专利名称：便携式前庭功能检查设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种前庭功能检查设备，特别是涉及一种便携式前庭功能检 查设备。
背景技术：
前庭功能与人的空间定向能力、抗暈机能力以及眩晕症、平衡障碍等疾 病密切相关，因此世界各国普遍都很重视前庭功能的检测。目前进行前庭功 能才企测的方法主要有眼动检测、前庭脊髓反射、前庭知觉反应、前庭诱发电 位等，而眼动检测(指刺激前庭引起的眼动反射，并依据眼动反射来分析前 庭功能状态)是前庭功能检测最主要、最常见的方法之一。目前，眼动检查设备主要是通过发光二极管矩阵形式或直接投影来激发眼动，这类设备有如下缺点①无论是利用发光二极管矩阵形式还是直接投 影，都必须要设置密闭不透光的、半径约为1米的圆柱体测试间，以容纳被 测人员在其内部进行前庭检测，并要配置反光镜、电动机等辅助设备，通过 这些设备的相互配合，产生诱发眼动的视觉刺激图像，才能测试前庭功能。 不管是利用发光二极管矩阵形式还是直接投影，由于必须配备上述测试间等 设备，而且测试间又不能进一步缩小，否则将影响检测结果，这样，必然导 致整体装置的外围视靶设备体积庞大，占用空间大，且需要专门人员进行特 殊安装，配备时需要占用一定的空间和进行一定的基建安装，安装后也无法 携带，不能随便移动，不适应户外及需要有移动性的测试场所，不但给推广 使用带来了很大的不便，而且不利于随时随地进行前庭功能的4企测；②庞大 ^外围视把设备在使用过程中，其各个部件必然产生机械磨损，影响其使用 寿命；③现有的检查设备多为国外进口，不仅维修不便而且价格十分昂贵；④现有设备在使用过程中，其机械部件如电动机等会产生噪音，在一定程度上会对被检测人员产生影响，影响检测精度；⑤现有设备的配件接口等大都是专用的，兼容性差，不便于配件的更新和换代升级。另外，现有技术中也有采用眼罩形式的前庭功能检查设备，但只是在眼 罩内设置有用于摄取眼动图像的单目或双目摄像装置，无视觉刺激功能，依 然需要庞大的外围视靶设备产生视觉刺激目标，这样的设备使用起来同样非 常不便。发明内容为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、携带方便的 便携式前庭功能检查设备。为解决上迷技术问题，本发明所提供的便携式前庭功能检查设备，包括虚拟视靶生成模块，产生用于视觉刺激的虚拟视靶图像的刺激信号；虚拟视耙光学显示系统，用于显示所述虚拟视輩巴图像；眼球运动图像采集系统，用于摄取被检测人员由所述虛拟视靶图像引起 的眼球运动图像；图像处理模块，用于对所述眼球运动图像进行处理，形成瞳孔位置随时 间变化的曲线。所述虚拟视靶光学显示系统和所述眼球运动图像采集系统集成在一个 视频眼罩里。所述便携式前庭功能检查设备还包括图像信息分析模块，其通过将所述 瞳孔位置随时间变化的曲线与预设阈值的比较分析，确定前庭功能的状态。所述虚拟视耙光学显示系统包括微型图像源单元和投影光学单元。所述微型图像源单元包括用于显示所述虛拟视靶图像的显示器，所述投 影光学单元包括由多个透镜组成的目镜光学系统，所述目镜光学系统设置于镜筒中，并通过隔圈、压圈以及垫片固定。所述眼球运动图像采集系统包括两个微型红外摄像机，分别用于摄取被检测人员两只眼睛的眼球运动图像。所述视频眼罩内还包括用于调整所述虚拟视靶光学显示系统中所述目 镜光学系统瞳距的瞳距调节机构和所述眼球运动图像釆集系统角度和位置 的调整机构。所述便携式前庭功能检查设备还包括用于被检测人员接收指令的指令 才妄收系统。所述虚拟视靶图像的运行模式为视动单速闪动、视动正弦闪动和视动交 替闪动之一；所述虚拟视靶图像的形状为点状或条紋状。所述虚拟视靶图像的视场角范围是45度-70度。