книги из ГПНТБ / Митькин А.А. Электроокулография в инженерно-психологических исследованиях

него положения имеет место линейная зависимость между углом поворота глаза и изменением потенциала.

Лукиш и Мосс (1942) использовали электрический ме­ тод для записи движений глаз при чтении, но ошибочно назвали своп записи регистрацией электромиограмм.

Редлих, Каллахан и Шметье (1946) провели исследо­ вание электрического потенциала глаза в патологических случаях. Оии установили, что при слепоте на один глаз, вызванной поражением зрительного нерва, как нормаль­ ный, так и слепой глаз дают при движениях соответст­ вующие изменения потенциала, чего не наблюдалось при отсутствии глазного яблока.

Кермайкл и Дирборн (1947), детально исследовавшие зрительную деятельность в процессе чтения, применяли наряду с другими методами регистрации движений глаз электрический метод. Они использовали методику и аппа­ ратуру, применявшуюся ранее Гоффманом и др. (1939), внеся при этом некоторые дополнения. Прежде чем кре­ пить электроды с помощью коллодия, поверхность кожи очищалась эфиром. Затем соответствующие участки кожи обрабатывались с помощью специальной щеточки. Сопро­ тивление кожи не должно было превышать 10 ком.

Кермайкл и Дирборн ввели термин «электроокулография», получивший в дальнейшем права гражданства. Этим термином оии обозначали способ 'записи движений глаз, основанный на изменениях потенциалов в окружающих глазную орбиту тканях. Потенциалы в этом случае сни­ маются с поверхности кожи и после соответствующего усиления записываются регистрирующим устройством.

Поуснер и Лион (1950) использовали электроокулографнческую методику для определения усилий наружных глазных мышц. Они применяли серебряные электроды диаметром 4,8 мм, расположенные битемпорально, и уси­ литель постоянного тока. Запись проводилась одновремен­ но на трех осциллографах: первый регистрировал угловое перемещение глаза как функцию времени, второй — ско­ рость движения (первую производную) и третий — уско­ рение (вторую производную). Исходя из второго закона Ньютона, усилие, развиваемое глазодвигательной мышцей, определяется массой глазного яблока и сообщенным ему угловым ускорением (при этом масса глазного яблока есть величина постоянная). Поуснер и Лион установили, что усилия, развиваемые глазодвигательными мышцами,

31

варьируют от 280 да 470 дин. В ходе своих исследований они обнаружили интересный феномен: каждому движе­ нию глав предшествует небольшой (порядка 10 м.кв) ска­ чок потенциала в противоположном направлении. Оип предполагали, что это может вызываться ретроградным движением глаз (предшествующим основному движению) примерно иа 2° или напряжением мышц антагонистов.

Указанные авторы нашли также, что максимальная угловая скорость движения глаз достигается при перево­ де взгляда на угол в 90 °. При этом субъект не может про­ извольно менять скорость скачков: попытка замедлить ее приводит к разбивке больших скачков на серию мелких скачков, каждый из которых имеет определенную ско­ рость.

Дальнейшее развитие электроокулографической мето­ дики шло по пути ее усовершенствования и расширения областей ее применения. Широко использовалась она в клинической практике.

Во Франции Раймонд и Габерсек (1956), а затем Рай­ монд, Габерсек и Лесевр (1958) использовали электроокулографпю в условиях клиники, изучая особенности дви­ жений глаз в норме н патологии. Существенным усовер­ шенствованием в их методике было применение специ­ ально сконструированных очков, с помощью которых электроды размещались вокруг глаз обследуемых пациен­ тов. Регистрация движений глаз проводилась на электро­ энцефалографе.

В конце 50-х годов в США Форд, Уайт и Лихтенштейн (1959) применили методику, позволяющую получать электроокулографическую запись траектории движения взгляда на плоскости (одновременно по двум составляю­ щим: горизонтали и вертикали). Горизонтальные электро­ ды через усилитель постоянного тока с малым дрейфом нуля подключались к горизонтальным пластинам элек­ тронно-лучевого осциллоскопа. Вертикальные электроды через другой независимый канал усиления подключались к вертикальным пластинам того же осциллоскопа. При такой коммутации движения луча по экрану осциллоскопа повторяли в определенном масштабе (зависящем от вели­ чины усиления) движения взгляда по рассматриваемому объекту. Фотокамера, установленная перед экраном, по­ зволяла регистрировать траекторию движений луча.

