Fyziologické vlastnosti lidského zraku a sluchu 1. Teoretický rozbor řešeného problému: 1.1 Smyslové vnímání: Smyslové vnímání definujeme jako příjem a uvědomování si informací z vnějšího a vnitřního prostředí organismu. Děje se tak prostřednictvím receptorů, které můžeme rozdělit do různých skupin, podle jejich složitosti, druhu působící energie a místa podnětů. Jedněmi z nejdůležitějších smyslů u člověka jsou zrak a sluch, které společně s hmatem umožňují základní orientaci člověka v prostoru i v čase. Jsou nezbyté k dorozumívání a k zajištění základních potřeb člověka. Do jisté míry jsou některé smysly v určitých situacích zastupitelné, proto je mnohdy velmi složité kvantifikovat daný vjem tak, aby byl porovnatelný s jiným jedincem. Subjektivní vnímání intenzity určitého vjemu je tedy pro každého jedince jiné a může se měnit v čase (adaptace sluchu na danou hladinu hluku v prostředí, eliminace vjemu pachu při dlouhodobé expozici, stárnutí sluchového či zrakového orgánu,…). 1.2 Kvantifikace smyslového vnímání [1]: V historii se subjektivní fyziologií smyslů zabývali: Leonardo da Vinci, Kepler, Newton, Young aj., v 19. stol. pak: Purkyně, Fechner, Rutherford, Ewald, Corti, H. von Helmholtz aj. psychofyzika: řeší vztah mezi intenzitou podnětu a intenzitou počitku Weberův zákon (poč. 19. stol.) ∆S/S = konst. (∆S = postřehnutelná změna velikosti podnětu, S = velikost podnětu) Weber - Fechnerův zákon R = A . log (S/So) (R = počitek, A = konst., S = velikost podnětu, So = velikost prahového podnětu) Objektivní fyziologie smyslů: od poloviny 20. stol.: Stevensův zákon
R = A . Sn (R = počitek, A = konst., S = velikost podnětu, n = 0,2 - 3,5 pro různé typy modalit, viz obr.1)
Obrázek 1: Mocninné funkce pro modality: A (elektr. Bolestivý podnět), B (bolestivý podnět), C (tlak), D (vibrace 60 Hz), E (šum), F (tón 1 kHz), G (bílé světlo) [1]
1/8
3.3 Mechanismus smyslového vnímání:
Obrázek 2: Mechanismus smyslového vnímání [1]
Fyzikální rozsah zpracovatelného podnětu závisí zejména na typu a vlastnostech receptoru, který daný podnět zpracovává, a též na zkušenosti daného jedince, tedy na interpretaci centrální nervové soustavy. 3.4 Zrak:
Obrázek 3: Smyslové klamy při vnímání tvarů, mnohoznačné a „nemožné“ obrazce a simultánní kontrast [1]
2/8
Lidské oko je obecně nejdůležitějším orgánem smyslového vnímání. Fakticky se jedná o primitivní optickou soustavu, tvořenou čočkou s proměnnou ohniskovou vzdáleností a stínítka (sítnice), která pomocí tyčinek a čípků fotochemickou cestou převádí obraz do podoby akčních potenciálů. Oko nedodává mozku jednoznačný obraz vnějšího světa. Ten nabývá významu na podkladě zkušenosti podle impulzů přiváděných zrakovým nervem. Na jednu stranu je tím kompenzována nedokonalost optické soustavy oka, na straně druhé může docházet k nepřesné interpretaci viděného obrazu (obrázek 3). Přechod od podnětu až po analýzu CNS (podle obrázku 2) není okamžitý, ale má určité zpoždění. U oka se toto zpoždění udává okolo 20 ms. Z toho vyplývá, že obrazce, které se mění rychlostí větší než cca 50 Hz bude člověk vnímat jako spojité. Na tomto principu je založena například televize. Zpoždění 20 ms je opět hodnota empirická, která platí pro průměrného člověka. Navíc je tato hodnota různá pro přímý pohled a pro periferní vidění. Pokud se na danou věc díváme přímo, má mozek tendenci blikání potlačovat, tedy hodnota pro přímý pohled bude jiná než pro pohled nepřímý. Dále též záleží na intenzitě světla – jasnější objekty se jeví jako méně blikající (setrvačnost fotochemické reakce v oku). 