ANTEOJO SEGUIDOR DE DISPOSICIÓN LINEAL
Campo de la Invención La presente invención se refiere en forma general a instrumentos y cirugía oftálmica y más particularmente se refiere a sistemas, métodos y aparatos para detectar y/o rastrear la posición del ojo humano. La presente invención es particularmente útil para rastrear la posición del ojo r'urante la cirugía ocular láser, tal como la keratectomía fotorefractiva (PRK) , la keratectomía fototerapéutica (PTK) , la keratomileusis láser in si tu (LASIK) o lo similar. En una modalidad ejemplificativa, la presente invención se incorpora en un sistema de ablasión láser para modificar la distribución de la energía láser dirigida a la cornea en base la posición detectada de el ojo, durante el procedimiento ue ablasión. La capacidad para rastrear o seguir el movimiento de un tejido del paciente se reconoce como una característica altamente deseable, particularmente para utilizarse en sistemas de suministro de láser diseñados para efectuar cirugía de precisión en el delicado tejido ocular. Los movimientos del ojo a rastrearse no solo incluyen los movimientos voluntarios (los cuales pueden disminuirse con tratamiento especializado) , sino también los movimientos involuntarios que son más difíciles de controlar en un
paciente vivo. En otras palabras, aún cuando el paciente se mantiene en fijación "estable" en un objetivo visual, aún ocurre el movimiento del ojo. Este movimiento involuntario puede comprometer la eficacia de algunos procedimientos de cirugía ocular, los cuales requieren en general un porcentaje de precisión. De hecho tales movimientos involuntarios pueden ocurrir a pesar de la "inmovilización total" del ojo como las técnicas que no son completamente efectivas en la supresión del movimiento involuntario del ojo y también son más bien incómodas para el paciente. El rastreo automático - U o" o puede atenuar cualquier necesidad de esta inmovilización incomoda y puede ofrecer un método para adaptar de manera más efectiva los diferentes tipos de movimientos del ojo. En otras palabras aumentando la cirugía con el seguimiento del ojo de tiempo real puede mejorar la precisión y velocidad con la cual la cirugía láser del ojo conocida puede realizarse y también permitir nuevos procedimientos a llevarse a cabo por primera vez. Se han descrito una variedad de técnicas para el seguimiento de los movimientos del ojo. Un tipo general de técnica de seguimiento del ojo ha sido llamada "seguimiento del punto óptico." Los seguidores del punto óptico utilizan "^rios lentes similares a las propiedades del ojo para ubicar los sitios ópticamente distinguibles (por ejemplo el primero, segundo, tercero y cuarto puntos Purkinje) .
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Desafortunadamente, tales seguidores del punto óptico asumen implícitamente que el ojo se mueve como un cuerpo rígido. Ya que el ojo en realidad se flexiona durante el movimiento, los movimientos relativos transitorios de la estructura de los lentes pueden conducir a información de posición del punto óptico ficticia. Además, los sistema de L'trec de punto óptico son más bien complejos y pueden exhibir gran variabilidad entre los individuos. Otra clase de técnicas de rastreo del ojo incluyen en general correlaciones digitales y/o reconocimiento de patrón. Estas técnicas digitales requieren en general cámaras CCD de muy rápida frecuencia de imagen y algoritmos
,). cesamiento sofisticados. Estos métodos son fundamentalmente digitales y generalmente incluyen tasas de actualización de muy alta frecuencia. Como la respuesta de frecuencia de rastreo es considerablemente más lenta que la frecuencia de actualización en sistemas digitales, tienden a per relativamente lentos. Sin consideración de los métodos
Ltal-'? generalmente no proporcionan resolución continua y con frecuencia requieren mecanismos de reposicionamiento extremadamente rápidos para dejar tiempo para el procesamiento electrónico complejo dentro de un tiempo de respuesta total aceptable. Una técnica prometedora reciente para rastrear los "ímientos del ojo toma ventaja de la diferencia en las
