Информационные технологии для оценки когнитивных функций

 

Оценка когнитивных функций производилась с помощью интегрированного программно-аппаратного комплекса «HandTrеcker», который предназначен для исследования количественных характеристик восприятия человеком визуальных и звуковых стимулов. В частности, в нем реализованы такие зрительные тесты, как цветовая кампиметрия, управление цветом фигуры на фоне, управление углом наклона виртуального отрезка, тест «часы с поворотом», тест Струпа, тест сенсомоторной реакции на зрительный стимул. Также реализованы такие звуковые тесты, как измерение времени сенсомоторной реакции, измерение порогов слуха, измерение пороговых межушных задержек при латерализации звукового образа, удержание частоты (тонального звука).

В данном исследовании использован комплекс функциональных проб, обеспечивающих актуализацию первичных когнитивных функций и измерение ошибок моторного отображения элементарных сенсорных сигналов, которые описаны ниже. Принципиальная схема данных проб такова, что испытуемый включается в состав человеко-компьютерной системы, в которой зрительные и звуковые стимулы генерируются компьютером и предъявляются испытуемому. Ориентируясь на свои ощущения, он должен в динамическом режиме управлять манипулятором-посредником (джойстик, мышь, клавиша) и воспроизводить предъявляемые экспериментатором стимулы с установленными параметрами [234]. Каждый эксперимент состоит из двух последовательных сессий: 1. Обучающая. Испытуемый знакомится с предстоящим заданием и пробует его выполнить несколько раз. 2. Непосредственное измерение.

Порядок проведения измерений включает в себя следующие этапы. Создание эксперимента. При вызове «приложения экспериментатора» возникает среда, в которой экспериментатор выбирает опцию меню «создать эксперимент» (или обращается к архиву базы). На экране монитора экспериментатора возникает вкладка «эксперимент», в которой исследователь заполняет паспортные данные эксперимента и выбирает одну из опций «сохранить запись», «отменить» или «выбрать». После нажатия кнопки «сохранить» запись попадает в базу данных. После нажатия кнопки «выбрать» активируется опция меню «метод исследования». Обращение к этой опции открывает доступ ко всем видам тестов и исследований, предусмотренных в комплексе, которые описаны ниже.

Использованные в исследовании подходы к тестированию когнитивных функций:

Метод компьютерной кампиметрии.

Тест предназначен для измерения дифференциальных порогов восприятия цвета по методу градиентов для назначенного набора цветовых стимулов, сформированных в соответствии с моделями цветового пространства HLS, RGB. Он осуществляется путем определения порогов различения цветной фигуры на цветном фоне.

Пользуясь окнами закладки «кампиметрия» экспериментатор устанавливает следующие параметры теста:

- форму и размеры фонового поля (фонового стимула);

- форму и размеры 3 фигур, которые будут предъявляться на фоне для распознавания;

- вид модели цветового пространства (цветовая модель);

- активный параметр цветовой модели, т.е. тот параметр, изменение которого будет изменять цвет фона;

- интервал изменения активного параметра;

- шаг изменения величины активного параметра;

- порядок предъявления стимулов – фигур на фоне;

- способ управления цветом фигуры на экране испытуемого – кнопки на экране, клавиши клавиатуры, кнопки мыши.

Выбор формы трех стимулов для распознавания делается в окне «активный стимул». При необходимости в программу может быть внесен в качестве цитаты любой графический объект.

После назначения параметров теста и размещения инструкции для испытуемого экспериментатор нажимает кнопку «просмотр». В результате на его экране появляется круг, разделенный на сектора, имеющие тот цвет, который будет принимать фон в ходе исследования. Для начала исследования экспериментатор должен нажать виртуальную кнопку «пуск».

Ознакомившись с инструкцией, испытуемый нажимает виртуальную кнопку «начать тестирование». Далее, нажимая в зависимости от выбранного способа управления цветом фигуры на верхнюю управляющую кнопку, испытуемый добивается появления фигуры на фоне. Как только он примет решение, что распознал фигуру, он нажимает соответствующий ей значок. Если распознавание произошло верно, то появляется соответствующая иконка (Рисунок 13).

После нажатия кнопки «ОК» испытуемый нажимает нижнюю управляющую кнопку со стрелкой до тех пор, пока, по его мнению, фигура не сольётся с фоном. После этого на экране появится новый фон, и все нужно будет продолжить.

Рис. 13. Экран испытуемого после правильного ответа тестирования.