Исследователи применяли хлорированные серебряные

32

электроды, каждый из которых был вмонтирован в чаше­ видный пластмассовый корпус; углубления чашек запол­ нялись электродной настой. Электроды подпружинивались пластинчатыми бронзовыми пружинами п крепились к поверхности кожи липким пластырем. Равномерное давле­ ние всех электродов создавалось с помощью мягкого рези­ нового ?кгута, накладываемого сверху в виде широких оч­ ков. Заземление осуществлялось через пару электродов, наложенных па мочки ушей.

В этих опытах использовались две пары вертикальных электродов для того, чтобы устранить перекос записи, ха­ рактерный для одной пары вертикальных электродов (та­ кой перекос вызывается тем, что переносица как объем­ ный проводник обладает большей электропроводностью ио сравнению с височным краем глазницы; при наличии же двух нар параллельно закоммутпрованных электродов создается сбалансированная система).

При межэлектродном сопротивлении кожи порядка 2000 ом изменение потенциала при повороте глаз на 30° составляло примерно 1 мв, что совпадает с данными Хол­ стеда (1938). При поворотах глаз на угол ±15° была по­ лучена (в подтверждение результатов Поуснера и Лиона, 1950) прямая линейная зависимость между углом пово­ рота и изменением потенциала.

Применив описанную методику, авторы исследовали особенности движений глаз в процессе «свободного поис­ ка». Условия эксперимента напоминали работу оператора радарной установки. Испытуемые (6 человек) должны были обнаружить слабо заметный сигнал, появляющийся иногда на круглом экране размером 30 угловых градусов. При обработке записей учитывались характер поиска, рас­ пределение точек фиксации, количество фиксаций в секун­ ду и их длительность, амплитуда скачков глаз.

В другой работе того же периода Форд (1959) деталь­ но исследовал особенность электроокулограммы, обнару­ женную впервые Лукишем и Моссом (1942) и заключаю­ щуюся в том, что при повороте глаз вверх регистрируется несколько больший потенциал, чем при таком же повороте вниз.

Однокаиальная запись с разверткой, проведенная при попеременной фиксации двух вертикально расположенных точек, показала наличие нескольких пиков. Наибольший по величине пик дает движение глаз вверх; затем потенци-

ал устанавливается на уровне, соответствующем верхней точке фиксации. Движению вниз предшествует лик, также обращенный вершиной вверх, но меньшей величины. Еще меньшим по величине пиком, обращенным вниз, заканчи­ вается движение глаз вниз. Причина этих изменений по­ тенциала может быть двоякой: или они отражают факти­ ческие движения глазного яблока, пли вызываются каки­ ми-то побочными процессами в окружающих тканях. В первой! случае они могут быть связаны с корректирующи­ ми движениями глаз, обнаруженными еще Дыоком-Эль- дером (1936). Однако эта версия мало вероятна, так как горизонтальные движения глаз не вызывали аналогич­ ных явлений.

Для выяснения подлинной природы этих явлений Форд провел раздельную монополярнуто запись с верхних и нижних электродов. Если причиной являются фактиче­ ские движения глаз, обе записи должны быть идентичны­ ми. Отсутствие такой идентичности показало, что указан­ ные явления не отражают подлинных движений глаз и относятся к артефактам. Форд пришел к выводу, что при­ чиной этих артефактов являются токи действия верхнего и нижнего века. Наибольший верхний артефакт Форд назвал «скачковым». Преобладание верхнего артефакта соответствует значительно большему развитию верхнего века по сравнению с нижпнм.

Форд указал также, что дополнительные артефакты могут вызываться мышцами, поднимающими брови, на­ ружными глазными мышцами и деятельностью слезных желез.

В последующей работе Уайт п Форд (1960) провели дальнейшее электроокулографическое исследование дви­ жений глаз в процессе зрительного поиска. Эксперимен­ тальная установка имитировала экран радара (в 2-х вари­ антах: с угловыми размерами 30 ° и 15 °). После каждых пяти оборотов луча радара испытуемому предлагалось фиксировать взглядом центр экрана для корректировки дрейфа нуля.

Учитывались три наиболее важных аспекта зрительно­ го поиска: характер зрительного поиска, распределение точек фиксации, длительность фиксации.

Авторы установили, что среднее время длительности фиксаций составляет 0,37 сек (время фиксации при сво­ бодном рассматривании — 0,28 сек). Авторы указывают,

S4

что связь между временем фиксации п трудностью задачи требует дальнейшего исследования.

