СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДИСМЕТРИЧНЫХ САККАД Российский патент 2023 года по МПК A61B3/113 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к фундаментальной и клинической нейрофизиологии, а именно к способам регистрации дисметричных саккад.

Уровень техники

Регистрация движений глаз (айтрекинг) - неинвазивный способ мониторинга состояния зрительно-глазодвигательной системы. Важнейшим моторным компонентом ее функционирования являются саккады - быстрые сканирующие движения глаз. Параметры саккад отражают характеристики церебральных физиологических процессов и когнитивных функций. Дисметрия, т.е. нарушение метрики саккад (удлинение или укорочение), является важным признаком дисфункции определенных отделов мозга, например, мозжечка или хвостатого ядра. Количественная и качественная оценка дисметрии саккад является важной научно-клинической задачей, для решения которой разработаны различные способы.

Известен способ регистрации движений глаз, включающий фиксацию головы испытуемого в необходимом положении, предъявление испытуемому визуального стимула, освещение по меньшей мере одного глаза испытуемого инфракрасным светом, регистрацию отраженного от глаза сигнала с получением видеоряда изображений зрачка, компьютер-реализуемую обработку полученного видеоряда с определением координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора [1].

Данный способ характеризуется следующими недостатками:

Во-первых, предъявляемые испытуемому визуальные стимулы не учитывают физиологические свойства фоторецепторов сетчатки, а именно свойство колбочек наиболее интенсивно реагировать на предъявление оппонентных цветов [2], а также особенности физиологии внимания и визуального поиска, а именно свойство выделяющихся (например, пульсирующих) областей визуальной сцены захватывать внимание и стимулировать генерацию саккад [3]. Таким образом, снижается эффективность визуальной стимуляции.

Во-вторых, камеру фиксируют не на уровне лица испытуемого, а располагают ее сбоку (за счет большого размера устройства регистрации саккад). Это требует внедрения в конструкцию дополнительного элемента, а именно тепловых зеркал, преломляющих ход инфракрасных лучей по направлению к объективу камеры, что усложняет конструкцию и процесс размещения ее компонентов в рабочем пространстве.

В-третьих, во время анализа записи движений зрачка приходится полностью обрабатывать информацию со всей площади матрицы видеокамеры, что приводит к неэффективной трате вычислительных ресурсов компьютера.

Таким образом, применение указанного способа ограничивает эффективность изучения движений глаз.

Раскрытие изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности регистрации дисметричных саккад.

Для достижения указанного технического результата разработан способ, включающий фиксацию головы испытуемого, предъявление испытуемому визуального стимула, освещение по меньшей мере одного глаза испытуемого инфракрасным светом, регистрацию отраженного от глаза сигнала с получением видеоряда изображений зрачка, компьютер-реализуемую обработку полученного видеоряда с определением координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора, в качестве визуального стимула используют паттерн на экране компьютера, включающий фон, одно периферическое изображение, служащее целевым ориентиром для совершения саккады в его направлении, и одно центральное изображение, характеристики которого служат сигналом для совершения или несовершения саккады, отличающийся тем, что центральное изображение изменяет размер по типу пульсации и/или изменяет цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов: зеленый - красный или желтый - синий, где первый цвет является сигналом к совершению саккады, а второй цвет является сигналом к ее несовершению; для освещения глаза инфракрасным излучением и регистрации отраженного сигнала используют устройство для исследования дисметричных саккад; устанавливают в корпус устройства для исследования дисметричных саккад видеокамеру; устанавливают устройство при помощи фиксирующего элемента таким образом, чтобы объектив видеокамеры располагался непосредственно перед лицом испытуемого; регулируют фокусное расстояние объектива; вручную или автоматически регулируют интенсивность инфракрасного излучения для получения оптимального изображения зрачка, при этом верхний предел энергетической плотности излучения составляет 100 Вт/м²; отраженный от глаза сигнал анализируют таким образом, что в части каждого кадра видеоряда вычисляют область допустимого расположения зрачка, при этом данная область имеет форму квадрата, длина стороны которого в пикселях равна частному делимого и делителя, где делимое представляет собой произведение максимальной скорости саккады и разрешения матрицы видеокамеры, а делитель представляет собой произведение частоты съемки видеокамеры и угла охвата взором монитора, при этом угол охвата взором монитора равен двум арктангенсам от частного половины ширины монитора и расстояния от глаз до экрана монитора.

Отраженный от глаза сигнал можно регистрировать с частотой от 10 до 500 кадров в секунду.

Использование в составе визуального стимула пульсирующего центрального изображения позволяет повысить эффективность генерации саккад за счет воздействия стимула на нейронные механизмы непроизвольного внимания [3]; применение центрального изображения, периодически меняющего цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов, а именно зеленый - красный или желтый - синий, позволяет улучшить контрастность предъявляемого стимула за счет более специфичной стимуляции колбочек сетчатки [2].

