CN108594243B - 适用于视野缺损患者的辅助感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于视野缺损患者的辅助感知装置，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置包括：超声波组阵模块，包括多个超声波探头；信号发射接收模块，连接多个所述超声波探头，控制多个所述超声波探头的发射，并接收多个所述超声波探头的反射信号；数据处理及分析识别模块，与所述信号发射接收模块信号连接；障碍物提示模块，包括：能够佩戴在耳朵上的眼镜框架结构和设置在所述眼镜框架结构上的信息提示装置；所述信息提示装置与所述数据处理及分析识别模块信号连接。本发明帮助患者提高行动便利性，形成超声波监测患者周边环境的辅助感知方法。

Description

适用于视野缺损患者的辅助感知装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种适用于视野缺损患者的辅助感知装置。

背景技术

视野是指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，称之为静视野；眼睛转动所看到的空间范围，称之为动视野，常用角度来表示。视野的大小和形状与视网膜上感觉细胞的分布状况有关，目前采用的方法是利用计算机控制的自动视野计，定量测量静态条件下的视野。

静态视野检查是在视屏的各个设定点上，由弱至强增加试标亮度，病人刚能感受到的亮度即为该点的视网膜敏感度或阈值，通过阈值位置可绘制出眼睛的观察范围。原理上类似于动态视野检查中的“视野岛”。动态视野检查首先绘制由光敏感度相同的点构成的等视线，再由不同等视线绘成了类似等高线描绘的“视野岛”或“地形图”。

眼睛的视野缺损是由于视网膜色素变性、青光眼等几种视网膜视神经以及视路疾病等引起的，导致视网膜敏感度(阈值)下降，“视野岛”(地形图)面积缩小且形状不规则。对患者的影响包括：阅读困难、对身边环境感知不清晰、行动易磕碰等，增加不安全风险，严重降低生活质量。

正常情况下，如图1和图2所示，水平面内的视野：双眼区域约在左右60°以内的区域；最敏感的视力是在标准视线每侧30°的范围内；单眼视野的标准视线每侧94°～104°；颜色辨别视区在左右30°以内。垂直面内的视野：最大视区为标准视线以下70°，颜色辨别界限在标准视线以上30°和标准视线以下40°；颜色辨别视区在上30°，下40°范围内。

由图3和图4所示，正常视力与视野缺损视野对比可知，视野缺损造成最佳眼睛转动区等区域面积严重缩小，且形状不规则程度严重。患者对周边环境的感知程度明显下降，路面偶见性障碍物(例如地面凹凸、路面接口台阶、斜拉绳索等)的危险性激增。

综上所述，现有技术中存在以下问题：如何帮助视野缺损患者感知面前的障碍物，是目前面临的一大难题。

发明内容

本发明提供一种适用于视野缺损患者的辅助感知装置，以帮助视野缺损患者感知面前的障碍物。

为此，本发明提出一种适用于视野缺损患者的辅助感知装置，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置包括：

超声波组阵模块，包括多个超声波探头；

信号发射接收模块，连接多个所述超声波探头，控制多个所述超声波探头的发射，并接收多个所述超声波探头的反射信号；

数据处理及分析识别模块，与所述信号发射接收模块信号连接；

障碍物提示模块，包括：能够佩戴在耳朵上的眼镜框架结构和设置在所述眼镜框架结构上的信息提示装置；所述信息提示装置与所述数据处理及分析识别模块信号连接。

进一步的，所述超声波组阵模块还包括：连接多个所述超声波探头并控制多个所述超声波探头保持水平向前的自校准平衡装置。

进一步的，多个所述超声波探头形成矩形阵列。

进一步的，单个所述超声波探头为频率是40kHz的探头。

进一步的，单个所述超声波探头直径为15mm，多个所述超声波探头形成方形阵列，方形阵列的边长小于10cm×10cm。

进一步的，所述眼镜框架结构包括：眼镜框和连接所述眼镜框的眼镜腿，所述信息提示装置包括：在眼镜框边缘安装的屏幕条和/或安装在眼镜腿上的发声装置。

进一步的，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：电源，连接所述超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块。

进一步的，所述超声波组阵模块包括：3个探头组阵，3个探头组阵分别为从上至下依次分布的上层探头组阵、中层探头组阵和下层探头组阵，其中，上层探头组阵和下层探头组阵对称分布在中层探头组阵的上下两侧，并且上层探头组阵、中层探头组阵和下层探头组阵形成中括号型，上层探头组阵与中层探头组阵形成倾角为α的夹角，中层探头组阵和下层探头组阵形成倾角为α的夹角，α大于0度小于等于10度；

