае ФС человека определяет его работоспособность при любом виде деятельности.

Считается, что в практических целях при исследовании ФС человека в первую очередь необходимо уделять внимание центральной нервной системе (ЦНС), так как значение свойств ЦНС для организации любой формы деятельности эмпирически уже давно нашло широкое признание.

Одной из наиболее стабильных характеристик нервных процессов в ЦНС человека является лабильность, под которой, в соответствии с определением Н.Е. Введенского, понимают «…максимальный ритм, который способно возбудимое образование генерировать в одну секунду в точном соответствии с ритмом раздражений». Лабильность является интегральным временным параметром, характеризующим работу данного возбудимого образования.

Вопросам исследования лабильности посвящены работы Н.Е. Введенского, А.А. Ухтомского, Е.Н. Семеновской, М.И. Виноградова, Н.Г. Медведева, Н.М. Пейсахова и многих других.

По литературным данным наибольшей информативностью отличается исследование лабильности ЦНС путем оценки лабильности зрительного анализатора (ЗА), что обусловлено тем, что в зрительном акте участвует более половины коры головного мозга. Это позволяет по состоянию ЗА судить о состоянии ЦНС. Поэтому, лабильность зрительного анализатора является интегративной оценкой лабильности ЦНС и изменения ФС человека в целом.

Для оценки лабильности ЗА используют электрофизиологические и психофизиологические методы исследования, причем наиболее широко распространен метод оценки критической частоты слияния световых мельканий (КЧСМ), то есть частоты световых мельканий, которую ЗА вследствие инерционности воспринимает как постоянное свечение. Недостатком метода КЧСМ является низкая точность ее оценки, обусловленная отсутствием четкого перехода от видимости световых мельканий к их слиянию, что объясняется нахождением этих частот внутри полосы пропускания рецептивных полей нейронов, воспринимающих эти частоты.

В тоже время из литературных источников известно, что одиночные нейроны ЗА, начиная с частот более 13-15 Гц, отвечает не на каждое раздражение, то есть наблюдается трансформация более высокого ритма в более медленный ритм. Следовательно, оценка лабильности методом КЧСМ, осуществляется в условиях трансформации ритма одиночными нейронами, то есть не соответствует понятию лабильности по Н.Е. Введенскому.

Таким образом, разработка методов, обеспечивающих повышение точности оценки лабильности, является актуальной задачей и имеет существенное значение для отраслей знаний, связанных с исследованием ФС человека.

Объектом исследования являются лабильность ЗА.

Предметом исследования являются методы, алгоритмическое и приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности ЗА.

Целью работы является решение важной научно-технической задачи повышения точности оценки лабильности ЗА.

Научная задача работы заключается в разработке метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения оценки лабильности, позволяющей повысить точность оценки ФС человека.

Для достижения поставленной цели и решения научной задачи необходимо решить следующие вопросы:

- выполнить анализ существующих методов оценки лабильности ЗА человека;

- разработать имитационную модель восприятия ЗА парных световых импульсов;

- предложить метод и методику оценки лабильности ЗА, повышающие точность оценки;

- разработать алгоритмическое и приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности ЗА;

- провести экспериментальные исследования по оценке лабильности ЗА, исследовать взаимосвязь этой оценки и утомления, вызванного выполнением зрительно-напряженной работы.

Методы исследования. Для решения обозначенной цели и задачи в диссертационной работе использовались системный анализ, аналитические методы, аппарат теории автоматического управления, теории статистических решений, методы алгоритмизации, имитационного моделирования и экспериментальные исследования.

Обоснованность и достоверность результатов определяется использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых и разработанных математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями, защищенными патентами РФ и свидетельствами СССР.

Новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложена модификации моделей ганглиозной клетки и нейрона зрительного анализатора, отличающиеся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов и провести исследование лабильности ЗА при варьировании длительности световых импульсов;

2. Впервые разработаны метод и методика оценки лабильности зрительного анализатора с использованием парных световых импульсов, позволившие создать новые технические средства, обеспечивающие повышение точности оценки лабильности при отсутствии явления трансформации ритма;

3. Впервые разработаны алгоритмы работы, приборное и программно-техническое обеспечение оценки лабильности зрительного анализатора;

Теоретическая значимость работы заключается в разработке:

- модификаций моделей ганглиозной клетки и нейрона ЗА, отличающихся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило с использованием известных структурно-функциональной модели ЗА и передаточных функций клеток сетчатки разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов различной длительности;

- метода, методики и алгоритмическое обеспечение оценки лабильности ЗА человека с использованием парных световых импульсов, позволивших повысить точность оценки, являющихся базой для разработки новых технических средств.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны и внедрены опытные экземпляры технических средств для оценки лабильности ЗА человека;

- разработаны и внедрены аппаратно-программные средства для автоматизации оценки лабильности ЗА человека;

- проведены экспериментальные исследования по оценке лабильности ЗА человека, позволившие дать рекомендации по применению разработанного метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения для повышения точности оценки;

- установлено, что разработанный метод оценки лабильности может использоваться для исследования характера адаптации человека при зрительно-напряженной работе.

Публикации и апробация результатов. Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 печатных работах, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, 4 а. с. СССР, 2 патента РФ, 2 статьи, 8 работ в материалах и трудах конференций.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и научно-практических конференциях «Современные информационные технологии в диагностических исследованиях», г. Днепропетровск, 2002 г.; «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск, 2002 г.; «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2003 г.; «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2004 г.; «Информационные технологии и кибернетика на службе здравоохранения», г. Днепропетровск, 2005 г.; «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии», г. Новочеркасск, 2005 г.; «Здоровье и образование в XXI веке», г. Москва, 2005 г.; всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий», г. Улан-Удэ, 2004.; «Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека», г. Йошкар-Ола, 2005г.; «Физическая культура, спорт, здоровье», г. Йошкар-Ола, 2005г.;

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использовались при выполнении НИР «Проведение научных исследований молодыми учеными» (шифр 2006-РИ-19.0/001/349), НИР «Методы, методики и аппаратно-программные средства исследования временных параметров зрительного восприятия человека», выполняемой в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, гранта РФФИ №06-08-00988-а «Методы и технические средства исследования аспектов переработки зрительной информации человека», госбюджетной НИР «Методы и средства исследования функционального состояния зрительной системы и организма человека», выполняемой по плану Марийского государственного технического университета, номер государственной регистрации № 01.2.00306970 (2003-2005 гг.), в которых автор являлся исполнителем.

Результаты проведенных исследований внедрены и используются в Казанском государственном медицинском университете (г. Казань), «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского (г. Москва), Московском государственном областном университете, ОАО «Биомашприбор» (г. Йошкар-Ола), Марийском государственном педагогическом институте им. Н.К. Крупской (г. Йошкар-Ола). Использование результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Пути дальнейшей реализации результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы в офтальмологии, офтальмоэргономике, психофизиологии, в экспериментальной психологии, физиологии и гигиене труда и спорта. Дальнейшее развитие научных исследований целесообразно проводить по изучению лабильности палочковой и колбочковой систем, on- и off-каналов ЗА, исследованию возможности использования данных о динамике лабильности в процессе адаптации к зрительно-напряженному труду с целью прогнозирования ФС человека для обеспечения надежности и эффективности его профессиональной деятельности.

На защиту выносятся:

- модификации моделей ганглиозной клетки и нейрона зрительного анализатора, отличающиеся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающие затухание сигнала при их распространении по дендритам, что позволило разработать имитационную модель восприятия парных световых импульсов и провести исследование лабильности зрительного анализатора при варьировании длительности световых импульсов;

- метод и методика оценки лабильности зрительного анализатора человека с использованием парных световых импульсов, позволившие повысить точность оценки лабильности зрительного анализатора, являющиеся базой для разработки новых технических средств;

- алгоритмы работы и структура технических средств оценки лабильности зрительного анализатора, обеспечивающие повышение ее точности.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 132 машинописных страницах и содержит введение, четыре главы основного текста, заключение, список использованной литературы и приложения. Иллюстративный материал представлен в виде 42 рисунков и 9 таблиц. Библиография включает 136 наименований.

