CN102048611A - 一种基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，包括主机箱、光学观测镜筒，主机箱与光学观测镜筒相连，光学观测镜筒内设两条相分离的光路，两条独立的光路相对称，每条光路包括LCD显示屏、光学系统及观察窗口，观察窗口通过光学观察镜筒筒壁的通孔朝向外部，观察窗口与光学系统相通，光学系统包括一凸透镜和一平面反射镜，LCD显示屏的光线投向与凸透镜镜面的朝向呈90度，两者光线方向的交叉部安置所述的平面反射镜，平面反射镜分别与两者的投射光线呈45度；主机箱内装控制系统，控制系统包括两个VGA输出，两个VGA输出分别与两个LCD显示屏相联。该系统通过分离双眼视野，让每只眼睛分别通过不同的光路来观看不同的刺激图形或游戏，提高治疗效果。

Description

一种基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统

【技术领域】

本发明属于眼科医疗器械制造技术领域，具体涉及一种用于弱视治疗的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统。

【背景技术】

弱视是指眼部无器质性病变，而单眼或双眼矫正视力达不到0.9者，或者双眼矫正视力相差2行以上。弱视属于发育紊乱性疾病，常伴随有斜视、屈光不正等症状，弱视的危害不仅在于单眼视力低下，更严重的是缺乏完善的双眼视功能和更高级的立体视觉功能，即缺乏对三维空间各种物体远近、前后、高低、深浅和凸凹的感知能力，而这恰是人和高等动物所特有的一项高级视功能，弱视影响人们适应现代化社会的生活质量。根据全国弱视斜视防治中心在国内各地普查结果，弱视的患病率为3.83％，斜视则为2.3％左右。我国约有3亿多儿童，估计约有一千万弱视儿童急待诊治。

多年来，从心理学、神经生理学和电生理学方面，利用实验动物模型研究发现视觉发育过程具有可塑阶段，一般认为，弱视和斜视的治疗以及立体视的建立与年龄密切相关，年龄越小，疗效越好，早期治疗和长期坚持成为影响弱视疗效的关键因素。

目前，弱视的治疗主要采用遮盖法、药物抑制法和视觉生理刺激疗法等。美国眼科专家Malik教授对比了各种不同的疗法后，发现遮盖法效果最好，视力上升最快，儿童弱视治疗应首先选用此法。传统遮盖疗法是通过眼罩遮盖健眼，消除优势眼对弱视眼的抑制，强迫使用弱视眼以达到提高其视力的目的。然而，传统遮盖疗法的弊端也不容被忽视：由于遮盖需要对健眼进行抑制，使得患遮盖性弱视的概率大大增加；遮盖过程大部分时间用单眼视物，这就阻碍了儿童在关键时期的双眼功能的发育；由于某些非正常因素(如在大人不注意的时，患儿会摘下眼罩，在眼罩的隙缝中看东西)，这不但影响疗效，还有可能引起斜视。同时，传统遮盖影响美观，对患儿的心理健康带来影响。

【发明内容】

本发明利用给左右眼呈现不同画面的VR(VirtualReality虚拟现实技术)方法，提供了一种基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，该系统通过分离双眼视野，让每只眼睛分别通过不同的光路来观看不同的刺激图形或游戏，达到分离双眼全视野训练，以提高治疗效果，实现了在不抑制健眼的情况下训练弱视眼视功能的目的。

为实现上述功能，本发明所采用的技术方案是：一种基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其包括主机箱、光学观测镜筒，主机箱与光学观测镜筒相连，光学观测镜筒内设两条相分离的光路，两条独立的光路相对称，每条光路包括LCD显示屏、光学系统及观察窗口，观察窗口通过光学观察镜筒筒壁的通孔朝向外部，观察窗口与光学系统相通，光学系统包括一凸透镜和一平面反射镜，LCD显示屏的光线投向与凸透镜镜面的朝向呈90度，两者光线方向的交叉部安置所述的平面反射镜，平面反射镜分别与两者的投射光线呈45度；所述的主机箱内装控制系统，控制系统包括两个VGA输出，两个VGA输出分别与所述的两个LCD显示屏相联。