所述自校准平衡装置包括：

上部连接杆连接上层探头组阵；

中部连接杆连接中层探头组阵；

下部连接杆连接下层探头组阵；

转动轴，分别连接上部连接杆、中部连接杆和下部连接杆；

微电机，连接所述转动轴；

电子陀螺仪，安装在所述中部连接杆上并连接所述微电机。

进一步的，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：佩戴在人体腰部的固定带，所述固定带连接所述超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块。

进一步的，所述障碍物提示模块通过有线连接或无线连接所述数据处理及分析识别模块。

本发明采用超声波探测原理，利用超声波探头组阵生成反馈数据网格，识别障碍物。超声波探测已是广为应用的测量方法，发射的超声波经障碍物反射后，被探头接收，根据超声波传播速度及接收时间差，可以计算出障碍物的距离，这是超声波测距原理，是重要的应用基础。

(1)距离及障碍物识别

超声波探头组阵是将多个超声波探头组合形成一定形状的列阵，采用单发单收或者单发多收的方式，形成网格状的多点距离数据反馈，根据数据分布识别障碍物位置及其形状。参见图5和图6。

图5显示1号探头(第一超声波探头201)发射超声波，按照接收反射波的首波为原则，即距离最短，其余探头按照顺序接收反射信号，并计算出反射点距离。若忽略2号探头(第二超声波探头202)、3号探头(第三超声波探头203)间的短小距离，则距离L处的背景物体被探测到；4号探头(第四超声波探头204)的反射信号被障碍物所阻挡，因而没有数值反馈。

之后2号探头发射超声波，其余探头接收。依次类推，当3号探头发射超声波时，图6所示，1、2和4号接收信号均为障碍物的反射信号，且距离为d。当全部探头完成发射后，形成了一组相互交叠的网格数据，可以判断出背景物体和障碍物的距离，而且后期的数值图形分析可对障碍物形状作出粗糙识别。图7是图5的正视图，假设背景物体为矩形，障碍物为缺失一角的矩形，在测距和识别后，可形成图8的数据网格。图8中虚线圆圈为背景物体的距离探测范围及其数值，虚线椭圆为障碍物的距离探测范围及其数值，识别结果为背景物体为边缘模糊的矩形，障碍物为模糊的椭圆形状。

提示的结果是：前方L处有平面状物体，而前方d处有小型障碍物。

(2)运动物体速度识别

根据两组间隔测量时间，以及障碍物距离变化，计算出障碍物的运动速度及方向。

(3)障碍物形状识别

距离测量数据存入数据库，在长时间使用信息量的基础，利用机器学习方式，对AI系统进行训练，障碍物识别清晰度逐渐加强，识别速度加快。

(4)温和的光感和声感提示方式

用眼镜配戴方式发出提示信息，在镜框边缘安装三色屏幕条，在镜架靠近耳朵处安装发声装置。例如在左下方路面发现坑状地形，则左眼镜框下方屏幕对比亮度增加，发出闪烁增强提示；右前方物体快速靠近时，右眼镜框右侧屏幕闪烁，且右侧发声装置发出由低至高的发出呼啸声。提示方式具有个性设置功能，根据使用者习惯或偏好进行设置。

本发明具有以下优点：

1.本发明帮助患者提高行动便利性，形成超声波监测患者周边环境的辅助感知方法。与激光探测相比较，超声波对外界无影响，避免激光探测的灼伤及视线干扰；与红外线探测相比较，有干扰性的红外源数量较多，超声波定位效果好；

