Исследование пространственно-частотных компонентов стереопсиса

Описание

Стереопсис — один из механизмов пространственного зрения. Он выражается в субъективном ощущении глубины пространства при бинокулярном зрении вследствие сетчаточной горизонтальной диспаратности. В процессе эволюции зрительного анализатора стереопсис как бинокулярный механизм развился существенно позже, чем, например, стерео кинетический механизм, использующий монокулярные динамические признаки — двигательный параллакс и изменение размеров. Стереопсис обеспечивает наиболее точную оценку расстояния, до 2", причем до неподвижных объектов и с фиксированного положения наблюдения. Однако многие заболевания и даже некоторые небольшие аномалии зрительной системы способны отрицательно повлиять на стереопсис, также, впрочем, как тренировки могут значительно его улучшить.

Традиционно остроту стереозрения измеряют с помощью трехпалочкового прибора Говарда—Долмана, флайтес- та, теста Ланга, Титмусстереотеста или таблиц Пульфриха для линзового стереоскопа. Все эти методы в качестве стимулов используют некие узнаваемые фигуры и основываются на представлении о стереопсисе как о механизме сопоставления диспаратностей изображений одинаковых объектов. Следствие такого упрощенного понимания — отсутствие стандартных стимулов (по форме, размерам и пространственному расположению) и различие величин пороговых диспаратностей, измеренных с помощью этих методов.

Появление случайно-точечных стереограмм открыло возможность так называемого глобального стереопсиса без наличия в изображениях монокулярно узнаваемых деталей. В практику вошел Randot Е стереотест — знак флюгера, «спрятанный» в случайно-точечной стерео- грамме. Развивая это направление, В. Julesz показал, что в случайно-точечных изображениях зрительный анализатор соотносит не отдельные элементы и не случайные контуры, а пространственно-частотные составляющие. В результате в исследованиях стереопсиса начали применять, с одной стороны, полосы разной ширины или стимулы в виде разности гауссоид (DOG — difference of Gaussian), с другой — отфильтрованные случайногочечные стереограммы. Таким образом, возникла своеобразная «конвергенция» методов: и те, и другие стимулы стаяи делать достаточно узкополосными с точки зрения их пространственно-частотного спектра.

Исследования стереопсиса в области пространственных частот были начитаны С. SchorH I. Wood (1983). Результаты многочисленных экспериментов по измерению пространственно-временных параметров стереопсиса, верхних пределов диспаратности и по исследованию частотной зависимости порога стереозрения от различий монокулярных контрастов и пространственных частот изображений в стереопаре свидетельствовали о том, что стереоскопическое восприятие на низких и высоких пространственных частотах обеспечивают разные по природе механизмы.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Порог стереоскопического зрения на низких пространственных частотах обратно пропорционален частоте, эту закономерность называют «корреляция размера и диспаратности». На низких частотах при уменьшении контраста одного из изображений порог стереозрения увеличивается в большей степени, чем при одинаковом снижении контраста обоих изображений («парадокс стерео контраста»).

На высоких частотах этот эффект почти не проявляется: стере о пороги определяются наименьшим из контрастов. На низких частотах инверсия стимулов повышает чувствительность к диспаратности, а на высоких — понижает ее. Кратковременное предъявление стимулов в меньшей степени увеличивает стерео- порог для низких пространственных частот, чем для высоких. Морфологическое и физиологическое обоснование данное направление исследования стереопсиса получило в работах G.С. DeAngelis и соавт. (1995), I. Ohzava и соавт. (1997), где рассматривались механизмы выделения информации о глубине бинокулярными нейронами зрительной коры. Позже было показано, что в зрительной системе действительно наличествуют два дополняющих друг друга механизма чувствительности нейронов стриарной коры к диспаратности: по взаимному расположению рецептивных полей одинакового профиля, относящихся к правому и левому глазу, и по фазовому сдвигу между полями с одинаковым пространственным расположением.

При этом позиционные сдвиги рецептивных полей невелики и соответствуют лишь небольшим бинокулярным диспаратностям. Они не коррелируют с ориентацией и пространственной частотой рецептивных полей. Фазовые же сдвиги имеют ориентационную анизотропию в пользу вертикальной ориентации по сравнению с горизонтальной и на низких пространственных частотах охватывают большой диапазон бинокулярных диспаратностей. Таким образом, на низких пространственных частотах верхний предел восприятия диспаратности лимитируется фазовым механизмом, а на высоких — позиционным. Граница между низкими и высокими пространственными час- тогами в стереопсисе проходит в интервале 2— 3 цикл/град.

К настоящему времени нейроны, обладающие селективностью к диспаратности, обнаружены во многих зонах зрительной коры приматов (рис. 16.11):

V1, V2, V3, МТ (middle temporal), MST (medial superior temporal) и IT (inferotemporal); при этом парвоцеллюлярная система отвечает за статический стереолсис, а магноцеллюлярная — за динамический. Однако нейроны поля VI чувствительны лишь к абсолютной диспаратности, т.е. к относительному положению изображений одного объекта на двух сетчатках.

Стереоскопическое же восприятие определяется главным образом относительной диспаратностью, т.е. разницей абсолютных диспаратностей двух или нескольких объектов. Чувствительность к относительной диспаратности появляется на более высоких уровнях, например у некоторых нейронов поля V2.

По своей информативности исследование пространственно-частотных составляющих стереопсиса соотносится с обычными методами измерения остроты стереозрения примерно так же, как визоконтрастометрия с визометрией. Например, нормальная величина порога стереозрения, полученная с помощью традиционных методов, на самом деле может обеспечиваться сохранностью чувствительности нейронов к бинокулярной диспаратности лишь в очень ограниченном диапазоне пространственных частот.