所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，两光学系统通过丝杆相连，光学系统与丝杆通过螺纹连接，丝杆两端分别与光学观测镜筒的筒壁转动配合，丝杆的外端固接筒距调节旋钮，该旋钮处于光学观测镜筒之外。

所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，主机箱的前侧面为斜面，该斜面上安置一操作键盘。

所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，主机箱开有电源插口。

所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，控制系统包括外部接口模块，该外部接口模块包括USB接口、以太网口、CF卡接口。

所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，主机箱开有与所述CF卡接口、以太网接口、USB接口相适配的插口。

本发明基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统在临床上具有显著的效果：

1、本发明利用虚拟现实技术和计算机技术提供了双眼进行交互训练的全视野弱视治疗方案，不需要对健眼进行真正的眼罩遮盖，消除了传统眼罩遮盖疗法的弊端，对儿童患者的顺应性大大提高，提高了治疗效果。

临床研究发现，利用VR(VirtualReality虚拟现实技术)，在不抑制健康眼的同时，通过电脑游戏的方式成功地在1小时训练当中获得了将需要近400小时的传统遮盖方式才能达到的效果。结果表明，这一技术达到的虚拟遮盖的治疗效果收效极为迅速。

2、本发明设计了两个独立的光路，利用3.5英寸微型LCD显示屏作为高质量的图像和动画的显示媒介，可以为每只眼睛单独提供显示内容，从而克服了普通显示器无法或很难为两只眼睛单独提供刺激图像的困难。

3、本发明通过观看有趣的动画片段或进行VR益智游戏的方式来代替枯燥的传统遮盖法进行治疗，使儿童更容易接受治疗，提高其治疗的积极性。

4、本发明设有后台数据库，使得患者的详细资料和训练过程的中各项指标及数据可以实时地记录在系统中，便于跟踪患者的治疗进程，为其及时调整后续治疗方案，从而提高治疗的效果，减少治疗的时间。

5、利用本发明系统进行治疗，其初步的临床效果非常好，比传统遮盖疗法的治疗时间大为缩短。

【附图说明】

图1为本发明虚拟眼罩系统的外形结构示意图。

图2为本发明虚拟眼罩系统硬件结构的主视图。

图3为本发明虚拟眼罩系统硬件结构的侧视图。

图4为本发明虚拟眼罩系统硬件结构的俯视图。

图5为本发明虚拟眼罩系统硬件结构的立体(局部剖开)图。

图6为本发明的光路分离原理图。

图7为本发明的系统框架图。

图8为本发明的控制系统模块图。

图9为本发明选取的一种游戏画面的效果图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1-5所示，本发明基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统包括主机箱5、光学观测镜筒1，主机箱5的侧面大致呈直角梯形状，其上窄下宽，其前方侧面为斜面，斜面上安置有操作键盘6。主机箱5的顶面向上凸，该凸部插入镜筒1的底部的两凸耳4之间并通过轴而转动相连。镜筒1内设两条相分离的光路，两条独立的光路相对称设计，每条光路包括LCD显示屏7、光学系统8及观察窗口3，LCD显示屏7、光学系统8处于镜筒1内，而观察窗口3朝前方并伸出镜筒1之外。通过观察窗口3看到的图像是由微型LCD显示屏7显示并经独立光学系统8作用而呈现的。两光学系统8通过丝杆9相连，光学系统8的壳体外壁固定安装一导座，导座横穿丝杆9，两者间通过螺纹连接，丝杆9两端分别与镜筒1的筒壁转动配合，而其外端固接筒距调节旋钮2，旋钮2处于镜筒1之外，通过转动旋钮2带动丝杆9的转动，而实现调节筒距的目的，其可调范围在45-75mm。

通过光学系统才能使患者清楚地观察到LCD显示屏上显示的画片内容，因此，光学系统优劣将直接影响整个视觉观察与刺激系统的质量。设计时，按检查要求，患者眼肌应处于松驰、眼球无调节状态，所以按正常眼(远点为无限远)设计。因此，由光学系统出射到达患者眼睛的光线应为平行光，以模拟自然界中无限远的景物，在目镜焦面上显示各种画片(相当于光学仪器中的分划板)来代替不同的景物。

