Кино и видеорегистрация сущность метода кратко

Обновлено: 05.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Современные методы исследования патологий центральной нервной системы

1. Методы изучения работы головного мозга

Рентгенография головы подразумевает исследование черепа , в части которого входят кости черепного свода, кости нижней челюсти и лицевые кости . Рентген костей черепа выполняется при обращении пациентов с жалобами или по решению врача на основании выраженной симптоматики. Причины, с которыми обращаются пациенты: потемнение в глазах, резкое нарушение зрения ; частые головокружения, обмороки, головные боли; регулярные носовые кровотечения; снижение слуха ; нарушение обоняния и вкусовых рецепторов; тремор конечностей ; плохое самочувствие при резкой смене давления; частые ЛОР-заболевания; боль во время жевательного процесса. Обязательной процедурой рентгенография является при травмах головы.

Ангиография сосудов головного мозга

Ангиография — это метод визуализации сосудов, который основан на использовании рентгеновского излучения. При помощи этого обследования можно оценить состояние кровоснабжения в конкретном органе и функциональную активность сосудов, а также выявить различные нарушения в строении и работе кровеносной сети. При помощи ангиографии выявляют такие заболевания, как: атеросклероз сосудов, тромбозы сосудов, артериовенозные шунты, аномальные расширения сосудов, различные заболевания сердечных полостей, патологии почек, разнообразные нарушения в лимфатической системе, болезни сетчатой оболочки глаз и т.д.

Это безболезненный метод исследования сосудистой системы головного мозга, который позволяет получить сведения о тонусе, уровне эластичности и активности мозговых сосудов. Этот простой, безопасный метод может использоваться многократно для длительной регистрации состояния кровообращения головного мозга. Его относительная простота, возможность проведения исследований практически в любых условиях и в течение длительного времени, получение раздельной информации о состоянии артериальной и венозной систем мозга и о внутримозговых сосудах различного диаметра. Проведение этого метода диагностики показано при всех состояниях, сопровождающихся симптомами нарушения мозгового кровообращения.

Метод исследования головного мозга с целью выявления очагов повышенной судорожной готовности его коры, что характерно для эпилепсии (основная задача), опухолей, состояний после перенесенного инсульта, структурных и метаболических энцефалопатий, расстройств сна и других заболеваний. На электроэнцефалограммах заметна ритмичность электрической активности мозга . Различают целый ряд ритмов, обозначаемых буквами греческого алфавита. ЭЭГ хорошо подходит для исследования вопросов о скорости нейронной активности и хуже для исследования вопросов о местоположении такой активности.

Технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Данный метод позволяет с высокой точностью локализовать источники нейронной активности в пространстве и времени. МЭГ применяется в исследованиях работы мозга и в медицине. Может использоваться для локализации очагов эпилептической активности, в частности при планировании операций.

Вызванные потенциалы (ВП)

Метод выделения слабых и сверхслабых изменений электрической активности мозга в ответ на стимул различной модальности. Метод позволяет получить объективную информацию о состоянии периферических и центральных звеньев различных сенсорных систем таких как зрение, слух и т. В основе метода лежит регистрация биоэлектрических реакций мозга в ответ на внешнее раздражение (в случае сенсорных ВП) и при выполнении когнитивной задачи (в случае когнитивных ВП) Особой разновидностью ВП являются моторные вызванные потенциалы, которые регистрируются с мышц конечностей в ответ на электрическое или магнитное раздражение моторной зоны коры.

Топографическое картирование электрической активности мозга (ТКЭАМ)

Это метод, который показывает распределение волн различных частот в мозге путем анализа записи электрической активности мозга, взятой из корки головы, и, таким образом, предоставляет косвенную информацию о работе мозга. Современные средства картирования мозга позволяют отражать на дисплее все этапы анализа, ЭЭГ и ВП, спектры мощности, различные графики, диаграммы и таблицы, топографические карты — как статистические, так и динамические в виде мультфильмов. Применение разных форм визуализации данных позволяет лучше понять особенности протекания сложных мозговых процессов. Топографические карты представляют собой контур черепа, на котором изображен какой-либо закодированный цветом параметр ЭЭГ в определенный момент времени, причем разные градации этого параметра (степень выраженности) представлены разными цветовыми оттенками.

Компьютерная томография мозга (КТ)

Это рентгенологическое обследование с получением пошаговых снимков и созданием цельных изображений всех видов тканей и образований головного мозга. Высокая степень разрешения при КТ черепа определяет качество диагностики заболеваний головного мозга, выявляемых даже при самых минимальных патологических изменениях в структуре нервной ткани.
Чаще всего КТ головного мозга и черепа требуется при диагностике таких заболеваний, как:
- черепно-мозговые травмы (ушибы, сотрясения),
- истечение ликвора при переломах основания черепа,
-первичные и вторичные опухоли головного мозга,
-опухоли мозговых оболочек,
-сосудистые аневризмы и артерио-венозные соустья,
-кисты мозга, гематомы,
-геморрагические инсульты.

