CZ29218U1 - Stimulátor pro nevidomé - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká očního stimulátoru pro nevidomé lidi, které je tvořeno alespoň jednou kamerou, řídící jednotkou a brýlovým nosičem.

Dosavadní stav techniky

Světová zdravotnická organizace nevidomých uvádí, že na světě žije 150 mil. osob s těžkým zrakovým postižením, z čehož je 38 mil. nevidomých. Rok od roku se tato čísla zvyšují s prodlužováním délky života a s vyšší mírou výskytu zrakových onemocnění osob starších. V České republice je nevidomých lidí 150 až 200 tisíc. Uvedené skupině lidí mohou brýle zvýšit kvalitu života a samostatnost. Na trhu se nachází mnoho doplňků pro nevidomé, respektive pro lidi se zrakovým omezením. Nejžádanějšími pomůckami na trhu jsou brýle pro zprostředkované vidění. Tyto brýle jsou převážně opatřeny inteligentními zvukovými systémy popsanými v odborné literatuře:

J. J. van Rheede, C. Kennard, S. L. Hicks. Simulating prosthetic vision: Optimizing the Information content of a limited visual display. Journal of Vision (2010) 10(14):32, 1-15;

L. H. Goldish and Η. E. Taylor, „The Optacon: A Valuable Device for Blind Persons“, New Outlook forthe blind, published by the American Foundation for the Blind, Feb. 1974, pp. 49-56; E. Striem-Amit, L. Cohen, S. Dehaene, A. Amedi.

Reading with Sounds: Sensory Substitution Selectively Activates the Visual Word Form Area in the Blind. Neuron. Volume 76, Issue 3, 8 November 2012, Pages 640-652.

V současné době jsou pro nevidomé nabízeny dvě skupiny pomůcek, které jim pomáhají zprostředkovat vizuální vjem. První skupina je založena na rozpoznání textu, ať už na obrazovce, v knize či například i v prostoru, jedná se o nápisy na obchodech, orientační značky a podobně, a převedení získané informace do hlasové podoby, která je nevidomému člověku předána do sluchátek. Druhá skupina pomůcek skenuje prostor okolo nevidomého kupříkladu ultrazvukem a IR kamerou a informuje ho též skrze sluchátko o geometrii respektive o překážkách v okolí. Vědci již totiž vyrobili a otestovali obdobné prototypy brýlí, které slepým lidem částečně nahrazují ztracený obraz, a tím jim výrazně pomáhají v orientaci po blízkém okolí. Podle odborných studií lze u téměř devadesáti procent nevidomých lidí v určitém rozsahu vysledovat tzv. zbytkové vidění. A právě pro tuto skupinu nevidomých byly v minulosti vyvinuty speciální brýle, které snímají obraz v rovině pohledu a zjednodušeně jej zobrazují na displeji před očima ve vysoce kontrastních a světelných barvách. Takovéto brýle mají sloužit především ke zlepšení orientace zrakově postižených po okolí, nikoliv k obnovení jejich zraku. Zakoupení takovýchto brýlí vede nevidomé k značné finanční úspoře, neboť vytrénování slepeckého psa je finančně náročné. Brýle běžně využívají dvojici kamer, které monitorují zorný úhel pozorovatele a určují vzdálenost okolních objektů, které pak jednoduše znázorní na světelném displeji. Nevidomí jsou kupříkladu schopni s brýlemi rozpoznat před nimi nacházející se předměty, či kde kdo stojí, a to do vzdálenosti několika metrů. Technologie zabudované v brýlích nabízí i další pomocné funkce. S připojeným sluchátkem brýle kupříkladu nahlas uživateli vysvětlují vybrané nápisy, nebo dokonce naskenují čárový kód zboží v supermarketu a zjistí jeho cenu. Brýle mohou být také propojeny s mobilním telefonem a usnadnit tak nevidomým komunikaci.

