检测视觉性能衰退的方法和设备的制作方法

专利名称：检测视觉性能衰退的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测人的视觉反应衰退的方法和设备。
背景技术：
可以使用工程技术人员用来测量检测器性能的术语来表征视网膜中 的细胞。因此，可以研究视网膜上的细胞或区域以确定它们的灵敏度， 例如识别对比图案，以及确定它们的内部噪声和效率。

发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于表征对象(subject)视 觉反应的设备，该设备包括数据处理器、显示器和输入装置，其中所述 数据处理器被设置为在所述显示器上的不同位置呈现评价图像，使得所 述图像出现在对象视野内的不同位置，并且每个评价图像包括从以下列
表中选择至少两个项目的作用，该列表包括
基础图像 测试图像，以及 噪声图像，
并且其中所述数据处理器响应于所述输入装置，以使得所述对象能 够指示他们是否能够看到所述评价图像中的所述测试图像，所述数据处 理器还被设置为评价所述对象的反应，以指示作为所述对象的视野内位 置的函数的视觉效率、内部噪声和视觉灵敏度中的一个或多个。
有利地，该设备能够在两个阶段中表征眼睛的敏感度。在第一阶段， 提供包括所述基础图像和来自所述测试图像的变化作用的一系列第一阶 段图像。因此可以改变测试图像的强度以确定作为视野内位置的函数的、 所述对象能够分辨的强度差的极限。第二阶段中，将所述噪声图像的噪声导入所述测试图像和所述基础 图像中进行组合。
因此，本发明的一个实施方式中提供了用于测试视觉反应的设备， 该设备包括
测试呈现装置，其用于在用户的视野内的不同位置向所述用户呈现 第一测试图像，并记录所述用户的反应，以及向所述第一测试图像或其 他测试图像添加噪声以生成第二测试图像，并在所述用户的视野内的不 同位置将该第二测试图像呈现给用户，同时记录所述用户的反应；以及
数据处理器，其被配置为处理所述用户响应于所述第一和第二测试 图像的反应，以提供各作为用户视野内位置的函数的视觉效率、内部噪 声和视觉灵敏度中的一个或多个的度量。
第一测试图像可以是具有与所述第二测试图像的平均强度和/或颜 色相匹配的强度和/或颜色的基本均匀的图像。所述第一测试图像可以包 括第一测试图案。
优选的是，选择所述第一测试图案以测试用户分辨强度和/或颜色对 比度的能力。所述第一测试图案可包括交替的颜色或强度区域。该图案 可以与背景截然不同，或可通过把用户视野内的背景设定为选定的强度 和色度、然后在测试区域中改变所述强度和色度，同时监测所述对象对 该改变的反应。
有利地，所述第一测试图案在该图案的亮部和暗部之间具有平滑的 过渡，或者在第一颜色和第二颜色之间具有平滑的过渡，诸如此类。优 选的是，该图案具有施加于其上的动作方向。有利地，该图案可以具有 两个或多个运动方向，并且需要用户来指出该图案具有哪一个运动方向。
有利地，所述测试呈现装置包括用户输入装置(例如键盘或控制杆)， 以及监测向用户呈现所述测试图案与用户作出输入以指出所述第一测试 图案被施加了哪一个运动方向或者此时是否存在所述测试图案之间的时 间的定时器。所述第一测试呈现装置可设置为每次在预定时间内用户正 确地识别所述图案的运动时，减小所述第一测试图案中的对比度，以及 当用户在预定时间内识别运动方向失败或错误地识别运动方向时，增加所述第一测试图案中的强度。
有利地，以空间限制形式呈现所述第一测试图案，以便测试所述用 户在其视野内不同位置的反应，并且单独监测各个位置的反应，使得根 据用户分辨所述图案的能力，在用户视野的不同位置，随着测试进程改 变呈现给用户的对比度级别。
