CN106551674A - 基于模拟空间定向障碍场景的眼动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够为受试者提供模拟空间定向障碍场景，同时记录受试者眼动情况的装置，主要部分包括：头戴式显示器，用于为受试者提供视觉任务；眼动追踪模块，用于实时记录受试者的眼动情况；前庭电刺激装置，用于改变人体前庭器官半规管输入信号，为受试者提供前庭电刺激；控制计算机，用于控制前庭电刺激装置的刺激方式、刺激电流模式、强度和刺激时间，控制头戴式显示器显示的视觉任务，实时显示相关参数，并实时记录由眼动追踪模块传回的眼动数据。本发明通过上述装置能够可以对受试者同时施加视觉任务和前庭电刺激，同时记录受试者的眼动情况。这使研究者能够探究受试者在前庭与视觉同时进行任务时的眼动情况，同时减轻研究者安装和设置装备的负担，提供较好的眼动实验条件，助力空间定向障碍研究进行。

Description

基于模拟空间定向障碍场景的眼动测量装置

技术领域

本发明涉及航空医学工程研究领域，具体地说是涉及一种基于模拟空间定向障碍场景的眼动测量装置。

背景技术

空间定向障碍定义为飞行员无法感知到他的飞行器或他自身在三维空间中的位置、运动或高度的情况。发生空间定向障碍时，如果处置不当，飞行员就很有可能失去对飞行器的控制，进而造成机毁人亡的严重事故。目前研究认为，空间定向障碍的本质是人体的空间定向器官无法满足空中三维空间的高速运动环境。因此，飞行员在飞行中不可避免会发生空间定向障碍。

正常情况下，飞行员进行正确的空间定向是依赖于视觉系统、前庭系统和本体感觉系统的感觉信息的输入，以及中枢神经系统的整合协调。当这些感觉系统中任何一个感受器功能不正常，或者某些输入信息不恰当时，都将会因出现感觉冲突而影响定向能力，甚至导致空间定向障碍的发生。

由于视觉信息可占据人体空间定向信息的80％以上，因此在所有的空间定向障碍中，视性空间定向障碍占有了较多的种类，且较容易发生。视性空间定向障碍的主要诱因是视觉信号的匮乏和视觉任务的复杂。而在容易出现视性空间定向障碍的环境中，人眼的运动情况影响着人体注意力的分配，进而影响着空间定向障碍的发生情况；同时，人眼的运动情况还可体现人体其他感官和中枢神经系统对当前环境的反应，在一定程度上能综合反映人体发生视性空间定向障碍的可能性。因此，研究在特定任务下的人体眼动状况可以反映人体对当前环境的视觉感知情况，揭示视性空间定向障碍发生的条件和原因。

有时视性空间定向障碍还可能受到其他感官的影响，比如前庭器官。前庭器官负责感知人体的旋转运动和平移加速运动，是人体感知自身运动时不可缺少的重要感官；同时前庭器官也可以与视觉器官出现交互作用，这使得在前庭器官和视觉器官同时工作的状态下，人体的眼动情况会受到前庭器官的影响。因此，研究前庭与视觉器官同时工作场景下的眼动情况可以揭示人体在复杂任务环境下的注意力分配情况，探究复杂条件下人体产生视性空间定向障碍的情况。

目前，对人体眼动的测量方法主要是使用眼动测量仪进行测量。然而，目前能够提供视觉任务的眼动测量仪通常体积较大，安装设置较为繁琐，且进行视觉任务时周围环境容易干扰人眼的注意；目前也有较小的头戴式眼动测量仪，然而这种眼动测量仪大多无法提供视觉任务。而目前，虚拟现实技术正在兴起，其中头戴式显示器是虚拟现实技术的重要部分。头戴式显示器能够使人体沉浸在特定的视觉环境中，且体积较小。如果能够结合头戴式虚拟现实显示器和头戴式眼动测量仪的优点，便能够为眼动测量实验提供更好的实施方式，助力空间定向障碍相关研究的开展。

而目前的眼动测试实验中，受试者通常处于静止状态或非剧烈运动的状态，在这些状态下前庭器官无法出现明显的响应，使得研究前庭与视觉器官同时工作时的眼动情况不易进行。而目前，前庭电刺激技术可以在受试者处于静止状态时，激活前庭器官的半规管部分，使受试者感到虚拟的旋转感觉。因此如果能够将前庭电刺激与眼动仪结合，便能够使受试者同时参与视觉任务和前庭觉任务，为探究前庭与视觉器官同时工作时的眼动情况提供条件。