图6显示了左右两支光路，对应患者的左右眼。光学系统8包括一凸透镜和一平面反射镜，LCD显示屏7显示图像的光线投向与凸透镜镜面的朝向呈90度，两者间光线的交叉部安置平面反射镜，平面反射镜分别与两者的光线呈45度。平面反射镜起折转光路的作用。可变光阑(可以通过软件来实现)光孔直径变动范围为Φ10～60mm，患者通过目镜观看画片，由于画片的精度要求不高，所以对光学系统的像差无特殊要求，目镜仅需消球差及畸变，一般采用单片正凸透镜即可满足使用条件。

诊断检查时，患者眼球位置正确与否将影响测量精度，图6中眼球R与凸透镜镜面之间的距离是眼球转动中心“O”到目镜表面间的距离。根据统计资料显示：人眼直径约为23～24mm，接近球形，如将其作为直径24mm的球体看待，眼球转动中心就在球心、球心到角膜表面距离为12mm，加上眼睫毛长、眉骨高度及目镜前附加片架厚度等几个因素，这段间距设计为25mm，作为仪器设计时的一处重要参数。

本发明是基于微型显示屏的双眼分离视觉观察与刺激系统来实现虚拟眼罩系统的，其显示的分辨率为640×480，双眼瞳距可调范围在45-75mm之间，具有组装及使用方便、体积小的优点。

主机箱5内装嵌入式控制系统，参见图8，嵌入式控制系统包括内核模块、电源模块、音频模块、输入输出模块、外部接口模块及显示模块，内核模块与电源模块、音频模块、输入输出模块、外部接口模块及显示模块相联，内核模块包括CPU模块、实时时钟芯片、内存模块、闪存模块，CPU模块与实时时钟芯片、内存模块、闪存模块相联。电源模块包括电源管理模块、电源输入，电源管理模块与电源输入相联；主机箱5后侧开有交流电源接口，该接口与电源模块的电源输入相对应，电源管理模块设有电源开关，电源开关设置于主机箱5右侧。音频模块包括音频驱动模块、立体音频输出模块，音频驱动模块与立体音频输出模块相联。输入输出模块包括I/O驱动模块、键盘，I/O驱动模块与键盘11相联。外部接口模块包括USB接口、以太网口、CF卡接口。主机箱5前方安置操作键盘6，主机箱5还开有CF卡接口、以太网接口、USB接口，这些接口分别与输入输出模块的各口相对应。显示模块包括显存模块、双显驱动、VGA输出1、VGA输出2，显存模块与双显驱动相联，双显驱动与VGA输出1、VGA输出2相联，VGA输出1、VGA输出2分别与光学图像观测系统的两个LCD显示屏7相联。

3.5英寸LCD显示屏7的分辨率为640x480、16位真彩或以上，通过VGA信号接口与控制系统相连接，为每只眼睛提供独立的图像显示；光学系统8的放大倍率为1.85倍，通过对LCD显示屏内容进行光学放大而实现全视野图像呈现的功能。

下面结合图7，详述本发明虚拟眼罩系统的工作原理。

1、本发明采用嵌入式控制系统为平台。硬件方面选择ARM核心作为控制模块并根据实际需要设计外围电路；软件方面选择Windows CE.NET作为嵌入式系统的操作系统，Platform Builder4.2作为Windows CE.NET的集成开发环境，Embedded VisualC++4.0为应用软件开发平台，以C/C++为编程语言。

2、图形成像模采用双显示图形模块，在应用程序中使逻辑上应为一幅图片的信息拆分成对应的两个画片，通过硬件电路中的双显示驱动，把相应的图像信号传送到指定的显示屏中，实现图形分离显示。

3、用户利用人机接口模块进行操作和互动，系统为每个用户生成基本信息与训练情况的数据记录，并保存在系统的数据库中，方便用户查询以及治疗情况的跟踪。

上述所涉软件平台、硬件平台及数据库都可采用现有技术实现。

下面结合图8，进一步详述本发明虚拟眼罩系统的控制系统。

1、以PXA270处理器为核心，结合时钟芯片(PCF8563)和内存构成了硬件系统的内核模块，主要是为用户提供了丰富的设备接口，用户只需要进行较少的扩展就可以构建一个应用系统。

