RU2270598C1 - Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора - Google Patents

Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора Download PDF

Info

Publication number
RU2270598C1
RU2270598C1 RU2004120761/14A RU2004120761A RU2270598C1 RU 2270598 C1 RU2270598 C1 RU 2270598C1 RU 2004120761/14 A RU2004120761/14 A RU 2004120761/14A RU 2004120761 A RU2004120761 A RU 2004120761A RU 2270598 C1 RU2270598 C1 RU 2270598C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
eog
eye
coordinate system
gaze
amplitude
Prior art date
Application number
RU2004120761/14A
Other languages
English (en)
Inventor
Григорий Асвадурович Кураев (RU)
Григорий Асвадурович Кураев
Виталий Вадимович Бабенко (RU)
Виталий Вадимович Бабенко
Сергей Николаевич Кульба (RU)
Сергей Николаевич Кульба
Марина Александровна Божинска (RU)
Марина Александровна Божинская
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский Государственный Университет" (РГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский Государственный Университет" (РГУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский Государственный Университет" (РГУ)
Priority to RU2004120761/14A priority Critical patent/RU2270598C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2270598C1 publication Critical patent/RU2270598C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Eye Examination Apparatus (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области физиологии и медицины и может быть использовано для определения и записи движения глаз в диагностических процедурах. Для определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора используют активные электроды, расположенные с темпоральных сторон глазниц на уровне краев глаз. Регистрируют электроокулограмму, отражающую приращения электроокулографических потенциалов (ЭОГ), по которым определяют направление перемещения взора. Измеряют амплитуду и время формирования ЭОГ. Амплитуда ЭОГ отражает перемещение взора в горизонтальной плоскости и соответствует углу Н поворота глаза по оси Х в сферической системе координат. Время формирования ЭОГ соответствует углу D поворота глаз в диагональной плоскости сферической системы координат. С использованием найденных углов Н и D вычисляют угол V поворота глаз в вертикальной плоскости, что соответствует смещению взора по оси Y в сферической системе координат. Углы Н и V являются координатами отображенного на экране переферического стимула, на который направлен взор испытуемого после выполнения саккадического перемещения. Изобретение позволяет устранить ошибки в оценке траектории движений глаз. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к области физиологии и медицины, в частности к офтальмологии, и может быть использовано для определения и записи движений глаз в диагностических процедурах.
Известен ряд способов определения траектории движений глаз (патент US 5491492, А 61 В 3/14, опубл. 6.06.1995 г.) [1], (патент US 5422689, А 61 В 3/14, опубл. 13.02.1996 г.) [2], основанных на сравнении величин электроокулографических потенциалов, зарегистрированных в разных отведениях. Для регистрации электроокулографических потенциалов используют от 4 до 7 электродов. К недостаткам этих способов относится то, что информацию о движении глаз получают, сравнивая величины самих электроокулографических потенциалов, зарегистрированных в разных отведениях. В связи с этим данные способы требуют калибровки сигналов, состоящей в определении общего нулевого уровня, а также периодической компенсации его изменений. Ввиду использования усилителей постоянного тока указанные способы чувствительны к поляризационным процессам на электродах. Кроме того, как показали исследования авторов, электроокулографические потенциалы, отражающие смещения взора по вертикали, подвержены влиянию артефактов, вызываемых мигательными движениями.
Усовершенствованием указанных способов является способ регистрации содружественных движений глаз, который предполагает не сравнение самих электроокулографических потенциалов, а определение их приращений (патент RU №2203608 С2 МПК А 61 В 3/113, опубл. 10.05.2003 г.) [3], принимаемый за прототип.Это делает результат вычислений независимым от исходного уровня потенциалов и от их абсолютных значений. В отличие от предшествующих методов [1, 2], в которых используются от 4 до 7 электродов, данный способ ограничивается использованием трех электродов: одного лобного (общего), находящегося между надбровными дугами над назионом, и двух активных, расположенных с темпоральной стороны глазниц ниже краев глаз. Такой способ позволяет получить данные о содружественном движении глаз в двумерной декартовой системе координат по приращениям электроокулографических потенциалов, регистрируемых одновременно в двух отведениях. Для определения траектории движений глаз вычисляют значения разности между приращением электроокулографического потенциала в одном отведении за определенный промежуток времени и приращением электроокулографического потенциала в другом отведении за этот же период времени, что соответствует приращению по оси «X» в декартовой системе координат. Значение же суммы этих приращений соответствует приращению по оси «Y».
Однако в прототипе сохраняется недостаток, присущий описанным выше аналогам. Речь идет об искажениях электроокулограммы или ее приращений, вызываемых мигательными движениями. Высокоамплитудные артефакты мигания накладываются на потенциалы, отражающие вертикальную составляющую глазных движений (Фиг.2), что приводит к ошибкам в оценке траектории движений глаз.