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点①本发明采用的虚拟视靶光学显示系统产生实现诱发眼动的视觉刺激，所述视觉刺激是利用透 射式虛拟成像技术产生的一个虚像，该虚像位于被检测人员的正前方虚拟距 离为1米处，视觉刺激目标的显示和眼动图像的采集集成在一个视频眼罩 内，无需传统的外围视耙设备，明显减小了整体设备的体积和重量，而且携带非常方便；各种刺激模式、刺激参数的设置均可通过软件实现，无需专门 安装、调试，使用更加便捷；②本发明的便携式前庭功能检查设备，由于取 消了庞大的外围设备，将视觉刺激目标的显示和眼动图像的采集集成在一个 视频眼罩内，减少了大量的机械部件，大大降低了机械磨损，保证了整体设 备的使用寿命；③本发明的便携式前庭功能检查设备，将视觉刺激目标的显 示和眼动图像的采集集成在一个视频眼罩内，在检测过程中不会产生机械噪 音，从一定程度上保证了检测的精确性；④本发明的便携式前庭功能检查设 备，采用通用接口，软、硬件的兼容性强，便于及时更新升级；⑤本发明的 视频眼罩内的眼J拔动图像采集系统设置有两个红外摄像机，能够同时摄取 两只眼睛的眼^i^动图像，通过调节系统对虚拟视靶光学显示系统和眼球运 动图像采集系统位置的调节使检测更为精确； 本发明采用的便携式前庭功 能检查设备，维修方便，而且视频眼罩按照人体工程学原理设计，使视频眼 罩与人体头部的相对位置稳定、佩戴舒适而且保证检测时与脸颊完好贴合、密不透光，从而进一步能够保证了检测的准确性。⑦本发明采用的便携式前 庭功能检查设备，选择视场角为60°的虚拟视靶图像，在使虚拟视靶图像 不发生变形的前提下，保证检测精度。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施 例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩示意图； 图2是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩整体结构示意图； 图3 (a)是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩内部结构图； 图3 (b)是本发明便携式前庭功能检查设备的图3(a) A-A，向剖视图； 图4是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩中虚拟视靶光学显示系统的结构示意图；图5是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩中虚拟视靶光学显示系统直视型光学系统示意图；图6是本发明便携式前庭功能检查设备虚拟视靶光学显示系统屏幕距离示意图；图7是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩中眼球运动图像采集系统的位置示意图；图8是本发明便携式前庭功能检查设备的基本原理图；图9是本发明便携式前庭功能检查设备图像处理模块中测量瞳孔在不同时刻位置的示意图。图中附图标记表示为ll-微型液晶显示器，12-目镜光学系统，13-镜 筒，14-隔圈，15-压圈，16-垫片，17-微型红外摄像机，18-摄像头定位弯 板，19-调整机构，20-外壳，21-定位机构，22-双向螺杆，23-调整滚轮， 24-固定架，25-滑轨，26-瞳距调节机构，27-眼球，28-虚像，29-摄像机视 窗，30-跟踪窗口， 31-瞳孔运动图像具体实施方式
本发明的便携式前庭功能检查设备包括视频眼罩、便携式计算机和应用 软件。如图l所示，是本发明便携式前庭功能检查设备的视频眼罩示意图。所 述视频眼罩包括分别用于左右两只眼睛的、两个完全相同的虚拟视靶光学显 示系统，眼球运动图像采集系统，调节系统和指令接收系统。所述虚拟视靶 光学显示系统，显示用于视觉刺激的虚拟视靶图像，包括微型图像源单元和投影光学单元；所述眼球运动图像采集系统，用于摄取被检测人员由所述虚 拟视耙图像引起的眼球运动图像；所述调节系统，用于调整所述虚拟视靶光 学显示系统和所述眼球运动图像采集系统的角度和位置；所述指令接收系 统，用于被检测人员接收指令。在本实施例中，所述指令接收系统为耳机， 图中未示。如图2至4所示，在本实施例中，所述虚拟视輩巴光学显示系统的所述微 型图像源单元即为用于显示所述虚拟视靶图像的微型液晶显示器11;所述 投影光学单元包括由多个透镜组成的目镜光学系统12,所述目镜光学系统 12设置于镜筒13中，并通过隔圈14、压圈15以及垫片16固定，如图4所 示。