СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОВОКУПНОСТИ КЛИНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИИ ЗРЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК A61B3/00 

Область техники

Изобретение относится к системам и способам для измерения клинических параметров функции зрения. Более конкретно, оно относится к методам, использующим для измерения параметров этого типа погружение в виртуальную реальность.

Уровень техники

В настоящее время измерение клинических параметров функции зрения требует проведения специалистом в клинических условиях сеанса, в процессе которого пациент исследуется с использованием нескольких тестов и оптотипов. Как правило, участие персонала в процессе измерений и наличие процедур, осуществляемых вручную, делает результаты субъективными, плохо воспроизводимыми и только качественными.

При этом измерения, связанные с функцией зрения, подлежащей тестированию, проводятся независимо одно от другого. Это иногда приводит к недостоверным результатам из-за того, что при этом не учитывается влияние других факторов. Например, известно, что пациенты обычно компенсируют определенную аномалию или дефект функции зрения совместным использованием других факторов функции зрения.

Вкратце, в настоящее время адаптивные возможности пациента не принимаются во внимание; как следствие, действия, направленные на коррекцию конкретной аномалии, могут на практике привести к общему ухудшению зрения пациента. Кроме того, на измерения и тестирование пациента влияет субъективность проводящего их специалиста, что существенно ограничивает воспроизводимость и согласованность получаемых экспериментальных результатов.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к системе для измерения, предпочтительно в реальном времени, совокупности офтальмологических и окуломоторных параметров, а также параметров функции зрения и для разработки методов терапии и тренировки с целью улучшения данной функции.

С этой целью в системе используются следящие датчики, которые детектируют положение зрачков пользователя, и дисплейный блок для трехмерного (3D) воспроизведения пользователю определенных сцен с 3D-объектами, имеющими заданные свойства, относящиеся к размеру, форме, цвету, скорости и т.д. Значения этих свойств выбираются в зависимости от типа теста, который должен быть проведен как часть соответствующего сеанса. Датчики движения детектируют движения пользователя, так что дисплейный блок может адаптировать сцену и придать ей характер, облегчающий погружение в нее.

Система содержит также интерфейс, с которым может взаимодействовать пользователь. Более конкретно, интерфейс принимает от пользователя команды по взаимодействию с дисплейной системой. Эти команды могут вводиться многими различными способами (посредством управляющих кнопок, голосовых команд, перчаток и т.д.).

Система использует, кроме того, процессорные средства, координированным образом управляющие дисплейным блоком, датчиком и интерфейсом. Таким образом, отклики пользователя на визуальные стимулы, сгенерированные дисплейным блоком, детектируются датчиками и передаются процессорным средствам для измерения клинических параметров. Полученные значения клинических параметров могут сравниваться с хранящимся в памяти интервалом референтных значений.

Важная особенность изобретения заключается в использовании технологии, основанной на виртуальной реальности, что делает возможным создание различных сред для взаимодействия с пользователем. Более конкретно, задача заключается в обеспечении возможности погружения в виртуальную среду. Это представляет особый интерес для создания условий, которые для пользователя представляются близкими к реальности и которые поэтому могут неоднократно воспроизводиться, если это представляется желательным. С этой целью дисплейный блок необходимо связать с датчиками движения, закрепленными на пользователе. В некоторых вариантах осуществления в качестве этого блока можно использовать очки виртуальной реальности, а в других - 3D-экран и поляризационные очки. В любом случае подключение датчиков движения к дисплейному блоку позволяет адаптировать 3D-изображение к движению или положению человека, создавая у пользователя ощущение перемещения в отображаемой виртуальной среде, т.е. ощущение погружения в эту среду предпочтительно при поле зрения не менее 60°. Это делает возможным эффективно проводить оценивание, терапию и тренировку функции зрения. Чтобы решить рассмотренные задачи, важна точная координация между компонентами, используемыми при проведении сеанса. Так, пользователь сначала знакомится с 3D-средой виртуальной реальности, рассчитанной на погружение в нее пользователя. В этой 3D-среде будут воспроизводиться, в качестве "оптотипов", некоторые 3D-объекты, предназначенные служить стимулами, на которые пользователь должен фокусировать свое зрение и которые выбираются в зависимости от проводимого теста.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена упрощенная блок-схема возможного варианта осуществления изобретения.