Автор выражает благодарность профессору, доктору технических наук, заведующему кафедрой компьютерных систем КГТУ им. А.Н. Туполева Песошину В.А. и профессору кафедры гигиены, медицины труда с курсом медицинской экологии ПДО КГМУ, доктору медицинских наук
Ситдиковой И.Д. за научные консультации.

Краткое содержание работы

Личный вклад автора состоит в следующем:

- выполнен анализ существующих методов оценки лабильности ЦНС и ЗА человека, анализ существующих моделей ЗА;

- предложены модификации моделей ганглиозной клетки и нейрона зрительного анализатора на основе которых разработана имитационная модель восприятия парных световых импульсов;

- разработан метод и методика оценки лабильности ЗА с использованием парных световых импульсов;

- разработаны алгоритмы работы и структурные схемы инструментальных средств для оценки лабильности ЗА человека;

- проведены экспериментальные исследования по оценке лабильности, обработка и анализ данных, разработаны рекомендации по применению метода, алгоритмического, приборного и программно-технического обеспечения оценки лабильности зрительного анализатора, сделаны выводы;

- проведено исследование зрительного утомления операторов ЭВМ с использованием разработанного метода и методики оценки лабильности ЗА.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются объект, предмет, цель и задача исследования, отмечены методы исследования, достоверность и новизна полученных результатов, их теоретическая значимость и практическая ценность, приведены данные о публикации, апробации и реализации результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведены данные о структуре и объеме диссертации, дается краткий обзор диссертации по главам.

Первая глава содержит анализ проблем, связанных с оценкой лабильности ЗА, обзор существующих технических средств.

Проведен обзор известных методов оценки лабильности, по результатам которого установлено, что наиболее широко распространенным является метод КЧСМ. При этом показано, что лабильность ЗА, определенная методом КЧСМ, обладает низкой точностью и не соответствует понятию лабильности по Н.Е. Введенскому.

В тоже время установлено, что оценить время, необходимое для восприятия одиночного импульса заданной длительности, можно с использованием времени зрительного восприятия (ВЗВ). ВЗВ является интегральным временным параметром, характеризующим инерционность зрительного анализатора, и представляет собой время с момента воздействия на сетчатку первого светового импульса до момента воздействия второго, когда последний импульс уже не может помешать восприятию первого импульса. зрительный анализатор лабильность световой

На основе вышеизложенного и анализа причин, обусловливающих инерционность ЗА, предложено оценку лабильности осуществлять посредством использования параметра ВЗВ.

Вторая глава посвящена разработке моделей и метода оценки лабильности с использованием парных световых импульсов.

Метод ВЗВ позволяет определить минимальный период, при котором ЗА воспринимает ритмические световые импульсы данной длительности раздельными. Очевидно, что величина, обратная значению ВЗВ, определит частоту следования этих импульсов, то есть лабильность ЗА F, которая вычисляется по формуле:

(1)

где- время зрительного восприятия, мс.

В тоже время известно, что скорость протекания возбудительных и тормозных процессов в ЗА, а, следовательно, и ВЗВ, зависит от многих факторов, в том числе и от длительности предъявляемых световых импульсов. Тогда должно существовать некоторое минимальное значение ВЗВ при определенной длительности импульсов, которому соответствует максимальное значение лабильности.

Для проверки сформулированного положения построена имитационная модель восприятия парных световых импульсов, реализованная с помощью пакета прикладного программного обеспечения VisSim 4.5.

Задачей имитационного моделирования являлось исследований реакций ЗА на световые импульсы варьируемой длительности. Имитационная модель реализовывалась на основе известной структурно-функциональной модели ЗА и известных передаточных функций отдельных клеток сетчатки и отличалась использованием предложенных автором модификаций моделей ганглиозной клетки и нейронов ЗА, как отдельных структурных элементов ЗА.

