一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测装置及方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及眼球运动功能的检测。

背景技术：

正常人左、右眼向各个方向均可灵活转动，在眼球运动到极限位置且保持凝视时，双眼能达到同一位置，以保证视物为单一物象，当眼运动神经麻痹或眼外肌肌肉病变时，则出现双眼运动不协调，表现为眼球向某一方向或多个方向运动不到位，亦称之为眼球运动障碍。眼球运动障碍是由多种病因损伤脑神经所致，由于病因和病情的轻重程度不同，运动障碍程度有所差异，眼球运动障碍情况会在病情发展和转归的过程中发生变化，因而检测眼球运动障碍情况，对疾病的严重程度和康复评定有很重要的意义。

眼球运动检测最早由Dodge等人于1901年研究发表，主要是一种基于角膜反光描记水平方向上的眼球运动，此后很长一段时间内的眼球运动检测多是在该原理的基础上发展而来，如通过手台式弧形视野计和聚光灯泡在暗室中进行检测，检测时聚光灯泡置于弧形视野计上，来检测眼球多个角度和方向的运动情况。具体方法：患者遮盖一眼，被检测眼分别于上、颞上、颞侧、颞下、下、鼻下、鼻侧、鼻上八个方向注视视野计上的灯泡，使得反光点正落在角膜的瞳孔区中央，眼球随灯泡在视野装置上的移动而移动，当眼球移动到最大移动范围时，此时眼球则出现轻微的震颤现象，医生手动记录此时灯泡于视野计上移动的度数作为眼球在该方向的“运动角度”。应用该种检测方法时，当眼球运动向上方、鼻上、鼻侧、鼻下方向的极限运动时，由于鼻部的遮挡光线不能正投于角膜的瞳孔区中央，因此在这几个方向上不能最大限度检测出眼球的极限运动情况。角膜反光描记法是医生通过观察眼球的震颤现象来判断眼球在该方向上极限运动，虽然实现了检测结果的量化，但检测结果更为主观，该检测方法主要以手工操作为主，眼球震颤现象出现相对突然，持续时间短暂，准确性较低，检测较为粗糙。目前大部分临床医生仍沿用简单的直尺检测，人为计算相关距离。优点是直接读数，但读数重复精度低，效率低，不同的人会读出不同的数据。对于现代精准医学要求来讲已不能满足于现实应用。

随着计算机技术的发展，有人推出了运用三维模型识别人脸技术检测方法来检测眼球运动情况，由于面部结构复杂，三维模型对眼球识别没有特异性，检测程序复杂耗时，成本高等因素没有得到推广应用。此后又出现类似概念的眼球运动检测装置，如双频电磁感应法检测，此类装置主要应用于反应眼球运动中的眼动方向、眼动倾斜程度或者是眼球运动的位置关系、眼球运动速度或者是注视点，注视时间和次数，眼跳距离，瞳孔大小等数据，在之后的眼球运动研究中，主要是将特定的检测装置附着于眼球上，同眼球一起运动来达到检测的目的，该方法操作复杂，受干扰性因素多，目前在医学临床上未见很好的推广。因此临床急需能够连续反映出眼球运动障碍变化过程，高精准确采集眼部图像，定性定量地检测眼球运动情况的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有方法无法快速、准确地检测出眼球运动距离，以及眼球被遮挡时无法检测眼球运动距离的问题，提供一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测装置及方法。

本发明所述的一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测装置包括头部固定机构5、照相机4和计算机；

所述头部固定机构5用于固定患者的头部，照相机4用于实时显示患者双眼图像，并将图像发送至计算机；

所述计算机内嵌入由软件实现的检测模块，该模块包括以下单元：

坐标系建立单元：根据照相机4发来的基准照片建立平面直角坐标系，所述基准照片是指患者正视照相机4时拍摄的照片；

角膜缘提取单元：提取照相机4发来的基准照片和各个测试照片中的角膜缘，所述测试照片是指患者双眼向各个方向运动时拍摄的照片，从基准照片中提取出的角膜缘为基准角膜缘，从测试照片中提取出的角膜缘为测试角膜缘；

测试角膜缘还原单元：根据两个基准角膜缘的特性，还原各个测试角膜缘的完整图像，得到完整的测试角膜缘；

基准点提取单元：分别提取两个基准角膜缘图像上的任意一点，以此作为左、右眼的基准点；

测试点提取单元：提取各个完整的测试角膜缘图像中与基准点相对应的点，以此作为测试点；

眼球运动距离计算单元：计算左眼对应的各个测试点相对于左眼的基准点所运动的距离、以及右眼对应的各个测试点相对于右眼的基准点所运动的距离，得到患者左右眼球在各个方向上的运动距离；

