распознавание зрительных объектов и индивидуальные

РАСПОЗНАВАНИЕ ЗРИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ
ФОВЕА КАРТИРОВАННЫЕ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ
КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
Вахрамеева О.А., Сельченкова Т. В., Сухинин М.*, Шелепин Ю. Е.
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, 199034 Санкт-Петербург, наб.
Макарова, 6, тел. 328-45-71, email: [email protected];
* Военно-Медицинская Академия им. С. М. Кирова
Целью данной работы было изучение взаимоотношений между индивидуальными
угловыми размерами структур области фовеа сетчатки глаза человека, и угловыми
размерами
контурных
изображений
при
пороговой
фрагментации.
Введение
Известно, что на пределе разрешения эффективность распознавания образов снижается.
Было замечено, что ухудшение восприятия происходит, когда размер стимула
становится меньше чем размер центральной ямки – фовеа (Вахрамеева, 2008). В
предыдущем исследованиии размеры стимулов для изучения роли отдельных структур
сетчатки (фовеа, фовеолы, фовеолиты) в работе зрительной системы по распознаванию
объектов, выбирали основываясь на литературных данных. Целью данной работы стало
изучение взаимоотношений между анатомическими особенностями структур области
макулы и размерами контурных изображений при пороговой фрагментации.
Методы
Получение психофизических данных.
В психофизической части исследования приняли участие 12 испытуемых (возраст 18-25
лет) с нормальной остротой зрения. Измеряли пороги распознавания
фрагментированных изображений по методике Голлин теста (Gollin E.S., 1960, Foreman
N., 1987). Стимулами служили контурные объекты белого цвета на черном фоне. В
алфавите стимулов содержалось 75 изображений повседневных предметов. Перед
испытуемым стояла задача как можно быстрее узнать предъявляемый стимул. Порог
восприятия неполного изображения определяли с помощью психофизического метода –
метода пределов. Порог восприятия вычисляли как отношение количества контура в
момент узнавания (в пикселях) к размеру полного изображения (в пикселях). Мы
анализировали зависимость между порогами распознавания и размерами объектов. В
исследовании были использованы следующие размеры изображений: 0.19; 0.32; 0.71;
1.44; 13.0; 50.0 угл. град. Из литературных данных следует, что объекты с размером
0,19 угл. град. проецируются на самую центральную часть фовеолы – фовеолиту.
Изображения с размером 0.32 и 0.71 угл. град. проецируются на область сетчатки,
находящуюся в пределах фовеолы, изображения с размером 1.44 угл. град. попадают в
пределы фовеа, а большие размеры изображений выходят за пределы фовеа.
Расчет индивидуальных размеров фовеа, на основании данных оптической когерентной
томографии.
Для получения информации об индивидуальной структуре сетчатки в области фовеа
использовали карты глазного дна, полученные методом оптической когерентной
томографии (E. A. Swanson et all, 1993; Kagemann et all, 2010). Оптическая когерентная
томография (ОКТ) - это метод медицинского имиджинга, позволяющий получать
344
изображения приповерхностных тканей организма человека in vivo с высоким
пространственным разрешением (10-15 мкм). Это в 10 раз превышает разрешение
других используемых в практике диагностических методов и предполагает изучение
объекта на уровне микроскопической архитектуры ткани. В офтальмологии ОКТ
традиционно применяется для исследования изучения строения сетчатки глаза и ее
патологических изменений. В данной работе карты сетчаток для обоих глаз,
полученные методом ОКТ использовались для расчетов линейных размеров области
фовеа и фовеолы у нормальных испытуемых.
Измерения проводили на приборе Stratus OCT™ (ZEISS). В результате сканирования
получали двумерные радиальные срезы сетчатки по 6 направлениям от 0о до 360о через
каждые 60о. Длина каждого среза составила 6 мм, все линии срезов пересекались в
области фиксации взора испытуемого, что совпадало с областью фовеа.
Расчет линейных размеров проекции изображений на сетчатке.
Размер изображения на сетчатке рассчитывали на основе модели редуцированного
глаза Вербицкого. Для оценки размера изображений стимульных объектов на сетчатке
пользовались формулой β = А/В × α, где α – линейный размер объекта, β – линейный
размер проекции объекта на сетчатке, А = 1/-R; В = 1 / l × k; R – расстояние от глаза до
объекта, l - длина глаза, k – показатель преломления стекловидного тела (1.40)
(Кравков, 1950). Длина глаза l была получена для каждого испытуемого в отдельности
при помощи системы IOLMaster V.4.07 (Zeiss).
Результаты
Психофизические данные
Мы обнаружили, что при изменении размеров стимулов от 1.4 до 50 угл. град. порог
распознавания не менялся (рисунок 1). При уменьшении размеров стимулов от 0.71 до
0.19 угл. град. пороги распознавания постепенно увеличивались (Вахрамеева О. А.,
2008).
Рисунок 1. Зависимость процента контура в момент узнавания объекта, от размера
изображения.
345
Оптическая когерентная томография (ОКТ)
По полученным при сканировании 6 двумерным радиальным срезам сетчатки были
восстановлены карты толщины сетчатки в области центральной ямки. Диаметр карты
составил 3,45 мм, и таким образом, фовеола и фовеа целиком находятся в пределах
границ данных карт (рисунок 2). Карты были получены для правого и левого глаза 5
испытуемых. Известно, что в области фовеа отсутствует слой нервных волокон и
ганглиозных клеток, поэтому толщина сетчатки в этой части глазного дна меньше. На
полученных картах видно, что размер и форма области, не содержащей слоя нервных
волокон и ганглиозных клеток (предположительно область фовеа), различается между
испытуемыми.
