CN105193377B - 石墨烯眼动片、眼动心理调节仪及眼动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯眼动片，所述石墨烯眼动片包括柔性衬底、设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙和设置在石墨烯纳米墙上的第一电极和第二电极。本发明还公开了一种眼动心理调节仪，包括I/O转换器、下位机、CPLD模块、上位机、LED灯、声音节拍器以及石墨烯眼动片；下位机分别与I/O转换器、CPLD模块、上位机、LED灯、声音节拍器连接，CPLD模块与石墨烯眼动片的第一电极连接，I/O转换器与石墨烯眼动片的第二电极连接，本发明还公开了一种眼动测试方法。本发明能够提供光刺激和节拍器两种激发模式，并能够对眼动反应予以及时分析。

Description

石墨烯眼动片、眼动心理调节仪及眼动测试方法

技术领域

本发明属于医疗器械，具体涉及一种石墨烯眼动片、眼动心理调节仪及眼动测试方法。

背景技术

眼睛是我们信息加工过程中最重要的信息输入系统。通过研究眼睛的这些运动，研究者可以对人的认知活动规律加以探索。为了准确记录人的眼球运动过程，心理学家以及其他有关专家一直致力开发眼动记录技术。早期的眼动研究主要采用观察法和机械记录法等。观察法的误差很高，机械记录法包括头部支点杠杆法、气动方法、角膜吸附环状物法等多种形式。观察法简便易行，但结果不精确，只能对眼动进行比较粗略的研究。而机械记录法则装置复杂，使用起来十分麻烦，实验结果准确性也较低。因此，研究者一直在寻找更有效、准确而又简便的测量方法。

20世纪60年代之后，眼动的记录主要采用瞳孔和角膜反射的视频记录法。现在全世界已经有几十家生成眼动仪的厂家。尽管国内在研制眼动仪方面取得了一定的成绩，例如20世纪80年代末，中国科学院上海生理研究所的张名魁和孙复川研制了外光电反射眼动测量技术；20世纪90年代，西安电子科技大学研制了头盔式眼动仪。但国内科研机构使用的眼动仪主要依赖国外进口。目前国内使用较多的有加拿大SR公司生成的EyelinkⅡ和Eyelink 2000型眼动仪；美国应用科学实验室(ASL)生成的H6型和L6型眼动仪；瑞典Tobii公司生成的T60和T120型眼动仪；德国SMI公司生成的iViewX RED型眼动仪。这些眼动仪都采用角膜反射法进行眼动记录。

目前，市面上流行的主流眼动仪器主要是：SR公司生成的Eyelink眼动仪和瑞典Tobii公司生成的眼动仪是目前用户考虑较多的两个品牌。但Tobii眼动仪在实验精确度要求较高的实验中容易出错(有些实验中某些志愿者佩戴眼镜，框架眼镜的镜片反光会干扰角膜反光。)。SR公司的Eyelink II是一款目前采样率最高的头戴式眼动追踪系统，其采样率可高达500Hz，但价格昂贵。

因此，有必要开发一种新的石墨烯眼动片、眼动心理调节仪及眼动测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯眼动片、眼动心理调节仪及眼动测试方法，能提供光刺激和节拍器两种激发模式，并能对眼动反应予以及时分析，且成本较低。

本发明所述的石墨烯眼动片，所述石墨烯眼动片包括柔性衬底，设置在柔性衬底上的石墨烯纳米墙，以及设置在石墨烯纳米墙上且用于输入/输出电信号的第一电极和第二电极。

所述柔性衬底采用聚二甲基硅氧烷制成。

本发明所述的眼动心理调节仪，包括I/O转换器、下位机、CPLD模块、上位机、LED灯、声音节拍器以及本发明所述的石墨烯眼动片；

所述上位机用于选择眼动调试类型和设置参数，并基于所选择的眼动调试类型及设置的参数生成对应的控制指令；

所述下位机与上位机连接，下位机接收上位机所发送的控制指令；

所述LED灯与下位机连接，下位机基于上位机所发出的控制指令控制LED灯输出对应的光源；

所述声音节拍器与下位机连接，下位机基于上位机所发出的控制指令控制声音节拍器输出对应的节拍；

所述CPLD模块与下位机连接，下位机基于上位机所发出的控制指令控制CPLD模块输出连续的脉冲信号；

所述石墨烯眼动片的第一电极与CPLD模块连接，第二电极与I/O转换器连接，接收所述CPLD模块所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上；