双眼运动一致性偏差计算单元：将左右眼球在同一个方向上的运动距离相减，得到该方向的双眼运动一致性偏差。

本发明所述的一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测方法是基于下述装置实现的，所述装置包括头部固定机构5、照相机4和计算机；

所述头部固定机构5用于固定患者的头部，照相机4用于实时显示患者双眼图像，并将图像发送至计算机；

所述方法由嵌入在计算机内的软件实现，所述方法包括以下步骤：

坐标系建立步骤：根据照相机4发来的基准照片建立平面直角坐标系，所述基准照片是指患者正视照相机4时拍摄的照片；

角膜缘提取步骤：提取照相机4发来的基准照片和各个测试照片中的角膜缘，所述测试照片是指患者双眼向各个方向运动时拍摄的照片，从基准照片中提取出的角膜缘为基准角膜缘，从测试照片中提取出的角膜缘为测试角膜缘；

测试角膜缘还原步骤：根据两个基准角膜缘的特性，还原各个测试角膜缘的完整图像，得到完整的测试角膜缘；

基准点提取步骤：分别提取两个基准角膜缘图像上的任意一点，以此作为左、右眼的基准点；

测试点提取步骤：提取各个完整的测试角膜缘图像中与基准点相对应的点，以此作为测试点；

眼球运动距离计算步骤：计算左眼对应的各个测试点相对于左眼的基准点所运动的距离、以及右眼对应的各个测试点相对于右眼的基准点所运动的距离，得到患者左右眼球在各个方向上的运动距离；

双眼运动一致性偏差计算步骤：将左右眼球在同一个方向上的运动距离相减，得到该方向的双眼运动一致性偏差。

本发明所述的装置及方法首次将光学摄影的检测方式应用到眼球运动功能检测，手段先进操作简快捷。利用近年发展起来的计算机图像处理分析技术，对眼球运动情况进行定量精准检测。本发明能够在眼球角膜被大部分遮挡的情况下进行检测，其原理是根据拍照得到的眼角膜图，经计算机图像处理还原出完整的眼角膜，从而计算出眼球移动的距离；实现了双眼运动一致性偏差检测的功能；实现了眼球运动功能精确检测和量化，精度可达到0.01mm，实现了眼球运动功能检测的自动化。本发明能够用来建立正常人眼球运动功能数据参数的标准；能够用来通过检测数据反映出眼外肌复杂的运动过程，经过对这些数据的变化分析出眼外肌对眼球运动作用力与运转方向的规律性，用来对受损眼肌的麻痹情况进行评估。上述装置可以应用到伤残评定等多领域，是目前眼球检测领域创新先进的检测手段。

本发明特点技术先进、装置结构简单见，操作简便、精确度高、耗时少成本低，将复杂的检测过程简单化、自动化，直接得到测量结果和直观的图像，为检测和评定眼球运动功能提供一个新型装置的新方法。

附图说明

图1为实施方式一所述检测装置的结构示意图，图中1计算机的主机箱，2表示显示器，3表示键盘，4表示照相机，5表示头部固定机构，6表示坐凳，7表示检测台；

图2为实施方式十一所述方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测装置，包括头部固定机构5、照相机4和计算机；

所述头部固定机构5用于固定患者的头部，照相机4用于实时显示患者双眼图像，并将图像发送至计算机；

所述计算机内嵌入由软件实现的检测模块，软件采用VisualC++6.0编写，该模块包括以下单元：

坐标系建立单元：根据照相机4发来的基准照片建立平面直角坐标系，所述基准照片是指患者正视照相机4时拍摄的照片；

角膜缘提取单元：提取照相机4发来的基准照片和各个测试照片中的角膜缘，所述测试照片是指患者双眼向各个方向运动时拍摄的照片，从基准照片中提取出的角膜缘为基准角膜缘，从测试照片中提取出的角膜缘为测试角膜缘；

