Фотооптический метод

Описание

Данный метод базируется на принципе «оптических рычагов»: узкий пучок света, направленный на глазное яблоко, отражается от установленного на нем миниатюрного зеркальца и поступает на вход фоторегистрирующего устройства, например, шлейфового осциллографа или фотопластинку (Рис. 1.18).





Таким образом, перемещение глаза преобразуется в соответствующее перемещение светового луча, которое может быть развернуто как в пространстве, так и во времени.

Ключевым звеном данного метода является способ крепления зеркальца к глазному яблоку. В распространенной методике А. Л. Ярбуса (1954, 1958, 1965) в качестве посредника используется легкая (несколько сот миллиграмм) вакуумная присоска, которая крепится либо к височной части склеры (боковая присоска), либо к ее центральной части, не касаясь роговицы (центральная присоска). Корпус присоски обычно делается из резины, дюраллюминия или пластмассы и имеет внутри гофрированную поверхность, препятствующую скольжению по глазному яблоку. Устойчивость присоски на глазу обеспечивается путем создания (с помощью специального баллончика) пониженного давления в камере, образованной корпусом присоски и внешней поверхностью глаза (Рис. 1.19).





Установка присосок требует предварительного анестезирования глазного яблока (1-2%-ным раствором дикаина); предельная продолжительность ношения присоски 20-30 мин. Как показывает многолетний опыт, присоски безвредны для глаз человека и в худшем случае вызывают разрыв капилляра наружной оболочки. Более щадящий, но менее точный режим регистрации движений глаз может быть достигнут с помощью контактных линз; их использование значительно увеличивает и длительность измерений (Ditchburn, 1973).

Фотооптический метод обладает наивысшей «разрешающей способностью» (до нескольких угловых секунд) и в принципе может быть использован при изучении всех известных видов окуломоторной активности. Применение различных конструкций присосок и насадок к ним позволяет существенно расширить методические возможности исследования.

Вместе с тем, данный метод требует жесткой фиксации головы испытуемого, может использоваться лишь в отношении взрослых, предполагает высокие профессиональные навыки экспериментатора и некоторую долю мужества людей, согласившихся на участие в опытах. К недостаткам метода можно отнести искажения записей при больших угловых размерах рассматриваемого объекта и/или искажения, вносимые ротационными движениями глаз. Определенные ограничения накладывает и необходимость проведения работы в затененном помещении.

Фотооптическая регистрация—сугубо лабораторный метод исследования, рассчитанный на использование очень ограниченного круга испытуемых (как правило, постоянных).

Методика фотооптической регистрации окуломоторной активности, ее модификации и особенности использования при изучении процессов зрительного восприятия, внимания, представления и действия изложена в работах A. Л. Ярбуса (1965), В. П. Зинченко и Н. Ю. Вергилеса (1969) и Ю. Б. Гиппенрейтер (1978).

Фотооптический (присосочный) метод регистрации движений глаз был разработан A. Л, Ярбусом (1954, 1956, 1958) в середине 50-х годов и длительное время поддерживал энтузиазм исследователей зрительного восприятия. A. Л. Ярбус зарегистрировал и описал основные виды окуломоторной активности человека, исследовал особенности движений глаз при восприятии сложных объектов и в процессе чтения, показал взаимосвязь различных видов движений, зависимость паттернов фиксаций от поставленной наблюдателю задачи, характеристик воспринимаемого объекта и других условий (см. Рис. 1.20).




[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Особое место в этих исследованиях занимает проблема восприятия объектов, стабилизированных относительно сетчатки. Применяя оригинальные устройства, устанавливаемые на присоску, A. Л. Ярбус выявил основные особенности восприятия стабилизированных изображений в зависимости от их величины, цвета, яркости, окружающего фона. Согласно полученным данным, в процессе зрительного восприятия движения глаз выполняют служебную функцию, создавая оптимальные условия работы зрительной системы. Они необходимы для дезадаптации стимулируемых участков сетчатки (в противном случае, изображение исчезает спустя 1-3 секунды) и наиболее эффективного отражения значимых элементов среды (Ярбус, 1965).