所述I/O转换器与下位机连接，下位机基于上位机所发出的控制指令控制I/O转换器采集电极阻抗调制后的载波信号，并将该载波信号输入给上位机；

所述上位机对该载波信号进行分析，并输出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽以及眼动反应正确率。

所述上位机包括输入模块、指令生成模块、发送模块、接收模块、处理模块和显示模块；

所述输入模块用于接收用户选择的眼动调试类型和设置参数；

所述指令生成模块基于用户所选择的眼动调试类型和设置参数生成对应的控制指令，该指令生成模块与输入模块连接；

所述发送模块用于将所述控制指令发送给下位机，该发送模块分别与指令生成模块和下位机连接；

所述接收模块用于接收下位机所发出的载波信号，该接收模块与下位机连接；

所述处理模块用于将所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号分析得到眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽，并计算出眼动反应正确率，该处理模块与接收模块连接；

所述显示模块用于对所述处理模块所输出的信息进行显示，该显示模块与处理模块连接。

所述下位机采用宏晶系列单片机STC89C52；所述CPLD模块采用Altera公司的EPM7128SLC84-15。

本发明所述的眼动测试方法，采用本发明所述的眼动心理调节仪，其包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯眼动片粘贴在测试者的上眼皮上；

步骤2、通过上位机选择眼动调试类型和设置参数，上位机基于所选择的眼动调试类型及所设置参数生成对应的控制指令；

步骤3、下位机基于该控制指令控制LED灯输出对应的光源或控制声音节拍器输出对应的节拍，同时控制CPLD模块输出对应的脉冲信号给第一电极，测试者的眼球按照光源或节拍的提示而运动，第一电极和第二电极接收所述CPLD模块所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上，下位机控制I/O转换器采集电极阻抗调制后的载波信号；步骤4、上位机对所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号提取出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽；

步骤5、上位机计算眼动反应正确率，所述眼动反应正确率为提取出的眼动次数与预设眼动次数的比值。

本发明具有以下优点：

(1)能够准确地统计分析出眼动的方向，眼动的次数，眼动的波幅和波宽以及眼动反应正确率；同时可以根据上位机附带的抑郁、焦虑、创伤应激障碍、状态-特质自评量表等可量化评判使用者此时的心理状态，有助于心理治疗师或者咨询师处理具有焦虑、恐惧和创伤应激等心理问题的求助者，同时也可以在面对受灾或者大型应激事件中，可通过专业人士简单指导和应急训练即可实现批量受灾人群的心理自助，以及具有一定自控力的心理求助者可实施自我心理治疗和普通人缓解压力的自我心理调适。

(2)由于石墨烯眼动片直接粘贴在测试者的上眼皮上，充分发挥其柔性传感作用，不会受到其他外界因素的影响，故测试的正确率非常高；

(3)操作简单，且成本较低。

附图说明

图1为本发明所述的石墨烯眼动片的结构示意图；

图2为本发明所述的眼动心理调节仪的原理框图；

图3为本发明中所述上位机的结构框图；

图4为上位机输出的测试者上下眼动的记录图形；

图5为上位机输出的测试者左右眼动的记录图形；

图6为测试者咨询前未眼动脱敏生理-心理数据图；

图7为经过4次眼动脱敏后求助者生理-心理数据图；

图8为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的石墨烯眼动片，所述石墨烯眼动片包括柔性衬底1d，设置在柔性衬底1d上的石墨烯纳米墙1a，以及设置在石墨烯纳米墙1a上且用于输入/输出电信号的第一电极1b和第二电极1c。所述柔性衬底1d采用聚二甲基硅氧烷制成。

石墨烯是一种由sp2杂化碳原子通过共价键连接形成的平面六方晶格材料，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者其他平面形状，同时具有可调的带隙，室温霍尔效应，极高的机械强度弹性和热传导性，极快的电子传输，良好的灵活性和生物相容性等。

石墨烯纳米墙1a是结构化的多层石墨烯，研究发现石墨烯纳米墙的电阻对基底的振动非常敏感。石墨烯纳米墙1a具有较高的比表面积，是优秀的电极材料。由于眼珠的运动会引起柔性衬底1d的微小形变，从而导致石墨烯纳米墙1a敏感层的电阻发生改变，使得通过电极的电流或电压信号也随之发生变化，因此可以通过电信号的变化来感知眼珠的运动情况。