2.形成多方式的温和提示方法，提示方式避免了常规蜂鸣声的烦躁、led灯的高亮刺激等，温和提示增强了感知的舒适度；

3.确定辅助感知装置的制作设计，明确了探头组阵的倾斜角度、陀螺仪的自动水平、AI机器学习方法和提示方式等核心设计；

4.本发明具有灵敏、便携和个性化调节的特点。

附图说明

图1为正常视力在水平面内视野的示意图；

图2为正常视力在垂直面内视野的示意图；

图3为正常视野地形图；

图4为视野缺损地形图；

图5为本发明的超声波探测原理的侧视图，其中为1号超声波探头发射；

图6为本发明的超声波探测原理的侧视图，其中为3号超声波探头发射；

图7为本发明的超声波探测原理的正视图；

图8为本发明的超声波探测对反馈数据处理后的识别示意图；

图9为本发明实施例的适用于视野缺损患者的辅助感知装置的结构示意图；

图10为本发明实施例的超声波组阵模块的主视方向的结构示意图；

图11为本发明实施例的自校准平衡装置的侧视方向的构示意图；

图12为本发明实施例的数据处理及分析框图。

附图标号说明：

1、外壳；2、超声波组阵模块；3、信号发射接收模块；4、数据处理及分析识别模块；5、障碍物提示模块；6、辅助模块；

11、控制面板；12、信号线；

20、超声波探头；201、第一超声波探头；202、第二超声波探头；203、第三超声波探头；204、第四超声波探头；27、自校准平衡装置；

21、上层探头组阵；22、中层探头组阵；23、下层探头组阵；

270、底座；271、上部连接杆；272、中部连接杆；273、下部连接杆；274、电子陀螺仪；275、支架；276、微电机；277、传动带；278、固定板；279、转动轴；280、连接线路；

30、眼镜框；31、眼镜腿；303屏幕条；315、发声装置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图9所示，本发明的适用于视野缺损患者的辅助感知装置包括：外壳1、设置在所述外壳1上的超声波组阵模块2、所述信号发射接收模块3和数据处理及分析识别模块4和设置在所述外壳1之外的障碍物提示模块5；

超声波组阵模块2、所述信号发射接收模块3和数据处理及分析识别模块4形成检测识别部件，用于检测和识别障碍物，障碍物提示模块5为信息提示部件，在收到检测和识别障碍物的结果或信息后，用于提示使用者，检测识别部件与信息提示部件为分体设置，检测识别部件与信息提示部件可以为软连接或者无线连接，便于检测和识别障碍物的功能与信息提示的功能分开，便于将信息提示部件配置在人体容易感知的部位，另一方面，将检测识别部件配置在人体对感知不敏感的部位，能够发挥人体的承重功能，这样，本发明能够符合人体的特点，便于工作和携带；为了便于携带，外壳1为板状的长方体型，尺寸控制在10cm×10cm以内；

超声波组阵模块2，包括多个超声波探头20；超声波探头按照单探头发射多探头接收的方式探测物体距离；

信号发射接收模块3包括：信号发射模块和信号接收模块，信号发射模块，也称为信号发射激励模块，是由电路板发出一个激励电信号，该信号由探头转化成弹性波；信号接收模块是探头将感受到的微弱弹性波转化成电信号，需要放大器将该微弱电信号增强为可识别的电信号，可以将信号接收模块称为信号放大接收模块。本发明所涉及的这两种模块由于应用于空气介质中，因而信号衰减较少，功率较小即可满足要求，设计电路时可将两个模块集成在一块电路板上，且尺寸较小。连接多个所述超声波探头20，控制多个所述超声波探头20的发射，并接收多个所述超声波探头的反射信号；信号发射接收模块3采用单发其余探头同时接收的模式。信号发射间隔时间有两个档位，分别对应使用者运动状态和静止状态，使用者运动状态时，每组间隔时间不低于10ms；使用者静止时，每组间隔时间不低于100ms；信号发射接收模块3的电路板发射和接收中心频率40kHz，40通路(36个探头单体)，直流5V工作电压，具备温度传感器，校正温度变化带来的测距影响；

数据处理及分析识别模块4，例如为CPU或芯片，与所述信号发射接收模块3信号连接，对信号发射接收模块3传来的信号进行处理和分析；数据处理及分析识别模块4计算物体距离，并分析粗略的物体形状，将信息提供给障碍物提示模块5；

数据处理模块只处理接收信号的首波时间及振幅，利用首波时间计算物体距离。一组数据计算完成后，形成数据网格，对最短距离做障碍物判断。在两组数据形成后，可提供探测物体运动速度信息，同时分析识别模块逐步利用新增数据识别障碍物形状，并将数据结果提供给障碍物提示模块5；

数据处理及分析识别模块4进一步可以采用Android app编程，在Android手机实现操作控制，如图12所示，利用手机作为程序应用基础的优点有：便于设置操作；操作方式熟悉；配套技术成熟；

障碍物提示模块5，根据预制的提示设计，将物体距离、运动速度、局部障碍物等定量参数信息转化为人文化的提示效果，实现使用者感知周围环境，达到避免危险的目的；障碍物提示模块5包括：能够佩戴在耳朵上的眼镜框架结构和设置在所述眼镜框架结构上的信息提示装置；所述信息提示装置与所述数据处理及分析识别模块信号连接。通过佩戴在耳朵上的眼镜框架结构承载信息提示装置，便于人们使用和携带。障碍物提示模块5接收数据处理及分析识别模块4的结果并根据设计程序，控制屏幕条色泽及亮度变化，发生装置的音效及声强；

