PL149809B1 - Method of and apparatus for measurement of eye movements - Google Patents

Description

POLSKA RZECZPOSPOLITA LUDOWA	OPIS PATENTOWY	149 809
Patent dodatkowy do patentu nr- Zgłoszono: 85 11 18 /p. 256312/		T6LNIA w ·”»
***	Pierwszeństwo: 84 11 19 dla zastrz. 1-3 Szwecja	Int. Cl.4 A61B 3/10
URZĄD PATENTOWY PRL	Zgłoszenie ogłoszono: 86 12 02 Opis patentowy opublikowano: 90 07 31

Twórcy wynalazku: Jan Ober, Per Udden

Uprawniony z patentu: Polska Akademia Nauk, Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa /Polska/; Per Udden, Kerna /Szwajcaria/

SPOSÓB I URZĄDZENIE DO POMIARU RUCHÓW OKA

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu pomiaru ruchów oka i urządzenia realizującego ten sposób zawierającego oo najmniej dwa umieszczone przed okiem źródła promieniowania oraz co najmniej dwa detektory promieniowania dostosowane do wykryy/ania tego promieniowania odbitego od oka, przy czym detektory te są umieszczone w powiązaniu ze źródłami promieniowania· Dotychczas znany jest sposób mierzenia ruchów oka za pomooą emiterów światła i detektorów światła umieszczonych przed okiem i dostosowanych do wyczuwania zmieniających się charakterystyk odbicia oka spowodowanych zmianą jego pozycji, na przykład gdy oko podąża za linią tekstu lub innym rodzajem informacji, wywołującj ruch oka.

W znanym urządzeniu do pomiaru ruchów oka każdy zespół składający się ze źródła światła i detektora, stanowiący przetwornik pozycji oka na sygnał elektryczny, zamocowany jest przegubowo na ramce okularowej. Przed wykonaniem pomiaru konieczne jest ustawienie pozycji przetworników względem oka indywidualnie na każdym osobniku tak, aby oko znajdowało się w zakresie pomiarowym przetworników. Wady znanego urządzenia do pomiaru ruchów oka polegają przede wszystkim na jego złożoności i trudności prawidłowego ustawienia względem oka, co warunkuje dokładność wskazań urządzenia. Ponieważ wzrasta zapotrzebowanie na takie urządzenia, specyficznie przystosowane do diagnostyki różnych stopni dysleksji wśród dzieci, należy zdać sobie sprawę, iż dotychczas znaną aparaturę można stosować jedynie w warunkach laboratoryjnych. Wymaga ona nadzwyczajnej starannoścnBfcarówno od operatora jak i paojenta, warunkującej uzyskanie przydatnyoh wyników. Ta® aparaturę trudno zatem stosować w normalnyoh warunkach roboczych, na przykład w szkołach lub biurach, ponieważ żadnych z tyoh wamnków otoozenia nie można dostatecznie kontrolować /np. oświetlenia ze źródeł światła normalnie stosowanych w takich pomieszczeniach/.

Głównym przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru ruchów oka, gdzie wszystkie te niedomaganie aparatury pomiarowej, opartej na dotychozasowej wiedzy zostały usunięte. Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru ruchów oka polega na tym,

149 809

149 809 że oko oświetla się co najmniej dwoma wiązkami promieni ze źródeł promieniowania ustawionych każde w parze z fotodetektorem stanowiąc przetworniki pomiarowe, po jednaj stronie λ oo najmniej jednaj płaszczyzny symetrii przechodzącej przez ustawione w pozyoji neutralnej oko. Pole widzenia oka ogranicza się dla uzyskania samoistnego ustawienia się oka w zakresie pomiarowym przetworników. Wiązkę promieni odbitą od oka odbiera się przeE fotodetektory i-za pomocą układu elektronicznego koryguje aię natężenia źródeł promieniowania doprowadzając nieustannie do prawie równego oświetlenia fotodetektorów. Następnie wyznacza się różnice natężenia emitowanego promieniowania pomiędzy dwoma źródłami promieniowania umieszczonymi po dwóoh stronach tej samej płaszczyzny symetrii, stanowiące zgrubną miarę odbicia promieniowania od oka, a tym samym zgrubną miarę chwilowego położenia oka oraz dokonuje się dokładnego pomiaru wyjściowego sygnału fotodetektorów. W oparciu o te dwie wartości rekonstruuje się pozycję oka.

