Зрительный протез для слепых Советский патент 1985 года по МПК A61F9/08 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам протезирования, восполняющим утраченые зрительные функции человека.

Цель изобретения - повьшение точ ности определения направления на предмет с одновременным обеспечение возможности опознания светоконтрастных характеристик.

На фиг. 1 представлена функцио- нальная схема зрительного npoTesaJ на фиг. 2 - пространственная диаграма каналов.

Устройство содержит генератор 1 импульсов, соединенный с входами делителя 2 частоты, ключа 3, схемы 4 задержки. Управляющий вход ключа 3 подключен к выходу делителя 2 частоты, а выход - к входу генератора 5 тоновой частоты ближней зоны, выход которого соединен с двумя параллельно включенными излучателями 6 и 7.

Выход делителя 2 частоты подключен к генератору 8 тоновой частоты дальней зоны, выход которого соедине с излучателями 9 и 10.

Излучатели 6, 7, 9 и 10 соединены с формирователем 11 направленных пространственных диаграмм. При этом излучатели 6 и 7 предназначены для формирования зондирующих сигналов правой и левой областей обнаружителя ближней зоны, а излучатели 9 и 10 для формирования соответствующих областей дальней зоны обнаружения с помощью формирователя 11 направленных пространственных диаграмм.

На приемной стороне к формирователю 11 подключены приемники 12 и 13 отраженныхсигналов (соответственно левого и правого активных каналов), приемники 14 и 15 пассивных каналов и фотоприемник 16 с ненаправленной диаграммой.

Выходы приемников 12 и 13 соединены с первыми входами сумматоров

17и 18, а выходы последних соединены с акустическими преобразователями 19 и 20 соответственно. Вторые входы электронных сумматоров 17 и

18соединены через модуляторы 21 и 22 с выходами приемников 14 и 15 соответственно. Входы генератора 23 тока соединены с выходами схемы 4 задержки и фотоприемника 16, а его выход - с объединенньм входом модуляторов 21 и 22.

Излучатели 6, 7, 9 и 10 представляют собой любой преобразователь электрической энергии в оптический диапазон, например светодиоды, излучаницие в ИК-диапазоне. Все приемники 12-16 вьтолнены в виде фотодиодов. Формирователь 11 пространственных диаграмм представляет собой систему линз, каждая из которых связана со своим излучателем энергии или приемником.

Геометрические размеры линз и их взаимное расположение со светодиодами и фотодиодами формируют необходимую диаграмму направленности как на излучение, так и на прием и определяют ее положение в пространстве (фиг. 2). Все элементы зрительного протеза конструктивно укреплены на очковой оправе 24. Для простоты на фиг. 2 фотоприемники и излучатели энергии совместно с их оптической системой условно показаны точечными и расположенными на внешней плоскости очков.

Диаграммы направленности излучателей 6, 7, 9 и 10 энергии, а также приемников 12-16 образуют телесные углы в 10-15.

Излучатели 6, 7, 9 и 10 энергии, установлены по горизонтальной линии на нижней части оправы 24 очков и разнесены в горизонтальной плоскости так, что слева расположены излучатели 7 и 9, а справа - 6 и 10.

Приемники 12 и 13 отраженных сигналов, фотоприемники 14 и 15 пассивных каналов и фотоприемник 16 с ненаправленной диаграммой установлены по горизонтальной линии на верхней части оправы очков и разнесены в горизонтальной плоскости, причем слева расположены приемники 12 и 14, справа - приемники 13 и 15, а ненаправленньш фотоприемник 16 установлен в центре оправы.

Диаграммы направленности излучателей энергии повернуты в вертикальной плоскости: у.излучателей 6 и 7 энергии ближней зоны 25 на угол 10-15, у излучателей 9 и 10 энергии дальней зоны 26 на угол 2-4® а в горизонтальной плоскости повернуты от центра очков на углы Vj 44 2-4

Диаграммы направленности приемников 12-15 повернуты в вертикальной плоскости, вниз на угол ff2-5°, а в

горизонтальной плоскости повернуты от центра очков на углы Ч - 2-4. Углы Ц - образованы между биссектирисами телесного угла диаграммы направленности и горизонталями В горизонтальной плоскости диаграммы направленности приемников 12 и 14 и излучателей 9 и 7, расположенных возле левой дужки очков, совпадают и образуют зону 27.

Аналогичную зону 28 образуют диаг раммы направленности приемников 13 и 15 и излучателей 6 и 10, расположенных у правой дужки. Вертикальная плоскость 29 является плоскостью симметрии, т.е. разносигнальной плос костью.

Ближняя зона 25 правого активного канала образуется пересечением диаг раммы направленности приемника 13 отраженных сигналов с суммарной диаграммой излучателей 6 и 7, а даль няя зона 26 правого канала - пересечением диаграммы направленности приемника 13 с суммарной диаграммой излучателей 9 и 10.