Рисунок 2. Карты глазного дна.
А – Карты глазного дна правого и левого глаза у отдельных испытуемых в области
центральной ямки, толщина сетчатки обозначена оттенками серого; Б – шкала оценки
диаметров колец на картах; В – шкала определения толщины сетчатки на картах.
Для каждого глаза каждого испытуемого определили диаметр дна центральной ямки
(оценивали расстояние между границами слоя нервных волокон и ганглиозных клеток)
и диаметр верхней части ямки. Для расчетов этих параметров из 6-ти срезов,
полученных для одного глаза выбирали срез с максимальными значениями указанных
параметров. Полученные данные и их сравнение с размерами проекций стимулов на
сетчатку представлены в таблице 1.
346
Рисунок 3. Срез сетчатки, полученный методом ОКТ.
Два белых прямоугольника по длине равны диаметру дна ямки (нижняя черта) и
диаметру верхней границы ямки (верхняя черта)
Сопоставление размеров фовеа, рассчитанных на основе данных ОКТ и размеров
изображений
В литературе приняты следующие размеры структур в области центральной ямки:
foveola: диаметр = 500 мкм (~1/3 DD), fovea: диаметр = 1500 мкм (~ 1 DD), макула:
диаметр = до 5-5,5 мм (~3,5 DD) (по Гесс (1973), L'Esperance (1983) и комментариям
В.С. Акопяна (1981)). В таблице представлены величины диаметров дна центральной
ямки по 4 испытуемым (6 глаз). В качестве значения диаметра выбирали максимальное
по 6 срезам значение.
Таблица 1.
№ п/п
1
2
3
4
5
6
Диаметр дна
центральной
ямки (мм)
0.187
0.336
0.349
0.274
0.424
0.336
Диаметр
верхней части
центральной
ямки (мм)
1.147
1.472
1.035
1.122
1.26
1.16
размер объекта (угл. град)
0.19
0.35
0.71
1.44
0.108
0.105
0.115
0.108
0.106
0.115
0.199
0.194
0.212
0.199
0.195
0.212
0.404
0.393
0.431
0.403
0.396
0.43
0.821
0.797
0.874
0.819
0.804
0.873
В столбцах 4, 5, 6 и 7 приведены значения размеров проекций изображений на сетчатку
каждого исследуемого глаза (мм).
Из таблицы видно, что при идеальной фиксации проекции изображений размером 0,19
и 0,35 угловых градусов попадают на дно центральной ямки, и не выходят за ее
границы. В этой части ямки отсутствует слой нервных волокон и ганглиозных клеток.
Изображения размером 0,71 угловой градус попадают на область ямки, где толщина
слоя ганглиозных клеток и нервных волокон увеличивается, но все еще образует
347
пределы вогнутости. Проекция изображений размером 1,44 угловой градус также
попадает в пределы ямки, не превосходя размером диаметр верхней части ямки.
Обсуждение
Мы показали, что, несмотря на очевидные индивидуальные различия в структуре фовеа
(ее форме и размере) а также различия в строении глаза (его аксиальная длина,
преломляющая способность), изображения с определенными размерами проецируются
на определенные области сетчатки, одинаковые для всех испытуемых.
При сопоставлении результатов поведенческих экспериментов с результатами ОКТ об
анатомическом строении сетчатки в области центральной ямки оказалось, что
изображения, которые проецируются на дно ямки, то есть в область, где отсутствует
слой ганглиозных клеток и нервных волокон, опознаются менее эффективно. Требуется
большее количество контура, чтобы опознать такое изображение. Количество контура,
необходимого для узнавания объекта, постепенно уменьшается с увеличением размера
изображений, и при размере объекта больше чем 1.44 угловых градусов (то есть
большем чем размер центральной ямки) количество контура необходимое для
узнавания объекта уже не зависит от размера самого объекта.
Заметили, что при размере изображения сравнимом с размером фовеолиты –
испытуемый не видит разницы между полным контурным изображением и
изображением, в котором представлено только 80% контура. Предположили, что
увеличение порогов распознавания на пределе разрешения обусловлены
мультипликативной помехой дискретизации.
Литература:
1. Foreman N. Correlates of performance on the Gollin and Mooney tests of visual
closure // The Journal of General Psychology. – 1991. – V. 118, № 1. – P. 13-20.
2. Foreman N., Hemmings R. The Gollin incomplete figures test: a flexible,
computerized version // Perception. – 1987. – V. 16. – P. 543-548.
3. Gollin E. S. Developmental studies of visual recognition of incomplete object //
Perceptual and Motor Skills. – 1960. – V. 11. – P. 289-298.
4. О.A. Вахрамеева, Ю.Е. Шелепин, А.Ю. Мезенцев, С.В. Пронин
Исследование восприятия неполных контурных изображений разного
размера // Российский физиологический журнал Т.94., 2008.
5. Кравков С. В. Глаз и его работа // изд. Ак. Наук СССР, Москва Ленинград,
1950.
6. Swanson, E. A. et all In vivo retinal imaging by optical coherence tomography
// Optics Letters, 18 (21): 1864, 1993.
7. Larry Kagemann et all Spectral oximetry assessed with high-speed ultra-highresolution optical coherence tomography // J Biomed Opt. 2007 Jul–Aug; 12(4).
348