propiedades de dispersión de la luz del iris y la esclerótica. En esta técnica, la luz se proyecta sobre la interfase iris/esclerótica o limbo y la luz dispersada se detecta mediante fotodectores para determinar la ubicación del contorno. La posición relativa de este contorno puede monitorearse entonces para rastrear la posición del ojo. Desafortunadamente, el limbo es más una zona de transición entre la cornea y la esclerótica que un contorno bien definido. Como un resultado, las técnicas que dependen de la detección del borde pueden carecer de la exactitud deseada y pueden no ser capaces de rastrear los movimientos de gran amplitud del ojo. Otra desventaja de las técnicas de rastreo de limbo conocidas es la complejidad relativa del procesamiento de señales requerida para rastrear el efecto. En otras palabras, cuando el ojo se mueve a fin de que el limbo ya no se encuentre en la posición nominal, efectuando rji realineamiento utilizando sistemas de rastreo conocidos requiere manipulaciones bastabte complejas de la señal fotodetectora para instruir apropiadamente el sistema de 1 "posicionamiento. Estas manipulaciones de señal complejas incrementan la complejidad total del sistema y también retardan el sistema. El trabajo en relación con la presente i ivencion indica que la lenta respuesta del sistema de rastreo y la menor exactitud deseable pueden ser en parte el resultado de las no proporcionalidades del sistema de
-Tstreo Aunque puede ser posible utilizar respuestas de rastreo adecuadas de rastreadores de limbo de "determinación" conocidos con fotodetectores exactamente alineados colocados ?ian-ra precisa a lo largo del borde de la interfase iris/esclerótica, proporcionando y/o manteniendo tales alineamientos, agregan componentes y complejidad al sistema adicionales, particularmente a la luz de la variabilidad de la geometría del ojo entre diferentes pacientes. A la luz de lo anterior, será deseable proporcionar i. Lspositivos, sistemas y métodos de rastreo y detección del ojo mejorados. Sería particularmente deseable si estas técnicas mejoradas mejoran los tiempos de respuesta de rastreo y la sensibilidad, pero sin el incremento significativo en costos o complejidad del mecanismo de rastreo. Sería particularmente deseable proporcionar estas
.pacic'.ades mejoradas en un sistema que sea adaptable para utilizarse en la cirugía láser del ojo para detectar y/o rastrear exactamente una variedad de movimientos del ojo del paciente . SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona dispositivos,
.stemas y métodos mejorados para detectar y en la mayoría de los casos rastrear la posición de un ojo. Las técnicas de la presente invención hacen uso en general de la diferencia en el contraste entre el blanco del ojo o esclerótica y el iris
coloreado para derivar la posición del ojo. En muchas modalidades, los fotodetectores lineales que tienen un área de detección alargada se extienden desde el iris hasta la esclerótica. Cuando el ojo se coloca entre un par de tales " itodetectores lineales, el movimiento del ojo de un detector .Lineal nacia el otro detector lineal cambiará la cantidad relativa del golpeteo de luz en cada detector lineal. La cantidad de desalineamiento entre los detectores lineales y el ojo será proporcional a la diferencia en la salida de la señal por los detectores. Por lo tanto, esta diferencia en I a señal entre un par de fotodetectores lineales opuestos proporciona una excelente señal de retroalimentación, requiriendo solo una amplificación muy simple para utilizarse como una señal de entrada por un mecanismo de reposicionamiento. Tal proceso de señal simple no solo reduce la complejidad de la circuitería y el costo, sino i ?ora significativamente la velocidad y exactitud del .streo Convenientemente los pares de fotodetectores lineales coaxiales pueden detectar y medir exactamente un error de posicionamiento unidimensional de una característica substancialmente redonda tal como el iris. El sistema de rastreo de la presente invención toma ventaja de esta medición de error unidimensional, junto con el contraste significativo entre el iris y la esclerótica, al medir la luz
