用于快速测量视觉对比敏感度函数的系统和方法与流程

背景技术：

1.技术领域

本发明涉及计算机化视觉对比敏感度函数测量系统，并且更具体地涉及被配置成实现倾斜光栅强迫选择对比敏感度函数测试的计算机视频系统。更具体地，本发明利用用于视觉对比敏感度函数的已知测量方法并且通过使系统计算机化并将系统与记录结果曲线的形状的患者交互式用户接口联接从而产生准确定量结果来自动化方法的使用。

2.相关领域的讨论

简单地说，对比度是对象相对于其背景具有的亮度或暗度的测量，或者换句话讲，其为使对象可区分的明度差。例如，白色背景上的黑色字母具有比灰色背景上的黑色字母大的对比度。对比度阈值是可由观看者区分的正观看的对象和其背景之间的亮度和暗度的最小差。对比敏感度是对比度阈值的倒数，其限定了可见和不可见之间的阈值，并且因此对比敏感度的任何降低可能影响日常活动，包括阅读、利用工具、驾驶以及简单地寻找对象。存在可能引起对比度敏感度损失的疾病以及设计不当的光学器件，包括眼镜和接触镜片。

对象的大小，或者更具体地，其在空间中对着的角度，影响需要多少对比度来将对象与其背景区分开。可通过交替具有占据特定视角的适当间隔的亮线和暗线来描绘对象的大小。特定视角内的亮线和暗线的数量被称为空间频率。密集封装的线表示高空间频率，而稀疏封装的线表示低空间频率。对比敏感度和空间频率之间的关系已知为对比敏感度函数。确定单个的对比敏感度函数可向标准视敏度测试或测量提供有价值的临床助剂。更具体地，虽然灵敏度是视觉分辨率或检测以及可检测的最大频率的测试，但对比敏感度函数测试一定范围的光谱频率内的性能，并且此范围可与主观视觉满意度相关。

公认的是，对比敏感度函数(csf)测量是用于评估人类视觉系统的重要且有益的方法。然而，这些测量在研究环境中仅很少进行，并且很少在临床环境中进行。其很少使用的主要原因是完成有效测量所需的时间长度。它作为例行测试是不切实际的。此外，测量所需的时间长度可能导致由受检者疲劳造成的测量不准确。

传统的csf测试采用具有各种空间频率和对比度级别的一系列图像或测试图表。通常，向受检者显示大量的这些单独图表，受检者必须作出关于图案的存在的强迫选择。可根据这些选择和漫长过程确定csf；然而，受检者疲劳常常是如上文列出的准确度的因素。

两个另选强迫选择测试或任务的基本组分包括两个另选选择，例如两个可能的视觉刺激、允许响应/选择的延迟间隔，以及指示两个可能刺激中的一个的选择的响应。对于对比敏感度函数测试，优选的刺激是由具有不同空间频率和对比度的正弦光栅组成的一系列目标。为了提供检测方法，光栅稍微向左或向右倾斜或者是垂直的。对于每个目标，受检者必须用取向来作出响应，即使它只是猜测。当在一定精度水平下针对感兴趣的每个空间频率确定“看见”和“看不见”之间的阈值时，确定csf。

视觉对比测试系统(vistech)和功能灵敏度测试系统(视觉科学研究公司)是为实现此测试生产的可商购获得的图表。这些图表的示例分别示于图1a和1b中。然而，仅使用少量图表，并且当受检者必须对每个贴片作出响应时，贴片按顺序呈现，而不是作为单个测试呈现。其它贴片的存在以及空间变化(诸如在照明中)可影响结果。

已经证明了多种其它基于图表的测试，并且richmman、spaeth和wirostko(“contrastsensitivitybasicsandacritiqueofcurrentlyavailabletests(对比敏感度基础以及对当前可用测试的批判)”jcataractrefractsurg2013；39：1100-1106)可以发现良好综述。描述的测试通常向受检者呈现两个或更多个贴片并且受检者必须确定哪个含有图案。由于使用如图1a和1b所示的固定系列图案，测试受到学习的影响。这些测试中的一些也已经用视频设备实现。

因此，存在对可快速评估视觉性能、提高测试的准确度并且产生可用于为患者设计更好的光学器件的定量结果的患者交互式视觉对比敏感度函数测量系统和方法的需要。

技术实现要素：

本发明的用于视觉对比敏感度函数的已知定性测量方法的利用和实现克服了与以上简述的现有技术相关联的缺点，通过使系统计算机化并将系统与记录结果曲线的形状的患者交互式用户接口联接从而产生定量结果来利用和实现该方法。