因此，在本领域迫切需要一种装置，其能够实现以下功能：

-使用头戴式虚拟现实显示装置为受试者提供无外界干扰的视觉任务，同时用前庭电刺激为受试者提供前庭觉任务，并记录受试者的眼动情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用头戴式虚拟现实显示装置和前庭电刺激装置为受试者提供视觉与前庭觉任务，同时记录受试者的眼动情况的装置。

本发明中的装置包括：头戴式显示器，眼动追踪模块、前庭电刺激装置和控制计算机。

头戴式显示器主要包括外部框架、松紧带、显示屏和内部电路。外部框架是一个中空结构，主要用于与人头部紧密贴合，使人眼只能看到框架内显示屏上的场景。松紧带的两端固定于外部框架上，其用于将外部框架固定在头部；显示屏和内部电路安装于框架内部，显示屏正对眼部，负责向人体提供视觉任务场景，内部电路位于显示屏之后，用于控制显示屏的显示内容。

眼动追踪模块安装于头戴式显示器的外部框架中，包括瞳孔摄像机、定位摄像机、照灯和控制单元，通过对来自瞳孔摄像机的眼睛信号进行处理，识别和确定瞳孔的中心和角膜反射点间的距离，得到眼动测量数据，将信号整理为控制计算机可以处理的数据并向计算机传输，同时获取计算机对该模块的控制信息。

前庭电刺激装置包括头盔、电源、控制电路、导线、恒流电源和电极片等。该装置可施加三种模式的刺激：对两侧耳后乳突进行电刺激，对两侧耳后乳突和前额进行刺激和对两侧耳后乳突及左右太阳穴进行刺激，来改变被测者的前庭器官半规管的输入信号。电流经输出端通过电极片与人的两侧乳突耦合，实现电流与人体的导通。前庭电刺激装置的电源和控制电路封装在头盔中，电极片由导线与控制电路连接，位于头盔外。

控制计算机与前庭电刺激装置、眼动追踪模块和头戴式显示器连接。通过控制计算机中的特定软件可以设定前庭电刺激的模式、刺激电流类型、强度和刺激时间；同时，控制计算机接收来自前庭电刺激装置的信号，可以实时显示前庭电刺激的模式和电流值。控制计算机还可以设定头戴式显示器的视觉场景，并可以实时接收眼动追踪模块的眼动测量数据，并将眼动轨迹加以显示。

本发明的有益效果如下：

本发明设计的基于虚拟现实和前庭电刺激的眼动测量装置可以对受试者同时施加视觉任务和前庭电刺激，同时记录受试者的眼动情况。这使研究者能够探究受试者在前庭与视觉同时进行任务时的眼动情况，同时研究者安装和设置装备的负担也可以大为减轻。这套装置能够提供较好的眼动实验条件，助力空间定向障碍研究进行。

附图说明

图1为基于模拟空间定向障碍场景的眼动测量装置整体示意图

图2为头戴式显示器示意图

图3为前庭电刺激装置示意图

附图标号说明

头戴式显示器1，眼动追踪模块2，前庭电刺激装置3，控制计算机4，外部框架5，松紧带6，显示屏7，头盔8，恒流电源9，电极片10a、10b、10c、10d、10e，导线11

具体实施方式

根据本发明的一种实施方式，装置包括：头戴式显示器1，眼动追踪模块2、前庭电刺激装置3和控制计算机4。

头戴式显示器1主要包括外部框架4、松紧带6、显示屏7和内部电路。外部框架是一个中空结构，主要用于与人头部紧密贴合，使人眼只能看到框架内显示屏上的场景。松紧带的两端固定于外部框架上，其用于将外部框架固定在头部；显示屏和内部电路安装于框架内部，显示屏正对眼部，负责向人体提供视觉任务场景，内部电路位于显示屏之后，用于控制显示屏的显示内容。

眼动追踪模块2安装于头戴式显示器1的外部框架4中，主要负责获取人眼的运动情况并转换成可处理的信号，并将信号整理为控制计算机可以处理的数据并向计算机传输，同时获取计算机对该模块的控制信息。

前庭电刺激装置3包括头盔8、电源9、控制电路、导线11、恒流电源和电极片等。该装置可施加三种模式的刺激：对两侧耳后乳突进行电刺激，对两侧耳后乳突和前额进行刺激和对两侧耳后乳突及左右太阳穴进行刺激，来改变被测者的前庭器官半规管的输入信号。电流经输出端通过电极片与人的两侧乳突耦合，实现电流与人体的导通。前庭电刺激装置的电源和控制电路封装在头盔中，电极片由导线与控制电路连接，位于头盔外。

