Okulometr

Okulometr to urządzenie śledzące ruch gałek ocznych . Okulometr oblicza ruch gałek ocznych, śledząc odbicie rogówki względem środka źrenicy . Okulometr, który może zapewniać ciągłe pomiary w czasie rzeczywistym, może być narzędziem badawczym do zrozumienia spojrzenia, a także funkcji poznawczych. Ponadto można go zastosować do sterowania bez użycia rąk. Ma zastosowanie w szkoleniu lotniczym, ocenie funkcji poznawczych, diagnostyce i leczeniu chorób. Okulometr opiera się na zasadzie, że po kolimacji wiązka światła pada na oko, kierunek, w którym porusza się oko, jest proporcjonalny do położenia odbicia tej wiązki światła od rogówki względem środka źrenicy. Ruchy oczu można dokładnie mierzyć w liniowym zakresie większym niż 20 ${\ displaystyle ^ {\ circ}}$ z rozdzielczością 0,1 ${\ displaystyle ^ {\ circ}}$ .

Historia

Ruchy i śledzenie ruchu gałek ocznych były badane od wieków, przy czym pierwszym śledzeniem oka była prosta obserwacja oczu przez siebie lub kogoś innego. Pierwsza poprawa w tym zakresie nastąpiła w 1738 r., Kiedy obserwator wyczuwał zewnętrzną stronę zamkniętych powiek, aby śledzić ruch oczu. wprowadzono innowację polegającą na słuchaniu ruchów mięśni za pomocą kymografu . Te wczesne techniki, choć prymitywne, wykazują powtarzającą się w historii potrzebę śledzenia ruchów gałek ocznych.

Pierwsze prawdziwe urządzenie śledzące ruch gałek ocznych zostało wynalezione przez Hueya w 1898 roku. Aby urządzenie to działało, musiało stykać się z rogówką , co ograniczało jego wygodę, użyteczność i uogólnianie.

Dopiero w XX wieku pojawił się solidny, bezkontaktowy, nowoczesny eye-tracker. To urządzenie, zwane fotokornografem, działało na zasadzie fotografowania ruchu gałek ocznych na podstawie odbicia od rogówki. To urządzenie rejestrowało tylko ruchy poziome, dopóki praca Judda i współpracowników w 1905 roku nie dodała rejestracji zarówno czasowej, jak i pionowej.

Ze względu na liczne zastosowania urządzenia śledzącego wzrok u lotników i pilotów, NASA i Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych przeprowadziły szeroko zakrojone badania nad tą technologią, napędzając pole do przodu. Wiele z nich miało miejsce w latach 70. i 80. XX wieku. Jednak nawet przy tak szeroko zakrojonych badaniach okulometry pozostały nieporęczne i trudne technicznie.

Okulometry klasy badawczej w końcu otrzymały przyjazne dla użytkownika przeprojektowanie, a urządzenia komercyjne są dostępne od niedawna. Te niskoprofilowe urządzenia można nosić nieinwazyjnie na okularach.

Zalety

Ponieważ zasady rządzące działaniem okulometru opierają się na stosunkowo prostej koncepcji (elektroptyczne wykrywanie oka), zapewnia to, że okulometr będzie działał zawsze, gdy użytkownik patrzy. Dodatkowo położenie odbicia skolimowanej wiązki od rogówki można przybliżyć do płaszczyzny źrenicy. Oznacza to minimalny błąd paralaksy między odbiciem rogówki a środkiem źrenicy, dzięki czemu okulometr jest niewrażliwy na zmiany położenia głowy podczas pomiarów. Te właściwości okulometru zapewniają minimalną ingerencję w rutynowe czynności użytkownika podczas pomiarów. Eliminuje również potrzebę stosowania rozbudowanego sprzętu, takiego jak płytki zgryzowe lub sztywne zaciski czaszki do pomiarów.

Elementy optyczne

Źródło światła: Źródło oświetlenia, takie jak kineskop lub lampa z modulatorem jarzenia
Filtr : światło jest filtrowane w taki sposób, że światło padające na oko jest bliskie podczerwieni
Polaryzator : światło ze źródła jest spolaryzowane, aby uchwycić tylko prawdziwe odbicia rogówki
Okular : użytkownik patrzy przez soczewkę obiektywu w okularze, przez który przechodzi wiązka światła, aby napromieniować oko
Soczewki : dwie soczewki kolimacyjne
Rozdzielacze wiązki : jeden rozdzielacz wiązki kieruje światło widzialne do oka, drugi kieruje światło do detektora
Detektor: kamera z diodą krzemową rejestruje pomiary

Schemat okulometru, przedstawiający rozmieszczenie źródła światła, obiektywu, rozdzielacza wiązki, dwóch soczewek polaryzacyjnych, detektora i okularu.