Предложенная модификация модели ганглиозной клетки отличается от известных моделей тем, что в качестве активационной функции выбрана сигмоида, как наиболее точно отражающая процессы, происходящие в биологическом нейроне:

(2)

где - выходной сигнал ганглиозной клетки, - коэффициент, определяемых параметрами ганглиозной клетки, - сигнал на выходе элемента задержки ганглиозной клетки.

Модифицикация модели нейронов ЗА отличается тем, что при ее разработке учитывается затухание сигнала в дендритах нейрона и также использовалась сигмоидальная функция активации.

Это позволило исследовать реакции ЗА на возбуждающие световые импульсы в диапазоне длительностей от 1 мс до 200 мс без настройки модели на каждую длительность световых импульсов.

В ходе имитационного эксперимента на вход модели подавались два импульса длительностью 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 100, 150 и 200 мс, разделенные соответствующим межимпульсным интервалом (МИИ), при котором на выходе модели регистрировались два импульса. Амплитуда импульсов на входе модели бралась надпороговой, обеспечивающей возбуждение нейронов. Длительность МИИ на входе модели для каждой длительности импульсов уменьшалась до порогового значения, при котором на выходе модели регистрировался один импульс, ВЗВ определялось как сумма длительностей импульса _имп и порогового МИИ t_пор.

График зависимости значения ВЗВ как функции от длительности импульса Т_взв = f (_имп ), построенный по данным имитационного эксперимента, представлен на рис. 1. Анализ полученных данных свидетельствует, что при значении длительности импульсов порядка 10 мс существует минимальное значение ВЗВ, которому соответствует максимальное значение лабильности.

Из анализа графика, представленного на рис. 1, следует, что в диапазоне длительностей импульсов от 20 до 200 мс график линеен. Это позволяет сократить диапазон длительностей предъявляемых световых импульсов и принять его равным, с некоторым запасом, от 3 до 50 мс.

Рис. 1. График зависимости ВЗВ от длительности импульсов. Т_взв - время зрительного восприятия; _имп - длительность светового импульса.

Кроме того, на основе анализа данных имитационного моделирования уточнены длительности начальных МИИ, что позволило уменьшить время проведения натурных экспериментов и снизить зрительную нагрузку на ЗА. Параметры световых импульсов для оценки лабильности определенные посредством имитационного эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры импульсов для оценки лабильности, определенные посредством имитационного эксперимента, мс

Наименование параметра	Значение параметра
Длительность импульсов имп	3	5	10	20	30	50
Начальная длительность МИИ tнмии	150	140	130	120	110	90

По результатам имитационного моделирования разработан метод оценки лабильности ЗА, который заключается в том, что испытуемому предъявляют парные световые импульсы длительностью ф_имп от 3 до 50 мс, разделенные соответствующим межимпульсным интервалом t_мии, повторяющие через постоянный интервал времени Т, равный 1 с, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Временная диаграмма парных световых импульсов. ф_имп - длительность светового импульса; Т - постоянный интервал повторения парных световых импульсов; t_мии - длительность МИИ.

Для оценки лабильности ЗА определяют минимальное значение функции

Т_взв = f (_имп )

значение лабильности в этой точке вычисляют по формуле 1.

Предложенный метод оценки лабильности ЗА позволяет оценить лабильность в соответствии с определением лабильности, сформулированным Н.Е. Введенским.

В третьей главе разработаны алгоритмы работы и структуры технических средств оценки лабильности ЗА.

Для экспресс-оценки лабильности методом КЧСМ и увеличения ее точности разработаны приборы «ИЛЗА-1» - «ИЛЗА-4», реализующие указанный метод.

В приборах «ИЛЗА-1» и «ИЛЗА-2» используется ручное регулирование частоты световых мельканий. Алгоритм работы приборов представлен на рис. 3, укрупненная структурная схема приборов - на рис. 4.

Рис. 3. Алгоритм работы приборов оценки лабильности методом КЧСМ.