按照光学设计要求，在每个所述虚拟视靶光学显示系统内都是由一个所 述镜筒13和两个所述隔圈14将所述目镜光学系统12和所述微型液晶显示 器11准确地组合在一起。所述虚拟视耙光学显示系统釆用虚拟光学技术将 用于显示所述虚拟视靶图像的所述微型液晶显示器11放在目镜焦点之内， 生成一个虚像，其像距和像的尺寸不受仪器尺寸的限制，利用物距变化或目 镜焦距变化可使虚像像距满足预定要求。物镜成像关系可按高斯公式计算1/L = 1/f '所述虚拟视靶光学显示系统的设计如下相对孔径(1/3.4);一见场角2co=54。
(47。
x 34° );焦3巨 f' =15mm; 出瞳Op=4. 5mm; 出瞳3巨L,25mm。本发明所采用的设计相对孔径大，出瞳长，视场角偏大，结构比较复杂， 需要仔细校正像差。本发明的光学系统为直视型，如图5所示。所述微型液 晶显示器11通过所述目镜光学系统12在被检测人员眼球27的正前方，且 虚拟距离为lm远的地方形成一个虚像28,即为所述虚拟视靶图像。本实施例中，所述虚拟视靶光学显示系统采用的所述微型液晶显示器 11为0.61〃高分辨率OLED彩色液晶显示器，像元数为800 x 600，采用透 射式虚拟成像，观察视场角为60。。本发明中的所述虚拟视靶图像有以下两种① 以0.1Hz、 0.2Hz、 0.4Hz、 0.5Hz(误差范围±5%)不同频率或随 机模式移动的光点，移动模式为正弦或方波。产生的光点大小相当于在1. 0 m处，0=5mm的园开j亮斑。② 按20° /s、 30° /s、 40° /s恒速模式或按峰速为60°/s，频率为 0. 05Hz的正弦模式滚动的黑白条文，误差范围±5%。如图6所示，视靶虚拟显示的视场角为60°,以黑白条文为例，如果要 求滚动速度为60。/s,也就是要任何一对黑白条文在1秒钟内从视场的一头 移到另一头。按标准视频图像的制式，就是每场移动60°/50 = 1.2°,或者 说每场近似移动屏幕的1/50。显示屏幕是个平面，如果考虑圆柱面的情况 (如图中虚线所示)，相同的圓周角对应的屏幕上的距离能够准确计算出来。 同样6角度对应的屏幕上的距离Dl和D2是不同的。D2 = R tan6, Dl+D2 = R tan (2 6),如果，6=15。， R=lm,贝寸D2 = R tan6= 0. 268 (m)Dl = R tan(2 6)- D2 = 0. 309 (m) 以此类推，可以准确算出虚拟视靶图像线条在屏幕上的距离。同样，线条的宽度也可以根据偏离屏幕中心的角度进行修正。所述眼^i^动图像采集系统为双目系统，可以满足单目要求也可以满足 双目要求。如图7所示，所述眼球运动图像采集系统包括两个微型红外摄像机17、摄像头定位弯板18和红外照明系统。两个所述微型红外摄像机17 分别用于摄取被检测人员两只眼睛的眼球运动图像，分别安装在两只眼睛眼 球27的斜下方。两个所述微型红外摄像机17通过定位机构21固定在所述 视频眼罩的机架上，并通过所述摄像头定位弯板18与所述镜筒13固定连接， 具体位置如图7所示。本实施例中，所述目镜光学系统12从眼睛瞳孔到第 一片透镜的距离为12mm,所述镜筒13的外径①D为29mm,摄像头外径①d 为14mm,如图7所示的结构可以使摄像头不受所述镜筒13的干涉，也碰不 到被检测人员的脸颊，而且可以摄取到完整、清晰的眼动图像。两个所述微 型红外摄像机17的视轴与水平线的夹角a=58° 。所述微型摄像机17的镜 头焦距的选取以整个眼睛的图像约占据画面的3/4为标准。本实施例中，所 述微型红外摄像机17釆用黑白CMOS摄像机，其感光面积4. 9mm x 3. 7mm, 工作照度0Lux，制式场频25Hz、行频15625 Hz，图像分辨率> 300TVL。 所述红外照明系统用于消除来自所述微型液晶显示器11屏幕的杂光，同时 在所述微型红外摄像机17上加配红外滤光片，以到达更好的滤光效果。本 发明的虚拟视靶图像像距为lm，单目像距公差按像距的5%计算，物距公差 △ x= 0. 012mm， 在结构设计和装调时要保证该公差。