Патент на изобретение №2352244

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРЫХ ДВИЖЕНИЙ ГЛАЗ И ОТКЛОНЕНИЙ БИНОКУЛЯРНОГО ЗРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к медицине. Способ включает получение изображения глаз, анализ параметров движения глаз, выбор области, в пределах которой движется зрачок глаза, нахождение фигуры с размером и формой, соответствующими размерам и форме зрачка глаза, анализ движения центра этой фигуры. При этом глаза освещают инфракрасным источником света, управляют мощностью источника освещения для получения наиболее контрастного изображения глаз. Непрерывно получают изображения обоих глаз при помощи двух видеокамер, установленных напротив лица человека. Калибруют взаимные положения видеокамер, формируют эталон зрачка для его последующего быстрого распознавания и локализации на изображении. Определяют трехмерные координаты зрачков и направления взгляда в пространстве и передают результаты анализа. Первая и вторая видеокамеры составляют бинокулярную оптико-электронную систему. Устройство также содержит контроллер, первый и второй блоки ввода изображения, ОЗУ, первый и второй вычислители, инфракрасный осветитель. Применение данной группы изобретений позволяет повысить скорость и точность диагностики нарушений бинокулярного зрения, обеспечивает возможность применения устройства в любых условиях освещения, за счет исключения зависимости получаемого изображения от внешнего освещения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к офтальмогигиене, а именно к инструментальному неинвазивному исследованию зрения, и может быть использовано для быстрого и точного определения параметров саккадических движений, отклонений бинокулярного зрения, степени косоглазия у взрослых и детей.

Известен способ диагностики косоглазия [Урмахер Л.С. Справочник по офтальмологической оптике и приборам. М.: Медицина, 1971. – 179 с., – С.121], основанный на разделении полей зрения, заключающийся в показе половины одного и того же рисунка каждому глазу при помощи двух раздельных оптических систем, подборе угла между оптическими осями оптических систем, при котором рисунки сливаются в единое изображение, и определении степени косоглазия по углу между оптическими осями. Известно устройство для реализации рассмотренного способа – синоптофор, состоящий из основания, на котором укреплены две оптические системы, механического устройства для перемещения и поворота оптических систем, тестовых объектов, изображения которых проецируются в глаза человека при помощи оптических систем и осветителя тестовых объектов.

Недостатками способа и устройства являются сложность и длительность определения степени косоглазия, обусловленные необходимостью подбора параметров положения оптических систем, при которых достигается слияние изображений. Из-за субъективности определения совмещения изображения уменьшается точность измерения косоглазия, а также осложняется диагностика заболевания у детей младшего возраста.

Известно устройство для исследования бинокулярного зрения [патент РФ 2292836], содержащее два полосчатых светофильтра разных цветов, полосы которых расположены под прямым углом друг к другу, установленных в очковой оправе. Принцип диагностики основан на предъявлении пациенту тестовых изображений различного цвета, определении принадлежности каждому из глаз тестового изображения. Недостатками принципа диагностики и, как следствие, самого устройства, являются: длительность процесса диагностики, вызванная необходимостью предъявления тестовых шаблонов и выяснения у пациента оценки видимости шаблонов; низкая точность (устройство позволяет определять тип зрения, ведущий глаз, определить факт наличия косоглазия, но никак не точно измерять степень косоглазия), вследствие примерной оценки характера видимых изображений.

Известен способ [патент РФ 2082311], заключающийся в том, что испытуемому надевают очки с цветофильтрами и с расстояния 5 м предъявляют цветовые анаглифы, исходя из ответов обследуемого, делают заключение о характере зрения. Способ позволяет количественно дифференцировать степень бинокулярного сотрудничества. Недостатки способа аналогичны недостаткам рассмотренного выше устройства [патент РФ 2292836].

