CN111432727A - 眼睛跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量眼睛跟踪的系统，可以包括底座，该底座可以包括主柱和头部支架组件。该头部支架组件可以包括用于向患者显示视频的刺激屏幕，光学镜，眼睛跟踪相机以及用于使患者的头部相对于刺激屏幕稳定的至少一个头部支架元件。该系统还可以包括：基部，该基部附接到主柱的底部以支撑主柱；臂，该臂从主柱延伸以支撑头部支架组件；触屏界面，该触屏界面附接到主柱并且构造成向用户提供系统的控制；相机计算机，该相机计算机容纳在主柱中以用于控制眼睛跟踪相机；以及系统计算机，该系统计算机容纳在主柱中以用于控制刺激屏幕、数据处理和其他功能。

Description

眼睛跟踪系统
相关申请的引证
本申请为于提交2018年9月12日的PCT国际专利申请，并且要求于提交2017年9月13日的名为“眼睛跟踪系统”的美国临时专利申请第62/558,069号的优先权。该优先权申请的公开内容通过引证全部结合于本申请。
技术领域
本申请涉及医疗装置、系统和方法。更具体地说，本申请涉及眼睛跟踪装置、系统和方法。
背景技术
许多中枢神经系统损伤和异常对于在神经系统内定位和诊断来说是挑战。本申请的受让人已经开发了使用眼睛跟踪测量的方法和系统以帮助诊断和/或定位多种不同的中枢神经系统损伤和异常，诸如但是不限于增加的颅内压力、脑震荡、降低的或受损的颅神经功能等。美国专利第9,642,522号以及美国专利申请公开第2016/0278716号和2017/0172408号中描述了这些方法和系统中的一些，其全部通过引证结合于本文。
附图说明
图1A至图1C分别是根据一个实施例的用于测量眼睛跟踪的系统的面对患者的视图、侧视图和面对技术人员的视图；
图2A和图2B是图1A至图1C的系统的面对患者的立体图，在水平平面中(图2A)和竖直平面(图2B)中示出了系统的头部支架组件部分的可调整性；
图3是图1A至图2B的系统的触屏界面特写图；
图4是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的触屏界面的登陆显示的屏幕快照；
图5是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的触屏界面的患者选择显示的屏幕快照；
图6是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的触屏界面的新患者显示的屏幕快照；
图7是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的刺激屏幕的患者视频选择显示的屏幕快照；
图8是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的触屏界面的相机设置显示；
图9是相机调整旋钮的特写图，该相机调整旋钮位于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的底座的主柱上；
图10是用于根据一个实施例的眼睛跟踪系统的触屏界面的跟踪进度显示的屏幕快照；以及
图11是由根据一个实施例的眼睛跟踪系统所产生的眼睛跟踪报告110的屏幕快照。
具体实施方式
参考图1A至图1C、图2A至图2B和图3示出了根据一个实施例的眼睛跟踪和诊断系统10。系统10用于跟踪患者的眼睛运动和诊断一只或多只眼睛运动异常。在一些实施例中，系统10包括至少一个处理器，该处理器还可以分析与眼睛运动异常相关的数据以帮助诊断和/或定位神经性的损伤或异常，诸如但是不限于增加的颅内压力、脑震荡、降低的或受损的颅神经功能。在使用中，使刺激视频呈现在系统10的LCD刺激屏幕12上，并且通过红外眼睛跟踪相机14随着时间跟踪患者的眼睛运动。通过头部支架组件18来确保患者的头部相对于刺激屏幕12和相机14的固定方向，将头部支架组件调整成适于坐着的或仰卧的患者。从触屏界面26来操作系统10。系统10经由有轮子的底座20耦接到一起，该有轮子的底座适于用轮子移动到检查位置。
底座20包括两个主要零件：主柱28，其由基部22支撑，以及头部支架组件18。头部支架组件18支撑在臂24上，该臂可以使用位于主柱28中的电动升降机来上升和下降，其由上/下按钮38(图1C和图3)控制。臂24穿过位于主柱28中的竖直槽29(图1A、图2A、图2B)向上和向下移动。位于基部22中的四个锁定脚轮32允许整个单元被移动，将基部22的尺寸设定成适合位于病床或轮床之下。位于主柱28上的手柄30用于将系统10拉动或推动到合适的位置。
在一个实施例中，主柱28容纳两个计算机、电源、升降机机构、隔离变压器和其他电零件，这些在图中都不可见。操作员触屏界面26(本文中也被叫做“操作员控制台26”)位于主柱28上。
头部支架组件18包括：下巴支架34和额头支架36，以使患者的头部稳定；刺激屏幕12；光学镜16，用于折叠光路使得外壳更紧凑；以及高速眼睛跟踪相机14。如图2A和图2B所示，整个头部支架组件18在水平平面中，对于180度的总水平转动，可以在任一方向上转动90度(图2A)，并且在竖直方向上向下转动高达90度以适应仰卧的患者(图2B)。在所示出的实施例中，在竖直转动内具有若干离散位置，头部支架组件18锁定到这些位置中。位于头部支架组件18的背部的按钮40激活电磁线圈，由此组件18可以竖直地转动然后锁定。
可以用标准110伏特的医疗级线缆来向系统10的升降机机构和400瓦特的电源供电。该电源向计算机以及位于头部支架组件18中的电磁线圈提供稳压DC电源。
系统10包括两个计算机，它们容纳在底座20的主柱28中并且因此在附图中不可见。相机计算机可以由与相机14的制造商相同的制造商提供，并且可以在实时操作系统下运行用于相机14的实时软件。该相机计算机检测眼睛运动活动，诸如眼跳、眨眼和固定，并且对于每只眼睛来说在500Hz处计算注视坐标并储存原始数据直到应用需要。应用计算机可以是小型尺寸PC(small form-factor PC)，其运行用于系统10的系统应用。系统应用提供用户界面、控制逻辑流程、显示刺激视频、处理来自相机计算机的原始数据并且将结果储存在永续性储存器中。
用户与系统应用通过触屏界面26相互作用。刺激屏幕12(位于系统10上的第二监控器)向患者显示刺激媒介。两个内置的扬声器提供刺激媒介的音频。
在一些实施例中，位于系统10中的处理器构造成产生描述患者眼睛跟踪能力的分数。例如，在一个实施例中，系统10产生在10-20的范围内的分数，其中，分数解释为用于眼睛运动能力的二元分类，并且其中，任何等于或大于10的分数是肯定结果(存在异常)而所有小于10的分数是否定结果(无异常)。系统10的操作算法识别眼睛跟踪异常并且计算分数。
眼睛跟踪相机
在一个实施例中，眼睛跟踪相机14是眼动仪1000加USB型(EyeLink 1000PlusUSB)(SR研究室，渥太华，加拿大)并且用于捕获患者的眼睛运动。对于每只眼睛来说，相机14每秒捕获500帧的注视坐标，平均精确度为0.25到0.5度。照射器是红外的，并且其使用深瞳眼睛跟踪，其中，红外源从相机14偏移。在跨越种族和变化的光照条件下，该技术通常提供更好的结果。注视跟踪在水平上在高达32度的范围内，在垂直上在高达25度的范围。受试者的眼睛与相机之间的距离为52cm。在表1中示出了由供应商提供的相机14的说明书。
表1：眼动仪相机说明书
Figure BDA0002410772210000051
眼睛跟踪计算机
如上文所述，在一个实施例中，相机14由运行QNX操作系统的专用实时计算机来驱动。表2中示出了用于该眼睛跟踪计算机的说明书。
表2：眼动仪计算机说明书
Figure BDA0002410772210000061
系统应用计算机
如上文所述，在一个实施例中，系统应用在运行Windows 10Pro的迷你ITX板上运行，其构造成自助服务装置。表3中示出了说明书。
表3：系统应用计算机说明书
Figure BDA0002410772210000071
刺激显示
根据一个实施例，刺激屏幕12用于显示视频，该视频可以持续任何合适长度的时间，诸如在一个实施例中220秒。在一个实施例中，刺激屏幕12的目的仅是显示视觉刺激。视频可以是若干预定的视频中的一个。这些视频可以包括音乐视频、来自儿童电影的剪辑，运动剪辑、才艺表演、“真人秀”剪辑等。视频的选择可以设计成吸引广泛团体的受试者。装置的用户可以选择显示哪个视频或者可以询问患者他们想看哪个视频。例如，可以经由UBS驱动来下载其他的媒介选择。在一个实施例中，视频孔是方形的，每个边大约是可见的显示器的宽度的1/4。根据一个实施例，围绕刺激屏幕12的所显示的视频的轨迹遵循预定的离散路径，诸如沿着刺激屏幕12的外缘以每侧10秒的速度的5个周期。在一个实施例中，刺激屏幕12是GeChic 1303监控器，在下文的表4中示出了其说明书。
表4：刺激屏幕说明书
规格 描述
纵横比 1.78:1
最大分辨率 1920×1080
屏幕尺寸 13.3英寸
显示器类型 LED
观察角度 89°/89°/89°/89°
对比率 700:1
输入电源 5V，2.0A
触屏界面
触屏界面26(其也被叫做“操作员控制台”或简化为“触屏”)由技术人员来使用以与系统应用相互作用。在图示的实施例中，触屏界面26仅包括触屏显示器，这意味着没有键盘或其他输入装置。当然，可替换的实施例可以包括键盘或其他输入装置。在一个实施例中，触屏界面26可以是MimoUM-1080CH-G，在下文的表5中陈述了其说明书。
表5：触屏界面说明书
规格 描述
电容式触屏 是
最大分辨率 1280×800
屏幕尺寸 10.1英寸
观察角度 170°×170°
对比率 800:1
输入电源 6W
头部支架组件
下巴支架34和额头支架36用于在眼睛跟踪期间使用户的头部稳定并且距离刺激屏幕12保持适当的距离。下巴支架34可以由无毒无害的生物降解塑料酚醛树脂(Bakeliteresin)(聚氧苄基甲基乙二醇酐)(polyoxybenzylmethyleneglycolanhydride)制成，而额头支架36可以由覆盖有与氯丁橡胶和SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)垫混合的薄EPDM(乙烯丙烯二烯三元共聚物)泡沫垫的铝构成，以具有封闭式的构造来抵抗液体、固体和气体的吸收。可以在每次使用之前和之后使用消毒酒精棉签来擦拭两个表面。
系统校准
将在下文的表6中的校准信息应用到根据一个实施例的系统的部件。
表6：系统校准
Figure BDA0002410772210000101
Figure BDA0002410772210000111
操作原理
系统10在患者观看围绕刺激屏幕12移动的视频时测量患者的眼睛跟踪并且然后使用算法来分析来自眼睛跟踪测量的数据，其通过使用时间评估(temporal assessment)来提取临床上相关的眼睛测量。患者在距刺激屏幕12固定距离处观看在孔的内部移动的视频的220秒的一组轨迹(在一个实施例中)。当视频在其时程上行进时，随着时间流逝来记录每个瞳孔的位置，使得能够检测眼睛相对于时间运动受损的能力，并且因此能够检测相对于彼此受损的能力。算法输入是对个体(左和右)眼睛运动的测量，在观看在孔中播放的围绕屏幕12移动的220秒的视频时，眼睛运动平均超过五个周期。在一个实施例中，算法输出“BOX分数”，其由不同个体参数和多个常数相乘并且将那些因数相加而获得。
方法概述
根据一个实施例，下文提供使用系统10的主要步骤的简要概述。
1.用用户名和密码登陆。用户登陆是对于储存的凭证的认证。
2.填写患者信息段(姓名、DOB、性别等)。患者数据将被本地储存。
3.通过点击视频的缩略图的图标来选择要显示的视频。
4.在下一个屏幕中，用相机在何处找到瞳孔以及是否可以检测到瞳孔的视觉线索来示出患者面部的图像。
5.在每只眼睛上点击以指示软件锁定瞳孔位置。
6.照明度默认为75％，但是其可以被设置为50％或100％，这取决于环境光照。
7.任选的：使受试者看着刺激屏的角部以确保在所有位置处捕获瞳孔。
8.点击开始按钮以启动眼睛跟踪。
9.在进行眼睛跟踪的同时，确保眼睛在大部分时间保持锁定。质量指示符示出了在最后15秒内对于每只眼睛来说，如何收集百分比数据。
10.在完成时，系统10处理结果并显示报告屏幕。对于BOX分数来说，绿色值指的是度量落在正常界限内。红色指的是落入正常界限之外。
11.选择保存和退出、保存和再做、丢弃和退出、或者丢弃和再做。
12.完成。
系统计算机处理概述
系统10的操作的中心是软件如何处理来自眼睛跟踪相机的原始注视数据和计算BOX分数。下文概括该程序的概述。
1.在跟踪期间，当患者观看围绕屏幕12移动五次的视频刺激时，系统10在500Hz处收集220秒的双眼注视数据。
轨迹如下：
a.刺激在左上角开始并且保持静止10秒。
b.刺激以顺时针方式围绕刺激屏幕的外部边缘移动，每侧花费10秒或每个循环花费40秒。刺激进行五个循环加上沿着顶部的一个额外侧，总计220秒。
2.丢弃第一个十秒和最后一个十秒的数据。
3.程序首先移除眨眼数据。这些数据变成程序中的“NaN’s”(不是数字)并且在所有后续过程中被忽略。
4.然后，将注视数据标准化，并且从标准化的数据计算出几十个度量，该些度量为患者的跟踪的特征。度量中的一些是评估左眼与右眼之间的差异的共轭值。
5.然后，将最相关的度量代入到多项式公式中，产生在0到20之间的BOX分数。认为小于10的分数是正常的。
6.该算法还基于原始数据中的NaN’s的百分比来计算质量分数(1至10，10是最好的)。
现在参考图4示出了登陆显示50的一个实施例，该登录显示可以在触屏界面26上示出。登陆显示50包括用户登陆区域52和触屏键盘区域54，后者代表位于触屏界面26上的标准键盘。系统10的技术人员或其他用户可使用键盘54在该页面上登陆。
图5示出了患者选择显示60，该患者选择显示可以在登陆之后呈现给用户。患者选择显示60可以包括新患者按钮62和现有患者按钮64，用户可以使用这些按钮来选择是输入新患者还是现有患者的信息。
参考图6示出了新患者显示70。显示70包括新患者信息输入区域72和键盘54。用户可使用键盘54来输入关于新患者的信息。如果用户在先前显示屏幕60上选择了现有患者，则可以呈现出关于现有患者的类似的显示。
图7示出了患者视频选择显示80，其可以在刺激屏幕12上向患者显示。视频选择显示80包括多个行列的视频选择按钮82，这些按钮中的每个都包括视频的图标和标题。患者可以通过触摸刺激屏幕12来选择视频选择按钮82中的一个。
参考图8示出了相机设置显示90。该显示90可以在触屏界面26上向用户示出以帮助用户调整相机14。显示90可以包括相机设置区域92，其可以示出患者的图像以及关于照明度和阈值的信息。如图9所示，底座20的主柱28可以包括用于调节相机14的焦点的相机调节旋钮94。
图10示出了跟踪进度显示100，其也可以在触屏界面26上向用户示出。跟踪进度显示100可以包括患者右眼和左眼的图像102，以及患者信息、跟踪质量信息、眼睛跟踪过程所经历的时间等。
最后，图11示出了眼睛跟踪报告110的示例性实施例。报告110可以包括患者信息、表示患者的眼睛跟踪的图像、相机信息、质量信息、BOX分数和/或类似物。
以上描述旨在完整的描述为了一个或多个诊断目的用于测量眼睛跟踪的系统和方法的一个实施例。这意味着其仅作为示例来描述并且不旨在限制本发明的范围。

Claims (18)

1.一种用于测量患者的眼睛跟踪并且使用所测量的眼睛跟踪来辅助诊断异常的系统，所述系统包括：
底座，所述底座包括：
主柱；以及
头部支架组件，所述头部支架组件包括：
刺激屏幕，用于向患者显示视频；
光学镜；
眼睛跟踪相机；以及
至少一个头部支架元件，用于使患者的头部相对于所述刺激屏幕稳定；
基部，附接到所述主柱的底部以支撑所述主柱；
臂，从所述主柱延伸以支撑所述头部支架组件；
触屏界面，附接到所述主柱并且构造成向用户提供所述系统的控制；
相机计算机，容纳在所述主柱中，以用于控制所述眼睛跟踪相机；以及
系统计算机，容纳在所述主柱中，以用于控制所述刺激屏幕、数据处理和所述系统的其他功能。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括升降机，所述升降机容纳在所述主柱中，以用于使所述臂相对于所述主柱向上和向下移动。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括多个轮子，所述多个轮子附接到所述基部的底部，以使得所述系统沿着地面转动，其中，所述基部和所述多个轮子的尺寸设定为适配在病床或轮床之下。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括手柄，所述手柄附接到所述主柱，以用于使所述系统沿着地面移动。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述底座的所述主柱还包括槽，其中，所述臂穿过所述槽向上和向下移动以调整所述头部支架组件的高度，并且其中，所述系统还包括位于所述主柱中的升降机机构，使所述升降机机构附接到所述臂以使所述臂向上和向下移动。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述底座的所述主柱容纳多个其他部件，包括：