Ядерно-магнитно-резонансная томография мозга, магнитно-резонансная томография мозга (МРТ)

Диагностика, которая позволяет вовремя определить патологические изменения органов или систем организма человека в целом Суть метода в том, что сигналы, которые генерирует ядра атомов водорода в теле человека, при влиянии на них радиочастотными импульсами в магнитном поле принимаются как специальные эхо-сигналы, которые потом используются, чтобы создавать изображения внутренних органов в абсолютно любой плоскости. МРТ основана на таком явлении, как ядерно-магнитный резонанс. При помощи современного магнитно-резонансного томографа за короткий промежуток времени вы получаете полную всестороннюю информацию о состоянии головного мозга, позвоночника и других органов.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Метод используют, когда хотят получить изображение опухолей и метастазов. Чтобы найти у пациента опухолевую ткань, Ему внутривенно ‎ вводят простой раствор из глюкозы, который помечен слабым радиоактивным препаратом (18Ф). В опухолях обмен веществ происходит гораздо быстрее, чем в здоровых тканях. Поэтому опухолевые клетки захватывают больше радиоактивного маркера в растворе сахара, чем здоровые. Лучи, которые излучает радиактивный препарат в тканях, регистрирует специальная камера (сканер ПЭТ), компьютер обрабатывает информацию в снимки всего тела. На этих снимках можно видеть, как введённый пациенту препарат глюкозы распространился по всему организму. Таким образом можно с высокой точностью найти скрытые в теле опухоли.

2. Методы воздействия на мозг

1. Известно, что нервная система включает афферентные (входящие) пути, или сенсорные области мозга, которые отвечают за обработку всей поступающей информации (к ним относятся зрение, слух, тактильная чувствительность, обоняние), и эфферентные (нисходящие) пути, или моторные области, которые обеспечивают выходящие ответы (движение и речь).Только путем зрительной, слуховой, тактильной стимуляции возможно усилить передачу импульса в головной мозг и, активизируя определенные его зоны, полностью или частично сформировать функциональный навык. С помощью движений ребенок начинает изучать отношения между теми или иными предметами, развивает о них собственное представление, вследствие чего происходит развитие интеллектуальных способностей. Как правило, дети получают стимуляцию сенсорного типа от естественной окружающей среды.

Электрическая стимуляция мозга

Лечебный метод, позволяющий изменять функциональное состояние различных звеньев ЦНС под действием малого постоянного тока (до 1 мА). Направленность влияния достигается за счет использования малых площадей электродов (100—600 мм 2 ), расположенных на соответствующих корковых (фронтальной, моторной, височной и др. областях) или сегментарных (поясничном, грудном и др. уровнях) проекциях головного или спинного мозга . Позволяет улучшить или восстановить двигательные, психические, речевые функции, судорожные приступы, нормализовать функции тазовых органов, уменьшить очаги деструктивного поражения головного мозга у больных с инсультом и черепно-мозговой травмой в острый период и др.

Стимуляция коры головного мозга слабым электромагнитным полем

Суть метода заключается в воздействии переменным магнитным полем на определенные участки мозга, определяемые с точностью около 5 мм. ТЭС используется для направленного изменения активности регионов коры головного мозга. Интенсивность магнитного поля при этой процедуре составляет около 1.5 Тесла, что аналогично интенсивности магнитного поля при магнито-резонансном обследовании, которое является в свою очередь необходимой предварительной процедурой, с целью выявления проблемных зон коры головного мозга. Магнитное поле с частотой изменения ниже 5 Герц (то есть колебаний в секунду) оказывает тормозящее действие на кору головного мозга, а с большей частотой — наоборот, кору мозга активизирует может ограниченно применяться в психиатрии , неврологии , эпилептологи.

Разрушение участков мозга

Метод заключается в наблюдении над больным после нейрохирургических операций или ранений в область мозга. Можно выделить необратимые разрушения (хирургическое удаление тех или иных участков мозга) и обратимые нарушения работы отдельных участков мозга. Обратимые нарушения связаны с временным отключением отдельного участка мозга с последующим восстановлением функций: охлаждение ниже 25 градусов приводит к прекращению активности нейронов. Данный метод, является инструментом клинической нейропсихологической диагностики, направлены на изучение различных познавательных процессов и личностных характеристик больного — речи, мышления, письма и счета, памяти.

3. Исследование вегетативных реакций

Измерение и изучение электрической активности кожи (ЭАК) или кожно-гальванической реакции (КГР)

Показатели работы сердечно-сосудистой системы

Внешними проявлениями работы сердечно-сосудистой системы являются сердечный толчок, пульс, кровяное давление. Сердечный толчок — сотрясение участка передней стенки грудной клетки, вызванное сокращением сердца. Кровяное давление — давление, которое оказывает кровь на стенки кровеносных сосудов, по которым она движется. Величина кровяного давления определяется силой сердечных сокращений, количеством крови и сопротивлением кровеносных сосудов. Максимально высокое давление наблюдается в момент выброса крови в аорту; минимальное — в момент, когда кровь достигает полых вен.

Показатели работы сердечно-сосудистой системы (инструментальные методы)

Главная задача инструментальных методов исследования-способствовать углубленному изучению диагностики заболеваний сердца, а также изменений со стороны сердечно-сосудистой системы, возникающих при заболеваниях других органов. Электрокардиография (ЭКГ) – неинвазивный метод исследования, который позволяет получать ценную информацию о состоянии сердца. Суть данного метода состоит в регистрации электрических потенциалов, возникающих во время работы сердца в виде графической записи на бумаге. Холтеровское мониторирование сердца – метод непрерывной записи электрокардиограммы в течение суток или более длительного времени с помощью носимых кардиорегистраторов(мониторов). Эхокардиография-метод изучения положения и движения структур сердца посредством отраженного импульсного ультразвука. Рентгенография сердца — метод дистанционного исследования сердца.

Это запись колебаний объёма различных органов в зависимости от целого ряда самых разнообразных условий. Для плетизмографических измерений используются специальные приборы — плетизмографы . Чаще всего под плетизмографией понимается ряд методов регистрации изменений некоторой физической характеристики органов и тканей в зависимости от динамики их кровенаполнения. Плетизмография позволяет отслеживать важные гемодинамические показатели организма ( частоту сердечных сокращений , объёмную скорость кровотока, ударный выброс и др.), не нарушая его целостности.