Известны способ и устройство обнаружения фазы быстрых движений глаз при сне [патент США 4863259, опубл. 5.09.1989]. Способ основан на освещении глаза инфракрасным светом и обнаружении быстрых движений глаз по периодическому отклонению зрачка. Устройство содержит датчик движения зрачка и средства для подсчета количества движений зрачка в единицу времени. Недостатком способа и реализующего его устройства является невозможность определения параметров движения зрачка и измерения степени косоглазия, так как датчик движения зрачка позволяет определять только наличие или отсутствие такового движения.

Известны способ регистрации зрачка глаза и устройство для его осуществления [патент РФ 2208377]. Способ регистрации зрачка заключается в создании плоскости действительного изображения зрачка глаза и последующей локализации этой плоскости. Плоскость действительного изображения зрачка оптически сопряжена с регистратором, а энергетическую картину в плоскости действительного изображения зрачка регистрируют, используя дополнительно два вида излучения: рассеянное глазными средами и зеркально отраженное от поверхности роговицы. Регистрируют и используют моргание. Изображение зрачка локализуют в пространстве, используя лучистый поток, зеркально отраженный передней поверхностью оптической системы, создающей действительное изображение зрачка. Устройство содержит осветительный канал, источник излучения в виде лазера. Зеркало установлено на внутренней грани призмы-куба, расположенной на оптической оси осветительного и передающего каналов. В передающем канале предусмотрен объектив. Регистратор установлен в плоскости изображения объектива, оптически сопряженной с плоскостью локализации действительного изображения зрачка.

Недостатком способа является необходимость применения лазерного излучения, которое может отрицательно влиять как на зрение пациента, так и на зрение врача. Недостатком устройства является сложность его практической реализации, обусловленная необходимостью калибровки положения оптических элементов устройства, для точной диагностики отклонений зрения.

Наиболее близкими к предлагаемым являются способ исследования движения глаз по бинокулярному изображению и устройство для его реализации [патент РФ 2221475], применяемые для диагностики нистагма и других заболеваний глазодвигательного аппарата. Способ включает освещение глаз источником света и получение одного под другим с минимальным расстоянием видеоизображения глаз на экране компьютера с последующим анализом параметров их движения. На видеоизображении каждого глаза выбирают область, в пределах которой движется зрачок глаза. В этой области находят фигуру с размером и формой, соответствующими размерам и форме зрачка глаза. Анализ параметров осуществляют путем анализа движения центра этой фигуры, для чего записывают траекторию его движения, измеряют амплитуду и частоту спектральных составляющих движения. Устройство содержит источник света для освещения глаз, рассеиватель света, видеокамеру для ввода видеоизображения движущихся зрачков через аналого-цифровой преобразователь в компьютер. Для формирования изображений глаз одного под другим на экране компьютера устройство имеет две пары зеркал.

Недостатком способа является сложность калибровки положения зеркал, входящих в устройство, для обеспечения получения одного под другим изображений двух глаз и последующего ввода его в компьютер при помощи единственной видеокамеры. Недостатками устройства являются: невозможность применения устройства для анализа быстрых движений глаз в реальном масштабе времени вследствие ограниченного быстродействия неспециализированного (обычного) персонального компьютера и применения ресурсоемкого с вычислительной точки зрения преобразования Фурье, а также разделением во времени операций ввода изображения в компьютер и его анализа (сначала файл с изображением глаза получают и только после его получения анализируют); отсутствие возможности передачи полученной информации на дальнейший анализ (вышестоящее средство обработки) в реальном времени, что сужает область применения устройства и снижает его практическую ценность.

Другим недостатком способа является необходимость освещения глаз пациента светом видимого диапазона длин волн, что является мешающим фактором при позиционировании глаз пациента в заданную врачом точку и «ослепляет» пациента, а также снижает точность диагностики вследствие возможного присутствия бликов на изображении от ламп освещения, окна.

