Ilość receptorów występujących w narządach zmysłu człowieka:
advertisement
2013-01-23 Model system wzrokowego człowieka Modelowanie systemu wzrokowego Wykład nr 15 z kursu Biocybernetyki dla Inżynierii Biomedycznej prowadzonego przez Prof. Ryszarda Tadeusiewicza Wzorzec dla wszelkich sztucznych systemów wizyjnych Ilość receptorów występujących w narządach zmysłu człowieka: Ponad 70% wszystkich informacji ze świata zewnętrznego pozyskiwanych jest przez człowieka za pomocą narządu wzroku - wzrok zawiera ich ok. 2,5·108, - węch – 4·107, - dotyk – 2,5·106, - smak – 1·106, - słuch – 2,5·104 Naturalne przetwarzanie obrazu WPROWADZENIE Akwizycja obrazu Każdy człowiek w czasie rzeczywistym dokonuje czynności przetwarzania i rozpoznawani obrazów. * Czynności te nasz mózg wykonuje w sposób bardzo szybki i naturalny. Przetwarzanie wstępne Segmentacja Lokalizacja obiektów PROCES ANALIZY Wyznaczenie cech * Umiejętności pozyskiwania informacji za pomocą wzroku uczymy się we wczesnym okresie niemowlęcym i doskonalimy ja przez całe życie. Wydaje się więc ona czymś naturalnym i oczywistym. * Prawdziwą złożoność procesu widzenia, ujawnia dopiero próba stworzenia jego sztucznego odpowiednika Pamięć Decyzja 1 2013-01-23 Ogólna budowa Struktur narządu wzroku Budowa gałki ocznej Zmysł wzroku zapewnia zdolność układu nerwowego do odbierania bodźców świetlnych i przetwarzania ich w mózgu na wrażenia wzrokowe. * Anatomiczną postacią tego zmysłu jest narząd wzroku, który składa się z: • gałki ocznej, • aparatu ochronnego i ruchowego oka, • połączeń nerwowych siatkówki oka ze strukturami mózgu. Schemat ukrwienia błony naczyniowej oka Mechaniczny opis gałki ocznej 2 2013-01-23 Modelowanie odkształceń gałki ocznej Deformacje gałki ocznej w czasie akomodacji Choroby oka Choroby wykrywane na podstawie badania oka Schemat unerwienia oka Droga wzrokowa 3 2013-01-23 System wzrokowy jest tak zorganizowany, że najdokładniej odwzorowywane są w mózgu elementy związane z centralnym fragmentem pola widzenia Pierwszym, który podał prawidłowy (w tamtych czasach w dużej mierze hipotetyczny) schemat systemu wzrokowego - był Kartezjusz Trochę o fizyce widzenia Światło – pasmo długości fali WPROWADZENIE Światło widzialne WPROWADZENIE 400 Radiofonia Fale długie 105 Mikrofale Telewizja 1 Ultrafiolet Podczerwień < Długość fali > 700 [ nm ] Promienie gamma Promienie X Światło widzialne (tzw. okno optyczne) 10-13 [m] Jak widać światło widzialne zajmuje bardzo wąska szczelinę długości spośród fal elektromagnetycznych. * Informacją, którą odbiera i analizuje wzrok, jest światło - czyli promieniowanie elektromagnetyczne o odpowiedniej długości fali. * Falami elektromagnetycznymi nazywamy fale poprzeczne, będące drganiami pól magnetycznych i elektrycznych. Mają one szeroki zakres długości (10-16 – 105 m) i częstotliwości (103 – 1024 Hz) oraz mogą rozchodzić się we wszystkich ośrodkach, nie wyłączając próżni. Fale elektromagnetyczne niosą ze sobą pewna energie, która dana jest wzorem: E =hν Jest to Energia promieniowania elektromagnetycznego niesiona przez jeden kwant fali elektromagnetycznej o częstości ν, h – stała Plancka. 