В это время экран экспериментатора примет вид, показанный на рисунке 14. В правой части экрана отображены графики, отражающие зависимость величины порога распознавания фигуры от значения фона (верхняя кривая) и ошибки определения цвета фигуры при ее слиянии с фоном. Эти же данные приведены и в таблице (Рисунок 14).

Рис. 14. Экран экспериментатора после завершения тестирования.

При нажатии кнопки «сохранить» все настройки и данные эксперимента сохраняются в базе дынных и в последующем могут быть из нее вызваны.

В данном исследовании измерение порогов цветоразличения производилось в цветовой модели НLS по шкале H от 0 до 250 с шагом 10 у.е.

Тест «Управление углом наклона отрезка».

Тест предназначен для исследования восприятия испытуемым пространственной ориентации виртуальных геометрических объектов, например, отрезков прямой.

Пользуясь кнопками и окнами вкладки «управление углом наклона», экспериментатор может назначить вид и параметры виртуального объекта – образца и объекта управления, порядок предъявления виртуальных объектов - стимулов, способ управления виртуальным объектом – стимулом, количество предъявляемых стимулов и шаг изменения угла наклона образцового стимула, начальное различие наклона стимула - образца и управляемого стимула при предъявлении управляемого стимула. Также экспериментатор может отредактировать инструкцию и предъявить ее испытуемому или скрыть.

После назначения параметров теста и нажатия кнопки «пуск» на экране испытуемого возникает образцовый и управляемый объекты в режиме, выбранном экспериментатором (Рисунок 15).

Рис. 15. Экран испытуемого при выполнении теста.

Управляя с помощью назначенного экспериментатором инструмента, испытуемый выполняет инструкцию, например, выставляет управляемый отрезок параллельно образцовому.

Экран экспериментатора отражает диаграмму и таблицу, в которых приведены данные о величине ошибок управления и потраченном на каждую пробу времени. При нажатии кнопки «сохранить» они будут помещены в базу данных.

В данном исследовании испытуемым в каждом эксперименте предъявлялось 9 стимулов-образцов от 0º до 180º с шагом 22,5º, начальное отклонение управляемого стимула от стимула образца 15º, время удержания управляемого стимула – 5000 мс., чувствительность манипулятора (джойстика) – 2. Длина стимулов – 50 мм, толщина стимулов – 1мм.

Тест «Часы с поворотом».

Тест предназначен для оценки и тренировки способности восприятия и управления пространственной ориентацией объектов.

На экране экспериментатора возникает закладка, в окнах которой могут быть назначены параметры теста: вид циферблата (с делениями или без делений), количество, вид и размер стрелок часов (стимула), угол поворота циферблата относительно вертикали, временной интервал циферблата 0-12 или 0-24 часа, количество заданий в тесте, порядок предъявления задач, способ регулирования положения стрелок испытуемым – мышь, движок, джойстик, режим тренировки или тестирования.

После ознакомления испытуемого с инструкцией экспериментатор нажимает кнопку «пуск». При этом на экране испытуемого возникает первая задача теста (Рисунок 16).

Рис. 16. Предъявление тестовой задачи.

Используя назначенный орган управления, испытуемый решает первую задачу и нажимает кнопку «повторить» или «продолжить». В режиме тренировки на экране испытуемого отображается как выставленное им время, так и правильное время с указанием величины ошибки (Рисунок 17).

По окончании тестирования на экране экспериментатора отображаются результаты теста в форме диаграммы и таблицы, в которых приведена поставленная задача, выставленное испытуемым время, величина ошибки и время решения каждой из задач (Рисунок 18).

Экспериментатор может сохранить конфигурацию эксперимента и его результаты в базе данных через опцию «сохранить».

В данном исследовании испытуемым в каждом эксперименте предъявлялось 10 заданий, от 0 до 12 часов, начальное отклонение стрелки 1 ч. 30 мин., длина стрелки 40 мм, ширина 2 мм, способ управления – джойстик, коэффициент передачи – 1.

Тест Струпа.

В психологии эффектом Струпа называют задержку реакции при прочтении слов, когда цвет букв, которыми написано слово,не совпадает со значением слова(например, слово «красный» написано синим).

Рис. 17. Экран испытуемого при тренировке.

Рис. 18. Экран экспериментатора по окончании тестирования.