测试角膜缘还原单元：根据两个基准角膜缘的特性，还原各个测试角膜缘的完整图像，得到完整的测试角膜缘；

基准点提取单元：分别提取两个基准角膜缘图像上的任意一点，以此作为左、右眼的基准点；

测试点提取单元：提取各个完整的测试角膜缘图像中与基准点相对应的点，以此作为测试点；

眼球运动距离计算单元：计算左眼对应的各个测试点相对于左眼的基准点所运动的距离、以及右眼对应的各个测试点相对于右眼的基准点所运动的距离，得到患者左右眼球在各个方向上的运动距离；

双眼运动一致性偏差计算单元：将左右眼球在同一个方向上的运动距离相减，得到该方向的双眼运动一致性偏差。

检测原理：

人们所看到的物体影像可以理解为是由三维的各种光点组成，照片就是三维光点向二维平面的投影。当眼球角膜上任意一点M在A的位置时拍照，即向平面投影得到点M_A，保持头部和相机位置不变，当点M在B的位置时拍照即向平面投影得点M_B，如果知道M_A与M_B的距离也就知到了眼球运动的距离。

本发明利用计算机图像技术经过如下环节实现眼球运动距离的检测：

1)图像采集：

照相机4实时显示双眼图像，并将图像发送至计算机，根据需要对人脸眼部正面及检测位图像进行多次拍照；

2)图像处理：

采用计算机图像处理技术对图像进行图像增强，增强图像中角膜缘的特征，扩大角膜与结膜之间的差别以便于图像分析；

3)图像分析：

利用图像分析技术进行角膜缘特征提取，并测量眼球运动的距离。

如果在平面上建立坐标系就可以知道眼球在各个方向上的运动情况，为此在拍摄第一张照片时要求对患者头部位置进行调节。首先调节患者头部角度，使患者双眼向正前方平视，使照相机4正对患者双眼，通过显示器观察照相机4采集到的患者脸部图像，微调患者头部，使患者两个瞳孔中心点的连线与显示器中平面直角坐标系的X轴重合，使患者前正中线与显示器中平面直角坐标系的Y轴重合。这时照片上任意一点M的位置都可以用M(x，y)表示。当眼睛向某个方向运动一定距离后，M点移动至M₁点，M₁点坐标为(x₁，y₁)点。则有：

运动距离等于M、M₁两点之间的距离；

运动方向为角α，则sinα＝(y₁-y)/(x₁-x)，α＝arcsin(y₁-y)/(x₁-x)；

两眼运动一致偏差△L＝L₁-L`<sub>1</sub>，其中L<sub>1</sub>为左眼球运动距离，L`₁为右眼球运动距离。

在检测的过程中，特别是90度和270度方向(X轴正方向为0度)的检测时，往往上、下眼皮会挡住一部分眼角膜，这时拍照只能看到约1/3的眼角膜圆。计算机调出基准照片中角膜圆图形，根据移动后角膜圆未被遮挡的部分可以还原出完整的角膜圆图形及其移动后的位置，从而计算出眼球移动的距离。实现了眼球角膜被遮挡三分之二仍可精确检测的功能。

本实施方式所述的检测装置具有以下有益效果：

1、能够在眼球角膜被遮挡的情况下完成检测

角膜被眼睑遮挡给检测带来巨大困难，睑裂大小不一、老年人眼睑松弛等个体差异都影响了检测的精确度，特别是在90度和270度方向的检测时，角膜瞳孔都被遮挡，临床几乎无法测量。本实施方式通过图像还原技术，根据眼球移动后未被遮挡的1/3或不足1/3的图像可以还原出完整的角膜缘，得到其移动后的位置，从而计算出眼球运动的距离。

2、实现了双眼运动一致性偏差的检测

人的双眼在向某一方向注视时，由于双眼分别受不同肌肉的牵拉作用，双眼的实际移动距离是有偏差的，这个偏差定义为双眼运动一致性偏差。而传统的方式无法对两只眼睛同时检测，因此无法实现双眼运动一致性偏差的检测。本实施方式具有检测双眼运动一致性偏差的功能，该项功能对于双眼眼球运动功能检测评定有重要意义，是目前所有检测方法所不能实现的。

3、检测结果更加精确

本发明采用计算机识别图像技术，实时采集角膜缘图像，精准地计算出同一点在不同时间位置的差异，能够精准到0.01mm，避免了原有的医生主观判读、手工记录的检测方式造成的误差。

4、建立正常人眼球运动功能数据参数标准

通过对正常人的检测结果进行大数据统计分析，建立正常人两眼球运动一致性偏差的数据、眼球向各个方向移动最大距离的数据等眼球运动功能参数标准，为眼球运动功能的评定提供参考值。