rotal a lo largo de los dos fotodetectores lineales de masa coaxial que cruzan el limbo en posiciones radialmente opuestas. Esta instalación puede proporcionar la información exacta con relación a la posición a pesar de carecer del contorno bien definido en el limbo. Al proporcionar los dos pares de fotodetectores lineales de masa, cada par que independientemente proporciona retroalimentación a un aparato de posicionamiento unidimensional, da como resultado un sistema altamente lineal que otorga rastreo de posición exacta a través de un amplio rango de velocidades y amplitudes de movimiento del ojo. En un primer aspecto, la presente invención v-oporciona un sistema para detectar los movimientos de un ojo en an cuerpo viviente. El ojo tiene un iris rodeado por una esclerótica, con un limbo entre ellos. El sistema comprende un primer fotodetector lineal que tiene una área detectora alargada. El área detectora tiene un extremo interno y un extremo externo y define un eje. Un segundo cotodetector lineal también tiene una área detectora alargada con un extremo interno, un extremo externo y un eje. Los extremos internos son alineables con el iris, mientras los extremos externos se extienden hacia la esclerótica a fin de que cada detector lineal se alinee a través del limbo. Un segundo detector lineal se desplaza radialmente desde el "í er detector lineal con relación al iris alineado para
medir el desplazamiento del iris de entre el primer detector lineal y el segundo detector lineal. En muchas modalidades los detectores lineales ..rimero y segundo son substancialmente coaxiales. Con frecuencia se acoplará un procesador a los detectores lineales primero y segundo, produciendo cada detector lineal una señal que indica la luz total dentro del área alargada del detector. El procesador compara estas señales de luz . al ara detectar cuándo el iris se mueve lateralmente hacia uno de los detectores lineales y lejos del otro. Tal par de fotodetectores coaxiales lineales se adaptan particularmente bien para medir el movimiento del ojo a lo largo del eje del par de fotodetectores . Al incluir un segundo par de fotodetectores lineales, el sistema de ecciT.n puede detectar y medir cualquier movimiento lateral del ojo con relación al eje ocular. Un sistema de rastreo simple y rápido puede proporcionarse al acoplar cada par de transductores a un mecanismo de impulsión que varía el almemaiento entre el par de fotodetectores lineales y el ojo a lo largo del eje del par de fotodetectores. En otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de rastreo para mantener el alineamiento entre un ojo y un haz de láser para utilizarse en la cirugía láser del ojo. El ojo tiene un iris rodeado por una esclerótica y el sistema de rastreo comprende un primer par de fotodetectores
lineales. Cada detector tiene un extremo interno orientado hacia el iris y un extremo externo orientado hacia la esclerótica. Un primer par de detectores lineales define un primer eje de detección de movimiento entre ellos. El . segundo par de fotodetectores lineales define de manera similar un segundo eje de detección de movimiento entre los mismos. Un procesador se acopla al par de detectores primero y segundo. El procesador se adapta para comparar las señales de luz de entre los detectores lineales de cada par para i» detectar el movimiento del iris a lo largo del eje de ueteccion del par. Un sistema de impulsión se acopla al procesador. El sistema de impulsión se adapta para mantener el alineamiento entre los detectores lineales y el ojo. En un método de acuerdo a la presente invención las
posiciones del ojo pueden detectarse en un cuerpo viviente al iluminar el iris y la esclerótica del ojo. La luz del ojo iluminado se mide con una pluralidad de fotodetectores lineales mientras los detectores se orientan radialmente a Fin de que cada uno de los detectores se extienda desde el z. iris hacia la esclerótica. La luz medida en un primer detector se compara a la luz medida en un segundo detector iira detectar el movimiento del iris entre ellos. En aún otro aspecto, la invención proporciona un método para rastrear un ojo de un cuerpo viviente. El método
comprende iluminar un iris y una esclerótica del ojo. La luz
del ojo iluminado se mide con un par de fotodetectores lineales mientras los detectores lineales se orientan radialmente. Más específicamente, cada detector se alinea a través de un limbo del ojo para extenderse desde adyacente al
iris hasta adyacente a la esclerótica. Una señal de error se npra partir de una diferencia entre la luz medida por los detectores del par. El iris se realinea entonces entre los detectores utilizando la señal de error. Ventajosamente, tal señal de error puede proporcionar una señal de
retroalimentación unidimensional independiente. Esta señal unidimensional altamente lineal se adapta particularmente ín para la manipulación y amplificación para proporcionar una señal de reposicionamiento para un mecanismo de reposicionamiento, proporcionando mediante esto un sistema de
