39870

Модель зрительных функций (КЧСМ, ДЧСМ)

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В частности физиологами военного труда путем определения надежности стабильная устойчивость и несущественные колебания параметра от одного измерения к другому и валидности адекватность параметра исследуемому явлению различных клиникофизиологических биохимических и психофизиологических параметров было установлено что только комплекс из шести показателей время сложной сенсомоторной реакции с выбором КЧСМ ЧСС пульсовое АД выносливость к статическому мышечному усилию и индекс стептеста обладает значимой корреляционной связью с...

Русский

2013-10-10

686 KB

7 чел.


Содержание

стр.


1 Теоретическая часть

1.1 Структура зрительного анализатора

1.1.1 Краткая характеристика функционирования зрительной системы при восприятии информации

Как известно, зрительный анализатор состоит из рецептора, афферентных нервов, подкорковых и коркового центров. Зрительный анализатор работает как многоуровневая, самонастраивающаяся система, включающая прямые и обратные связи. Настройка анализатора обеспечивается за счет адаптации и различных движений глаз. Прием и первичная обработка зрительной информации осуществляются на уровне рецептора, с использованием его светочувствительного, оптического и кинестетического аппаратов.

Многоканальный ввод информации и перекодирование сигналов в форму, удобную для дальнейшей обработки, обеспечивает сетчатка, состоящая из системы нейронов, различных видов биполяров, ганглиозных, горизонтальных и амакриновых клеток. Функции фоторецепторов выполняют колбочки и палочки, объединенные в морфологические и функциональные образования - рецептивные поля (РП), связанные с общей ганглиозной клеткой как возбуждающими, так и тормозными связями. Рецептивные поля всесторонне исследованы В. Д. Глезером и др. Показано, что РП являются универсальными, полифункциональными образованиями, выполняющими целый ряд операций по формированию сигнала. Рецептивно-проводящие и интегрирующие функции в сетчатке выполняют биполяры и ганглиозные клетки, а ассоциативные - горизонтальные и амакриновые клетки.

В съеме информации принимает участие кинестетический аппарат рецептора. Различают микро- и макродвижения глаз. У них разные функции, но все виды движений препятствуют исчезновению видимых различий неподвижного объекта в процессе фиксации взора. Выделяют несколько типов непроизвольных микродвижений: дрейф, тремор, микросаккадические движения. Микродвижения дают возможность преодолевать ограничения, обусловленные особенностями оптической системы глаз, в частности искажения изображений, получаемых на сферической поверхности, а также обеспечивают нормальный физиологический режим работы чувствительных элементов зрительного анализатора на сравнительно одинаковом оптимальном уровне. Некоторые микродвижения глаз выступают в роли «собственных двигательных шумов глаза». Макродвижения глаз при рассматривании крупных объектов также имеют саккадический характер. Угловая скорость движения глаз во время скачков очень велика и быстро достигает 450 в сек., благодаря чему на перемещение затрачивается в среднем около 3% всего времени рассматривания, а на фиксирование взора, если пренебречь микродвижениями, - 97%. Выделяют два основных типа макродвижений: поисково-установочные и диагностические. К макродвижениям относятся конвергенция и дивергенция, а также аккомодационные движения. Одноактное и точное зрительное действие может быть осуществлено в пределах оперативного поля зрения. Размеры поля зависят от угловых размеров воспринимаемых объектов и степени насыщенности ими перцептивного пространства, а также от характера зрительной задачи, колебания внимания и других факторов. Основной первичной функцией макродвижений является перевод взгляда, наведение визуального канала на объект. В основе регуляции движения глаз лежит визуальная стимуляция, в обычных условиях - симультанное видение воспринимаемых объектов, а не наоборот. Оказывается, что при «трубчатом» зрении с ограниченным полем зрения образ объекта в целом фактически не формируется, восприятие глубины нарушается, измерительные функции страдают. На более высоких уровнях восприятия макродвижения обеспечивают поиск, обнаружение и опознание объектов, определение их местоположения, счет объектов и т. д. в зависимости от решаемой задачи.

Процесс переработки зрительной информации начинается в рецептивных полях сетчатки. В РП происходит интегрирование зрительной информации, выделение сигнала из шума, изменение световой чувствительности и разрешающей способности в зависимости от освещенности, декорреляции сигналов, выделение границ контраста. РП интегрирует весь световой поток, падающий на его фоторецепторы, по закону пространственной и временной суммации. Реакция ганглиозной клетки пропорциональна логарифму энергии этого светового потока независимо от ее распределения в пределах поля. Дифференцировка сигналов с разных РП осуществляется в корковом центре.

Изменение световой чувствительности и остроты зрения связано с реорганизацией нервных процессов. Вместе с первичным возбуждением в сетчатке возникают тормозные процессы. Эти процессы имеют реактивный характер. Реактивное торможение тем сильнее, чем выше интенсивность раздражителя. Под влиянием тормозных процессов, с увеличением освещенности, зона возбуждения РП сужается, световая чувствительность падает, а разрешающая способность увеличивается. При темновой адаптации, наоборот, тормозные процессы ослабляются, зона пространственной суммации увеличивается, световая чувствительность возрастает, а разрешающая способность уменьшается. Так происходит взаимный обмен разрешающей способности и световой чувствительности. РП функционирует как своеобразная следящая система, реагируя лишь на изменение освещенности, подчеркивая только смену состояния раздражителя. Обратную связь обеспечивает глазодвигательная система. Выявленные зоны нечувствительности, в которых мигрирующие точки фиксации не вызывают ответной реакции, ограничивают автоколебания системы. Выделение изменений в пространство и времени обеспечивает декорреляцию, т. е. нарушение избыточных статистических связей. По сути дела декорреляция - первая стадия кодирования сигнала в зрительном анализаторе. Практически декорреляция в сетчатке осуществляется разными способами, в частности предсказанием, индукцией, кинестетическим путем. Система предсказания в сетчатке довольно сложная. Замечено, что глаз человека реагирует не только на первые разности сигналов (первые производные), но и на вторые и более высшие производные. Так осуществляется обработка зрительной информации в РП.

Дальнейшая обработка зрительной информации, связанная с перекодированием непрерывных сигналов в дискретные нервные импульсы, происходит в ганглиозных клетках. Отсюда импульсы идут по волокнам зрительного нерва в подкорку и корковый центр зрительного анализатора. Скорость передачи импульсов колеблется в пределах от 6 до 60 имп./сек. Зрительная информация здесь кодируется частотой импульсов, числом импульсов в посылке, а также распределением интервалов между импульсами. В подкорковых зрительных центрах осуществляется общее редуцирование поступающих импульсов. Дискретизация сигналов с последующим их декодированием и объединением в известной мере обеспечивает генерализацию зрительного восприятия и уменьшение вредного воздействия случайных помех на этот процесс.

Окончательная обработка информации, связанная с декодированием нервных импульсов, формированием и запечатлением зрительных образов в виде психического изображения, их опознанием, а также управлением зрительным процессом, происходит в корковом центре анализатора. Современные исследования позволяют говорить о наличии, по крайней мере, трех иерархически связанных друг с другом зон в корковом отделе зрительного анализатора. Первичная зона состоит в основном из высокоспециализированных нейронов, избирательно отвечающих на элементарные яркостные, геометрические и цветовые параметры (признаки) сигнала. Продолжительность выделения подобных элементарных признаков постоянна и не зависит от их информационного содержания. Следовательно, корковые РП, состоящие из специализированных клеток, видимо, «работают» по врожденным программам безусловно-рефлекторного типа. В настоящее время достаточно подробно изучены РП, выделяющие элементы формы: углы наклона линий и длины линий контура. В первичной зоне осуществляется анализ элементов «проекционного сетчаточного изображения». Вторичная зона состоит не только из специализированных, но и из ассоциативных нейронов различного характера, обеспечивающих избирательное объединение (синтез) выделенных элементов. В следующей зоне, целиком состоящей из ассоциативных и так называемых мульти-модальных нейронов, осуществляются преобразование признаков и становление зрительного образа как некоторого целостного образования. Корковые РП последних зон «работают» по временным, условно-рефлекторным программам. Так ценой сложной структуры корковых РП обеспечивается высокая степень корковой интеграции.

Физиологические механизмы процессов обработки информации на корковом уровне, представляющие особый интерес для психологии дешифрирования, весьма сложны и мало изучены. Выделяются два основных механизма, обеспечивающие построение образов:

а) механизм выделения элементарных признаков образов, связанный с функционированием корковых РП по генетически закрепленным программам;

б) механизм выделения так называемых сложных признаков, связанный с функционированием сложных нейронных сетей по условно-рефлекторным программам. В той же работе делается интересная попытка раскрыть процедуру опознания отдельных образов или системы образов на основе использования присущих им сложных признаков. Показано, что эта процедура опирается на последовательное развертывание признаков, инвариантных к оптическим и геометрическим преобразованиям, без поэлементного описания, за исключением случаев совершенно незнакомых объектов. В качестве одного из доводов в пользу этого положения приводятся экспериментальные материалы о зависимости времени опознания целостных изображений от их информативности, определенной по величине алфавита. Опознание по сути дела сводится к классификации образов на одном уровне, с последующим выбором наиболее адекватного из «словаря зрительных образов».

Однако такой подход, опирающийся на трактовку образа, как отражение формы (контура) объекта, и сложных признаков, как некоторых статических интегральных образований, выполняющих разделительную функцию в пространстве образов, недостаточно полно раскрывает механизмы опознавательного процесса в случае зашумленных изображений и не показывает их связи с механизмами становления образа. Здесь не учитывается многоуровневость опознавательного процесса с изменением информативности воспринимаемых объектов при переходе от одного уровня к другому. Процессы преобразования и объединения признаков, формирования инвариантных структур, синтеза эталонных образов и опознания сложных изображений более адекватно раскрываются на основе собственно психологического анализа перцептивно-опознавательной деятельности, что будет показано в следующей главе.

Ряд работ посвящен исследованию мнемических свойств зрительной системы. В них показано, что сенсорные и мнемические функции этой системы находятся в единстве. Кратковременная память есть не что иное, как состояние рецепторного звена зрительного анализатора. Специальные эксперименты, проведенные по методике стабилизации изображения относительно сетчатки, показали, что на короткое время сетчатка запечатляет большое количество стимулов («иконическая» память). Ограничение объема кратковременной памяти, по мнению авторов, связано лишь с разрешающей способностью сетчатки и явлением иррадиации. Мнемические процессы имеют избирательный характер и обеспечивают избирательность восприятия. Нам представляется, что исследования рассмотренного цикла имеют существенное значение для выяснения природы структурирования сложных признаков в процессе опознания образов.

Как видно из изложенного, прием и первичная обработка зрительной информации осуществляются на основе совместного функционирования сенсорного и кинестетического аппаратов, но приоритет принадлежит первому из них.

Взаимодействие функций сенсорного и эффекторного звеньев зрительной системы в целом раскрыто в [1]. Авторами показаны отличия проекционных сетчаточных эффектов, обеспечивающих интеросистемную афферентацию двигательных процессов и получение прединформации об объектах от центрального перцептивного образа и динамика становления последнего.