4. Методы исследования активности мышечной системы

Метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон. регистрация электрической активности мышц. Исследование проводится с помощью электромиографа. Электро миограмма (ЭМГ) — кривая, записанная на фотоплёнке, на бумаге с помощью чернильно-пишущего осцилографа или на магнитных носителях. С помощью введённых в мышцу игольчатых электродов . Улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон. С помощью накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого. Стимуляционная электромиография — при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву.

5. Методы исследования активности дыхательной системы

Метод исследования внешнего дыхания, основанный на графической регистрации дыхательных движений по изменению окружности грудной клетки или живота. Пневмо́граф - аппарат для графического изображения дыхательных движений . Кривая, записываемая им, незаметно от самого наблюдаемого субъекта, даёт возможность точно судить не только о ритме дыхания, но и о силе и продолжительности каждой дыхательной фазы — вдоха, выдоха и паузы. Если записывающее перо чертит на равномерно двигающейся полосе бумаги, то наблюдение может беспрерывно продолжаться часами, а это крайне важно при длительных физиологических и психофизиологических исследованиях. Обращение внимания наблюдателя на дыхание испытуемого, уже само по себе видоизменяет нормальное его течение, между тем пневмограф, слегка привязанный к груди, ничем не стесняет испытуемого.

Это один из основных методов диагностики в пульмонологии и терапии для оценки функционального состояния легких. С помощью спирометрии доктор может определить объёмы лёгких и скорости воздушного потока, рассчитать соотношения этих параметров, сопоставить полученные результаты с должными значениями, которые рассчитываются индивидуально, в зависимости от пола, возраста, веса и роста обследуемого человека. Спирометрия назначается с целью диагностики или исключения ряда заболеваний дыхательной системы.

6. Методы исследования глазных реакций

Методика, направленная на определение размера зрачка. Cовременная пупиллометрия позволяет зафиксировать и определять динамику изменения размера зрачка при помощи специального прибора — пупиллометра. Пупиллометр представляет собой медицинский прибор, который позволяет осуществить замеры ширины зрачков, а также расстояния между ними, и определить динамику изменения ширины в различных условиях освещённости. Процедуру проводят перед подбором такого распространённого средства оптической коррекции, как очки. Для того, чтобы они были подобраны правильно, нужно знать диаметр зрачков и расстояние между ними. Сущность метода пупиллометрии заключается в регистрации диаметра зрачков и расстояния между ними при помощи соответствующе настроенной электроники.

Основан на записи отражённого света: на глазное яблоко устанавливается присоска с миниатюрным зеркальцем, от которого отражается узкий пучок света, направленный осветителем, и попадает на вход фоторегистрирующего устройства По результатам фоторегистрации определятся площадь помутнения, а затем оценивается степень затемнения. Для оценки степени затемнения по результатам фоторегистрации глазного дна проводили колориметрический анализ по шкале яркости фона глазного дна и среднего цвета выбранных зон площади помутнения в графическом редакторе. Метод применяется при изучении процессов зрительного восприятия, внимания, представления.

Основан на измерении эквивалентного напряжения, в которое переводится любое движение глаз. Индукционный излучатель закрепляется с помощью присоски (контактной линзы или кольца) на глазном яблоке, приёмные катушки помещаются вокруг головы. Излучатель создаёт переменное электромагнитное поле в приёмных катушках. Перемещение излучателя вызывает изменение напряжённости электромагнитного поля. Далее этот сигнал усиливается и передаётся на вход регистрирующего осциллографа. Основным назначением электромагнитного метода является лабораторный эксперимент. Он представляет собой эффективное средство психофизиологического и психофизического исследования восприятия и механизмов окуломоторной активности.

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

Кино- и видеорегистрация

В связи с широким распространением персональных компьютеров и цифровых видеокамер, стала широко использоваться видеорегистрация движений. Глаз подсвечивается точечным источником инфракрасного излучения, а инфракрасная видеокамера производит скоростную съемку глаза . На изображении программно определяется положение зрачка (в ИК-лучах он представляет собой темный овал) и его размеры, а также позиция роговичного блика, представляющего собой отражение на роговице источника инфракрасного света. Системы регистрации движений глаз могут быть использованы для ранней диагностики аутизма у детей и там, где требуется исследовать восприятие отдельного статического изображения или последовательности статических изображений.

В статье даётся краткая характеристика видов движения глаз и приводится анализ методов и систем регистрации окуломоторной активности.

Движения глаз — естественная составляющая зрительного восприятия. Даже при относительной неподвижности взгляда, глаза совершают микродвижения. Всего известно восемь видов движения глаз [1], которые относят к микро– и макродвижениям.

Макродвижения глаз характеризуют изменение направления взгляда и поддаются контролю. Их разделяют на макросаккады (резкие изменения направления взгляда), прослеживающие движения (плавное смещение взгляда вслед движущемуся объекту фиксации), вергентные движения (сведение и разведение зрительных осей), нистагм (колебательные движения глаз в совокупности с прослеживающими движениями) и торзионные движения (вращательные движения глаз относительно зрительной оси).

Микродвижения глаз — естественный фон окуломоторной активности, не поддающийся контролю и прослеживающийся в момент фиксации точки. Микродвижения глаз разделяют на тремор (частые колебания глаз), дрейф (плавное смещение взгляда, прерываемое микроскачками) и микросаккады (быстрое перемещение глаз, возникающие при смене точек фиксации).