在执行所述第一测试以表征作为用户视野内位置的函数的、其视野 的各个区域内的敏感度之后开始第二测试，其中，在测试图案(优选第 一测试图案)上叠加随机或伪随机噪声，并且反复测试。所述噪声掩蔽 所述测试图案。可以改变测试强度和改变噪声强度来执行该测试。如上， 所述测试限于用户视野内的空间范围，并呈现于用户视野的不同区域， 以便表征他们的视觉反应。有利地，虽然不是必须的，在测试中信噪比 可保持为预定值。可使用使得用户对测试信号的敏感度减小到三分之一 或更多的噪声强度来保持恒定的信噪比。
在本发明的一个替代实施方式中，向用户示出一系列图像，并要求 该用户识别包括测试图案或测试图像的图像。 一般来说向用户呈现成对 的图像，即第一测试图像和第二测试图像(虽然是随机顺序)。 一个图像 具有测试图像或图案(可选地，叠加了噪声)，而另一图像不包括测试图 像或图案，但可包括噪声。然后该用户需要辨别这些图像，指出哪一个 包括测试图像或图案。只需要指出认为测试图案是在这对图像中的第一 个中还是在这对图像的第二个中即可。
一旦完成所述第一测试和第二测试，所述数据处理器便分析结果， 以便获得作为用户视野内位置的函数的敏感度、内部噪声和效率的度量。
迄今为止，为确定视觉效率而进行的测试是将测试图案呈现于用户 视野的仅单个区域或整个区域。这意味着这些测试并不具备确定用户视 野的各部分的衰退的能力。这些测试还需要进行多次的、费时的测量， 其可能破坏或减弱老年用户或具有患各种眼疾风险的用户的反应。
此外，这些现有技术测试必须使用校准后的显示装置以获得有意义 的结果。本发明不仅可以在校准后的显示装置上工作，也可以使用未校 准的显示器来实现，例如在用户家庭或工作个人电脑上工作。虽然在未校准模式中使用意味着不能评估灵敏度、颜色性能和环境光条件，该测 试仍能用于确定用户视觉反应的某些部分相比于其他部分有衰减。这就 足够给用户提供警告，促使他们找有资格的从业者进行检査。
同样期望的是，某些疾病可以通过符合特定空间模式的性能衰退来 表征，并且可以检测这些模式作为诊断视觉衰退的潜在原因的辅助。
根据本发明的第二个方面，提供了一种表征对象视觉反应的方法， 该方法包括以下步骤
在对象的视野内的不同位置呈现多个评价图像，其中每个图像包括 从以下列表中选择至少两个项目的作用，该列表包括
i) 基础图像；
ii) 测试图像，以及
iii) 噪声图像，
并且从对象接收关于他们是否能看到所述评价图像中的测试图像的 指示，
处理所述对象对所述评价图像的反应，以评价选自包括视觉灵敏度、 内部噪声和视觉效率的列表中的至少一项，其中每项都是所述对象的视 野内位置的函数。
根据本发明的第三个方面，提供了一种测试对象视觉反应的方法， 该方法包括以下步骤
执行第一测试，其中在用户视野内的不同位置以不同强度向用户呈 现第一测试图案，并记录用户的反应；
执行第二测试，其中在用户视野内的不同位置以不同强度向用户呈 现包含叠加在第一测试图案上的噪声的第二测试图案，并记录用户的反 应；以及
分析所述第一测试和所述第二测试的反应，以确定作为用户的视野 内位置的函数的用户视觉效率和内部噪声的度量。
根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机程序产品，用于使得 数据处理器执行根据所述第二或第三个方面的方法。


将仅通过示例参考附图进一步描述本发明，其中
图la至图lc示意性地例示了呈现给用户的第一测试图案；
图2示意性地例示了在用户的视野内各种位置的第一测试图案的呈
现；
图3示意性地例示了修改第一测试图案以形成第二测试图案； 图4示意性地例示了怎样使用第一和第二测试结果来表征用户的视 觉反应；
图5示意性地例示了执行本发明的设备；
图6a将本发明视野的测试网格与图6b所示的现有技术的"光点"激 励网格进行比较；
图7示出了三个对象的示例性结果；以及
图8示出了利用本发明对三个对象测量的内部噪声。
具体实施例方式