1.1.2 Эффективность функционирования зрительной системы при восприятии первичных информационных моделей

Эффективность зрительного процесса при рассматривании малых деталей, с которыми приходится иметь дело при восприятии зашумленных изображений, определяется различительной, в том числе цветоразличительной, чувствительностью, разрешающей способностью зрительного анализатора и продолжительного восприятия. С другой стороны, эффективность этого процесса зависит от характера воспринимаемых объектов; технических характеристик системы построения информационной модели; атмосферно-оптических и съемочных условий; физической природы самих изображений.

Ниже рассматривается эффективность функционирования зрительной системы, главным образом при дешифрировании наиболее изученных аэрофотографических изображений, включая некоторые их разновидности.

1.1.3 Светоразличительная чувствительность

Как известно, светоразличительная (контрастная) чувствительность анализатора обратно пропорциональна порогу контрастности и зависит от силы раздражителей, взаимодействия их между собой, яркости поля адаптации, места и площади раздражения на сетчатке, продолжительности раздражения, от исходного уровня возбуждения анализатора, от взаимодействия различных анализаторов между собой и от ряда других общих физиологических условий. Она изменяется у различных операторов в значительных пределах.

Под дифференциальным порогом контрастности понимается отношение минимальной, еще ощущаемой, разности яркостей объекта и фона (ΔВ=ВВФ) к яркости фона (Вф). При средних яркостях раздражителей отношение прибавки к величине исходного раздражителя константно (закон Вебера):

К =ΔB/Bф= const.                                   (1.1)

Фактически ощущения изменяются медленнее, чем растет сила раздражителя. По Фехнеру, интенсивность ощущения растет пропорционально логарифму раздражения. Однако и этот закон имеет лишь приближенное значение. Исследования последних лет показывают, что связь между изменениями интенсивности раздражителей и интенсивности ощущений является нелинейной, связанной с изменениями чувствительности анализатора, со скоростью изменений раздражителя и т. д.. Более точно пороговые отношения описываются степенной функцией. По мнению ряда исследователей, процесс различения имеет «квантовый» характер. В [1] выдвинута гипотеза о зонном изменении порога различения, зависящем от отношения между приростом переменного раздражителя и разрешающей способностью сетчатки.

Для учета скорости изменений интенсивности раздражителя введен динамический порог различительной чувствительности. Наряду с интенсивностными порогами ныне выделяют временные и пространственные пороги, находящиеся в тесном единстве., Интересная «поведенческая» концепция пороговых процессов развивается в [1]. Автор показывает относительный характер функционирования этих процессов.

Для решения практических задач в инженерно-психологических исследованиях введено понятие оперативного порога различения, как правило, на порядок превышающего значения дифференциального порога. Дифференциальный порог контрастной чувствительности (К) не является постоянной величиной. Он зависит от абсолютной яркости объекта и фона, от угловых размеров объекта, от четкости его контура.

Многочисленные исследования Хика, Хаймена и др. показывают зависимость продолжительности времени дизъюнктивной сенсомоторной реакции от количества средней информации на стимул. В. И. Николаев на основе анализа структуры «полного времени оператора» выявил время, затрачиваемое на прием, переработку информации и принятие решения на сравнительно элементарном уровне [1]:

τ =0.03I,                                           (1.2)

где I - количество информации (индивидуальной или средней), перерабатываемой оператором.

Под общей пропускной способностью анализатора понимается то предельное количество информации в единицу времени (в сек.), которое может быть воспринято и переработано анализатором. Для ее оценки в настоящее время используется максимальная скорость приема и передачи информации человеком. Например, по данным [1], максимальная скорость приема знаковой информации равна примерно 60-70 дв. единиц (бит) в сек. При определении пропускной способности наблюдателям предъявлялись телевизионные изображения простых объектов и элементарные сюжетные картины. По данным [1], максимальная скорость приема информации, представленной буквами и цифрами, алфавит которых строго фиксирован, равна около 55 дв. единиц в сек. Фактически таким путем, как справедливо подчеркивает Б. Ф. Ломов, выявляется «мгновенное» значение пропускной способности.

Пропускная способность анализатора не является постоянной величиной, она зависит от целого ряда факторов. Во-первых, от характера самой информации. Показано, что время реакции по-разному зависит от величины индивидуальной информации и средней информации, связанной с длиной алфавита и распределением вероятностей появления его элементов. При этом оказывает влияние смысл и ценность воспринимаемой информации. Во-вторых, пропускная способность зависит от продолжительности времени предъявления информации. В-третьих, она зависит от характера решаемых задач, заметно падая с их усложнением и наличием помех, а также от степени тренировки и утомления оператора. В [1] показано, что пропускная способность вообще неодинакова для различных процессов приема и переработки информации. Надо сказать, что для сложных случаев человеческой деятельности рациональные количественные меры оценки пропускной способности пока не найдены.

Для дешифрирования большое значение имеет не только скорость зрительного восприятия, но и устойчивость ясного видения объектов, которая заметно колеблется у разных наблюдателей.

Для оценки временных характеристик деятельности человека в режиме информационного поиска в [1] разработана методика, основанная на измерении числа фиксаций глаз наблюдателя. В ряде исследований показано, что средняя длительность фиксации зависит от перцептивной и интеллектуальной сложности решаемых задач, оставаясь относительно постоянной в рамках одной задачи. Так, например, при работе с цифровыми таблицами средняя длительность фиксации равна приблизительно 0.2 сек.; при решении различных задач с условными знаками она изменяется от 0.25 до 0.52 сек.; при работе с экраном РЛС изменяется от 0.37 до 0.83 сек. Для ориентировочной оценки средней продолжительности времени упорядоченного поиска приборной информации предложена формула, основанная на определении числа шагов (фиксаций) для решения задачи в зависимости от структуры информационного поля и на оценке среднего времени одной фиксации:

τ1n =E1n*Tфn=((N+1)/(M+1))Tфn                            (1.3)

где E1n- математическое ожидание числа шагов (фиксаций) до первого успешного исхода;

N - общий объем отображения (общее число элементов информационного поля);

М - оперативный объем информации (число критических элементов информационного поля);

Tфn - длительность фиксации.

Эта формула предусматривает, что объем фиксации равен одному элементу (ή=1). В случае группировки элементов поля, величина N  в формуле (1.3) заменяется на N/ή. Для повышения точности необходимо внесение поправок, учитывающих инструментальные ошибки эксперимента [1]. Величина τ1n изменяется в зависимости от индивидуальных свойств наблюдателя.

Как будет показано ниже, рассмотренная методика не может быть полностью перенесена на работу с зашумленными информационными моделями, воспроизводящими реальную действительность. Вопросы прогнозирования временных затрат, в зависимости от структуры и информативности подобных моделей, рассматриваются в следующей главе.

Психофизиологические особенности восприятия телевизионных и тепловых изображений изучены недостаточно. Как было показано выше, возможности опознания объектов на этих изображениях более ограничены, за счет их пониженных изобразительных, измерительных и информационных свойств.


1.2 Здоровье человека и его функциональное состояние

Здоровье человека характеризуется «... не только отсутствием болезней, но и определенным уровнем физической тренированности, подготовленности, функционального состояния (ФС) организма» [4]. ФС человека является медицинским понятием, его уровень определяется врачом и служит «... характеристикой резервных возможностей организма и качества их регулирования» [3].

ФС организма во многом зависит от характера деятельности скелетных мышц. Чем интенсивнее двигательная деятельность в границах оптимальной зоны, тем больше увеличиваются функциональные ресурсы организма и продолжительность жизни. Исследования показали, что частота сердечных сокращений (ЧСС) в процессе рабочего дня на современном производстве не превышает 95 ... 100 ударов в минуту, что значительно ниже пороговой величины 130 ударов в минуту, обеспечивающей тренировочный эффект. Все продолжающееся снижение удельного веса физической активности в профессиональном труде привело к тому, что у значительного числа людей наблюдается детренированность и для них лечебное и профилактическое значение физических упражнений трудно переоценить. При этом только специальные физические упражнения достаточной интенсивности способны выступать в роли фактора, улучшающего ФС. Тяжелый физический труд с выраженным силовым компонентом (шахтеры, грузчики, докеры и др.) не только не улучшает состояние здоровья, но и способствует расстройству опорно-двигательного аппарата, развитию заболеваний [3, 4, 8].

Общеукрепляющее оздоровительное действие физических упражнений проявляется в результате занятий [9]:

- физической культурой - «... занятий физическими упражнениями с целью укрепления или восстановления здоровья»;

- спортом - «... занятий физическими упражнениями большого объема и интенсивности, специфической направленности, преследующее цель достижения высоких результатов, роста спортивного мастерства в конкретном виде спорта».

Об этом свидетельствуют данные изучения состояния здоровья занимающихся физической культурой и спортсменов разной квалификации, многолетние наблюдения за ведущими спортсменами [6].

Особенности спортивной тренировки требуют максимальной мобилизации резервов организма спортсмена, так как рост спортивных достижений заставляет повышать объемы и интенсивность тренировок, которые идут на грани человеческих возможностей, вызывая иногда нежелательное функциональное перенапряжение. Неизбежным следствием тренировки, как и любой мышечной деятельности, является утомление, т. е. «временное уменьшение функциональных возможностей организма, вызванное интенсивной или длительной работой и выражающееся в снижении работоспособности» [10]. Утомление является  «... физиологическим, предохранительным механизм, защищающим организм от перенапряжения» [6].

Эффективность тренировочного процесса во многом обусловлена степенью соответствия применяемых нагрузок уровню ФС, индивидуальным особенностям каждого конкретного занимающегося. Одни и те же нагрузки могут оказать различное и прямо противоположное воздействие - повышение тренированности  при соответствии нагрузки ФС тренирующегося и, наоборот, отсутствие эффекта, переутомление, т. е. «комплекс функциональных нарушений в организме, обусловленных чрезмерным однократным утомлением или прогрессирующим накоплением утомления, сохраняющегося на протяжении длительного времени» [10], а иногда и развитие различных пред- и патологических состояний, если должное соответствие не обеспечено. Из практики известны случаи, когда у спортсменов после больших физических нагрузок некоторые рефлексы резко снижались или временно исчезали. Необходимость усиления контроля ФС спортсменов подтверждается тем, что среди спортсменов патология внутренних органов встречается чаще и даже наблюдаются случаи внезапных смертей на тренировках и соревнованиях. Имеются данные об увеличении заболеваемости и среди юных спортсменов. Интенсивная и чрезмерная физическая нагрузка снижает защитные силы организма  и делает его подчас беззащитным по отношению к инфекции. Среди спортсменов процент лиц с очагами хронической инфекции значительно выше, чем среди лиц, не занимающихся спортом. Доказано, что при интенсивных и продолжительных физических нагрузках и связанного с ними переутомления, снижается активность лейкоцитов и  ухудшается функция защитных механизмов. Основную роль в предупреждении снижения иммунитета  играет совершенствование методики тренировки, ее строгая индивидуализация, не допускающая перегрузок [6, 11, 12].

