CN104545787B - 一种穿戴式瞳孔对光反射测量设备 - Google Patents

Abstract

传统瞳孔检测设备不能实现不同光照环境的模拟，且具备暗室环境的检测设备体积较大便携性很差。本发明提出了一种穿戴式瞳孔对光反射测量设备。通过受检者佩戴头盔，由补光光源模拟不同环境的光照，并由红外摄像机捕获受检者双眼的视频数据传入瞳孔测量软件系统，实现受检者瞳孔孔径尺寸测量、虹膜面积测量、瞳孔孔径变化曲线绘制等分析，得到神经系统疾病的筛查结果，形成临床报告。本设备能够极大地减轻临床医护人员工作强度，并提高瞳孔反射诊断的精度，很适合于临床眼科、神经外科、精神心理科等相关领域的医疗应用。

Description

一种穿戴式瞳孔对光反射测量设备

技术领域

本发明涉及一种穿戴式瞳孔对光反射测量系统，具体涉及一种包括红外摄像机、红外补光灯、刺激光源、穿戴式头盔、开眼器、数据处理设备和瞳孔测量软件系统的穿戴式瞳孔对光反射测量设备，适合于临床眼科、神经外科、精神心理科及其相关领域的医疗应用。

背景技术

眼睛是人体极为重要的器官之一。瞳孔光反射是光线刺激引起瞳孔缩小的一种反应，由对光反射通路完成这一反应。瞳孔对光反射通路，从视网膜开始，经视神经、视交叉和视束，再经上臂丘到达顶盖前区。动眼神经副核的轴突经动眼神经到睫状神经节更换神经元，节后纤维支配瞳孔括约肌，引起双侧瞳孔缩小。上述光反射通路中任何一处损坏均可导致光反射减弱或消失，另外如果光能量利用率低，不足10%的时候，光路中有光能量损失，需要加刺激光源，而这对人眼的系统并不是一个很好的补偿光刺激，被测试患者同感会感到刺眼和不适。

正常瞳孔的大小与年龄、生理状态、屈光、外界环境等因素有关。人出生时瞳孔最大，随着年龄增长瞳孔会逐渐变小。正常瞳孔在自然光线下直径平均为2.5到4毫米，两侧等大，边缘整齐，亮光下可缩小，光线暗的环境可略增大。当双眼直视前方时，用瞳孔灯照射瞳孔，瞳孔会立即变小，移开光源或闭合双眼，瞳孔可复原。根据瞳孔的这一特性，临床上常使用上述方法通过检测瞳孔的功能活动从而筛查病人的神经病变、糖尿病并发症等疾病，同时也有研究指出，通过瞳孔对光反射的功能检查可以作为是否吸毒的判断依据。除上述对光反射的功能检测以外，通过对人眼物理状态的分析，可以诊断出虹膜损伤等疾病。

红外摄像机可以捕捉人眼不可见的红外线的反射影像，利用主动红外摄像技术的红外摄像机具有红外补光灯，辐射照明周围环境，从而利用红外低照度彩色CCD进行红外辐射图像的捕获。红外补光灯有715nm、830nm和950nm几种波长，其中715nm的红外补光灯虽然照明距离远，但会产生红暴现象，即在发光时同时产生人眼可见的红光，而830nm和950nm的补光灯则基本没有红暴现象。由于在可见光下人眼一定会产生反射像，因此一般用于眼部检测的设备均采用红外摄像机进行眼部影像的获取，以实现在尽可能提高清晰度的情况下同时减少眼球表面反射光对于后期检测的影响。

传统瞳孔检测设备通常是手持式的瞳孔笔灯，通过瞳孔灯照射人眼，由医师来判断瞳孔反射的状态以筛查病情。也有将瞳孔灯、红外摄像机或可见光摄像机集成于一个类似手电筒的装置内，在打开瞳孔灯的同时进行拍照，后期人工比对来进行病情的诊断。现有设备和方法的缺点在于：

1.人工判断瞳孔变化的状态以及孔径尺寸存在较大的主观误差；

2.手持式瞳孔检测装置无法控制环境光照对于检测结果的影响，因此在不同光照环境条件下同一病人可能会产生不同的瞳孔功能反射现象；

3.配备可见光摄像机的瞳孔检测设备，由于眼球表面的光反射，通常无法进行瞳孔位置的精确识别；

4.现有配备眼罩及暗室环境的立式瞳孔检测设备体积较大，无法适应需要随身携带或无安放平面的使用环境，如自然灾害现场、战场、急救现场等复杂场地；

5.现有的瞳孔检测设备不具有光照模拟功能，无法分析在不同环境光条件下瞳孔光反射功能的变化。

6.现有的刺激光源没有补偿和校正装置，眨眼现象严重，个人体验效果不好，成像质量不高。

发明人希望利用可穿戴式头盔、开眼器、红外摄像机、红外补光灯、刺激光源、补光光源、瞳孔监测相机等设备，设计出一种能够在仿真光照环境下实现瞳孔光反射变化的连续、精确测定的设备，该设备可用于临床眼科、神经外科、精神心理科等科室的病症诊断和疾病早期筛查等。