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение ошибок в оценке траектории движений глаз, вызываемых мигательными артефактами, за счет исключения общего (лобного) электрода и использования только одного биполярного отведения, регистрирующего горизонтальную составляющую глазных движений, на которую мигательные артефакты не оказывают своего влияния.
Технический результат достигается тем, что в способе определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора, включающем использование активных электродов, расположенных с темпоральных сторон глазниц, и регистрацию электроокулограммы, отражающей приращения электроокулографических потенциалов (ЭОГ), по которым определяют направление перемещения взора, согласно изобретению активные электроды размещают на уровне краев глаз и измеряют амплитуду и время формирования ЭОГ, при этом амплитуда ЭОГ отражает перемещение взора в горизонтальной плоскости и соответствует углу Н поворота глаз по оси Х в сферической системе координат, а время формирования ЭОГ соответствует углу D поворота глаз в диагональной плоскости сферической системы координат.
С использованием углов Н и D вычисляют угол V поворота глаз в вертикальной плоскости, что соответствует смещению взора по оси Y в сферической системе координат.
Углы Н и V являются координатами отображенного на экране периферического стимула, на который направлен взор испытуемого после выполнения саккадического перемещения.
Угол Н вычисляют по формуле:
Н=(А-0,59)/0,08,
где А - нормированная амплитуда ЭОГ, равная отношению амплитуды ЭОГ при очередном саккадическом перемещении взора (мкВ) к усредненной амплитуде ЭОГ для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град (мкВ).
Угол D вычисляют по формуле:
D=(Т-0,59)/0,04,
где Т - нормированное время формирования ЭОГ, равное отношению времени формирования ЭОГ при очередном саккадическом перемещении взора (мс) к усредненному времени формирования ЭОГ для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град.
Угол V вычисляют с использованием значений найденных углов D и Н по известной формуле:
V=arcos(cos D/cos H).
Для перевода координат направления взора из сферической системы в декартову вычисляют произведение тангенса найденных углов V и Н на расстояние L между глазами и экраном, на котором отображаются стимулы.
Способ позволяет получить неискаженные данные о содружественном движении глаз в сферической и декартовой системах координат по приращениям электроокулографических потенциалов, регистрируемых только в одном горизонтальном отведении, поскольку в этом отведении ЭОГ не подвержены искажениям со стороны артефактов, вызываемых мигательными движениями.
Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена блок-схема установки для регистрации ЭОГ.
На фиг.2 приведены примеры ЭОГ, где а - фрагмент безартефактной записи ЭОГ саккадического движения глаз; б - фрагмент записи ЭОГ, искаженной мигательным движением.
На Фиг.3 приведен фрагмент записи ЭОГ, поясняющий определение амплитудно-временных параметров ЭОГ, где а - амплитуда ЭОГ (мкВ), t - время формирования ЭОГ (мс).
На фиг.4 приведен фрагмент записи ЭОГ, отражающий смену полярности ЭОГ на активных электродах при отклонении взора вправо и влево от точки фиксации взора.
На фиг.5 представлен график зависимости амплитуды ЭОГ от угла горизонтального смещения взора, где по оси Х отложен угол горизонтального смещения взора, по оси Y - нормированная амплитуда ЭОГ, а также уравнение регрессии кривой.
На фиг.6 представлен график зависимости времени формирования ЭОГ от угла смещения взора, где по оси Х отложен угол смещения взора, по оси Y - нормированное время формирования ЭОГ.
На фиг.7 приведена схема расположения электродов для регистрации ЭОГ на лице испытуемого, где C1-C2 - биполярное отведение.
На фиг.8 показаны проекции трех составляющих саккадического перемещения взора на сферическую поверхность, где Н - угол горизонтального смещения взора, D - угол диагонального смещения взора, V - угол вертикального смещения взора, m - точка начальной фиксации взора, n - периферический стимул, к которому испытуемый совершает саккаду.
На фиг.9 приведена таблица, поясняющая вычисление индивидуальных усредненных значений амплитуды (an) и времени формирования (tn) ЭОГ.
Блок-схема установки (фиг.1) для осуществления способа определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора содержит: чашечковые электроды (d=9 мм) 1, полосовой усилитель биосигнала (УБС) 2, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 3, персональный компьютер 4, полосовой цифровой фильтр 5, экран монитора 6, жесткий магнитный диск 7, экран 8.
Фильтрация сигнала осуществлялась в диапазоне 1-30 Гц. Частота оцифровки сигнала - 200 Гц. Запись ЭОГ осуществлялась в непрерывном режиме на жесткий магнитный диск.
Для регистрации ЭОГ использовали два активных электрода, которые размещали с темпоральных сторон глазниц испытуемого на уровне зрачков (Фиг.7). ЭОГ регистрировались при саккадических перемещениях взора. При этом смещение взора влево и вправо определяло полярность ЭОГ (Фиг.4).
Для описания траектории перемещения взора измеряли амплитуду а и время формирования t ЭОГ, возникающей при очередном саккадическом движении глаз (Фиг.3).
Уравнение зависимости амплитуды ЭОГ от угла горизонтального смещения взора получено на группе испытуемых в исследовании, предусматривающем перемещение взора из одной заданной точки пространства в другую:
Figure 00000002
где Н - угол поворота глаз по оси Х в сферической системе координат,
А - нормированная амплитуда ЭОГ.
В том же исследовании получено уравнение зависимости времени формирования ЭОГ от угла смещения взора:
Figure 00000003
где D - угол поворота глаз в диагональной плоскости сферической системы координат,