На фиг.2А, 2В представлен пример измерения применительно к здоровому пользователю, глядящему на сцену с движущимся 3D-объектом.

На фиг.3А, 3В представлен пример измерения применительно к пользователю с дисфункцией, глядящему на сцену с движущимся 3D-объектом.

На фиг.4 представлена блок-схема, иллюстрирующая основные этапы варианта осуществления способа.

Осуществление изобретения

Далее, со ссылками на чертежи, будет подробно описан неограничивающий вариант изобретения.

Фиг. 1 иллюстрирует систему для измерения совокупности клинических параметров функции зрения в реальном времени. Система содержит несколько компонентов, в том числе следящий датчик 10, который используется для периодического детектирования положения зрачков пользователя. В результате могут быть измерены не только изменения направления, но также их скорость. В общем случае следящий датчик 10 делает возможным измерять группу параметров в процессе проведения конкретного теста в рамках сеанса. Фиг. 2 и 3 подробно иллюстрируют этот аспект изобретения. Более конкретно, следящий датчик 10 может определять значения для положений правого глаза и левого глаза, для положения объекта, на который смотрит пользователь (обоими глазами и одним глазом), расстояние глаз-датчик, размер зрачка, межзрачковое расстояние, скорость движения глаза и т.д. В общем случае, чтобы осуществлять измерения, следящий датчик 10 содержит пару камер, которые должны быть сфокусированы на глаза пользователя и отслеживать их движение и положения. Это требует использования частоты семплирования, достаточно высокой для отслеживания быстрых движений глаз. Датчик может также рассчитывать позицию (точку) в генерированной виртуальной среде, на которую смотрит пользователь. Следящий датчик 10 является важным условием для правильного проведения оптометрических измерений. Большое количество дисфункций может детектироваться посредством аномальных движений глаз под воздействием нескольких стимулов. Для большей ясности на фиг.2 и 3 представлены примеры того, как измерения, выполняемые датчиками 10, 60, ассоциированы с состоянием зрения пользователя с возможной дисфункцией или без нее.

Дисплейный блок 20, позволяющий осуществить погружение в 3D-среду, воспроизводит или проецирует для пользователя сцены, обладающие глубиной и содержащие 3D-объекты, имеющие заданные свойства, относящиеся к размеру, форме, цвету, локализации в пределах сцены, расстоянию от пользователя, стоящего или находящегося в движении, и т.д. Эти сцены, включающие 3D-объекты, выполняющие функцию оптотипов, могут выбираться в системе в соответствии с типом теста, который должен быть проведен, и позволяют создавать для пользователя определенные визуальные стимулы. Таким образом, для пользователя может быть воспроизведено множество сцен, создающих различные визуальные задачи и стимулы либо для оценки, либо для терапии или тренировки функции зрения.

Система содержит также интерфейс 30 для взаимодействия с пользователем. Более конкретно, интерфейс принимает от пользователя команды по управлению дисплейным блоком 20 и другими элементами системы. В свою очередь, интерфейс 30 может также передавать пользователю инструкции по тестированию. В результате система может измерять отклик на действия пользователя (движение, положение в трехмерной среде, нажатие кнопок и т.д.).

