Лекция № 21. Метод электроокулографии

Автоматизация производства влечёт за собой сокращение до минимума моторных функций человека-оператора и расширение сенсорных функций. Основной поток информации при такой деятельности идёт через зрение, например, от приборного щита, часто насыщенного приборами сверх меры. Поэтому существует проблема оптимизация условий приёма информации оператором. Например, возникают вопросы – какой маршрут обзора приборного щита рационален? Как расположить приборы? С какой скоростью воспринимается информация? и т.д. Один из эффективных методов анализа деятельности оператора-наблюдателя основан на регистрации движения глаз. Для регистрации движения глаз служат методы окулографии.

У физиологов существуют две точки зрения на роль движения глаз. Либо движение - это просто наведение на чувствительное место дна сетчатки fovea centralis изображения объекта. Либо моторика глаз оказывает непосредственное воздействие на оценку пространственных свойств объектов и весь процесс формирования зрительных образов.

Различают два вида движений глаз – макродвижения и микродвижения. К макродвижениям относятся скачок глаза и фиксация взгляда на каком-либо объекте. Информация получается при фиксации глаза. Существуют различные данные о скорости таких движений. Если скачок происходит менее чем на 1⁰, то на это уходит 10 – 20 мс, скачок до 10⁰ занимает около 60 мс, 20⁰ - 70 мс, 30⁰ – 90 мс, 40⁰ 100-120 мс. Наибольшая скорость наблюдается при скачке на 20⁰ и может достигать ~ 400⁰/с.

Ещё один вид макродвижений глаз - плавное просматривающее движение, когда глаз остаётся фиксированным на движущемся объекте.

Микродвижения – это непроизвольные движения, которыми сопровождается процесс фиксации неподвижных объектов. Видами микродвижений являются дрейф, тремор (частота дрожаний 30 – 150 Гц, амплитуда 20 – 40^’’) и мелкие непроизвольные скачи (микросаккады). Микросаккады происходят на десятки угловых минут за 10 – 20 мс.

Инженерно-психологические исследования, в основном, относятся к макродвижениям. Этап информационного поиска у операторов (а также и у представителей других профессий) характеризуется наибольшей глазодвигательной активностью. На этапе переработки оператором полученной информации действий мало, и моторика глаз связана с логическими операциями. На этапе исполнения решений оператором последовательность глазных скачков совпадает обычно с последовательностью действий, направленных на органы управления. Плавные прослеживающие движения глаз также являются объектами инженерно-психологического анализа. Последовательность обзора объекта является показателем последовательности переключения внимания с одних элементов на другие. В книге А.А. Митькина «Электроокулография в инженерно-психологических исследованиях» 1974 г. описан случай применения окулографии к анализу хода мышления шахматиста во время игры. За движением глаз шахматиста следил опытный врач, который фиксировал перемещения взгляда по шахматной доске. Оказалось, что моторика глаз служит достаточно надёжным индикатором для выявления последовательности логических операций, проводимых на конкретном наглядном материале. Был делан вывод, что движения глаз являются показателем хода оперативного мышления. Подобные исследования показали, что моторика глаз может служить эффективным показателем различных внутренних сторон человеческой деятельности, особенно деятельности оператора-наблюдателя.

Окулографический анализ особенно эффективен в тех случаях, когда проектированию средств отображения информации предшествует лабораторный эксперимент на модели такого средства. С помощью окулографии выполняются следующие работы:

1) анализ маршрутов обзора на основе окулографии;

2) анализ распределения плотности точек фиксации зрения (по панели, по информационным элементам этой панели);

3) анализ данных по продолжительности фиксаций глаз на отдельных элементах поля обзора;

4) сравнение окулографических данных с опросом испытуемых.

Для регистрации движений глаз могу использоваться следующие методы:

1) визуальные наблюдения за перемещением зрачков испытуемого;

2) механическая запись движения глаз. К поверхности глаза прижимается рычаг или эластичный баллончик с газом и через систему рычагов осуществляется запись на бумаге. Очень громоздко и неудобно. Методы 1 и 2 устарели;

3) киносъёмка движения глаз;

4) запись роговичного блеска. Следят за отражением луча света, отражённого от роговицы;

5) отражение от специального зеркальца, укреплённого на роговице;

6) электроокулографический метод;

7) телевизионный метод. В нём используются две телекамеры, причём одна камера направлена на объект, а другая – на глаза испытуемого. Вначале человек говорит, куда смотрит. Туда и направляется камера, отслеживающая объект. Это калибровка системы;

8) электромагнитный метод. В этом методе на присоске к глазному яблоку присоединяется миниатюрная магнитная катушка, а на лице крепятся 4 другие катушки. В них индуцируется ЭДС как во вторичной обмотке трансформатора. Но таким образом можно регистрировать перемещения глаза не более 3 минут, так как при этом у испытуемых возникают неприятные ощущения.

Электроокулография нашла применение в результате очень существенных преимуществ. В этом методе к глазу не прикасаются, незначительные перемещения головы не влияют на результат измерений, время записи не ограничено и запись можно проводить дистанционно.

Принципиальная основа метода ЭОГ

Электроокулография возможна благодаря разности потенциалов между роговицей и сетчаткой, т.е. между передним и задним полюсами глазного яблока. Роговица заряжена положительно, а сетчатка - отрицательно. Разность потенциалов составляет приблизительно 6 мВ. Эта разность называется корнео-ретинальным потенциалом КРП. Электрическая ось глазного яблока совпадает со зрительной осью глаза. По-существу, глаз представляет собой поворачивающийся диполь. Если прикрепить электроды к переносице и к виску, то при повороте диполя к носу на носовом электроде будет положительный потенциал, а височный электрод примет отрицательный потенциал. Таким образом, знак потенциала указывает, в какую сторону повёрнут глаз, а величина сигнала есть мера степени поворота. Представление о типичных величинах сигнала ЭОГ можно получить из примера: при сопротивлении кожи порядка 2000 Ом поворот глаза на 30⁰ меняет разность потенциалов на ~ 1 мВ. Электроды имеют вид чашек диаметром 5 мм, впадины которых заполнены электропроводной пастой. Перед установкой электродов кожа обезжиривается смесью спирта и эфира. В космонавтике принято при установке электродов протирать дополнительно кожу пемзой, чтобы удалить с её поверхности омертвевшие клетки эпителия. В результате сопротивление между электродами снижается до 2 – 3 кОм.

В электроокулографии используются монополярные и биполярные отведения. Монополярные отведения используют один общий опорный электрод. Оперный электрод обычно устанавливается у основания спинки носа. При биполярных отведениях потенциалы снимаются с парных электродов (над глазом и под ним, на виске и у переносицы). Обычно величина сигнала около 15 мкВ на 1⁰ поворота глаза. Если для снятия ЭОГ используются 2 пары электродов, то совмещённая регистрация горизонтальных и вертикальных составляющих сигнала называется векторной электроокулограммой в отличие от регистрации отдельных горизонтальных и вертикальных движений с временной развёрткой. Для уменьшения помех используют электрод заземления, накладываемый на мочку уха, у верхнего края середины лба или на предплечье. Сигналы ЭОГ регистрируются на энцефалографе или на ВЭКС (векторном электрокардиоскопе). Векторная ЭОГ очень подходит для изучения маршрутов обзора объекта (например, приборной панели). Раздельная регистрация горизонтальных и вертикальных движений глаз применяется при анализе основных временных характеристик движения глаз, амплитуды отдельных скачков или общей глазодвигательной активности человека-оператора. Эту операцию удобно проводить на электроэнцефалографе.