5、实现了通过检测数据分析得出结果评定眼球运动功能

医生可以通过检测结果评定眼球运动功能，即检测结果的判读，为疾病严重程度和诊疗方案选择提供依据。

每只眼球的转动可分为八个方向，共有六条眼肌控制。眼球每一个运动都不会是一条眼外肌活动的结果，而是一组肌肉协作的结果。每一条肌肉都有与其主要作用相同的协同肌，也有与其主要作用力相反的拮抗肌。外展运动障碍是由于外直肌力量不足。内收运动障碍是由于内直肌力量不足。外上运动障碍是由于上直肌力量不足。外下运动障碍是由于下直肌力量不足。内上运动障碍是由于下斜肌力量不足。内下运动障碍是由于上斜肌力量不足。由于一条或数条眼外肌麻痹，致使眼球向某些方向运动发生障碍，而且显现出斜视。两眼的分离偏斜是因某一条眼外肌或数条眼外肌作用减弱或消失而引起的。眼球向各个方向运动时偏斜程度变动不一，向麻痹肌作用方向运动时斜角增大。

由于眼球在眼眶内，复杂的作用肌群检测在活体是很难实现的，本实施方式实现了对眼球的非接触式检测，并在对人体无任何伤害情况下进行。通过测试眼球向各个不同方向运转的数据得到眼球运动一致性偏差、眼球运转的距离数据、以及运动角度数据，根据这些数据判断被检测者的眼肌运转情况，如果检测结果在均在正常人眼球运动功能参数标准范围内，可以评定为眼球运转功能正常。如果检测数值超出正常范围，则根据所在象限的眼外肌作用方向的一致性偏差最大距离的数据来评定眼外肌运转障碍情况。

6、实现眼球运动功能检测的自动化

本实施方式采用计算机对图像进行处理，能够自动识别所需角膜图像，滤掉背景影像，计算出眼球运动距离数据，实现一次检测可以同时得到二个眼球在各个方向上的运动数据和二个眼球运动一致性的数据。整个检测过程速度快、操作简单，与传统检测比较实现了质的飞跃。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的检测装置的进一步限定，本实施方式中，所述的检测模块还包括：

基准角膜缘还原单元：将不完整的基准角膜缘还原成完整的基准角膜缘；

基准点提取单元从完整的基准角膜缘图像中提取基准点。

不同人的眼裂大小各不相同，睑裂大的人在拍摄基准照片时能够拍到完整的角膜缘，但睑裂小的人只能拍到大部分角膜缘。为此，本实施方式增加了基准角膜缘还原单元，对完整的基准角膜缘进行还原，得到完整的基准角膜缘图像。采用完整的基准角膜缘图像更方利于选取基准点。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一和二所述的检测装置的进一步限定，本实施方式中，所述的角膜缘提取单元提取角膜缘的方法为：采用计算机图像识别技术，将一张测试照片与基准照片进行比较，去掉两张照片中相同的部分，得到基准角膜缘和测试角膜缘。

本实施方式采用差影法来提取角膜缘。采用计算机图像识别技术，将任意一张测试照片与基准照片进行比较，去掉两张照片中相同的部分，这时每张照片就只剩下两个角膜缘。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至三所述的检测装置的进一步限定，本实施方式中，基准点为角膜缘的中心点。

角膜缘为圆形，也称角膜圆。当患者双眼正视照相机4时，拍摄到的角膜缘呈圆形。当眼球向某一方向运动一定距离后，角膜缘所在平面已经发生偏转，而照相机4的位置和角度均保持不变，因此，拍摄到的角膜缘不再是标准的圆形，有可能是椭圆形，也有可能是其他图形。如果选取角膜缘轮廓上的点作为基准点，那么，寻找该基准点在运动后的角膜缘图像中的精确位置则难度很大。如果选取角膜的中心点作为基准点，寻找运动后的角膜缘的中心点则容易得多，数据处理过程更快，计算结果也精确得多。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至四所述的检测装置的进一步限定，本实施方式中，所述的检测模块还包括：