Прибор «ИЛЗА-1» работает следующим образом. Блок формирования частоты световых мельканий формирует импульсы, поступающие на источник световых мельканий и в блок измерения частоты. Испытуемый вращением ручки потенциометра пульта управления изменяет частоту импульсов в блоке формирования частоты и фиксирует момент слияния световых мельканий. В блоке измерения частоты определяется КЧСМ в Гц, значение которой отображается в блоке индикации.

Рис. 4. Структурная схема приборов оценки лабильности методом КЧСМ

В приборе «ИЛЗА-2» за счет дополнительного введения элементов НЕ и И в блок индикации значение КЧСМ, характеризующее лабильность, отображается на индикаторах постоянно, что облегчает пользование прибором.

Рис. 5. Временная диаграмма изменения частоты световых мельканий в приборах с автоматическим изменением частоты

С целью обеспечения автоматического изменения частоты световых мельканий по командам испытуемого разработаны приборы «ИЛЗА-3» и «ИЛЗА-4». Временная диаграмма изменения частоты световых мельканий в приборах представлена на рис. 5. Структурная схема прибора «ИЛЗА-3», в отличие от схемы прибора «ИЛЗА-1», дополнительно содержит блок вычисления среднеарифметического значения КЧСМ.

Изменение крутизны частоты световых мельканий S₁ и S₂ по командам испытуемого происходит в моменты времени Т₁, Т₂ и Т₃. Испытуемый определяет надпороговое значение F₃ и подпороговое значение F₄ КЧСМ. Действительное значение КЧСМ, являющееся оценкой лабильности, определяется как среднеарифметическое значение надпорогового F₃ и подпорогового значений F₄ КЧСМ.

Для оценки лабильности ЗА у испытуемых, обладающих невысокими навыками проведения измерений, предложен прибор «ИЛЗА-4», отличающийся модифицированным блоком формирования частоты. Данный прибор позволяет адаптивно изменять шаг уменьшения частоты световых мельканий в момент времени Т₂ и увеличивать его, если испытуемый в этот момент времени не видит световые мельканий и поэтому не подает последующую команду в момент времени Т₃.

Для оценки лабильности ЗА методом парных световых импульсов разработаны приборы «ИЛЗА-5» и «ИЛЗА-6», алгоритм работы которых представлен на рис. 6, а укрупненная структурная схема - на рис. 7.

Прибор «ИЛЗА-5» позволяет оценить максимальное значение лабильности зрительного анализатора и работает следующим образом. В блоке формирования импульсов вырабатываются парные импульсы длительностью 3 мс, разделенные начальным МИИ. Последовательность парных световых импульсов поступает на источник световых мельканий и предъявляется испытуемому.

В начале испытуемый, в соответствии с разработанной методикой оценки лабильности, вращением ручки потенциометра пульта управления уменьшает длительность МИИ до момента субъективного слияния световых импульсов в паре.



Рис. 6. Алгоритм работы приборов оценки лабильности методом парных световых импульсов

Рис. 7. Структурная схема приборов оценки лабильности методом парных световых импульсов

Далее, вращением ручки потенциометра увеличивает длительность МИИ до момента субъективного различения световых импульсов в паре, а затем, снова уменьшает длительность МИИ до момента субъективного слияния световых импульсов в паре.

В блоке измерения ВЗВ определяется значение ВЗВ, а в блоке вычисления лабильности по значению ВЗВ вычисляется значение лабильности ЗА. Затем длительность световых импульсов увеличивается на 3 мс, аналогичным образом вычисляется значение лабильности, которое сравнивается с предыдущим в блоке определения экстремума. Указанная последовательность действий повторяется до тех пор, пока вычисленное значение лабильности не окажется меньше предыдущего. В этом случае, предыдущее измеренное значение лабильности отображается в блоке индикации.