所述眼球运动图像采集系统的双目系统设计参考如下标准光轴平行度垂直方向<15'水平方向会聚<2(K水平方向发散<60'视放大率差<2°/。左右光学系统相对像倾斜<30'左右光学系统透过率差<15%请再参照图2至图4，所述调节系统包括用于调整所述目镜光学系统12瞳距的瞳距调节机构26和用于调整所述红外摄像机17倾斜角度和位置的调 整机构19。再看图3 (a)和图3 (b)所示，所述瞳距调节机构26包括(左、 右旋)双向螺杆22、调整滚轮23、固定架24和滑轨25。通过调整设置在 所述视频眼罩壳体外部的所述调整滚轮23调整所述目镜光学系统12的瞳 距，本发明提供的便携式前庭功能检查设备的瞳距调整范围是58mm-70mm。另外，所迷视频眼罩的外壳20是由吸塑成形的壳体组成，分为上下两 部分，并组合成为一个整体，通过螺钉等连接部件固定在所述视频眼罩的机 架上，所述视频眼罩的整体重量约为350g。所述外壳20前部与脸颊接触的 曲边采用柔软的橡塑粘包完整，以保证检测时所述视频眼罩能与脸颊完好贴 合且密不透光。所述便携式计算机包括计算机存储及显示系统、外设接口，以及与所述 应用软件相配合的应用电路和电气元件。所述外设接口为通用接口，便于设 备日后的更新升级。所述应用软件实现对各种刺激参数的设置，以及对眼球运动图像数据的 采集和进行参数计算分析。所述应用软件包括虚拟视靶生成模块、图像处理 模块和图像信息分析模块。所述虚拟视靶生成模块，产生用于视觉刺激的虚 拟视耙图像的刺激信号；所述图像处理模块，用于对所述眼球运动图像进行 处理，形成瞳孔位置随时间变化的曲线；所述图像信息分析模块，其通过将 所述瞳孔位置随时间变化的曲线与预设阈值的比较分析，确定被检测人员的 前庭功能状态。如图8所示，是本发明便携式前庭功能检查设备的基本原理图，本实施 例的所述便携式前庭功能检查设备是通过受到各种视觉刺激的人的眼动来 分析前庭功能状态，因此以眼睛瞳孔的运动图像作为跟踪测量的对象。本发 明所提供的便携式前庭功能检查设备的主要工作过程是首先，所述便携式前庭功能检查设备启动后，由所述虛拟视靶生成模块 产生刺激信号，通过刺激信号发生器将所述刺激信号发送到所述视频眼罩内的所述微型液晶显示器11中，由所述微型液晶显示器11显示所迷虚拟视把 图像；被检测人员通过跟踪或注视所述虚拟视靶图像，便会诱发特定形式的 眼动反射。然后，所述眼J錄动图像采集系统中的两个所述微型红外摄像机17将摄取两只眼睛的眼球运动图像并传送所述图像处理模块，利用瞳孔部分相对眼球其它部分对比度(灰度)的不同，将瞳孔运动图像31分离出来，形成 代表瞳孔运动的视频信号，并自动对所述瞳孔运动图像31进行跟踪识别， 如图9所示，在摄像机视窗29内设有跟踪窗口 30，所述跟踪窗口 30中显 示跟踪识别出的所述瞳孔运动图像31。之后，所述图像处理模块以瞳孔的 运动代表眼球的运动，对所述瞳孔运动图像31进行处理，形成瞳孔位置随 时间变化的曲线。根据电视测量的原理计算出瞳孔在CMOS靶面坐标系中不 同时刻瞳孔运动的二维坐标，即瞳孔运动图^f象31在才聂^象才几耙面坐标系中不 同时刻的位置(AXt， AYt)。然后，才艮据按时间序列测量的瞳孔位置数据(A Xt， AYt)，在輩巴面坐标系中分别逐点绘制成(X—t)和(Y—1)跟踪曲线， 从中可以分析出瞳孔的运动状态，每只眼睛各需要绘出2条曲线，分别是瞳 孔水平位置随时间的变化曲线和瞳孔垂直位置随时间的变化曲线。最后，由所述图像信息分析模块，通过将所述瞳孔位置随时间变化的曲 线与预设阈值的比较分析，确定前庭功能的状态。根据不同刺激所产生的瞳 孔运动曲线的变化，设置一定的阀值，对眼震的慢相、快相及其它形式眼动 的各相关成分进行识别，通过差分等方法计算分析以慢相速度等为主的各种 参数，最终分析、评定被检测人员的前庭功能状态。所述虚拟视靶图像的运行模式包括以下模式之一视动单速、视动正弦 和视动交替闪动；所述虚拟视耙图像的形状为点状或条紋状。当然，在其他摇头刺激、座椅旋转刺激等。在其他实施例中，所述虚拟视靶图像的视场角可为45°或70° ,所述 虚拟视靶图像的视场角范围是45° -70° 。如果视场角小于45。不能保证 检测的准确性，采用大于70°的视场角会使所述虚拟视靶图像发生变形，同样影响检测精度。因此，本发明选择45。 -70°范围的视场角，最优的是 视场角为60。，能够达到良好的检测精度。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明而给出的实例，它们并非是对本 发明的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以 穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍应落入本发明的保护范围中。
