JP2017176302A - Eyeball movement measuring apparatus, eyeball movement measuring method, and eyeball movement measuring program - Google Patents

Eyeball movement measuring apparatus, eyeball movement measuring method, and eyeball movement measuring program Download PDF

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Tamotsu Endo
保 遠藤
浮田 宗伯
Munenori Ukita
宗伯 浮田
萩田 紀博
Norihiro Hagita
紀博 萩田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an eyeball movement measuring apparatus and measuring method capable of detecting an initial motion time of the eyeball movement even from an image photographed with a low-pixel camera or a rough image in which the camera does not take close-up of a black eye.SOLUTION: The eyeball movement measuring apparatus includes: index display means for displaying an index on a display; eyeball photographing means for photographing an eyeball of a subject until a prescribed time elapses from a time when at least the index is displayed, to acquire eyeball images; black-eye area detection means for detecting black-eye areas in respective image frames within a photographing time; eyeball movement termination calculating means for calculating an eyeball movement termination time by binary clustering differential values of movements of the black-eye area between the image frames; and an initial motion time calculation means for calculating a time difference between the index display time and the eyeball movement termination time, as an initial motion time of the eyeball movement. Further, the eyeball movement measuring apparatus includes reminder means, more specifically a buzzer sound output device, for stimulating a visual sense, an auditory sense, or a tactile sense for notifying a subject of timing of displaying the index.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、カメラで撮像した顔画像から、眼球運動の初動時間を計測する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for measuring an initial movement time of eye movement from a face image captured by a camera.

近年、高齢化社会が急速に進展しており、様々な病気が社会的な問題になっている。その一つに認知症という病気があり、その数は2010年時点で国内440万人と推定され、今後10年で2倍近くまで増加するといわれている。
認知症は一旦発達した知能が脳の器質性障害によって低下した状態であり、脳のダメージから由来すると言われる中核症状と、障害による不安や憤りから由来すると言われる周辺症状という二つの症状を持つ。具体的な症状としては、中核症状では同じことを何度も繰り返してしまうなどの記憶障害、知っているはずの道で迷子になってしまうといった見当識障害、物の名前を忘れてしまう失語、物が何なのかを忘れてしまう失認、物の使い方を忘れてしまう失行などがあり、周辺症状では幻覚や妄想、興奮、うつ状態などが挙げられる。
しかし現在、認知症であると診断された患者のうち、約8割はかかりつけ医が認知症を見落としているという報告がなされており、早期発見ができているとは言い難い。
In recent years, an aging society has been progressing rapidly, and various diseases have become social problems. One of the diseases is dementia, the number of which is estimated to be 4.4 million in Japan in 2010, and is said to increase to nearly double in the next 10 years.
Dementia is a state in which intelligence once developed has been reduced due to an organic disorder of the brain, and has two symptoms: a core symptom that is said to be caused by brain damage, and a peripheral symptom that is said to be caused by anxiety and resentment due to the disorder. . Specific symptoms include memory impairments such as repeating the same thing over and over in core symptoms, disorientation such as getting lost in the way you should know, aphasia that forgets the names of things, There are disapprovals that forget what the object is, and apraxia that forgets how to use the object, and peripheral symptoms include hallucinations, delusions, excitement, and depression.
However, about 80% of patients diagnosed with dementia are reported to have overlooked dementia by their primary doctors, and it is difficult to say that early detection has been achieved.

現在の認知症の検査は、まず、本人や家族への問診と、その時の患者の観察が重要であると言われている。また、HDS−R(改訂長谷川式簡易知能評価スケール)やMMSE(Mini-Mental State Examination)といった認知症のテスト、MRI(Magnetic Resonance Imaging:磁気共鳴画像)やPET(Positron Emission Tomography:陽電子放射断層撮影)などの脳画像診断といった客観的な診断方法もある。
しかしこれらの手法には、専門家が必要であるということや時間や手間がかかることなどといった問題がある。そして、一番の問題点として、認知症という病気の大きな特徴の一つとして、メタ記憶に侵襲が及んでおり自身が病気であるという認識がないという症状があるため、患者が診察に来ず早期発見ができないという問題がある。
そこで、体温や血圧を測るように手軽に測定可能なものや、意識せず日常の中で自然に測定できるようなものがあれば、認知症の早期発見が可能になると期待される。
The current test for dementia is said to be important to interview the person and family and to observe the patient at that time. Dementia tests such as HDS-R (Revised Hasegawa Simple Intelligence Evaluation Scale) and MMSE (Mini-Mental State Examination), MRI (Magnetic Resonance Imaging) and PET (Positron Emission Tomography) There are also objective diagnostic methods such as brain image diagnosis.
However, these methods have problems such as the need for specialists, time and labor. And the biggest problem is that one of the major features of the disease called dementia is the symptom that meta-memory is invading and the patient is not aware that he / she is ill. There is a problem that early detection is not possible.
Therefore, it is expected that dementia can be detected early if there is something that can be easily measured to measure body temperature and blood pressure, or something that can be measured naturally without being conscious.

認知症などの脳機能障害を手軽にスクリーニングするための手法として、表情や声、血液を分析し認知症を検出する研究が行われている。表情や声は日常生活の中で測定することができ、手軽な手法であるが、被験者が検査であることを意識してしまうことによる影響を受けやすい。また、血液は多くの場合健康診断などで採取するため早期発見が期待できるが、日常生活の中で手軽に測定することはできない。
一方、眼球運動は検査であることを意識することによる影響を受けにくいため検査に向いており、かつ日常生活の中で手軽に測定することが可能である。そして、認知症患者は健常者に比べ、眼球運動の初動時間の延長が見られることが知られており(非特許文献1を参照)、眼球運動の測定により認知症の早期発見が可能であると考えられている。
本明細書において、眼球運動の初動時間とは、視標が現れてから目が視標を捉え動きがなくなるまでの時間と定義する。また、以下で単に初動時間とあるのは、眼球運動の初動時間のことを指す。
As a method for easily screening for brain dysfunction such as dementia, research is being conducted to detect dementia by analyzing facial expressions, voice, and blood. Facial expressions and voices can be measured in daily life, which is a handy method, but is easily influenced by the subject becoming aware of the examination. In addition, blood is often collected at a medical checkup, so early detection can be expected, but it cannot be easily measured in daily life.
On the other hand, eye movements are suitable for examination because they are not easily affected by being aware that they are examinations, and can be easily measured in daily life. And it is known that patients with dementia have a prolonged initial movement time of eye movements compared to healthy individuals (see Non-Patent Document 1), and early detection of dementia is possible by measuring eye movements. It is believed that.
In this specification, the initial movement time of the eye movement is defined as the time from when the visual target appears until the eye catches the visual target and stops moving. In the following, the term “initial movement time” simply refers to the initial movement time of eye movement.

眼球運動を計測する技術としては、例えば、ゴーグル型の視標提示装置を用いて滑動性眼球運動を計測する方法が知られている(例えば、非特許文献1を参照。)。かかる方法では、19名の認知症患者、18名の健常高齢者、7名の健常若年者に対して実施し、認知症患者における初動時間の延長などの知見が得られている。
しかし、非特許文献1に開示された眼球運動を計測する方法では、大掛かりな装置を必要とし、日常的に計測することは難しい。
As a technique for measuring eye movement, for example, a method for measuring sliding eye movement using a goggle-type target presentation device is known (for example, see Non-Patent Document 1). This method is carried out on 19 dementia patients, 18 healthy elderly people, and 7 healthy young people, and knowledge such as extension of initial movement time in dementia patients has been obtained.
However, the method for measuring eye movement disclosed in Non-Patent Document 1 requires a large-scale device and is difficult to measure on a daily basis.

眼球運動を計測する方法において、小型の装置を使用する技術としては、アイトラッキングシステムが知られている(例えば、非特許文献2を参照。)。これによると、眼球の動きを精度よく求めることができ、使用者がどこを見ているのかなどの情報までわかるため、注視情報などを調べることが可能である。
しかし、非特許文献2に開示されたアイトラッキングシステムは、視線を計測するためにキャリブレーションが必要であり、キャリブレーションの誤差がその後の計測の誤差につながるなどの問題がある。
In a method for measuring eye movement, an eye tracking system is known as a technique using a small device (see, for example, Non-Patent Document 2). According to this, since the movement of the eyeball can be obtained with high accuracy and information such as where the user is looking is known, it is possible to check gaze information and the like.
However, the eye tracking system disclosed in Non-Patent Document 2 requires calibration in order to measure the line of sight, and there is a problem that a calibration error leads to a subsequent measurement error.