1.2.1 Контроль функционального состояния человека

На протяжении многих веков врачи принимали участие в рациональном использовании различных видов физических упражнений. Описание гимнастики содержится в рукописях индийских и китайских врачей, написанных за 3000 лет до н. э. В древнем Риме врачи работали в школах гладиаторов и борцов. Значение гимнастики как лечебного и гигиенического средства высоко оценивал Гиппократ (460 - 377 гг. до н. э.). В XV веке в Италии был создан знаменитый Салернский кодекс здоровья, содержащий описание утренней зарядки, которая напоминает современную. В начале XIX века король Фридрих Вильгельм IV, основываясь на работах немецких врачей, ввел в Германии физические упражнения в школах [13].

В конце XVIII и начале XIX веков русские ученые А. И. Протасов, С. Г. Забелин, Е. М. Гржимайло и другие писали о необходимости врачебных наблюдений за занимающимися физической культурой и спортом. В конце XIX и начале XX столетий активно пропагандировали необходимость физического воспитания и постоянного медицинского контроля за ним П. Ф. Лесгафт, В. Е. Игнатьев, В. В. Гориневский и др.

В настоящее время изучением здоровья, физического развития и ФС организма человека в целом и его отдельных систем, а также диагностикой, лечением и профилактикой заболеваний и повреждений в связи с занятиями физической культурой и спортом занимается спортивная медицина, которая для решения указанных задач разрабатывает методы и приемы контроля функционального состояния.

Работа врача по медицинскому обеспечению занимающихся физической культурой и спортом охватывает широкий круг вопросов, в частности [6]:

- оценку состояния здоровья;

- контроль за состоянием здоровья в ходе занятий или тренировочного процесса;

- диагностику ФС;

- выявление влияния на организм режима и методики тренировки.

В этих целях врачебные наблюдения проводятся как в кабинете врача, так и непосредственно в процессе тренировки и соревнований. Динамика ФС, оцениваемая по различным показателям при обследованиях, отражает рациональность и обоснованность используемого режима тренировки, ее объема и интенсивности, степень соответствия выполненной нагрузки возможностям каждого занимающегося, выявляет адаптационные изменения в организме, изучаемые морфологией, «... комплексной наукой об общих и локальных изменениях компонентов двигательной деятельности с ее системами исполнения, обеспечения и управления на всех уровнях их структурной организации» [15]. Способность к адаптации, как физиологической основы тренированности, имеет огромное значение в спортивной деятельности, поскольку при этом реализуется направленное тренирующие воздействие физических упражнений [6, 7, 16, 17].

Выполненные в последние годы исследования по раскрытию механизмов адаптации людей с различными условиями деятельности убедительно доказывают, что морфо-функциональные перестройки при долговременной адаптации сопровождаются следующими процессами [17]:

- изменением взаимоотношений регуляторных механизмов;

- мобилизацией и использованием физиологических резервов организма;

- формированием специальной функциональной системы адаптации к конкретной трудовой или спортивной деятельности человека.

Эти три физиологические реакции являются главными и основными составляющими процесса адаптации, а общебиологическая закономерность таких адаптационных перестроек относится к любой деятельности человека. Если сила воздействия превышает способность организма к адекватному ответу или режим повторений не позволяет организму восстановиться, происходит срыв адаптации. Для исчерпывающей характеристики адаптационных способностей необходимо знание качества регулирования резервами организма, определяемое индивидуальными особенностями конкретного человека [18].

Процесс адаптации связан с неодинаковой биологической значимостью отдельных функциональных систем организма, они изменяются различным образом в зависимости от того, какую роль играет каждая из них в общей приспособительной реакции. Известно, что при формировании и тренировке трудовых и спортивных навыков происходит совершенствование условно-рефлекторных связей и установление согласованной работы органов и систем. Исследования показали, что в результате многолетней тренировки у спортсменов происходит полная перестройка взаимодействия между системами организма, создается такая их форма, которая является наиболее благоприятной для получения необходимого результата. Получены данные об изменении внутрисистемных и межсистемных связей периферических систем в процессе мышечных нагрузок различной длительности, о поведении конкретных связей у лиц с различной тренированностью. Полученные данные находят объяснение с позиций теории функциональной системы, разработанной П. К. Анохиным, из которой следует  способность организма объединять разнородные органы на функциональной основе путем получения информации о конечном полезном результате, в итоге функциональной системой принимается решение, создающее новое состояние [17, 19, 20, 21, 22, 23, 24].

Сущность тренировки заключается в том, что организм, сталкиваясь с утомлением, ведет с ним борьбу и стремиться отодвинуть момент его наступления, а если оно все же наступает, продолжает работу. Последнее обстоятельство - продолжение работы, несмотря на то, что утомление уже наступило, особенно важно, так как без утомления тренировка не будет эффективной, но при переутомлении она станет вредной. Возрастающее утомление сказывается на кинематических и динамических характеристиках техники движения. При дальнейшем выполнении упражнений в условиях переутомления эти характеристики значительно искажаются и не столько совершенствуется техника движений, сколько закрепляются ошибки. Грань между утомлением и переутомлением очень тонка, что требует тщательного контроля ФС спортсмена [6, 11, 12].

1.3 Анализ методов определения функционального состояния человека

Теоретической основой медико-биологического контроля ФС человека служит теория функциональных систем организма и учение о гомеостазе [21, 22, 25, 26], «... под которым понимают процесс динамического уравновешивания организма со средой, способность поддерживать на определенном, относительно постоянном уровне, физиологические параметры.

1.3.1 Методы тестирования организма человека

Функциональной диагностикой при физических нагрузках занимается  область спортивной науки - спортивная метрология, возникшая на базе классической теории тестов, т. е. «... специальных двигательных заданий» [29]. Результаты выполнения тестов служат мерой изучаемых свойств, получаемая информация о ФС является основой для научного управления процессом физического воспитания.

Согласно программе, разработанной Международным комитетом по стандартизации тестов, предусмотрены, наряду с другими, следующие направления [6]:

- выявление ФС с целью определения подготовленности к занятиям физической культурой и спортом,  экспертизы профессиональной пригодности;

- определение реакции разных систем организма на физическую нагрузку;

- исследование эффективности программ тренировки и реабилитации.

Тестирование проводится непосредственно в условиях учебно-трениро-вочных занятий. Это пробы с повторными и дополнительными нагрузками, тест Купера и др. При пробе с повторными нагрузками выполняются серии специфических для исследуемого спортсмена тренировочных упражнений с высокой интенсивностью. Об уровне тренированности судят по степени снижения результативности упражнения (определяет тренер) и нарастанию утомления (определяет врач). Нагрузка выполняется повторно с оптимальными по продолжительности интервалами отдыха и числом повторений. При пробе с дополнительными нагрузками определяется сравнительная оценка реакций организма на стандартную нагрузку до и после тренировки [30].

В зависимости от времени регистрации показателей различают рабочие и послерабочие  тесты. В первом случае показатели фиксируются непосредственно во время выполнения нагрузки, во втором - после ее прекращения, т. е. в период восстановления. Наиболее достоверную информацию позволяет получить регистрация адаптивных сдвигов ФС во время работы с характеристикой особенностей восстановления [6].

Большинство тестов характеризует деятельность организма в целом. Было время, когда ФС определялось по ЧСС и величине артериального давления (АД) после функциональной пробы из 10 приседаний [31]. Наиболее простой и удобной физической нагрузкой при тестировании являются бег и ходьба, которые используются в 12-минутном тесте, разработанным американским врачом К. Купером. При выполнении теста человеку предлагается за 12 минут пробежать или пройти максимально доступное расстояние, в зависимости от величины которого выделяют группы обследуемых и выставляют соответствующую оценку ФС [32].

Широко используется проба Мастера или гарвардский степ-тест, название которого связано с местом, где он был разработан - лаборатория утомления при Гарвардском университете. Это подъем и спуск по одно- или двухступенчатой лестнице с заданным количеством восхождений и спусков в минуту. Комбинированной пробой является проба С. П. Летунова - 20 приседаний, затем 15-секундный бег в максимальном темпе и 3-минутный бег со скоростью 180 шагов в минуту [28].

Точную дозировку физической нагрузки при тестировании получают методами эргометрии с использованием [6, 28, 30]:

- велоэргометра при работе сидя или лежа;

- степэргометра или ступеньки степ-теста;

- тредбана (тредмила) или бегущей дорожки;

- ручного эргометра.

Для определения физической работоспособности применяется тест Валунда-Шестранда RWC-170 (от английского термина «Physical Working Capa-city» - физическая работоспособность), с помощью которого определяется мощность физической нагрузки в Вт, при которой частота сердечных сокращений после врабатывания устанавливается на уровне 170 ударов в минуту. Для проведения теста необходимо иметь велоэргометр или степэргометр, метроном, секундомер и электрокардиограф или фонендоскоп. Обследуемый выполняет в течение 5 минут нагрузку, подобранную таким образом, чтобы получить заданное значение ЧСС, равное 170 ударов в минуту. Выбор ЧСС, равной 170 уд/мин определяется тем с физиологической точки зрения фактом, что она характеризует начало оптимальной зоны функционирования кардиореспираторной системы при нагрузке. В большом диапазоне мощностей физических нагрузок взаимоотношения между ЧСС и мощностью нагрузки оказываются практически линейными, что позволяет методом линейной экстраполяции рассчитать показатель PWC-170 по двум относительно небольшим нагрузкам [4, 6, 30].

Используется также тест Новакки, который состоит в определении времени, в течении которого испытуемый способен выполнять на велоэргометре нагрузку определенной, зависящей от его веса, продолжительности. Нагрузка увеличивается от 1 Вт/кг через каждые две минуты на 1 Вт/кг до тех пор, пока испытуемый не откажется выполнять работу.

У спортсменов с разной направленностью тренировочного процесса функционируют на более высоком уровне разные системы организма, так как для каждого вида спорта специфично свое соотношение отдельных его функций. Применяемые функциональные пробы, методики оценки результатов проб должны соответствовать направленности тренировочного процесса, нет и не может быть универсальных, одинаковых для всех спортсменов критериев оценки уровней функций систем организма и их соотношений [13, 28, 31, 33].

1.3.2 Методы диагностики систем организма человека

Функциональная диагностика использует широкий комплекс методов определения состояния сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной, нервно-мышечной, анализаторной систем, внутренней среды организма, системы иммунитета, постоянно пополняется новыми инструментальными и лабораторными методами.

При диагностике сердечно-сосудистой системы показателями гемодинамики являются объем циркулирующей крови, минутный объем кровообращения, ЧСС, артериальное и венозное давления. Больший вклад в разработку методов сделан Р. М. Баевским [34, 35], который предложил для целей диагностики ФС анализ сердечного ритма. Помимо электрокардиограммы (ЭКГ), уже вошедшей в категорию обычных методик, используется холтеровская ЭКГ, названная по имени ее автора Холтера. Методика заключается в том, что на человека одевают небольшой прибор, записывающий ЭКГ в течение длительного времени, затем записи расшифровываются. Появилось ряд новых методик - эхокардиография, корреляционная ритмография и др. [25, 28, 36].