4 2013-01-23 Proces widzenia zapoczątkowują procesy fotochemiczne zachodzące w światłoczułych receptorach: pręcikach i czopkach Zasadniczym związkiem chemicznym, który w tym uczestniczy, jest rodopsyna Pręciki i czopki wyścielają dno gałki ocznej Widok z mikroskopu skaningowego Liczba czopków wrażliwych na różne barwy jest silnie zróżnicowana 5 2013-01-23 Obraz plamki żółtej w tomografie OCT (Optical Coherence Tomography) Obrazy siatkówki ze starczym obrzękiem Rozkład gęstości czopków OCT zdrowej siatkówki Odklejenie siatkówki Kluczową rolę w rejestracji bodźców świetlnych odgrywają szczytowe części fotoreceptorów 6 2013-01-23 Widoki z mikroskopu elektronowego Oko człowieka rejestruje obrazy barwne, ponieważ posiadamy trzy rodzaje receptorów (czopków), które selektywnie odbierają światło o różnej długości fali Czułość spektralna fotoreceptorów Charakterystyki wrażliwości spektralnej trzech typów czopków Modelowy obraz siatkówki oka z wyróżnionymi trzema rodzajami czopków oraz z pręcikami, które są na barwy niewrażliwe Wrażliwość czopków i pręcików na określone długości fal Wrażenie barwy zależy nie tylko od pigmentu pokrywającego powierzchnię obiektu 7 2013-01-23 Obrazy barwne tworzone są jako złożenie (superpozycja) trzech (przy wyświetlaniu) oraz czterech (przy drukowaniu) barw podstawowych. Wszystkie metody wytwarzania barwnego wrażenia zmysłowego wywodzą się z teorii widzenia barw zapoczątkowanej jeszcze przez Newtona Składowymi podstawowymi przy wyświetlaniu są komponenty RGB: Red, Green, Blue Z nich tworzy się dowolne wrażenia barwne dodając składowe świetlne o wybranej długości fali, stąd taki sposób tworzenia barw nazywa się addytywnym. Składowymi podstawowymi przy drukowaniu są komponenty CMYK: Cyan, Magenta, Yellow, blacK Z nich tworzy się dowolne wrażenia barwne usuwając (przez pochłaniający światło pigment) z padającego światła białego składowe świetlne o wybranej długości fali, stąd taki sposób tworzenia barw nazywa się substrakcyjnym. Praktycznym zastosowaniem teorii Newtona jest koło barw Każda barwa jest scharakteryzowa na przez 3 wielkości: odcień, nasycenie i jasność. Kolory na okręgu są w pełni nasycone, a barwy powstałe z mieszaniny barw okręgu nie są w pełni nasycone. Obecnie stosowany jest tak zwany CIE 1931 Chromaticity Diagram Jeśli jedną barwę oznaczy się literą A, a drugą literą B, to mieszanina C znajduje się zawsze na odcinku AB. W środku koła znajduje się charakterystyczny „punkt bieli”, odpowiadający czystej barwie białej. Obszar podkowy ograniczony przez trójkąt RGB jest obszarem kolorów które można wygenerować przy użyciu 3 kolorów podstawowych RGB. Porównanie modeli barw Części podkowy które znajdują się poza tym obszarem nie da się wygenerować z tych kolorów podstawowych! RGB CMY YIQ HSV HSI CIELab YUV CIELuv 8 2013-01-23 Oko człowieka schemat uproszczony WPROWADZENIE Budowa oka – oko a kamera Pod względem optycznym oko można przyrównać do kamery fotograficznej z następującymi elementami: Oko jest z punktu widzenia optyki raczej marną kamerą, ale połączone z mózgiem jest absolutnie najdoskonalszym analizatorem obrazu Do naprowadzania oka na właściwy przedmiot służą mięśnie okoruchowe siatkówką spełniającą role warstwy światłoczułej i zmieniającej impuls EM na sygnał elektryczny. soczewką oczną i rogówką, które stanowią układ odwzorowujący – obiektyw wraz ze źrenicą, która kontroluje ilość światła docierającego do siatkówki – układ zmienno - ogniskowy ). Mięśnie zewnętrzne gałki ocznej Układ mięśni sterujących ruchem oka jest najdokładniej kontrolowanym fragmentem systemu ruchowego człowieka 9 2013-01-23 