Система содержит также процессорные средства 40, предпочтительно реализованные в виде сервера 42 и терминала 44, которые координируют управление дисплейным блоком 20, датчиком 10 и интерфейсом 30, так что визуальные отклики (реакции) пользователя могут детектироваться датчиком 10 и передаваться серверу 42 для измерения клинических параметров функции зрения. Кроме того, дисплейный блок 20 обеспечивает возможность адаптации отображаемого 3D-изображения в соответствии с движением пользователя. Дисплейный блок 20 может быть снабжен диссоциирующей (dissociating) системой (например в виде поляризационных очков). Система может быть выполнена с возможностью проведения сравнения с интервалом референтных значений, основываясь на профиле пользователя, включающем, по меньшей мере, информацию о возрасте.

Тест предпочтительно запускается через 3D-интерфейс. При визуализации конкретной сцены визуальные стимулы пользователя, которые были детектированы датчиком 10 в определенный момент, ассоциируют с 3D-объектами, отображаемыми в данный момент дисплейным блоком 20. При этом изменения положения зрачков пользователя детектируются и комбинируются с движениями его головы, которые детектируются посредством датчика 60 движения. Наличие связи между датчиком 60 движения и дисплейным блоком 20 позволяет демонстрировать 3D-изображение, адаптированное к движению или положению человека. В результате пользователь может ощущать себя реально движущимся через указанную визуализируемую виртуальную среду, т.е. погруженным в нее.

Данные обрабатывают, и свойства 3D-объектов ассоциируют со сгенерированными стимулами, которые детектированы датчиками 10, 60. Это делает возможным измерять клинические параметры функции зрения в воспроизводимых и контролируемых условиях. Таким образом, посредством соответствующей обработки принимаемых данных можно получить сведения о визуальном поведении пользователя, движении глаз, конвергенции и т.д. Кроме того, клинические параметры функции зрения можно будет сравнить с ожидаемым интервалом этих параметров, чтобы оценить, не существует ли какой-нибудь проблемы.

Как было отмечено, одновременно с визуализацией 3D-объектов в дисплейном блоке 20, следящий датчик 10 отслеживает параметры взгляда пользователя в указанной среде виртуальной реальности. Следящий датчик 10 регистрирует:

- положение глаз (левого и правого);

- место, на которое смотрит каждый глаз (по отдельности);

- место, на которое пользователь смотрит в трехмерной среде, используя оба глаза.

Одновременно могут выводиться инструкции, чтобы направлять пользователей, объясняя, что они должны делать в каждый момент. Эти инструкции, выдаваемые через интерфейс 30, могут быть в форме текстовом или аудио формате. Интерфейс 30 также дает пользователю возможность взаимодействовать с 3D-объектами сцены, отображенной дисплейным блоком 20. Когда начинается взаимодействие с пользователем, детектированные отклики на стимулы, т.е. результаты измерений, должны быть зарегистрированы.

Эти отклики пользователя могут осуществляться, например, посредством следующих действий:

- перемещение устройства (в любом направлении в пространстве);

- позиционирование устройства в среде виртуальной реальности;

- нажатия кнопок устройства;

- голосовые команды.

В рассмотренной ситуации процесс выполнения описанных задач предпочтительно осуществляется на клиентском терминале 44, хотя эти задачи были загружены с внешнего сервера 42. Распределенная конфигурация позволяет снизить технические требования к терминалу 44, обеспечить централизованное управление тестами, проводимыми в отношении различных пользователей, доступ к статистическим данным и т.д. Например, самые трудные операции и вычисления можно производить на сервере 42, снимая нагрузку по обработке с терминала 44. Аналогично, сервером 42 могут быть определены следующие характеристики, задаваемые для тестирования:

- среда виртуальной реальности, которая может быть использована;

- 3D-объекты и их характеристики (размер, расстояния, цвета, движения и т.д.);

- какие инструкции нужно выдать пользователю;

- когда получать информацию от следящего датчика 10;

- когда получать информацию с пользовательского интерфейса 30;

- какие данные нужно зарегистрировать и вывести как результат выполнения задания.

Характеристики являются изменяемыми как функция времени в соответствии с заданной программой.