Для диагностики дыхательной системы используется тест МПК - максимального потребления кислорода. При этом обследуемым выполняется работа с нарастающей мощностью при одновременном определении величины поглощения кислорода. В некоторый момент, несмотря на нарастание мощности работы, поглощение кислорода перестает увеличиваться, эта величина поглощения  и есть значение МПК. Для определения МПК прямым методом необходима газоспирометрическая аппаратура, позволяющая измерить легочную вентиляцию и содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. При косвенных методах исходят из того, что между ЧСС и величиной потребления кислорода существует линейная зависимость и что МПК достигается при определенном уровне ЧСС. Всемирная организация здравоохранения рекомендует определение МПК как один из наиболее надежных методов оценки дееспособности человека [28, 30, 37].

Спутником система дыхания является респираторная влагопотеря. Конденсат выдыхаемого воздуха несет информацию о количественных изменениях экспирата и уровне метаболизма в легких. Разработана методика, позволяющая осуществить диагностику состояния легких по данным респираторной влагопотери и анализу экспирата с одновременной регистрацией параметров дыхания и газообмена. Исследования доказали, что объем экспирата отражает индивидуальные особенности организма и является стабильным, надежным и информативным критерием интенсивности респираторной влагопотери. В экспирате обнаружен лактат, уровень которого коррелировал с его количеством в крови [38].

Под влиянием мышечной работы в составе крови наступают изменения, зависящие от характера и интенсивности физической нагрузки. При нагрузке происходит увеличение концентрации лактата в крови, ее вязкости, изменяется количество эритроцитов, величина гематокрита, кислородная емкость крови, возрастает количество лейкоцитов, последнее получило название «миогенного лейкоцитоза», у которого выделяют три фазы, причем третья фаза, интоксикационная, связана с чрезмерностью нагрузки [6, 36, 39].

Л. Х. Гаркави, Е. Б. Квакина  и  М. А. Уколова [40] разделяют физиологические реакции организма в ответ на действие различных по силе раздражителей на две фазы. По их мнению на слабые раздражители развивается реакция тренировки, при действии же сильных раздражителей возникает реакция стресса. Авторы предлагают каждую из указанных реакций определять по составу белой крови. По их данным реакция тренировки характеризуется нормальными числом лейкоцитов и уровнем лимфоцитов. Возрастающая величина раздражения характеризуется 4000 ... 9000 лейкоцитов, повышением уровня лимфоцитов до 33 % и выше и относительной эозинопенией 2 ... 0,5 %. Для стресса типичны лейкоцитоз (выше 9000), эозинопения до 0 %  и лимфопения менее 20 %. При этом изменение уровня лимфоцитов является одной из первых ответных реакций организма на чрезмерную нагрузку.

Для физического и эмоционального здоровья важен определенный уровень холестерина в крови. Отрицательным является как повышенное, так и пониженное его содержание. К. Купер [41] установил четкое соответствие между отношением общего содержания холестерина к липопротеинам высокой плотности и состоянием физической тренированности, что в большой степени определяет состояние здоровья людей.

Один из самых выразительных, жестко гомеостазированных параметров внутренней среды организма является кислотно-щелочное состояние крови, изменения которого при мышечной деятельности позволяют судить об адаптационных возможностях работающего организма [26, 43].

Изучались гормональные показатели крови. Использование показателей кортизола и соматотропина позволяет оценить индивидуальную адаптацию спортсмена в тренировочном процессе, что полезно для его корректировки, оценки ФС, причем значительное увеличение -эндорфина после напряженной физической нагрузки отмечается только у нетренированных людей [44, 45, 46].

Исследовались количественные характеристики показателей липидного обмена, таких как концентрация общих липидов, свободных жирных кислот и  глицерина, определяемых в цельной крови или сыворотке. При анализе результатов обнаружено, что характер использования отдельных жирных кислот в процессах энергопродукции достаточно избирателен и зависит от ФС организма, двигательной деятельности и характера питания [47, 48].

Изучалась концентрация марганца в организме животных при мышечной деятельности различного характера, дозировки и продолжительности. Особое значение этот микроэлемент имеет в энергетическом обмене, поскольку он необходим для процессов окислительного фосфорилирования.  При однократной нагрузке с увеличением ее продолжительности содержание марганца в крови в начале увеличивается, а затем снижается. При регулярных тренировках с оптимальной однократной продолжительностью с возрастанием тренированности содержание марганца в крови возрастает [49].

Исследование показало, что изучение костного мозга у спортсменов помогает уточнить пути адаптации системы крови к спортивной деятельности и глубину гематологических нарушений при неадекватности физических нагрузок, позволяют давать рекомендации по коррекции тренировочного процесса [50].

Утомление при физической нагрузке сопровождается угнетением активности эндокринных желез. Наблюдения и эксперименты позволили установить связь между гормональной функцией надпочечников и способностью организма к мышечной деятельности, причем усталость есть первый симптом, возникающий при надпочечниковой недостаточности, и последний, который исчезает при лечении. Реакции организма при мышечной деятельности, не связанной с выраженным утомлением, осуществляются без вовлечения системы гипофиз - кора надпочечников [51, 52, 53].

По изменению функции почек при физических нагрузках судят о функциональных возможностях организма, оценивают его реакцию на физическую нагрузку и адекватность ее ФС организма, а также определяют момент возникновения утомления и переутомления. При появлении утомления наблюдается увеличение экскреции 17-оксикортикостероидов в моче [6, 54].

Изучены изменения интенсивности спонтанной биохемилюминесценции мочи и уровня кортизола в слюне спортсменов при выполнении физической нагрузки, доказана возможность использования тестов для оценки ФС, работоспособности и выносливости [55, 56].

Для определения степени утомления исследуется проба клеток буккального эпителия с внутренней поверхности щеки, в которой определяют количество электроотрицательных клеточных ядер и их отношение к общему количеству исследованных клеток и по уменьшению этого отношения определяют степень утомления [57].

Используется метод исследования экскреции мочевины и аминокислот кожей. Повышенные физические нагрузки приводят к отклонениям от нормального уровня кожной экскреции азотистых шлаков, в результате утомления повышается уровень аминокислот, мочевины, а также молочной кислоты. Экскрет кожной поверхности получают смывом с определенных участков кожи, например, с ладонной поверхности руки [58, 59].

Состояние определенных зон кожи отражает состояние отдельных органов и систем организма. В 60-е годы корейский исследователь Ким Бон Хан обнаружил в организме систему меридианов, по которым циркулирует энергия. В Японии популярно учение Ryodoraku, развитое Y. Nakatani, о меридианах тела, о зависимости между ФС внутренних органов и электрическими потенциалами в кожных точках соответствующих меридианов. Исследования показали, что меридианы тела ведут себя как чувствительные индикаторы, сигнализирующие об изменениях во внутренней среде и их масштабах. Исследования биологически активных точек, объединенных в меридианы, показывают, что кривые тока отражают ФС человека и зависят от величины физической нагрузки, непосредственно предшествовавшей записи, что позволяет судить о степени утомления [60, 61, 62].

Иммунологические показатели изменяются как при благоприятной, так и неблагоприятной реакции организма на тренировочные нагрузки. Наиболее существенны изменения показателей Т-системы иммунитета и таких факторов местного иммунитета, как лизоцим и секреторный иммуноглобулин-А слюны [5].

При спортивной деятельности, связанной с проявлением выносливости, решающую роль играет состояние системы транспорта кислорода. Вместе с тем кислородное обеспечение мышц связано не только с кардиодинамикой, но и с микрогемоциркуляцией, параметрами системы крови и гемореологией. Функциональные показатели названных систем  изменяются по-разному при длительной тренировке и имеют разную информативность для принятия решения о ФС организма. Результаты исследований свидетельствуют о целесообразности проведения в данных видах спорта еженедельного гематологического контроля, в частности, показателей концентрации гемоглобина и гематокрита красной крови. Падение концентрации гемоглобина и повышение показателя гематокрита является сигналом о необходимости коррекции тренировочных нагрузок [63, 64].

Анализ показал, что в функциональной диагностике гематологические показатели (pH крови, концентрация лейкоцитов, гемоглобина и эритроцитов) широко используют для контроля за процессами тренировки и восстановления, оценки индивидуальной реакции спортсмена на нагрузку и т. д. При выполнении работы гематологические показатели существенно изменяются, их новый уровень отражает реакцию на нагрузку разных систем организма. Однако эти величины не коррелируют ни с количеством выполненной работы, ни с временем ее выполнения, ни с мощностью работы, выполняемой до отказа. В то же время прогностическая значимость таких показателей зачастую не соответствует уровню физической работоспособности и спортивным результатам. Сдвига показателя pH крови у спортсменов в большинстве случаев также не отмечается. Такие показатели, как параметры легочной вентиляции, МПК, содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе и лактата в крови дают разные оценки ФС при физической работе, близкой к максимальной [65, 66, 67, 68].

По результатам исследований следует, что на этапе становления и развития тренированности отчетливо проявляются сдвиги со стороны отдельных параметров, после достижения спортсменом относительно высокого уровня ФС, т. е. на этапе долговременной устойчивой адаптации, дальнейшие сдвиги либо отсутствуют, либо столь незначительны, что направленные на их определение методы становятся все менее информативными [69].

Общим недостатком определения уровня различных метаболитов, гормонов и ферментов в организме человека, является то, что это связано с отборами и анализом венозной или капиллярной крови, мочи, слюны и других проб.

1.3.3. Методы интегральной оценки функционального состояния человека

Отражение всех адаптационных процессов организма к физической нагрузке в центральной нервной системе позволяет выбрать в качестве  интегральной оценки ФС организма уровень функциональной активности головного мозга. Посредством регистрации биотоков и медленной электрической активности мозга можно изучать ФС в покое, во время занятий физическими упражнениями, после выполнения стандартных физических нагрузок. Однако данные методы из-за сложности технического обеспечения не могут применяться для оперативного контроля в естественных условиях учебно-тренировочного процесса [6, 70].

ФС организма может определяться по статикокинетическим функциям спортсмена. Установлено, что чем лучше тренированность, тем стабильнее положение тела в пространстве, тем меньше разница в частоте колебаний тремора в трех позициях Ромберга. Экспериментально показано, что средняя амплитуда тремора зависит от утомления, для оценки которого определяется тремор в покое, перед тренировкой. Оценить ФС возможно по времени сенсомоторной реакции, которое зависит от утомления, индивидуальных особенностей человека, его возраста и ряда других факторов [6, 71, 72].

Температура кожи тонко реагирует на физические нагрузки, критерием теплового состояния организма является поперечный температурный градиент. В условиях покоя у здоровых людей он составляет 4 ... 4,50 С, при мышечной работе прогрессирующе снижается, величина градиента порядка 10 С и ниже свидетельствует о предельном тепловом состоянии организма и его переутомлении. Перспективно использование бесконтактной термографии (тепловидения) для оценки изменений температуры при нагрузках разного характера [6, 73].