权利要求
1、一种便携式前庭功能检查设备，其特征在于包括虚拟视靶生成模块，产生用于视觉刺激的虚拟视靶图像的刺激信号；虚拟视靶光学显示系统，用于显示所述虚拟视靶图像；眼球运动图像采集系统，用于摄取被检测人员由所述虚拟视靶图像引起的眼球运动图像；图像处理模块，用于对所述眼球运动图像进行处理，形成瞳孔位置随时间变化的曲线。
2、 根据权利要求1所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于所 述虚拟视靶光学显示系统和所述眼球运动图像采集系统集成在一个视频眼 罩里。
3、 根据权利要求1所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于所 述便携式前庭功能检查设备还包括图像信息分析模块，其通过将所述瞳孔位 置随时间变化的曲线与预设阈值的比较分析，确定前庭功能的状态。
4、 根据权利要求1或2所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于 所述虚拟视靶光学显示系统包括微型图像源单元和投影光学单元。
5、 根据权利要求4所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于所 述微型图像源单元包括用于显示所述虚拟视靶图像的显示器，所述投影光学 单元包括由多个透镜组成的目镜光学系统，所述目镜光学系统设置于镜筒 中，并通过隔圈、压圈以及垫片固定。
6、 根据权利要求1或2所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于 所述眼球运动图像采集系统包括两个微型红外摄像机，分别用于摄取被检测 人员两只眼睛的眼球运动图像。
7、 根据权利要求5所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于所述视频眼罩内还包括用于调整所述虚拟视靶光学显示系统中所述目镜光学 系统瞳距的瞳距调节机构和所述眼球运动图像采集系统角度和位置的调整 机构。
8、 根据权利要求1或2所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于 还包括用于被检测人员接收指令的指令接收系统。
9、 根据权利要求1所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于所 述虚拟视耙图像的运行模式为视动单速闪动、视动正弦闪动和视动交替闪动 之一；所述虚拟视靶图像的形状为点状或条紋状。
10、 根据权利要求1或2所述的便携式前庭功能检查设备，其特征在于 所述虚拟视靶图像的视场角范围是45度-70度。
全文摘要
一种便携式前庭功能检查设备，包括虚拟视靶生成模块，产生用于视觉刺激的虚拟视靶图像的刺激信号；虚拟视靶光学显示系统，用于显示所述虚拟视靶图像；眼球运动图像采集系统，用于摄取被检测人员由所述虚拟视靶图像引起的眼球运动图像；图像处理模块，用于对所述眼球运动图像进行处理，形成瞳孔位置随时间变化的曲线，本发明的便携式前庭功能检查设备结构简单、携带方便。
文档编号A61B3/00GK101268934SQ20081009422
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者力 丁, 姜媛媛, 李更茹, 武留信, 毕红哲, 王致杰, 田大为, 谢溯江, 贾宏博, 陈勇胜, 韩学平 申请人:中国人民解放军空军航空医学研究所