また、眼球位置と視標位置との相対関係を把握すると共に、疾患の鑑別、重症度等を判断するための補助的データを提供する装置として、眼球運動解析システムが知られている(特許文献1を参照)。特許文献1の眼球運動解析システムでは、非特許文献1と同様に、ゴーグル型の視標提示装置を用いて、ゴーグル型ヘッドセットのディスプレイに映し出される視標を追従する眼球の動きをその手前に配したハーフミラーで反射させて撮像カメラにより撮像する眼球撮像装置により取り込まれた眼球画像を画像処理し、その眼球運動データと視標の移動データに基づき、その関係を横軸に時間、縦軸に視標位置と眼球位置との偏差を表示する追視誤差表示グラフとして出力するものである。
特許文献1の眼球運動解析システムで用いるゴーグル型ヘッドセットは、眼鏡タイプのコンパクトな装置であり、ゴーグル型ヘッドセットの頭部への装着により、頭部を固定することなく、視標を映し出すスクリーン等のディスプレイに対して頭部を静止させ、眼球を撮像する撮像カメラに対しても頭部を静止させた状態で眼球を撮像し、正確な視標追跡機能検査を行うことができるものである。つまり、頭部が多少動いても、頭部移動による画像ブレを起すことなく、視標に追従する眼球運動を撮像することができるものである。
Further, an eye movement analysis system is known as an apparatus that grasps the relative relationship between the eyeball position and the target position, and provides auxiliary data for determining disease differentiation, severity, etc. (Patent Literature) 1). In the eye movement analysis system of Patent Document 1, as in Non-Patent Document 1, the movement of the eyeball following the target displayed on the display of the goggles type headset is displayed in front of it using the goggle type target presentation device. The eyeball image captured by the eyeball imaging device that is reflected by the arranged half mirror and captured by the imaging camera is subjected to image processing. Based on the eye movement data and the movement data of the target, the relationship is time on the horizontal axis and the vertical axis Is output as a tracking error display graph for displaying the deviation between the target position and the eyeball position.
The goggle-type headset used in the eye movement analysis system of Patent Document 1 is a spectacle-type compact device, and a screen that projects a visual target without fixing the head by mounting the goggle-type headset on the head. The eyeball can be imaged in a state where the head is stationary with respect to the imaging camera that images the eyeball with the head stationary relative to the display, etc., and an accurate target tracking function test can be performed. . That is, even when the head moves slightly, it is possible to image the eye movement following the target without causing image blur due to head movement.

しかしながら、この眼球運動解析システムでは、眼球位置と視標位置の偏差を算出して疾患判定を行うため、眼球位置は、視標の移動量で予め正規化したキャリブレーションデータを用いて決定する必要がある。すなわち、非特許文献2と同様に、測定に先立ってキャリブレーションを行うことが必要であり、正面を向いた標準的な眼球の視軸と対向するディスプレイの中心(基準位置)から標準的な眼球の視軸が左右30°に傾斜する位置まで視標を移動させ、その始点と終点の眼球画像に基づき、画像上の眼球移動量を視標の移動量で正規化してキャリブレーションデータを算出する必要がある。   However, in this eye movement analysis system, since the disease is determined by calculating the deviation between the eye position and the target position, the eye position needs to be determined using calibration data that has been normalized in advance by the amount of movement of the target. There is. That is, as in Non-Patent Document 2, it is necessary to calibrate prior to measurement, and the standard eyeball from the center (reference position) of the display facing the visual axis of the standard eyeball facing the front. The visual axis is moved to a position where the visual axis is inclined at 30 ° to the left and right, and based on the eyeball images at the start and end points, the amount of eyeball movement on the image is normalized by the amount of movement of the target to calculate calibration data. There is a need.

近年、カメラ映像で医師と患者を結び付けた在宅診療システムが提唱されている。これは、患者が在宅にいながら、ビデオ通話で医師と相談したりするが、そのようなシステムで用いるカメラは通常低画素なものである。また、患者に対して事前にキャリブレーションを行うことや、ゴーグル型ヘッドセットを頭部に装着させることが困難な場面も多い。   In recent years, home medical care systems in which doctors and patients are linked with camera images have been proposed. This is because the patient uses a video call to consult with a doctor while the patient is at home, but the camera used in such a system is usually low pixel. In many cases, it is difficult to calibrate a patient in advance or to wear a goggles headset on the head.

特開2004−337348号公報JP 2004-337348 A

福本一郎ほか. 眼球運動計測を用いた痴呆簡易診断システムの基礎研究. 長岡技術科学大学研究報告, 2002.Ichiro Fukumoto et al. Basic study of a simple diagnosis system for dementia using eye movement measurement. Nagaoka University of Technology research report, 2002. T Nakano et al. Atypical gaze patterns in children and adults with autism spectrum disorders dissociated from developmental changes in gaze behaviour. Proceedings of the Royal Society B, 2010.T Nakano et al. Atypical gaze patterns in children and adults with autism spectrum disorders dissociated from developmental changes in gaze behavior.Proceedings of the Royal Society B, 2010.

従来は、カメラでフレーム毎の黒目(眼球の中央の円く黒い部分)の位置検出を行って初動時間を計測する場合、フレーム間の黒目の位置の移動量に変化が現れる時点、すなわち移動量が大きくなる時点と、フレーム間の黒目の位置の移動量が無くなる時点を移動量の差分から求め、眼球運動の初動時間を求めていた。そのため、パーソナルコンピュータ(PC)に内蔵されているような低画素カメラの場合や、測定される黒目とカメラ位置が離れているような場合には、黒目の位置の検出精度が粗いため、ノイズに埋もれて、黒目の位置の単なる移動量の差分だけでは正しく測定することができなかった。   Conventionally, when the initial movement time is measured by detecting the position of the black eye (circular black part in the center of the eyeball) for each frame with the camera, the time when the movement amount of the black eye position between frames appears, that is, the movement amount The time at which the eye movement increases and the time at which the movement amount of the position of the black eye between the frames disappears are obtained from the difference between the movement amounts, and the initial movement time of the eye movement is obtained. For this reason, in the case of a low pixel camera built in a personal computer (PC), or when the measured black eye is far from the camera position, the detection accuracy of the black eye position is rough, which may cause noise. It was buried and could not be measured correctly only by the difference in the amount of movement of the position of the black eye.

かかる状況に鑑みて、本発明は、低画素のカメラで撮影された画像、又はカメラが黒目を接写してないような粗い画像からでも、眼球運動の初動時間が検出可能な眼球運動計測装置および計測方法を提供することを目的とする。   In view of such a situation, the present invention provides an eye movement measurement device capable of detecting the initial movement time of an eye movement even from an image taken with a low-pixel camera or a rough image in which the camera does not take a close-up of the black eye. An object is to provide a measurement method.

上記状況に鑑みて、本発明の眼球運動計測装置は、下記1)〜5)を備える。
1)指標をディスプレイ上に表示する指標表示手段
2)少なくとも指標を表示した時点から所定時間経過するまで、被検体の眼球を撮影して眼球画像を取得する眼球撮影手段
3)撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する黒目領域検出手段
4)画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する眼球動作終了算出手段
5)指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する初動時間算定手段
In view of the above situation, the eye movement measurement apparatus of the present invention includes the following 1) to 5).
1) Index display means for displaying an index on the display 2) Eyeball imaging means for acquiring an eyeball image by photographing the eyeball of the subject until at least a predetermined time has elapsed from the time when the index is displayed. Black eye area detection means for detecting a black eye area in an image frame 4) Eye movement end calculation means for calculating an eye movement end time by binarizing and clustering the differential value of the movement amount of the black eye area between image frames 5) Index Initial movement time calculation means for calculating the time difference between the display time and the end of eye movement as the initial movement time of the eye movement

上記構成の眼球運動計測装置によれば、カメラで撮影された画像が粗い画像であっても、眼球運動の初動時間の算定が可能であるため、ネットワークを利用して、映像を配信するためのCCD(Charge Coupled Device)カメラとPCを用いたような簡易な装置で眼球運動の計測が可能となる。眼球が動くということは黒目が動くということなので、映像から眼球の動きを検出するためには黒目の動きを計測する。ここで、被検体はヒトに限定されず眼球運動を行う動物も含まれる。   According to the eye movement measurement device having the above configuration, even when the image taken by the camera is a rough image, the initial movement time of the eye movement can be calculated. Eye movement can be measured with a simple device such as a CCD (Charge Coupled Device) camera and a PC. Since the movement of the eyeball means the movement of the black eye, in order to detect the movement of the eyeball from the video, the movement of the black eye is measured. Here, the subject is not limited to a human and includes an animal that performs eye movement.

上記2)の「指標を表示した時点から所定時間経過するまで」とは、指標をディスプレイ上に表示したタイミングから、被検体が指標の存在を認識して、視線を指標に合せるべく黒目が移動し、視線が指標の位置に合わさった時点で黒目の移動が終了するが、黒目の移動が終了した後、十分な時間が経過するまでをいう。通常、ヒトの眼球運動の初動時間は、1秒以内であるので、所定時間は数秒を設定すればよい。少なくとも指標を表示した時点としたのは、指標を表示する時点の以前から、被検体の眼球を撮影してもよいという意味である。   The above 2) “until a predetermined time has passed since the time when the index is displayed” means that the subject recognizes the presence of the index from the timing when the index is displayed on the display, and the black eye moves to match the line of sight with the index However, the movement of the black eye ends when the line of sight matches the position of the index, but it means that a sufficient time has elapsed after the movement of the black eye is ended. Usually, the initial movement time of the human eye movement is within one second, so the predetermined time may be set to several seconds. At least the time when the index is displayed means that the eyeball of the subject may be photographed before the time when the index is displayed.