如图2所示，本发明所述的眼动心理调节仪，包括I/O转换器2、下位机3、CPLD模块7、上位机6、LED灯4、声音节拍器5以及本发明所述的石墨烯眼动片1。所述上位机6用于选择眼动调试类型和设置参数，并基于所选择的眼动调试类型及设置的参数生成对应的控制指令。所述下位机3与上位机6连接，下位机3接收上位机6所发送的控制指令。所述LED灯4与下位机3连接，下位机3基于上位机6所发出的控制指令控制LED灯4输出对应的光源。所述声音节拍器5与下位机3连接，下位机3基于上位机6所发出的控制指令控制声音节拍器5输出对应的节拍。所述CPLD模块7与下位机3连接，下位机3基于上位机6所发出的控制指令控制CPLD模块7输出连续的脉冲信号。所述石墨烯眼动片1的第一电极1b与CPLD模块7连接，第二电极1c与I/O转换器2连接，接收所述CPLD模块7所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上。所述I/O转换器2与下位机3连接，下位机3基于上位机6所发出的控制指令控制I/O转换器2采集电极阻抗调制后的载波信号，并将该载波信号输入给上位机6。所述上位机6对该载波信号进行分析，并输出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽以及眼动反应正确率。同时可以根据上位机6附带的焦虑、创伤应激障碍、状态-特质自评量表等评判使用者此时的心理状态，从而有助于心理治疗师、应急训练批量处理心理问题以及普通人的自我心理调适所用。

如图3所示，所述上位机6包括输入模块6a、指令生成模块6b、发送模块6c、接收模块6d、处理模块6e和显示模块6f；所述输入模块6a用于接收用户选择的眼动调试类型和设置参数；所述指令生成模块6b基于用户所选择的眼动调试类型和设置参数生成对应的控制指令，该指令生成模块6b与输入模块6a连接；所述发送模块6c用于将所述控制指令发送给下位机3，该发送模块6c分别与指令生成模块6b和下位机3连接；所述接收模块6d用于接收下位机3所发出的载波信号，该接收模块6d与下位机3连接；所述处理模块6e用于将所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号分析得到眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽，并计算出眼动反应正确率，该处理模块6e与接收模块6d连接；所述显示模块6f用于对所述处理模块6e所输出的信息进行显示，该显示模块6f与处理模块6e连接。

如图8所示，本发明中所述下位机3采用宏晶系列单片机STC89C52；所述CPLD模块7采用Altera公司的EPM7128SLC84-15。LED灯4采用美国可瑞CREE XR系列大功率LED灯珠；声音节拍器5采用东莞华科东尼公司TW-266A节拍器。I/O转换器2的恒流源电压为1-10V，电流一般大于1mA，采样间隔0.001-0.1s。其中，单片机STC89C52的P30脚、P31脚与上位机相连，单片机STC89C52的P10-P17脚与LED灯相连，单片机STC89C52的P20-P26脚与TW-266A声音节拍器相连，CPLD模块的Seg1-Seg4脚与石墨烯眼动片的电极相连。

本发明所述的眼动测试方法，采用本发明所述的眼动心理调节仪，其包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯眼动片1通过医用胶布(比如：康力迪透气胶带JD-001B)粘贴在测试者的上眼皮上。

步骤2、通过上位机6选择眼动调试类型和设置参数，上位机6基于所选择的眼动调试类型及所设置参数生成对应的控制指令。

步骤3、下位机3基于该控制指令控制LED灯4输出对应的光源或控制声音节拍器5输出对应的节拍，同时控制CPLD模块7输出对应的脉冲信号给第一电极1b，测试者的眼球按照光源或节拍的提示而运动，第一电极1b和第二电极1c接收所述CPLD模块7所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上，下位机3控制I/O转换器2采集电极阻抗调制后的载波信号。

步骤4、上位机6对所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号提取出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽。