Исследование восприятия изображений, стабилизированных относительно сетчатки, с применением фотооптического метода регистрации движений глаз получило развитые в работах Н. Ю. Вергилеса (Вергилес, 1967; Зинченко, Вергилес, 1969). Он предложил метод (поочередное освещение объекта источником света разной длины волны), позволяющий испытуемому воспринимать стабилизированные изображения сколь угодно долго. Оказалось, что в этих условиях, несмотря на значительное сокращение репертуара возможных движений глаз, испытуемые способны выполнять широкий круг заданий (ознакомление с объектом, поиск, пересчет штрихов, мысленное прохождение лабиринта и др.) и имеют полное впечатление перемещения собственных глаз (взора) по объекту. Задачи не решались лишь тогда, когда вводилась инструкция, запрещающая двигать глазами. Эти данные позволили В. П. Зинченко и Н. Ю. Вергилесу выдвинуть гипотезу о функциональном фовеа, смещение которого относительно сетчатая меняет состояние ее рецептивных полей. В развитие праксеологической трактовки восприятия было высказано предположение, что при стабилизации изображения объектов относительно сетчатки, а в обычных условиях—при опознании объектов, процесс восприятия обеспечивается викарными (замещающими) перцептивными действиями (Зинченко, Вергилес, 1969).

Соответствие параметров макродвижений глаз свойствам воспринимаемого объекта и поставленной испытуемому задаче изучалось Ю. Б. Гиппенрейтер (1964). Было показано, что эффективность выполнения зрительных задач зависит от плотности однородных элементов среды и ограничено двигательными шумами глаз. Несмотря на морфологическую неоднородность сетчатки, вызывающую необходимость фиксационных установок глаз, орган зрения представляет собой многоканальный вход, обеспечивающий одновременный прием информации из разных участков поля зрения. Поэтому одноактное осуществление зрительных функций связано не столько с узкой областью fovea centralis, сколько с зоной оперативного поля зрения, размеры которой являются функцией многих переменных: задачи, колебаний внимания, пространственных свойств объекта. На основании этих и других исследований (Гиппенрейтер, Седакова, 1970; Бороздина, Гиппенрейтер, 1969), выполненных с помощью фотооптического метода, Ю.Б. Гиппеирейтер пришла к заключению, что роль движений глаз состоит не в том, чтобы снабжать более высокие инстанции зрительной системы проприоцептивной или иннервационной импульсацией, а в обеспечении направленных изменений оптической стимуляции.

Особенно интересным представляется цикл работ Ю. Б. Гиппенрентер и ее сотрудников, направленный на изучение тонической формы окуломоторной активности, т.е. собственно фиксаций. При помощи специально разработанной методики детально исследовался фиксационный оптокинетический нистагм (ФОКН), возникающий во время фиксации неподвижного объекта на фоне движущихся черно-белых полос. Оказалось, что параметры ФОКНа (частота, амплитуда) чувствительны к внутренним формам зрительной активности (Рис. 1.21)





и могут быть использованы как индикатор зрительной «загрузки» наблюдателя и: единиц выполняемого действия (Гиппенрейтер, 1978; Гиппенрейтер, Романов, 1970, 1990; Гиппенрейтер, Романов, Самсонов, 1975; Конькова, 1973; Фейгенберг, 1986 и др.). Сходные отношения демонстрирует гальванический микронистагм, вызываемый гальванической стимуляцией вестибулярной системы (Дормашев, Романов, 1983; 1989). Обнаружена также связь микросаккад с функциональными единицами кратковременного запоминания (Дормашев, Романов, 1989). Выявленная зависимость прослеживающих движений глаз (динамической фиксации) от характера решаемой задачи (Гиппенрейтер, Смирнов, 1971; Романов, 1973; Смирнов, 1973, 1985) позволяет специфицировать уровни построения (Бериштейн, 1990) окуломоторной активности.

Направленные исследования механизмов микродвижений глаз, выполненные с помощью фотооптического метода, показывают, что соотношение параметров дрейфа и микросаккады широко варьирует, определяя тип зрительной фиксации (Проскурякова, Шахнович, 1968; Шахнович, 1974). В отличие от дрейфа, микросаккады контролируются центральными структурами и обеспечивают необходимую для адекватного восприятия дискретность поступления оптической стимуляции (Филин, Сидоров, 1972; Филин, 1975).