Oko oświetla się korzystnie impulsami promieniowania synchronicznie z fluktuacją oświetlenia zewnętrznego, to jest synchronicznie z przebiegiem napięcia zmiennego sieci. Urządzenie do pomiaru ruchów oka według wynalazku zawiera źródła promieniowanie i umieszczone w powiązaniu z nimi fotodetektory, usytuowane przed okiem parami źródło promieniowania - fotodetektor w taki sposób, że jedna para znajduje się po każdej stronie co najmniej jednej płaszczyzny symetrii przechodzącej przez ustawione w pozycji neutralnej oko. Każda para umieszczona jest na wewnętrznej, to jest zwróconej do oka, stronie przesłony z otworem, na jego obrzeżu. Rozmiary otworu odpowiadają przyjętemu zakresowi pomiaru, a kształt uzależniony jest od położenia osi czułości urządzenia. Odległość ustawienia przesłony od oka jest taka, że w powiązaniu z kształtem otworu i jego rozmiarami umożliwia patrzenie w wymaganym kącie przestrzennym. Wokół przesłony i oka usytuowany jest człon ekranujący połączony z przesłoną i przylegający do oczodołu. Ponadto wspomniane fotodetektory połączone są ze źródłami promieniowania za pośredniotwem układu elektronicznego korygującego promieniowanie źródeł doprowadzając nieustannie natężenie promieniowania odbieranego przez każdy fotodetektor do prawie równych wartości.

Układ elektroniczny składa się ze wzmacniacza sterowanego wyjściowym sygnałem nie zrównoważenia fotodetektorów. Wyjście wzmacniacza połąozone jest za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego z centralną jednostką sterującą połączoną z pamięcią stałą ROM i pamięcią o dostępie swobodnym RAM oraz połączoną za pośrednictwem przerzutnikowego układu błyskowego z różnicowym układem sterującym źródłami promieniowania. Praca centralnej jednostki sterującej jest synchronizowana ze zmianami napięcia sieoi za pomocą układu synchronizacji z siecią.

W odpowiednim wykonaniu tego wynalazku rozwiązanie zrealizowane jest w postaci gogli zawierających urządzanie według wynalazku dla każdego oka, w celu umożliwienia badan ruchów obu oozu jednocześnie· Rozwiązanie według wynalazku charakteryzuje się dokładnymi pomiarami. Można ja stosować w normalnych warunkach roboczych, na przykład w szkołach lub biurach. Ponadto urządzenie według wynalazku jest znacznie tańsze niż wszelkie aparaty pomiarowe oparte na dotychczasowej wiedzy, które można stosować jedynie w kontrolowanych warunkach otoczenia, jakie można uzyskać w laboratoriach. Jedno z wykonań wynalazku jeat opisane szczegółowo, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie wygląd urządzenia według wynalazku, tak jak jest ono widziane od strony oka, fig.

2-schematycznie widok w przekroju urządzenia według wynalazku, które to urządzenie umieszczone jest wokół oka obserwującego tekst, a fig. 3-elektryozny schemat blokowy urządzenia według wynalazku, zawierającego wszystkie układy elektryczne niezbędne do pomiaru ruchów oka.