认为人眼内每个细胞的敏感度都有极限是有道理的。这也与我们自 身的经验相一致，即我们会发现在黑暗里我们很难看清楚。也可以认为， 当从工程学角度来考虑人类视觉系统时，细胞产生内部噪声。假设已经 开始遭到损坏的细胞，例如由于青光眼，开始更使劲地工作以保持它们 的性能，并且如果你想活着，则细胞所作的这种额外的工作导致其噪声 性能更进一步的衰退。因此，认为可以通过测量细胞内的效率和内部噪 声来检测导致视觉性能衰退的某些条件的发生，并且噪声图可以在用户 经历他们视觉性能的任何可感知的衰退之前识别出疾病。这对于疾病的 结果无法逆转、但当前的疗法确实可以延缓(即使不能停止)疾病的发 展的一些疾病(例如青光眼)来说是特别重要的。
本发明试图表征用户视野的不同部分处的眼睛性能。为此，执行效 率和内部噪声的测试。
图la至lc示意性地例示了第一测试图案。该测试图案可以包括静 态测试图像，例如如图la所示。然而，在本发明的一个实施方式中，图像变换如图la至lc所示。该图案包括强度和/或颜色不同的垂直的区域 2和4。为便于例示，该区域画成在强度上具有明显的转变，但它们可同 样地在强度上具有平滑变化的过渡，例如，可以用正弦函数表示。区域2 和4被限制在窗口 6内以限制图案的范围，所以它仅与用户视野的相对 小并很好地限定的区域相对。虽然窗口 6图示为圆形，但是它并不限于 圆形，也可使用其它形状，例如矩形和正方形的窗口。
在测试中，在第一时刻显示窗口 6，并且在预定时段里保持窗口 6 的位置恒定，但窗口 6内亮和暗的区域2和4发生转换以模拟测试图案 的运动。在图la至lc所示的示例中，图lb和lc的各个区域向该区域在 前面的图像中的对应位置的右侧轻微移动，因此该图案有移至右边的趋 势。当一个区域移至窗口 6的右手边，在左边引入一个新的区域，由此 确保补足图案。在测试中，每次图案在窗口内呈现，数据处理器会对图 案向左还是向右移动进行随机选择。该图案可以在任意朝向，优选地其 移动方向与它朝向的方向垂直。
一旦呈现该图案，用户便通过向左或者向右(或其他方向)移动输 入装置(例如控制杆)以与图案运动的方向相一致来告诉数据处理器他 们识别到了图案的存在。测量和记录窗口与图案呈现与用户正确地检测 到图案运动之间的时间。在使用中，在用户的视野内的各个位置呈现图 案，如图2示意地呈现的，在第一实例中，包含图案的窗口 6在位置10 呈现，并测量用户反应时间，并且随后在12、 14、 16、 18等位置呈现， 直到充分地标绘了用户视觉反应以进行表征。
对同一区域多次呈现测试图案。因此，假设初始测试图案呈现在用 户视野的区域10，并且用户在足够短的时段内正确地识别测试图案运动 的方向，则稍后在测试中，测试图案再次呈现在区域10，但亮区域2和 暗区域4之间的对比度减小，使得两个区域更密切地对应于可视为在显 示器上呈现的窗口 6外部区域的基础图像的普通背景。在测试的第一阶 段，测试图案的区域2和4之间的强度差减小至用户识别图案能力的极 限。
随后测试进行到第二阶段，如图3示意性所例示，其中向包含交替的带2和4的测试窗口 6添加随机噪声掩模(mask) 30，以产生噪声测 试图案32。或者，可向显示器示出的整个图像添加噪声。然后将该噪声 测试图案呈现给用户，反复进行测试过程的第一部分中执行的测试，使 得用户能够在噪声测试图案中辨别交替带运动的方向，并且在窗口 6中 用户的视野的各个位置上呈现该噪声测试图案。如前，如果用户正确地 猜中运动的方向，则减小亮和暗带之间的强度差。测试操作者可以确定 噪声图案的噪声功率在测试过程中是否保持不变，或者确定是否根据亮 带2和暗带4之间的强度差而别变化，使得测试图案中信噪比保持恒定。 在第一和第二测试序列完成后，然后在用户的视野内在逐个区域的 基础上分析测试结果，例如，对于区域10，从电脑存储器提取对应于该 区域的第一测试结果，并且也提取对应于该区域的第二测试结果，然后 分析该结果。