进一步的，所述超声波组阵模块2还包括：连接多个所述超声波探头并控制多个所述超声波探头保持水平向前的自校准平衡装置27，以保证组阵始终处于水平状态、探测方向为正前方，防止坐姿条件下超声波组阵模块倾斜，超声波信号被使用者身体遮挡。

进一步的，多个所述超声波探头形成矩形阵列，便于形成集成有效的波束。

进一步的，单个所述超声波探头20为频率是40kHz的探头。选用40kHz探头，其测量距离范围在0.04～8m，该距离满足普通条件下人的行动区间。频率越高，超声波信号衰减速度快，测量距离迅速缩短；频率越低，超声波识别物体形状的能力越弱。综合两者的矛盾性，超声波探头选用40kHz探头最为合适。

进一步的，如图10所示，单个所述超声波探头直径为15mm，多个所述超声波探头形成方形阵列，方形阵列有利于有效的发射和接收超声波信号，有利于对障碍物边缘的完整识别，提高识别精度。

方形阵列的边长小于10cm×10cm。理论上探头数量越多，识别越清晰，但是其便携性越差；设计外壳1控制在10cm×10cm较为舒适，则探头方阵为6×6。位置设计时，可考虑上层探头组阵21和下层探头组阵23向中间探头组阵22略微倾斜，保证信号集中。

进一步的，如图9所示，所述眼镜框架结构包括：眼镜框30和连接所述眼镜框的眼镜腿31，所述信息提示装置包括：在眼镜框31边缘安装的屏幕条303和/或安装在眼镜腿31上的发声装置315。

在镜框边缘安装三色屏幕条，在镜架靠近耳朵处安装发声装置。模块接收数据分析模块的结果并根据设计程序，控制屏幕条色泽及亮度变化，发生装置的音效及声强。

提示效果示例与障碍物对应关系见下表：

提示信息与障碍物对应关系表

提示效果应和视野缺损程度、个人感受习惯综合考虑，设置细节丰富，长期磨合后，更能体现出其舒适性。框架结构可与使用者眼镜组装使用，使用者的眼镜镜片可以放入眼镜框30中。

进一步的，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：辅助模块6，辅助模块包括电源，连接所述超声波组阵模块2、所述信号发射接收模块3和数据处理及分析识别模块4，以提供电力供应。

进一步的，如图10和图11所示，所述超声波组阵模块2包括：3个探头组阵，3个探头组阵分别为从上至下依次分布的上层探头组阵21、中层探头组阵22和下层探头组阵23，其中，上层探头组阵21和下层探头组阵23对称分布在中层探头组阵22的上下两侧，上层探头组阵21与中层探头组阵22形成倾角为α的夹角，中层探头组阵22和下层探头组阵23形成倾角为α的夹角，α大于0度小于等于10度；中层探头组阵22设置在竖直面内，整体保持水平，即中层探头组阵22的各超声波探头20依次上下排布并保持水平，其发射方向也为水平；上层探头组阵21、中层探头组阵22和下层探头组阵23可以形成中括号型，上层探头组阵21和下层探头组阵向中间略微倾斜，保证信号集中；上层探头组阵21、中层探头组阵22和下层探头组阵23，通过各连接杆的连接形成整体的刚性连接和整体联动，三组探头组阵的角度可以保持不变，以便统一控制和调整；

所述自校准平衡装置27包括：

上部连接杆271连接上层探头组阵21；

中部连接杆272连接中层探头组阵22；

下部连接杆273连接下层探头组阵23；

转动轴279，分别连接上部连接杆271、中部连接杆272和下部连接杆273；各连接杆例如为直杆，结构紧凑，便于调整和安装；

微电机276，连接所述转动轴279；微电机体积较小，以进行微调和便于携带，微电机276可以通过传动带277连接所述转动轴279，以实现空间布置紧凑；

电子陀螺仪274，安装在所述中部连接杆272上，通过连接线路280连接所述微电机276。

电子陀螺仪例如为MPU6050模块，安装在中部连接杆272上，监测中层探头组阵22是否保持水平，发生偏移时，能快速发生信号控制电机，电机调节转动轴，保证中层探头组阵22始终处于水平状态、探测方向为正前方，防止坐姿条件下组阵倾斜，信号被使用者身体遮挡。