上記3)の黒目領域検出手段における撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出するやり方は、既知の手法が適用できるが、例えば、Zhaoらの手法が好適に用いることができる。Zhaoらの手法(詳細は、”Zijing Zhao et al. An accurate iris segmentation framework under relaxed imaging constraints using total variation model. In ICCV, 2015.”を参照)は、楕円あてはめなど目のモデルを元に検出するmodel−basedの手法を用いており、高い精度で黒目を検出することができる。Zhaoらの手法の主な流れとしては、目の周辺をクロップした画像を入力とし、ノイズ除去などの前処理を行った後、睫毛や皺などの影響を避けるためスムージングを行い、その後、円形あてはめにより黒目を検出し、瞼検出などの後処理を行うという流れになっている。
ここで、計測時間は長くないこと、被験体は視標を注視していることから、計測期間において顔の向きの変更など大きな顔の動きがないと仮定すると、顔の大きな動きの影響を受けていない純粋な眼球の動きが映像中の黒目の座標の変化で表される。映像中の黒目座標は、映像を目周辺の領域でクロップすれば求めることができるため、目周辺の領域を検出すればいいことになる。
As a method of detecting the black eye region in each image frame within the imaging time by the black eye region detecting means in 3) above, a known method can be applied. For example, the method of Zhao et al. Can be preferably used. Zhao et al.'S method (see “Zijing Zhao et al. An accurate iris segmentation framework under relaxed imaging constraints using total variation model. In ICCV, 2015”) detects the eye model based on an elliptical fit. A model-based method is used, and black eyes can be detected with high accuracy. The main flow of Zhao et al.'S method is to input an image cropped around the eyes, perform preprocessing such as noise removal, perform smoothing to avoid the effects of eyelashes, wrinkles, etc., and then apply circular fitting Thus, the black eye is detected and post-processing such as wrinkle detection is performed.
Here, since the measurement time is not long and the subject is gazing at the target, assuming that there is no large facial movement such as a change in face orientation during the measurement period, the subject is affected by the large facial movement. The movement of the pure eyeball is not represented by changes in the coordinates of the black eye in the video. Since the black eye coordinates in the video can be obtained by cropping the video in the area around the eyes, the area around the eyes can be detected.

上記4)の眼球動作終了算出手段は、本発明の特徴部分であり、画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する。眼球運動の初動時間は、指標が現れてから目が指標を捉えて止まる(視線が指標に合う)までとしているので、黒目領域の移動量の時系列変化から目が動いて止まる時間を求めれば良いということになる。黒目の位置が一定になった点を求めればいいのだが、固視微動と呼ばれる眼球のブレが生じており、黒目の位置にはノイズ等が含まれる。そのため、計測する眼球運動はごく短い時間で起こるためノイズと混じってしまい、うまく検出することができない。そこで、計測区間内での眼球移動は静止、移動、静止と変化することに着目し、黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングして、眼球移動が静止、移動、静止となる時点を算出するのである。   The eye movement end calculation means 4) is a feature of the present invention, and calculates the eye movement end time by binarizing and clustering the differential value of the movement amount of the black eye region between image frames. The initial movement time of the eye movement is from the time the index appears until the eye stops catching the index (the line of sight matches the index), so if you find the time that the eye moves and stops from the time series change of the movement amount of the black eye area It will be good. What is necessary is to obtain a point where the position of the black eye becomes constant, but there is a blurring of the eyeball called fixation fine movement, and the position of the black eye includes noise and the like. Therefore, since the eye movement to be measured occurs in a very short time, it is mixed with noise and cannot be detected well. Therefore, paying attention to the fact that the eye movement within the measurement section changes to static, moving, and static, and the differential value of the movement amount of the black eye region is binarized and clustered, and when the eye movement becomes stationary, moving, and stationary Is calculated.

本発明の眼球運動計測装置の眼球動作終了算出手段において、黒目領域の移動量の微分値の絶対値が、黒目動作開始時点から黒目動作終了時点までが大きく、黒目動作開始以前および黒目動作終了後が小さいことから、大小2つのクラスを時系列に3つに分ける閾値を算定する際に、大小2つのクラスのクラス間分散を算出し、分散が最大になるように閾値を最適化し、黒目動作終了時点を算出することが好ましい。
上述の如く、眼球移動が静止、移動、静止となる時点を算出するため、黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングする。黒目動作開始時点から黒目動作終了時点までは、微分値の絶対値が大きくなり、黒目動作開始以前および黒目動作終了後は、微分値の絶対値が小さくなる。そこで、微分値の絶対値が大きいものと小さいものの2つのクラスを時系列に3つに分ける閾値を算定することで、眼球移動が静止、移動、静止となる時点を算出することができることになる。具体的には、微分値の絶対値が大きいものと小さいものの2つのクラスのクラス間分散を算出し、分散が最大になるように上記の閾値を最適化していく。閾値としては、眼球移動が静止から移動する閾値と、移動から静止する閾値の2つの閾値が求まる。移動から静止する閾値を求めることが、黒目動作終了時点を算出することになる。
In the eye movement end calculation means of the eye movement measuring apparatus of the present invention, the absolute value of the differential value of the movement amount of the black eye region is large from the start of the black eye movement to the end of the black eye movement, before the start of the black eye movement and after the end of the black eye movement. Therefore, when calculating the threshold for dividing the two large and small classes into three in time series, the variance between the classes of the two large and small classes is calculated, the threshold is optimized so that the variance is maximized, and the black eye movement It is preferable to calculate the end point.
As described above, the differential value of the movement amount of the black eye region is binarized and clustered in order to calculate the time point when the eyeball movement is stationary, moving, and stationary. The absolute value of the differential value increases from the start time of the black eye operation to the end time of the black eye operation, and the absolute value of the differential value decreases before the black eye operation starts and after the black eye operation ends. Therefore, by calculating a threshold value that divides the two classes of the differential value having a large absolute value and the small value into three in time series, it is possible to calculate the time point when the eyeball movement is stationary, moving, and stationary. . Specifically, the variances between the two classes of the absolute value of the differential value are large and small, and the above threshold value is optimized so that the variance is maximized. As the threshold values, two threshold values are obtained: a threshold value for moving the eyeball from the stationary state and a threshold value for moving the eyeball from the stationary state. Obtaining the threshold value for stopping from the movement calculates the end point of the black eye movement.

本発明の眼球運動計測装置において、黒目領域の移動量は、目の特徴点を基準座標とする重心座標系における黒目重心座標の移動量であることが好ましい。
上述の如く、眼球が動くということは黒目が動くということなので、映像から眼球の動きを検出するためには黒目の動きを計測する必要がある。計測時間は短時間であり、また、被験者は視標を注視して計測を行うため、計測期間において顔の向きの変更など大きな顔の動きはないが、実際には小さな顔の動きが存在するため、単純に映像中における黒目の座標を求めただけでは、顔の微小な動きなどにより眼球運動特徴量が誤検出されてしまう。そこで、映像中の座標における黒目の座標をそのまま用いるのではなく、微小な顔の動きによって黒目との位置関係の変化しない基準点を設けて、移動量を計測する。
In the eye movement measurement apparatus of the present invention, the movement amount of the black eye region is preferably the movement amount of the black eye centroid coordinates in the centroid coordinate system with the eye feature points as reference coordinates.
As described above, the movement of the eyeball means the movement of the black eye. Therefore, in order to detect the movement of the eyeball from the video, it is necessary to measure the movement of the black eye. The measurement time is short, and the subject gazes at the target and performs the measurement, so there is no large facial movement such as a change of face orientation during the measurement period, but there is actually a small facial movement Therefore, if the coordinates of the black eye in the video are simply obtained, the eye movement feature amount is erroneously detected due to the minute movement of the face. Therefore, instead of using the coordinates of the black eyes in the coordinates in the video as they are, the movement amount is measured by providing a reference point whose positional relationship with the black eyes does not change due to a minute facial movement.

本発明の眼球運動計測装置において、黒目領域の移動量は、水平方向の黒目領域の移動量のみを用いることが好ましい。
人の眼球を水平方向に移動させる場合は、内側直筋と外側直筋を滑車のように動かす。これに対して、人の眼球を垂直方向に移動させる場合は、上直筋と下直筋を滑車のように動かす。これらの筋肉を支配している運動神経の上位中枢は、衝動性眼球運動では前頭葉に位置し、滑動性眼球運動では後頭葉に位置しており、認知症では前頭葉、後頭葉などが委縮する。また、高齢者の場合、まぶたの筋肉が衰え、目を開いている状態でも黒目の露出が著しく小さいため、垂直方向の眼球運動を計測することは難しい。そこで、水平方向の黒目領域の移動量のみを用いる。
In the eye movement measurement apparatus of the present invention, it is preferable to use only the movement amount of the black eye region in the horizontal direction as the movement amount of the black eye region.
When moving a human eyeball horizontally, the inner and outer rectus muscles are moved like a pulley. On the other hand, when moving the human eyeball in the vertical direction, the upper and lower rectus muscles are moved like a pulley. The upper centers of motor nerves that control these muscles are located in the frontal lobe in impulsive eye movements, in the occipital lobe in sliding eye movements, and in frontal and occipital lobes in dementia. In addition, in the case of elderly people, it is difficult to measure the eye movement in the vertical direction because the eyelid muscles weaken and the exposure of black eyes is extremely small even when the eyes are open. Therefore, only the movement amount of the black eye region in the horizontal direction is used.