Один из информативных интегральных показателей ФС организма - электропроводность кожи, которая изменяется при появлении утомления вследствие физических нагрузок. По одной из методик утомление фиксируется при коэффициенте асимметрии электрического сопротивления кожи правой и левой рук менее минус 0,2. Измерения кожно-гальванического потенциала при физическом усилии и через заданное время после его окончания позволяют по величине амплитуды восстановленного потенциала сделать вывод о ФС испытуемого [74, 75, 76, 77, 78].

Скорость протекания анаэробных процессов прямо пропорциональна физической нагрузке, поэтому о мощности и интенсивности физических упражнений судят по функциональным показателям, например, по уровню МПК. Однако уровень МПК является расчетным, интегральным параметром, базируется на далеко не всегда одинаково значимых связях между искомыми и регистрируемыми, в частности, ЧСС, показателями. При этом сам показатель ЧСС является интегральным, он кроме физической нагрузки зависит от состояния миокарда и нервной системы, особенностей регуляции ритма, скрыто протекающего атеросклероза и многих других факторов. Исследования показали, что значения энергетических показателей в большинстве случаев, за исключением лыжников-гонщиков и бегунов на длинные дистанции, не отражают степени тренированности, не соответствуют характеру адаптации к стандартным нагрузкам [13, 33, 66].

1.3.4 Системность показателей функционального состояния человека

Анализ методов определения ФС показал, что многие исследователи занимаются изучением отдельных показателей функции крови, дыхания и других систем, причем не отмечают, почему отдают предпочтение тому или иному показателю. Между тем о системных механизмах адаптации к физическим нагрузкам можно судить только на основе учета совокупности реакций целостного организма, включая показатели функций центральной нервной системы, двигательного и гармонального аппаратов, органов дыхания и кровообращения, системы крови и иммунитета и др. В частности, физиологами военного труда путем определения надежности (стабильная устойчивость и несущественные колебания параметра от одного измерения к другому) и валидности (адекватность параметра исследуемому явлению) различных клинико-физиологических, биохимических и психофизиологических параметров было установлено, что только комплекс из шести показателей (время сложной сенсомоторной реакции с выбором, КЧСМ, ЧСС, пульсовое АД, выносливость к статическому мышечному усилию и индекс степ-теста) обладает значимой корреляционной связью с прямыми критериями профессиональной работоспособности [17, 79].

Основанием для вынесения оценок работоспособности и ФС являются изменение общего состояния и внешнего вида, появление жалоб на слабость, одышку, головокружение, головные боли, боли в области сердца, уха или правого подреберья, бледность лица, трудность дальнейшей работы, частое неглубокое дыхание, низкие величины МПК, значительное увеличение ЧСС, резкое повышение или понижение АД, нарушение ритма работы сердца, изменения ЭКГ, сдвиги компонентов метаболизма, повышение концентрации лактата в крови, снижение содержания гемоглобина и эритроцитов в сыворотке крови, падение концентрации лимфоцитов и эозинофилов, повышение гематокрита, повышение белка и ферментных элементов в моче и многое др. [69].

Анализ очередности проявления симптомов утомления позволяет заключить, что еще задолго до проявления других симптомов уменьшается соотношение между скоростью транспорта кислорода артериальной кровью и скоростью его потребления до уровня, близкого к критическому, развивается венозная гипоксемия, свидетельствующая о падении содержания кислорода в работающих мышцах. Вслед за венозной гипоксемией обнаруживаются изменения в крови, повышается содержание кислых продуктов, увеличивается содержание лактата. За этими изменениями следуют усиления дыхания и кровообращения, которые в известной мере ограничивают прогрессирование гипоксии и вызываемых ею изменений. Компенсаторные механизмы активно и эффективно функционируют некоторое время, после чего работоспособность снижается, утомление резко возрастает [80].

1.4 Критическая частота световых мельканий как параметр функционального состояния человека

Как следует из вышеизложенного, для получения объективной оценки ФС организма человека необходимо применение оптимального количества критериев, тестов и методов, проверенных на информативность и надежность. В то же время в процессе трудовой деятельности или в ходе тренировок и соревнований желательно иметь быстрый и надежный метод интегральной оценки ФС, который должен быть простым в использовании, комфортным для исследуемого, легким в обработке материала и позволяющим оценивать изменения ФС количественно.

Особенностью биологических систем является сложность их структуры, иерархичность. Их отличает несколько уровней взаимодействия, отдельные системы объединены причинно-следственными связями,  изменение одних систем или связей между ними влечет изменение других систем и других связей. При этом разные системы могут мобилизоваться в разной степени, отражая сложную систему регулирования и взаимокомпенсации функций, что наиболее отчетливо проявляется при физических нагрузках. Бесспорно, что главное внимание должно быть направлено на ту функцию, которая больше всего участвует в данном физическом упражнении, но вместе с тем функции, далекие от главной, свидетельствуют об изменении ФС [13, 31, 69].

1.4.1 Зрительные функции человека

Состояние органа зрения и его зрительных функций имеет большое значение в восприятии окружающего мира, так как более 80 % информации человек получает через зрительный анализатор. Зрение неоценимо в жизнедеятельности человека, в его трудовой деятельности.

При исследовании зрения различают следующие зрительные функции, между которыми установлена взаимосвязь [81, 82, 83, 84]:

- светоощущение (абсолютная световая и контрастная чувствительности);

- цветоощущение;

- бинокулярное и стереоскопическое зрения;

- острота зрения;

- поле зрения;

- КЧСМ и др.

Зрительные функции зависят от цвета раздражителя, состояния системы кровообращения, концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе, климатических условий, времени суток, возраста и других факторов. Выявлено влияние на зрительные функции комплекса производственных факторов, таких, как высокая температура, загазованность, запыленность, освещенность, степень влияния зависит от профессии и стажа работы. У лиц прецизионного труда при большой нагрузке на зрение зрительные функции вначале при врабатывании повышаются, а затем постепенно ухудшаются. В условиях невесомости в космическом полете отмечено снижение всех функциональных показателей зрения на первых 10 витках полета, постепенно оно уменьшается и зрительные функции стабилизируются к 150 витку полета [81, 83, 85, 86, 87].

1.4.2 Критическая частота световых мельканий как мера реакции зрительной системы человека

Орган зрения состоит из двух глаз с оптическим аппаратом и светочувствительными и нервными клетками, проводящих нервных путей, подкорковых и корковых зрительных центров, защитного и вспомогательного аппаратов. При воздействии света на глаз возбуждение в соответствующих центрах головного мозга возникает не сразу, так как в сетчатке и нерве должен совершиться ряд физико-химических процессов. Между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения существует некоторое время, называемое «временем ощущения», открытие которого принадлежит Н. Е. Введенскому [81, 88].

Зрительные ощущения не исчезают одновременно с прекращением раздражения. Раздражение расходует некоторую долю светочувствительного вещества глаза, на восстановление убыли которого требуется некоторое время, происходят и остающиеся после раздражения восстановительные процессы в зрительных центрах. В результате между моментом прекращения раздражения на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения существует некоторое «время восстановления»[88].

При воздействии на глаз мелькающего света из-за наличия времени ощущения и времени восстановления при некоторой частоте мельканий возникает явление их слияния. Частота мельканий света в секунду, при которой наступает слияние мельканий, является функцией периферической и центральной нервной систем и называется критической частотой слияния мельканий. КЧСМ является мерой лабильности (функциональной подвижности), понятие которой было введено Н. Е. Введенским в 1892 г. и в дальнейшем развито А. А. Ухтом-ским. Под лабильностью они понимали «... скорость тех элементарных реакций, которыми сопровождается физиологическая деятельность данного аппарата» [81]. Мерой лабильности, по Н. Е. Введенскому, является та максимальная частота реакций, которую данный аппарат может воспроизводить в точном соответствии с ритмом применяемых раздражений [81, 88].

1.4.3 Критическая частота световых мельканий как параметр функционального состояния зрительной системы и организма человека в целом

Прерывистое раздражение глаз светом при исследовании работы органа зрения применил впервые Л. Г. Беллярминов (1889 г.). Позднее экспериментально установлено, что зрительное утомление снижает КЧСМ (Markstein, 1932 г.; Snell, 1933 г.). Я. Э. Нейштадт, Н. М. Данциг, Т. Б. Шубова и Л. И. Мкртычева (1936 г.) доказали чувствительность метода КЧСМ для определения степени зрительного утомления [81]. В работе О. Р. Охременко [89] приведены результаты исследований степени зрительного утомления у лиц, выполняющих прецизионные трудовые операции (огранщики алмазов). Параметры ФС организма регистрировались до начала рабочей смены, затем через 0,5 ... 1,0 час по ее окончании и утром следующего дня. Отмечены следующие симптомы утомления: увеличение времени простой сенсомоторной реакции на 37,1 ± 12,0 %, снижение КЧСМ на 31,9 ± 5,9 %, снижение скорости переработки зрительной информации на 26,0 ± 8,0 %, рост АД на 15,0 ± 2,6 %, рост ЧСС на 10,3 ± 2,1 %.

М. И. Виноградов (1958 г.) показал, что наиболее характерной чертой утомления организма человека в целом является снижение лабильности органа зрения.  Доказано (В. Душков, Г. Шопов, 1972 г.; В. Гаврийски, 1981 г.), что под влиянием физической нагрузки, ее объема и интенсивности КЧСМ меняется, поэтому наблюдение за динамикой КЧСМ дает возможность судить о ФС организма, степени его утомления [81, 90]. По мнению В. Ф. Пешкова [91] показатель КЧСМ, наряду с показателями динамометрии, теппинг-теста и электрокожного сопротивления являются наиболее информативными критериями ФС организма человека.

В литературе по морской медицине [92, 93] показатель КЧСМ используется более часто, чем другие методы исследования, в связи с такими преимуществами как простота методики, портативность аппаратуры, незначительные временные затраты и высокая информативность при определении утомляемости организма. Проведенные наблюдения свидетельствуют о том, что показатель КЧСМ удобен и показателен как критерий утомления, объективно характеризует динамику работоспособности и развитие утомления организма как в процессе вахты, так и в процессе рейса. Критерии оценки состояния моряков на основании данных КЧСМ коррелируют с другими показателями - статическим тремором, количеством адреналина в моче и другими показателями [94].

При исследовании динамики утомления у опытных летчиков в процессе переучивания на новый тип самолета на основе ряда параметров, в том числе КЧСМ, рассчитывается индивидуальный показатель. Показано, что величина индивидуального показателя соответствует степени утомления и может быть использована для его прогностической оценки. В медицине труда метод КЧСМ используется наряду с другими психофизиологическими и клинико-физиологическими методами [95, 96].