Регуляция таких параметров, как фокусное расстояние и интенсивность инфракрасного излучения, позволяет получить оптимальное изображение зрачка, что повышает качество его обработки.

Вычисление области допустимого расположения зрачка в соответствии с описанными геометрическими расчетами позволяет использовать часть каждого кадра видеоряда вместо всей его площади, что экономит вычислительные мощности компьютера.

В совокупности указанные технические решения, заложенные в предлагаемом устройстве и способе, позволяют повысить эффективность регистрации дисметричных саккад.

Осуществление изобретения

Способ регистрации дисметричных саккад включает фиксацию головы испытуемого, предъявление испытуемому визуального стимула, освещение по меньшей мере одного глаза испытуемого инфракрасным светом, регистрацию отраженного от глаза сигнала с получением видеоряда изображений зрачка, компьютер-реализуемую обработку полученного видеоряда с определением координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора, в качестве визуального стимула используют паттерн на экране компьютера, включающий фон, одно периферическое изображение, служащее целевым ориентиром для совершения саккады в его направлении, и одно центральное изображение, характеристики которого служат сигналом для совершения или несовершения саккады, и отличается тем, что центральное изображение изменяет размер по типу пульсации и/или изменяет цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов: зеленый - красный или желтый - синий, где первый цвет является сигналом к совершению саккады, а второй цвет является сигналом к ее несовершению; для освещения глаза инфракрасным излучением и регистрации отраженного сигнала используют устройство для исследования дисметричных саккад; устанавливают в корпус устройства для исследования дисметричных саккад видеокамеру; устанавливают устройство при помощи фиксирующего элемента таким образом, чтобы объектив видеокамеры располагался непосредственно перед лицом испытуемого; регулируют фокусное расстояние объектива; вручную или автоматически регулируют интенсивность инфракрасного излучения для получения оптимального изображения зрачка, при этом верхний предел энергетической плотности излучения составляет 100 Вт/м²; отраженный от глаза сигнал анализируют таким образом, что в части каждого кадра видеоряда вычисляют область допустимого расположения зрачка, при этом данная область имеет форму квадрата, длина стороны которого в пикселях равна частному делимого и делителя, где делимое представляет собой произведение максимальной скорости саккады и разрешения матрицы видеокамеры, а делитель представляет собой произведение частоты съемки видеокамеры и угла охвата взором монитора, при этом угол охвата взором монитора равен двум арктангенсам от частного половины ширины монитора и расстояния от глаз до экрана монитора.

Более подробно, способ осуществляется следующим образом.

В корпус устройства для регистрации дисметричных саккад устанавливают необходимую для исследования видеокамеру. Устройство фиксируют при помощи струбцины или на подставке таким образом, чтобы объектив видеокамеры располагался непосредственно перед лицом испытуемого. Голову испытуемого фиксируют в необходимом положении при помощи специального подголовника. Устройство включают и присоединяют к компьютеру.

Далее с помощью компьютера предъявляют испытуемому визуальный стимул, параллельно освещая нужный глаз инфракрасным светом с помощью устройства. Стимул представляет собой паттерн на экране компьютера, включающий фон, одно периферическое изображение, служащее целевым ориентиром для совершения саккады в его направлении, и одно центральное изображение, характеристики которого служат сигналом для совершения или несовершения саккады. При этом центральное изображение периодически пульсирует и/или изменяет цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов, а именно зеленый - красный или желтый - синий, где первый цвет является сигналом к совершению саккады, а второй цвет является сигналом к ее несовершению.

В процессе предъявления стимула регулируют фокусное расстояние объектива. Вручную или автоматически регулируют интенсивность инфракрасного излучения для получения оптимального изображения зрачка, при этом верхний предел энергетической плотности излучения составляет 100 Вт/м².

Полученный видеоряд сохраняют на карту памяти устройства, либо на память компьютера. Далее в части каждого кадра с помощью программного обеспечения, установленного на компьютер, вычисляют область допустимого расположения зрачка, при этом данная область имеет форму квадрата, длина стороны которого в пикселях равна частному делимого и делителя, где делимое представляет собой произведение максимально возможной скорости саккады и разрешения матрицы видеокамеры, а делитель представляет собой произведение частоты съемки видеокамеры и угла охвата взором монитора, при этом угол охвата взором монитора равен двум арктангенсам от частного половины ширины монитора и расстояния от глаз до экрана монитора.

Остальные этапы анализа видеоряда можно производить в соответствии с известным способом, что в общем виде подразумевает определение координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора.

Список использованной литературы

1. Латанов А.В., Анисимов А.Н. Способ и система для регистрации движений глаз. Патент RU 2696042, приоритет от 11.12.2017, дата публикации 30.07.2019.