其中，如图11所示，微电机276可以设置在支架275上，支架275设置在底座270上，底座270设置在外壳1上，支架275为杆状，底部支撑在底座270上，支架275的顶部设有固定板278，转动轴279安装在固定板278上。底座270位于超声波组阵模块2的下方，支架275垂直底座设置，超声波组阵模块2位于支架275的侧向，以使得结构紧凑。

其中，电子陀螺仪参数：

电压3—6v；电流<10Ma；体积1.5cm*1.5cm*2mm；

测量维度：加速度、角速度和姿态角均为3维；

量程：加速度：±16G；分辨率：6.1×10-5G；稳定性：0.001G；

角速度:±2000°/S；分辨率：7.6×10-3°；稳定性：0.02°/S；

姿态测量稳定度:0.01°；

(1)MPU6050模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01°，稳定性高；

(2)串口输出；

(3)受到外界干扰小，测量精度高；

进一步的，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：佩戴在人体腰部的固定带，所述固定带连接所述超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块。通过固定带，使得检测识别组件(包括超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块)与障碍物提示模块5分体设置，二者可以通过信号线12相连，进行信号连接，这种连接为软连接，增加了便携性。即所述障碍物提示模块5通过有线连接所述数据处理及分析识别模块。

进一步的，所述障碍物提示模块5通过无线连接(例如蓝牙)所述数据处理及分析识别模块，可以进一步增加灵活性和便携性。

进一步的，光感装置(屏幕条303)采用OLED屏幕条，由手机程序控制提示图案及变化方式。屏幕条303在左右镜框三面分布，不影响中间视力区域，用使用者余光感知提示。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著的节省耗电量。该方式改变了led灯珠高亮刺眼、单调以及体积相对较大的缺陷，让提示感觉舒适。

发声装置315(声感装置)为骨传导型手机耳机，装配、固定在框架上，不嵌入耳廓内，可感知环境声音。提示音利用了手机音乐种类丰富、音质高清的优点，采用仿真的多层次声音源，该方式改变了蜂鸣器等传统声音提示的单调枯燥的缺陷，让提示感觉更仿真、更舒适。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置包括：

超声波组阵模块，包括多个超声波探头；

信号发射接收模块，连接多个所述超声波探头，控制多个所述超声波探头的发射，并接收多个所述超声波探头的反射信号；

数据处理及分析识别模块，与所述信号发射接收模块信号连接；

障碍物提示模块，包括：能够佩戴在耳朵上的眼镜框架结构和设置在所述眼镜框架结构上的信息提示装置；所述信息提示装置与所述数据处理及分析识别模块信号连接；所述超声波组阵模块还包括：连接多个所述超声波探头并控制多个所述超声波探头保持水平向前的自校准平衡装置；

所述超声波组阵模块包括：3个探头组阵，3个探头组阵分别为从上至下依次分布的上层探头组阵、中层探头组阵和下层探头组阵，其中，上层探头组阵和下层探头组阵对称分布在中层探头组阵的上下两侧，并且上层探头组阵、中层探头组阵和下层探头组阵形成中括号型，上层探头组阵与中层探头组阵形成倾角为α的夹角，中层探头组阵和下层探头组阵形成倾角为α的夹角，α大于0度小于等于10度；

所述自校准平衡装置包括：

上部连接杆连接上层探头组阵；

中部连接杆连接中层探头组阵；

下部连接杆连接下层探头组阵；

转动轴，分别连接上部连接杆、中部连接杆和下部连接杆；

微电机，连接所述转动轴；

电子陀螺仪，安装在所述中部连接杆上并连接所述微电机。

2.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，多个所述超声波探头形成矩形阵列。

3.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，单个所述超声波探头为频率是40kHz的探头。

4.如权利要求2所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，单个所述超声波探头直径为15mm，多个所述超声波探头形成方形阵列，方形阵列的边长小于10cm×10cm。

5.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，所述眼镜框架结构包括：眼镜框和连接所述眼镜框的眼镜腿，所述信息提示装置包括：在眼镜框边缘安装的屏幕条和/或安装在眼镜腿上的发声装置。

6.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：电源，连接所述超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块。

7.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，所述适用于视野缺损患者的辅助感知装置还包括：佩戴在人体腰部的固定带，所述固定带连接所述超声波组阵模块、所述信号发射接收模块和数据处理及分析识别模块。

8.如权利要求1所述的适用于视野缺损患者的辅助感知装置，其特征在于，所述障碍物提示模块通过有线连接或无线连接所述数据处理及分析识别模块。

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