Имеющиеся многочисленные данные о зависимости значения КЧСМ от степени утомления организма человека объяснимы с точки зрения современной теории утомления, в разработке которой сыграли большую роль работы И. М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. Е, Введенского, А. А. Ухтомского, Л. А. Ор-бели, Л. Л. Васильева, М. И. Виноградова и других ученых и исследователей. Проблему утомления изучали физиологи Г. В. Фольборт, С. А. Косилов и другие естествоиспытатели. Установлено, что в развитии утомления, вызванного физической или умственной работой, основная роль принадлежит центральной нервной системе [97, 98]. Согласно исследованиям В. В. Розенблата [99, 100] утомление организма человека есть целостный процесс с центрально-корковым ведущим звеном, представляющим по биологической сущности корковую защитную реакцию, а по физиологическому механизму - снижение работоспособности прежде всего самих корковых клеток, что обусловлено их охранительным торможением. Учитывая, что показатель КЧСМ определяется высшими отделами зрительного анализатора, т. к. центральный зрительный нейрон и зрительная кора являются самыми инертными звеньями зрительной системы [81, 88, 101], то при утомлении организма в связи с снижением работоспособности корковых клеток значение КЧСМ уменьшается, что позволяет контролировать ФС организма и степень его утомления по изменению КЧСМ.

В настоящее время в офтальмологии все большее значение приобретает использование частотно-временных показателей, которые дают больший объем информации, раскрывают особенности характера зрения и его функциональных расстройств [102]. Первым исследовал изменения КЧСМ при глазных заболеваниях русский ученый Е. П. Браунштейн в 1899 г., И. Марков в 1901 г. повторил его исследования и подтвердил выводы об уменьшении КЧСМ при заболеваниях глаз. Гранит в 1930 г. впервые использовал КЧСМ для оценки функций сетчатки, Виккерс и Руссель в 1948 г. отметили значительное снижение КЧСМ при ее отслойке. Исследование Н. В. Жаботинской, выполненное в 1960 г., показало, что КЧСМ изменяется при воспалительных заболеваниях и атрофиях зрительного нерва, при застойном соске [101]. Количественные изменения КЧСМ для  взрослых лиц с атрофией зрительного нерва исследованы В. М. Вервельской и О. А. Лебенковой [103], для детей - Е. В. Рогатиной и К. В. Голубцовым [102]. Исследования последних показали, что самые низкие показатели лабильности отмечены у детей с центральными тапеторетинальными абиотрофиями типа Штаргардта, причем у детей с частичной атрофией зрительного нерва, центральными тапеторетинальными абиотрофиями типа Штаргардта и пигментной и безпигментной периферической тапеторетинальной абиотрофией лабильность снижалась соответственно тяжести патологического процесса, происходящего в зрительном анализаторе.

КЧСМ позволяет обнаружить даже небольшие сдвиги в деятельности органа зрения (К. Р. Беленький, 1979 г.; О. А. Джалиашвили, В. А. Захаров, 1982 г.), в том числе и при первичной глаукоме, что установлено Н. Петковой [82]. Проведенные исследования подтвердили достоверное снижение КЧСМ в центральной зоне поля зрения даже в начальной стадии первичной глаукомы по сравнению со здоровыми лицами [104]. Выявлено, что снижение КЧСМ в зоне Бьеррума (примерно в 10 … 20 0 от фовеолы), для которой особено характерно поражение нервных волокон при глаукоме, отмечается раньше, чем снижение КЧСМ в зоне фовеолы. Это является прогностически неблагоприятным признаком и свидетельствует о наличии глаукоматозного процесса [105].

Широко используется мелькающий световой стимул в периметрии - Flicker Perimetry. Еще G. Phillips в 1933 г. показал, что метод КЧСМ дает возможность выявить изменения в поле зрения еще до того, как это будет установлено с помощью обычной кампиметрии. В последнее время в исследованиях используются персональные компьютеры, что позволяет установить пороги слияния стимулов различной яркости в различных участках поля зрения. Результаты исследований показывают высокую чувствительность методики с использованием КЧСМ, возможность достоверно выявить изменения в поле зрения у лиц с начальной глаукомой [106].

Данные о зависимости величины КЧСМ у больных рассеянным склерозом от степени демиелинизации приведены в [107, 109, 109]. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что изменение КЧСМ адекватно характеризует процессы, происходящие в ЦНС при демиелинизирующем процессе.

Метод КЧСМ является субъективным психофизическим методом, для получения объективных показателей лабильности в офтальмологии используются электрофизиологические методы. Впервые ритмический ответ коры головного мозга на мелькающий свет описали Эдриан и Мэтьюз (1934 г.). Джаспер (1936 г.), Бишон (1936 г.), М. Н. Ливанов (1944 г.), П. О. Шпильберг (1944 г.), Морэн, Гасто и Кориоль (Morin, Gastau, Corriol, 1948 г.) изучали действие световых ритмов на электроэнцефалограмму человека (ЭЭГ) [81]. Установлено, что при первичной глаукоме в ЭЭГ понижены электрическая чувствительность, преобладает -ритм, отсутствует или снижается усвоение светового ритма [110].

Электроретинограмма (ЭРГ) отображает суммарную реакцию всей сетчатки глаза, когда микроэлектрод накладывается на роговицу глаза, референтный электрод накладывается на лоб или мочку уха. Среди параметров ЭРГ наибольшая информативность доказана для ответов сетчатки на мелькающую световую стимуляцию [81, 88, 111]. Установлено, что при макулите или дегенерации, локализованной в макулярной области, наблюдается нормальная амплитуда волны в ЭРГ, но понижена предельная частота воспроизводимого сетчаткой светового ритма. В более поздней стадии развития глаукомы в ЭРГ наблюдаются изменения электрической чувствительности и усвоения светового ритма [110].

Исследовалось влияние на зрительные вызванные потенциалы (ЗВП) вспышек света. Они позволяют, по аналогии с КЧСМ, определить максимальную частоту воспроизведения ритма световых мельканий в ЗВП. В обследовании использовали КЧСМ, ЭРГ, статическую периметрию, компьютерную томографию и др. Отмечена прямая зависимость максимальной частоты воспроизведения ритма световых мельканий с остротой зрения, КЧСМ и другими зрительными функциями. Показана наибольшая информативность методики исследования максимальной частоты воспроизведения ритма световых мельканий в диагностике зрительного анализатора [112, 113, 114].

Так как в работе зрительного анализатора участвуют  высшие корковые центры и доказана взаимосвязь значения КЧСМ с данными объективных электрофизиологических методов,  то показатель КЧСМ может быть выбран в качестве интегральной оценки ФС организма. Все выше сказанное позволяет сделать вывод, что показатель КЧСМ может быть универсальным параметром, характеризующим ФС организма человека и степень его утомления, и применяться для их оценки в любых видах трудовой деятельности, а также для спортсменов разных видов спорта. Однако анализ показал, что при использовании показателя КЧСМ, как и других параметров для определения ФС человека, отсутствует методика анализа процессов врабатывания, адаптации к нагрузке с учетом индивидуальных особенностей конкретного организма, принятия решения о моменте наступления утомления и перехода от состояния утомления к состоянию переутомления.

1.4.4 Анализ причин изменения критической частоты световых мельканий

Зависимость КЧСМ от различных факторов установлена многочисленными экспериментами. Так, Ферри (L. Ferry, 1982 г.) отметил  наличие определенной прямой зависимости величины КЧСМ от интенсивности мелькающего света. Портер (Porter, 1902 г.) и Айвс (Ives, 1922 г.) показали, что КЧСМ растет пропорционально логарифму интенсивности раздражающего света. Гехт и Веррийп (Hecht, Verrijp, 1933 г.) установили, что эта зависимость верна лишь для средних яркостей, при значительном увеличении интенсивности раздражителя КЧСМ уменьшается. Увеличение площади раздражения подобно увеличению яркости повышает КЧСМ [88, 115].

Усиленное дыхание (гипервентиляция) вызывает для белого света быстрое повышение КЧСМ, сменяющееся длительным снижением (Rubinstein, Therman,1935 г.). Изменяется КЧСМ под влиянием слуховых раздражителей (С. В. Кравков, 1935 г.), причем для зелено-синих цветов КЧСМ от звука понижается, для оранжево-красных  повышается. Подобная же картина изменения КЧСМ наблюдается и под влиянием обонятельных раздражителей (С. В. Кравков, 1940 г.). Так же влияет на КЧСМ и вкусовые (сахар) и температурные (тепло) раздражители. При этом характер влияния на КЧСМ второго раздражителя существенно зависит от яркости светового раздражителя [81, 88]. Влияет на значение КЧСМ, как показано в п. 1.4.1 и комплекс климатических, производственных и других факторов.

Таким образом, значение КЧСМ помимо утомления зависит, как показано на рис. 1, от множества 1 параметров предъявляемого светового раздражителя, а также от большого числа факторов, которые можно объединить в множество 2 психо-физиологических параметров, характеризующих состояние организма человека, и множества 3 параметров, характеризующих среду, в которой находится человек, причем множество 2 находится в некоторой зависимости от множества 3. В целом множества параметров в каждом конкретном случае образуют случайную совокупность, поэтому определение ФС человека по значению КЧСМ происходит в условиях неполной определенности о составе и степени влияния этих параметров, т. е. является статистической задачей.

Рис. 1. Схема зависимости КЧСМ от влияющих факторов

1.5 Выводы

1) Дан анализ основных проблем определения ФС человека, выполнен обзор известных методов, сопоставлены их возможности, проанализированы основные недостатки и ограничения. Установлено, что гематологические показатели при физической нагрузке изменяются, но они не коррелируют ни с количеством выполненной работы, ни с длительностью  ее выполнения, а прогностическая значимость показателей не соответствует уровню физической работоспособности и спортивным результатам. Такие показатели, как параметры легочной вентиляции, МПК, содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе и лактата в крови дают разные оценки ФС при физической работе. На этапе развития тренированности проявляются сдвиги со стороны отдельных показателей функций крови, дыхания и других систем, после достижения спортсменом относительно высокого уровня ФС дальнейшие сдвиги либо отсутствуют, либо столь незначительны, что направленные на их определение методы становятся все менее информативными.

2) Отмечен ряд преимуществ метода КЧСМ, сделан вывод о целесообразности использования метода для интегральной оценки ФС организма и степени его утомления. Метод прост в использовании, комфортен для исследуемого, легок в обработке материала и позволяет оценить ФС и его изменения количественно. Он отличается высокой информативностью, которая подтверждается корреляцией данных с другими методами определения ФС, а также исследованиями ЭЭГ, ЭРГ, максимальной частоты воспроизведения ритма световых мельканий в ЗВП.

3) Показано, что экспериментально установлена связь значения КЧСМ  с  ФС организма в целом и  его утомлением в частности, но отсутствуют методики анализа процессов врабатывания, адаптации к нагрузке с учетом индивидуальных особенностей конкретного организма, принятия решения о моменте наступления утомления и переутомления.