Для обеспечения режима дискретного изменения длительности МИИ при оценке лабильности разработан прибор «ИЛЗА-6», блок дискретного изменения МИИ которого содержит генератор серии из 10 импульсов для изменения длительности МИИ на 1 мс, генератор серии из 3 импульсов для изменения длительности МИИ на 0,3 мс, одновибратор для изменения длительности МИИ на 0,1 мс и схемы согласования. Остальные узлы прибора аналогичны прибору «ИЛЗА-5».

Прибор «ИЛЗА-6» работает подобно прибору «ИЛЗА-5» и отличается тем, что помимо ручного изменения длительности МИИ предусматривает его дискретное изменение в начале на 1 мс, далее на 0,3 мс, а затем на 0,1 мс.

Для автоматизации оценки лабильности ЗА разработан аппаратно-программный комплекс (АПК), реализующий разработанный метод оценки лабильности ЗА. Алгоритм работы АПК представлен на рис. 8.



Рис. 8. Алгоритм работы аппаратно программного комплекса.

Процедура оценки лабильности АПК соответствует алгоритму, представленному на рис. 6.

В четвертой главе разработана методика оценки лабильности ЗА, представлены результаты экспериментальных исследований лабильности, сравнительный анализ точности оценки лабильности методом КЧСМ и методом парных световых импульсов, результаты исследования зрительного утомления операторов ЭВМ.

Для оценки лабильности предложена методика, основанная на методе последовательного приближения.

Оценку лабильности проводят в диапазоне изменения длительностей парных световых импульсов от 3 мс и выше с шагом изменения длительности импульсов равной 3 мс, до тех пор, пока не зафиксируют максимальное значение лабильности. Затем последнее значение длительности импульса увеличивается на 3 мс и путем уменьшения его длительности с шагом 1 мс уточняется максимальное значение лабильности. При этом для повышения точности оценки на данном этапе используется дискретное изменение МИИ.

Интенсивность световых импульсов регулируется методом визуального фотометрирования и выравнивается с интенсивностью эталонного источника при частоте световых мельканий, соответствующей индивидуальной подпороговой КЧСМ.

Экспериментальные исследования лабильности ЗА в группе из 30 испытуемых, практически здоровых людей в возрасте от 17 до 23 лет с нормальным или скорректированным зрением с использованием разработанных метода и методики измерения показали, что лабильность ЗА в данной группе находится в пределах от 11,1 до 24,6 Гц. Медиана распределения по группе составляет 19,4 Гц с доверительным интервалом при уровне доверия 95% [15,6 Гц; 20,9 Гц].

Статистическая обработка результатов исследований осуществлялась согласно ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения».

Проверка принадлежности индивидуальных значений оценок лабильности нормальному закону распределения по критериям, указанным в ГОСТ 8.207-76, дала отрицательный результат. Поэтому для получения групповых оценок использовались в соответствие с ГОСТ Р 50779.21-2004 «Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным» непараметрические оценки: медиана и ее доверительный интервал.

Для сравнительного анализа точности оценок лабильности методом КЧСМ и разработанным методом парных световых импульсов выполнены оценки лабильности по группе из 15 испытуемых. Результаты статистической обработки данных оценок с указанием уменьшения среднеквадратического отклонения (СКО) в процентах, определяющего увеличение точности оценки лабильности разработанным методом представлены в таблице 2.

Результаты статистической обработки сравнительной точности оценок лабильности данными методами представлены в таблице 3.

Таблица 2. Результаты статистической обработки точности индивидуальных оценок лабильности методом КЧСМ и методом парных световых импульсов

Метод оценки лабильности	Среднеарифметич., Гц	СКО, Гц	Уменьшение СКО, %
КЧСМ	39,4 - 45,3	0,193 - 0,343	-
Парные световые импульсы	12,2 - 22,6	0,134 - 0,235	16,7 - 37,4

Таблица 3. Результаты статистической обработки сравнительной точности оценок лабильности методами парных световых импульсов и КЧСМ, %

Параметр	Уменьшение СКО	Медиана	Доверительный интервал
Увелич. точности	16,7 - 34,4	30,8	[20,9; 35,2]

Экспериментально установлено, что разработанный метод оценки лабильности может использоваться для исследования характера адаптации человека при зрительно-напряженной работе. Графики динамики лабильности операторов ЭВМ в течение рабочего дня представлены на рис. 9.