Дальняя и ближняя зоны активного левого канала образуются аналогично правому: ближняя - пересечением диаг раммы приемника 12 с диаграммами излучателей 6 и 7, а дальняя - с диаграммами излучателей 9 и 10. В горизонтальной плоскости дальняя и ближняя зоны перекрываются.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает импульсы длительностью 30-50 мс, с периодом 0,2-0,3 с, которые через открытый ключ 3 поступают на генератор 5 тоновых частот ближней зоны, обеспечивая его включение , на время длительности импульса. Период выбран соизмеримым со временем запаздывания реакции человека на обнаруженные в ближней зоне препятствия. Генератор 5 тоновых частот вырабатывает импульсное напряжение частотой 1000 Гц и скважностью 0,5. Это напряжение поступает на излучатели 6 и 7, и через формирователь 11 пространственных диаграмм их энергия излучается в ближнюю зону 25 левой 27 и правой 18 областей обнаружения.

На фиг, 2 показан ход лучей до препятствия, расположенного в точке А ближней зоны 25. Он облучается обоими излучателями 6 и 7 энергии.

168243. 4

отраженная же от него энергия принимается раздельно пpиeмникa я 12 и 13. Отраженная энергия, попадающая в приемник 12, будет больше, чем в 5 приемник 13 по двум причинам: расстояние от А до приемника 12 будет меньше расстояния от А до приемника 13, т.е. энергия будет меньше расстояния; предмет А находится почти в 10 центре диаграммы направленности приемника 12, где коэффициент усиления его больше, и на краю диаграммы направленности (по углу) приемника 13.

В фотоприемниках 12 и 13 принятые 15 световые сигналы (ИК-диапазон) преобразуются в электрические с частотой, равной частоте излучения (1000 Гц), но различные по уровню

т.е. энергия, приходящая в приемник 12, большая. Далее электрические сигналы с фотоприемников 12 и 13 через электронные сумматоры 17 и 18 поступают на акустические преобразователи t9. и 20, где преобразовываются

в звуковые колебания той же частоты. Уровни звуковых сигналов в правом 20 и левом 19 акустических преобразователях определяются угловым положением препятствия в областях 27 и

28относительно плоскости 29, а также дальностью до препятствия. Наибольший период громкости в каждом канале определяется динамическим диапазоном приемников левого и правого каналов (40-50 дБ).

Отношение уровней звуковых сигналов в правом и левом каналах определяется только угловым положением препятствия в областях 27 и 28. При нахождении препятствия в плоскости

29уровни звуковых сигналов в обоих акустических преобразователях будут одинаковы. При смещении препятствия влево или вправо уровни звукового сигнала будут больше в левом или

в правом акустическом преобразователе соответственно. Например, для А уровень громкости будет больше в левом канале.

Изменение соотношений уровней громкости, даваемых акустическими преобразователями 19 и 20, позволяет за счет бинаурального эффекта слуха определять направление на препятствие внутри зоны обнаружения.