4) Установлено, что значение КЧСМ зависит от параметров предъявляемого светового раздражителя, от множества психо-физиологических параметров, характеризующих состояние организма человека, и множество параметров, характеризующих среду, в которой находится человек, причем первое множество находится в некоторой зависимости от второго. В целом множества параметров в каждом конкретном случае образуют случайную совокупность, поэтому определение ФС человека по значению КЧСМ происходит в условиях неполной определенности о составе и степени влияния этих параметров, т. е. является статистической задачей.


2 Экспериментальная часть

2.1 Исследование КЧСМ

Принцип измерения КЧСМ заключается в том, что испытуемый, наблюдая за свечением светодиода, частота мельканий которого плавно увеличивается, фиксирует момент слияния (исчезновения) мельканий.

Измерения проводятся с помощью пульта управления, который подключается к ЭВМ. Оператор, который проводит испытания, усаживает испытуемого от монитора на оптимальном расстоянии 1,5 - 2 м. Согласно рекомендациям физиологов следует проводить 10 хороших измерений, т. к. первые 3 измерения считаются пробными. В связи с этими рекомендациями оператор проводит 13 - 15 хороших измерений. Так же, согласно рекомендациям предпочтительным считается желтый цвет светодиода, поскольку данный спектр более естественен для восприятия человеческим глазом.

Методика проведения экспериментов:

1) Испытуемому предъявляется начальное значение частоты мельканий;

2) Оператор, плавно увеличивает частоту мельканий, испытуемый подтверждает видимость мельканий;

3) В тот момент, когда испытуемому кажется, что мелькания исчезли, он говорит об этом оператору;

4) Оператор фиксирует значение КЧСМ в памяти компьютера

Далее испытания повторяют с пункта 1, до получения 10 хороших измерений.

На рисунке 2.1 представлен пример изменения частоты мельканий источника света при проведении испытаний.

Рисунок 2.1 - Изменение частоты мельканий светодиода при измерении КЧСМ

Начальное значение частоты мельканий f0 принимается равной 25 Гц. Далее дискретным увеличением частоты на 0,5 Гц оператор находит момент слияния мельканий. После этого плавным увеличением или уменьшением частоты на 0,1 Гц устанавливается граничное значение КЧСМ (fсм). В момент времени t1 результат фиксируется в памяти компьютера. После фиксации результата значение частоты световых мельканий автоматически уменьшается на 2 Гц относительно fсм и процесс измерения продолжается.

После проведения испытаний производится математическая обработка результатов, которая включает в себя вычисление среднего значения, и отбраковка недостоверных значений.

В таблицах 2.1, 2.2 представлены данные измерений.

Таблица 2.1 - Результаты измерений

Номер измерения

Значение КЧСМ, Гц

Испытуемый

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

40,8

41,5

36,4

41,0

39,6

40,5

41,1

38,0

42,0

42,0

2

41,6

41,1

39,4

41,0

39,8

37,8

38,8

37,8

3

40,5

41,5

39,0

41,1

40,2

37,9

42,5

39,3

4

40,3

40,9

39,8

41,6

40,2

37,3

40,4

38,0

5

39,8

41,4

41,0

41,2

40,2

36,9

42,0

37,1

6

40,2

42,5

41,0

40,6

40,4

37,6

41,7

38,9

7

40,8

42,6

41,2

40,2

40,7

38,2

38,9

38,9

8

40,3

42,8

41,0

40,3

40,7

38,6

41,0

38,6

9

43,3

42,3

41,1

40,3

40,9

38,1

40,2

37,5

10

41,7

42,3

41,1

40,5

41,0

38,1

41,7

37,9

11

41,6

43,6

41,2

40,1

41,1

39,2

41,7

36,8

12

40,4

42,7

41,4

40,2

41,6

40,6

41,5

38,4

13

39,6

40,3

42,6

40,3

39,4

38,9

14

43,0

40,9

39,1

15

39,9


Таблица 2.2 - Результаты измерений

Номер измерения

Значение КЧСМ, Гц

Испытуемый

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Порведем обработку результатов. Как было сказано выше первые три измерения считаются пробными, поэтому их исключают. По остальным данным строится вариационный ряд, т.е. данные упорядочиваются в порядке возрастания КЧСМ. Из полученного вариационного ряда исключаем крайние значения. В результате остаются 10 значений, которые используются для дальнейших исследований.

Таблица 2.3 - Обработанные результаты измерений

Номер измерения

Значение КЧСМ, Гц

Испытуемый

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

40,2

41,1

39,4

40,2

40,2

37,8

39,4

37,8

2

40,3

41,4

39,8

40,3

40,2

37,9

40,2

37,9

3

40,3

41,5

40,3

40,3

40,2

38,1

40,4

38

4

40,4

41,5

41

40,5

40,4

38,1

40,9

38

5

40,5

42,3

41

40,6

40,7

38,2

41

38,4

6

40,8

42,3

41

41

40,7

38,6

41,1

38,6

7

40,8

42,5

41,1

41

40,9

39,2

41,5

38,9

8

41,6

42,6

41,1

41,1

41

40,3

41,7

38,9

9

41,6

42,7

41,2

41,2

41,1

40,5

41,7

38,9

10

41,7

42,8

41,2

41,6

41,6

40,6

41,7

39,1

Таблица 2.4 - Обработанные результаты измерений

Номер измерения

Значение КЧСМ, Гц

Испытуемый

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Среднее значение КЧСМ определяем по формуле:

,                                    (2.1)

где  k - количество измерений, шт;

    fi - значение КЧСМ на i-м измерении, Гц.

В нашем случае k=10.

Величину, характеризующую разброс данных, определим по формуле:

f=fmax-fmin,                                       (2.2)

где fmax- максимальное значение частоты, Гц;

   fmin - минимальное значение частоты, Гц.

Резкльтаты расчетов представлены в таблицах 2.5, 2.6.

Таблица 2.5

Испытуемый

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

fСР, Гц

40,82

42,07

40,71

40,78

40,7

38,93

40,96

38,45

00,0

00,0

f, Гц

1,5

1,7

1,8

1,4

1,4

2,8

2,3

1,3

Таблица 2.6

Испытуемый

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

fСР, Гц

f, Гц


2.2 Исследование ДЧСМ

Дифференциальная частота слияния мельканий (ДЧСМ) характеризуется минимальной разностью частот, которую может различить зрительный анализатор.

Принцип измерения ДЧСМ поясняет рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Методика измерения ДЧСМ

В момент времени от t0 до t1 испытеумому предъявляется минимальное значение частоты fmin. Далее в момент времени от t1 до t2 испытеумому предъявляется максимальное значение частоты fmax. Интервал предъявления должен быть достаточным для того, чтобы испытуемый смог различить данную частоту и произнести требуемый ответ. Первоночально разность частот f выбирается достаточно большой (несколько герц). В тот момент, когда испытуемый видит максимальную частоту он информирует об этом оператора. Если оператор получает подряд три правильных ответа, то значит испытуемый отчетливо различает разницу частот и следует уменьшить интервал f. Так продолжается до появления в ответах испытуемого ошибок. Полученный результат фиксируется в памяти ЭВМ. Далее устанавливается новое значение интервала f и эксперименты повторяются.

Измерения проводятся при различных значениях базовой частоты, значения которой выбираются из ряда: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 Гц.

Как и в опытах с КЧСМ первые три испытания считаются пробными. Поэтому для получения ряда из 10 хороших значений необходимо провести 13-15 испытаний.

Методика проведения испытаний:

1) Устанавливается выбранное значение базовой частоты.

2) Устанавливается начальное значение разности частот.

3) Испытуемый 3 раза подряд подтверждает видимость максимальной частоты.

4) Оператор уменьшает значение разности частот до появления ошибки в ответах испытеумого.

5) Результат фиксируется в ЭВМ.

6) Пункты 2...5 повторяются 13-15 раз.

7) Значение базовой частоты увеличивается на 5 Гц и испытания повторяются.