Mięśnie okoruchowe i dźwigacz powieki górnej widziane od strony skroniowej Schemat mechaniczny mięśni sterujących gałką oczną Elektronystagmografia Śledzące ruchy gałek ocznych są bardzo ważne dla percepcji wzrokowej Elektronystagmografia Badanie przy pomocy kamer umieszczonych w specjalnych goglach 10 2013-01-23 System pozwalający analizować ruchy gałek ocznych („Ober 2”) Kompletna aparatura do śledzenia ruchu oka Lewy okular LYO1 LYN1 Prawy okular LYN2 RXN1 RXO1 Diody nadawcze Detektory RXO2 RXN2 LYO2 Zasada działania systemu śledzenia ruchów oka System pomiarowy OBER2 Promieniowanie nadane (IRT) N1 Promieniowanie tła (IRA) O1 O2 Promieniowanie odebrane (IRR) N2 Para odbiorników Para nadajników Podczas pomiaru stosuje się jako wymuszenie impulsy podczerwieni, żeby uniezależnić wynik pomiaru od zmian promieniowania tła Prawidłowa pozycja gogli pomiarowych względem oka NIRTmax Natężenie strumienia NIRT NIRR NIRA0P NIRA0 NIRT Wł NIRT Wy A D NIRA C B NIRR0P tp Pomiar tła Pomiar Czas 11 2013-01-23 Przykładowe ruchy oczu trajektoria ruchu oka lewego i prawego podczas kalibracji 0 F ik s a c ja 100 P S akada 200 300 C z a s [m s ] Lewe oko 400 P ra w e o k o 500 600 700 Wizualizacja trajektorii ruchu gałek ocznych w postaci ścieżki wzrokowej i mapy termicznej Obserwacja bardziej złożonego obrazu -6 -5 -4 -3 -2 W z g le d n a p o z y c ja o k a [ d e g ] -1 0 Prosta obserwacja obrazu 0 Koniec poprzedniej linii A Lewe oko Prawe oko 500 C B Nieudane szukanie początku następnej linii D 1000 Czas [ms] Czytanie wyraz po wyrazie 1500 2000 E Szukanie następnej linii 2500 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 Wzgledna pozycja oka [deg] 4 6 12 2013-01-23 Ruch oczu podczas płynnego czytania reading skills assessment vehicles queue counting web page scanning strategy Oculomotoric habits and visual tasks Automatic eyetrack processing Ruch oka z nawrotami podczas czytania, sygnalizujący trudności ze zrozumieniem celowo zakłóconego tekstu Eyetracking method The observer equipped with eyetracker goggles is asked for the interpretation of the CSE database originated ECG traces of known features Experimental results SCANPATH ANALYSIS STUDENT EXAMPLE 13 2013-01-23 Experimental results SCANPATH ANALYSIS Experimental results STUDENT EXAMPLE SCANPATH ANALYSIS EXPERT EXAMPLE Result: Experimental results SCANPATH ANALYSIS Experimental results EXPERT EXAMPLE PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Result: Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE 14 2013-01-23 Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY STUDENT EXAMPLE 15 2013-01-23 Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY Experimental results STUDENT EXAMPLE PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE Result: Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE Experimental results PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE 16 2013-01-23 Śledzenie ruchu gałek ocznych jako sygnał diagnostyczny Experimental results 500 PERCEPTUAL STRATEGY EXPERT EXAMPLE osoba chora osoba zdrowa młoda osoaba zdrowa starsza wzorzec 480 460 440 420 400 380 360 340 320 Result: 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Oko – widzenie ostre WPROWADZENIE Układ skupiający promienie świetlne stanowią: • • • • 300 Właściwości optyczne gałki ocznej rogówka, ciecz wodnista, soczewka, ciało szkliste. Elementy te działają tak, aby na siatkówce pojawiał się ostry obraz obserwowanego przedmiotu i dawał jak najostrzejsze wrażenie wzrokowe. * Soczewka ma możliwość zmiany swojego kształtu, a co za tym idzie mocy optycznej. Pozwala to na ogniskowanie na siatkówce przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach od oka. Zdolność tę nazywamy akomodacją. Najważniejszym składnikiem gałki ocznej jest siatkówka Siatkówka powstaje jako wypączkowany w okresie embrionalnym fragment kory mózgowej! 