При регистрации движений глаз оператора в процессе ручного слежения за зрительной целью получены данные, позволяющие дифференцировать (по характеристикам окуломоторной активности) «тактики» ручных действий в разных режимах, описать микроэтапы деятельности в рамках одного и того же режима, а также развить представления о строении и функциях оперативного поля зрения человека (Вуякас, 1973, 1975; Вуякас, Гиппеирейтер, 1973; Любимов, 1973).

Наконец, фотооптический метод демонстрирует высокую эффективность в клинических исследованиях (Лурня, Празвдина-Винарская, Ярбус, 1961; Лурня, Карпов, Ярбус, 1965; Карпов, 1975; Карпов, Карпова, 1978; Корчажинская, Попова, 1977; Кузьмина, 1980). Они показывают, что движения глаз душевнобольных несут полезную информацию для диагностики психопатологических синдромов и дают дополнительные сведения о патогенезе психозов (Рис. 1.22).





Таким образом, в отличие от киносъемки, фотооптический метод позволяет раскрыть микроорганизацию окуломоторной активности и более тонкие опосредствованные связи движений глаз с процессами познания и деятельности. Смысловой акцент исследований смещается в сторону миниатюрных форм окуломоторной активности, которые сопровождают зрительную фиксацию (динамика ФОКНа), восприятие изображений, стабилизированных относительно сетчатки (викарные перцептивные действия) или зрительно-двигательные координации (сопряженные движения глаза и руки). Соответственно меняются и регистрируемые характеристики движений, в число которых включаются амплитуда, направление, скорость дрейфа; амплитуда, скорость и ускорение микросаккад; амплитуда и частота физиологического нистагма и ФОКНа и некоторые другие; при этом, конечно, сохраняется возможность детального анализа макродвижений глаз. Речь идет о глазодвигательных механизмах стабилизации (а не перемещения) взора и структуре зрительно-окуломоторых отношений. В этой связи приоритетное значение приобретают натуральные функции движений глаз: обеспечение дезадаптации сетчатки, переключения рецептивных полей, направленного изменения или дискретизации оптической стимуляции. Существенно (и априори неочевидно) что миниатюрные формы окуломоторной активности не остаются безразличными к характеристикам познавательных процессов (например, к величине оперативного поля зрения или информационной загрузке взора) и структурным единицам деятельности. Сфера объективных индикаторов этих процессов значительно расширяется. Как показывают исследования, фотооптический метод применим и для решения некоторых практических задач (клиника, операторская деятельность), но в очень ограниченном объеме.

Являясь эталонным в плане точности и диапазона выполняемых измерений, рассмотренный метод довольно трудоемок и не приспособлен для оперативной обработки и представления получаемых в эксперименте данных. По-видимому, перспектива его развития во многом будет зависеть от применения устройств преобразования оптического выходного сигнала в электрический и использования на линии эксперимента современных ЭВМ.

Фотоэлектрический метод

Основу метода составляет возможность преобразования отраженного от роговицы пучка света (как правило, инфракрасного диапазона) в электрический сигнал. Обычно на фотоэлектрический датчик проецируется изображение переднего участка глаза, имеющего резкий перепад отражающей способности (например, край зрачка, лимб роговицы). При перемещении глаз меняется количество отраженного света и соответственно величина фототока или фотосопротивления. Усилив выходной сигнал, можно получить запись глазодвигательной активности на ленте самописца или иного регистратора данных.

Хотя конкретные способы описанного преобразования весьма разнообразны (Ярбус, 1965; Смирнов, 1984; Young, Sheena, 1975), все они обеспечивают, как правило, невысокую точность (около 1°), чувствительны к перепадам освещенности тестового объекта, ярким источникам света в помещении, слезоотделению и предполагают жесткую фиксацию головы. Главное достоинство метода—бесконтактность и возможность вести длительные измерения окуломоторной активности. Метод предназначен для лабораторных и клинических исследований.