Каждый вид обладает характерными свойствами, а прослеживаемость видов зависит от чувствительности и точности методов, регистрирующих окуломоторную активность. Такие методы можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные. К первой относятся электроокулография, фотооптический и электромагнитный методы. Вторая группа включает фотоэлектрический метод и видеорегистрацию (кинорегистрацию).

Электромагнитный метод (Рисунок 1) основан на измерении эквивалентного напряжения, в которое переводится любое движение глаз.

Индукционный излучатель закрепляется с помощью присоски (контактной линзы или кольца) на глазном яблоке, приёмные катушки помещаются вокруг головы. Излучатель создаёт переменное электромагнитное поле в приёмных катушках. Перемещение излучателя вызывает изменение напряжённости электромагнитного поля. Далее этот сигнал усиливается и передаётся на вход регистрирующего осциллографа.

Рис. 1. Схема установки для регистрации окуломоторной активности электромагнитным методом [3]: 1 — приёмные катушки; 2 — индукционный излучатель; 3 — тестовое изображение; 4 — усилители сигналов; 5 — регистрирующий осциллограф

Н. Ю. Вергилес [2] предложил обратный способ: к глазному яблоку присоской крепится приёмная катушка, а пара излучателей помещается вокруг головы, создавая переменное магнитное поле вокруг глазного яблока. При изменении направления взгляда в приёмной катушке наводится электродвижущая сила, фаза которой связана с углом поворота глаза. Полученный сигнал поступает на вход несимметричного нерезонансного усилителя, после передаётся на вход регистрирующего устройства. Усилители заранее настраиваются на частоту излучения.

Чувствительность электромагнитного метода позволяет изучать макро– и микродвижения глаз, одновременно их горизонтальную и вертикальную составляющие. Калибровка проводится в начале эксперимента.

Использование присосок и жёсткая фиксация головы — главные недостатки метода, время регистрации окуломоторной активности ограничивается до 20–30 минут. Метод не применим в повседневной и профессиональной деятельности. Ограничения накладываются также на испытуемых, в экспериментах не могут участвовать дети и люди с повышенным внутриглазным давлением (глаукомой).

Функциональность метода повышается использованием контактной линзы [4], но останется необходимость в доработке линзы под особенности склеры каждого испытуемого.

Применение взаимоиндуктивных преобразователей [5, 6] повышает время непрерывной регистрации. Один короткозамкнутый виток в виде дюралюминиевого кольца прикрепляется к глазному яблоку, на оправу очков крепятся приёмные катушки. При изменении положения глаза с кольцом, относительно приёмных катушек, наводится электродвижущая сила, которая и регистрируется. Такой способ не ограничивает движения головы, а время регистрации увеличивается на 10–15 минут.

Основным назначением электромагнитного метода является лабораторный эксперимент. Он представляет собой эффективное средство психофизиологического и психофизического исследования восприятия и механизмов окуломоторной активности.

Важной составляющей контактных методов, в том числе электромагнитного, является присоска. Она выполняет роль каркаса, несущего миниатюрные устройства.

Присоска может крепиться к центральной части склеры (центральная присоска (Рисунок 2)) или к височной части (боковая присоска (Рисунок 3)).

Рис. 2. Конструкция центральной присоски: 1 — резиновый баллончик; 2 — корпус; 3 — зеркало; 4 — стеклянная пластинка

Рис. 3. Конструкция боковой присоски: 1 — зеркало; 2 — корпус; 3 — резиновый баллончик

Корпус присосок обычно делается из лёгких материалов, например, пластмассы. Перед установкой глазное яблоко анестезируется. Резиновым баллончиком создаётся пониженное давление в камере, образованной поверхностью глаза и корпусом присоски, обеспечивая её устойчивое положение. Веки глаза фиксируются, что позволяет избежать смещения присоски и исключить моргательные движения.

Конструкция присоски сохраняется независимо от метода, заменяются только вспомогательные устройства.

Фотооптический метод основан на записи отражённого света: на глазное яблоко устанавливается присоска с миниатюрным зеркальцем, от которого отражается узкий пучок света, направленный осветителем, и попадает на вход фоторегистрирующего устройства (Рисунок 4).

Рис. 4. Схема установки для регистрации окуломоторной активности фотооптическим методом: 1 — глазное яблоко; 2 — присоска с зеркалом, 3 — осветитель, 4 — экран регистрации; 5 — фотоаппарат; 6 — проектор; 7 — тестовое изображение

Фотооптический метод [7] дал возможность исследовать особенности движений глаз при наблюдении за сложными объектами и в процессе чтения, показал взаимосвязь различных видов движений. С его помощью были описаны основные виды окуломоторной активности человека.

Фотооптический метод позволяет раскрыть микроорганизацию окуломоторной активности. В связи с чем возможно зарегистрировать такие параметры движений глаз, как амплитуда, скорость дрейфа, ускорение микросаккад, частота физиологического нистагма, что дополняет характеристику познавательных процессов, внимания и зрительного восприятия. Этот метод исследований является исключительно лабораторным, так как не приспособлен к оперативной обработке и представления получаемых во время эксперимента данных, использоваться может только в затемнённом помещении при жёсткой фиксации головы испытуемого. За счёт применения присосок время исследований ограничивается до 20–30 минут.

В основе электроокулографии лежит измерение разности потенциалов в тканях, прилегающих к глазнице. Разность потенциалов существует между роговицей и склерой, внутренней и наружной сторонами сетчатки. Движения глаз регистрируются с помощью электродов, которые устанавливаются вокруг глазных впадин (около височных углов, верхнего и нижнего края глаза) (Рисунок 5).