图4示意性例示了对于给定的区域相对于在测试图案上叠加的噪声 掩模的功率而绘出的用户能够区别的图案强度的极限。因此，当不加入 噪声时(对应于第一测试)，用户能辨别出在标为40的图案强度的条 (bar)。当添加噪声功率时，也需要在用户辨别出它之前增加图案强度(亮 带和暗带之间的强度差)。在图4中示出标为42、 44和46的第一、第二 和第三级别的噪声处的结果。在图4中示出了4个单个的噪声测量，虽 然实际上更优选的是2个，以减短时间避免对象变得厌烦。因此，例如， 如果只有测量42和46，则连接测量点的线48必须假定是直线，因此可 以仅仅从其斜率和在X轴上的截距方面来表征。只使用这些测量可使得 测试呈现在任何非校准(un-calibrated)系统上。非校准系统的误差同样 也能改变噪声掩模和图案，使得作为结果的信噪比不受影响。单独评价 两点使得测试更适用于老年人和有眼疾风险的其他人。第一测量涉及使 用户的灵敏度降低到大致三分之一的适度噪声强度。这类噪声可由各种 亮度级别组成；见各种灰色阴影(称为高斯噪声)。第二测量包括更强的 噪声掩模，其使用户的灵敏度至少降低到九分之一。这类噪声由两个不 同的强度级别组成；黑色和白色(称为二元噪声)。对应的噪声强度是显 著不同的，从而两个测量X轴上相距很远，由此仅通过两个基准点确保更精确的斜线。如果斜线延伸至Y轴的左边，则它在X轴上的截点表示 在用户视觉系统中的内在(内部)噪声的测量，而图线斜率是用户视觉 系统的效率的指示。 一般来说，用户的效率是图4所示图线斜率的倒数。 对测试测量反复进行这种分析，以建立示出作为用户的视野内位置 的函数的内部噪声和视觉效率的"图"。
图5是示意例示构成本发明实施方式的设备的图。该设备包括与图 形卡62通信的数据处理器60，而图形卡62又控制显示器装置64 (例如 LCD显示器)。
数据处理器60还经由合适的接口卡68与输入装置66(例如操纵杆) 通信。包括一个或多个短期易失性存储器和长期非易失性存储器的存储 器也与数据处理器60通信，其被标为70。在使用中，数据处理器60从 存储器70提取指令，使得它向显示屏64的各部分呈现第一测试图案， 并记录用户作为反应而对操纵杆66作出的运动。在测试过程中，用户应 当具有单个固定点，因此数据处理器60还显示目标72。在测试中用户应 当保持对目标72的凝视。在测试的第一阶段完成后，数据处理器添加噪 声掩模，并开始测试的第二阶段，其使得测试图案再次显示在显示器64 的各个区域，并记录用户的反应。 一旦测试完成，数据处理器则比较测 试结果，以得出、存储和/或输出作为用户视野内位置的函数的用户内部 噪声图和效率度量的数值或图形表示。
数据处理器还可被设置为执行区域或轮廓分析，以识别具有近似性 能级别(即噪声或效率级别)的区域，以识别用户的反应内的性能模式。 这些模式然后与数据库相比较，以确定该模式是否与数据库中指示某生 理状况或疾病的模式相关。
用户的每只眼睛都单独进行测试。
至此己经描述了在两个不同的阶段所发生的测试，这可视为在第一 阶段中没有噪声时用户看到测试图像/图案的能力的表征，而在第二阶段 中，向测试图案添加噪声并且用户需要再次指示他们是否能看到测试图 案。通过他们需要识别图案中的运动方向的事实来确认用户的反应。
以不同的时段呈现这些不同的阶段(阶段1和阶段2)。可以理解的是，该测试的这些不同部分实际上不需要在时间上分开， 并且计算机能向用户以混合的序列呈现与阶段1和阶段2对应的测试。
本发明的第二实施方式中，数据处理器先向用户显示一系列评价图 像。每个评价图像由多个图像部分构成。
第一部分是基础图像，其通常是填充整个显示器并形成背景的均匀 颜色。可以向该基础图像加上测试图像和域噪声图像。
为了简单，测试图像可以是交替的亮条和暗条网格，其可以突然地 或平滑地彼此转换。
测试图像被框在窗口中，并且可与基础图像相结合以便仅在窗口所 包围的区域中改变基础图像。象以前一样，测试图像的强度是变化的， 使得在窗口内对基础图像所做的扰动也是变化的。窗口可以设置在显示 器的多个位置中的任意一处。相对于用户对显示器进行定位，例如使用 下巴搁置台或其他头部限制器，从而显示器上窗口的位置可以映射到用 户视野内的位置上。