По мнению авторов, имеется много оснований для ис­ следования природы зрительного поиска в различных си­ туациях, особенно в работе оператора. Развитие электроокулографии позволяет исследовать процесс зрительного поиска в условиях, близких к реальным ситуациям. Изу­ чение моторики глаз в таких ситуациях дает возможность найти наиболее эффективные способы конструирования сигнальных устройств. Дальнейшее исследование взаимо­ связи между количеством фиксаций в определенное время и их расположением, с одной стороны, и различными пара­ метрами информационных устройств — с другой, должно привести к такому проектированию средств отображения, при котором будут учтены особенности зрительного поиска.

Габерсек (1963) исследовал электроокулографическим методам время глазодвигательной реакции у взрослых и детей в возрасте от 6 до 16 лет. Две пары электродов кре­ пились с помощью специальных очков. Плотное и равно­ мерное прилегание электродов к коже обеспечивалось за счет шарнирного крепления электродов. Вся конструкция опиралась на поверхность кожи только электродами. За­ пись проводилась на электроэнцефалографе.

Габерсек нашел, что время глазодвигательной реакции у детей уменьшается до 12-летнего возраста. У всех лиц старше восьми лет скорость движений глаз в горизонталь­ ном направлении была больше, чем в вертикальном, ско­ рость движения слева направо больше, чем в обратном направлении, и скорость движений вверх больше, чем вниз.

Габерсек сделал практический вывод о необходимости учета этих закономерностей при проектировании органов контроля, приборных досок и других устройств, требую­ щих визуального наблюдения со стороны оператора и вы­ сокой скорости реакций.

В нашей стране электроокулографическая методика стала применяться сравнительно недавно.

Леушина (1955, 1958) в лаборатории Загорулько ис­ пользовала электроокулографию для изучения движений глаз в процессе зрительного дифференцирования формы и оценки расстояний.

Загорулько (1959) расценивал электроокулографию как прекрасную методику для регистрации движений глаз-

2* 35

пых яблок, начиная от 1 углового градуса. Основным пре­ имуществом данной методики ои считал возможность вы­ несения ее за рамки лабораторного эксперимента и широ­ кого применения у постели больного, у пульта управления, у станка и т. п.

Гуревич (1961, 1971) с помощью электроокулографип исследовал основные закономерности саккадических дви­ жений глаз.

Ггшшеирейтер (1963, 1964) исследовала временные па­ раметры установочных движений глаз, обеспечивающих наведение области ясного видения па объект. Регистра­ ция движений осуществлялась электроокулографпчески. Биопотенциалы с глазных электродов подавались на элек­ тронно-лучевой осциллограф; одновременно иа черниль­ ном самописце велась запись по горизонтальной и верти­ кальной составляющим.

Лурье, Вергплес, Шахиович (1963), Лурье (1965), Вла­ димиров (1965) применили электроокулографию для реги­ страции маршрутов движения взора. Запись проводилась по .методике, аналогичной методике Форда, Уайта и Лих­ тенштейна (1959). В качестве осциллоскопа использовал­ ся вектор-злектрокардпоскоп ВЭКС-01.

Смольянинова (1964) и Лурье (1965) исследовали электроокулографпчески (иа ВЭКС-01) движения глаз ре­ бенка в норме и при косоглазии.

Леушппа (1965, 1966), продолжая начатые ранее рабо­ ты. изучала с помощью электроокулографип роль движе­ ний глаз в оценке пространствеппьтх отногаепий.

Боброва и Хомская (1968) исследовали с помощью вектор-электроокулографии особенности двпжепий глаз в условиях различной зрительной аффереитацпп.

Приведенные здесь исследования (как зарубежные, так и отечественные) с применением электроокулографип ие являются исчерпывающим перечнем всех работ, свя­ занных с данной методикой. Автор ставил перед собой за­ дачу лишь проследить общий ход развития этого метода.

Можно предположить, что дальнейшее развитие электроокулографии будет тесно связано с примеиеипем био­ телеметрического варианта этого метода, что позволит до­ статочно широко использовать в научных исследованиях дистанционную регистрацию движений глаз.

36

Методика электроокулографпческого эксперимента

Рассмотрим основные требования к оборудованию и ор­ ганизации лабораторных электроокулографических иссле­ дований.

Электроды. От правильного выбора электродов, их раз­ мещения, хорошего контакта с кожей, правильной комму­ тации в большой мере зависит точность результатов. Наи­ более удобными и часто употребляемыми в электроокулографии являются электроды из хлорированного серебра. Их легко изготовить, используя хорошую ковкость сере­ бра, п оип обладают достаточной механической прочно­ стью. Если не требуется большая точность записи, можно не прибегать к хлорированию. Однако в этом случае при продолжительной работе наступает поляризация электро­ дов, связапиая с электролизом среды, окружающей элект­ роды. При этом возникает противоэлектродвижущая спла, которая приводит к снижению величины тока. Кроме того, электролитические явления в электродной пасте могут привести при длительной работе к ее потемнению и вы­ звать раздражение кожи.