Jsou již známy kupříkladu systémy, používané při pohybu robotů, a propojené se speciálním iPadem zobrazujícím Braillovo písmo. Aby se moderní roboti mohli pohybovat prostorem, potřebují rychlou a přesnou navigaci včetně systému, který nepřetržitě mapuje okolí. Jsou známy kupříkladu brýle se dvěma kamerami a množstvím senzorů, které zachytávají okolí a vytváří jeho 3D obraz. Ten je následně převáděn do řídící jednotky v Bradlově písmu. V zařízení je zabudováno také zařízení zvané akcelerometr a gyroskop, který propočítává rychlost člověka a jeho vzdálenost od překážek. Uživatel veškeré informace vnímá přes drobný iPad, který je spojený s pružinkami reagujícími na teplo. Pokud systém zaznamená v okolí předmět, rozehřeje dané místo pomocí těchto pružinek, které se aktivují a vytvoří hmatem rozeznatelné upozornění. Existují i zaří- 1 CZ 29218 Ul zení v podobě speciálních smartphonů, které s využitím 2D map, akcelerometru a kompasu navigují hlasovými pokyny člověka na požadované místo.

V patentové literatuře je znám kupříkladu dokument CN104000709, ve kterém jsou popsány brýle pro nevidomé s celkovou ztrátou zraku. Tyto brýle jsou vlastně tvořeny nosičem, který je opatřen signální sběmicovou jednotkou, řídící a funkční jednotkou. Signální sběmicová jednotka je určena k sběru obrazových a zvukových informací a tyto informace jsou poslány do procesoru ovládajícím funkční jednotku k provedení odpovídajících instrukcí.

V dokumentu CN 103750987 jsou popsány inteligentní vodící brýle pro slepce, které jsou tvořeny bezdrátovým GPS inteligentním terminálem, vestavěným zvukově ovládacím systémem, internetové řízenou platformou a brýlemi. Pokud nevidomý opustí domov a nasadí si brýle, v případě, že se ztratí nebo potřebuje z jakéhokoliv důvodu pomoc, zmáčkne tlačítko na brýlích, čímž dojde k lokalizaci jeho polohy a informace o jeho poloze jsou odesílány za pomocí GPS terminálu na síť. Informace je vyhodnocena a nevidomý je v případě potřeby snadno k nalezení.

V dokumentu CN203234988 jsou popsané brýle pro navigaci uživatele, které jsou v obou obroučkách opatřeny tenkým krytem, ve kterém je uložen čip mikropočítače, čipy jsou vždy uspořádány v levém rámu brýlí a v pravém rámečku jsou uloženy ultrazvukové sondy uspořádány na jejich čelních plochách. Tyto navigační brýle mají výhodu v tom, že zatímco informace o vzdálenosti, rychlosti a orientací bariér jsou vypočítány pomocí ultrazvukového měření, jen lidé s úplnou ztrátou zraku mohou být informováni o překážkách pomocí vibrací.

Existují rovněž speciální brýle, které člověku s aspoň minimálními zbytky zraku promítnou obraz na miniaturní obrazovky integrované v brýlových nosičích v nevelké vzdálenosti těsně před očima. Na masivních obroučkách brýlí je namontována videokamera, jejíž výstup je vysílán do miniaturního počítače. Speciální software pak obraz přenáší na průsvitné displeje na sklech brýlí. Součástí je i audio systém, který slepci sděluje informace o nápisech, které kamera zaznamená, včetně čísel.

Všechna výše uvedená řešení zvyšují nevidomým lidem se zbytky zraku podporu, která zvyšuje jejich vizuální informace o tom, co se děje kolem nich a umožňuje jim větší svobodu, nezávislost, jejich sebevědomí a mnohem lepší kvalitu života.

Popsaná provedení brýlí v odborné či patentové literatuře však mají řadu nedostatků. S jejich použitím lze jen obtížně rozpoznat barvy, obtížné je rovněž hardwarové omezení jejich řízení a manipulace s nimi na delší vzdálenost od domova nebo tovární omezení těchto inteligentních systémů.

Podstata technického řešení

Podstatou řešení je stimulátor pro nevidomé, který je tvořen z alespoň jednou kamerou a řídící jednotkou umístěnými na brýlovém nosiči.

Řídící jednotka má na svém vstupu připojen výstup kamery a na svém výstupu připojenu skupinu zdrojů podnětu uspořádaných v mřížce, která odpovídá rastru kamery.