图6a例示了位置图，其中窗口 6位于用户视野内。可使用照相机(未 示出)追踪用户凝视的方向以确保他们测试中看着正确的方向，并丢弃 当用户没有看着正确的方向时获得的结果。可以看出，窗口位置已经被 选择为与现有技术的离散"亮点"激励位置一致，并在图6b中示出。
也可向基础图像或基础图像和测试图像的组合添加噪声。然后，按 照没有评价图像包括测试图像、只有一个评价图像(第一图像或第二图 像)包括测试图像、或都包括测试图像的情形，接连呈现图像对。测试 图像和噪声图像的相对强度在各对图像中和图像对之间可以不同。这样， 在用户视野内给定的位置可以取多个读数，以限定在该位置(即，如图4 所示)图案强度对噪声强度的极限，从而确定内部噪声和视觉效率。
图7示出了三个测试对象在视野内多个位置的视觉效率的图表(图 4中的斜率)。区域80和82中的结果从患有青光眼的个体获得。区域84 中的结果来自健康对象。根据传统概率指数，虚垂线86将正常和非正常 的dB值分开。
图8示出同一个体的噪声评估结果。这里区域80，指示从青光眼患者获得的结果，而图7中标为80。类似的，单个结果82'来自图7中标为 82的结果的同一个人。由于青光眼的程度对该个体只检测了一个结果。 可以看出，内部噪声值随敏感度的增强而降低。这指示有青光眼。 区域80中产生了两个点， 一个点(-10， 8)被高敏感度的区域围绕， 其可导致所测量的内部噪声显著减少，而另一个点(-14， 8)示出提高的 内部噪声，但在常规测试中发现其被弱敏感度区域所围绕。
因此，能够提供一种灵敏但耐用的测试，以检测人的视觉系统的衰退。
权利要求
1. 一种表征对象的视觉反应的设备，该设备包括数据处理器、显示器和输入装置，其中所述数据处理器被设置为在所述显示器上的不同位置呈现评价图像，使得所述图像出现在所述对象的视野内的不同位置上，并且每个评价图像包括从以下列表中选择的至少两个项目的作用，该列表包括基础图像测试图像，以及噪声图像，其中所述数据处理器响应于所述输入装置，使得所述对象能够指示他们是否能够看到所述评价图像中的测试图像，并且所述数据处理器还被设置为评价所述对象的反应，以指示作为所述对象的视野内位置的函数的视觉效率、内部噪声和视觉灵敏度中的一个或多个。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述数据处理器被设置为向用 户呈现所述基础图像和所述测试图像的变化作用，以评价作为位置的函 数的、用户识别所述测试图像的能力的极限。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述数据处理器被设置为向所述测试图像添加噪声，以评价作为位置的函数的、用户在存在噪声的情 况下识别所述测试图像的能力的极限。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中所述数据处理器改变噪声功率 以便表征作为用户视野内位置的函数的、用户在存在噪声的情况下识别 测试图像的能力。
5. 根据上述任一权利要求所述的设备，其中，针对用户视野内的给 定位置，所述数据处理器被设置为分析用户的相对于噪声的最小测试图 像强度的反应，以确定该位置的视觉灵敏度。
6. 根据上述任一权利要求所述的设备，其中，针对用户视野内的给 定位置，所述数据处理器被设置为分析用户的相对于噪声的最小可辨别 测试图像强度的反应，以估计该位置的噪声值。
7. 根据上述任一权利要求所述的设备，其中，所述数据处理器被设 置为将视觉灵敏度、效率或内部噪声的值输出为曲线或图。
8. 根据上述任一权利要求所述的设备，其中，所述数据处理器被设 置为检查作为用户视野内位置的函数的视觉性能，以找出表示疾病的倾 向，并输出其结果。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被设置为在用户的 视野内的不同位置向用户呈现第一测试图像，并记录用户的反应；向所 述第一测试图像或其他测试图像添加噪声以生成第二测试图像，将其呈 现在用户的视野内，并记录用户的反应；然后处理所述用户对所述第一 测试图像和所述第二测试图像的反应。