本発明の眼球運動計測装置には、指標を表示するタイミングを被験体に知らせるための視覚、聴覚、或は触覚を刺激する注意喚起手段が更に備えられたことが好ましい。
注意喚起手段が設けられることにより、被験体は指標が表示されたことに注意を促され、指標に視線を合せようとするので、よりスムーズな眼球運動計測が可能となる。
The eye movement measurement device of the present invention preferably further includes a warning means for stimulating visual, auditory, or tactile sensation to inform the subject of the timing for displaying the index.
By providing the alerting means, the subject is alerted to the display of the index, and tries to align the line of sight with the index, thereby enabling more smooth eye movement measurement.

本発明の眼球運動計測装置における注意喚起手段は、指標表示手段と同期するブザー音出力装置であることが好ましい。上記の注意喚起手段では、指標表示と同時にブザー音が出力される。例えば、PCにUSB(Universal Serial Bus)接続されたブザー音出力装置があり、PCのディスプレイに指標を表示させると同時に、ブザー出力させるプログラムが搭載されているとする。指標表示時間とブザー音出力時間に厳密には若干の時間差があるが、計測において無視できる程度である。   The alerting means in the eye movement measuring device of the present invention is preferably a buzzer sound output device synchronized with the index display means. In the above alerting means, a buzzer sound is output simultaneously with the indicator display. For example, it is assumed that there is a buzzer sound output device connected to a PC via a USB (Universal Serial Bus), and a program for buzzer output at the same time that an index is displayed on the display of the PC is installed. Strictly speaking, there is a slight time difference between the index display time and the buzzer sound output time, but it is negligible in measurement.

次に、本発明の眼球運動計測方法について説明する。
本発明の眼球運動計測方法は、下記a)〜e)を備える。
a)指標をディスプレイ上に表示する指標表示ステップ
b)少なくとも指標を表示した時点から所定時間経過するまで、被検体の眼球を撮影して眼球画像を取得する眼球撮影ステップ
c)撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する黒目領域検出ステップ
d)画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する眼球動作終了算出ステップ
e)指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する初動時間算定ステップ
Next, the eye movement measurement method of the present invention will be described.
The eye movement measurement method of the present invention includes the following a) to e).
a) An index display step for displaying an index on a display b) An eyeball imaging step for acquiring an eyeball image by capturing the eyeball of a subject until at least a predetermined time has elapsed from the time when the index is displayed c) Black eye area detection step for detecting a black eye area in an image frame d) Eye movement end calculation step for calculating an eye movement end time by binarizing and clustering the differential value of the movement amount of the black eye area between image frames e) Index Initial movement time calculation step for calculating the time difference between the display time and the end of eye movement as the initial movement time of eye movement

本発明の眼球運動計測方法は、眼球動作終了算出ステップにおいて、黒目領域の移動量の微分値の絶対値が、黒目動作開始時点から黒目動作終了時点までが大きく、黒目動作開始以前および黒目動作終了後が小さいことから、大小2つのクラスを時系列に3つに分ける閾値を算定する際に、大小2つのクラスのクラス間分散を算出し、分散が最大になるように閾値を最適化し、黒目動作終了時点を算出することが好ましい。   In the eye movement measurement method of the present invention, in the eye movement end calculation step, the absolute value of the differential value of the movement amount of the black eye region is large from the start of the black eye movement to the end of the black eye movement, and before the black eye movement start and the black eye movement end. Since the latter is small, when calculating the threshold to divide the two large and small classes into three in time series, the variance between the classes of the large and small classes is calculated, the threshold is optimized so that the variance is maximized, It is preferable to calculate the operation end point.

本発明の眼球運動計測方法において、黒目領域の移動量は、目の特徴点を基準座標とする重心座標系における黒目重心座標の移動量であることが好ましい。
また、黒目領域の移動量は、水平方向の黒目領域の移動量のみを用いることが好ましい。
In the eye movement measurement method of the present invention, the movement amount of the black eye region is preferably the movement amount of the black eye centroid coordinates in the centroid coordinate system using the eye feature points as reference coordinates.
Further, it is preferable to use only the movement amount of the black eye region in the horizontal direction as the movement amount of the black eye region.

本発明の眼球運動計測方法には、指標表示ステップと同期して、指標を表示するタイミングを被験体に知らせるための視覚、聴覚、或は触覚を刺激する注意喚起ステップが更に備えられたことが好ましい。注意喚起ステップは、具体的には、指標表示ステップと同期してブザー音を出力する。   The eye movement measurement method of the present invention further includes a warning step for stimulating visual, auditory, or tactile sensation to inform the subject of the timing for displaying the index in synchronization with the index display step. preferable. Specifically, the alerting step outputs a buzzer sound in synchronization with the index display step.

本発明の眼球運動計測プログラムは、上述の眼球運動計測方法の各ステップa)〜e)を、コンピュータに実行させるプログラムである。
また、本発明の眼球運動計測装置は、上記の眼球運動計測プログラムが搭載されたコンピュータおよびディスプレイを備える。
The eye movement measurement program of the present invention is a program that causes a computer to execute the steps a) to e) of the above-described eye movement measurement method.
Moreover, the eye movement measurement apparatus of this invention is equipped with the computer and display which mounted said eye movement measurement program.

本発明の脳機能障害スクリーニング方法は、上述の眼球運動計測方法における各ステップと、脳機能障害を判定する判定ステップとを備える。
また、本発明の脳機能障害スクリーニング装置は、上述の眼球運動計測装置と、脳機能障害を判定する判定手段とを備える。
認知症の視線への影響については様々な研究が行われており、実際に、認知症患者は健常者に比べ、眼球運動の初動時間の延長が報告されている。このことから、眼球運動の初動時間の測定により認知症の早期発見の可能性があり、上述の眼球運動計測方法は、脳機能障害スクリーニング方法として用いることができるのである。ここで、脳機能障害を判定する判定ステップは、例えば、眼球運動の初動時間が所定閾値時間を超える場合に、脳機能障害の可能性があることを判定することである。或は、視覚認識時間の遅れ、内外直筋切り替え時間の延長、追従時の最高速度の低下、追従ゲインの低下、キャッチアップサッケード(移動する物体を目で追いかけるときに起こる眼球運動で、遅延などにより追従しきれなかったとき反射的にジャンプし移動物体に追いつく眼球運動)の増加、注視時のサッケード回数の増加、サッケード振幅の低下などの計測結果を総合して、脳機能障害を判定することもできる。
The brain dysfunction screening method of the present invention comprises the steps in the above-described eye movement measurement method and a determination step for determining brain dysfunction.
The brain dysfunction screening apparatus of the present invention includes the above-described eye movement measurement device and a determination unit that determines brain dysfunction.
Various studies have been conducted on the effects of dementia on gaze. Actually, patients with dementia have been reported to extend the initial movement time of eye movements compared to healthy individuals. From this, there is a possibility of early detection of dementia by measuring the initial movement time of eye movement, and the above-described eye movement measurement method can be used as a brain dysfunction screening method. Here, the determination step of determining the brain dysfunction is to determine that there is a possibility of cerebral dysfunction when, for example, the initial movement time of the eye movement exceeds a predetermined threshold time. Or delay in visual recognition time, extension of internal / external rectus muscle switching time, decrease in maximum speed during tracking, decrease in tracking gain, catch-up saccade (eye movement that occurs when chasing moving objects with eyes, delay, etc. Judgment of cerebral dysfunction by combining measurement results such as an increase in eye movement that reflexively jumps and catches up with moving objects when it cannot be tracked, an increase in the number of saccades during gaze, and a decrease in saccade amplitude You can also.

本発明の眼球運動計測方法および計測システムによれば、低画素のカメラで撮影された画像、又はカメラが黒目を接写してないような粗い画像からでも、眼球運動の初動時間が検出できるといった効果がある。そのため、ネットワークを介したビデオ通話を行っている状態のビデオ画像を用いて、認知症の早期発見が期待できる。   According to the eye movement measurement method and measurement system of the present invention, it is possible to detect the initial movement time of the eye movement even from an image taken with a low pixel camera or a rough image in which the camera is not close-up. There is. Therefore, early detection of dementia can be expected using a video image in a state where a video call is made via a network.