! . control de retroalimentación simple, rápido y exacto que se gobierna por una convolución integral unidimensional. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 ilustra de manera esquemática el sistema de rastreo de la presente invención, en el cual los 0 movimientos laterales del ojo se miden a partir de la diferencia en intensidad de luz medida entre dos pares de fotodetectores lineales de masa a lo largo de dos ejes de medición/reposición independientes . La figura 1A ilustra de manera esquemática una J estructura de fotodiodo para utilizarse en el sistema de la
figura 1. La figura 2 es una vista lateral esquemática de un sistema de cirugía láser que incluye el sistema de rastreo de la figura 1 por uno de los dos ejes independientes. Las figuras 3A y 3B ilustran un método para detectar los movimientos laterales del ojo en una dimensión utilizando un par de fotodetectores de masa lineales axial s . La figura 4 ilustra de manera esquemática un sistema de detección del movimiento del ojo alternativo que incluye dos instalaciones de fotodiodos lineales, proporcionando mediante esto la detección absoluta de la ubicación del limbo así como la traslación relativa de la «urna de salidas de la disposición lineal . La figura 5 ilustra de manera esquemática un método para medir las velocidades utilizando fotodetectores lineales . DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA La presente invención se dirige a dispositivos .i 'todos y sistemas para detectar y/o rastrear la posición de un ojo en un cuerpo viviente. Las técnicas de la presente invención hacen uso en general del contraste de un contorno a gran escala reconocible del ojo, tal como la interfase cornea/esclerótica (el limbo) . Los sistemas de detección o rastreo con frecuencia determinan la ubicación y velocidad de
estos contornos sin tener que recurrir a técnicas de muestreo digital. En un aspecto preferido, la posición de la interfase cornea/esclerótica se rastrea con relación a un eje
..pecífico utilizando un par de fotodetectores de masa alargados. Al instalar estos detectores alargados a fin de tener un extremo sin el iris relativamente obscuro y extendiéndose un extremo más allá del limbo hasta la esclerótica blanca, la posición relativa del limbo (y el iris) pueden determinarse. La presente invención hace uso en general de fotodetectores de masa lineales. Estos fotodetectores son capaces de proporcionar una señal que indica una iluminación total a lo largo de un área de detección de luz alargada. Para tomar ventaja del contraste significativo entre la esclerótica y el iris sin tener que determinar y rastrear una usición de un contorno entre estas estructuras grandes, de gran contraste, el área de detección de luz se extenderá a través (y más allá del limbo) . Los dispositivos, sistemas y métodos de la presente invención pueden encontrar aplicación en una variedad de instalaciones. Por ejemplo, las técnicas de detección de la jsición del ojo de la presente invención pueden utilizarse para estudios clínicos o académicos de ambos movimientos del ojo sacádicos y voluntarios. Estas técnicas y estructuras encontrarán su aplicación más inmediata al aumentarse a la
cirugía láser del ojo. Más específicamente, los sistemas de rastreo de la presente invención pueden utilizarse para mantener el alineamiento entre un haz de láser terapéutico y un ojo, para mejorar la exactitud de la cirugía láser del ojo dirigida a la reconformación de la cornea. De manera cc-rnativa, el par de fotodetectores lineales pueden utilizarse sin rastreo para interrumpir tal procedimiento de láser de fotoablación sin embargo los ojo se mueven van más allá de un rango alineado aceptable. A pesar de todo, los fotodetectores de masa alineados en pares del sistema de detección/rastreo de la presente invención ofrecen tiempos de respuesta del sistema mejorados sobre un amplio rango de amplitudes del movimiento del ojo. Refiriéndose ahora a la figura 1, el sistema de rastreo 10 se utiliza para rastrear los movimientos laterales de un ojo E utilizando una serie de fotodetectores de masa lineales 12. Los detectores 12 se instalan en pares coaxiales, con señales provenientes de los detectores comparadas por un procesador 14, manipulando el procesador las señales del detector para dirigir un mecanismo de reposicionamiento 16. El sistema de reposicionamiento 16 alterará entonces el alineamiento entre el ojo E y los detectores 12 en base a las señales provenientes del procesador. Los detectores 12 tienen cada uno un área de