Диагностическая информация может содержаться в расположении и ширине пространственно-частотного диапазона стереопсиса, высоте и форме кривой зависимости порога стереозрения от пространственной частоты. Так как в зрительной системе человека, обработка бинокулярной информации начинается только на уровне зрительной коры, наблюдаются качественные различия пространственно-частотных характеристик стереопсиса при локализации поражений в зрительной коре по сравнению с другими отделами зрительного анализатора.

В конце 90-х годов нами была разработана и осуществлена компьютерная реализация метода пространственно- частотной стереовизометрии на IBM- совместимом компьютере. Предложена оригинальная геометрия стимула, решена проблема визуализации синусоидальных решеток с высокой точности передачи фазы, многократно превосходящей обычный для компьютера предел в 1 пиксел. Совместно с лабораторией клинической физиологии зрения им. C.B. Кравкова Московского НИИ глазных болезней им.

Гельмгольца, кафедрой офтальмологии Российской медицинской академии последипломного образования и городской клинической больницей № 11 Москвы были проведены исследования стереопсиса в области пространственных частот у здоровых и больных людей. На способ диагностики нарушений стереозрения был получен патент РФ.

В программе «Стереопсис» разделение полей зрения правого и левого глаза осуществляется с помощью очков с красным и зеленым фильтрами.

Стимулами служат две расположенные одна над другой вертикальные синусоидальные решетки, кажущиеся в очках отстоящими друг от друга по глубине (рис. 16.12).

Измерение проводят с расстояния 1,8-2,4 м в зависимости от размера экрана. Оно заключается в определении минимального различимого расстояния между решетками для каждой пространственной частоты в диапазоне 0,35—16(32) цикл/град. Разрешающая способность метода в первой версии программы составляла 16", в последней — порядка 1".

В норме кривая зависимости порога стереоскопического зрения от пространственной частоты имеет и, V или W-образную форму. Наименьшие значения стереопорогов составляли 5" и наблюдались на частотах вблизи 2 цикл/град (рис. 16.13).

Границы нормы представлены на рис. 16.14 в виде заштрихованной области.

Исследования показали, что при разных заболеваниях зрительной системы (сильный мышечный дисбаланс, амблиопия, заболевания проводящих путей, поражения зрительной коры) кривые пространственно-частотных

Стереопорогов имеют характерные особенности. В результате перенесенных в подростковом возрасте небольших нарушений бинокулярного зрения, например вследствие рефракционной амблиопии, пороги стереозрени я. на самых низких пространственных частотах несколько увеличиваются, затем проходят в области нормы, на средних частотах резко возрастают, и на более высоких частотах стереозрение отсутствует. Зависимость стерео- порога от пространственной частоты остается похожей на норму, но кривая как бы сжимается в сторону низких частот и немного поднимается.

При частичной атрофии зрительного нерва после перенесенной инфекции, а также при тапеторетинальной абиотрофии наблюдается лишь остаточное стереозрение на низких и средних частотах. Кривые становятся более пологими, а пороги п 5—10 раз превышают нормальные значения.

При поражениях постгеникулярных зрительных путей (ППГЗП) наблюдались кривые пространственно-частотных стереопорогов, качественно отличающиеся от нормы. Вместо характерной для здоровых детей формы такие кривые часто имели вид П-образной или ломаной линии, а также наклонной линии с повышением от низких частот к высоким.

Примеры, показанные на рис. 16.15, свидетельствуют о том, что нарушение взаимодействия фазового и позиционного механизмов восприятия диспаратности на средних пространственных частотах или ухудшение стереопсиса на высоких пространственных частотах может сопровождаться развитием гик диспаратности у нейронов, отвечающих за низкие пространственные частоты. При этом острота стереозрения в обычном понимании сохраняется, что объясняется наличием в традиционных стереоскопических стимулах пространственных частот, на которых стереопороги остались близкими к норме.

Примерно в 25—30 % случаев кривые стереопорогов у детей с ПГТГЗП напоминали таковые при оптическом неврите в стадии ремиссии, когда на низких частотах стереопороги в несколько раз превышают норму, на средних — близки к норме, а на высоких можно встретить самые разные варианты — от небольшою превышении норм до полного отсутствия стереозрения. Как отмечает И.М. Мосин (2002), у 82 % детей с пренатальными ППГЗП различной этиологии имеются атрофия и/или аномалии развития зрительного нерва. По-видимому, обусловленное ими ухудшение стереопсиса оказывается преобладающим и формирует картину, полученную нами в этих случаях при ППГЗП.

Характерно также, что при ППГЗП связь результатов пространственно-частотного анализа стереопсиса с данными визоконграстомегрии не обнаруживается Например, при наличии изломов на кривой сохранности ПКЧ кривая зависимости порога стереозрения от частоты может быть гладкой П-образной. И наоборот, изломы на кривой стереозрения. могут соответствовать гладким участкам ахроматической и хроматических кривых сохранности контрастной чувствительности.

Это согласуется как с данными L.M. Wilcox и R.F. Hess (1998) о слабой завис им ости пространствен но частотных стереопорогов от контраста стимула, так и с обнаруженным I. Ohzawa и R D. Freeman (1994) свойством бинокулярных нейронов зрительной коры в значительной степени компенсировать разницу монокулярных контрастов



Статья из книги: Зрительные функции и их коррекция у детей | С.Э. Аветисов, Т.П. Кащенко, А.М. Шамшинова.