初動時間の説明図Illustration of initial action time 眼の筋肉構造の説明図であり、(1)は正面図、(2)は左側面図、(3)は移動方向と関与する筋肉の相関図を示している。It is explanatory drawing of the muscular structure of an eye, (1) is a front view, (2) is a left view, (3) has shown the correlation diagram of the muscle which is related to a moving direction. 眼球運動計測方法のフロー図1Flow diagram of eye movement measurement method 1 黒目重心座標の説明図Explanatory diagram of black eye center of gravity coordinates 初動時間の計算方法であり、(1)は区間内の眼球移動、(2)は区間内の微分値を示している。It is a calculation method of initial movement time, (1) shows the eyeball movement in the section, and (2) shows the differential value in the section. 評価実験1の実験結果であり、(1)は初動時間の誤差値、(2)は初動時間の測定値を示している。It is an experimental result of evaluation experiment 1, (1) has shown the error value of initial motion time, (2) has shown the measured value of initial motion time. 評価実験2の実験結果であり、(1)は初動時間の誤差値、(2)は初動時間の測定値、(3)は初動時間の外れ値を除いた初動時間の誤差値を示している。It is an experimental result of the evaluation experiment 2, (1) shows the error value of the initial movement time, (2) shows the measured value of the initial movement time, and (3) shows the error value of the initial movement time excluding the outlier of the initial movement time. . 視標追従実験のイメージ図であり、(1)は視標表示前、(2)は視標表示後を示している。It is an image figure of an optotype following experiment, (1) shows before an optotype display, and (2) shows after an optotype display. 眼球運動計測装置の機能ブロック図Functional block diagram of eye movement measurement device 眼球運動計測方法のフロー図2Flow diagram of eye movement measurement method 2

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.

まず、眼球運動計測装置の一態様について説明する。図9は、眼球運動計測装置の機能ブロック図を示している。
図9に示すように、眼球運動計測装置は、ディスプレイ1、指標表示手段6、眼球撮影手段7、黒目領域検出手段8、眼球動作終了算出手段9、初動時間算定手段10および注意喚起手段11から構成される。指標表示手段6によってディスプレイ1上に指標が表示される。注意喚起手段11は、具体的にはブザー音出力装置12であり、ブザー音を出力して被験者に注意喚起する。眼球撮影手段7は、指標表示手段6によって表示された指標を見る被験者の眼球をビデオ撮影する。黒目領域検出手段8は、撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する。眼球動作終了算出手段9は、画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する。初動時間算定手段10は、指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する。
First, an aspect of the eye movement measurement device will be described. FIG. 9 shows a functional block diagram of the eye movement measuring apparatus.
As shown in FIG. 9, the eye movement measurement device includes a display 1, an index display unit 6, an eyeball photographing unit 7, a black eye region detection unit 8, an eye movement end calculation unit 9, an initial movement time calculation unit 10, and an attention drawing unit 11. Composed. An index is displayed on the display 1 by the index display means 6. The alerting means 11 is specifically a buzzer sound output device 12 and outputs a buzzer sound to alert the subject. The eyeball photographing means 7 takes a video of the eyeball of the subject who sees the index displayed by the index display means 6. The black eye area detection means 8 detects a black eye area in each image frame within the imaging time. The eye movement end calculation means 9 calculates the eye movement end time by binarizing and clustering the differential value of the movement amount of the black eye region between image frames. The initial movement time calculation means 10 calculates a time difference between the index display time and the eye movement end time as the initial movement time of the eye movement.

次に、眼球運動計測方法について説明する。
眼球運動は大きく分けると衝動性眼球運動と滑動性眼球運動に分けることができる。衝動性眼球運動はサッケードと呼ばれる、人間が随意的に見ようとする所に注視点を切り替えるときに見られる高速な眼球運動である。滑動性眼球運動は移動する物体を目で追いかけるときに起こる運動で、視野の発達した霊長類特有の運動である。
Next, an eye movement measurement method will be described.
Eye movements can be broadly divided into impulse eye movements and sliding eye movements. The impulsive eye movement is a high-speed eye movement called saccade, which is seen when a gazing point is switched to a place where a person is willing to watch. Sliding eye movement is a movement that occurs when a moving object is chased by the eye, and is unique to primates with a developed visual field.

図1は、初動時間の説明図を示している。
ここでは、視標が現れ移動するときの映像を撮影しているので、動画中の視標が現れている区間では図1に示すように、ある所を注視し一定になっていた黒目重心座標が、tで視標が現れたときに少し遅れて移動を始め、視標を捉えたところで一定になる。このときの、視標が現れてから目が視標を捉え動きがなくなるまでを眼球運動の初動時間とした。
FIG. 1 shows an explanatory diagram of the initial movement time.
Here, since the image of the target appears and moves is captured, as shown in FIG. 1, in the section where the target appears in the moving image, the center of gravity coordinates of the black eye, which has been kept constant as shown in FIG. However, when the target appears at t 0 , the movement starts with a slight delay and becomes constant when the target is captured. At this time, the time from the appearance of the visual target until the eye catches the visual target and stops moving is defined as the initial movement time of the eye movement.

図8は、視標追従実験のイメージ図であり、(1)は視標表示前、(2)は視標表示後を示している。図8(1)に示すように、視標表示前においては、ディスプレイ1上には視標2は現れておらず、図8(2)に示すように、視標表示後においては、ディスプレイ1上には視標2が現れている。視標2が現れてから少し遅れて黒目重心座標が移動を始め、視標2を捉えたところで一定になる。   FIG. 8 is an image diagram of the target tracking experiment, where (1) shows before the target display and (2) shows after the target display. As shown in FIG. 8 (1), the target 2 does not appear on the display 1 before the target is displayed. As shown in FIG. 8 (2), the target 1 is displayed after the target is displayed. The target 2 appears above. The black-eye center-of-gravity coordinates start moving a little after the optotype 2 appears, and becomes constant when the optotype 2 is captured.

図2は、眼の筋肉構造の説明図であり、(1)は正面図、(2)は左側面図、(3)は移動方向と関与する筋肉の相関図を示している。
図2に示すように、人の眼球を水平方向に移動させる場合は、内側直筋と外側直筋を滑車のように動かす。これに対して、人の眼球を垂直方向に移動させる場合は、上直筋と下直筋を滑車のように動かす。これらの筋肉を支配している運動神経の上位中枢は、衝動性眼球運動では前頭葉に位置し、滑動性眼球運動では後頭葉に位置しており、認知症では前頭葉、後頭葉などが委縮する。また、高齢者の場合、まぶたの筋肉が衰え、目を開いている状態でも黒目の露出が著しく小さいため、垂直方向の眼球運動を計測することは難しい。以上より、計測に当たっては、水平方向のみの眼球運動を計測する。
2A and 2B are explanatory diagrams of the muscular structure of the eye, in which (1) is a front view, (2) is a left side view, and (3) is a correlation diagram of the muscles involved in the moving direction.
As shown in FIG. 2, when moving the human eyeball in the horizontal direction, the inner and outer rectus muscles are moved like a pulley. On the other hand, when moving the human eyeball in the vertical direction, the upper and lower rectus muscles are moved like a pulley. The upper centers of motor nerves that control these muscles are located in the frontal lobe in impulsive eye movements, in the occipital lobe in sliding eye movements, and in frontal and occipital lobes in dementia. In addition, in the case of elderly people, it is difficult to measure the eye movement in the vertical direction because the eyelid muscles weaken and the exposure of black eyes is extremely small even when the eyes are open. From the above, in the measurement, the eye movement only in the horizontal direction is measured.

図3は、眼球運動計測方法のフロー図を示している。
図3に示すように、眼球運動計測方法は大きく3段階に分けられ、撮影した動画を入力とするバッチ処理である。まず、基準点となる目の端の座標の検出や映像中での黒目座標を検出するために目領域をクロップする特徴点検出(Process1)、次にクロップした目の画像から映像中での黒目座標を検出する黒目検出(Process2)、そして得られた黒目重心座標から初動時間を計測する眼球運動機能特徴量計測(Process3)の3つからなる。
FIG. 3 shows a flowchart of the eye movement measurement method.
As shown in FIG. 3, the eye movement measurement method is roughly divided into three stages, and is a batch process in which a captured moving image is input. First, detection of the coordinates of the eye edge serving as a reference point and feature point detection (Process 1) for cropping the eye region in order to detect black eye coordinates in the video, and then the black eye in the video from the cropped eye image It consists of three parts: black eye detection (Process 2) for detecting coordinates, and eye movement function feature quantity measurement (Process 3) for measuring initial movement time from the obtained black eye barycentric coordinates.