Т - нормированное время приращения потенциала.
Уравнения представляют собой функцию регрессии установленных авторами кривых, отражающих зависимость амплитуды (Фиг.5) и времени формирования ЭОГ (Фиг.6) от угла смещения взора.
Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора осуществляется следующим образом.
На уровне краев глазниц испытуемого располагают два активных электрода (Фиг.7). Испытуемого помещают перед экраном 8 (Фиг.1) на расстоянии 35 см. Голову фиксируют в лобно-подбородочном упоре. Испытуемый фокусирует взгляд в центре перекрестья, изображение которого формируется на экране.
На первом этапе исследования испытуемому предлагалось выполнить 10 саккадических перемещений взора от центрального перекрестья к периферическому стимулу и обратно. Периферический стимул в виде высококонтрастной точки был расположен на горизонтальном меридиане на расстоянии 10 угл. град от центрального перекрестья (т.е. эксцентриситет стимула равен 10 угл. град). ЭОГ регистрировали на каждый поворот глаз. С помощью специальной компьютерной программы измеряли амплитуду - а и время - t для каждого из десяти ЭОГ. Затем проводили усреднение десяти значений а и десяти значений t. Данная последовательность действий представляет собой процедуру калибровки и позволяет получить индивидуальные для каждого испытуемого усредненные значения амплитуды ЭОГ - an, а также усредненные значения времени формирования ЭОГ - tn для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град.
Значения an и tn используют при вычислении А - нормированной амплитуды ЭОГ и Т - нормированного времени формирования ЭОГ.
На втором этапе исследования, с использованием программы зрительной стимуляции, в разных участках экрана предъявлялись высококонтрастные тестовые точки (стимулы). Испытуемый совершал саккадическое движение глаз к каждому вновь появившемуся стимулу.
Аналогично первому этапу, измеряли амплитуду - аi и время формирования - ti каждой ЭОГ, возникающей при саккадическом движении глаз. Затем вычисляли нормированную амплитуду ЭОГ - А, как отношение аi/an, а также нормированное время формирования ЭОГ - Т, как отношение ti/tn.
Затем, в соответствии с полученными на группе испытуемых уравнениями (1) и (2), вычисляли углы поворота глаз в горизонтальной и диагональной плоскостях по следующим формулам:
Figure 00000004
где Н - угол поворота глаз в горизонтальной плоскости (угл. град),
А - нормированная амплитуда ЭОГ.
Figure 00000005
где D - угол поворота глаз в диагональной плоскости (угл. град),
Т - нормированное время формирования ЭОГ. Исследования авторов показали, что данная формула справедлива для перемещения взора в любом направлении.
Затем, согласно соотношению углов в сферическом треугольнике DHV (Фиг.8), вычисляли угол V поворота глаз в вертикальной плоскости по известной тригонометрической формуле (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся Втузов. М. 1954. С.192) [4]:
Figure 00000006
В результате получали координаты точки в сферической системе координат, на которую направлен взор испытуемого после выполнения саккады.
Чтобы перевести координаты точки из сферической системы координат в декартову, вычисляют произведение тангенсов найденных углов V и Н на расстояние L между глазами испытуемого и экраном, на котором отображаются стимулы (tg Н×L; tg V×L).
Пример определения координат одной из точек в поле зрения, на которую переводится взор испытуемого Б.М. при выполнении саккады.
1. Осуществляют запись калибровочного сигнала, представляющего собой 10 ЭОГ, возникающих при осуществлении саккадических движений к тестовой точке, расположенной на горизонтальном меридиане с эксцентриситетом 10 град.
2. Измеряют амплитуду а и время t каждой из 10 ЭОГ.
3. Вычисляют an - индивидуальную усредненную амплитуду ЭОГ, а также tn - индивидуальное усредненное время формирования ЭОГ для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град.
Пример вычисления названных показателей для испытуемого Б.М. приведен в таблице (Фиг.9).
Согласно значениям таблицы: an=123,5 мкВ; tn=48 мс.
4. Предъявляют тестовый стимул с координатами: эксцентриситет по горизонтали=14,1 угл. град, эксцентриситет по вертикали=14,1 угл. град.
5. Регистрируют ЭОГ.
6. Измеряют амплитуду ЭОГ ai=156 мкВ.
7. Измеряют время формирования ЭОГ ti=65 мс.
8. Вычисляют нормированную амплитуду ЭОГ
А=ai/an=156/123.5=1,26.
9. Вычисляют нормированное время формирования ЭОГ
Т=ti/tn=65/48=1,35.
10. Вычисляют угол Н поворота глаз в горизонтальной плоскости
Figure 00000007
11. Вычисляют угол D поворота глаз в диагональной плоскости
Figure 00000008
12. Вычисляют угол поворота V в вертикальной плоскости
Figure 00000009
cos D=0.95;
cos Н=0.98;
V=arcos (0.95/0.98)=14,1.
13. Углы Н и V (угл. град) являются координатами той точки поля зрения, на которую направлен взор испытуемого после выполнения саккады. Данная точка смещена относительно центра на 12,8 угл. град по оси Х и на 14,1 градуса по оси Y сферической системы координат.
14. Для перевода координат направления взора из сферической в декартову систему координат вычисляют произведение тангенса найденных углов Н и V на величину L, представляющую собой расстояние (см) от глаз испытуемого до экрана: tg Н=0.23; tg V=0,25.
Tg Н×L=0.23×35=8,1 (см); tg V×L=0.25×35=8,8 (см).
Таким образом, в декартовой системе направление взора испытуемого после выполнения саккады имеет следующие координаты (8,1; 8,8) см.
Источники информации
1. Патент US 5491492, А 61 В 3/14, опубл. 6.06.1995 г.
2. Патент US 5422689, А 61 В 3/14, опубл. 13.02.1996 г.
3. Патент RU №2203608 С2 МПК А 61 В 3/113, опубл. 10.05.2003 г. - прототип.
4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. - 1954. С.192.