detección de luz alargada, estando los detectores generalmente orientados de manera radial. Aunque se ilustran los detectores 12 sobrepuestos en el ojo E en el esquema de la figura 1, debe entenderse que los detectores con frecuencia detectarán una posición del ojo E en base a una imagen del ojo. Por lo tanto, las descripciones de las posiciones relativas de los detectores 12 con relación a las estructuras y características del ojo E con frecuencia, en la práctica, se llevarán a cabo utilizando una imagen del ojo. Por ejemplo el ojo E incluye una esclerótica S y un iris I con un limbo L que define el límite entre ellos. Los fotodiodos 12 se colocan "a través" del limbo L para 'Xtenderse desde el iris I hasta la esclerótica S, a fin de ,ue cada detector de masa mida la luz de ambas, lo substancialmente blanco, la esclerótica relativamente brillante y desde el iris mucho más obscuro. Sin embargo debe entenderse que las estructuras del detector pueden estar a alguna distancia a partir del ojo, a fin de que los detectores se extiendan realmente a través de una imagen del o o. La imagen del ojo con frecuencia se producirá por un camino óptico entre el ojo y los detectores. De manera alternativa, los fotodiodos pueden instalarse en una estructura transparente cerca del ojo y orientado directamente a través de la interfase esclerótica/iris. Los detectores lineales 12 comprenderán típicamente
fotodiodos de silicio alargados. Los fotodiodos de silicio típicamente tienen constantes de tiempo de decenas de icosequndos . Como un resultado, las tasas de muestreo con frecuencia se limitarán por el tiempo de exposición. Más específicamente, la tasa de muestreo se relaciona inversamente al tiempo de exposición, de manera que entre más corto es el tiempo de exposición, es más elevada la tasa de muestreo . La respuesta espectral para los fotodiodos de silicio se centra en el infrarrojo cercano (típicamente alrededor de aproximadamente 750 µm) . Estos detectores son generalmente sensibles a la luz a través de un espectro completamente amplio, que proporciona al menos aproximadamente cincuenta porciento de sensibilidad a través
•1 rango de 450 µm a 950 µm. La fuente de iluminación preferida incluirá idealmente una salida significativa dentro de este rango cuando se utilicen los detectores de fotodiodo de silicio. De manera alternativa, los detectores 12 pueden detectar la luz en cualquier lugar a través del rango de aproximadamente 350 a 1100 µm, ya sea al hacer uso de las risibilidades inferiores, utilizando estructuras de diodo alternativas o lo similar. Una estructura de fotodiodo de silicio ejemplificativa se ilustra en la figura 1A. Los detectores lineales 12 incluyen una instalación de elementos detectores
13. Los elementos detectores 13 son lateralmente más amplios (con relación al eje del detector) que su longitud axial. Esto incrementa el área de detección total mientras se preserva la resolución axial. En consecuencia, esta estructura proporciona el desempeño señal a ruido axial incrementado a expensas de la resolución a lo largo de una orientación de detección transversal no utilizada. Los procesadores 14 generalmente compararán las señales producidas por un par de detectores opuestos 12. Los detectores serán suficientemente largos para medir los i i ivimientos laterales del ojo E a lo largo de una dimensión y serán mucho más largos que su ancho. El procesador 14a mide una posición del iris I del ojo E a lo largo de un eje Y al comparar una señal producida por un primer detector 12a hacia la señal producida por un segundo detector 12b. Cuando el ojo E se mueve hacia arriba, la cantidad de esclerótica S adyacente al primer detector 12a disminuirá, mientras la cantidad de la esclerótica adyacente al segundo detector 12b se incrementará. De manera inversa, el iris más obscuro se expondrá de manera incrementada al primer detector 12a y tendrá una exposición de disminución para el segundo detector 12b. Como resultado, la señal de iluminación total producida nor el primer detector 12a disminuirá, mientras la señal producida por el segundo detector 12b se incrementará. Al comparar estas señales, el procesador 14a puede detectar que