Изменение углового направления на препятствие на 10-15° изменяет отношение громкостей левого и право5го каналов не менее, чем на 2-3 дБ, что достаточно для различения по бинауральному эффекту двух предметов с точностью 10-15. Работа пассивного канала происходит в промежутках между работой активного канала, для чего импульсы генератора 1, задержанные генератором 4, подаются на генератор 23, который в течение продолжительности импульса с генератора задержки вырабатьшает импульсы частотой 15003000 Гц и скважностью 0,5. Бремя задержки выбрано заведомо больше, чем длительность импульса генератора 1, равного 30-50 мс, но меньше, чем величина периода работы генератора Электрические импульсы с генератора 23 подаются на модуляторы 21 и 22, на другие входы модуляторов подаются электрические сигналы, пропорциональ ные усредненной освещенности по телесному углу диаграммы направленности левого 14 и правого 15 фотоприемкиков и пассивных каналов соответственно. Постоянные электрические сигналы с приемников 14 и 15 модули руются частотой генератора 23 и подаются на входы сумматоров 17 и 18, с выхода сумматоров эти сигналы поступают на акустические преобразователи 19 и 20, где преобразовьтаются в звуковые сигналы. При нахождении яркого предмета в зоне диaгpaм fы нап равленности одного из пассивных кана лов, его усредненная освещенность по телесному углу диаграммы направленности увеличится, а следовательно увеличится и постоянньм электрический сигнал с фотоприемника этого ка .нала. Определение направления на яркий гфедмет в пассивном канале происходит так же, как и в активном. Если яркий предмет находится в плоскости 29, то уровни электрических сигналов с выходов фотоприемников .14 и 15 пассивного канала будут одинаковы, а следовательно, будут одинаковы и уровни громкости левого и правого каналов при смещении предмета влево (вправо) громкость будет соответственно, больше в левом (правом) канале. В результате угловое пооюжение препятствия оценивается как пассивным, так и активным каналами. Светоконтрастная яркость (яркость предмета по отношению к о|щей освещенности 436 препятствия субъективно воспринимается как суммарная громкость обоих пассивных каналов. Например, при слабой освещенности (в пасмурный день) уровень черного определяется уровнем шумов или слабым сигналом, превьаиаюшз м этот уровень на несколько дБ. Уровень серого характеризуется уровнем сигнала на 10-15 дБ выше уровня черного, а уровень белого сигналом, превышающим уровень черного на 20-30 дБ Поскольку яркость зависит от внешней освещенности, то при изменении последней может возникнуть неопределенность в оценке яркости препятствий. Для исключения этого явления фотоприемник 16 с ненаправленной диаграммой подключен, например, к вспомогательному генератору 23 тоновых частот и изменяет частоту генерируемого им сигнала, т.е. меняет частоту звукового сигнала в обоих пассивных каналах. Имея информацию об общей освещенности, по частоте звукового сигнала слепой может учитывать изменения внешней освещенности для- опознавания препятствия по светоконтрастным признакам. Например, при изменеНИИ обш;ей освещенности от очень пасмурного дня до безоблачного частота тонового генератора 23 меняется с 1500 до 3000 Гц. Делитель 2 частоты иг-тульсов (коэффициент деления выбирается порядка 10) обеспечивает редкое (раз в 2-3 с) включение генератора 8 тоновых частот дальней зоны, при этом генератор 5 тоновых частот ближней зоны вьжлючен, так как при наличии импульса с делителя 2 ключ 3 закрыт. Б остальном обнаружение препятствий и совместная работа активного и пассивного каналов в дальней зоне происходит аналогично описанной вьше работе в ближней зоне. Информационное отличие ближней и дальней зон, активного и пассивного каналов обеспечивается выбором раз кого значения высоты звукового тонагенераторов 5 j 8 и 23 и.разделением во времени за счет введения схемы 4 задержки икпульсовэ делителя 2 частоты и ключа 3 Например, генератор 5 имеет частоту 1000 Гдэ дальняя зона 8-600 Гц, вспомогательный генератор 23 1500-3000 Гц. Редкое включение генератора 8 обеспечивает ком-

7

фортные условия для слепого, а именно, исключает заглушающее действие на слуховой канал слепого информационных сигналов из дальней зоны. В типовой обстановке использования устройства в дальней зоне обнаружения с большой вероятностью находится какое-либо препятствие, что обуславливает частое появление звукового сигнала. Этот сигнал, кроме полезного своего свойства указьшать на предмет, еще может мешать вслушиваться в звуковой фон окружающей ере ды, а этот звуковой фон очень важен для слепого. Позтому использование резкой импульсной выработки информационного сигнала в дальней зоне улучшает условия пользования прибором, снижает утомляемость и, следовательно, повьшиет точность реагирования на сигналы прибора. В ближней зоне (ее размер выбран в пределах 1 м) препятствия более редки, но их информационная важность вьше, так как требует более быстрой реакции слепого на обнаруженный в ближней

682438

зоне предмет, позтому допустим сигнал с большей частотой повторения, заглушающий фон окружающей среды.

Таким образом, устройство повышает 5 точность определения угловых координат препятствия до 10-15, что вполне достаточно для приборов подобно го класса. Одновременно с активным обнаружением препятствия предлагаемое устройство дает информацию о светоконстрастных характеристиках предметов с указанием направления на них. Двухканальная система измерения светоконтрастных характеристик

15 позволяет не только определять направление на предмет, но я находить край протяженного предмета без механического сканирования (головой). Например, при движении на улице легко находится край здания, что помогает выбору направления движения.

Устройство обеспечивает меньшее, в 40-60 раз, заглушение сигналами звукового фона окружающей среды, что важно для слепого.

ЗРИТЕЛЬНЫЙ ПРОТЕЗ ДЛЯ СЛЕПЫХ, содержапщй два генератора тоновой частоты ближней и дальней зоны, выходы которых соединены с излучателями, укрепленными на оправе очков, и первый приемник, соединенный с акустическим преобразователем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения направления на предмет с одновременным обеспечением возможности опознания светоконтрастных характеристик, он содержит последовательно соединенные генератор импульсов, схему задержки, генератор Тона, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго модуляторов,выходы которых через сумматоры соединены с акустическими преобразователями, делитель частоты, вход которого соединен с входом ключа и выходом генератора импульсов, а выход - с . управлякхцин входом ключа и генератором тоновой частоты дальней зоны, выход ключа соединен с входом генератора тоновой частоты ближней зонц, два излучателя соединенных соответственно |С вы(Л ходами генераторов тоновой частоты ближней и дальней зон и четьфе приемника, выходы которых соединены соответственно с входами модуляторов и сумматоров, причем выход первого приемника соединен с входом генератора тона.

1г,1Щ 15