3.5 Biofyzika vnímání zvuku: Sluch je opět jedním z nejdůležitějších smyslů. Samotný sluchový orgán je zcela výjimečný a ne všechny principy a pochody v něm byly do současné doby zcela uspokojivě vysvětleny. Jednak je to jeho extrémní citlivost a dále jeho schopnost potlačit superponované signály, které nejsou předmětem zájmu, neboli schopnost výběru určitého signálu ze směsi signálů jiných (informační šum). V jistém smyslu lze sluch charakterizovat jako velmi citlivý hmat. Prahová citlivost sluchového orgánu u zdravého člověka je asi Io=10-12 Wm-2 při frekvenci 1000 Hz. Toto číslo je označováno jako nulová hladina hlasitosti, respektive konvenční hodnota prahu slyšení (0dB) při frekvenci 1000 Hz. Při této prahové intenzitě zvuku jsou amplitudy pohybů ušního bubínku řádově rovny průměru atomu. Kmity bazilární membrány vykazují asi stejné amplitudy. Z hlediska současných znalostí je mechanismus, kterým tyto nepatrné výchylky mohou vyvolat dráždění nervových zakončení, jen nesnadno vysvětlitelný [2]. Citlivost sluchového orgánu není konstantní pro všechny frekvence stejně. Je to ovlivněno především geometrií vnějšího a vnitřního ucha. Frekvence, pro něž dochází k rezonanci jsou vnímány citlivěji než frekvence jiné. Zevní ucho (obrázek 4): - ušní boltec (optimálně slyšitelné zvuky dopadají na ušní boltec pod úhlem asi 15o) - zevní zvukovod (má funkci rezonátoru) pro délku rezonátoru L s kmitajícím vzduchovým sloupcem platí L = (2 n + 1) λ/4 (pro n = 0, 1, 2, ...) a L = λ/4
(pro n = 0)
3/8
pro rezonanční kmitočet pak platí: f = v / λ ≈ 3 kHz (pro L ≈ 27 mm)
Obrázek 4:. Zevní zvukovod coby jednostranně otevřený válcový rezonátor [1]
Střední ucho a vnitřní ucho:
M – kladívko, I - kovadlinka S – třmínek, Ms – m. stapedius, Tph – tuba pharyngotympanica, P – perylymfa, Dc – ductus cochle-aris, U – utriculus, Sa – saculus, A – sluchový nerv, K - kost
Obrázek 5: Schéma středního a vnitřního ucha [1]
Střední ucho zajišťuje přenos zvukového vlnění do oblasti vnitřního ucha, kde dochází k vlastní přeměně mechanického vlnění na akční potenciál pomocí vláskových buněk uvnitř blanitého hlemýždě (obrázek 5). Na obrázku 6 jsou uvedeny křivky hladin stejné hlasitosti jak je průměrné lidské ucho vnímá pro různé frekvence. Nejcitlivější je tedy lidské ucho na frekvence okolo 3 – 4 kHz. 4/8
Tyto křivky byly opět získány empiricky a platí pro průměrného člověka. V klinické praxi se provádí vyšetření na audiometru, který má již v sobě tyto křivky uloženy a zjišťuje se tedy pouze odchylka od této křivky. Pro normálního zdravého člověka je tedy výstupem z tohoto audiometru přímka. Běžnými audiometry se provádí měření v pásmu 500 – 5000 Hz [2]. Pro přesná měření prahu slyšitelnosti (zejména v okrajových pásmech slyšitelného spektra) je nutno zajistit bezdozvukovou komoru a velmi kvalitní reprodukční aparaturu. Navíc se provádí měření pro levé a pravé ucho zvlášť (maskování druhého ucha šumem) a pro různá vedení zvuku (vzdušné vedení zvuku, kostní slyšení). Ačkoli se v literatuře uvádí, že kmitočtový rozsah lidského sluchu je 16 Hz – 20 kHz, tak dospělý člověk má toto pásmo menší, obvykle 40 Hz – 17 kHz. − hlasitost (vlastnost subjektivního vjemu zvuku) je pravděpodobně určena počtem nervových vzruchů reagujících plnou intenzitou − hladina hlasitosti: γ[dB] = 10 log I / Io, dynamika sluchového orgánu je až 160 dB (práh slyšitelnosti až práh bolesti), což je rozsah 16 řádů.