При горизонтальных движениях глаз происходит изменение разности потенциалов на участках кожи слева и справа от глаза. При вертикальных — сверху и снизу. Знак потенциала говорит о направлении взгляда, величина изменения разности потенциалов отражает угол поворота [8].

Рис. 5. Схема расположения электродов: 1 — электрод; 2 — усилитель

Точность электроокулографии зависит от продолжительности исследования, чем дольше проходит эксперимент, тем больше погрешность, связанная с использованием усилителя. Каждое измерение предполагает последующую корректировку дрейфа нуля. Сильное влияние оказывают также индивидуальные особенности окуломоторного аппарата, плохой контакт электродов с поверхностью кожи, частота моргания.

Метод применим во внелабораторных условиях, но не предназначен для использования в повседневной или профессиональной деятельности.

Исследования с использованием электроокулографии не нарушают естественных условий зрительной активности, могут проводиться неограниченное время, при любом освещении.

В основе фотоэлектрического метода лежит преобразование отражённого от роговицы пучка инфракрасного света в электрический сигнал.

При перемещении глаз количество отражённого света изменяется и соответственно изменяется величина фототока или фотосопротивления.

Усиливая выходной сигнал, возможно получить запись движения глаз.

Одна из вариаций фотоэлектрического метода (Рисунок 6) была предложена А. Д. Владимировым и Е. Д. Хомской [9].

Изображение глаза проецируется на матовое стекло, покрытое фотосопротивлением и разделённое вертикальной перегородкой. Движение глаза вызывает смещение его изображения и изменение освещённости светочувствительного слоя. Фотосопротивления подключаются к схеме, на выходе изменение напряжения соответствует движению глаза.

За одно измерение возможно отследить одну из составляющих движения глаз — вертикальную или горизонтальную.

Для одновременной регистрации двух составляющих используется роговичный блик, изменение его положения даёт информацию о перемещении взгляда.

Рис. 6. Схема установки для фотоэлектрического метода: 1 — глаз испытуемого; 2 — осветитель; 3 — объектив; 4 — фотосопротивления; 5 — матовое стекло с изображением радужки глаза

Фотоэлектрический метод требует жёсткой фиксации головы, но даёт возможность длительного измерения и имеет бесконтактный характер. Его основным назначением является лабораторный эксперимент, позволяющий изучить механизмы управления движениями глаз, зрительные эффекты, сопровождающие окуломоторную активность. Он обеспечивает монокулярное измерение длительности, частоты фиксаций, скорости, частоты колебаний преимущественно макродвижений глаз.

Метод видеорегистрации включает две взаимосвязанные процедуры: видеосъёмку глаз испытуемого и программное определение направления взгляда на каждом кадре видеоряда. Источником информации о направлении взгляда служат край или центр зрачка, кровеносные сосуды склеры или роговичный блик. Этот метод более предпочтителен за счёт бесконтактного характера измерения глазодвигательной активности. Возможна моно– и бинокулярная регистрация.

Первые вариации этого метода основывались на киносъёмке глаз испытуемого, покадровом анализе плёнки и совмещении траектории перемещения взгляда с тестовым изображением.

Например, метод [11], который применяли Judd, McAllister и Steele: голова испытуемого фиксировалась, к ней прикреплялся металлический шарик, служивший началом координат, на роговицу глаза наносилась маленькая точка китайскими белилами, положение которой определялось на каждом кадре.

Или метод фоторегистрации Dodge и Cline [12], заключавшийся в получении ряда сдвинутых относительно друг друга изображений глаза. Изображения впоследствии анализировались.

При съёмке глаз без дополнительной подсветки получить информацию о направлении взгляда сложно. Такой способ отличается высокой чувствительностью к условиям освещения поверхности лица и трудоёмкостью покадровой обработки материала.

Распознавание объекта (радужки или зрачка) в видеопотоке не даёт достаточно информации для определения направления взгляда, важно следить за объектом, совмещая при этом определение точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости экрана, на котором представлен некоторый зрительный раздражитель.

Другая разновидность метода видеорегистрации предполагает подсвечивание глаза точечным источником инфракрасного излучения и скоростную съёмку инфракрасной видеокамерой. Такой способ применяется в устройствах компании Tobii.

Tobii REX [13], Tobii EyeX [13], Tobii TheEyeTribe [14] — устройства, отслеживающие направление взгляда. Точность определения позволяет использовать их для лабораторного эксперимента и повседневной деятельности. Они дополняют стандартные средства управления компьютером (мышь, клавиатуру), позволяют выполнять некоторые операции при помощи взгляда, например, переключение между элементами интерфейса. Не требуют жёсткой фиксации головы пользователя, но сильная подвижность влияет на точность определения. Калибровка производится в начале работы с устройством, за счёт отслеживания движения головы данные первой калибровки дополняются.

Ни один из перечисленных методов не является универсальным. Каждый обладает определёнными достоинствами, выбор зависит от цели использования, если это медицинские исследования, важна точность вычисления направления взгляда и возможность распознавания вида движения: тремор, дрейф, нистагм и т. д. Когда задача сводится к управлению устройствами посредством взгляда, важным критерием будет удобство метода.

Если исследование должно проводиться длительное время и с высокой точностью, следует использовать электромагнитный метод в совокупности с контактными линзами.

В случаях, когда голова испытуемого должна оставаться подвижной, целесообразно пользоваться видеорегистрацией, но потребуется сложная обработка экспериментального материала.

Основные термины (генерируются автоматически): глазное яблоко, электромагнитный метод, направление взгляда, фотоэлектрический метод, фотооптический метод, движение глаз, лабораторный эксперимент, микродвижение глаз, резиновый баллончик, тестовое изображение.