Ogólne zasady

Ruch gałek ocznych można określić ilościowo poprzez odbicie od rogówki. Jednak w tym przypadku ruch głowy również spowodowałby zarejestrowanie ruchu. Można temu zaradzić albo sztywno mocując głowę, aby zapobiec jakimkolwiek ruchom, jednak jest to uciążliwe i niewygodne dla użytkownika i nie ma szerokiego zastosowania w badaniach na ludziach. Lub całe urządzenie można zamontować na głowie, co również jest nieporęczne i niewygodne. Lepszym rozwiązaniem jest pomiar dwóch parametrów, takich jak odbicie rogówki i ruch źrenicy (w oparciu o środek źrenicy).

Konstrukcja optyczna

Konstrukcja optyczna okulometru umożliwia normalne widzenie, kieruje światło ze stałego źródła wewnętrznego na oko użytkownika i tworzy obraz źrenicy na detektorze. Podstawowa konstrukcja obiektywu obejmuje stały okular i regulowany obiektyw, a następnie 2 rozdzielacze wiązki. Urządzenie składa się również z systemu polaryzacyjnego do polaryzacji światła ze źródła (zwykle lampy modulatora jarzenia) w kierunku H. W celu tłumienia światła ze źródła poprzez odbicia w okularze, w torze optycznym umieszcza się polaryzator liniowy w kierunku V. Płytka ćwierćfalowa jest umieszczana między okiem a okularem i obraca płaszczyznę polaryzacji o 90 stopni, zapewniając w ten sposób, że polaryzator V nie tłumi rzeczywistych odbić rogówkowych.

Źródło światła i detektor są ustawione współosiowo. Kiedy oko się porusza, odbicie od rogówki przesuwa się od środka źrenicy. To przemieszczenie jest mierzone przez

${\ textstyle D = \ kappa * grzech \ teta}$

$przemieszczenie$ , to odległość od środka rogówki, to $kąt$ nachylenia osi optycznej oka do okulometru

bliskiej podczerwieni (NIR) (długość fali od około 750 nm do 2500 nm) jest wykorzystywane z kilku powodów. Po pierwsze, światło NIR jest mniej wykrywalne dla ludzkiego oka niż inne długości fal światła widzialnego, więc wiązka światła NIR jest mniej uciążliwa lub zauważalna dla użytkownika. Po drugie, w tej konfiguracji źrenica jest podświetlana, co daje jasny dysk, skutecznie odróżniający źrenicę od reszty oka i twarzy.

Zazwyczaj okulometr składa się z okularu, przez który widzi użytkownik. Istnieje alternatywna konstrukcja, w której okulometr jest montowany na głowie. Układ ten nie obejmuje tradycyjnego okularu, a użytkownik widzi przez przezroczystą, zakrzywioną przyłbicę umieszczoną przed jego oczami.

Projekt elektroniczny

Tradycyjny okulometr działa w dwóch trybach: akwizycji i śledzenia. Kiedy użytkownik po raz pierwszy patrzy przez okular, zgrubny skan rastrowy rejestruje czarną źrenicę i jasne odbicia rogówki. Następnie urządzenie automatycznie przełącza się w tryb śledzenia, w którym wielokrotne skanowanie z podziałem czasu uzyskuje ciągłe pomiary kierunku oka. Kierunek oka ze skanów multipleksowych z podziałem czasu jest obliczany przez superpozycję skanowanych pozycji odbicia rogówki i pozycji źrenicy. W przypadku awarii urządzenia lub utraty ciągłości z powodu mrugania oczami przez użytkownika, urządzenie przełącza się z powrotem w tryb akwizycji do czasu przywrócenia śledzenia. W najnowszych projektach tryb akwizycji został zautomatyzowany, aby zapewnić natychmiastowe uchwycenie granicy źrenicy i tęczówki, gdy użytkownik spojrzy przez okular. Automatyzacja doprowadziła również do automatycznego przełączania w tryb śledzenia po uzyskaniu wstępnej akwizycji lub po mrugnięciu użytkownika.

Aplikacje

Samoloty pilotujące

Istnieje wiele zastosowań okulometru w lotnictwie . Jednym z nich jest zrozumienie, czy zdolności poznawcze są wystarczające do zezwolenia na lot. Co więcej, programy lotów mogą wykorzystywać okulometr do informowania o projekcie kokpitu pod kątem tablic oprzyrządowania, poprzez badanie wzroku pilotów podczas lotu. Wreszcie, szkolenie lotników również skorzystało z okulometru. Zrozumienie, w jaki sposób konkretny pilot skanuje swoje pole widzenia podczas lotu, pozwala uzyskać spersonalizowane informacje zwrotne od trenerów lotniczych. Może dostarczyć instruktorom więcej informacji do oceny i dalszego szkolenia pilotów. Z tego powodu NASA i Siły Zbrojne Stanów Zjednoczonych wykorzystały okulometry w swoich programach treningowych, tworząc pod koniec XX wieku technikę taśmy treningowej okulometru.

NASA

Projekt badawczy NASA dotyczący okulometru polegał na uświadomieniu sobie zdolności osoby do kontrolowania maszyny za pomocą oczu, co najpierw wymaga pomiarów ruchu gałek ocznych. NASA zaprojektowała teleskopowy okulometr, w którym użytkownik patrzy przez okular, a biorąc pod uwagę, że użytkownik może widzieć przez okular, mierzone będą ruchy gałek ocznych.

Jednym ze szczególnych zastosowań przedsięwzięcia okulometru NASA jest kontrola wzrokowa jednostki manewrowej astronautów (AMU). Gdy astronauta jest w kosmosie i chciałby się poruszać, UAM to ułatwia. Jednak sterowanie taką jednostką nie jest zadaniem trywialnym. Ręczne/ręczne sterowanie jest trudne, ponieważ istnieje wiele osi, a zatem wiele mięśni wymaga koordynowania ruchu 3D. Jednak kontrola wzroku byłaby łatwiejsza do wdrożenia za pomocą okulometru.

Ocena poznawcza

Lotnictwo wymaga silnych, ostrych funkcji poznawczych, a oko jest częścią ośrodkowego układu nerwowego, ponieważ jest przedłużeniem mózgu, łącząc funkcję poznawczą ze zdrowym funkcjonowaniem oka. Dlatego okulometry mogą funkcjonować jako narzędzia oceny funkcji poznawczych.

Rozpoznanie choroby Parkinsona

Nieprawidłowe ruchy gałek ocznych są uznanym biomarkerem wielu chorób motorycznych, w tym choroby Parkinsona . Oczekuje się, że każda choroba motoryczna wytworzy inny charakterystyczny wzór nieprawidłowości ruchu gałek ocznych. Wykorzystanie tych wzorców ruchów gałek ocznych zarówno jako narzędzia diagnostycznego, jak i do monitorowania postępu choroby było zatem przedmiotem zainteresowania naukowego. Okulometry są zatem używane w tym obszarze do śledzenia ruchu gałek ocznych. Zastosowanie okulometrów w diagnostyce chorób narządu ruchu jest obiecujące, choć nie zostało jeszcze zwalidowane w praktyce klinicznej.

Szczególnie w przypadku choroby Parkinsona charakterystyczny wzorzec nieprawidłowości ruchu gałek ocznych występuje jako poziome sakady (szybkie, sprzężone ruchy gałek ocznych, które przesuwają środek pola widzenia). Pacjenci z chorobą Parkinsona wykazywali dużą niezdolność do wykonywania zadań przeciwsakkadowych (ruch gałek ocznych w kierunku przeciwnym do początku wyzwalacza). Pomiar antysakkady umożliwia zatem naukowcom wykrywanie wczesnych stadiów choroby Parkinsona. Badania te są nadal w fazie badań.

Inteligentne okulary

W tym zastosowaniu zmodyfikowano konstrukcję elektroniczną tradycyjnego okulometru, aby zastąpić złożone przetwarzanie wideo w czasie rzeczywistym, tak aby okulometr mógł zmieścić się na lekkich okularach i miał stosunkowo długi czas pracy na baterii. Inteligentne okulary służą do korygowania wad wzroku spowodowanych warunkami związanymi z wiekiem, przy jednoczesnym przywracaniu normalnego widzenia. Inteligentne okulary wykorzystują regulowane okulary w porównaniu ze stałymi soczewkami używanymi w konwencjonalnych okularach.

Te okulary działają na zasadzie projekcji światła z kilku różnych kierunków za pomocą diod podczerwieni na gałce ocznej użytkownika i odbierają załamane światło z dyskretnych czujników zbliżeniowych na podczerwień, również umieszczonych w kilku różnych miejscach. Zastosowanie wielu detektorów nie tylko umożliwia używanie okulometrów jako lekkich urządzeń do noszenia, ale także zapewnia, że sygnały wykrywane przez czujniki nie są zależne od oświetlenia zewnętrznego. Ta właściwość pozwala na działanie urządzenia w ciemnych warunkach. Główną wadą stosowania czujników w porównaniu z ciągłym przetwarzaniem wideo jest znaczny spadek dokładności, ponieważ zarówno częstotliwość, jak i liczba pomiarów są zmniejszone.

Inne aplikacje

Inne potencjalne zastosowania okulometrów, które wciąż są w fazie rozwoju, obejmują kontrolę ruchu lotniczego dla operatorów do wyznaczania statków powietrznych za pomocą ruchu gałek ocznych; w komunikacji laserowej w dynamicznych sytuacjach, w których operatorzy mogą przesyłać sygnały, patrząc na sygnał; w systemach telewizyjnych do monitorowania kierunku oka podczas oglądania ekranu telewizyjnego, tak aby wymagania sensoryczne oka mogły być spełnione przy niższych szerokościach pasma; oraz w testach psychologicznych do analizy wzorców obrazów, których pacjenci mają tendencję do unikania.