Mřížka je umístěna na straně brýlového nosiče přiléhajícího k obličejové části, přičemž mezi výstup řídící jednotky a skupinu zdrojů je umístěn DC/DC měnič.

Mezi řídící jednotkou a zdrojem podnětů je uspořádán registr pro rozdělení digitálních sekvencí z řídící jednotky mezi více kanálů.

V základním režimu jsou snímaná data z video kamer umístěných na brýlovém nosiči vyjádřená v obrazových prvcích, pixelech, převedena do mechanických vibrací jednotlivých zdrojů podnětu, kupříkladu piezoelektrických krystalů.

Namísto piezoelektrických krystalů jako zdrojů podnětů je výhodné použít jiných prvků pro generování vibrací, jedná se kupříkladu o tepelné body, vibrační body, elektrické body nebo jejich kombinace.

-2CZ 29218 Ul

Tato náhrada zdrojů podnětu může být výhodná zejména pro některé specifické případy, kdy kůže nevidomého nemá standardní citlivost, a tudíž nedokáže rozlišovat jednotlivé barvy resp. frekvence a intenzitu světla. Toto zařízení lze použít především na oční víčka z důvodu vysoké citlivosti pokožky uživatele, nebo na jiném místě dostatečně citlivém pro zaznamenání vibrace ze zdroje podnětu kupříkladu na ramena, dolní končetiny nebo prsty.

V řídící jednotce jsou obrazová data z každého pixelu nasnímaného kamerou převedena na pulzní amplitudový frekvenční signál do piezoelektrických krystalů uložených v mřížce v brýlovém nosiči. Každý pixel představuje jeden svítící bod obrazu videokamery. Amplituda signálu odpovídá intenzitě světla a frekvence tohoto signálu odpovídá dané barvě světla. V nejjednodušším schématu je převáděn pouze jeden parametr z kamery do zdrojů podnětu, a to je intenzita, a to podle amplitudy nebo frekvence vibrací.

Hlavním cílem řídící jednotky spojené s brýlovým nosičem je transformace video signálu do pulzního signálu - amplituda a frekvence - který je přiveden do zdrojů podnětu. Světlo dopadající z jednoho pixelu, maximálního rozlišení obrazu kamery, o intenzitě 12000 luxů kupříkladu odpovídá barvě # 336600 ve formátu HEX. V řídící jednotce je tento signál převeden na pulzní elektrický signál s amplitudou 60 V 100 V a frekvenci 256 kHz. Tento signál je generován na zdroj podnětu, odpovídající piezoelektrický krystal, až dojde k jeho vibraci o frekvencí 256 kHz a s amplitudou — 2^-15 pm. Obdobně je pomocí zařízení uživatelem indikováno celé spektrum existujících barev a uživatel je schopen rozpoznat co se předním a v jaké vzdálenosti nachází. Amplituda signálu odpovídá intenzitě světla a frekvence tohoto signálu odpovídá dané barvě světla, viz obr. 1.

Základní schéma stimulátoru je zobrazeno na obr. 2 a na obr. 3 je uvedený příklad převedení pixelového stereo zobrazení tmavého domu a bílých oblaků na světlemodrém pozadí oblohy do piezoelektrické matice. Na obr. 3 je označena jen část kabelů mezi kamerami i, řídicí jednotkou 2 a mřížkou 3, ve které jsou umístěny piezokrystaly 31. Nejmenší jednotka digitální rastrové grafiky je reprezentována jedním pixelem 11. Každý jednotlivý pixel 11 z kamer _f je napojen na odpovídající zdroj podnětu 3J. v mřížce 3.

Pro uvedený příklad, signál od každého pixelu modrého pozadí je převeden do odpovídajících krystalů 3J. mřížky 3 (na obr. 3 jim odpovídají bílé čtverečky). Výsledkem je, že krystaly odpovídající modré obloze kmitají s frekvencí např. 100 kHz a amplitudou odpovídající napětí 120 V.