17 2013-01-23 Oko – pasmo widzialne WPROWADZENIE Spośród całego pasma fali elektromagnetycznych padających na oko, własności fizyko – chemiczne rogówki, czopków i pręcików pozwalają odbierać tylko ich część. Odbieramy zatem tylko światło, z zakresu okna optycznego. WPROWADZENIE Światło po przejściu przez soczewkę oczną pada siatkówkę, w której w jednej z trzech warstw, znajduje się zespół sensorów: czopków – pręcików – wysoka czułość, przeznaczone do widzenia nocnego, które jest widzeniem peryferyjnym, występują poza dołkiem środkowym, brak czułości na barwę. czułość względna 1.0 Widzenie jasne – przy świetle dziennym – fotonowe Widzenie ciemne – w nocy – skotopowe Budowa oka – sensory niska czułość, służą do obserwacji przy świetle dziennym, największe zagęszczenie w okolicy dołka środkowego, wyróżniamy 3 typy czopków odpowiadających za widzenie barwne RGB. 0 400 500 600 700 długość fali [nm] Wykres czułości widmowej oka. Zdjęcie z mikroskopu elektronowego pokazujące przekrój przez warstwę pręcików i czopków w siatkówce małpy WPROWADZENIE Budowa układu wizualnego człowieka Pozostałe dwie warstwy składają się z neuronów przewodzących bodźce wzrokowe. Schemat ulokowania siatkówki (powiększonej) w gałce ocznej Obraz dna oka * Na siatkówce znajduje się plamka żółta, będąca miejscem o największym skupieniu czopków. Z tego powodu cechuje ją największa wrażliwość na barwy i światło. * Nieco niżej znajduje się plamka ślepa - miejsce pozbawione komórek światłoczułych i dlatego niewrażliwe na światło. Jest miejscem zbiegu nerwów łączących komórki światłoczułe z nerwem wzrokowym. * Obszar siatkówki to około 1000 mm2 i jest na niej skupione około 100 Milionów sensorów. 18 2013-01-23 Proces widzenia WPROWADZENIE Światło wpadające do oka biegnie przez rogówkę, komorę przednią oka, soczewkę i ciało szkliste. Swą podróż kończy na siatkówce, wywołując wrażenie wzrokowe, które następnie za pośrednictwem nerwów łączących się w nerw wzrokowy jest przekazywane do mózgu. * Widzenie wywoływane jest dzięki fotonom, które padając na siatkówkę, a dokładniej na zawarte w niej sensory, powodując tym rozpad pigmentów światłoczułych. Następuje zmiana potencjału całej komórki, a następnie wysłanie, poprzez związane z nią włókno nerwowe, impulsu elektrycznego do mózgu. Po chwili pigment rekombinuje i komórka znowu gotowa jest do detekcji fotonu. Siatkówka zbudowana jest z komórek receptorowych oraz komórek nerwowych, przetwarzających od razu na miejscu informacje wizyjne. Wyróżnia się cztery rodzaje komórek nerwowych o różnym przeznaczeniu Budowa siatkówki oka człowieka (historyczna rycina Raymondo y Cayala) Główne elementy oka Współczesny schemat budowy siatkówki Światło 19 2013-01-23 Wśród komórek nerwowych sygnalizujących do mózgu stan komórek receptorowych oka wyróżnia się komórki wrażliwe na włączenie i na wyłączenie światła Typowy jest też efekt hamowania