Рис. 9. Графики динамики значения лабильности испытуемых В. и С.

Анализ графиков показал, что развитие зрительного утомления в процессе зрительно-напряженной работе вызывает изменение лабильности ЗА. Таким образом, анализ полученных графиков позволяет оценить характер индивидуальный адаптации человека к такой работе, составить оптимальный индивидуальный режим работы с целью повышения производительности труда и без наступления хронического утомления.

В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.

В приложениях приведены расчеты пределов абсолютной и относительной допускаемых погрешностей разработанных приборов, погрешностей оценки методом КЧСМ и методом парных световых импульсов и их статистической обработки, графики динамики лабильности операторов ЭВМ при зрительном утомлении.

Основные результаты работы

1. Разработана имитационная модель восприятия парных световых импульсов с использованием предложенных модификаций моделей ганглиозной клетки и нейронов зрительного анализатора, отличающихся от известных моделей использованием сигмоидальной активационной функции и учитывающих затухание сигнала при их распространении по дендритам, а также известных структурно-функциональной модели и передаточных функций клеток сетчатки зрительного анализатора, позволившая провести исследование лабильности ЗА при варьировании длительности световых импульсов.

2. Разработаны метод и методика оценки лабильности зрительного анализатора с использованием парных световых импульсов, позволившие повысить точности оценки и оценить значение лабильности зрительного анализатора при отсутствии явления трансформации ритма. Разработанный метод является базой для разработки новых технических средств, не имеет прототипа и защищен патентом РФ на изобретение.

3. Разработано алгоритмическое, приборное и программно-техническое обеспечение для оценки лабильности зрительного анализатора. Приборы «ИЛЗА-1», «ИЛЗА-2», «ИЛЗА-3» и «ИЛЗА-4» защищены а.с. СССР на изобретение. Прибор «ИЛЗА-5» защищен патентом РФ на изобретение.

Разработаны аппаратно-программные средства, позволяющие автоматизировать получение оценки лабильности зрительного анализатора.

4. По результатам экспериментальных исследований установлено, что значение лабильности по группе из 30 испытуемых находится в пределах от 11,1 до 24,6 Гц. Медиана распределения по группе составляет 19,4 Гц с доверительным интервалом при уровне доверия 95% [15,6 Гц; 20,9 Гц].

Выполнен сравнительный анализ точности оценки лабильности методом КЧСМ и разработанным методом по группе из 15 испытуемых. Точность оценки лабильности разработанным методом выше точности оценки методом КЧСМ и находится в пределах от 16,7 до 37,4 %. Медиана распределения по группе составляет 30,8 Гц с доверительным интервалом при уровне доверия 95% [20,9 Гц; 35,2 Гц].

Установлено, что разработанный метод оценки лабильности может использоваться для исследования характера адаптации человека при зрительно-напряженной работе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. А. с. 1623605 СССР, МКИ⁵ А 61 В 3/00, 5/16. Устройство для измерения критической частоты слияния мельканий / Д.В. Гаскаров, М.М. Полевщиков, В.В. Роженцов, О.В. Роженцов (СССР). - № 4634166/14; заявл. 09.01.89; опубл. 30.01.91, Бюл. № 4. - 4 с.

2. А. с. 1627130 СССР, МКИ⁵ А 61 В 5/16. Устройство для измерения критической частоты слияния мельканий / Б.Ф. Лаврентьев, М.М. Полевщиков, В.В. Роженцов, О.В. Роженцов (СССР). - № 4646195/14; заявл. 07.02.89; опубл. 15.02.91, Бюл. № 6. - 3 с.

3. А. с. 1704764 СССР, МКИ⁵ А 61 В 5/16. Устройство для измерения критической частоты слияния мельканий / О.В. Роженцов, В.В. Роженцов (СССР). - № 4766969/14; заявл. 05.12.89; опубл. 15.01.92, Бюл. № 2. - 4 с.