Claims (5)

1. Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора, включающий использование активных электродов, расположенных с темпоральных сторон глазниц, регистрацию электроокулограммы, отражающей приращения электроокулографических потенциалов (ЭОГ), по которым определяют направление перемещения взора, отличающийся тем, что активные электроды размещают на уровне краев глаз и измеряют амплитуду и время формирования ЭОГ, при этом амплитуда ЭОГ отражает перемещение взора в горизонтальной плоскости и соответствует углу Н поворота глаза по оси Х в сферической системе координат, а время формирования ЭОГ соответствует углу D поворота глаз в диагональной плоскости сферической системы координат, с использованием найденных углов Н и D вычисляют угол V поворота глаз в вертикальной плоскости, что соответствует смещению взора по оси Y в сферической системе координат, при этом углы Н и V являются координатами отображенного на экране периферического стимула, на который направлен взор испытуемого после выполнения саккадического перемещения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол Н поворота глаз в горизонтальной плоскости сферической системы координат вычисляют по формуле: Н=(А-0,24)/0,08, где А - нормированная амплитуда ЭОГ, равная отношению амплитуды ЭОГ при очередном саккадическом перемещении взора к усредненной амплитуде ЭОГ для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол D поворота глаз в диагональной плоскости сферической системы координат вычисляют по формуле: D=(Т-0,59)/0,04, где Т - нормированное время формирования ЭОГ, равное отношению времени формирования ЭОГ при очередном саккадическом перемещении взора к усредненному времени формирования ЭОГ для горизонтальных саккад величиной 10 угл. град.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол V поворота глаз в вертикальной плоскости сферической системы координат вычисляют по известной формуле: V=arcos(cos D/cos H).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вычисляют произведение тангенса V и тангенса Н на расстояние между глазами и экраном, на котором отображаются стимулы, осуществляя перевод координат направления взора испытуемого из сферической в декартову систему.
RU2004120761/14A 2004-07-07 2004-07-07 Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора RU2270598C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004120761/14A RU2270598C1 (ru) 2004-07-07 2004-07-07 Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004120761/14A RU2270598C1 (ru) 2004-07-07 2004-07-07 Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2270598C1 true RU2270598C1 (ru) 2006-02-27