obocznego: neurony są pobudzane przez centrum swojego „pola widzenia” i hamowane przez jego otoczenie - + + Receptory typu „on” Receptory typu „off” Seria takich komórek może sygnalizować obecność linii o określonym nachyleniu - Bywają też efekty odwrotne: hamowania centralnego i pobudzania obocznego Powoduje to charakterystyczną zmienność reakcji oka (odpowiednio „on” lub „off”) przy powiększaniu wielkości plamki świetlnej rzutowanej na siatkówkę Sąsiednie komórki nerwowe siatkówki oka mają „pod opieką” sąsiednie i częściowo nakładające się pola widzenia Procesy elektryczne w siatkówce psa Pola receptorowe poszczególnych neuronów wysyłających sygnały do nerwu wzrokowego (zasada hamowań obocznych) 20 2013-01-23 Pole receptorowe o charakterystyce zależnej od położenia i od czasu Pole receptorowe wykrywające ruch w określonym kierunku Wyjście nerwu wzrokowego z gałki ocznej Sposoby protezowania narządu wzroku Sposoby protezowania narządu wzroku - cd Sposoby protezowania narządu wzroku – cd1 21 2013-01-23 Sposób pobudzenia nerwowych elementów siatkówki przez elektrody Realizacja sposobu elektrycznego drażnienia siatkówki na podstawie obrazu świetlnego Obraz całości systemu wzrokowego Skrzyżowanie nerwów wzrokowych i podział pola widzenia Uproszczona budowa drogi wzrokowej biegnącej od oka do mózgu Nieliniowe skalowanie pola widzenia 22 2013-01-23 Schematyczny obraz systemu wzrokowego Ogólny schemat systemu wizyjnego Budowa i funkcjonowanie ciała kolankowatego bocznego Biegunowy układ współrzędnych na siatkówce i jego reprezentacja w korze wzrokowej byka Przestrzenna rekonstrukcja reprezentacji pola widzenia w mózgu pokazuje, jak bardzo „faworyzowana” jest plamka żółta (fovea) Mapa kory wzrokowej małpy 23 2013-01-23 Mapa kory wzrokowej człowieka Mikroskopowa budowa kory wzrokowej wskazuje na jej dużą regularność W korze mózgowej można zidentyfikować komórki sygnalizujące określone położenie lub określony kierunek ruchu bodźca Są też w korze mózgowej komórki, które sygnalizują linię o określonym nachyleniu niezależnie od tego, w jakim rejonie pola widzenia się pojawi Mapa obszarów w korze wzrokowej wykrywających linie o różnych nachyleniach dla prawego i lewego oka Mapę taką można przedstawić w bardziej atrakcyjnej formie 24 2013-01-23 Efekt reagowania przez komórki tylko na obiekt poruszający się w określonym kierunku oraz schemat takiego pola recepcyjnego Aktywność kory wzrokowej w trakcie normalnej percepcji bodźców wizualnych Przejmowanie funkcji śledzenia bodźca od jednej grupy komórek do drugiej Działanie pola receptorowego wrażliwego na kierunek ruchu Komórki w mózgu mogą się interesować bodźcem o dowolnej wielkości, albo mogą być wrażliwe tylko na bodźce nie za małe i nie za duże Można w mózgu wykryć komórki, które reagują na określoną scenę tylko wtedy, gdy jest ona widziana obuocznie 25 2013-01-23 Rozmieszczenie komórek reagujących na różne właściwości bodźców wzrokowych na powierzchni kory Kolekcja jednorodnych tematycznie wzorców zebranych w polach percepcyjnych kory wzrokowej Kolekcja różnorodnych tematycznie wzorców zebranych w polach percepcyjnych kory wzrokowej Dla potrzeb budowy wiarygodnych modeli systemów biomedycznych konieczne jest zbieranie danych, więc to zastosowanie komputerów w inżynierii biomedycznej koresponduje z zastosowaniem ich do analizy i przetwarzania sygnałów biomedycznych 26