まず、被検体の顔をビデオで撮影した動画像を入力する。先ず、Process1において、撮影したフレーム画像から顔検出を行い(S01)、顔の中の目や鼻などといった特徴点を検出する(S02)。そして、誤検出処理を行い(S03)、スムージング処理を行う(S04)。各フレーム画像からクロップ(切り出し)した目のクロップ画像群を取得する(S05)。また一方で、検出された目の特徴点座標を出力する(S06)。次に、Process2では、目のクロップ画像群の各画像から黒目検出を行い(S07)、黒目座標を検出する(S08)。そして、Process2で検出された黒目座標と、Process1で得られた特徴点座標から、Process3で眼球運動の初動時間について算定する。算定した眼球運動の初動時間は、眼球機能特徴量となる。   First, a moving image obtained by taking a video of the subject's face is input. First, in Process 1, face detection is performed from the captured frame image (S01), and feature points such as eyes and nose in the face are detected (S02). Then, an erroneous detection process is performed (S03), and a smoothing process is performed (S04). A crop image group of eyes cropped from each frame image is acquired (S05). On the other hand, the detected feature point coordinates of the eyes are output (S06). Next, in Process 2, black eye detection is performed from each image of the eye crop image group (S07), and black eye coordinates are detected (S08). Then, the initial movement time of eye movement is calculated in Process 3 from the black eye coordinates detected in Process 2 and the feature point coordinates obtained in Process 1. The calculated initial movement time of the eye movement is an eyeball function feature amount.

Process1において、特徴点を検出(S02)するために、顔の中の目や鼻などといった特徴点をモデル化し検出するASM(Active Shape Model)という手法を用いて特徴点の検出を行った。
ASMは、顔の大まかな位置を与えないと特徴点をうまく検出できないので、画像中から顔検出器により顔検出を行った後、ASMを適用する。また、黒目重心座標をASMで得られた目の端の座標との相対位置で求めるため、ASMの検出誤差によりサッケードなどが誤検出される可能性がある。そこで、動画内の全フレームについて前後一定数のフレームの特徴点の座標を用いて移動平均によりスムージング処理を行う。
以上のようにして、基準点となる目の端の座標の検出と、目領域をクロップするための特徴点検出が行われる。
In Process 1, in order to detect feature points (S02), feature points were detected using a technique called ASM (Active Shape Model) that models and detects feature points such as eyes and noses in the face.
Since ASM cannot detect feature points well unless a rough position of the face is given, ASM is applied after performing face detection from the image with a face detector. Further, since the black-eye center-of-gravity coordinates are obtained by a relative position to the coordinates of the eye end obtained by ASM, there is a possibility that saccades and the like are erroneously detected due to ASM detection errors. Therefore, smoothing processing is performed by moving average using the coordinates of feature points of a certain number of frames before and after all frames in the moving image.
As described above, the detection of the coordinates of the edge of the eye serving as the reference point and the detection of the feature point for cropping the eye region are performed.

Process2において、黒目検出は以下の方法により行う。
まず、目の周辺をクロップした画像を入力とし、ノイズ除去などの前処理を行った後、睫毛や皺などの影響を避けるためスムージング処理を行う。その後、円形当てはめにより黒目を検出し、瞼検出などの後処理を行う。
In Process 2, black eye detection is performed by the following method.
First, an image obtained by cropping the periphery of the eye is input, and after performing preprocessing such as noise removal, smoothing processing is performed to avoid the influence of eyelashes and wrinkles. Thereafter, black eyes are detected by circular fitting, and post-processing such as wrinkle detection is performed.

Process3において、初動時間の計算は、黒目重心座標の時系列変化に基づいて計算する。以下、黒目重心座標の求め方について説明する。
眼球が動くということは黒目が動くということなので、映像から眼球の動きを検出するためには黒目の動きを計測する必要がある。計測時間は短時間であり、また、被験者は視標を注視して計測を行うため、計測期間において顔の向きの変更など大きな顔の動きはないが、実際には小さな顔の動きが存在するため、単純に映像中における黒目の座標を求めただけでは、顔の微小な動きなどにより眼球運動特徴量が誤検出されてしまう。そこで、映像中の座標における黒目の座標をそのまま用いるのではなく、微小な顔の動きによって黒目との位置関係の変化しない基準点を設ける。
In Process 3, the initial motion time is calculated based on the time series change of the black eye centroid coordinates. Hereinafter, a method for obtaining the center of gravity coordinates of the black eye will be described.
Since the movement of the eyeball means the movement of the black eye, it is necessary to measure the movement of the black eye in order to detect the movement of the eyeball from the video. The measurement time is short, and the subject gazes at the target and performs the measurement, so there is no large facial movement such as a change of face orientation during the measurement period, but there is actually a small facial movement Therefore, if the coordinates of the black eye in the video are simply obtained, the eye movement feature amount is erroneously detected due to the minute movement of the face. Therefore, instead of using the coordinates of the black eye in the coordinates in the video as they are, a reference point is provided in which the positional relationship with the black eye does not change due to a minute facial movement.

図10は、眼球運動計測方法のフロー図を示している。先ず、指標をディスプレイ上に表示する(指標表示ステップ;S11)。指標を表示した時点から所定時間経過するまで、被検体の眼球を撮影して眼球画像を取得する(眼球撮影ステップ;S12)。また、撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する(黒目領域検出ステップ;S13)。そして、画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングして、眼球動作終了時点を算出する(眼球動作終了算出ステップ;S14)。最後に、指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する(初動時間算定ステップ;S15)。   FIG. 10 shows a flowchart of the eye movement measurement method. First, an index is displayed on the display (index display step; S11). The eyeball image of the subject is photographed to obtain an eyeball image until a predetermined time has elapsed from the time when the index is displayed (eyeball photographing step; S12). Further, a black eye area in each image frame within the imaging time is detected (black eye area detection step; S13). Then, the differential value of the movement amount of the black eye region between the image frames is binarized and clustered to calculate the eyeball motion end time (eyeball motion end calculation step; S14). Finally, the time difference between the index display time and the eye movement end time is calculated as the initial movement time of the eye movement (initial movement time calculation step; S15).

図4は、黒目重心座標の説明図を示している。図4に示すように、目3の内側端部3bの座標を基準点としている。目3の外側端部3aではなく、内側端部3bの座標を基準点とするのは、より誤差が生じ難いからである。そして、黒目4の中心と目3の内側端部3bの座標との距離を黒目重心座標5として、眼球運動機能特徴量の計測に用いる。   FIG. 4 is an explanatory diagram of the black-eye centroid coordinates. As shown in FIG. 4, the coordinates of the inner end 3b of the eye 3 are used as a reference point. The reason why the coordinates of the inner end 3b instead of the outer end 3a of the eye 3 are used as reference points is that errors are less likely to occur. Then, the distance between the center of the black eye 4 and the coordinate of the inner end 3b of the eye 3 is used as the black eye center-of-gravity coordinate 5 for measurement of the eye movement function feature amount.

初動時間とは、物体が動いてから目が物体を捉えて止まるまでの時間をいう。したがって、初動時間の計算は、黒目重心座標の時系列変化から目が動いて止まる時間を求めればよいといえる。
しかし、黒目重心が一定になった点を求める方法では、黒目重心座標にはノイズなどが含まれており、計測する衝動性眼球運動はごく短い時間で起こるため、ノイズと混じり、うまく検出することができない。
The initial movement time is the time from when an object moves to when the eye catches the object and stops. Therefore, it can be said that the initial movement time may be calculated by calculating the time when the eye stops moving from the time-series change of the black eye centroid coordinates.
However, in the method of finding the point where the center of gravity of the black eye is constant, the coordinates of the center of gravity of the black eye include noise, etc., and the impulsive eye movement to be measured occurs in a very short time. I can't.

そこで、以下の初動時間の計算方法を用いる。図5は、初動時間の計算方法であり、(1)は区間内の眼球移動を表し、横軸は時間、縦軸は黒目重心座標を示している。また、(2)は区間内の微分値を表し、横軸は時間、縦軸は黒目重心座標の微分値を示している。
図5(1)に示すように、計測区間内での眼球移動は静止、移動、静止と変化する。このとき、黒目重心座標の微分値の絶対値は小、大、小と変化するので、図5(2)に示すように、区間内を微分値の小さいクラスと大きいクラスの2つに分けることができる。
Therefore, the following initial movement time calculation method is used. FIG. 5 shows a calculation method of the initial movement time, where (1) represents eye movement within the section, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents black eye barycentric coordinates. Further, (2) represents a differential value in the section, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the differential value of the black-eye centroid coordinates.
As shown in FIG. 5 (1), the eyeball movement within the measurement section changes between stationary, moving, and stationary. At this time, the absolute value of the differential value of the center of gravity coordinates of the black eye changes as small, large, and small. Therefore, as shown in FIG. 5 (2), the section is divided into two classes, a class having a small differential value and a class having a large differential value. Can do.