Похожие статьи

Движения глаз — естественная составляющая зрительного.

глаз-трекер, слежение, движение взгляда, глаза.

Даже при относительной неподвижности взгляда, глаза совершают микродвижения.

Предлагается метод быстрого определения на изображении глаза точки, лежащей внутри.

Разработка структуры и алгоритма встроенного программного.

Метод проекций яркости при поиске зрачка на изображении

Произведена экспериментальная проверка на доступных базах изображений радужки.

Модернизация робота-хирурга Da-Vinci | Статья в журнале.

Почему глаза двигаются вместе?

Ключевые слова: движение глаз вместе.

Этот шар называют глазным яблоком. Человеческий глаз содержит два рода клеток — колбочки и палочки .

При одновременном направлении оптических осей глаза на один объект фиксации.

Использование голографической интерферометрии при оценке.

Оптические просветления кожи и крови: перспективы.

Одним из направлений современной биомедицинской оптики является развитие методов

В настоящей работе приведены экспериментальные работы полученные методом оптической спектроскопии.

животного (крысы), человеческой крови и ретина глаза кролика.

Применение электроокулографии для управления указателем.

Существует несколько методов слежения за направлением взора.

В настоящее время известно много способов измерения и оценки движений глаз человека (Ярбус, 1965; Запорожец, Венгер, Зинченко, Рузская, 1967; Зинченко, Вергилес, 1969; Владимиров, 1972; Шахнович, 1974; Крищунас, 1981; Смирнов. 1984; Bach-Y-Rita, Collins, 1971; Lennerstrand, Bach-Y-Rita, 1975; Monty, Senders, 1976; Fisher, Monty, Senders, 1981; Groner, Menz, Fisher, Monty, 1983; Gale, Johnson, 1984; O'Regan, Levy-Schoen. 1987; Luer et al., 1988 и др.), среди которых наиболее разработаны киносъемка, алектроокулогра-фия, фотооптический, фотоэлектрический и электромагнитный методы. Рассмотрим их подробнее, обращая внимание на (1) физический (технический) принцип, лежащий в основе каждого из методов, (2) их возможности и недостатки, (3) научные проблемы, решаемые с их помощью, а также (4) характер получаемых данных.

Метод кинорегистрации включает три взаимосвязанные процедуры: (1) киносъемку положения глаз испытуемого в процессе решения зрительных, мнемических и интеллектуальных задач, (2) покадровый анализ пленки и (3) наложение траектории перемещения глаз на экспонируемый объект или тестовую ситуацию. Во время съемки объектив кинокамеры устанавливается против лица испытуемого в плоскости экрана, на который экспонируется объект, на расстоянии 50-80 см. Скорость съемки выбирается в зависимости от целей эксперимента: чем точнее необходимо определить пространственно-временные характеристики окуломоторной активности, тем более высокая скорость (частота кадров в секунду) должна быть использована (рис. 12). Абсолютное положение глаз испытуемого реконструируется экспериментатором по окончании опытов в ходе покадровой обработки пленки (на специализированном проекторе). Источником информации об окуломоторной активности служит смещение изображения контролируемого элемента глаза (край или центр зрачка, кровеносный сосуд склеры, роговичный блик и т.п.) относительно неподвижной части лица или оборудования. Траектория движений глаз устанавливается путем сопоставления относительного положения контролируемого элемента в смежных кадрах, а длительность движений - по соответствующему ему числу кадров. Построенная на масштабной бумаге циклограмма движений глаз при помощи пантографа переносится на копию экспонируемого объекта.

Метод ориентирован на измерение макродвижений глаз. Обеспечиваемая точность измерений - 1-2 утл. град. Возможна

моно- и бинокулярная регистрация. Метод позволяет определить маршруты движений глаз относительно поверхности объекта, число и длительность фиксаций элементов стимульной ситуации больших угловых размеров (свыше 2-3 угл. град.), направление и скорость прослеживающих движений глаз, смену фиксаций разноудаленных объектов и некоторые другие характеристики окуломоторной активности.

Рис. 12 Акт конвергенции в норме (Шахнович, Шахнович, 1964). Скорость кинематографической записи - 10 кадров в секунду. Слева кинокадры. 1-й, 13-й, 36-й. Справа последовательные отпечатки диаметров зрачков с кинокадров. Сведение зрительных осей правого (I) и левого (II) глаза приводит к сужению зрачков (уменьшение столбиков на кривой) На столбиках в виде вертикальных линий отпечатывается шкала-масштаб, по которой можно определить абсолютные значения диаметра зрачка. Расстояние между двумя линиями соответствует 2 мм

Киносъемка является достаточно удобным (а в некоторых случаях единственным) средством измерения окуломоторной активности у детей, отдельных категорий больных, а также у операторов различных систем управления. Ее главное достоинство -прямая запись и связанные с этим безынерционность и достоверность регистрации. Это позволяет, в частности, проводить исследования без предварительной калибровки, вычисляя

измеряемую позицию глаз на основе несложной формулы (Шахнович, Шахнович, 1964). К достоинствам относится и бесконтактность метода, а также возможность сохранения испытуемым естественной позы и небольших смещений головы. Вместе с тем, он чувствителен к условиям освещения поверхности лица испытуемого (что сужает круг решаемых задач) и отличается высокой трудоемкостью покадровой обработки материала. Основное предназначение рассматриваемого метода -лабораторный и естественный эксперимент.

Конкретные методики кинорегистрации движений глаз с указанием аппаратуры, стимульного материала, процедуры получения и обработки данных описаны в работах В.П.Зинченко (1956), Д.Н.Завалишиной (1965) и О.К.Тихомировым (1969).