Данные, которые должны быть зарегистрированы, включают данные, поступающие от датчиков 10, 60, а также результаты взаимодействия с пользователем через интерфейс 30.

После того как локальная обработка данных будет завершена, их группируют и посылают на сервер 42 для хранения и последующего анализа. По его результатам могут быть проведены статистическая обработка, новые тесты, выдача рекомендаций, курсы лечения и т.д.

Например, можно проверить, находятся ли значения, полученные для определенных параметров, в допустимых пределах, определенных в результате научных исследований и хранящихся на сервере 42. С другой стороны, в соответствии с рекомендациями может быть сконструирована новая сцена, служащая в качестве средства терапии или тренировки для улучшения некоторых функциональностей, для которых тесты дали плохие результаты.

Фиг. 2А и 2В иллюстрируют пример, в котором пользователь взаимодействует с системой в два момента времени. В начальный момент t=ti система отображает на дисплейном блоке 20, 3D-модель, соответствующую поезду, идущему по рельсам.

Пользователь несет на себе датчик 60 движения для регистрации, в оба указанных момента, движения головы (Xic, Yic), (Xfc, Yfc) и расстояния Dio, Dfo до дисплейного блока 20. Аналогично, следящий датчик 10 регистрирует движения зрачков пользователя в оба указанных момента, дополнительно обеспечивая информацию о положении обоих зрачков: правого (xi1, yi1, zi1), (xf1, yf1, zf1) и левого (xi2, yi2, zi2), (xf2, yf2, zf2).

В каждый из этих моментов дисплейный блок 20 отображает 3D-объект в одном из двух различных виртуальных положений (xio, yio, zio), (xfo, yfo, zfo) и с одним из двух различных объемов Vio, Vfo. Другие свойства, например цвет 3D-объекта, могут варьироваться в зависимости от теста, подлежащего выполнению в данном сеансе.

В процессе обработки указанных значений производится проверка того, правильно ли скоординированы глаза пользователя с движением 3D-объекта в отображаемой сцене. Правильная координация свойственна здоровому человеку.

Фиг. 3А и 3В схематично иллюстрируют аналогичный случай, но в котором визуальное поведение пользователя не соответствует стимулам должным образом. Как можно видеть из фиг.3А, пользователь не направляет правильным образом зрительную (визуальную) ось своего левого глаза (x_i2, y_i2, z_i2) на интересующий объект (V_io), что указывает на дефект его бинокулярного зрения (страбизм). В этом случае угол отклонения удерживается движущимся интересующим объектом (V_fo) на постоянном уровне (см. фиг.3В). Это указывает на выполнение комитантного условия (англ. comitant condition), т.е. на постоянный угол отклонения при различных направлениях взгляда. Данная информация является критичной для определения серьезности состояния, а также для типа рекомендации по глазной терапии с целью восстановить бинокулярность зрения данного человека.

Разумеется, проиллюстрированная сцена выбрана просто в качестве примера. Другими примерами могут быть: аквариум с рыбками, которые имеют различные формы, цвета и размеры и которые появляются и исчезают; дорога с автомобилем, приближающимся к пользователю; норы с кротами, выходящими случайным образом, и т.д. В этих сценах все параметры могут быть измерены объективно и одновременно (без недооценки существующего их влияния друг на друга).

На фиг.4 схематично иллюстрируется возможная последовательность действий в процессе функционирования системы при проведении теста. На первом этапе 50 регистрируется релевантная персональная информация пользователя. Вводимые данные предпочтительно включают: пол, возраст, привычки и т.д. Для этой цели может быть использован интерфейс 30. Пользователь направляет, через терминал 44, в качестве клиента, запрос на сервер 42, после чего устанавливается приложение, ассоциированное с типом выбранного теста.