Результаты проведенных испытаний представлены в таблицах 2.7...2.21

Таблица 2.7 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 1

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

1,1

2,1

2,6

2,6

2,1

2,1

2,1

1,8

2

1,0

1,7

2,3

2,0

2,0

1,7

1,7

1,5

3

1,0

1,4

2,5

2,0

1,9

1,5

1,5

1,3

4

0,8

1,2

2,2

2,2

2,0

1,2

1,6

1,5

5

0,9

1,2

2,3

2,0

1,9

1,0

1,3

1,5

6

0,8

1,0

2,2

1,8

1,8

1,0

1,3

1,5

7

1,0

1,0

2,0

1,9

1,7

1,7

1,5

1,3

8

0,8

1,2

2,0

2,0

2,0

1,7

1,5

1,5

9

0,7

1,0

1,8

1,8

1,8

1,5

1,5

1,5

10

1,0

1,4

2,0

1,8

2,0

1,2

1,3

1,7

11

0,8

1,0

1,8

2,0

1,8

1,5

1,5

1,5

12

0,8

1,6

2,2

1,8

1,8

1,3

1,3

13

1,2

2,0

1,2

1,5

14

1,8

1,5

1,5

15


Таблица 2.8 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 2

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

1,0

1,1

1,5

2,1

1,5

2,0

1,6

1,6

2

0,9

1,0

1,2

2,0

1,4

1,7

1,5

1,5

3

0,9

0,8

1,0

2,5

1,3

1,5

1,3

1,5

4

0,7

0,9

0,8

2,5

1,5

1,5

1,3

1,3

5

0,9

0,8

1,0

1,8

1,7

1,4

1,2

1,3

6

0,8

1,0

1,1

1,6

1,5

1,6

1,5

1,2

7

0,8

0,9

1,4

2,0

1,8

1,5

1,3

1,5

8

0,7

0,8

1,2

2,0

1,7

1,4

1,5

1,3

9

0,8

0,8

1,1

1,8

1,8

1,7

1,3

1,2

10

0,7

1,1

1,3

2,0

1,7

1,8

1,1

1,2

11

0,6

1,2

1,5

2,5

1,8

1,8

1,5

1,3

12

0,9

1,1

1,4

2,0

1,7

1,3

1,0

13

0,7

1,1

14

15

Таблица 2.9 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 3

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

0,5

0,9

1,7

1,0

1,6

1,6

1,1

2,6

2

0,4

0,8

1,8

1,2

1,1

1,3

1,4

2,5

3

0,5

1,0

1,4

0,9

1,1

1,0

1,0

2,0

4

0,4

0,9

1,5

0,8

1,3

1,0

0,8

1,5

5

0,6

0,8

1,4

0,6

1,5

0,8

1,5

1,3

6

0,6

0,8

1,3

0,7

1,3

0,8

1,4

1,2

7

0,5

1,0

1,1

0,6

1,5

1,5

1,5

1,5

8

0,5

0,7

1,0

0,6

1,7

1,9

1,3

1,0

9

0,4

0,9

1,0

0,7

1,7

1,8

1,0

0,8

10

0,8

1,1

0,9

0,5

1,8

1,7

0,8

1,5

11

0,6

1,0

0,8

0,5

1,7

1,5

1,3

1,0

12

0,4

0,9

1,0

1,2

1,4

1,2

13

1,0

1,3

1,5

14

1,3

1,5

15

Таблица 2.10 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 4

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

0,9

0,7

1,4

1,1

1,3

2,4

1,6

2,0

2

0,8

0,8

0,9

0,9

1,4

2,6

1,7

1,8

3

1,1

0,9

1,0

0,6

1,3

2,5

2,0

1,5

4

1,1

0,7

0,8

0,8

1,4

2,3

1,5

1,5

5

1,2

0,8

0,7

0,8

1,2

2,4

1,2

1,3

6

1,4

0,5

0,8

0,8

1,4

2,0

1,0

1,1

7

0,8

0,7

0,6

0,7

1,2

1,8

2,0

1,0

8

0,9

0,7

0,5

0,9

1,0

2,0

2,2

0,8

9

0,8

0,6

0,6

0,7

1,0

2,0

1,8

0,7

10

0,9

0,7

0,6

1,1

1,3

1,8

1,9

0,8

11

1,1

0,8

0,7

0,9

1,3

1,6

2,0

0,7

12

1,2

0,7

0,6

1,1

1,3

1,5

0,6

13

1,1

0,5

1,4

0,8

14

0,6

2,0

1,0

15

1,0

Таблица 2.11 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 5

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

0,8

1,1

1,6

2,6

2,2

1,9

1,6

1,5

2

1,0

1,3

1,5

3,0

2,0

1,8

1,5

1,3

3

0,8

0,7

1,3

2,5

1,8

1,5

1,5

1,3

4

0,9

0,7

2,0

2,2

1,7

1,3

1,3

1,1

5

1,0

0,8

2,0

3,0

1,8

1,2

1,3

1,3

6

0,7

0,8

1,7

2,5

1,5

1,0

1,1

1,5

7

0,5

0,7

1,4

2,3

1,5

1,0

1,3

1,3

8

0,4

0,9

2,1

2,5

1,7

1,4

1,2

1,5

9

0,5

1,2

2,3

2,3

1,5

1,0

1,3

1,5

10

0,4

0,9

2,0

3,0

1,7

1,8

1,2

1,5

11

0,4

1,1

1,7

2,1

1,8

1,4

1,3

1,3

12

0,5

0,7

2,0

1,8

1,7

1,5

1,3

13

0,4

1,1

2,5

2,2

1,7

14

2,2

2,2

15

2,3

2,5

Таблица 2.12 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 6

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

1,1

2,1

2,1

2,2

2,6

2,1

2,1

2,6

2

0,8

1,9

2,0

2,0

2,2

2,0

1,5

2,3

3

0,8

2,0

1,9

1,8

1,8

1,7

1,7

1,5

4

1,0

2,3

1,8

1,7

2,0

1,5

1,7

1,3

5

1,0

1,8

1,7

1,8

1,8

1,3

1,5

1,2

6

0,8

1,5

1,5

1,7

1,7

1,0

1,5

1,0

7

1,3

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1,3

0,9

8

1,0

1,3

1,3

1,8

1,7

1,3

1,3

0,8

9

1,2

1,1

1,2

1,5

1,5

1,3

1,2

0,8

10

1,0

1,4

1,3

1,5

1,7

1,5

1,3

0,7

11

0,8

1,4

1,0

1,3

1,5

1,2

1,5

0,6

12

0,8

1,7

1,1

1,3

1,5

1,0

1,7

0,7

13

1,5

1,2

1,4

1,2

0,6

14

1,2

1,3

1,5

0,6

15

1,2

0,7

Таблица 2.13 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 7

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

0,6

1,6

2,1

1,6

1,6

2,1

1,6

1,7

2

0,7

1,3

1,9

1,5

1,3

1,6

1,0

1,5

3

0,6

1,2

1,8

1,8

1,2

1,3

1,2

1,2

4

0,5

1,0

1,8

2,0

1,0

1,2

0,7

1,5

5

0,7

1,0

1,7

1,7

0,8

1,5

0,8

1,0

6

0,7

0,8

1,7

1,5

1,0

1,2

0,7

1,3

7

0,8

1,3

1,7

1,7

0,8

1,0

0,7

1,2

8

1,0

1,2

1,8

1,5

1,0

0,8

0,8

1,0

9

0,8

1,3

2,0

1,3

1,3

0,5

0,6

0,8

10

0,6

1,2

1,9

1,5

1,3

0,7

0,5

0,7

11

0,7

1,5

2,0

1,2

1,5

1,0

0,7

0,7

12

0,8

1,7

1,2

0,8

0,7

0,5

0,5

13

1,0

1,5

0,5

0,8

0,7

14

1,5

0,7

0,5

0,7

15

0,5

Таблица 2.14 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 8

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

0,8

1,6

1,5

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

2

0,9

1,3

1,3

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

3

0,9

1,0

1,1

1,3

1,7

1,2

1,7

1,2

4

0,7

0,8

1,0

1,3

1,5

1,0

1,5

1,3

5

1,0

1,0

0,9

1,2

1,3

0,8

1,3

1,0

6

0,8

0,7

0,9

1,5

1,2

0,7

1,2

0,9

7

0,9

0,7

0,8

1,2

1,0

0,6

1,2

0,8

8

0,7

0,6

0,8

1,0

1,2

0,7

1,0

0,6

9

0,6

0,8

0,7

1,0

1,0

0,8

1,0

0,5

10

0,7

0,7

1,0

1,1

1,3

0,6

0,9

0,5

11

0,6

1,0

0,8

1,2

1,5

0,8

0,7

0,7

12

0,5

0,7

0,7

1,1

1,3

0,8

0,5

0,6

13

0,6

1,0

0,6

1,0

1,5

0,8

0,6

0,5

14

0,8

0,6

1,2

1,5

0,6

0,5

15

0,8

0,5

Таблица 2.15 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 9

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.16 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 10

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.17 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 11

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.18 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 12

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.19 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 13

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.20 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 14

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Таблица 2.21 - Результаты измерения ДЧСМ для испытуемого 15

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Математическая обработка результатов измерений включает в себя отбраковку недостоверных значений и вычисление средних, нижних и верхних значений ДЧСМ на каждой базовой частоте. Результаты обработки представлены в таблицах 2.22-2.36.

Таблица 2.22 - Обработка результатов измерения ДЧСМ испытуемого 1

Значение ДЧСМ f , Гц

Номер измерения

Базовая частота fбаз, Гц

5

10

15

20

25

30

35

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


3 Расчетная часть

Моделирование приобретает все большее значение в физиологических исследованиях. Существует два аспекта этого метода, обусловленные двумя основными направлениями в исследованиях - фундаментальными и прикладными. С одной стороны, результаты, полученные с помощью моделирования, являются полноправной частью результатов фундаментальных физиологических исследований, с друггй стороны, эти методы являются «мостиком», соединяющим фундаментальные и прикладные исследования, так как формализованные описания и модели создают хорошие предпосылки для разработки новых способов и устройств переработки информации, т.е. создания новой техники, основанной на физиологических принципах [1117].

3.1 Моделирование КЧСМ

Как показывают данные экспериментов зрительный анализатор воспринимает световые сигналы с частотой ниже КЧСМ, и не воспринимает сигналы  с частотой выше значения КЧСМ. Это дает предпосылки рассматривать зрительный анализатор как фильтр нижних частот (ФНЧ). Существует множество видов ФНЧ, характеризующихся различными математическими описаниями, крутизной фронта и плоскостностью вершины. В качестве основной характеристики фильтра выступает его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), т.е. зависимость коэффициента передачи, от частоты. В данном случае аналогом коэффициента передачи K() является коэффициент, характеризующий способность зрительного анализатора воспринимать данную частоту мельканий. Значение K()=1, свидетельствует о том, что зрительный анализатор отчетливо различает мелькания. Значение K()=0, свидетельствует о том, что зрительный анализатор не может различить световые мелькания данной частоты. АЧХ, соответствующая идеальному случаю представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Идеальная характеристика фильтра

В действительности существует некоторая полоса частот (вариационный размах), в которой зрительный анализатор различает световые мелькания с некоторой вероятностью. В этой полосе частот K() может принимать некоторые промежуточные значения (0<K()<1). С учетом сказанного выше, можно представить линеаризованную модель зрительного анализатора (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Линеаризованная характеристика зрительного анализатора

По данной зависимости можно определить две основные характеристики:

1) Среднее значение КЧСМ - СР;

2) Вариационный размах - , величина характеризующая чувствительность зрительного анализатора:

=max-min.                                    (3.1)

В качестве будущей модели выбираем фильтр Баттерворта, имеющий максимально-плоскую характеристику. Коэффициент передачи такого фильтра определяется по формуле:

,                               (3.2)

где  - безразмерная нормированная частота..

Целое число n=1, 2, 3, … является порядком фильтра..

Основная задача, решаемая при синтезе фильтра, сводится к определению частоты среза ср и порядка фильтра n.

Частоту среза фильтра можно определить, как среднее арифметическое результатов измерений (математическое ожидание), по формуле:

,                                    (3.3)

где  k - количество измерений, шт;

    i - значение КЧСМ на i-м измерении, с-1;

Как известно, порядок фильтра определяет наклон его характеристики. В исходной модели (рисунок 3.2) наклон характеристики связан с вариационным размахом следующим соотношением:

,                                       (3.4)

где tg - тангенс угла наклона характеристики фильтра.

Для построения будущей математической модели в качестве критерия примем критерий равенства наклонов характеристики фильтра и наклона исходной характеристики.

Для определения тангенса угла наклона касательной какой-либо кривой, необходимо вычислить значение производной этой функции в данной точке.

. (3.5)

Приравниваем =С:

.   (3.6)

Приравняв значение tg из формулы (3.4), а также учитывая, что порядок фильтра может принимать только положительные значения, получим:

,

.                                   (3.7)

Т.о. в полученной модели фильтра частоте среза, соответствует среднее значение КЧСМ, а порядок характеризует относительную чувствительность зрительного анализатора.

Для перехода от круговой частоты к циклической воспользуемся формулой =2f, тогда модель примет вид:

,                                (3.7)

.                                      (3.8)

Произведем расчет параметров фильтра по данным одного из испытуемых.

Исходные данные, отсортированные по возрастанию, представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Исходные данные

Измерение

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

КЧСМ, Гц

40,2

40,4

40,9

41

41,1

41,5

41,7

41,7

41,7

42

Расчет:

1) Частота среза

.

2) Порядок фильтра

.

Рисунок 3.3 - Расчетная характеристика фильтра


3.2 Моделирование ДЧСМ


4 Конструкторская часть

4.1 Обзор литературы

При поиске аналогов разрабатываемого устройства в [1117] был обнаружен прибор, для измерения ___________. Прибор собран на. транзисторной элементной базе

На кафедре ПиП ЭВС


4.2 Разработка структуры устройства для определения параметров модели

В состав измерителя КЧСМ и ДЧСМ входят следующие основные блоки:

- микроконтроллер;

- память программ (ПЗУ);

- память данных (ОЗУ);

- тактовый генератор;

- источник световых импульсов;

- клавиатура;

- блок индикации;

- последовательный порт;

- источник питания.