Paralelně je signál od každého pixelu bílých oblaků převeden do odpovídajících krystalů 31. Na obr. 3 jsou označeny šrafovanými čtverečky uprostřed mřížky 3 krystaly 31. Výsledkem je, že krystaly odpovídající bílým oblakům kmitají s frekvencí např. 160 kHz a amplitudou odpovídající napětí 90 V.

Signál z každého pixelu tmavého domu je nízký, a proto není převáděn do odpovídajících zdrojů 3J_ podnětu (na obr. 3 jsou označené černými čtverečky v dolní části mřížek krystalů).

Odlišné vibrace krystalů 3f v mřížkách 3 nevidomý uživatel identifikuje prostřednictvím kůže, a tak si skládá obraz toho, co je před ním:

- z frekvence 100 kHz a amplitudy, která odpovídá napětí 120 V, nevidomý rozumí, že se před ním nachází modrý a světlý objekt tj. vysoká amplituda je určena intenzitou světla od oblohy. Podle počtu zdrojů podnětů v matici, které kmitají s frekvencí 100 kHz, nevidomý rozpozná, že před ním je něco velkého. Jakmile nevidomý pochopí popsané tři vjemy dohromady, tak uvidí, že před ním je obloha.

- podle odlišnosti vibrací zdrojů podnětu uprostřed mřížky 3, nevidomý rozpozná, že se na obloze nachází jakýsi objekt. Podle frekvence 160 kHz pochopí, že se jedná o světlejší objekt ve srovnání s pozadím. Podle toho, že tyto oblasti zdrojů podnětu jsou stejné na levém i na pravém kanálu (levá a pravá mřížka) nevidomý rozpozná, že je objekt poměrně vzdálen (stereoefekt) a logicky usoudí, že se jedná o oblaka.

- nevidomý rozpozná, že je předním tmavý objekt, a to podle oblasti zdrojů podnětu, jelikož nevibrují. Kvůli tomu, že se tato oblast liší pro levý a pravý kanál (stereoefekt) pochopí, že je objekt

-3 CZ 29218 Ul velký a nachází se blízko. Podle kontur oblastí nevibrujících zdrojů podnětu nevidomý pochopí, že se jedná o dům.

Takovýmto způsobem si nevidomý složí celý 3D obraz svého okolí a to bez pomoci komplikovaného softwaru. S vyšším počtem zdrojů podnětů dostává nevidomý přesnější obraz o okolí.

Výhodou tohoto vynálezu je bezpochyby nezávislost uživatele na okolním prostředí, zařízení nemusí být kupříkladu napojeno bezdrátově na vzdálený terminál. Další výhodou jsou i jeho nízké pořizovací náklady.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je znázorněn konkrétní přenos světelného signálu vyjádřeného v pixelech na amplitudu a frekvenci konkrétní barvy.

Na obr. 2 je znázorněno schéma základního zapojení stimulátoru

Na obr. 3 je znázorněno schéma stereo obrazů rastr kamery - zdroj podnětu

Na obr. 4 je znázorněno schematicky jednokanáiového zapojení stimulátoru

Na obr. 5 je znázorněno schematicky dvoukanálového zapojení stimulátoru

Na obr. 6 je znázorněn detail mřížky s piezoelektrickými krystaly

Příklady uskutečnění technického řešení

Základní schéma stimulátoru je zobrazeno na obr. 2. a obr. 3. V tomto schématu není zobrazen elektrický zdroj. Videokamery 1 umístěné na brýlovém nosiči B jsou propojeny s řídící jednotkou 2. V řídící jednotce 2 jsou obrazová data z každého pixelu 11 kamery převáděna na pulsní amplitudový frekvenční signál pro piezoelektrické krystaly 31 uložené v mřížce 3 rovněž uložené na brýlovém nosiči B.