Технической задачей изобретения является повышение скорости и точности диагностики отклонений зрения, обеспечение возможности применения диагностирующего устройства в любых условиях освещения за счет исключения зависимости получаемого изображения от внешнего освещения, обеспечение автоматического режима диагностики, устранение мешающего фактора для сна человека (в случае, если исследование проводится в процессе сна) – видимого освещения, упрощение практического применения устройства, возможность диагностики заболеваний глаз у детей, возможность диагностики при незначительных поворотах и смещениях головы, возможность использования устройства в составе диагностирующей системы более высокого уровня и получение результатов измерений движений глаз (в том числе саккадических и «быстрых») в реальном масштабе времени.

Задача решается тем, что в способ исследования движения глаз по бинокулярному изображению [патент РФ 2221475], включающий получение изображения глаз, анализ параметров движения глаз, выбор области, в пределах которой движется зрачок глаза, нахождение фигуры с размером и формой, соответствующими размерам и форме зрачка глаза, анализ движения центра этой фигуры, введены освещение глаз инфракрасным источником света, управление мощностью источника освещения для получения наиболее контрастного изображения глаз, непрерывное получение изображений обоих глаз при помощи двух видеокамер, установленных напротив лица человека, калибровка взаимного положения видеокамер, формирование эталона зрачка для его последующего быстрого распознавания и локализации на изображении, формирование и передача результатов анализа.

Техническая задача решается тем, что в устройство для исследования движения глаз [патент РФ 2221475], содержащее первую видеокамеру, введены вторая видеокамера, бинокулярная оптико-электронная система, контроллер, первый и второй блоки ввода изображения, ОЗУ, первый и второй вычислители, инфракрасный осветитель, причем выход первой видеокамеры подключен к входу первого блока ввода изображения, выход второй видеокамеры подключен к входу второго блока ввода изображения, групповые выходы первого и второго блоков ввода изображения соединены соответственно с первым и вторым групповыми входами контроллера, первый и второй групповые входы-выходы контроллера подключены соответственно к групповым входам-выходам первого и второго вычислителей, третий групповой вход-выход контроллера подключен к групповому входу-выходу ОЗУ, первый групповой выход контроллера соединен с групповым входом инфракрасного осветителя, второй групповой выход контроллера используется для формирования выходных данных и выдачи их на внешнее устройство для отображения или дальнейшего анализа.

Изобретение может быть использовано для исследования зрения человека в медицине и соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 – алгоритм реализации способа, на фиг.3 – взаимное положение первой и второй видеокамер бинокулярной оптико-электронной системы, на фиг.4 – схематическое изображение взаимного положения первой и второй видеокамер и глаз, на фиг.5 – изображение глаза в инфракрасном и видимом свете.

Устройство состоит из первой видеокамеры 1, второй видеокамеры 2, составляющих бинокулярную оптико-электронную систему (ОЭС) 12, первого блока ввода изображения 3 и второго блока ввода изображения 4, контроллера 5, ОЗУ 6, первого вычислителя 7 и второго вычислителя 8, инфракрасного осветителя 9, причем групповой выход первой видеокамеры 1 подключен к групповому входу первого блока ввода изображения 3, групповой выход второй видеокамеры 2 подключен к групповому входу второго блока ввода изображения 4, групповые выходы первого 3 и второго 4 блоков ввода изображения соединены соответственно с первым и вторым групповыми входами контроллера 5, первый и второй групповые входы-выходы контроллера 5 подключены соответственно к групповым входам-выходам первого 7 и второго 8 вычислителей, третий групповой вход-выход контроллера 5 подключен к групповому входу-выходу ОЗУ 6, первый групповой выход контроллера 5 соединен с групповым входом инфракрасного осветителя 9, второй групповой выход контроллера 5 используется для формирования выходных данных и передачи их на внешнее устройство для отображения или дальнейшего анализа.

Предлагаемый способ заключается в

– калибровке бинокулярной оптико-электронной системы 12 посредством приведения взаимного положения к требуемому первой 1 и второй 2 видеокамер, ее составляющих, для обеспечения бинокулярного пространственного зрения,

– установке бинокулярной оптико-электронной системы 12 напротив лица человека, так, чтобы первая 1 и вторая 2 видеокамеры находились примерно напротив глаз человека, и освещении глаз инфракрасным источником света, управлении мощностью инфракрасного освещения для получения наиболее контрастного изображения глаз,

– непрерывном получении изображений глаз, формировании контуров изображения,

– формировании эталона зрачка (для его последующего быстрого распознавания и локализации на изображении) путем распознавании глаза и зрачка глаза на основе анализа контуров изображения,

– определении границ области, в пределах которой движется зрачок глаза,

– быстром распознавании и локализации на изображении зрачков каждого глаза на основе вычитания изображения сформированного ранее эталона из текущего изображения,

– анализе движения центра зрачка, формировании и передаче результатов анализа.

Последовательность указанных действий представлена в алгоритме на фигуре 2.

Калибровка (блок 1, фиг.2) оптико-электронной системы 12 предназначена для повышения точности трехмерного восприятия и предварительной настройки первой 1 и второй 2 видеокамер до начала работы устройства. Калибровка выполняется в соответствии со способом калибровки, представленным в патенте РФ 2286598, и заключается в приведении угловых отклонений _i, _i, _i, i=1, 2, (фиг.3), характеризующих отклонения взаимного положения главных оптических осей оптических систем первой 1 и второй 2 видеокамер к нулевому значению, линейных параметров взаимного положения первой 1 и второй 2 видеокамер – разности глубин D установки видеокамер, разность высот Н установки видеокамер (фиг.3) к нулевым значениям, величины базы L между видеокамерами к значению (6±0,5) см. Калибровка выполняется однократно при настройке оптико-электронной системы, после чего положение первой 1 и второй 2 видеокамер жестко фиксируют и ОЭС не требует последующей калибровки.

Предварительно откалиброванную (блок 1, фиг.2) ОЭС устанавливают напротив лица человека (блок 2, фиг.2), так чтобы каждая из первой 1 и второй 2 видеокамер находились примерно напротив каждого из глаз и при этом изображения обоих глаз попадали в поле зрения каждой из указанных видеокамер (см. схему на фиг.4).

Инфракрасный осветитель 9 располагают напротив лица человека, примерно на равном расстоянии от обоих глаз для их равномерного освещения выше или ниже ОЭС 12. Расстояние от головы до инфракрасного осветителя 9 определяется его мощностью и составляет от 20 до 50 см.

Выбор невидимого для человека освещения обусловлен двумя причинами: отсутствия мешающего для человека фактора, получения более четкого изображения за счет управления яркостью инфракрасного осветителя 9 и устранения влияния бликов и других искажений от источников освещения видимого диапазона естественного и искусственного происхождений.

В блоке 4 алгоритма (фиг.2) производят получение изображений. В процессе получения изображение с группового выхода первой видеокамеры 1 и группового выхода второй видеокамеры 2 поступает на групповые входы первого блока ввода изображения 3 и второго блока ввода изображения 4 соответственно. Первый 3 и второй 4 блоки ввода изображения производят преобразование форматов данных, описывающих изображения, в удобный для передачи изображений в контроллер 5 вид. С групповых выходов первого 3 и второго 4 блоков ввода изображения поступают на первый и второй групповые входы контролера 5. Контроллер 5 производит запись поступающих изображений в ОЗУ 6, для чего поступающие данные и адреса, по которым производится запись, определяемые контроллером 5, с третьего группового входа-выхода контроллера 5 поступают на групповой вход-выход контроллера 6.

В блоке 6 производят выделение контуров. Под контуром K_l понимается совокупность отличных от фона изображения точек, таких, что для каждой точки (х_i, y_i) найдется не менее одной соседней точки (х_i, y_i), расположенной на расстоянии 1 пиксел:

Каждый контур описывается множеством из N_kl пар координат точек (х_i, y_i):

К_l={(x_i,y_i),(х₂,y₂),,(х_i,y_i),,(х_Nkl,y_Nkl)},

где N_kl – количество пар координат точек, составляющих контур.

Выделение контуров изображений производит контроллер 5 по формуле

G(x,y)=|I(x+1,y)+I(x-1,y)+I(x,y+1)+I(x,y-1)-4·I(x,y)|,

где В – контурное изображение, определяемое множеством значений яркостей в точках с координатами (х, y), L_p – пороговое значение изменения яркости, по которому определяется принадлежность точки изображения фону или контуру.

Порог L_p контроллер 5 рассчитывают по формуле

где G_min – параметр, определяющий минимальное изменение яркости.

В результате выделения контуров контроллер 5 формирует контурное описание изображения, которое через третий групповой вход-выход контроллер 5 подает на групповой вход-выход ОЗУ 6 и сохраняет его в ОЗУ 6.

Сформированное контурное описание изображения контроллер 5 использует в процессе распознавания глаза и зрачка для формирования эталона зрачка текущего анализируемого пациента (блок 7, фиг.2). Для этого на основе априорной информации об изображении зрачка и глаза (зрачок овальный, на его изображении выделяются две области – радужная оболочка и непосредственно сам зрачок, зрачок имеет цвет, отличный от кожи и глазного яблока, сверху и снизу глаза расположены границы нижнего и верхнего века, уголки глаз имеют острый угол и т.д.) производится распознавание зрачка. Используемый для формирования эталона метод распознавания зрачка позволяет его достоверно выделять на изображении. Метод основан на использовании нормированного скалярного произведения контуров для оценки степени идентичности сравниваемых объектов в процессе распознавания [Введение в контурный анализ и его приложение к обработке изображений и сигналов / Под ред. Я.А.Фурмана. М.: Физматлит, 2002. – 592 с.].

Полученный в результате распознавания эталон зрачка текущего анализируемого пациента контроллер 5 записывает в ОЗУ 6 путем передачи соответствующей информации через свой третий групповой вход-выход на групповой вход-выход ОЗУ 6. Эталон зрачка представляет собой множество точек изображений, характеризуемых яркостью по каждому из трех основных цветов и координатами. Сформированный эталон зрачка в блоке 7 алгоритма в дальнейшем используется для быстрого распознавания и локализации зрачка в блоке 11 алгоритма.

В блоках 9, 10 алгоритма производится анализ контраста зрачка на изображении. Контраст K_t оценивают по сумме значений двух параметров: отношению K_I максимальной I_m и минимальной I_min яркостей пикселей глаза и четкости K_g контура зрачка, обратно пропорциональной количеству разрывов N_dif контурной линии зрачка и прямо пропорциональной значению первой производной G_k изображения контура зрачка по вертикальному и горизонтальному направлению

K_t=k_lK_l+k_gK_g,

где k_l, k_g – весовые коэффициенты.

Для обеспечения получения изображения с максимальным контрастом и, как следствие, наибольшей точности локализации зрачка производят плавное изменение мощности инфракрасного освещения в заданном диапазоне значений и выбор такой мощности, при которой контраст максимальный (блоки 9, 10 алгоритма). В процессе выбора оптимальной мощности инфракрасного осветителя 9 контроллер 5 на своем первом групповом выходе формирует в двоичном параллельном коде число «0» и подает его на групповой вход инфракрасного осветителя 9, в результате инфракрасный осветитель 9 не излучает света. Затем контроллер 5 плавно увеличивает числовое значение на своем первом групповом выходе до максимального. Изображение глаз, получаемое первой 1 и второй 2 видеокамерами, формируется на их групповых выходах и поступает на соответствующие групповые входы первого 3 и второго 4 блоков ввода изображения, которые преобразуют формат данных изображения и со своих групповых выходов подают изображения на первый и второй групповые входы контроллера 5 соответственно. Контроллер 5 определяет контраст изображения и запоминает контраст и соответствующее ему значение на своем первом групповом выходе, задающее мощность инфракрасного осветителя 9. После последовательного изменения мощности инфракрасного осветителя 9 контроллер 5 находит максимальное значение контрастности и соответствующее ему значение мощности инфракрасного осветителя 9 и выставляет это значение на своем первом групповом выходе, поступающее на групповой вход инфракрасного осветителя 9. В результате инфракрасный осветитель 9 освещает с мощностью, при которой обеспечивается получение изображения с максимальным контрастом, что облегчает процесс дальнейшего распознавания и локализации зрачка.

Следующей операцией алгоритма является определение границ области движения зрачка (блок 8). Определение границ области движения зрачка необходимо для сокращения объема вычислений при локализации зрачка и определении его координат, с целью повышения быстродействия устройства и обеспечения возможности его функционирования в реальном масштабе времени для определения параметров (направления и амплитуды) быстрых и саккадических движений глаз. Определение границ области движения зрачка заключается в обнаружении границ глаза путем его распознавания на основе нормированного скалярного произведения контуров. После определения границ глаза размеры полученной области (в которой в блоке 11 будет производиться поиск зрачка) увеличиваются в 1,5 раза для обеспечения возможности распознавания зрачка в случае незначительных поворотов головы. Обнаружение границ глаза выполняет контроллер 5 аналогично процессу формирования эталона зрачка. Параметры области движения зрачка контроллер 5 путем передачи соответствующей информации со своего третьего группового входа-выхода на групповой вход-выход ОЗУ 6 записывает в ОЗУ 6.

Операция быстрого распознавания и локализации зрачка (блок 11) предназначена для определения координат зрачка по его изображению за достаточно малое время, обеспечивающее возможность отслеживания быстрых и саккадических движений глаз. Распознавание зрачка производится путем сравнения изображения в области движения зрачка (области, ограничивающей возможные движения зрачка, определенной в блоке 8) с эталоном, сформированным в блоке 7. Сравнение производят на основе метода, основной операцией которого является поэлементное вычитание изображения эталона из распознаваемого изображения (в данном случае из участков изображения области глаза). В процессе вычитания последовательно анализируют области глаза размером, незначительно превышающим эталон зрачка, и находят ту область, которая в наибольшей степени идентична эталону зрачка.

В общем случае применяемый в блоке 11 метод распознавания характеризуется низкой вычислительной сложностью, но и низким качеством распознавания. В нашем случае предварительное формирование эталона зрачка (в блоке 7) именно текущего обследуемого пациента позволяет существенно повысить достоверность распознавания таким методом и использовать его для быстрого распознавания и локализации зрачка. Низкая вычислительная сложность позволяет аппаратно реализовать метод на комбинационной логике и выполнять необходимые вычисления (в основном вычитание и сравнение) параллельно без использования микропроцессора, выполняющего операции последовательно. В результате обеспечивается высокая скорость распознавания, достаточная для отслеживания быстрых и саккадических движений, и высокая достоверность распознавания.

Распознавание и локализацию зрачка выполняют первый 7 и второй 8 вычислители, реализованные на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). В процессе распознавания контролер 5 считывает из ОЗУ 6 изображения областей возможных движений каждого зрачка и передает их на первый 7 и второй 8 вычислители, при этом необходимые данные поступают с группового входа-выхода ОЗУ 6 на третий групповой вход-выход контроллера 5 и далее с первого и второго групповых входов-выходов контроллера 6 на групповые входы-выходы первого 7 и второго 8 вычислителей соответственно. Первый 7 и второй 8 вычислители распознают и определяют положение зрачков каждого глаза (каждый из первого 7 и второго 8 вычислителей распознает зрачок по изображению только одного из глаз, например первый вычислитель 7 – правого глаза, а второй вычислитель 8 – левого) и формируют на своих групповых входах-выходах координаты зрачков или признак отсутствия зрачка на изображении, поступающие на второй и третий групповые входы-выходы контроллера 5. Контроллер 5 в случае обнаружения обоих зрачков записывает их координаты и время, в которое зрачки занимали указываемое (записываемое в ОЗУ 6) положение, в ОЗУ 6 путем передачи соответствующих данных со своего третьего группового входа-выхода на групповой вход-выход ОЗУ 6. Таким образом, распознавание выполняют первый 7 и второй 8 вычислители, а контроллер 5 осуществляет только передачу данных.

В блоке 13 алгоритма производится проверка распознавания зрачка «быстрым» методом в блоке 11. Если при помощи быстрого распознавания (блок 11) зрачок не найден на изображении, что может быть вследствие изменения внешних условий освещения или резком непроизвольном повороте головы, повторно выполняются блоки 6-10 для возможности распознавания зрачка и определении его положения в блоке 11. В случае наличия на своих первом и втором групповых входах-выходах признака нераспознавания хотя бы одного из зрачков, контроллер 5 возвращается к выполнению блока 6 алгоритма (фиг.2).

Применение двух различных методов распознавания для обнаружения зрачка позволило достоверно автоматически обнаруживать зрачок любого человека за счет использования общего описания эталона зрачка и глаза (в блоке 7), а затем, по сформированному эталону зрачка конкретного человека, зрение которого анализируют, на основе метода, характеризующегося низкой вычислительной сложностью, достоверно обнаруживать его зрачки (в блоке 11) в реальном масштабе времени.

На достоверность и скорость распознавания зрачка в блоке 11 также влияет использование его изображения в инфракрасном диапазоне, при котором темным является только зрачок, а радужная оболочка и остальная часть глаза – светлыми (фиг.4).

Определение изменения положения головы (блок 12) производят по обнаружению зрачка за пределами границ ранее определенной (в блоке 8) его области движения. Вследствие инерционности поворота или смещения головы зрачок не успевает значительно выйти за ранее определенную область его движения, что и позволяет обнаруживать и зрачок, и изменение положения головы по его координатам, и затем повторным выполнением блоков 6, 7, 8 скорректировать границы допустимой области движения и изображение эталона зрачка. При обнаружении изменения положения головы в блоке 12 контроллер 5 возвращается к выполнению блока 8 алгоритма.

В блоке 14 производится определение координат зрачка в пикселах на изображении в локальных двумерных декартовых системах координат первой 1 и второй 2 видеокамер, расчет пространственных (трехмерных) координат зрачков на основе анализа изображений с первой 1 и второй 2 видеокамер в мировой системе координат, определение угла между направлениями взгляда каждого глаза, определение величины косоглазия. Рассчитанные параметры контроллер 5 записывает в ОЗУ 6 путем их передачи со своего третьего группового входа-выхода на групповой вход-выход ОЗУ 6.

В блоке 15 параметры положений зрачков и глаз контроллер 5 формирует на своем втором групповом выходе и передает для дальнейшего использования – для обработки системой верхнего уровня или вывода на дисплей. Рассчитанные параметры, характеризующие направления взгляда каждого глаза и положение зрачков относительно головы, позволяют диагностировать различные отклонения бинокулярного зрения и проводить дальнейшую обработку с целью анализа психофизической активности пациента или для других целей.

В качестве первой 1 и второй 2 видеокамер могут быть использованы видеодатчики МТ9М413 фирмы Микрон, изготовленные по технологии «Активный пиксель» (Active pixel sensor), характеризующиеся частотой формирования кадров 500 Гц при разрешающей способности 1280*1024 пикселей и количестве градации яркости 2¹⁰ по каждому из трех основных цветов (красному, зеленому, синему), (видеодатчики не имеют объективы и должны быть снабжены объективами с углом зрения 40-60° с установленными между видеодатчиками и объективами инфракрасными светофильтрами). Стандартные телевизионные видеокамеры могут быть также использованы, но в этом случае устройство будет обеспечивать измерение относительно медленных движений глаз, и позволит измерять только степень косоглазия.

В качестве контроллера 5 может быть использован микропроцессор с соответствующими вспомогательными элементами, микроЭВМ или цифровой сигнальный процессор. Наиболее предпочтителен вариант использования цифрового сигнального процессора, специально ориентированного на выполнение задач, аналогичных описанным.

Инфракрасный осветитель 9 представляет собой множество инфракрасных светодиодов (от 6 до 20), яркостью которых управляют с группового входа инфракрасного осветителя 9 при помощи цифроаналогового преобразователя, входящего с состав инфракрасного осветителя 9. Также могут быть использованы серийно выпускаемые инфракрасные осветители.

Первый 3 и второй 4 блоки ввода изображения выполняют преобразование формата изображения из формата изображения первой 1 и второй 2 видеокамер в формат, пригодный для ввода изображения в контроллер, и представляют собой ПЛИС-устройства малой степени интеграции. Структура первого 3 и второго 4 блоков ввода изображения определяется типом видеокамер и форматом входных данных контроллера 5.

В качестве ОЗУ 6 целесообразно использовать быстродействующие статические ОЗУ емкостью несколько мегабайт, применяемые для использования совместно с ПЛИС (например, выпускаемые фирмой Xilinx). Также могут быть использованы динамические ОЗУ (например, используемые в персональных компьютерах), но их использование потребует введения специализированной схемы управления и регенерации данных, что усложнит устройство.

В качестве ПЛИС для реализации первого 3 и второго 4 блоков ввода изображения и первого 7 и второго 8 вычислителей могут быть использованы ПЛИС фирмы Xilinx серий Vertex, Vertex2, Vertex4, Spartan емкостью от 1 до 2*10⁶ вентилей. Все указанные блоки устройства могут быть реализованы в одной ПЛИС.

Представленные способ и реализующее его устройство обеспечивают повышение скорости и точности диагностики заболеваний, возможность применения диагностирующего устройства в любых условиях освещения, обеспечение автоматического режима диагностики, устранение мешающего фактора для сна человека (в случае, если исследование проводится в процессе сна) – видимого освещения, простоту практического применения устройства, возможность диагностики заболеваний глаз у детей, диагностику при незначительных поворотах и смещениях головы, возможность использования устройства в составе диагностирующей системы более высокого уровня и получение результатов измерений движений глаз (в том числе саккадических и «быстрых») в реальном масштабе времени. Устройство может быть использовано не только в офтальмологии, но и при решении других практических задач, связанных с анализом движения зрачков глаз.

Формула изобретения

1. Способ измерения быстрых движений глаз и регистрации нарушений бинокулярного зрения, включающий получение изображения глаз, анализ параметров движения глаз, выбор области, в пределах которой движется зрачок глаза, нахождение фигуры с размером и формой, соответствующими размерам и форме зрачка глаза, анализ движения центра этой фигуры, отличающийся тем, что освещают глаза инфракрасным источником света, управляют мощностью источника освещения для получения наиболее контрастного изображения глаз, непрерывно получают изображения обоих глаз при помощи двух видеокамер, установленных напротив лица человека, калибруют взаимное положение видеокамер, формируют эталон зрачка для его последующего быстрого распознавания и локализации на изображении, определяют трехмерные координаты зрачков и направления взгляда в пространстве и передают результаты анализа.

2. Устройство для измерения быстрых движений глаз и регистрации нарушений бинокулярного зрения, содержащее первую видеокамеру, отличающееся тем, что введены вторая видеокамера, контроллер, первый и второй блоки ввода изображения, ОЗУ, первый и второй вычислители, инфракрасный осветитель, первая и вторая видеокамеры составляют бинокулярную оптико-электронную систему, причем выход первой видеокамеры подключен к входу первого блока ввода изображения, выход второй видеокамеры подключен к входу второго блока ввода изображения, групповые выходы первого и второго блоков ввода изображения соединены соответственно с первым и вторым групповыми входами контроллера, первый и второй групповые входы-выходы контроллера подключены соответственно к групповым входам-выходам первого и второго вычислителей, третий групповой вход-выход контроллера подключен к групповому входу-выходу ОЗУ, первый групповой выход контроллера соединен с групповым входом инфракрасного осветителя, второй групповой выход контроллера используется для формирования выходных данных и выдачи их на внешнее устройство для отображения или дальнейшего анализа.

РИСУНКИ