Используя окна закладки «тест Струпа», экспериментатор назначает тип теста: отметить цвет, соответствующий значению слова, написанного черно-белым шрифтом, отметить цвет, обозначенный словом, написанным буквами того же цвета, отметить цвет, написанный буквами иного цвета, отметить цвет букв, которыми написано предъявляемое слово. Может быть назначен размер шрифта и количество предъявлений стимула. При нажатии экспериментатором кнопки «инструкция» на экране испытуемого возникает инструкция.

После ознакомления испытуемого с инструкцией экспериментатор нажимает кнопку «пуск». При этом на экране испытуемого возникает первая задача теста.

После окончания тестирования на экране экспериментатора воспроизводятся полученные данные о количестве ошибок и времени решения каждой из задач (Рисунок 19).

Рис. 19. Экран экспериментатора по окончании тестирования.

В данном исследовании испытуемые в каждом эксперименте проходили 4 серии: 1. цвет букв слов – черный, необходимо выбрать иконку, цвет которой соответствует семантике слова; 2. цвет букв слов совпадает с их семантикой, необходимо выбрать иконку соответствующего цвета; 3. цвет букв слов и их семантика не совпадают, необходимо выбрать иконку, цвет которой совпадает с семантикой слова; 4. цвет букв слов и их семантика не совпадают, необходимо выбрать иконку, цвет которой соответствует цвету букв слова. Каждая серия содержит 10 стимулов, размер шрифта 72 мм.

Измерение времени сенсомоторной реакции на звуковые стимулы.

Для проведения в составе эксперимента измерений этого типа необходимо подключить к компьютеру стереофонические головные наушники. Далее через опцию меню «метод исследования» на закладке «приложение экспериментатора» необходимо выбрать опцию выпадающего меню «звуковые стимулы», а затем опцию «измерение времени сенсомоторной реакции».

В результате этого выбора на экране экспериментатора появится закладка «измерение времени сенсомоторной реакции». В окнах закладки экспериментатор может через использование опции «настройка параметров» назначить параметры звуковой стимуляции каждого уха: форму звукового импульса, его длительность, громкость, интервал между стимулами, порядок предъявления стимулов (случайный, регулярный) и изменение этих параметров по ходу тестирования. Также он может назначить величину задержки между звуковыми сигналами, подаваемыми им в левый и правый наушники (межушная задержка).

После назначения параметров теста экспериментатор нажимает кнопку «ОК» и далее кнопку «пуск». В соответствии с инструкцией, испытуемый нажимает управляющую кнопку при наступлении тех или иных событий в восприятии стимулов. По окончании теста на экране экспериментатора в форме таблицы и диаграммы отображается информация о реакции испытуемого на предъявляемые стимулы: момент предъявления стимула, момент нажатия и отпускания испытуемым управляющей кнопки на экране, кнопки мыши, клавиши клавиатуры или джойстика (Рисунок 20).

Рис. 20. Экран экспериментатора по окончании тестирования.

В данном исследовании в каждом эксперименте испытуемые проходили от 4 до 8 серий: 1. время межстимульного интервала 5000 мс, 2. время межстимульного интервала 1000 мс, 3. время межстимульного интервала 700 мс, 4. время межстимульного интервала 500 мс, 5. время межстимульного интервала 400 мс, 6. время межстимульного интервала 350 мс, 7. время межстимульного интервала 300 мс, 8. время межстимульного интервала 200 мс. В каждой серии предъявлялось 10 стимулов с постоянным межстимульным интервалом, длительность предъявления стимулов – 23 мкс. Эксперимент заканчивался на той серии, в которой испытуемый ошибался более 3-х раз. За ошибку принимались пропуск стимулов, досрочная реакция на стимул.

Измерение пороговых межушных задержек при латерализации звукового образа.

Описание методики компьютерной кампиметрии заимствовано из докторской диссертации ее автора Полевой С.А. [289].

Компьютерная технология латерометрии позволяет формировать разнообразные амплитудно-временные структуры звуковых шумовых прямоугольных импульсов (Рисунок 21) и обеспечивает широкий спектр стратегий предъявления сигнала и регистрации реакции.

Стимул может предъявляться как моноаурально, так и бинаурально, когда эквивалентные короткие звуковые щелчки с регулируемой задержкой во времени подаются в каждое ухо отдельно через стереофонические наушники.

 

А

Б

Рис. 21. Принципиальная схема компьютерной латерометрии. (А) и дихотического стимула (Б). Стрелками указаны направления потоков данных. Т1 –продолжительность электрического импульса; Т2 – межстимульный интервал; Dt – шаг нарастания межушной задержки; I1 – интенсивность сигнала в канале для левого уха; I2 – интенсивность сигнала в канале для правого уха.