根据第一方面，本发明涉及用于实现倾斜光栅强迫选择对比敏感度函数测试的方法。该方法包括以下步骤：在高分辨率显示器上作为视频向患者呈现第一系列的具有每组两个或更多个选择的随机化测试图表组，并且所述随机化测试图表组覆盖第一范围的频率和对比度；使患者从两个或更多个选择中选择响应，记录响应是正确的还是不正确的，并且向患者提供另外的选择直至第一系列的测试图表是完成的并且基于对响应的分析以期望精度生成对比敏感度函数；利用统计方法分析响应；重复该方法直至获得如通过自适应算法确定的期望眼科分辨率；以及存储和绘制对比敏感度函数以提供对比敏感度函数的准确定量结果。

根据另一方面，本发明涉及用于实现倾斜光栅强迫选择对比敏感度函数测试的方法。该方法包括以下步骤：在高分辨率显示器上作为视频向患者呈现第一系列的具有每组两个或更多个选择的随机化测试图表组，并且所述随机化测试图表组覆盖第一范围的频率和对比度；使患者从两个或更多个选择中选择响应，记录响应是正确的还是不正确的，记录患者在作出响应中使用的时间，并且向患者提供另外的选择直至第一系列的测试图表是完成的；分析响应以确定第一对比敏感度函数；在高分辨率显示器上作为视频向患者呈现另外系列的具有每组两个或更多个选择的随机化测试图表组，并且所述随机化测试图表组覆盖增量小于第一范围的频率和对比度的第二范围的频率和对比度、空间频率的变化、对比度的变化、空间频率和对比度的变化中的至少一个，并且继续直至对比敏感度函数生成到期望精度；使患者从两个或更多个选择中选择响应，记录响应是正确的还是不正确的，记录患者在作出响应中使用的时间，并且向患者提供另外的选择直至第二系列的测试图表是完成的；利用统计方法分析响应；重复该方法直至获得如通过自适应算法确定的期望眼科分辨率；以及存储和绘制对比敏感度函数以提供对比敏感度函数的准确定量结果。

根据另一方面，本发明涉及被配置成实现倾斜光栅强迫选择对比敏感度函数测试的计算机化视频系统。该系统包括：计算机和相关联存储器，该计算机和相关联存储器用于存储将显示为视频的多个系列的具有每组两个或更多个选择的测试图表，并且所述随机化测试图表覆盖以各种增量的多个范围的频率和对比度，该计算机实现如下算法，该算法以随机化方式生成测试图表的视频、记录由患者作出的选择、记录作出选择的时间、基于对针对高度精炼和准确的测试收集的数据的分析改变频率和对比度，并且为患者输出对比敏感度函数的定量结果；高分辨率显示器，该高分辨率显示器用于显示多个系列的测试图表；装置，该装置用于针对测试确保患者以距高分辨率显示器的期望距离合适地定位；以及患者接口，该患者接口被配置成允许患者从两个或更多个选择中选择响应。

公认的是，对比敏感度函数或csf测量是用于评估人类视觉系统的重要且有益的方法。对比敏感度的损失可能影响任何数量的日常活动例如驾驶，以及为某些疾病的指示。因此，准确csf测量可特别有益。还熟知的是，可根据campbell-robsoncsf图表(图2)确定csf的定性测量。这个单个图表具有沿着水平轴线的可变空间频率(周期/程度)以及沿着垂直轴线的可变对比敏感度。通过这个图表，可能通过仅仅注意图案看起来消失的位置来可视化您的csf。

本发明利用计算机化视频系统的速度、灵活性和效率来完全实现倾斜光栅强迫选择测试。可生成大量测试图案并将其存储在计算机系统的存储器中。每个测试图案包括具有正弦图案的贴片，该正弦图案具有单个空间频率与一定级别的对比度。图案向右倾斜、向左倾斜、根本不倾斜，即垂直。另外，包含在特定测试图案中的空间频率是恒定的。在其它示例性实施方案中，可仅存在两个选择，例如，向左或向右倾斜，这可被证明为比三选择测试有益。在规定的观看距离处在高分辨率显示器上一次一个地向患者呈现图案。随后患者将具有三个(或根据具体情况两个)按钮来按下；即，每个对应于一个取向，并且必须提供响应，即使它是猜测。在计算机上实现这个测试所提供的灵活性是其允许在相同测试环境中无缝地随机使用测试模式以抵消由患者对图案的记忆造成的任何影响。一旦按下按钮，就呈现不同的图案。重要的是应注意，取决于测试如何配置，例如接近或距离视觉测试，按钮可以是用户接口的一部分，或者仅仅是触摸屏显示器的一部分。

本发明提供了准确的视觉对比敏感度函数测试。测试容易实现、吸引患者、提供定量测量而不是简单的定性测量，并且快速、从而积极地影响患者体验。

附图说明

通过以下对本发明的优选实施方案更具体描述，如附图中所示，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。