Obrázek 6: Křivky hladin stejné hlasitosti [1]
5/8
2. Popis měřícího přípravku: Přípravek na obrázku 7 slouží ke změření základních frekvenčních vlastností lidského oka a ucha. Obsahuje generátor harmonického signálu, jehož frekvenci lze plynule měnit v rozsahu od cca 9 Hz do 30 kHz. Nápisy u této regulace jsou jen orientační, přesnou hodnotu frekvence, která jde do sluchátek a se kterou bliká bílá LED, je nutno měřit externím čítačem. Dále též přípravek obsahuje regulátor hlasitosti (zisku), který je kalibrovaný přímo v decibelech a lze pomocí něj měnit (a odečítat) intenzitu zvuku v rozmezí asi 50 dB.
Obrázek 7: Popis přípravku
3. Úkol měření: a) Pomocí přípravku určete frekvenci při které je vaše oko ještě schopno vnímat blikání bílé LED. Určete tuto mezní frekvenci pro přímí pohled na diodu a pro periferní vidění. b) Změřte maximální a minimální frekvenci, kterou je vaše ucho ještě schopno vnímat. c) Pokuste se změřit spektrální charakteristiku svého ucha na základě určení prahu slyšení pro frekvence v rozsahu cca 16 Hz – 20 kHz
6/8
4. Postup měření: − Uveďte přípravek do chodu zapojením jeho napájecího adaptéru. Měla by se rozsvítit bílá LED. Pokud se tak nestalo, pokuste se zakroutit jemnou regulací frekvence. a) Mezní frekvence oka - hrubou regulaci frekvence nastavte na rozsah 33-900 Hz. Jemnou regulací frekvence postupně zvyšujte kmitočet blikání až do chvíle, kdy se vám bude subjektivně zdát, že už dioda nebliká. Frekvenci blikání odečtěte z čítače a zaznamenejte. - Měření proveďte pro přímý pohled na diodu a pro periferní vidění, kdy se budete dívat mimo LED s odklonem cca 45 stupňů b) Mezní frekvence ucha - Na přípravku i na sluchátkách nastavte maximální zesílení. - Jemnou regulaci frekvence stáhněte na minimum. - Hrubou regulaci frekvence nastavte na rozsah 9-250 Hz - Připojte sluchátka k přípravku. - Jemnou regulací frekvence postupně zvyšujte kmitočet až do doby, kdy začnete ve sluchátkách slyšet tón - Pomocí čítače zaznamenejte nejnižší kmitočet, při kterém zvuk vnímáte - Hrubou regulaci frekvence přepněte na rozsah 3.3-90 kHz, jemnou regulaci stáhněte na minimum - Postupně zvyšujte frekvenci pomocí jemné regulace až do okamžiku, kdy tón přestanete vnímat. - Pomocí čítače zaznamenejte nejvyšší kmitočet, při kterém zvuk vnímáte c) Spektrální charakteristika ucha - Proveďte seřízení sluchátek - Pomocí hrubé a jemné regulace frekvence a čítače nastavte kmitočet na 1 kHz. - Regulaci zisku nastavte na 0 dB - Pomocí regulace hlasitosti na sluchátkách nastavte intenzitu zvuku tak, aby byla přesně na prahu slyšitelnosti. - Pro různé frekvence v rozsahu 20 Hz -20 kHz hledejte práh slyšení otáčením regulace zisku - Pro každou frekvenci zaznamenejte zisk odpovídající vašemu prahu slyšení (odečtěte hodnotu ze stupnice u regulace zisku) - Naměřené hodnoty proložte grafem (vynášejte v logaritmickém měřítku a v decibelech do připraveného grafu)
7/8
5. Naměřené výsledky: a) Mezní frekvence oka: Přímý pohled: fmax= Periferní vidění: fmax= b) Mezní frekvence ucha: fmin=
fmax=
c) Spektrální charakteristika ucha:
6. Seznam přístrojů: 1. Přípravek pro určení fyziologických vlastností lidského oka a ucha 2. Kvalitní sluchátka 3. Napájecí zdroj pro přípravek (12V/500mA) 7. Rozbor a závěr:
Literatura: [1] Hálek J.: Materiály k přednáškám z předmětu Lékařská biofyzika, Lékařská fakulta University Palackého v Olomouci, Olomouc 2002 [2] Špitálský J. a kol.: Praktikum z lékařské biofyziky, Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc 1997, ISBN 80-7067-757-0
8/8