ここで、図5(1)および(2)に示すように、黒目の動き始めた時間tbeginと黒目が動き終わった時間tendを、2つのクラスを3つに分ける閾値として、判別分析による画像の2値化のように下記数1で表される2つのクラスのクラス間分散を求め、これが最大になるように2つの閾値を最適化することで眼球の動き終わった時間(眼球動作終了時点)が求まり、視標の現れた時間(指標表示時点)との差を求めることで眼球運動の初動時間が求まる。クラス間分散σは、黒目重心座標をx、微分値が小さいクラスのフレーム数をωlow、微分値の平均をmlow、微分値が大きいクラスのフレーム数をωhigh、微分値の平均をmhighとすると、それぞれ下記数1のように表される(式1中、nは定数である)。 Here, as shown in FIG. 5 (1) and (2), the time t end time t the begin and iris began motion of the iris has finished the motion, as a threshold for separating the two classes into three, by discriminant analysis Like the binarization of the image, the variance between the two classes represented by the following formula 1 is obtained, and the two threshold values are optimized so that this is maximized. Time), and the initial movement time of the eye movement is obtained by calculating the difference from the time when the target appears (index display time). The interclass variance σ 2 is x for the center of gravity coordinates of the black eye, ω low for the number of frames of the class with a small differential value, m low for the average of the differential value, ω high for the number of frames of the class with a large differential value, and the average of the differential value. Assuming m high , each is represented by the following formula 1 (in formula 1, n is a constant).

(評価実験1)
被験者は健常な20代の男性13名、女性3名を対象とした。実験場所は静かな密室で、実験に使用する端末以外に注意を引くものがない環境で行った。
また、被験者のうち眼鏡を常用している人は6人で、可能であれば眼鏡を外した状態で測定を行った。
(Evaluation Experiment 1)
The subjects were 13 healthy men in their 20s and 3 women. The experiment was conducted in a quiet closed room where there was nothing to draw attention other than the terminal used for the experiment.
In addition, among the subjects, there were six people who regularly used glasses, and measurements were performed with the glasses removed if possible.

実験内容としては、視標追従実験を行った。具体的には、まず、被験者にタブレット端末の前に座ってもらい、画面を見てもらう。このとき、画面上には黒い円の画像が表示されており、これが画面の端から端へ移動するので、目で追いかけるように指示した。このときの被験者の顔を、タブレット端末のカメラで撮影した。なお、この実験では黒い円が見えれば良く、眼鏡の反射等による計測エラーを防ぐため、実験中は可能であれば眼鏡を外した状態で計測を行い、眼鏡を着用して実験を行ったのは2名であった。   As an experiment content, a target tracking experiment was conducted. Specifically, first, ask the subject to sit in front of the tablet terminal and look at the screen. At this time, an image of a black circle is displayed on the screen, and this moves from end to end of the screen. The face of the subject at this time was photographed with the camera of the tablet terminal. In this experiment, it was only necessary to see a black circle, and in order to prevent measurement errors due to reflection of glasses, etc., during the experiment, measurements were taken with glasses removed if possible, and experiments were performed with glasses worn. There were two people.

顔の位置は、画面から210mmに設定した。また、視標速度は、2種類設け、2.6pixel/フレームのものをSlow、5.2pixel/フレームのものをFastとして実験を行った。なお、画面描画は60fpsである。一度視標が消え、現れてから移動し終わるまでを1シーケンスとすると、Slowでは1被験者当たり7シーケンスの撮影を行い、Fastでは視標の移動時間を統一するため14シーケンスの撮影を行った。   The face position was set to 210 mm from the screen. In addition, two types of target speeds were provided, and the experiment was performed with 2.6 pixels / frame as Slow and 5.2 pixels / frame as Fast. The screen drawing is 60 fps. Assuming that one target is from the disappearance of the target once to the end of the movement, one sequence is taken in Slow, and 14 sequences are taken in Fast to unify the moving time of the target.

図6は、評価実験1の実験結果であり、(1)は初動時間の誤差値、(2)は初動時間の測定値を示している。
図6(2)から、眼球運動の初動時間は視標速度にかかわらず一定で約0.3秒程度である。また、図6(1)に示すように、誤差は1フレーム(0.033秒)未満となっている。認知症患者と健常者を判別するのに必要な精度は、非特許文献1によると誤差値0.065秒以下であればよいので、本評価実験の実験結果は十分な精度が得られたといえる。
FIG. 6 shows the experimental results of the evaluation experiment 1, where (1) shows the error value of the initial movement time, and (2) shows the measurement value of the initial movement time.
From FIG. 6B, the initial movement time of the eye movement is constant and is about 0.3 seconds regardless of the target speed. Further, as shown in FIG. 6A, the error is less than one frame (0.033 seconds). According to Non-Patent Document 1, the accuracy required to discriminate between a dementia patient and a healthy person may be 0.065 seconds or less, so it can be said that the accuracy of the experimental results of this evaluation experiment was obtained. .

(評価実験2)
被験者は健常な20代の男性13名、女性3名を対象とした。実験場所は静かな密室で、実験に使用する端末以外に注意を引くものがない環境で行った。
また、被験者のうち眼鏡を常用している人は6人で、眼鏡を着用した状態で測定を行った。なお、その他特に記載しない条件については、評価実験1と同様である。
(Evaluation Experiment 2)
The subjects were 13 healthy men in their 20s and 3 women. The experiment was conducted in a quiet closed room where there was nothing to draw attention other than the terminal used for the experiment.
In addition, among the test subjects, there were six people who regularly used glasses, and the measurement was performed while wearing glasses. Other conditions that are not particularly described are the same as those in the evaluation experiment 1.

実験内容としては、日常的に使うことを想定した実験を行った。日常的を想定した評価実験では、スマートフォンのニュースアプリのプッシュ通知のように、メール、ニュースなど受信した情報を画面上にポップアップで表示するアプリを使用している場面を想定し、受信しポップアップ表示された興味のあるニュースを実際に読むという実験を行った。また、選んだニュースについては実験日に公表されたニュースのうち、政治、信仰など読み手によって著しく興味に差が出るものは避け、被験者と同年代がある程度の興味を持って読めるものを選んだ。   The experiment was conducted assuming that it was used daily. In an evaluation experiment that assumes daily use, it is assumed that you are using an application that displays received information such as e-mail and news in a pop-up on the screen, such as push notification of a news application on a smartphone. An experiment was conducted to actually read the news of interest. For the selected news, the news published on the experimental day was selected so that it could be read with a certain degree of interest in the same age as the test subject, avoiding those that differed greatly in interest by readers such as politics and faith.

具体的な実験内容は、評価実験1と同様に被験者にタブレット端末の前に座ってもらい、ディスプレイに表示される画面を見てもらう。このとき、画面上にはWebサイトの天気予報がブラウザで表示されている。一定時間の経過後、画面の端に別のニュースのタイトルがポップアップ表示されるので、ポップアップをタップしてもらう。タップすると、画面にそのニュースが表示されるので、表示されたニュースを読んでもらうよう指示した。このときの被験者の顔を、タブレット端末のカメラで撮影した。
なお、本評価実験では、文章を読む必要があり、日常生活で使用することを想定しているため、普段眼鏡を着用している6名の被験者については、眼鏡を着用したまま計測を行った。撮影は、各被験者につき1シーケンスだけ行った。
Specifically, as in the evaluation experiment 1, the test subject asks the subject to sit in front of the tablet terminal and see the screen displayed on the display. At this time, the weather forecast of the website is displayed on the screen by the browser. After a certain period of time, another news title pops up on the edge of the screen, so you have to tap the pop-up. When you tap it, the news will be displayed on the screen, so I asked you to read the displayed news. The face of the subject at this time was photographed with the camera of the tablet terminal.
In addition, in this evaluation experiment, it is necessary to read the text and it is assumed that it will be used in daily life. Therefore, for the six subjects who usually wear spectacles, measurements were performed while wearing spectacles. . Only one sequence was taken for each subject.

図7は、評価実験2の実験結果であり、(1)は初動時間の誤差値、(2)は初動時間の測定値、(3)は初動時間の外れ値を除いた初動時間の誤差値を示している。
図7(1)に示すように、初動時間について、誤差0.19秒の精度で計測され、評価実験1よりも精度が低くなっている。しかし、実験結果は分散が大きく、一部の被験者のみ誤差が大きくなる傾向がみられた。また、図7(2)に示すように、一部の被験者で初動時間が著しく大きくなっていることがわかる。これらのことから、図7(3)では、初動時間の正解ラベルが中央値+50%の範囲より初動時間が長いものを除いて誤差値を求めたものを示している。図7(3)に示すように、極端に初動時間が大きいものを除くと誤差値0.064秒で求められ、十分な精度で求まる。評価実験1では、被験者は画面上の視標を見ており、視標が動けばすぐにそれに追従する。しかし、評価実験2では、被験者は最初自由にものを見ているため、別のものに注目していたり、目を動かしていたりなどの理由で、反応が遅れるからである。
FIG. 7 shows the experimental results of Evaluation Experiment 2, where (1) is the error value of the initial movement time, (2) is the measured value of the initial movement time, and (3) is the error value of the initial movement time excluding the outliers of the initial movement time. Is shown.
As shown in FIG. 7 (1), the initial movement time is measured with an accuracy of 0.19 seconds, and the accuracy is lower than that of the evaluation experiment 1. However, the experimental results showed a large variance and only some subjects tended to have large errors. Moreover, as shown in FIG. 7 (2), it can be seen that the initial movement time is remarkably increased in some subjects. From these facts, FIG. 7 (3) shows the error value obtained except for the case where the correct label of the initial motion time is longer than the median + 50% range. As shown in FIG. 7 (3), if an extremely large initial movement time is excluded, the error value can be obtained with 0.064 seconds and can be obtained with sufficient accuracy. In the evaluation experiment 1, the subject looks at the target on the screen, and immediately follows the target if the target moves. However, in the evaluation experiment 2, since the subject looks at the object freely at first, the reaction is delayed because of focusing on another object or moving the eyes.