.-J o o E se ha movido en la dirección Y positiva y puede medir también la cantidad y velocidad de ese movimiento en base a la diferencia cuantitativa en las señales y mediante la proporción de cambio de esta diferencia respectivamente. Los procesadores 14 pueden comprender opcionalmente circuitos análogos relativamente simples o pueden incluir ..ternativamente uno o más convertidores análogo a digital acoplados a un procesador digital. El uso de un circuito análogo puede ser preferido para mejorar la respuesta del sistema, particularmente cuando el mecanismo de reposicionamiento 16 se adapta para utilizarse con una señal de entrada análoga. El mecanismo de reposicionamiento 16 efectuará generalmente el realineamiento entre los detectores 12 y el ojo E en base a la señal de posicionamiento proveniente del procesador 14. Para separar los ciclos de retroalimentación unidimensionales a lo largo de los ejes X y Y como se ilustra
-;n la figura 1, el mecanismo de posicionamiento 16a unido al ccesaaor 14a afectará preferentemente sólo el alineamiento a lo largo del eje Y. Puede utilizarse una variedad de mecanismos para proporcionar tal reposicionamiento unidimensional. Por ejemplo, el mecanismo de reposicionamiento 16a puede traducir la estructura Transparente que soporta los detectores 12 a lo largo del e. De manera alternativa, el mecanismo de
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reposicionamiento 16 puede girar un espejo para efectuar el .realineamiento entre una imagen de ojo E y los detectores 12. Cuando el procesador 14 proporciona una señal análoga para reposicionar el mecanismo 16, el mecanismo de reposicionamiento incluirá frecuentemente un accionador electromecánico análogo tal como un motor de bobina audio o lo similar. Cuando el procesador 14 proporciona una señal .'igital hacia el mecanismo de reposicionamiento, pueden utilizarse en su lugar los accionadores electromecánicos digitales tales como motores de velocidad gradual . La figura 2 ilustra un sistema 20 para fotoabladir de manera selectiva los tejidos corneales a fin de efectuar la conformación de la cornea. El sistema de ablasión láser 20 incorpora los elementos del sistema de rastreo 10 de la figura 1. El sistema de ablasión láser 20 también incluye un láser 22 que produce un haz de láser 24. El haz del láser 24 y los detectores lineales 12 se alinean con relación al ojo E mediante el mecanismo de reposicionamiento 16. En esta modalidad, el mecanismo de reposicionamiento 16 hace uso de un espejo giratorio 26 para modificar una posición de una nagen del ojo E sobre los detectores lineales 12. En otras palabras, una imagen del limbo L' sobrepuesta a los detectores 12 se alinea con relación a los detectores mediante el espejo giratorio 26 como se muestra. Un camino óptico (no mostrado) puede incluirse en un sistema de
posicionamiento 16 para la imagen del ojo y para dirigir el haz del láser 24. La formación de imagen y la detección pueden ?? 'j orarse al iluminar el ojo E con la energía de luz ..,?ropiada para la medición por medio de los detectores 12, como : • describió anteriormente. La iluminación puede proporcionarse por iluminadores oblicuos 28. Las porciones del sistema de rastreo ilustradas en la figura 2 mantendrán en general el alineamiento entre el haz del láser 24 y el ojo
' ", E solo a lo largo del eje X. Un segundo par de detectores 12 acoplados a un procesador independiente 14 y un mecanismo de reposicionamiento substancialmente independiente 16 puede utilizarse para rastrear el ojo durante los movimientos dentro y fuera del plano del dibujo. Un sistema de rastreo
mejorado de acuerdo a la invención que utiliza los espejos de --'posicionamiento podría incorporarse en un sistema de cirugía del ojo por láser comercialmente disponible de VISX, Incorporated of Santa Clara, California, bajo la marca comercial STAR™. 0 Un cambio con relación a las señales provenientes de los detectores lineales 12, puede entenderse con referencia a las figuras 3A y 3B. Cada uno de los detectores 12 define un área de detección de luz alargada 30, que tiene un extremo interno 32 y un extremo externo 34. Los extremos 5 internos 32 se alinean en general con el iris I, mientras los
--*-