步骤5、上位机6计算眼动反应正确率，所述眼动反应正确率为提取出的眼动次数与预设眼动次数的比值。

测试时，首先选择眼动调试类型，眼动调试类型有两种，分别为光刺激和声音刺激。

A、如果选择光刺激，通过上位机6设置参数，包括光强度、光点移动速度、移动方向和刺激时间，设置好后点开始，上位机6通过串口向下位机3发送控制指令(比如0xAA XX XXXX)，下位机3基于该控制指令控制CPLD模块7输出对应的脉冲信号给第一电极1b，并控制LED灯4输出对应的光源，并将该光源投射到墙上，测试者的眼珠随着光点移动。软件开始计时，下位机3控制I/O转换器2采集电极阻抗调制后的载波信号并传输给上位机6，上位机6对将得到的载波信号进行解调，根据解调后的阻抗变化信号分析可得到眼动方向(以输入的脉冲信号为电流方波为例，根据预实验发现，凡是波峰相邻10点之间出现大于200ms的平台期即可判定为水平方向运动，反之为上下运动)、眼动次数(根据阻抗信号变化的次数)、眼动幅度(根据阻抗信号变化的大小)；眼动波宽(根据阻抗信号变化的时间)；眼动反应正确率(即眼动次数与预设眼动次数(一般为20次)的比值)，将这些信息显示在上位机6上。)。并将每帧数据通过图像窗口显示实验动物动态。当设定的刺激时间一到，上位机6通过串口向下位机3发送停止电流刺激的控制指令(比如：0xGGXX XX XX)。下位机3接受到该控制指令后，控制CPLD模块7停止输出脉冲信号，同时软件停止计时。

B：如果选择声音刺激，通过上位机6设置参数，包括音强、音长和刺激时间，设定好后点开始。此时上位机6通过串口向下位机3发送电流刺激的控制指令(比如：0xBB XX XXXX)，下位机3基于该控制指令控制CPLD模块7输出对应的脉冲信号给第一电极1b，并控制声音节拍器5输出与设置参数相对应的节拍；下位机3控制I/O转换器2采集电极阻抗调制后的载波信号并传输给上位机6，同时上位机6的软件计时，上位机6对将得到的载波信号进行解调，根据解调后的阻抗变化信号分析可得到眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽以及计算出眼动反应正确率。同时将每帧数据通过图像窗口显示实验动物动态。当设定的时间一到，上位机6通过串口向下位机3发送停止电流刺激的控制指令(比如：0xDDXX XX XX)。下位机3接受到该控制指令后，控制CPLD模块7停止输出脉冲信号，同时软件停止计时。

以下为利用本发明所述的眼动心理调节仪对病人进行眼动测试及心理治疗：

求助者，男，42岁，因为近期罹患老年痴呆的父亲，来渝与之同住，需贴心照顾，半夜需多次照顾父亲起夜，睡眠不足；且母亲因父亲病况，情绪不佳，屡屡莫名生气、叹息。同时由于自己工作压力大，因此心情郁闷、脾气暴躁，与妻子、同事多次莫名发火。经咨询师面对面咨询，诊断为焦虑性神经症。咨询师根据其医学背景和良好的自控力，决计先予以眼动再脱敏再加工方法治疗。在详细说明与介绍后，首先以眼动来进行心理舒缓。由眼动心理调试仪来实施，步骤略。

请求助者采取坐位，由心理师讲解使用方法，由求助者自行将石墨烯眼动片1贴在上眼皮上，打开模式，选择：光刺激或者声音刺激模式，如果选择光刺激，则选择光点移动速度项(快、中、慢)，移动方向(上下/左右)，次数为20次(或刺激时间)，循环为1，然后摁-开始按钮。使用者的眼珠随着投射到墙上的光点，在与自己肩宽左右的方向上下或者左右移动。一个循环结束后，察看上位机6上的软件的分析结果：眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽以及眼动反应正确率，如分析所得眼动次数(即实际眼动次数)为10次，预设眼动次数为20次，则眼动反应正确率＝10/20＝50％。

然后，咨询师询问求助者的心理感觉如何？或者由上位机6内的提示框：此时心理感觉：舒服、生气、平静、没感觉、没变化，自动评分；然后，选择，循环或者结束。

如图4所示，为上位机6输出的测试者上下眼动的记录图形。

如图5所示，为上位机6输出的测试者左右眼动的记录图形。

如图6和图7所示，为测试者多次眼动治疗的Superlab生理-心理数据采集原始图，其中图6为测试者咨询前未眼动脱敏生理-心理数据，图7为经过4次眼动脱敏后求助者生理-心理数据。由图6治疗前和图7治疗后显示可得出：经过4次眼动仪治疗后，求助者的生理-心理状态明显提高，具体表现为心电的波幅下降，呼吸的幅度比较平缓，用来衡量焦虑症状的LF/HF心电变异指标变化最显著，从1.3下降为0.2378(参见表1)，表明焦虑情绪明显改善且趋于正常平静状态，皮电下降最明显从0.277us下降为负值(参见表1)。由此可见，通过superlab仪器的精确检测，多项指标表明：经过眼动心理调节仪的配合治疗，求助者的焦虑情绪明显改善，能正常应对环境。