本発明は、認知症の検出、鬱による認知機能能の低下、眼球やその周りの筋肉の病気の存在、脳機能の損傷などのスクリーニング装置や方法に利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in screening apparatuses and methods for detecting dementia, reducing cognitive function ability due to depression, the presence of diseases of the eyeball and surrounding muscles, and brain function damage.

1 ディスプレイ
2 視標
3 目
3a 外側端部
3b 内側端部
4 黒目
5 黒目重心座標
6 指標表示手段
7 眼球撮影手段
8 黒目領域検出手段
9 眼球動作終了算出手段
10 初動時間算定手段
11 注意喚起手段
12 ブザー音出力装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Display 2 Target 3 Eye 3a Outer edge part 3b Inner edge part 4 Black eye 5 Black eye center-of-gravity coordinate 6 Index display means 7 Eyeball imaging means 8 Black eye area detection means 9 Eyeball movement end calculation means 10 Initial motion time calculation means 11 Attention means 12 Buzzer sound output device

Claims (16)

指標をディスプレイ上に表示する指標表示手段と、
少なくとも指標を表示した時点から所定時間経過するまで、被検体の眼球を撮影して眼球画像を取得する眼球撮影手段と、 撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する黒目領域検出手段と、 画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する眼球動作終了算出手段と、 指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する初動時間算定手段と、を備えたことを特徴とする眼球運動計測装置。
An indicator display means for displaying the indicator on the display;
Eyeball photographing means for photographing an eyeball of a subject and acquiring an eyeball image until at least a predetermined time has elapsed from the time when the index is displayed; a black eye area detecting means for detecting a black eye area in each image frame within the imaging time; By performing binarization clustering on the differential value of the amount of movement of the black eye region between image frames, eye movement end calculation means for calculating the eye movement end time, and the time difference between the index display time and the eye movement end time An eye movement measuring device comprising: initial movement time calculating means for calculating the initial movement time of the first movement time.
眼球動作終了算出手段において、
黒目領域の移動量の微分値の絶対値が、黒目動作開始時点から黒目動作終了時点までが大きく、黒目動作開始以前および黒目動作終了後が小さいことから、大小2つのクラスを時系列に3つに分ける閾値を算定する際に、大小2つのクラスのクラス間分散を算出し、分散が最大になるように前記閾値を最適化し、黒目動作終了時点を算出することを特徴とする請求項1に記載の眼球運動計測装置。
In the eye movement end calculation means,
Since the absolute value of the differential value of the movement amount of the black eye region is large from the start time of the black eye operation to the end time of the black eye operation, and small before the start of the black eye operation and after the end of the black eye operation, three large and small classes in time series When calculating the threshold value to be divided into two, the variance between classes of two large and small classes is calculated, the threshold value is optimized so as to maximize the variance, and the black eye movement end point is calculated. The eye movement measuring device described.
黒目領域の移動量は、目の特徴点を基準座標とする重心座標系における黒目重心座標の移動量であることを特徴とする請求項1又は2に記載の眼球運動計測装置。   The eye movement measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the movement amount of the black eye region is a movement amount of the black eye barycentric coordinate in the barycentric coordinate system having the eye feature point as a reference coordinate. 黒目領域の移動量は、水平方向の黒目領域の移動量のみを用いることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の眼球運動計測装置。   The eye movement measurement apparatus according to claim 1, wherein only the movement amount of the black eye region in the horizontal direction is used as the movement amount of the black eye region. 前記指標を表示するタイミングを被験体に知らせるための視覚、聴覚、或は触覚を刺激する注意喚起手段が更に備えられたことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の眼球運動計測装置。   The eye movement measurement according to any one of claims 1 to 4, further comprising an alerting means for stimulating visual, auditory, or tactile sensation for informing a subject of timing for displaying the indicator. apparatus. 前記注意喚起手段は、指標表示手段と同期するブザー音出力装置であることを特徴とする請求項5に記載の眼球運動計測装置。   6. The eye movement measuring device according to claim 5, wherein the alerting means is a buzzer sound output device synchronized with the indicator display means. 指標をディスプレイ上に表示する指標表示ステップと、
少なくとも指標を表示した時点から所定時間経過するまで、被検体の眼球を撮影して眼球画像を取得する眼球撮影ステップと、 撮像時間内の各画像フレームにおける黒目領域を検出する黒目領域検出ステップと、 画像フレーム間における黒目領域の移動量の微分値を二値化クラスタリングすることにより、眼球動作終了時点を算出する眼球動作終了算出ステップと、 指標表示時点と眼球動作終了時点との時間差を、眼球運動の初動時間として算定する初動時間算定ステップと、を備えたことを特徴とする眼球運動計測方法。
An indicator display step for displaying the indicator on the display;
An eyeball photographing step of capturing an eyeball image by capturing the eyeball of the subject until at least a predetermined time has elapsed from the time when the index is displayed; a black eye region detecting step of detecting a black eye region in each image frame within the imaging time; By performing binarization clustering on the differential value of the movement amount of the black eye region between image frames, the eye movement end calculation step for calculating the eye movement end time, and the time difference between the index display time and the eye movement end time An eye movement measurement method comprising: an initial movement time calculating step for calculating the initial movement time of the first movement time.
眼球動作終了算出ステップにおいて、
黒目領域の移動量の微分値の絶対値が、黒目動作開始時点から黒目動作終了時点までが大きく、黒目動作開始以前および黒目動作終了後が小さいことから、大小2つのクラスを時系列に3つに分ける閾値を算定する際に、大小2つのクラスのクラス間分散を算出し、分散が最大になるように前記閾値を最適化し、黒目動作終了時点を算出することを特徴とする請求項7に記載の眼球運動計測方法。
In the eye movement end calculation step,
Since the absolute value of the differential value of the movement amount of the black eye region is large from the start time of the black eye operation to the end time of the black eye operation, and small before the start of the black eye operation and after the end of the black eye operation, three large and small classes in time series The threshold value to be divided into two types is calculated by calculating a variance between two classes of large and small classes, optimizing the threshold value so as to maximize the variance, and calculating a black eye movement end point. The eye movement measurement method described.
黒目領域の移動量は、目の特徴点を基準座標とする重心座標系における黒目重心座標の移動量であることを特徴とする請求項7又は8に記載の眼球運動計測方法。   9. The eye movement measurement method according to claim 7, wherein the movement amount of the black eye region is a movement amount of the black eye barycentric coordinate in a barycentric coordinate system having the eye feature point as a reference coordinate. 黒目領域の移動量は、水平方向の黒目領域の移動量のみを用いることを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載の眼球運動計測方法。   The eye movement measurement method according to claim 7, wherein only the movement amount of the black eye region in the horizontal direction is used as the movement amount of the black eye region. 前記指標表示ステップと同期して、前記指標を表示するタイミングを被験体に知らせるための視覚、聴覚、或は触覚を刺激する注意喚起ステップが更に備えられたことを特徴とする請求項7〜10の何れかに記載の眼球運動計測方法。   11. A reminding step for stimulating visual, auditory, or tactile sensation for notifying a subject of timing for displaying the indicator in synchronization with the indicator displaying step is further provided. The eye movement measurement method according to any one of the above. 前記注意喚起ステップは、前記指標表示ステップと同期してブザー音を出力することを特徴とする請求項11に記載の眼球運動計測方法。   The eye movement measuring method according to claim 11, wherein the alerting step outputs a buzzer sound in synchronization with the indicator displaying step. 請求項7〜12の何れかに記載の眼球運動計測方法の各ステップを、コンピュータに実行させる眼球運動計測プログラム。   The eye movement measurement program which makes a computer perform each step of the eye movement measurement method in any one of Claims 7-12. 請求項13の眼球運動計測プログラムが搭載されたコンピュータおよびディスプレイを備えた眼球運動計測装置。   An eye movement measuring apparatus comprising a computer and a display on which the eye movement measuring program according to claim 13 is mounted. 請求項7〜12の何れかに記載の眼球運動計測方法における各ステップと、
脳機能障害を判定する判定ステップと
を備えたことを特徴とする脳機能障害スクリーニング方法。
Each step in the eye movement measurement method according to any one of claims 7 to 12,
A method for screening cerebral dysfunction, comprising a determination step for determining cerebral dysfunction.
請求項1〜6,14の何れかの眼球運動計測装置と、
脳機能障害を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする脳機能障害スクリーニング装置。
The eye movement measurement device according to any one of claims 1 to 6 and 14,
Determination means for determining brain dysfunction;
A cerebral dysfunction screening apparatus comprising:
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