发明内容

本发明的目的在于设计一种具有可控光照环境的便携式瞳孔对光反射测量设备，可以在指定的光照条件下测定瞳孔的对光反射功能等生理特征，从而提高基于瞳孔反射的疾病筛查的准确性。本发明提出了一种穿戴式瞳孔对光反射测量设备，包括九个关键部分：

红外摄像机，与数据处理设备有数据通信，用于获取人眼的视频数据；

红外补光灯，用于为红外摄像机提供光照；

补光光源，为可见光源，用于模拟不同场景下的光照；

刺激光源，为可见光源，用于照射瞳孔以使瞳孔产生孔径变化；

穿戴式头盔，用于安装上述设备，为使用者眼部提供暗室环境；

瞳孔校正成像系统，包括液晶校正器或变形镜组成的测量光路；

瞳孔监测相机，用于观察人眼瞳孔是否与所述瞳孔校正成像系统光轴对准良好，同时用于单次校正成像和短曝光校正成像；

瞳孔测量软件系统，包括物理尺寸测量系统、生理信息计算系统和报告生成系统，用于实时检测视频数据中的瞳孔，获取瞳孔相关的各项生理信息，并生成病例报告，配置于数据处理设备上；

数据处理设备，基于X86或X64架构的个人计算机，或具有同等处理能力的嵌入式平台、可移动手持设备。

红外摄像机与数据处理设备的数据通信为有线通信或无线通信形式；红外摄像机和刺激光源的数量由所要测量的瞳孔的数量决定；其红外光的波长需匹配所采用的红外摄像机所能接收的波长。

补光光源由可发出可见光的发光器件构成，根据需求产生不同照度、不同频率的光线；发光器件的发光机能由配置于数据处理设备上的瞳孔测量软件系统控制，或通过单独的调节开关进行控制。

刺激光源发光状态由配置于数据处理设备上的瞳孔测量软件系统控制，或通过单独的开关进行控制。

选择液晶校正器作为测量光路的波前位相校正，瞳孔校正成像系统包括低阶补偿镜、滤光片、半波片、光学透镜、偏振分束器、定位屏、环形光阑及波前探测器。

波前探测器为高速哈特曼探测器，瞳孔、液晶校正器及哈特曼波前探测器互为物像共轭关系。

瞳孔测量软件系统，其中的物理尺寸测量系统通过红外摄像头捕获的影像数据识别其中的瞳孔、虹膜、眼白等外观可见的物理结构，并测量每种结构的尺寸；其中的生理信息计算系统可以通过物理尺寸测量系统得到的结构参数，计算各参数间的相关性，或同一参数不同病例之间的对比性，得到瞳孔直接反射、间接反射功能的定量分析结果以及其他通过上述物理尺寸可以得到的相关生理参数信息。

其中的报告生成系统，可以读取生理信息计算系统和物理尺寸测量系统的结果，并以通用性较高的文本文件格式或图片文件格式生成报告。

其中的报告生成系统，具有与打印机、传真机的数据传输接口，并具有网络数据传输接口。

与传统瞳孔检测设备相比的有益效果是：

1.整套设备便携性更强，适合随身携带并可适应战场、自然灾害现场、急救现场等复杂场合的应急筛查需求；

2.整套设备灵活度更高，可根据需要采用有线或无线的数据传输方式，并可采用个人计算机、嵌入式平台或智能手机等可移动手持设备作为数据处理设备，以适应不同的使用场合要求；

3.测量结果更加稳定，通过穿戴式头盔，可有效减少医生及病人的负担，由于佩戴头盔后眼睛距离红外摄像机、刺激光源的距离仅在较小的范围内变动，极大地减少了人工误差对测量结果的影响。

4.测量的光照环境可控，可以通过调节补光光源实现不同照度、不同频率的光照下瞳孔对光反射功能的测定；

5.测量结果更为丰富，通过瞳孔测量软件系统可以不只得到瞳孔直径变化的测量结果，还可以得到眼部各项可见物理结构的检测结果，为临床诊断提供更多依据；

6.采用共焦成像的方法来成像瞳孔；通过在光学系统中放置一与瞳孔共焦的小孔来拦截视网膜其他层面反射的杂光，提高了成像的对比度；同时具有补偿和校正器件，通过单次校正对人眼刺激小、人眼稳定、成像质量高。