Family

ID=36114268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004120761/14A RU2270598C1 (ru) 2004-07-07 2004-07-07 Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2270598C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444275C1 (ru) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Способ и устройство определения пространственного положения глаз для вычисления линии взгляда

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0587976A2 (en) * 1992-09-17 1994-03-23 Atr Auditory And Visual Perception Research Laboratories An apparatus for examining gaze shift in depth direction
JP2003126039A (ja) * 2001-10-24 2003-05-07 Japan Science & Technology Corp 眼球動特性の測定方法およびその装置
RU2203608C2 (ru) * 2000-12-21 2003-05-10 Мурик Сергей Эдуардович Способ определения траектории содружественного движения глаз

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0587976A2 (en) * 1992-09-17 1994-03-23 Atr Auditory And Visual Perception Research Laboratories An apparatus for examining gaze shift in depth direction
RU2203608C2 (ru) * 2000-12-21 2003-05-10 Мурик Сергей Эдуардович Способ определения траектории содружественного движения глаз
JP2003126039A (ja) * 2001-10-24 2003-05-07 Japan Science & Technology Corp 眼球動特性の測定方法およびその装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2444275C1 (ru) * 2010-09-30 2012-03-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Способ и устройство определения пространственного положения глаз для вычисления линии взгляда

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baloh et al. Quantitative measurement of smooth pursuit eye movements
US9655515B2 (en) Method of precision eye-tracking through use of iris edge based landmarks in eye geometry
Fiedler et al. Novel multipin electrode cap system for dry electroencephalography
Brandeis et al. Multicenter P300 brain mapping of impaired attention to cues in hyperkinetic children
Dvir et al. Reproducibility and instrument validity of a new ultrasonography-based system for measuring cervical spine kinematics
McGarvie et al. Horizontal eye position affects measured vertical VOR gain on the video head impulse test
Ramot et al. Coupling between spontaneous (resting state) fMRI fluctuations and human oculo-motor activity
Chen et al. Development of method for quantifying essential tremor using a small optical device
Denniss et al. Individualized structure–function mapping for glaucoma: practical constraints on map resolution for clinical and research applications
Iacono et al. Features that distinguish the smooth-pursuit eye-tracking performance of schizophrenic, affective-disorder, and normal individuals.
EP1800600A1 (en) Electrode configuration for central nervous system monitoring
CN104814717B (zh) 一种补偿式消除变体位误差的眼震全图的检测方法和装置
EP2572639A1 (en) Muscle tone measuring apparatus
Nolte et al. Combining EEG and eye-tracking in virtual reality: Obtaining fixation-onset event-related potentials and event-related spectral perturbations
Hassan et al. Approach to quantify eye movements to augment stroke diagnosis with a non-calibrated eye-tracker
Haslwanter et al. Eye movement measurement: electro-oculography and video-oculography
Juhola et al. Signal analysis of three-dimensional nystagmus for otoneurological investigations
RU2270598C1 (ru) Способ определения траектории движений глаз при саккадических перемещениях взора
Coughlin et al. Automated eye tracking system calibration using artificial neural networks
Iijima et al. Image analysis of quick phase eye movements in nystagmus with high-speed video system
Gramatikov et al. A device for continuous monitoring of true central fixation based on foveal birefringence
Fricker et al. Velocity and acceleration statistics of pseudorandomly timed saccades in humans
Menozzi et al. Accuracy of non-visual directional pointing with various manual input devices
Moffroid et al. Computer solutions to identify EMG latency of automatic postural reactions
Iacono et al. Methodological Consensus in Smooth Pursuit Eye Movements: Workshop Contributions: The Assessment of Smooth Tracking Dysfunction

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070708