控制计算机4与前庭电刺激装置3、眼动追踪模块2和头戴式显示器1连接。通过控制计算机中的特定软件可以设定前庭电刺激的模式、刺激电流类型、强度和刺激时间；同时，控制计算机接收来自前庭电刺激装置的信号，可以实时显示前庭电刺激的模式和电流值。控制计算机还可以设定头戴式显示器的视觉场景，并可以实时接收眼动追踪模块的眼动测量数据，并将眼动轨迹加以显示。

本装置可为受试者提供视觉任务，同时还可实施多种前庭电刺激，并记录受试者在任务中的眼动情况。在具体实施时，受试者头戴头盔和头戴式显示器，身体保持站立或坐姿。前庭电刺激装置3的电极片9d、9e分别贴于双侧耳后乳突处，9b、9c贴于双侧太阳穴处，9a贴于前额处，并使其充分接触。

实验操作者控制计算机中相应软件设定前庭电刺激装置3的电流刺激参数、刺激模式和头戴式显示器1的视觉场景，并初始化眼动追踪模块2。实验过程中，控制计算机4将按相关设置控制前庭电刺激装置3的刺激电流模式和电刺激模式，对受试者进行刺激，同时控制头戴式显示器1向受试者提供特定的视觉场景。

受试者在实验过程中的眼动情况由眼动追踪模块2实时记录，并传回控制计算机4。控制计算机4上的软件实时接收眼动测量数据，并根据已有的算法加以处理，进行实时显示和保存。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (7)

1.基于模拟空间定向障碍场景的眼动测量装置，其特征在于，包括：

头戴式显示器(1)，与人头部紧密贴合，固定在头部，用于根据控制计算机的设置向人体提供视觉任务场景；

眼动追踪模块(2)，安装于所述头戴式显示器(1)的外部框架(5)中，用于获取人眼的运动情况，并转换成可处理的电信号；

前庭电刺激装置(3)，通过对前庭部位施加电流来改变被测者的前庭器官半规管的输入信号，电流经输出端通过电极片与人的两侧乳突耦合，实现电流与人体的导通；

控制计算机(4)，分别与所述前庭电刺激装置(3)、所述眼动追踪模块(2)和所述头戴式显示器(1)连接，通过控制计算机(4)设定前庭电刺激的模式、刺激电流类型、强度和刺激时间；同时，控制计算机(4)接收来自前庭电刺激装置(3)的信号，实时显示前庭电刺激的模式和电流值，控制计算机(4)还能够设定头戴式显示器(1)的视觉场景，并实时接收眼动追踪模块(2)的眼动测量数据，将眼动轨迹加以显示。

2.根据权利要求1所述的眼动测量装置，其特征在于，其中，所述头戴式显示器(1)包括外部框架(4)、松紧带(6)、显示屏(7)和内部电路；所述外部框架是一个中空结构，用于与人头部紧密贴合，使人眼只能看到框架内显示屏上的场景；松紧带的两端固定于外部框架上，用于将外部框架固定在头部；显示屏和内部电路安装于框架内部，显示屏正对眼部，用于向人体提供视觉任务场景，内部电路位于显示屏之后，用于控制显示屏的显示内容。

3.根据权利要求1所述的眼动测量装置，其特征在于，其中，所述眼动追踪模块(2)包括瞳孔摄像机、定位摄像机、照灯和控制单元；通过对来自瞳孔摄像机的眼睛信号进行处理，识别和确定瞳孔的中心和角膜反射点间的距离，得到眼动测量数据。

4.根据权利要求3所述的眼动测量装置，其特征在于，其中，所述眼动测量数据是注视点坐标。

5.根据权利要求1所述的眼动测量装置，其特征在于，其中，所述前庭电刺激装置(3)包括头盔(8)、电源(9)、控制电路、导线(11)、恒流电源和电极片。

6.根据权利要求5所述的眼动测量装置，其特征在于，其中，所述前庭电刺激装置(3)可施加三种模式的刺激：对两侧耳后乳突进行电刺激，对两侧耳后乳突和前额进行刺激和对两侧耳后乳突及左右太阳穴进行刺激，用于改变被测者的前庭器官半规管的输入信号；电流经输出端通过电极片与人的两侧乳突耦合，实现电流与人体的导通。

7.根据权利要求1所述的眼动测量装置，其特征在于，使用时，受试者头戴头盔和头戴式显示器，身体保持站立或坐姿；前庭电刺激装置(3)的电极片分别贴附于双侧耳后乳突、双侧太阳穴以及前额处，并充分接触；控制计算机(4)控制前庭电刺激装置(3)的刺激电流模式和电刺激模式，对受试者进行刺激，同时控制头戴式显示器(1)向受试者提供特定的视觉场景；受试者的眼动情况由眼动追踪模块(2)实时记录，控制计算机(4)实时接收眼动测量数据，数据处理后实时显示和保存。