附图说明

图1是本发明所提出的系统结构示意图；

图2是本发明所提出的一种优选实例外观结构顶视图；

图3是本发明所提出的一种优选实例外观结构主视图；

图4是本发明所提出的一种优选实例瞳孔校正成像系统示意图；

图5是本发明所提出的一种单次校正流程图。

元件标号说明：红外补光灯1、5、9、13；红外摄像机2、12；刺激光源3、11；补光光源6、8、14、16；USB连接线4、10；橡胶缓冲垫7、15；绑带17；低阶补偿镜18；定位屏19；环形光阑20；瞳孔监测相机21；小孔滤波22；半波片23；偏振分束器24；红外摄像机25；高速哈特曼探测器26；光源27；液晶校正器28；人眼29。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

附图1为本发明所提出的系统结构示意图，系统由可穿戴式头盔和瞳孔测量软件系统构成，瞳孔测量软件系统配置于数据处理设备上。可穿戴式头盔与数据处理设备的数据通信可通过有线连接如USB、1394火线、以太网接口等方式，或者通过无线连接如WIFI、蓝牙、NFC近场通讯等，本发明所采用的通讯方式包括但不限于上述方式；

可穿戴式头盔内至少安装有红外补光灯、刺激光源、补光光源和红外摄像机，刺激光源直射瞳孔，红外摄像机的固定位置在保证虹膜位于摄像机视场内的前提下可根据实际装机条件进行选择，补光光源与红外补光灯应避免直射人眼；

可穿戴式头盔的形状包括但不限于头盔、眼罩、眼镜、观察盒，凡是通过绑带、支架等固定方式可固定于受检者头部并适合于眼睛观察的器材均属于可穿戴式头盔范畴；

可穿戴式头盔内的红外补光灯、刺激光源、补光光源可通过人工介入和瞳孔测量软件系统的信号输入两种方式进行控制；

可穿戴式头盔内的红外摄像机与数据处理设备上的瞳孔测量软件系统有交互通信，瞳孔测量软件系统可接收红外摄像机传入的视频数据，并可控制红外摄像机的曝光、对比度、白平衡等摄像相关参数；

瞳孔测量软件系统中的物理尺寸测量系统可识别眼部各结构并对其尺寸进行测量，且可以在指定时间范围内对指定结构进行连续测量；

瞳孔测量软件系统中的生理信息计算系统与物理尺寸测量系统之间有信息交互，生理信息计算系统可通过物理尺寸测量系统传入的眼部结构尺寸信息进行生理参数的计算，并根据计算结果控制物理尺寸测量系统进行进一步的结构识别和尺寸测量；

生理信息计算系统与物理尺寸测量系统的结果均会输入至报告生成系统，以指定的格式将临床所需的各项参数以电子病历或纸质病历的形式进行输出，所生成的报告的格式包括但不限于PDF文档、WORD文档、XML文档、图片、纸质打印件等。

附图2、3为本优选实例的外观结构示意图，分别为顶视图与主视图，本优选实例为眼罩式的瞳孔对光反射测量设备，眼罩内包括红外补光灯1、5、9、13，其中红外补光灯1、5与9、13各自独立，可由瞳孔测量软件系统或人工介入分别调节；眼罩内安装有红外摄像机2、12，红外摄像机2与12可由瞳孔测量软件系统进行分别控制与接收输出数据；眼罩内安装有刺激光源3、11，两个刺激光源分别对应于左眼和右眼，当眼睛直视前方时刺激光源入射角度与眼睛视线角度的交角小于30度；眼罩内左右眼之间有不透明的隔板将眼罩分隔成左右两个观察室。

在本优选实例中，刺激光源3、11采用黄色LED灯珠，发光强度为25毫坎德拉(mcd)，也可根据临床需求采用不同光谱频率不同发光强度的其他发光器件；眼罩内安装有补光光源6、8、14、16，在本优选实例中，补光光源采用白色LED作为发光器件，照射方向与人眼直视方向相同，指向安装有红外摄像机2、12的基板方向，发光器件与人眼之间有不透明的隔板进行遮挡，补光光源6、8与14、16可由人工介入或瞳孔测量软件系统进行分别独立控制；

在本优选实例中，眼罩与数据处理设备的连接方式为USB连接线4、10，分别传输红外摄像机2、12的视频数据，并传入瞳孔测量软件系统的控制信号；

在本优选实例中，一种典型的使用场景为：受检者通过绑带17将该眼罩式瞳孔对光反射测量设备固定于头部，双眼眼眶分别固定于橡胶缓冲垫7、15上，双眼直视前方，红外补光灯1、5、9、13发出肉眼不可见的红外光照射眼罩内部，本实例中红外发光器件固定于柱状结构内，红外光照射方向平行于基板，通过漫反射光实现眼罩内的红外补光，补光光源6、8、14、16发出500微坎德拉的白色光，照射至基板，产生的漫反射光照亮眼罩内部，提供类似自然光照的亮度，使受检者瞳孔处于正常大小，然后刺激光源3与11先后点亮、熄灭，红外摄像机2、12捕获全过程的眼部视频数据并传输至瞳孔测量软件系统，由瞳孔测量软件系统的物理尺寸测量系统持续测量双眼瞳孔的孔径变化，并由生理信息计算系统计算得出受检者双眼瞳孔的直接对光反射功能和间接对光反射功能的评估结果，将评估结果与物理尺寸测量系统测得的双眼瞳孔孔径变化曲线罗列于同一文档中，由报告生成系统输出PDF格式的报告；