В России киносъемка движений глаз использовалась с середины 50-х до начала 70-х годов. Уже первые исследования окуломоторной активности (Зинченко, 1956; 1958) позволили установить, что движения глаз не только разнообразны по форме (пространственно-временным характеристикам), но и выполняют в познавательном процессе различные функции: ориентировки, поиска, установки в оптимальное положение, измерения, контроля. К числу функций движений глаз были отнесены также построение зрительного образа н опознавание.

Рис. 13 Зрительный поиск и последующее зрительное прохождение лабиринта а, б, в - поиск выхода из лабиринта, г -первое прохождение лабиринта, д - второе прохождение лабиринта (Эинченко, 1967)

В работе В.Э.Мильмана (1962; 1964) было показано (на примере задач прохождения лабиринта), что с увеличением неопределенности выбора последующего шага в решении задачи продолжительность зрительной фиксации возрастает. Это позволяет рассматривать временные характеристики фиксаций как показатель напряженности испытуемого при решении зрительных задач.

комлеиие с проблемной ситуацией, разработка вариантов решения, формирование окончательного решения) соответствуют характерные маршруты движений глаз, разные длительности и число зрительных фиксаций.

Более детально анализ окуломоторной активности в ходе решения шахматных задач выполнен О.К.Тихомировым и Э.Д.Телегиной (Тихомиров, 1969; Поэнанская, Тихомиров, 1969; Телегина, 1970). Согласно этим авторам, маршруты зрительных фиксаций отражают смысловую структуру процесса решения задачи (рис.14), а исследовательская активность глаз необходима для установления функциональных отношений между элементами проблемной ситуации.

Рис 14. a - позиция на шахматной доске перед выбором 17-го хода черных, последний ход противника С дЗ; б - движения глаз испытуемого (Тихомиров, 1969)

Проведенные эксперименты позволили специфицировать зону ориентировки испытуемого в конкретной ситуации и факторы, определяющие ее объем (новая гипотеза, перенос результатов исследовательской деятельности из одной ситуации в другую и т.п.), описать тактики поиска решения, проанализировать соотношение средств и целей в процессе решения мыслительной задачи, охарактеризовать функциональное развитие механизмов зрительного поиска решения задачи. Как следует из данного цикла работ, при выполнении наглядно-действенных и/или Наглядно-образных задач глазодвигательная активность является более информативным индикатором мыслительного процесса, чем словесный отчет - один из основных методов традиционного исследования мышления.

В практическом плане метод кинорегнстрации применим для решения задач оптимизации конкретных видов операторского труда, например, зрительной ориентировки летчиков в процессе полета. Согласно данным Н.Д.Заваловой и В.А.Пономаренко (в кабине самолета киносъемка глаз ведется с помощью зеркала либо светопровода) маршруты движений глаз и длительность фиксаций приборов могут служить критерием эффективности выполняемой деятельности. На основе анализа окуломоторной активности исследователи уточнили роль парафовеального зрения в контроле параметров полета; выявлены преимущества режима смешанного (ручного и автоматического) управления самолетом (Береговой, Завалова, Ломов, Пономаренко, 1978; Доброленский, Завалова, Пономаренко, Туваев, 1975; Завалова, Пономаренко, 1977; Завалова, Пономаренко, Сиволап, Юровицкий, 1966).

Таким образом, метод кинорегистрации позволяет раскрыть макроуровень организации окуломоторной активности Человека и ее наиболее общую связь с процессами познания и деятельности: функции движений глаз в познавательных процессах, соответствие маршрутов движений глаз стратегии и тактике решения задач, дифференциацию на основе глазодвигательных критериев перц*НТИ8НОГО И интеллектуального уровней деятельности, свер-

тывание окуломоторнои активности в ходе формирования перцептивных действий и др. Эти закономерности обосновывают практическую полезность метода. Вместе с тем, он мало применим для изучения собственных механизмов окуломоторнои активности, анализ которых выносится за рамки исследования.

Рис 15 Схема фотосканирующего пупиллографа (Шахнович, Шах-нович, 1964). 1 - глаз, 2 - полупрозрачная пластинка, через которую на глаз наносится световое раздражение от стимулятора 11; 3 -объектив, фокусирующий изображение глаза в плоскость целевой диафрагмы 7, за которой перемещается кинопленка 8; 4 зеркальце для наводки на резкость, которое отклоняет световые лучи, идущие от глаза к матовому экрану 10, 5 - нерабочее положение зеркальца во время записи, 6 - сканирующая призма, 13 • звездочка для протяжки пленки, вращение звездочки и призмы производится с помощью мотора и редуктора, которые на схеме не изображены; 9 -лампочка, дающая световую отметку раздражителя на перфорации пленки, 12 - фоновый софит

Существенный недостаток кинорегистрации - трудоемкость покадровой обработки пленки - в какой-то степени может быть преодолен с помощью устройства автоматического сканирования изображения зрачков на кинокадрах (Шахнович, Шахнович, 1957). Более того, киносъемка лица испытуемого может быть заменена сканирующей съемкой диаметров зрачков глаз (пупил-лографией) (см. рис. 15). Фотосканирующий пупиллограф (Шахнович, Шахнович, 1964) позволяет вести регистрацию

движении глаз как на свету, так и в темноте (в инфракрасных лучах), хорошо сочетается с другими методами регистрации физиологических характеристик человека, дает возможность одновременно регистрировать макродвижения глаз (включая вергентные) и реакции зрачков. Сохраняя достоинства метода киносъемки в целом, пупиллография воспроизводит и часть его недостатков: низкую точность, дискретность, необходимость пересчета пространственной траектории движений и некоторые другие. Примеры пупиллографической записи движений глаз приведены на рис. 16 и рис. 12 (справа).