表1为眼动心理调节仪治疗焦虑神经症的生理-心理数据前后对照

Claims (5)

1.一种眼动心理调节仪，其特征在于：包括I/O转换器（2）、下位机（3）、CPLD模块（7）、上位机（6）、LED灯（4）、声音节拍器（5）以及石墨烯眼动片（1）；

所述石墨烯眼动片包括柔性衬底（1d），设置在柔性衬底（1d）上的石墨烯纳米墙（1a），以及设置在石墨烯纳米墙（1a）上且用于输入/输出电信号的第一电极（1b）和第二电极（1c）；

所述上位机（6）用于选择眼动调试类型和设置参数，并基于所选择的眼动调试类型及设置的参数生成对应的控制指令；

所述下位机（3）与上位机（6）连接，下位机（3）接收上位机（6）发送的控制指令；

所述LED灯（4）与下位机（3）连接，下位机（3）基于上位机（6）所发出的控制指令控制LED灯（4）输出对应的光源；

所述声音节拍器（5）与下位机（3）连接，下位机（3）基于上位机（6）所发出的控制指令控制声音节拍器（5）输出对应的节拍；

所述CPLD模块（7）与下位机（3）连接，下位机（3）基于上位机（6）所发出的控制指令控制CPLD模块（7）输出连续的脉冲信号；

所述石墨烯眼动片（1）的第一电极（1b）与CPLD模块（7）连接，第二电极（1c）与I/O转换器（2）连接，接收所述CPLD模块（7）所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上；

所述I/O转换器（2）与下位机（3）连接，下位机（3）基于上位机（6）所发出的控制指令控制I/O转换器（2）采集电极阻抗调制后的载波信号，并将该载波信号输入给上位机（6）；

所述上位机（6）对该载波信号进行分析，并输出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽以及眼动反应正确率。

2.根据权利要求1所述的眼动心理调节仪，其特征在于：所述柔性衬底（1d）采用聚二甲基硅氧烷制成。

3.根据权利要求1或2所述的眼动心理调节仪，其特征在于：所述上位机（6）包括输入模块（6a）、指令生成模块（6b）、发送模块（6c）、接收模块（6d）、处理模块（6e）和显示模块（6f）；

所述输入模块（6a）用于接收用户选择的眼动调试类型和设置参数；

所述指令生成模块（6b）基于用户所选择的眼动调试类型和设置参数生成对应的控制指令，该指令生成模块（6b）与输入模块（6a）连接；

所述发送模块（6c）用于将所述控制指令发送给下位机（3），该发送模块（6c）分别与指令生成模块（6b）和下位机（3）连接；

所述接收模块（6d）用于接收下位机（3）所发出的载波信号，该接收模块（6d）与下位机（3）连接；

所述处理模块（6e）用于将所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号分析得到眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽，并计算出眼动反应正确率，该处理模块（6e）与接收模块（6d）连接；

所述显示模块（6f）用于对所述处理模块（6e）所输出的信息进行显示，该显示模块（6f）与处理模块（6e）连接。

4.根据权利要求1或2所述的眼动心理调节仪，其特征在于：所述下位机（3）采用宏晶系列单片机STC89C52；所述CPLD模块（7）采用Altera公司的EPM7128SLC84-15。

5.一种眼动测试方法，其特征在于：采用如权利要求1至4任一所述的眼动心理调节仪，其包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯眼动片（1）粘贴在测试者的上眼皮上；

步骤2、通过上位机（6）选择眼动调试类型和设置参数，上位机（6）基于所选择的眼动调试类型及所设置参数生成对应的控制指令；

步骤3、下位机（3）基于该控制指令控制LED灯（4）输出对应的光源或控制声音节拍器（5）输出对应的节拍，同时控制CPLD模块（7）输出对应的脉冲信号给第一电极（1b），测试者的眼球按照光源或节拍的提示而运动，第一电极（1b）和第二电极（1c）接收所述CPLD模块（7）所输出的脉冲信号并将两电极间的阻抗变化信息调制到脉冲信号上，下位机（3）控制I/O转换器（2）采集电极阻抗调制后的载波信号；

步骤4、上位机（6）对所述载波信号进行解调，并基于解调后的阻抗变化信号提取出眼动方向、眼动次数、眼动幅度、眼动波宽；

步骤5、上位机（6）计算眼动反应正确率，所述眼动反应正确率为提取出的眼动次数与预设眼动次数的比值。