4. А. с. 1741778 СССР, МКИ⁵ А 61 В 5/16. Устройство для измерения критической частоты слияния световых мельканий / Б.Ф. Лаврентьев, В.В. Роженцов, О.В. Роженцов (СССР). - № 4823900/14; заявл. 07.05.90; опубл. 23.06.92, Бюл. № 23.

5. Роженцов, О.В. Метод исследования лабильности зрительного анализатора / О.В. Роженцов, И.В. Петухов // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Матер. IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 26 сентября 2003 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. - Ч. 3. - С. 16-18.

6. Роженцов, О.В. Метод определения лабильности нервных процессов человека / О.В. Роженцов // Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека: Сб. науч. статей. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - С. 16-20.

7. Роженцов, О.В. Устройства определения лабильности методом КЧСМ / О.В. Роженцов // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: Матер. IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 27 февраля 2004 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. - С. 60-63.

8. Пат. 2233115 РФ, МКИ⁷ А 61 В 5/16. Способ определения лабильности зрительной системы человека // Роженцов О.В., Петухов И.В. - № 2003127900/14; заявл. 06.07.98; опубл. 27.07.2004, Бюл. № 21. - 4 с.

9. Роженцов, О.В. Лабильность зрительного анализатора как индикатор степени утомления организма человека / О.В. Роженцов // Физическая культура, спорт и здоровье: Сб. науч. статей / Под ред. М.М. Полевщикова. - Йошкар-Ола: МГПИ, 2004. - С. 80-83.

10. Роженцов, О.В. Аппаратно-программный комплекс определения лабильности зрительного анализатора человека / О.В. Роженцов // Информационные технологии и кибернетика на службе здравоохранения: Сборник докладов III-й Междунар. науч.-практ. конф. (Днепропетровск, Украина, 15 июня 2005 г.) / Под ред. акад. НАНУ В.В. Пилипенко, д.т.н. А.П. Алпатова, к.ф.-м.н. Ю.А. Прокопчука. - Днепропетровск: УГХТУ, 2005. - С. 44-46.

11. Петухов, И.В. Методика определения лабильности зрительного анализатора / И.В. Петухов, О.В. Роженцов // Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека: Матер. всерос. науч.-практ. конф. (Йошкар-Ола, 20 ноября 2005 г.). - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. - С. 22-26.

12. Роженцов, О.В. Устройства для определения лабильности зрительного анализатора / О.В. Роженцов // Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека: Матер. всерос. науч.-практ. конф. (Йошкар-Ола, 20 ноября 2005 г.). - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. - С. 61-63.

13. Роженцов, О.В. Современные психофизиологические методы исследования лабильности / О.В. Роженцов // Здоровье и образование в XXI веке: Матер. VI Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 8-10 дек. 2005 г.). - М.: Изд-во РУДН, 2005. - С. 404-405.

14. Петухов, И.В. Математическая модель зрительного анализатора / И.В. Петухов, О.В. Роженцов // Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии: Матер. VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 9 дек. 2005 г. - Новочеркасск: ЮГГТУ, 2005. - С. 17-20.

15. Роженцов, О.В. Лабильность зрительного анализатора как показатель утомления человека / О.В. Роженцов, И.В. Петухов, И.Д. Ситдикова // Физическая культура, спорт, здоровье: Матер. Всерос. дистанц. науч.-практ. конф. / Под ред. М.М. Полевщикова. - Йошкар-Ола: МГПИ, 2006. - С. 51-54.

16. Роженцов, О.В. Информационные технологии в исследовании лабильности зрительной системы / О.В. Роженцов // Системы управления и информационные технологии. - 2006. - № 1.1 (23). - С. 176-179.

17. Пат. 2286082 РФ, МКИ⁷ А 61 В 3/00. Устройство для определения лабильности зрительной системы человека // Роженцов О.В. - № 2005112730/14; заявл. 27.04.2005; опубл. 27.10.2006, Бюл. № 30. - 11 с.

Размещено на Allbest.ru

...