Пользователь располагается перед дисплейным блоком 20, и ему через интерфейс 30 или дисплейный блок 20 выдаются инструкции, как правильно расположить следящий датчик 10 или как занять соответствующее положение относительно дисплейного блока с учетом датчика 60 движения. Затем, на этапе 51 отображается сцена, релевантная выбранному тесту и содержащая один или несколько 3D-объектов, свойства которых изменяются во времени или в результате взаимодействия с пользователем.

На этапе 52 пользователь и дисплейный блок взаимодействуют через интерфейс 30. В типичном случае пользователю могут в процессе тестов выдаваться инструкции с использованием как графики, так и аудио. Например, интерфейс 30 может содержать любой компонент, облегчающий пользователю взаимодействие с 3D-объектами сцены 30, отображаемой дисплейным блоком 20.

На этапе 53 датчики 10, 60 детектируют значения, пока отображается сцена. Эти данные должны посылаться, с минимальной задержкой, терминалу 44.

Терминал 44 принимает собранные данные и, проведя их предварительную обработку, посылает их серверу 42, чтобы получить, на этапе 54, значения клинических параметров функции зрения.

По завершении теста или сеанса, включающего различные тесты, терминал 44 посылает полученные данные серверу 42 для их хранения и дальнейшей обработки. Более конкретно, на этапе 55 параметры сравниваются с ожидаемым интервалом значений в соответствии с профилем пользователя.

Сервер 42 может быть выполнен с возможностью проведения сравнения значений с информацией из базы данных, содержащей референтные значения.

После того как сервер 42 завершит обработку данных, он ассоциирует их, на этапе 56, с возможной дисфункцией.

В завершение, сервер, на этапе 57, генерирует возможные рекомендации по ослаблению или устранению дисфункции и передает их терминалу 44, чтобы они были показаны пользователю вместе с полученными результатами.

Благодаря применяемой технологии тесты проводятся объективно и интегрально (а также кастомизированным образом) и позволяют идентифицировать различные визуальные дисфункции. Более конкретно, идентифицируются: дисфункции, ограничивающие подвижность глазного яблока, способности наведения глаза на интересующий объект (недостаточная конвергенция, избыточная дивергенция, негибкость вергентных движений) или способность фокусировки (недостаточная аккомодация, чрезмерная аккомодация, негибкость аккомодации), или ограничения при переводе взгляда с одного объекта на другой (саккадные движения глаз), при слежении за объектом (плавное сопровождающее движение), или ограничения возможностей зрительного восприятия, требующихся для идентификации и использования информации об окружающей обстановке. Все эти ограничения можно оценить и воздействовать на них кастомизированным образом (с учетом не только условий, при которых был проведен тест, но также и результатов каждого рабочего сеанса). При этом для выполнения одного и того же задания можно использовать широкое разнообразие визуализаций, что позволяет лучше адаптироваться к ежедневным визуальным потребностям и поддерживать интерес и внимание при выполнении заданий.

Следует отметить, что изобретение полезно не только для идентификации дисфункций, но также для тренировки физической и технической активности здоровых пользователей посредством визуальных стимулов и задач. Это может непосредственно относиться к спортсменам и детям, а также может быть расширено на определенные профессии (например, на водителей и пилотов) и на визуальные потребности любителей (в связи с работой с миниатюрами, различными играми и т.д.).

Следует отметить также, что одно из преимуществ, обеспечиваемых изобретением, состоит в том, что для размещения необходимых устройств требуется ограниченное пространство. Например, для варианта, использующего экран, сконфигурированный как дисплейный блок 20, все устройства могут быть размещены на столе, предпочтительно на расстоянии от 50 см до 1 м от сидящего пользователя. В число процессорных средств 40 входит компьютер. Остальные элементы (цифровые ручки, управляющие устройства, перчатки и др.) находятся на голове и руках пользователя. Количество компонентов будет еще меньше в варианте, в котором дисплейный блок 20 представляет собой очки виртуальной реальности.