Изготовление неполяризующпхся серебряных электро­ дов путем их хлорирования не представляет трудности. Для этого электроды гальванизируют в растворе соляной кислоты (0,1%). Пару готовых электродов тщательно за­ чищают наждачной бумагой и обезжиривают эфиром или сппртом. Одни электрод присоединяют к аноду, другой — к катоду'’. Источником питания служит аккумулятор напря­ жением 2 в (можно использовать батарейку карманного фонаря). Ток пропускают через цепь 30 сек в одном на­ правлении, затем 30 сек — в другом; цпкл повторяют 3 ра­ за (Дональдсон, 1963).

Вместо раствора соляной кислоты можно использовать раствор поваренной соли. В этом случае хлорируемый электрод присоединяется к аноду (катодом слуокит уголь­ ный стержень), н ток пропускается только в одном направ­ лении.

Размеры электродов у разных исследователей колеб­ лются в значительных пределах (от 4 до 10 мм н больше). В наших исследованиях применялись главным образом электроды диаметром 10—12 мм (рис. 2).

Опыт работы показал, что изменение величины элек­ тродов (по крайней мере от 4 до 12 мм) мало влияет на

37

запись. Однако следует учитывать, что электроды малого’ диаметра значительно труднее плотно укрепить па поверх­ ности кожп. Поэтому при использовании электродов без дополнительных крепежных приспособлений следует вы­ бирать дпаметр 8—12 мм. При использовании электродов малого диаметра их целесообразно вмонтировать в специ­ альные пластмассовые корпуса (оставляя открытой лишь поверхность, обращенную к коже).

Особое внимание следует обратить на тщательность нанки проводов к электродам. Длина проводов, соединяю-

Ряс. 2. Простейшие электроды для электроокулографип

щпх электроды с разъемом усилителя, должна быть мини­ мальной (но обеспечивающей достаточную подвижность головы испытуемого).

Наряду с серебряиымп электродами можно использо) вать электроды пз пищевого олова 3.

Наиболее удобная форма электродов — круглая. Тол­ щина дисков не имеет принципиального значения и должна выбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность. Диски электродов должны иметь чашеобразную форму. Углубления чаше­ чек заполняются электродной пастой.

Крепление электродов. Кожа в местах наложения элек­ тродов тщательно обезжиривается смесыо спирта с эфи­ ром или спиртом. Электроды могут крепиться к поверхно­ сти кожи различными способами. Наиболее просто и

3 В настоящее время в лаборатории факультета психологии МГУ используют угольные электроды диаметром около 5 м м , получая

при этом хорошее качество эаписи.

38

доступно использовать для этой цели лейкопластырь. Не­ достаток этого способа -заключается в том, что он требует сравнительно большого времени для подготовки к экспе­ рименту, и при частичном отклеивании лейкопластыря (особенно'при мимических движениях лица испытуемого) электроды могут отставать от кожи.

Выигрыш во времени дает применение резиновых присосок, однако они неудобны из-за того, что при дли­ тельной работе па коже в местах крепления присосок по­ являются синяки.

Электроды можно закреплять, используя специальные очки, несущие на себе электроды и коммутационные про­ вода, но конструкция таких очков должна быть тщатель­ но продумана. Они должны удовлетворять по крайней ме­ ре следующим требованиям:

1.Не закрывать периферию поля зрения.

2.Быть достаточно легкими и удобными п не вызы­ вать у испытуемого никаких неприятных ощущений, ко­

же и равномерное давление на всех электродах.

На рис. За показана специальная маска для крепления

всем перечисленным выше требованиям. Следует вообще указать, что применение очков и масок целесообразно, на наш взгляд, лишь при проведении массовых эксперимен­ тов с большим количеством испытуемых и пониженными требованиями к точности записи. Применяемые в настоя­ щее время усовершенствованные приспособления для крепления электродов показаны на рис. 36, в.

Для получения достаточно малой величины межэлектродиого сопротивления (порядка 2—3 ком) обязательно следует применять специальную электродную пасту. Хорошие результаты дает экспериментальная паста ВНИИМП4, обладающая необходимыми качествами (мож­ но использовать ватку, смоченную физиологическим ра­ створом, но это дает худшие результаты, особенно при длительной работе, когда раствор начинает высыхать).

4 Эта паста разработана во Всесоюзном научно-исследовательском институте медицинского приборостроения (Москва).

39