extremos externos 34 se extienden fuera de la esclerótica que los rodea. Como un resultado, los detectores 12 se extienden a través del limbo L y detectarán una luz en parte a partir del iris I relativamente obscuro y en parte a partir de la 5 esclerótica significativamente más brillante. Los detectores 12 operarán en general en pares para .etectar la posición relativa del iris I . El primer detector 12a y el segundo detector 12b se alinean coaxialmente a lo largo del eje X. Cualitativamente, cuando el iris I se mueve
a la derecha con relación a los detectores 12 (como se ilustra en la figura 3A o cuando se mueve desde el punto B 1 acia el punto C en la figura 3B) , se expone más de la esclerótica brillante al primer detector 12a, incrementando mediante esto su señal de salida. A la inversa, se tapa por
el iris obscuro, disminuyendo mediante esto su señal. Sin embargo, cuando el iris I se mueve de manera perpendicular con relación al eje X (tal como desde el punto A hacia el mto B como se ilustra en la figura 3B) , la fuerza de la señal de ambos, el primer detector 12a y el segundo detector
12b disminuirá por aproximadamente la misma cantidad. En consecuencia, al comparar la señal proveniente del primer detector 12a con relación a la señal proveniente del segundo detector 12b, puede utilizarse un par de detectores para Indicar el movimiento del iris I a lo largo del eje X,
independientemente de cualquier movimiento a lo largo de un
eje Y transversal. Cuantitativamente, la señal proveniente del segundo detector 12b (y para cada uno de los detectores) será:
jV {x) dx
en la cual 1 es la longitud del segundo detector 12b, e I (x) es la intensidad en una posición x a lo largo de la longitud
1. Como un ejemplo, la figura 3C ilustra un perfil de intensidad que comprende una función de la etapa con dos valores constantes diferentes: una intensidad baja arbitraria tal como J=100 dentro del iris I y una intensidad alta arbitraria tal como 1=200 a lo largo de la esclerótica. Si muimos que la mitad de la longitud del segundo detector 12b se alinea inicialmente con el iris y la mitad de alinea con la esclerótica (10 = 1/2) , la señal S se da entonces por:
S = jl, dx + JJ dx = - (7, + I2) Como se describió anteriormente, cuando el iris I se mueve hacia el segundo detector 12b, disminuirá la señal S. Más específicamente, cuando el iris I se mueve hacia la derecha, por ?l a fin de que el limbo se mueva desde 1/2 hasta 1 ' , la señal del segundo detector 12b disminuirá por:
/ / = I /, Í£C — I2dx /. en el cual 1 ' es la nueva posición de nuestro limbo teórico a lo largo del segundo detector 12b (!' = 10 + Al) , mientras I? e I2 son las intensidades a lo largo del iris y la esclerótica, respectivamente. Utilizando nuestra constante t7 partir de la función de la etapa de nuestro ejemplo,
; -liemos ahora una distribución de intensidad I (x) como se ilustra en la figura 3D, dándonos un cambio total en la señal ?S como sigue: ?S = di - I2) Al en el cual (Ii - I2) es el contraste entre el iris y la "lerotica. (200 - 100 = 100 en nuestro ejemplo) . Otra manera de pensar de la integral que nos da la señal 3 a partir de nuestro fotodetecor de masa, es observarlo como un movimiento promedio de la intensidad de la luz a lo largo de una hendidura. De manera ventajosa, el sistema de rastreo compara
Luz promedio proveniente de las hendiduras que se extienden bien más allá de la transición gradual en el contraste que ocurre realmente en el limbo L, como se ilustra por la línea punteada en las figuras 3C y 3 D. En contraste a las variaciones irregulares a lo largo de esta transición,
la iluminación promedio entre las hendiduras opuestas variará ligeramente cuando el iris se mueva con relación a los detectores. Para cambios relativamente pequeños en el alineamiento y variaciones de contraste relativamente pequeñas, el desplazamiento es proporcional al cambio en la señal . Las mediciones de velocidad pueden hacerse de manera bastante exacta al monitorear una tasa de cambio de la posición a lo largo del eje X. La exactitud para tales
mediciones de velocidad es una función de la proporción entre el contraste y el ruido de los detectores 12. Más específicamente, las velocidades pueden calcularse como una tasa de cambio de una señal del borde 35, aunque el borde no necesita ser bien definido. Un momento integral puede
obtenerse a partir de las muestras de señal tomadas antes de un intervalo de tiempo y después del intervalo de tiempo. La diferencia en la señal dividida por el intervalo de tiempo indicará la velocidad. El buen funcionamiento del desempeño señal a ruido