Fig. 1 przedstawia urządzenie według wynalazku, w którym przesłona 1 wyposażona jest w otwór 2, przez który oko może czytać tekst lub dowolną informację innego rodzaju. Poniżej otworu znajdują się dwa źródła promieniowania podczerwieni 3 14, zaś nad aparaturą umieszczone są dwa fotodetektory 516. Źródła promieniowania i detektory są rozmieszczone parami, przy czym jedna para jest umieszczona po każdej stronie płaszczyzny symetrii 0-0 przechodzącej przez oko ustawione w pozycji środkowej płaszczyzny będącej w tym wyko149 809 naniu płaszczyzną pionową w stosunku do ustawionego środkowo oka 1 dzielącą prostokątny otwór na dwie zasadniczo równe częśol. Jak widać na fig· 2, dwa źródła promieniowania podczerwieni emitują światło w raczej szerokim kącie, który może mleć wartość około 60°< Wokół przesłony 1 oraz oka 8, umieszczony jest ekran 7, mający na celu utworzenie zamkniętej przestrzeni 9, do której nie może wchodzić światło zakłócające z zewnątrz poza światłem padającym przez prostokątny otwór 2. To znaczy, że odbicie od oka będzie rozproszone, a detektory 5 16 będą wyczuwać to rozproszone światło odbite od tej części oka, która odpowiada położeniu źródeł promieniowania 3 14· Na rysunku tym oko jest pokazane w położeniu środkowym, z osią optyczną przechodząoą przez środek tęczówki. Fotodetektory 5 i 6 połączone są ze źródłami promieniowania 3 1 4 za pośrednictwem układu elektronicznego I. Układ ten składa się ze wzmacniacza 11 sterowanego wyjściowym sygnałem niezrównoważenia fotodetektorów 5 16. Wyjście wzmacniacza 11 połączone jest za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego 12 z centralną jednostką sterującą 13 połączoną z pamięcią stałą ROM 15 oraz pamięcią o dostępie swobodnym RAM 14, a także połą*· czoną za pośrednlotwem przetwornika cyfrowo-analogowego 16 oraz prze rzutnikowe go układu błyskowego 18 z różnicowym układem 17 sterującym źródłami promieniowania 3» 4. Praca centralnej jednostki sterującej 13 jest synchronizowana ze zmianami napięcia aleci za pomocą układu synohronlzaojl z siecią 19. Jeśli oko zmieni położenie, jak to pokazano na fig. 3, fotodetektor 5 odbiorze mniej światła odbitego od oka wskutek zmiany charakterystyk odbicia w prawej połowie otworu 2. Spowoduje to pewną asymetrię między dwoma fotodetektorami 5 16, a w konsekwenojl powstanie pewne napięcie na wejśolu wzmacniaoza 11, który jest połączony z przetwornikiem analogowo-cyfrowym 12, który dostarczy obecnie cyfrowe wartośol odpowiadające temu napięciu niezrównoważenia do centralnej jednostki sterującej /CPU/ 13, która porówna wartość tego niezrównoważenia z wartościami zachowanymi w pamięci stałej ROM 15 i w przypadku, gdy wartość ta będzie powyżej lub poniżej dopuszczalnego zakresu, CPU 13 ustali, o ile musi zostać zwiększone oświetlenie ze źródła promieniowania 3 i odwrotnie - zmniejszone ze źródła promieniowania 4, w celu przywrócenia symetrii /równowagi/ między dwoma fotodetektorami 516. Jak wykazano wyżej, symetria między dwoma fotodetektorami 516 zostaje przywrócona, gdy polecenie zrównoważenia zostanie przeniesione do źródeł promieniowania 3 i 4, poprzez przetwornik cyfrowo-analogowy 16 i różnicowy układ sterujący 17.

Ponadto, CPU porównuje cyfrową wartość asymetrii z wartościami zachowanymi w pamięci stałej ROM 15 i w przypadku, gdy wartość ta mieści się w dopuszczalnym zakresie, wysyła ją do pamięci o dostępie swobodnym RAM 14, jako wartość reprezentującą położenie oka w granicach okienka czułości rozumianego jako wycinek zakresu pomiarowego /dokładna miara położenia oka/· Dane te zostają zachowane w pamięol RAM 14 wraz z wartością wysłaną do przetwornika cyfrowo-analogowego /służącego do prawidłowego usytuowania okienka czułości/ jako wartość reprezentującą zgrubną miarę położenia oka. Obie miary - zgrubna i dokładna - położenia oka, zachowane w pamięci RAM 14, służą do skonstruowania wykresu trajektorii ruchu oka do dużej rozdzielczości.

Położenie oka mierzy aię w granicach okienka czułości. W wyniku ciągłego przywracania stanu równowagi przez korygowanie oświetlenia, okienko czułości przemieszcza się w całym zakresie dynamiki tzn. okienko ozułośoi podąża za aktualnym położeniem oka. Usytuowanie okienka ozułośoi stanowi zgrubną miarę położenia oka i jest realizowane z rozdzielczością przetwornika cyfrowo-analogowego 16, wynoszącą 8 bitów. Dokładną miarą położenia oka w granicach okienka ozułośoi jest wzmocniony sygnał wyjściowy z fotodetektorów, a pomiar ten jest przeprowadzany z rozdzielozośolą przetwornika analogowo-cyfrowego 12, wynoszącą 8 bitów.

Możliwość automatycznego korygowania położenia okienka ozułośoi eliminuje konieczność dokładnego umieszczania układu pomiarowego na głowie pacjenta, a dokładny pomiar można wykonać w ogóle bez żadnych korekcji. Najlepiej, gdy źródła promieniowania 3 14 nie emitują światła w sposób ciągły lecz w formie błysków o czasie trwania około 0,5 me dla wykrywania chwilowych pozycji oka. Ma to dużą zaletę, ponieważ oko można traktować jako

149 809 nieruchome podczas takiego krótkiego okresu błysku, a ponadto błyski można synchronizować z napięciem sieciowym, aby zawsze uzyskiwać takie same warunki oświetlenia w chwili pomiaru, gdy pomiar przeprowadza się w świetle sztucznym. Błyski dostarcza układ przerzutnikowy 18 i są one synchronizowane z napięciem sieciowym przez układ synchronizacji z siecią 19·