Заявленное изобретение относится к медицине, а именно к методам, использующим для измерения параметров этого типа погружение в виртуальную реальность. Предложенная система для измерения совокупности клинических параметров функции зрения содержит: дисплейный блок для отображения сцены с 3D-объектом, имеющим изменяемые характеристики, такие как виртуальное положение и виртуальный объем 3D-объекта в указанной сцене; датчики движения для детектирования положения головы пользователя и расстояния от дисплейного блока; следящие датчики для детектирования положения зрачков пользователя и межзрачкового расстояния; интерфейс для обеспечения пользователю возможности взаимодействовать со сценой; процессорные средства для анализа отклика пользователя на основе данных, поступивших от датчиков и интерфейса совместно с изменениями характеристик 3D-объекта, а также для выдачи оценок группы клинических параметров функции зрения, включая бинокулярность, аккомодацию, подвижность глазного яблока и зрительное восприятие. Изобретение обеспечивает идентификацию дисфункций, а также тренировку физической и технической активности здоровых пользователей посредством визуальных стимулов и задач. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система для измерения совокупности клинических параметров функции зрения, отличающаяся тем, что содержит:

- дисплейный блок (20), выполненный с возможностью отображения сцены, в которой по меньшей мере один 3D-объект имеет изменяемые характеристики для стимуляции визуального отклика пользователя, при этом указанные изменяемые характеристики включают по меньшей мере виртуальное положение (X_o, Y_o, Z_o) и виртуальный объем (V_o) 3D-объекта в указанной сцене;

- группу датчиков (60) движения, выполненных с возможностью детектирования положения (X_c, Y_c) головы пользователя и расстояния (D_o) от дисплейного блока (20);

- группу следящих датчиков (10), выполненных с возможностью детектирования положения (х_р, у_р, z_p) и диаметра (d_p) зрачков пользователя;

- интерфейс (30), выполненный с возможностью варьирования по меньшей мере виртуального положения и виртуального объема 3D-объекта в указанной сцене и сконфигурированный для обеспечения пользователю возможности взаимодействовать с указанной сценой;

- процессорные средства (42, 44), выполненные с возможностью анализа отклика пользователя на основе:

ассоциирования поступающих от датчиков (60, 10) измерительных данных о пользователе и команд пользователя по взаимодействию со сценой, введенных через интерфейс (30), с изменениями характеристик 3D-объекта, отображаемого дисплейным блоком;

получения оценок группы клинических параметров функции зрения пользователя;

сравнивания клинических параметров с хранящимся в памяти интервалом референтных значений; и

выявления по результатам сравнения возможной визуальной дисфункции.

2. Система по п. 1, в которой характеристики являются изменяемыми как функция времени в соответствии с заданной программой.

3. Система по п. 1 или 2, в которой изменяемые характеристики также включают цвет 3D-объекта.

4. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой характеристики являются изменяемыми как функция взаимодействия пользователя через интерфейс (30).

5. Система по п. 4, в которой интерфейс (30) содержит по меньшей мере одно из следующих устройств: цифровую ручку, перчатку, управляющее устройство или аналогичный компонент.

6. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой дисплейный блок (20) содержит 3D-экран.

7. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой дисплейный блок (20) содержит очки виртуальной реальности.

8. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой дисплейный блок (20) содержит диссоциирующую систему.

9. Система по п. 8, которая выполнена с возможностью проведения сравнения с интервалом референтных значений, основываясь на профиле пользователя, включающем по меньшей мере информацию о возрасте.

10. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой процессорные средства содержат сервер (42) и клиентский терминал (44), выполненный с возможностью приема и обработки данных измерений от датчиков (10, 60) и отправки их серверу (42).

11. Система по п. 10, в которой сервер (42) выполнен с возможностью проведения сравнения значений с информацией из базы данных, содержащей референтные значения.

12. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой клинические параметры функции зрения включают по меньшей мере один из следующих параметров: бинокулярность, аккомодацию, подвижность глазного яблока или зрительное восприятие.