患者信息录入单元：用于录入患者信息；

检测报告生成单元：根据患者左右眼球在各个方向上的运动距离生成检测报告；

存储单元：存储检测过程中的所有图像及检测报告。

患者信息包括姓名、性别、年龄、病因、发病时间、治疗情况等信息。将患者信息与测得的眼球在各个方向上的运动距离合成检测报告进行存储，还可以打印。

本实施方式实现了连续性储存检测资料和数据的功能。由计算机自动生成包括检测结果在内的检测报告，自动建立患者的病情档案，连续记录可以获得患者眼球运动功能的变化情况，突破了原有检测无法实现影像资料和数据存储的问题，为临床科学研究奠定基础。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，所述的基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测装置结构如图1所示。检测台上安装带有颌托的头部固定机构，照相机安装在检测台的另外一侧，并与头部固定机构的相对位置保持固定。检测者登录测试程序，输入患者的姓名、性别、年龄、测试日期、病历号、联系方式等个人基本信息。患者坐在检测台前的坐凳上，下颌置于头部固定机构的颌托上，根据医生指令进行头部位置调整，调节颌托高度保证使患者双眼瞳孔中心点的连线与显示器中的X轴重合；使患者前正中线与显示器中的Y轴重合；进入测试模式，拍摄的第一张照片(双眼注视正前方)用于建立坐标系。随后患者在医生的指令下进行眼球移动，分别向坐标系的8个方向即0度(左)、45度(左上)、90度(上)、135度(右上)、180度(右)、225度(右下)、270度(下)和315度(左下)方向移动，在每个方向上拍一张照片。计算机自动生成检测数值。并对检测数值进行存储，或根据需要生成打印检测报告。

多名患者的检测数据形成数据库用于以后的临床研究、科研统计、分类检索等。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于计算机的眼球运动距离及双眼运动一致性偏差检测方法是基于下述装置实现的，所述装置包括头部固定机构5、照相机4和计算机；

所述头部固定机构5用于固定患者的头部，照相机4用于实时显示患者双眼图像，并将图像发送至计算机；

所述方法由嵌入在计算机内的软件实现，所述方法包括以下步骤：

坐标系建立步骤：根据照相机4发来的基准照片建立平面直角坐标系，所述基准照片是指患者正视照相机4时拍摄的照片；

角膜缘提取步骤：提取照相机4发来的基准照片和各个测试照片中的角膜缘，所述测试照片是指患者双眼向各个方向运动时拍摄的照片，从基准照片中提取出的角膜缘为基准角膜缘，从测试照片中提取出的角膜缘为测试角膜缘；

测试角膜缘还原步骤：根据两个基准角膜缘的特性，还原各个测试角膜缘的完整图像，得到完整的测试角膜缘；

基准点提取步骤：分别提取两个基准角膜缘图像上的任意一点，以此作为左、右眼的基准点；

测试点提取步骤：提取各个完整的测试角膜缘图像中与基准点相对应的点，以此作为测试点；

眼球运动距离计算步骤：计算左眼对应的各个测试点相对于左眼的基准点所运动的距离、以及右眼对应的各个测试点相对于右眼的基准点所运动的距离，得到患者左右眼球在各个方向上的运动距离；

双眼运动一致性偏差计算步骤：将左右眼球在同一个方向上的运动距离相减，得到该方向的双眼运动一致性偏差。

本实施方式所述的方法与实施方式一中的检测模块相对应。

具体实施方式八：结合图2本实施方式是对实施方式七所述的检测方法的进一步限定，本实施方式中，所述方法还包括：

基准角膜缘还原步骤：将不完整的基准角膜缘还原成完整的基准角膜缘；

所述的基准点提取步骤从完整的基准角膜缘图像中提取基准点。

本实施方式所述的方法与实施方式二中的检测模块相对应。

具体实施方式九：本实施方式是对实施方式七所述的检测方法的进一步限定，本实施方式中，所述的角膜缘提取步骤提取角膜缘的方法为：采用计算机图像识别技术，将一张测试照片与基准照片进行比较，去掉两张照片中相同的部分，得到基准角膜缘和测试角膜缘。

本实施方式所述的方法与实施方式三中的检测模块相对应。

具体实施方式十：本实施方式是对实施方式七所述的检测方法的进一步限定，本实施方式中，基准点为角膜缘的中心点。

本实施方式所述的方法与实施方式四中的检测模块相对应。

具体实施方式十一：结合图2本实施方式是对实施方式七所述的检测方法的进一步限定，本实施方式中，所述方法还包括：

患者信息录入步骤：用于录入患者信息；

检测报告生成步骤：根据患者左右眼球在各个方向上的运动距离生成检测报告；

存储步骤：存储检测过程中的所有图像及检测报告。

本实施方式所述的方法与实施方式五中的检测模块相对应。