图4是本发明所提出的一种优选实例瞳孔校正成像系统示意图，光路原理图如图所示，光在经过消散斑处理后，从光源处进入开环自适应光路系统。瞳孔、LCOS波前校正器及哈特曼波前探测器互为物像共轭关系；测量响应矩阵时只需将人眼处放置点光源，使其经过光路照射LCOS，同时在光路中插入半波片，经过LCOS反射的光经过一系列光学元件到达哈特曼波前传感器，完成测量后取出半波片进行开环校正。

在上述光路系统中采用了环形光阑系统，环形光阑与瞳孔面共轭，从而在瞳孔面实现环形光入射人眼，简单而又巧妙的解决了角膜反射杂光的问题，有利于光能力的利用。

在上述光路中的瞳孔监测相机用来观察人眼瞳孔是否与自适应系统光轴对准良好，同时也为单次校正成像和短曝光校正成像做了准备。所谓单次校正，是指在短时间内仅对人眼像差波面进行1到2次探测，之后发出一副校正波面，在经过波面校正后CCD对瞳孔进行单幅成像，流程图如图5。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种穿戴式瞳孔对光反射测量设备，包括九个关键部分：

红外摄像机，与数据处理设备有数据通信，用于获取人眼的视频数据；

红外补光灯，用于为红外摄像机提供光照；

补光光源，为可见光源，用于模拟不同场景下的光照；

刺激光源，为可见光源，用于照射瞳孔以使瞳孔产生孔径变化；

穿戴式头盔，用于安装红外摄像机、红外补光灯、补光光源和刺激光源，为使用者眼部提供暗室环境；

瞳孔校正成像系统，包括液晶校正器或变形镜组成的测量光路；

瞳孔监测相机，用于观察人眼瞳孔是否与所述瞳孔校正成像系统光轴对准良好，同时用于单次校正成像和短曝光校正成像；

瞳孔测量软件系统，包括物理尺寸测量系统、生理信息计算系统和报告生成系统，用于实时检测视频数据中的瞳孔，获取瞳孔相关的各项生理信息，并生成病例报告，配置于数据处理设备上；

数据处理设备，基于X86或X64架构的个人计算机，或具有同等处理能力的嵌入式平台、可移动手持设备；其特征在于：所述穿戴式瞳孔对光反射测量设备灵活度高，可根据需要采用有线或无线的数据传输方式，并可采用个人计算机、嵌入式平台或智能手机作为数据处理设备，以适应不同的使用场合要求；红外摄像机与数据处理设备的数据通信为有线通信或无线通信形式；红外摄像机和刺激光源的数量由所要测量的瞳孔的数量决定；红外补光灯的红外光的波长需匹配所采用的红外摄像机所能接收的波长；

补光光源由可发出可见光的发光器件构成，根据需求产生不同照度、不同频率的光线；发光器件的发光机能由配置于数据处理设备上的瞳孔测量软件系统控制，或通过单独的调节开关进行控制；

刺激光源的发光状态由配置于数据处理设备上的瞳孔测量软件系统控制，或通过单独的开关进行控制；

瞳孔校正成像系统选择液晶校正器作为测量光路的波前位相校正，所述瞳孔校正成像系统包括低阶补偿镜、滤光片、半波片、光学透镜、偏振分束器、定位屏、环形光阑及波前探测器；瞳孔校正成像系统的波前探测器为高速哈特曼探测器，瞳孔、液晶校正器及哈特曼波前探测器互为物像共轭关系；

瞳孔测量软件系统中的

物理尺寸测量系统通过红外摄像头捕获的影像数据识别其中的瞳孔、虹膜、眼白外观可见的物理结构，并测量每种结构的尺寸；其中的生理信息计算系统可以通过物理尺寸测量系统得到的结构参数，计算各参数间的相关性，或同一参数不同病例之间的对比性，得到瞳孔直接反射、间接反射功能的定量分析结果；

瞳孔测量软件系统中的报告生成系统，可以读取生理信息计算系统和物理尺寸测量系统的结果，并以通用性较高的文本文件格式或图片文件格式生成报告；

瞳孔测量软件系统中的报告生成系统，具有与打印机、传真机的数据传输接口，并具有网络数据传输接口。