Рис. 16. Пупиллографическая запись движений глаз (Шахнович, Шахнович, 1964). А • саккадические движения глаз при поочередной фиксации двух точек, расположенных под углом 80 град.; изменению состояния между отдельными столбиками соответствует изменение скорости движений глаз. Б -движения глаз при чтении. В - оптокинетический нистагм. Скорость записи - 25 измерений в секунду

Определенным развитием метода кинорегистрации является телерегистрация движений глаз (Macworth. 1967; Young, Sheena, 1975; Lambert, 1976 и др.), возможности которой продемонстрированы В.П.Смирновым (Смирнов, 1985; Мирошников, 1989).

Ключевым звеном данного метода является способ крепления зеркальца к глазному яблоку. В распространенной методике А.Л.Ярбуса (1954, 1958, 1965) в качестве посредника используется легкая (несколько сот миллиграмм) вакуумная присоска, которая крепится либо к височной части склеры (боковая присоска), либо к ее центральной части, не касаясь роговицы (центральная присоска). Корпус присоски обычно делается из резины, дюралюминия или пластмассы и имеет внутри гофрированную поверхность, препятствующую скольжению по глазному яблоку. Устойчивость присоски на глазу обеспечивается путем создания (с помощью специального баллончика) пониженного давления в камере, образованной корпусом присоски и внешней поверхностью глаза (рис. 18). Установка присосок требует предварительного анестезирования глазного яблока (1-2 /о-ным раствором днканна); предельная продолжительность ношения присоски 20-30 мин. Как показывает многолетний опыт, присоски безвредны для глаз человека и в худшем случае вызывают незначительное снижение внутриглазного давления или разрыв поверхностного кровеносного сосуда в конъюнктиве. Более

Рис. 17. Схема установки для фотооптической записи движений глаз, 1 - присоска о зеркалом, 2 - осветитель, 3 -экран регистрации, 4 - фотоаппарат, 5 • тестовый экран, 6 - проектор (Зинченко, Вергилес, 1969)

щадящий, но менее точный режим регистрации движений глаз может быть достигнут с помощью контактных линз; их использование значительно увеличивает и длительность измерений (Ditchburn, 1973).

Рис. 18. Схематическое изображение боковой (Л1) и центральной (П2) присосок (Ярбус, 1965). 1 - корпус присоски, 2 - баллончик для отсоса воздуха, 3 - зеркальце

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

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

Методика фотооптической регистрации окуломоторной активности, ее модификации и особенности использования при изучении

процессов зрительного восприятия, внимания, представления и действия изложена в работах А.Л.Ярбуса (1965), В.П.Зинченко и Н.Ю.Вергилеса (1969) и Ю.Б.Гиппенрейтер (1978).

Фотооптический (присосочный) метод регистрации движений глаз был разработан А.Л.Ярбусом (1954,1956,1958) в середине 50-х годов и длительное время поддерживал энтузиазм исследователей зрительного восприятия. А.Л.Яр-бус зарегистрировал и описал основные виды окуломоторной активности человека, исследовал особенности движений глаз при восприятии сложных объектов и в процессе чтения, показал взаимосвязь различных видов движений, зависимость паттернов фиксаций от поставленной наблюдателю задачи, характеристик воспринимаемого объекта и других условий (см. рис. 19). Особое место в этих исследованиях занимает проблема восприятия объектов, стабилизированных относительно сетчатки. Применяя оригинальные устройства, устанавливаемые на присоску, А.Л.Ярбус выявил основные особенности восприятия стабилизированных изображений в зависимости от их величины, цвета, яркости, окружающего фона. Согласно полученным данным, в процессе зрительного восприятия движения глаз выполняют служебную функцию, создавая оптимальные условия работы зрительной системы. Они необходимы для дезадаптации стимулируемых участков сетчатки (в противном случае, изображение исчезает спустя 1-3 секунды) и наиболее аффективного отражения значимых элементов среды (Ярбус, 1965).

Исследование восприятия изображений, стабилизированных относительно сетчатки, с применением фотооптического метода регистрации движений глаз получило развитие в работах Н.Ю.Вергилеса (Вергилес, 1967; Зинченко, Вергилес, 1969). Он предложил метод (поочередное освещение объекта источником света разной длины волны), позволяющий испытуемому воспринимать стабилизированные изображения сколь угодно долго. Оказалось, что в этих условиях несмотря на значительное сокращение репертуара возможных движений глав, испытуемые способны

выполнять широкий круг заданий (ознакомление с объектом, поиск, пересчет штрихов, мысленное прохождение лабиринта и др.) и имеют полное впечатление перемещения собственных глаз (взора) по объекту. Задачи не решались лишь тогда, когда испытуемые получали инструкцию, запрещающую двигать гла-

зами. Эти данные позволили В.П.Зинченко и Н.Ю.Вергилесу выдвинуть гипотезу о функциональном фовеа, смещение которого относительно сетчатки меняет состояние ее рецептивных полей. В развитие праксеологической трактовки восприятия было высказано предположение, что при стабилизации изображения объектов относительно сетчатки, а в обычных условиях - при опознании объектов, процесс восприятия обеспечивается викарными (замещающими) перцептивными действиями (Зин-ченко, Вергилес, 1969).

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

Особенно интересным представляется цикл работ Ю.Б.Гиппенрейтер и ее сотрудников, направленный на изучение тонической формы окуломоториой активности, т.е. собственно фиксаций. При помощи специально разработанной методики детально исследовался фиксационный оптокинетический

Читайте также: