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

摘要

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，量化了头部相对于被观察物的运动，将头部运动与眼球运动叠加，得到眼球相对被观察物的绝对轨迹。同时拍摄头部和瞳孔跟随光点移动的轨迹，将两个轨迹叠加，得到眼球绝对运动轨迹，再计算出眼球跟随光点的轨迹，与绝对运动轨迹的差值就是眼球震颤幅度的轨迹，绘制出不同体位连续时段内眼球震颤的水平、垂直、旋转角度幅值轨迹图，为诊断提供准确数据。检测装置包括视频拍摄头盔系统、校正系统、视动屏系统、座椅和系统主机。本方法消除了常规眼震检测中头部微动对测量的影响，还消除了被观测物对眼球刺激的影响，使检测结果更加精准。检测装置体积大大减少，便于携带和移动。

说明书

所属技术领域

本发明涉及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，尤其补偿头部微动干扰测量结果的方法和装置。

背景技术

随着科技的发展，人们用眼习惯的改变，眼部疾病呈高发态势，眼球震颤(简称眼震)是神经科和眼科临床上常见的症状，按运动表现分为水平性眼震、垂直性眼震、旋转性眼震，按病因分为跟性眼震、前庭性眼震、中枢性眼震、先天性特发性眼震，不同病因的震颤表现有部分类似，容易造成误诊，所以精确的眼震全图对正确诊断尤为重要。目前眼震检测方法有两种：一种是电位式检测法，即检测角膜和视网膜之间的电位差，间接测得眼球震颤情况，这种方法获得的电位差十分微小，天气变化、皮肤状况等常见因素会对结果产生很大的干扰；另一种方法是视频图像检测法，克服了以上缺点，直接检测眼球运动，但这种方法仍存在以下缺点：一是眼球运动幅值本身很小，头部和身体微动会对测量结果产生较大的误差，目前有一种眼罩式或头戴式眼震检测装置，测量的是眼球相对于头骨的位移，但这种方法仍然没有考虑头部相对于被观察物的运动对眼球运动的影响，没有消除这个较大的误差，这个误差特别容易导致医生对周围性自发性眼震疾病严重等级的划分做出错误的判断；二是目前的眼震视频检测数据，是若干个时间点的眼球状态数据，而不是一个时段内连续的眼球运动轨迹，这是不能完整描述病情的；三是目前眼震检测设备中被观察物为发光二极管组成的点阵屏，其亮点的闪烁对眼球刺激较大，会引起眼球的收缩，影响测量结果；四是目前的眼震视图设备体积较大，安装固定要求很高，不便于移动和携带。

发明内容

本发明的目的是：提供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，用以消除眼震检测中干扰因素，尤其是头部微动造成的测量误差，以及由于亮点闪烁刺激引起的眼球收缩对测量造成的干扰，使测量结果更加精确。全过程跟踪眼球运动，分别绘制出固定体位和变体位检测中，连续的眼球水平运动轨迹图、垂直运动轨迹图、水平震颤幅度轨迹图、垂直震颤幅度轨迹图、眼球旋转震颤角度图，确定眼震方向，进而判断病情。将检测设备体积大大减小，便于移动和携带，可在移动医疗车、临时搭建医疗场所使用。

为解决上述问题所采用的技术方案是：通过带有定位标志点的头盔，在跟踪定位眼球瞳孔运动的同时，跟踪相同时间点的头部运动轨迹，并换算成眼球部位的相应位移，两组数据叠加，得到眼球运动轨迹的精确数据。再根据投影屏光点运动，计算出眼球应该跟随光点移动而做出的跟随运动轨迹，眼球运动轨迹与跟随运动轨迹的差值，就是眼震幅度的数据值；被观察物采用投影仪投射到投影屏的图像，消除原来发光二极管对眼球的刺激；座椅、投影屏、投影仪都采用通用器材，减少了专用设备的体积，具体技术方案是：一种补偿式消除变体位误差的眼震全图的检测方法为以下检测步骤：

S0：图像初始化：视频拍摄头盔与固定杆连接，被检测者坐正，面部垂直，系统对瞳孔位置和头顶定位光标进行原点定位和反光强度初值设定；

S1：按照指示，观察投影屏上的光点，投影屏距被检测者1米，进行自发性眼震试验、凝视试验、凝视垂直、扫视试验、平稳跟踪试验、视动性眼震试验：

S2：根据S1步骤拍摄瞳孔的图像视频，跟踪瞳孔圆心的位置变化，测量并计算出固定体位的瞳孔水平、垂直和旋转角度的数据，确定眼震方向；

S3：将视频拍摄头盔从固定杆上拆卸下来，按照指示，以不同体位观察投影屏上 的光点，进行位置头试验、变体位试验，拍摄两眼瞳孔圆心运动、头顶形心红色标志点和端点绿色标志点的运动；

S4：根据S3步骤拍摄瞳孔的图像视频，跟踪瞳孔圆心的位置变化，测量并计算出时间连续的瞳孔水平、垂直和角度的运动数据；

S5：根据S3步骤拍摄头顶定位光标的图像视频，跟踪头部的位置变化，测量并计算出时间连续的头部水平、垂直和角度的运动数据，再根据头盔半径，将头部位移数据转化成眼球位置的位移数据；

S6：将S4步骤得到的瞳孔运动数据与S5步骤得到的头部运动数据叠加，得到连续的眼球运动轨迹图。

S7：根据S3步骤中光点的运动，计算出眼球跟随光点的跟随运动轨迹，S6步骤得到的眼球运动轨迹与眼球跟随运动轨迹的差值就是眼球震颤幅度的精确数据。

进一步的是，绘制了检测时段内眼球连续的运动轨迹，分别绘制固定体位和变体位检测中，眼球水平运动轨迹、垂直运动轨迹、旋转运动轨迹。

进一步的是，对拍摄图像进行二值化处理变为灰度图像，使用Gabor滤波器模块提取图像特征，得到图像边缘，获取跟踪物半径、位移计运动轨迹数据，Gabor滤波器方向取8个，频率取5个。

进一步的是，S2所诉的确定眼震方向的方法是对眼球位移函数进行一个周期内的时间求导，绝对值大的表示眼震运动速度快，定为快相进而确定眼震方向，

眼球水平运动速度：

其中STx为瞳孔水平位移，dt为对水平位移进行时间求导，

眼球垂直运动速度：

其中STy为瞳孔水平位移，dt为对垂直位移进行时间求导，医疗上眼震慢相为前庭刺激所引起；快相则为中枢矫正性运动。眼球运动的慢相朝向前庭兴奋性较低的一侧，快相朝向前庭兴奋性较高的一侧。

进一步的是，S2所诉的自发性眼震试验、凝视试验的水平和垂直眼球震颤幅度和眼球旋转角度的计算方法，消除了被检测者头部微动和身体倾斜的干扰，具体方法如下：根据拍摄图像视频确定瞳孔圆心位移轨迹T(x，y，t)，其中x为轨迹水平方向位移，y为轨迹垂直方向位移，t为时间；

瞳孔圆心位移为：ST(x，y，t)＝T(x，y，t)-T0(x，y，0)

其中T0(x，y，0)为S0步骤确定的瞳孔圆心初始位置，

眼球旋转角度$\alpha (\alpha ,t)={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{ST}}_Y}{{\mathrm{ST}}_X},$

其中ST_Y为瞳孔垂直方向的位移，ST_X为瞳孔水平方向的位移

投影屏上光点位移为G(x，y，t)米，投影屏与被检查者距离为L米，则任意时刻视线凝视光点时，瞳孔相应的跟随位移为GT，跟随旋转角度为Gα，公式为：

跟随位移：GT(x，y，t)＝G(x，y，t)×R0÷L

其中R0为眼球半径，G(x，y，t)为投影屏上光点在t时刻的水平和垂直位移

跟随旋转角度：其中GT_X和GT_Y为跟随位移水平和垂直方向的分量。

眼球震颤幅度为瞳孔位移ST(x，y，t)和跟随位移GT(x，y，t)的差值，公式为：

眼球震颤幅度：ΔST(x，y，t)＝ST(x，y，t)-GT(x，y，t)

眼球旋转角度的偏差值为眼球旋转角度α(α，t)与跟随旋转角度Gα的差值，公式为：

眼球震颤旋转角度：Δα(α，t)＝α(α，t)-Gα

进一步的是，S5所诉的头部水平和垂直运动的计算方法以及与眼球运动叠加的方法如下：头部不固定时，根据定位光标形心红色标志点的坐标，确定头部位移轨迹HG(x，z，t)，

头部水平转角其中HGz为头部前后方向位移，HGx为头部水平方向的位移；

头部垂直转角$\mathrm{H\alpha v}=(\alpha ,t)={\cos }^{-1}\frac{\sqrt{{(\mathrm{Ly}-\mathrm{Oy})}^2+{(\mathrm{Lx}-\mathrm{Ox})}^2}}{{(\mathrm{LY}0-\mathrm{Oy}0)}^2+{(\mathrm{Lx}0-\mathrm{Ox}0)}^2}$

其中L(x，y，t)为头盔定位光标端点绿色标志点位移坐标，0(x，y，t)为头盔定位光标形心红色标志点位移坐标，L(x0，y0，0)为头盔定位光标S0步骤初始化时的端点绿色标志点位移坐标，0(x0，y0，0)为头盔定位光标S0步骤初始化时形心红色标志点位移坐标，头部位移和眼球位移叠加，得到眼球在头部不固定时的运动轨迹

眼球水平位移：ST′(x，t)＝T(x，t)-T0(x，0)+HG(x，t)+Hαh(α，t)×RH

其中T(x，t)为瞳孔水平位移轨迹，T0(x，0)为瞳孔初始水平位置，HG(x，z，t)为头部位移轨迹，Hαh(α，t)为头部水平转角，RH为定位光标形心到眼球的水平距离。

眼球垂直位移：ST′(y，t)＝T(y，t)-T0(y，0)+Hαv(α，t)×RH

其中T(y，t)为瞳孔圆心垂直位移轨迹，T0(y，0)为瞳孔圆心初始垂直位置，Hαv(α，t)为头部垂直转角，RH为定位光标形心到眼球的水平距离。

一种补偿式消除变体位误差的眼震全图的检测装置包括：视频拍摄头盔系统(A)、校正系统(B)、视动屏系统(C)、座椅(D)和系统主机。装置的连接顺序为：当被检测者头部固定时，座椅(D)连接固定杆(9)底部，固定杆(9)下部连接视频拍摄头盔系统(A)，视频拍摄头盔系统(A)的视频线连接至系统主机的视频输入口，固定杆顶部连接校正摄像机(6)，校正摄像机(6)位于视频拍摄头盔正上方，校正摄像机(6)的视频线连接至系统主机的视频输入口，投影仪(7)的视频线连接至系统主机的视频输出口，当被检测者头部不固定时，将固定杆(9)与视频拍摄头盔系统(A)拆卸。

进一步的是，视频拍摄头盔系统(A)内部安装两部红外摄像机(5)，两部红外摄像机(5)可垂直旋转调整角度，也可水平移动调整位置。

进一步的是，视频拍摄头盔系统(A)包含眼罩支架(4)，根据不同的检测试验插入不同功能的眼罩挡片。

进一步的是，不同功能的眼罩挡片包括格栅挡片，全挡片等，用于不同的检测条件。

进一步的是，视频拍摄头盔系统(A)的内部有柔性海绵内衬，可根据被检测者头部的形状调整，使头盔相对头部固定。

根据权利要求3所述的一种补偿式消除变体位误差的眼震全图的检测装置，其特征在于：视频拍摄头盔系统(A)顶部具有定位光标(1)，定位光标形状为正“+”形，定位光标形心有红色标志点(2)，定位光标端点有绿色标志点(3)，校正摄像机(6)固定在视频拍摄头盔系统(A)上方拍摄定位光标。

进一步的是，座椅(D)与固定杆(9)的连接可拆卸，固定杆(9)与视频拍摄头盔系统(A)的连接可拆卸，而且连接时可以调整视频拍摄头盔的固定高度。

进一步的是，视动屏系统(C)采用投影仪(7)和投影屏(8)。

进一步的是，系统主机含有图像处理器，具有分析计算视频图像功能，还可以根据检测需要编辑投影仪图案动画。

本发明的有益效果为：头部和身体微动的位移和角度，被考虑入计算方法中，消 除了眼震检测中最大的干扰误差，精确了测量结果。本方法分别记录眼球的水平和垂直运动轨迹、眼球的水平和垂直震颤幅度轨迹，给疾病判断提供了精确的数据。检测装置中，被观察物采用投影屏，消除了原来二极管闪烁对眼部的刺激，柔和的光线使眼球状态更加稳定，有利于测量结果，而且被观察图像可以根据检测需要进行编辑，使检测设备的功能具有极大的可扩展性。视频拍摄头盔与座椅拆卸灵活，适用于不同体位和运动型眼震检测，而且设备体积大大减小，部分设备为通用器材，如投影仪、投影屏，座椅，降低了安装和固定要求，便于携带和移动，可广泛应用在移动医疗车、临时搭建医疗场所中。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程图：

图2是本发明检测装置的结构示意图：

图3是本发明检测方法位移相对关系示意图：

图中标记为：A-视频拍摄头盔系统、B-校正系统、C-视动屏系统、D-座椅。1-定位光标、2-红色标志点、3-绿色标志点、4-眼罩支架、5-红外摄像机、6-校正摄像机、7-投影屏、8-投影仪、9-固定杆。

具体实施方式

实施例一：如图1流程所示，本实施例为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，以45度位置头检测为例说明检测方法和装置使用，45度位置头检测条件为：头部不固定，双眼无挡片，颈部水平旋转45度，凝视投影屏中央光点30秒。

检测装置包括以下连接设备：被检测者坐在座椅上，头戴视频拍摄头盔，视频拍摄头盔与固定杆拆卸，固定杆底部连接座椅，固定杆顶部连接校正摄像机，校正摄像机位于视屏拍摄头盔正上方，拍摄视频拍摄头盔顶部定位光标，视频拍摄头盔和校正摄像机的视频线都连接系统主机的视频输入口，系统主机的视频输出口连接投影仪的视频输入口，投影仪将视频图像投放到投影屏播放，投影屏中心位置与被检测者眼睛等高，投影屏与被检测者距离为1米；

视屏拍摄头盔内的两部红外摄像机和头顶校正摄像机的图像都传输至系统主机，系统主机内有图像处理器，对拍摄图像进行二值化处理变为灰度图像，使用Gabor滤波器模块提取图像特征，得到两只瞳孔边缘、眼球半径、瞳孔圆心运动轨迹、头盔顶部定位光标形心的红色标志点运动轨迹、定位光标端点的绿色标志点运动轨迹，Gabor滤波器方向取8个，频率取5个。

根据视频拍摄头盔内的红外摄像机图像，瞳孔圆心的运动就是眼球的实际运动，瞳孔圆心位移为：ST(x，y，t)＝T(x，y，t)-T0(x，y，0)

其中T0(x，y，0)为S0步骤确定的瞳孔圆心初始位置，T(x，y，t)为瞳孔圆心位移轨迹，

t时刻眼球旋转角度$\alpha (\alpha ,t)={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{ST}}_Y}{{\mathrm{ST}}_X},$

其中ST_Y为瞳孔t时刻垂直方向的位移，ST_X为瞳孔t时刻水平方向的位移

对眼球位移函数进行一个周期内的时间求导，绝对值大的表示眼震运动速度快，定为快相进而确定眼震方向，

眼球水平运动速度：

其中STx为瞳孔水平位移，dt为对水平位移进行时间求导，

医疗上眼震慢相为前庭刺激所引起：快相则为中枢矫正性运动。眼球运动的慢相朝向前庭兴奋性较低的一侧，快相朝向前庭兴奋性较高的一侧。

投影屏上光点位于中央，投影屏与被检查者距离为1米，远大于眼球直径，因此由于投影屏高度引起的测量误差可忽略不计，因此凝视光点时，瞳孔相应跟随旋转角度应为0度，跟随位移应为：$\mathrm{GT}(x,y,t)=(\frac{\pi }{4}R0,0,t),$其中R0为眼球半径

根据头顶校正摄像机的图像，定位光标形心的红色标志点运动轨迹就是头部位移轨迹HG(x，z，t)，

头部水平转角$\mathrm{H\alpha h}=(\alpha ,t)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{HGz}}{\mathrm{HGx}}$

其中HGz为头部前后方向位移，HGx为头部水平方向的位移

头部垂直转角$\mathrm{H\alpha v}=(\alpha ,t)={\cos }^{-1}\frac{\sqrt{{(\mathrm{Ly}-\mathrm{Oy})}^2+{(\mathrm{Lx}-\mathrm{Ox})}^2}}{{(\mathrm{LY}0-\mathrm{Oy}0)}^2+{(\mathrm{Lx}0-\mathrm{Ox}0)}^2}$

其中L(x，y，t)为头盔定位光标端点绿色标志点位移坐标，0(x，y，t)为头盔定位光标形心红色标志点位移坐标，L(x0，y0，0)为头盔定位光标S0步骤初始化时的端点绿色标志点位移坐标，0(x0，y0，0)为头盔定位光标S0步骤初始化时形心红色标志点位移坐标，头部位移和眼球位移叠加，得到眼球在头部不固定时的运动轨迹

眼球水平位移：ST′(x，t)＝T(x，t)-T0(x，0)+HG(x，t)+Hαh(α，t)×RH

其中T(x，t)为瞳孔水平位移轨迹，T0(x，0)为瞳孔初始水平位置，HG(x，z，t)为头部位移轨迹，Hαh(α，t)为头部水平转角，RH为定位光标形心到眼球的水平距离。

眼球垂直位移：ST′(y，t0＝T(y，t)-T0(y，0)+Hαv(α，t)×RH

其中T(y，t)为瞳孔圆心垂直位移轨迹，T0(y，0)为瞳孔圆心初始垂直位置，Hαv(α，t)为头部垂直转角，RH为定位光标形心到眼球的水平距离。

眼球震颤幅度为瞳孔位移和跟随位移的差值，公式为：

眼球震颤水平幅度：$\mathrm{\Delta ST}(x,t)={\mathrm{ST}}^{\prime }(x,t)-\mathrm{GT}(x,t)={\mathrm{ST}}^{\prime }(x,t)-\frac{\pi }{4}R0$

眼球震颤垂直幅度：$\mathrm{\Delta ST}(y,t)={\mathrm{ST}}^{\prime }(y,t)-\mathrm{GT}(y,t)={\mathrm{ST}}^{\prime }(y,t)-\frac{\pi }{4}R0$

眼球震颤旋转角度的偏差值为眼球旋转角度与跟随旋转角度的差值，公式为：

眼球震颤旋转角度：Δα(α，t0＝α(α，t)-0 。