电源；
升降机机构，附接到所述臂以使所述臂向上和向下移动；以及
隔离变压器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述头部支架组件构造成相对于所述臂在水平平面和竖直平面中转动。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述头部支架组件构造成在所述水平平面中，对于180度的总水平转动，所述头部支架组件在任一方向上转动90度，并且在所述竖直平面中在向下的方向上转动90度以适应仰卧的患者。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述头部支架组件锁定到围绕所述臂竖直转动内的多个离散位置中。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括两个按钮，所述两个按钮位于所述头部支架组件的背部并且构造成激活电磁线圈，以使得所述头部支架组件竖直转动。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括两个内置的扬声器，以随着在所述刺激屏幕上的视频来向患者提供音频。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统计算机构造成生成描述患者的眼睛跟踪的分数。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述分数在0到20的范围内，其中，所述分数解释为用于眼睛运动异常的二元分类，其中，如果所述分数等于或大于10，则表示肯定结果(存在异常)，并且其中，如果所述分数小于10，则表示否定结果(不存在异常)。
14.一种用于使用眼睛跟踪系统来测量患者的眼睛跟踪的方法，所述方法包括：
接收由用户经由所述眼睛跟踪系统的触屏界面输入的用户信息；
接收由用户经由所述触屏界面输入的患者信息；
接收来自患者经由所述眼睛跟踪系统的刺激屏幕的视频选择；
根据所述视频选择，在所述刺激屏幕上向患者显示视频；
在显示所述视频期间，经由所述眼睛跟踪系统的眼睛跟踪相机来跟踪患者的眼睛的运动；以及
用所述眼睛跟踪系统的计算机处理器来产生表示患者的眼睛跟踪所述视频的能力的分数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述分数在0到20的范围内，其中，所述分数解释为用于眼睛运动异常的二元分类，其中，如果所述分数等于或大于10，则表示肯定结果(存在异常)，而其中，如果所述分数小于10，则表示否定结果(不存在异常)。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
接收来自用户的指示，以调整所述眼睛跟踪系统的头部支架组件的高度；以及
以向上或向下中的至少一个来移动臂以响应所述指示，所述臂将所述头部支撑组件附接到所述眼睛跟踪系统的主柱。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
接收来自用户的指示以调整所述眼睛跟踪系统的头部支架组件的竖直定向；以及
响应于所述指示，在竖直平面中使所述头部支架组件相对于臂转动，所述臂将所述头部支架组件附接到所述眼睛跟踪系统的主柱。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
接收来自用户的指示以调整所述眼睛跟踪系统的头部支架组件的水平定向；以及
响应于所述指示，在水平平面中使所述头部支架组件相对于臂转动，所述臂将所述头部支架组件附接到所述眼睛跟踪系统的主柱。
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