Powyższe wykonanie wynalazku zostało opisane w odniesieniu do urządzenia służącego do pomiaru ruchów oka zasadniczo w kierunku poziomym, lecz można je oczywiście również stosować w urządzeniu do pomiarów zarówno poziomych jak i pionowych ruchów oka. W tym przypadku jednak, aparaturę należy zaprojektować np. w postaci otworu okrągłego, który umożliwi wykonywanie zarówno poziomych jak i pionowych ruchów oka.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru ruchów oka polegający na tym, że oko oświetla się wiązkami promieni ze źródeł promieniowania umieszczonych przed okiem w powiązaniu z fotodetektorami wykrywającymi to promieniowanie odbite od oka, stanowiącymi przetworniki pomiarowe, znamienny tym, że oko oświetla się co najmniej dwoma wiązkami promieni ze źródeł promieniowania /3, 4/ ustawionych każde w parze z fotodetektorem odpowiednio /5, 6/ po jednej stronie co najmniej jednej płaszczyzny symetrii /0-0/ przechodzącej przez ustawione w pozycji neutralnej oko, przy czym ogranicza się pole widzenia oka dla uzyskania samoistnego ustawienia się oka w zakresie pomiarowym przetworników, a wiązkę promieni odbitą’ od oka odbiera się przez fotodetektory /5, 6/ i za pomocą układu elektronicznego /1/ koryguje się natężenie źródeł promieniowania /3, 4/ doprowadzając nieustannie do prawie równego oświetlenia fotodetektorów /5,6/, a następnie wyznacza się różnice natężenia emitowanego promieniowania pomiędzy dwoma źródłami promieniowania /3, 4/ umieszczonymi po dwóch stronach tej samej płaszczyzny symetrii /0-0/, stanowiące zgrubną miarę odbicia promieniowania od oka, a tym samym zgrubną miarę chwilowego położenia oka oraz dokonuje się dokładnego pomiaru wyjściowego sygnału fotodetektorów /5, 6/ i w oparciu o te dwie wartości rekonstruuje się pozycje oka.
2. 2· Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oko oświetla się impulsami promieniowania synchronicznie z fluktuacją oświetlenia zewnętrznego, to jest synchronicznie z przebiegiem napięcia zmiennego sieci.
3. 3· Urządzenie do pomiaru ruchów oka zawierające umieszczone przed okiem źródła promieniowania i fotodetektory przystosowane do wykrywania tego promieniowania odbitego od oka, umieszczone w powiązaniu z tymi źródłami promieniowania, znamienne tym, że źródła promieniowania /3, 4/ i fotodetektory /5, 6/ rozmieszczone są parami tak, że jedna para znajduje się po każdej stronie co najmniej jednej płaszczyzny symetrii /0-0/ przechodzącej przez ustawione w pozycji neutralnej oko, przy czym każda para umieszczona jest na wewnętrznej, to jest zwróconej do oka, stronie przesłony /1/ z otworem /2/, na jego obrzeżu, przy czym rozmiary otworu odpowiadają przyjętemu zakresowi pomiaru, a kształt uzależniony jest od położenia osi czułości urządzenia, natomiast odległość /1/ ustawienia przesłony od oka jest taka, że w powiązaniu z kształtem otworu i jego rozmiarami umożliwia patrzenie w. wymaganym kącie przestrzennym, przy czym wokół przesłony /1/ i oka usytuowany jest człon ekranujący /7/· połączony z przesłoną i przylegający do oczodołu, a ponadto wspomniane fotodetektory /5, 6/ połączone są ze źródłami promieniowania /3, 4/ za pośrednictwem układu elektronicznego /1/ korygującego promieniowanie źródeł /3, 4/ d opr owad za jąo nieustannie natężenie promieniowania odbieranego przez każdy fotodetektor /5, 6/ do prawie równych wartości.
4. 4· Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ elektroniczny /1/ składa się ze wzmacniacza /11/ sterowanego wyjściowym sygnałem niezrównoważenia fotodetektorów /5, 6/, którego wyjście połączone jest za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego /12/ z centralną jednostką sterującą /13/ połączoną z pamięcią stałą ROM /15/ oraz z pamięcią o dostępie swobodnym RAM /14/ i połączoną za pośrednictwem przetwór149 Θ09 nika cyfrowo-analogowego /16/ oraz przerzutnikowe go układu błyskowego /18/ z róźnioowym układem /17/ sterującym źródłami promieniowania /3, 4/, przy czym praca centralnej jednostki sterującej /13/ jest synchronizowana ze zmianami napięcia sieci za pomocą układu synchronizacji z siecią /19/·

   FIG.2

   149 809

   FtG.3

   Pracownia Poligraficzna UP RP. Nakład 100 egz.

   Cena 1500 zł