 

Характеристические параметры управляющего электрического сигнала:

Продолжительность электрического импульса от 23 мкс до 100 мс

Межстимульный интервал от 1 мс до 10 с

Шаг нарастания межушной задержки от 23 мкс до 10 мс

Начальная межушная задержка от 23 мкс до 10 мс

Амплитуда от 0 до 32000 условных единиц

Шаг по амплитуде 1 условная единица

Количество стимулов до 500 шт.

Характеристика звукового сигнала:

Шумовой щелчок в диапазоне частот от 1500 Гц до 4500 Гц, с шириной полосы пропускания ±30% относительно средней частоты, соответствующей частотному формату человеческого голоса (Рисунок 22). При дихотической стимуляции звуковые стимулы для разных каналов были эквивалентны.

А
Б
Рис. 22.	Спектр звукового сигнала и фонового шума (А), временная диаграмма сигналов (Б).

Программа управления аппаратной частью комплекса разработана с помощью среды разработки Microsoft Visual Studio 6.0 на языке C++ с использованием принципа MFC (Microsoft Foundation Classes) для реализации графического интерфейса.

В процессе эксперимента формируется файл с данными в формате prn на диске. Впоследствии он открывался для анализа самой программой. Файл протокола имеет вид отформатированной текстовой таблицы, поэтому он может быть перемещён в любую другую программу для более глубокого анализа, например, Microsoft Excel, где анализировались все данные эксперимента.

Управляемые параметры:

Т1 – продолжительность щелчка;

Т2 – межстимульный интервал;

dT – шаг нарастания межушной временной задержки;

dT₀ – начальная межушная задержка;

I1 – интенсивность звукового сигнала для левого уха;

I2 – интенсивность звукового сигнала для правого уха;

N – количество щелчков в серии;

dI1 – шаг нарастания интенсивности звукового сигнала для левого уха;

dI2 – шаг нарастания интенсивности звукового сигнала для правого уха.

Измерение пороговых межушных задержек при латерализации дихотического сигнала:

Процедура тестирования включает два этапа: обучение и измерение. Для обучения распознаванию пространственных координат звукового образа в условиях дихотической стимуляции испытуемому предлагается указать положение источника звука при моноуральном сигнале справа, слева и при одновременном бинауральном раздражении, соответствующем локализации звукового образа в центре межушной дуги. Таким образом, осуществляется подключение субъективной модели звукового пространства к распознаванию локализации иллюзорного источника звука при дихотической стимуляции. Для измерения в качестве стимула используется серия дихотических импульсов частотой 3 Гц с шагом нарастания межушной задержки 23 мкс. Направление сальтаторного движения звукового образа определяется стороной опережающего сигнала. Испытуемым дается установка фиксировать положение «звука» нажатием на кнопку джойстика для трех моментов (Рисунок 23, А): момента смещения «звука» из «центра» (dt _min_лев, dt _min_пр), момента остановки в крайнем латеральном положении: для опережения на левое ухо – слева (dt _max_лев), для опережения на правое ухо – справа (dt _max_пр), а также момента появления вместе с громким сигналом со стороны опережения четкого тихого сигнала с противоположной стороны (dt_расщ_лев, dt_расщ_пр). 

Результат отображается в форме гистограммы (Рисунок 23, Б).

 

А	Б
Рис. 23. Пороги латерализации звукового образа при дихотической стимуляции с нарастающей межушной задержкой. По оси Х – показатели звуколокализационной функции, по оси У – интерауральная задержка (мкс). Светлые столбики - при опережении влево; темные столбики - при опережении вправо.

Пороговые межушные задержки, измеренные при иллюзии смещения источника звука вправо, характеризуют разные степени доминирования левого полушария, а для движения влево - правого полушария. Сопоставляя пороги для одних и тех же моментов латерализации звукового образа, можно вычислить коэффициенты функциональной межполушарной асимметрии:

1. Kmin =(Dt min_пр- Dt min_лев)/(Dt min_пр+Dt min_лев)

2. Kmax ==(Dt max_пр- Dt max_лев)/(Dt max_пр+Dt max_лев)

3. Krash =(Dt расщ_лев-Dt расщ _пр)/(Dt расщ _лев+Dt расщ _пр)

4. Кас_общ =√ASmin²+ASmax²+ASrash²

С более подробным описанием методики компьютерной латерометрии и ее применением в исследовательской и медицинской практики можно ознакомиться в трудах Полевой С.А. [292].