'/() (S/N) proporcionará un momento más exacto, dando con esto mejores mediciones de velocidad. Mientras mejor sea el desempeño S/N, menor será la probabilidad de que un pico de
'lido se interprete inadvertidamente como un movimiento del o o. En otras palabras, si existe demasiado ruido, la
medición de velocidad se vuelve difícil debido a que la
,-?osic?ón del borde se volverá mal definida y el momento tendrá un gran error estándar. El promediar los datos puede ayudar a mejorar el desempeño de S/N para calcular de manera mas exacta un borde de movimiento fijo o lento, pero promediar la señal secuencial puede reducir la máxima velocidad medible. Refiriéndose ahora a la figura 4, un sistema de detección alternativo 30 utiliza un par de fotodiodos de disposición lineal 32a, 32b. Tal disposición lineal puede dar información espacial adicional. Específicamente, la naturaleza digital de la disposición lineal proporciona la ubicación absoluta del borde, en lugar de sólo las mediciones i m relación a la posición del iris. La exactitud de este sistema de detección de la posición absoluta, dependerá de las dimensiones de pixel de la disposición lineal, así como de las restricciones ópticas clásicas tales como el campo de visión, magnificación y lo similar. La información espacial proporcionada por las .aposiciones lineales 32 es esencialmente la misma que una sola línea de vídeo. Ventajosamente, una disposición de pixel de una sola línea evita las limitaciones de la entrada de vídeo estándar, incluyendo las tasas renovadas de CCD lentas y lo similar. Esto puede proporcionar tasas de muestreo
.qnificativamente mayores que las tasas renovadas de vídeo
típicas de 30 o 60 HZ y preferentemente tan altas o mayores que las altas tasas renovadas de video de aproximadamente 120
Los foto diodos de disposición lineal actualmente disponibles incluyen con frecuencia disposiciones de 256, 512 o 1,024 pixeles. Para un campo visual de 25 mm, la resolución de un fotodiodo de disposición lineal de 1,024, es de 24 µm. La dimensión de cada elemento de la disposición es aproximadamente 2.5 µm de ancho por 25 µm de largo a lo largo del eje de la disposición, proporcionando mediante esto muy buena resolución axial . La dimensión más ancha ayuda en general a mejorar la sensibilidad de la disposición. Ventajosamente, la salida de cada elemento de las disposiciones lineales 32 pueden sumarse para proporcionar la misma información disponible a partir de un detector de masa, como se describió anteriormente. Por lo tanto, mientras que la primer instalación 32a y la segunda instalación 32b crucen el limbo L en posiciones radialmente separadas, la suma de las señales de estas dos disposiciones lineales puede compararse para determinar la posición relativa del iris I a larro del eje X entre las disposiciones. En otras palabras, además de la información de posición absoluta del borde proporcionada por la disposición, los pares de disposiciones de fotodiodo lineales pueden utilizarse como fotodetectores de masa para medir el movimiento relativo del
iris I desde una línea media M que bifurca las disposiciones. Por lo tanto, los múltiples pares de disposiciones pueden utilizarse en algunas aplicaciones. Los sistemas de detección y rastreo de la presente mvencion se han descrito en general con referencia al movimiento a lo largo de un solo eje entre los pares de detectores. Como se describió con referencia a la figura 1, estos sistemas incluirán con frecuencia un segundo par de detectores para detectar y/o rastrear los movimientos transversales al eje de detección del primer par. Aunque tal rastreo puede mejorarse al mantener una relación ortogonal entre estos dos ejes de detección, pueden evitarse los párpados u otras obstrucciones al colocar los pares en ángulos oblicuos. Aunque la presente invención se ha descrito en algún detalle, a manera de ilustración y para claridad de atendimiento, serán obvios una variedad de cambios, modificaciones y adapataciones, para aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, los movimientos horizontales y verticales del ojo pueden rastrearse al comparar de manera selectiva las señales provenientes de tres fotodiodos lineales, en los cuales un procesador trata a cada uno de los .. jtodiodos como un elemento de dos pares. En consecuencia, el alcance de la presente invención se limita únicamente por las reivindicaciones anexas.