2. Kolb'H. Photoreceptors. 2005 May 1 [Updated 2012 Feb 28]. In: Kolb H, Fernandez E, Nelson R, editors. Webvision: The Organization of the Retina and Visual System [Internet]. Salt Lake City (UT): University of Utah Health Sciences Center; 1995-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11522/

3. Henderson JM, Hayes TR. Meaning guides attention in real-world scene images: Evidence from eye movements and meaning maps. J Vis. 2018 Jun 1;18(6):10. doi: 10.1167/18.6.10

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу регистрации дисметричных саккад. Способ включает фиксацию головы испытуемого, предъявление испытуемому визуального стимула, освещение глаза испытуемого инфракрасным светом, регистрацию отраженного от глаза сигнала с получением видеоряда изображений зрачка, компьютер-реализуемую обработку полученного видеоряда с определением координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора. В качестве визуального стимула используют паттерн на экране компьютера, включающий фон, одно периферическое изображение, служащее целевым ориентиром для совершения саккады в его направлении, и одно центральное изображение, характеристики которого служат сигналом для совершения или несовершения саккады. Центральное изображение изменяет размер по типу пульсации и/или изменяет цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов: зеленый - красный или желтый - синий, где первый цвет является сигналом к совершению саккады, а второй цвет является сигналом к ее несовершению. Для освещения глаза инфракрасным излучением и регистрации отраженного сигнала используют устройство для исследования дисметричных саккад. В способе устанавливают в корпус устройства для исследования дисметричных саккад видеокамеру. Устанавливают устройство при помощи фиксирующего элемента таким образом, чтобы объектив видеокамеры располагался непосредственно перед лицом испытуемого. В способе регулируют фокусное расстояние объектива и вручную или автоматически регулируют интенсивность инфракрасного излучения для получения оптимального изображения зрачка. Верхний предел энергетической плотности излучения составляет 100 Вт/м². Отраженный от глаза сигнал анализируют таким образом, что в части каждого кадра видеоряда вычисляют область допустимого расположения зрачка, при этом данная область имеет форму квадрата, длина стороны которого в пикселях равна частному делимого и делителя, где делимое представляет собой произведение максимальной скорости саккады и разрешения матрицы видеокамеры, а делитель представляет собой произведение частоты съемки видеокамеры и угла охвата взором монитора, при этом угол охвата взором монитора равен двум арктангенсам от частного половины ширины монитора и расстояния от глаз до экрана монитора. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности регистрации дисметричных саккад. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ регистрации дисметричных саккад, включающий фиксацию головы испытуемого, предъявление испытуемому визуального стимула, освещение по меньшей мере одного глаза испытуемого инфракрасным светом, регистрацию отраженного от глаза сигнала с получением видеоряда изображений зрачка, компьютер-реализуемую обработку полученного видеоряда с определением координат зрачка в каждом кадре видеоряда, формирование в хронологической последовательности двумерного массива значений координат центра зрачка, соответствующих кадрам видеоряда, из которого посредством сегментационного анализа выделяют не менее трех точек, которые считают областью фиксации взора, в качестве визуального стимула используют паттерн на экране компьютера, включающий фон, одно периферическое изображение, служащее целевым ориентиром для совершения саккады в его направлении, и одно центральное изображение, характеристики которого служат сигналом для совершения или несовершения саккады, отличающийся тем, что центральное изображение изменяет размер по типу пульсации и/или изменяет цвет в пределах одной из двух пар оппонентных цветов: зеленый - красный или желтый - синий, где первый цвет является сигналом к совершению саккады, а второй цвет является сигналом к ее несовершению; для освещения глаза инфракрасным излучением и регистрации отраженного сигнала используют устройство для исследования дисметричных саккад; устанавливают в корпус устройства для исследования дисметричных саккад видеокамеру; устанавливают устройство при помощи фиксирующего элемента таким образом, чтобы объектив видеокамеры располагался непосредственно перед лицом испытуемого; регулируют фокусное расстояние объектива; вручную или автоматически регулируют интенсивность инфракрасного излучения для получения оптимального изображения зрачка, при этом верхний предел энергетической плотности излучения составляет 100 Вт/м²; отраженный от глаза сигнал анализируют таким образом, что в части каждого кадра видеоряда вычисляют область допустимого расположения зрачка, при этом данная область имеет форму квадрата, длина стороны которого в пикселях равна частному делимого и делителя, где делимое представляет собой произведение максимальной скорости саккады и разрешения матрицы видеокамеры, а делитель представляет собой произведение частоты съемки видеокамеры и угла охвата взором монитора, при этом угол охвата взором монитора равен двум арктангенсам от частного половины ширины монитора и расстояния от глаз до экрана монитора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отраженный от глаза сигнал регистрируют с частотой от 10 до 500 кадров в секунду.