Příklad 1

Jednokanálové schéma stimulátoru je znázorněno na obr. 4, v tomto zapojení je intenzita světla převedena na frekvenci. Řídící jednotka 2 Arduino ADK 7 je spojena s kamerou 1 Adafruit TTL JPEG VC0706 chipset pomocí kabelů RX a TX. Videodata z kamery i jsou převedena řídící jednotkou 2 na digitální sekvence. Řídící jednotka 2 generuje pulsy v podobě digitálních sekvencí do piezoelektrického krystalu 31 uloženého v mřížce 3 pomocí zpětné smyčky. Tato sekvence obsahuje údaje o pohybu piezoelektrických krystalů 31 v mřížce 3. Data z každého aktivního pixelu z TTL kamery X odpovídají posunutí jednoho piezoelektrického krystalu se stejnou vertikální a horizontální souřadnicí v mřížce 3. Posuny piezoelektrických krystalů 31 v mřížce 3 jsou napájeny kabelem ze 100 150 V DC / DC měniče 4 (viz, schéma v publikaci TransistorTechniques, Gernsback knihovna, lne., New York, 1956, pp. 71 - 76). Celkové napájení je zajištěno elektrickým zdrojem.

Příklad 2

Dvoukanálové schéma stimulátoru je znázorněno na obr. 5. a na obr. 6. Celé schéma je řízeno řídící jednotkou 2 Arduino ADK 24. TTL kamery i Adafruit TTL JPEG VC0706 chipset jsou připojeny k řídící jednotce 2 kabelem RX a TX. Videodata z TTL kamer i jsou převedena řídící jednotkou 2 na digitální sekvenci. Řídící jednotka 2 je spojena s registrem 5 tvořeným čipy 74HC595. Tyto čipy jsou poháněny + 5 V napájením. V registru 5 je digitální sekvence rozdělena mezi více kanálů a napojena na mřížku 3, tvořenou piezoelektrickými krystaly 31. Posuny piezoelektrických krystalů 31 v mřížce 3 jsou napájeny 60 + 150 V kabelem z DC/DC konvertoru 5. Celkové napájení je zajištěno elektrickým zdrojem. Celé zařízení je uzemněno.

Provedení mřížky 3 je obdobné jako u LED displeje. Mřížka 3 je konstruována tak, že každý pixel odpovídá jednomu piezoelektrickému krystalu 31, který je zapojen mezi svislými a vodorovnými dráty s diodami 32 DFLS1200. Přítomnost digitálního signálu na vertikálním tranzistoru 33 FMMT625 a horizontálním tranzistoru 34 FMMT625, způsobí posun piezoelektrického krys-4CZ 29218 U1 talu 31 PL055. 30 z důvodu přímé polarity k diodě 32. Napětí pro pohyb piezoelektrických krystalů 31 je dostatečně vysoké, přibližně 100 V. Z tohoto důvodu je nutné použít DC/DC měnič 4. Průmyslová využitelnost

Technické řešení je široce využitelný pro zrakové postižené osoby a zásadním způsobem napo5 máhá při zlepšení orientace nevidomého v neznámém prostředí.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Stimulátor pro nevidomé, který je tvořen alespoň jednou kamerou (1) a řídící jednotkou (
2. 2) umístěnými na brýlovém nosiči (B), vyznačující se tím, že řídící jednotka (2) má na svém vstupu připojen výstup kamery (1), a na svém výstupu připojenu skupinu zdrojů (31) podio nětu uspořádaných v mřížce (3), která odpovídá rastru kamery (1), kdy mřížka (3) je umístěna na straně brýlového nosiče (B) přiléhajícího k obličejové části, přičemž mezi výstup řídící jednotky (2) a skupinu zdrojů (31) je umístěn DC/DC měnič (4), a mezi řídící jednotku (2) a skupinu zdrojů (31) podnětu je uspořádán registr (5) pro rozdělení digitálních sekvencí z řídící jednotky (2) mezi více kanálů.

   podnětů jsou realizovány vibračními podněty.
3. 3. Stimulátor pro nevidomé podle nároku podnětů jsou realizovány tepelnými podněty.

   vyznačující s e tím, že zdroje (31) vyznačující s e tím, že zdroje (31) vyznačující s e tím, že zdroje (31) vyznačující s e tím, že zdroje (31)

   20 podnětů jsou realizovány elektrickými podněty.
4. 5. Stimulátor pro nevidomé podle nároku 1, podnětů jsou realizovány kombinací vibračních, tepelných či elektrických podnětů.