基于Intel XScale架构的PXA270处理器，集成了存储单元控制器、时钟和电源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器、I2S控制器、快速红外线通信(FIR)控制器等外围控制器，可以实现丰富的外围接口功能。其低电源运行模式以及动态电源管理技术可以有效的降低电源的功耗。

2、嵌入式系统图形处理模块支持双显示，配置两个VGA视频信号输出接口，用来连接光学图像观测系统，从而实现两眼分离独立视物的功能。模块的设计主要以SM501多媒体协处理器芯片为核心，配以外围电路构成了图像显示的驱动电路模块。SM501支持多种输入/输出接口，包括AC97，从而实现音频信号的处理。

3、外部扩展模块是为了有利于功能的扩充，其引出了以下几个接口，分别是：USB接口、502SPI接口、100M网卡接口、CF卡接口。

上述所涉各模块都可以采用现有技术来实现。

下面结合图9，列举一具体游戏画面来详述本发明虚拟眼罩系统的操作过程：

本系统可以对患者的资料、患者的治疗数据进行分析和管理，同时可以对虚拟眼罩的游戏进行训练时间、训练方式、训练参数等的设置。假设选择如图9的游戏，按照已给出的训练方法，把游戏的画面分成两部分。其中一部分主要由静态信息组成(图中显示为健眼图片)，另一部分主要由动态信息(图中显示为弱视眼图片)组成。左图即健眼图片的画面由背景组成，主要为静态信息，对患者的吸引力较小，把它显示在健眼所对应的LCD显示屏上；右图即弱视眼图片的画面由不同颜色的泡泡组成，主要为动态信息，对患者有较大的吸引力，把它显示在弱视眼所对应的LCD显示屏上。经过患者双眼观测后，两个画面将融合在一起，得到一幅完整的游戏画面(图中显示为实际感受到的图片)。这样，利用两眼独立动静分离的训练方式，不仅能有效地激活弱视眼接受信号的能力，而且避免了传统遮盖疗法对健眼的绝对抑制所造成的不利因素。由于此训练方法是在双眼共视及协调运作中进行的，对于双眼功尤其是立体式的发育及恢复具有积极的作用。

本发明采用虚拟现实技术，设计需要的特殊刺激图形和游戏，再利用光学分离技术系统，分离患者双眼视野，同时刺激图像能够充满整个视野。双眼通过两LCD显示屏获得同一个场景的两个不同的特殊图像。给健眼看一幅相对比较乏味或静止的图像，给弱视眼看一幅相对有趣味或动感的图像，双眼视网膜得到的二维图像信息，经视觉通路传入大脑，进行复杂的信息加工，融合成为一幅图像，从而强迫弱视眼引起更多的注视，促进双眼驱动细胞和X型神经节细胞的发育。该方法同时还可以提高双眼的融合能力，训练建立和提高立体视觉感知能力。

Claims (6)

1.一种基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是包括主机箱、光学观测镜筒，主机箱与光学观测镜筒相连，光学观测镜筒内设两条相分离的光路，两条独立的光路相对称，每条光路包括LCD显示屏、光学系统及观察窗口，观察窗口通过光学观察镜筒筒壁的通孔朝向外部，观察窗口与光学系统相通，光学系统包括一凸透镜和一平面反射镜，LCD显示屏的光线投向与凸透镜镜面的朝向呈90度，两者光线方向的交叉部安置所述的平面反射镜，平面反射镜分别与两者的投射光线呈45度；所述的主机箱内装控制系统，控制系统包括两个VGA输出，两个VGA输出分别与所述的两个LCD显示屏相联。

2.如权利要求1所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是：所述的两光学系统通过丝杆相连，光学系统与丝杆通过螺纹连接，丝杆两端分别与光学观测镜筒的筒壁转动配合，丝杆的外端固接筒距调节旋钮，该旋钮处于光学观测镜筒之外。

3.如权利要求1所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是：所述主机箱的前侧面为斜面，该斜面上安置一操作键盘。

4.如权利要求1或3所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是：所述主机箱开有电源插口。

5.如权利要求1所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是：所述的控制系统包括外部接口模块，该外部接口模块包括USB接口、以太网口、CF卡接口。

6.如权利要求5所述的基于双眼光路分离的虚拟眼罩系统，其特征是：所述的主机箱开有与所述CF卡接口、以太网接口、USB接口相适配的插口。

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