Подробное описание аппаратуры, техники регистрации, процедуры и условий проведения исследований даны в работах А. Д. Владимирова (1972) и В. П. Смирнова (1984, 1985).

В методике А. Д. Владимирова (Владимиров, Хомская, 1961; Владимиров, 1972) изображение глаза при помощи оптической системы проецировалось на матовый экран, за которым помещались два горизонтально расположенные фоторегистратора, чувствительные к инфракрасному свету. При фиксации точки, расположенной на уровне глаз прямо перед испытуемым изображение устанавливалось симметрично относительно фоторезисторов; горизонтальные же движения вызывали его перемещение, меняя освещенность фоторезисторов. Последние были включены в схему, выходное напряжение которой изменялось прямо пропорционально углу поворота глаз (Рис. 1.23).





«Разрешающая способность» метода—1-2°, диапазон линейности — ±18°

Для одновременной регистрации горизонтальной и вертикальной составляющих окуломоторной активности А. Д. Владимиров (Владимиров, Хомская, 1962; Владимиров, 1972) разработал методику, в которой в качестве индикатора движений использовался роговичный блик. Вледствие того, что центр вращения глаза и центр кривизны роговицы не совпадают, угол, под которым отражается неподвижный источник света на роговице во время движения глаза, изменяется. Смещение блика, таким образом, дает информацию о перемещении глаз. В сконструированной установке отраженный от роговицы блик проецировался в центр круглого матового экрана, разделенного на четыре сектора, за каждым из которых располагался фотоэлектронный умножитель. Перемещение изображения блика меняло распределение количества света, попадающего на катоды отдельных фотоэлектрических умножителей, и вызывало соответствующие изменения луча на экране электроннолучевой трубки. Платой за двухкоординатную запись движений глаз является сужение диапазона линейности измерений более чем в двое (±5-7°). Типичные записи движений глаз при прослеживании контура фигуры и чтении приведены на Рис. 1.24.





Фотоэлектрический метод разрабатывался параллельно с другими методами регистрации движений глаз (Шахнович, 1960; Владимиров, Хомская, 1961; Шахнович, Шахнович, 1964; Ананьин, 1965) и наибольшее применение получил в сравнительных исследованиях окуломоторной активности у здоровых испытуемых и больных с локальными поражениями мозга. Особый интерес представляет изучение процессов преднастройки (экстраполяции) в глазодвигательной системе. Опираясь на большой объем экспериментальных данных А. Д. Владимиров и Е. Д. Хомская (Владимиров, 1970; Хомская, 1973; Владимиров, Хомская, 1981) выделили две формы экстраполяции: пространственную (экстраполяция траектории движения объекта) и временную (экстраполяция момента появления цели), раскрыли условия их проявления и связь с различными отделами мозга. Полученный нейропсихологический материал указывает на сложный характер соотношения параметров движений глаз и процесса восприятия: в частности, не все виды зрительных агнозий сопровождаются нарушениями окуломоторной активности и наоборот.

Сравнительно простой способ фотоэлектрической регистрации предложил Л. Митрани (Митрани, 1973; Якимов, 1973; Козлов, Подлеснова, 1992). Глаз освещался расщепленным пучком инфра- или темно-красного света, который, отражаясь, попадал на поверхность фотодиодов, укрепленных на очковой оправе. Движения глаз вызывали изменение освещенности фотодиодов (они были связаны «в мост») и, соответственно, изменение напряжения выходного электрического сигнала. Точность измерения -30, диапазон линейности—10-12° Недостатками метода являются: сложность и длительность настройки устройства регистрации, ограниченность поля зрения очковой оправой и конструктивными элементами устройства, возможность регистрации преимущественно одной составляющей движений глаз. Как показали исследования Л. Митрани и его коллег, данный метод достаточно продуктивен при изучении параметров саккадических движений глаз и процесса зрения во время саккад. Он позволяет, в частности, изучать феномены саккадического и парасаккадического подавления, маскировки, смазывания и др.; цикл исследований, выполненных с помощью данного метода, расширил представления о механизмах стабильности зрительного восприятия человека.