10. 根据上述任一权利要求所述的设备，其中所述测试图像包括不 同强度的交替带。
11. 一种表征对象的视觉反应的方法，该方法包括以下步骤 在对象的视野内不同位置呈现多个评价图像，其中每个图像包括从以下列表中选择的至少两个项目的作用i) 基础图像；ii) 测试图像，以及iii) 噪声图像并且从对象接收关于他们是否能够看到所述评价图像中的测试图像 的指示，处理所述对象对所述评价图像的反应，以评价从包括视觉灵敏度、 内部噪声和视觉效率的列表中选择的至少一项，其中每项都是所述对象 的视野内位置的函数。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其中在用户视野内以变化的强度 和变化的位置呈现测试图像，以评价作为位置的函数的、用户识别测试 图像的能力的极限。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述测试图像与所述基础图 像组合，并且基础图像限定背景。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中还向所述测试图像添加噪声，以评价作为位置的函数的、所述用户在存在噪声的情况下识别测试图像 的能力的极限。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中向所述基础图像添加噪声。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其中噪声功率可变。
17. 根据权利要求11到16中任一项所述的方法，其中执行用户的 相对于噪声强度的最小可辨别测试图像强度的分析，作为所述用户的视 野内位置的函数，以将视觉灵敏度确定为位置的函数。
18. 根据权利要求11到17中任一项所述的方法，其中执行相对于 噪声的最小可辨别测试图像强度的分析，作为视野内位置的函数，以评 价作为位置的函数的噪声。
19. 一种测试对象的视觉反应的方法，该方法包括以下步骤 执行第一测试，其中在视野内的不同位置以不同强度向对象呈现第一测试图案，并记录所述对象的反应；执行第二测试，其中在视野内的不同位置以不同于所述第一测试图 案的噪声强度或强度向对象呈现包括添加到第一测试图案或其等同物上 的噪声的第二测试图案，并记录所述对象的反应；以及分析所述反应，以确定作为视野内位置的函数的、所述对象的视觉 效率和内部噪声的度量。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述用户反应是用户作出的 可以看见所述第一测试图案的指示。
21. 根据权利要求19或20所述的方法，其中所述第一测试图案包 括不同强度的交替区域。
22. —种用于使可编程计算机执行权利要求11所述的方法的计算机 程序。
23. —种用于使可编程计算机执行权利要求19所述的方法的计算机程序。
全文摘要
一种表征对象视觉反应的设备，该设备包括数据处理器、显示器和输入装置，其中所述数据处理器被设置为在所述显示器上的不同位置呈现评价图像，以使得所述图像出现在对象视野内的不同位置，并且每个评价图像包括从以下列表中选择的至少两个项目的作用，该列表包括基础图像，测试图像，以及噪声图像，并且所述数据处理器响应于所述输入装置，以使得所述对象能够指示他们是否能够看到所述评价图像中的测试图像，所述数据处理器还被设置为评价所述对象的反应，以指示作为对象视野内位置的函数的视觉效率、内部噪声和视觉灵敏度中的一个或多个。
文档编号A61B3/06GK101415363SQ200780011761
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月27日 优先权日2006年4月3日
发明者约翰·米林顿·维尔德, 里史·拉塔恩 申请人:加的夫大学学院咨询有限公司