В принципе фотоэлектрический метод позволяет регистрировать и микродвижения глаз с амплитудой до 1' (Глезер, Загорулько, 1956). Пользуясь этой методикой В. Д. Глезер (1959) обнаружил «зону нечувствительности сетчатки», величина (4-6 ) которой определяет предельную точность сохранения фиксации.

Регистрация роговичного блика как индикатора позиции и перемещения глаз использована В. П. Смирновым (Смирнов, 1984, 1985; Мbрошников, 1989). В качестве преобразователя оптического сигнала в электрический применялась стандартная телевизионная передающая камера (фокусированное изображение роговичного блика передавалось приемнику по гибкому стекловолоконному жгуту). Учет полученных закономерностей смещения роговичного блика в процессе поворота глаз позволил автору увеличить точность регистрации окуломоторной активности (до 40) и расширить диапазон ее линейности (до ±26-30°), а применение ЭВМ на линии эксперимента — автоматизировать регистрацию и обработку данных о макродвижениях глаз и головы испытуемого. Описанный метод позволяет изучать деятельность операторов-наблюдателей оптических приборов и оценивать качество изображений, может быть полезным при офтальмологических измерениях, а также при разработке биотехнических систем управления. Его недостатки — высокая себестоимость исследовательского комплекса, необходимость жесткой фиксации головы или регистрации ее перемещений, а также невозможность вести записи движений закрытых глаз.

Фотоэлектрический способ нашел применение и в комбинированных системах регистрации и измерения окуломоторной активности типа NAC. Использование кино- или видеосъемки (миниатюрная камера устанавливается на голове испытуемого) позволяет накладывать изображение позиции глаз на изображение воспринимаемого предмета. Эта процедура дает возможность вести исследования независимо от смещений наблюдателя и существенно облегчает анализ окуломоторной активности. Погрешность регистрации ±1,5°, рабочий угол—30° Закономерности организации деятельности оператора-технолога, выявленные данным методом, подробно рассмотрены в работе А. И. Галактионова (1978). В качестве показателей эффективности деятельности он использовал маршруты движений глаз, частоту и длительность фиксаций оператором контролируемых приборов.

Принцип фотоэлектрической регистрации эффективен при изучении торзионных движений глаз (Левашов, Дмитриев, 1981; Белопольский, Вергилес, 1990). В методике, предложенной В. И. Белопольским и Н. Ю. Вергилесом, на глазное яблоко с помощью центральной присоски устанавливались поляроиды, соединенные с фотоэлектрическими датчиками. При засветке глаза равномерным потоком поляризованного света его ротация вызывала изменение интенсивности светового потока, которое улавливалось фотоэлементами, преобразовывалось в соответствующий электрический сигнал, усиливалось и подавалось на вход регистратора данных. Установка имеет небольшие габариты, причем измерительное устройство укрепляется с помощью специального шлема на голове испытуемого. Точность регистрации— не менее ±10° в диапазоне—±30° Описанная методика позволила авторам провести записи ротационных движений глаз в процессе выполнения испытуемым различных задач.

Таким образом, фотоэлектрический способ регистрации окуломоторной активности представляет своего рода гибрид, сочетающий свойства кинорегистрации и фотооптического метода. Он обеспечивает монокулярное измерение как статических (длительность, последовательность и частоту фиксаций), так и динамических (скорость, ускорения, частоту колебаний) параметров преимущественно макродвижений глаз (чаще всего их горизонтальную составляющую). Метод полезен при анализе механизмов управления движениями глаз, зрительных эффектов, сопровождающих окуломоторную активность, и особенностей деятельности операторов-наблюдателей. Несмотря на большое разнообразие конкретных форм реализации, в исследованиях познавательных процессов и деятельности фотоэлектрическая регистрация движений глаз не получила широкого распространения.

Перспектива фотоэлектрического метода регистрации движений глаз зависит от использования разработчиками современной элементной базы (стекловолоконная оптика, миникамеры и др.), автоматизации процедуры калибровки и подключения к линии эксперимента компьютерных систем. Это позволит yе только существенно повысить точность и расширить диапазон выполняемых измерений движений глаз, но и сделать процедуру регистрации более простой, надежной и удобной.

----

Статья из книги: Окуломоторные структуры восприятия | Барабанщиков В.А.