图1a和1b是当前在对比敏感度函数测试中使用的具有倾斜光栅的测试图表的示例。

图2是campbell-robson对比敏感度函数图表。

图3是具有对比敏感度函数的迹线的campbell-robson对比敏感度函数图表。

图4是叠置campbell-robson对比敏感度函数图表的不同空间频率的一系列用户生成的条，其中条源于图表的底部。

图5是叠置campbell-robson对比敏感度函数图表的不同空间频率的一系列用户生成的条，其中条源于图表的顶部。

图6是具有对比敏感度函数的迹线的反向campbell-robson对比敏感度函数图表。

图7是具有对比敏感度函数的迹线的旋转campbell-robson对比敏感度函数图表。

图8是根据本发明的参与视觉对比敏感度函数测试的患者的图解示意图。

图9是另选的对比敏感度函数测试图表的表示。

图10是根据本发明的执行视觉对比敏感度函数测试的过程的流程图。

具体实施方式

公认的是，对比敏感度函数或csf测量是用于评估人类视觉系统的重要且有益的方法。还熟知的是，可根据如图2所示的campbell-robsoncsf图表确定csf的定性测量。这个单个图表具有沿着水平轴线的可变空间频率(周期/程度)以及沿着垂直轴线的可变对比敏感度。如图所示，空间频率在从左向右移动时增加并且对比敏感度在沿着垂直轴线向上移动时降低。通过这个图表，可能通过仅仅注意图案看起来消失的位置来可视化您的csf。曲线通常具有如图3中的迹线300指示的倒置u的形状。

在一个示例性实施方案中，本发明通过结合记录曲线的形状的患者交互式用户接口使用计算机和高分辨率数字显示器来自动化campbell-robson图表的使用。通过仅查看几个图表来进行快速测量，因为可能需要在不同取向上翻转图表，如随后更详细地解释的。

优选地以足够的动态范围显示campbell-robson图表以保留图表内包含的所有信息。优选的是具有10位至12位的动态范围的高端射线照相监测器。重要的是要理解，每增加1位，监测器的对比度分辨率就增加一倍。监测器应被罩住以防止环境光通过控制测试环境或其它合适的手段(诸如被封闭在盒子中)影响测量。受检者或患者在规定测试距离处观看监测器，或者另选地，可利用包括两个目镜的观看系统来针对受检者或患者将监测器成像至期望的观看距离。在另选的示例性实施方案中，可结合触觉镜使用两个监测器。这将允许关于是否通过对来自每只眼睛的图像求和或阻挡来自每只眼睛的不想要的特征实现双眼视觉的测试。

任何合适的装置可用于患者交互式用户接口。例如，通过患者可利用鼠标来创建如图3所示的曲线300。另选的示例性实施方案可使用患者在适当时间停止的移动条系统。条可源于图表的顶部或底部。在图4中，用于以特定空间频率测试的条源于图表的底部，而图5中的条源于图表的顶部。在另一个另选的示例性实施方案中，还可利用眼睛跟踪或眼睛注视跟踪系统，使得患者可通过简单地注视不同的点来用他们的眼睛描绘曲线。在另一个示例性实施方案中，可利用具有或不具有触针的触摸屏来描绘csf曲线。

为了移除偏置，campbell-robson图表可在不同的取向上呈现。例如，图6示出了具有画出的曲线600的反向csf图表，而图7示出了具有画出的曲线700的旋转九十(90)度的csf图表。图3和6中示出的情况都测量了同一水平csf，而图7中的旋转测量了视觉系统的垂直csf，并且提供了视觉性能的更全面评估。应注意的是，很少测量这种垂直csf(如果测量的话)。即使有另外的取向，也仅需要评估若干图表。另外，可呈现具有黑底或白底的图表。白底允许眼睛内的散射光影响对比敏感度函数。此外，可调整周围白色图案的照明以增加散射的影响。这在一定程度上类似于在黑暗的剧院或剧院里开着灯看电影。提供相同的刺激，但是观看质量相当不同。更具体地，在技术术语中，噪声被添加到信号，使得信号检测更困难。换句话讲，刺激从信号改变为信号加噪声。

基于使用全campbell-robson图表描述的测试将提供csf的定量测量；然而，它们不是强迫选择测试，并且可能不太可能提供临床评估和分化所需的准确度水平。然而，另一选项可包括利用campbell-robson测试作为预测试来识别近似csf曲线，并且随后使用强迫选择测试来获得准确的定量测量，如随后更详细地解释的。

重要的是应注意，可利用其它测试图表类型。图9示出了一个这种图表。在图9的图表中，向患者呈现一系列成对目标。一个包含图案，并且另一个是空白的。患者必须选择出具有图案的目标。这些可并列显示，使得再次需要左右选择。

根据另一个更优选的示例性实施方案，本发明利用计算机化视频系统的速度和效率来完全实现倾斜光栅强迫选择测试。可生成基于campbell-robson图表的大量测试图案并将其存储在计算机系统的存储器中。重要的是应注意，可利用具有足够存储器和速度的任何合适的计算机或计算系统(包括手持装置)来实现本发明。每个测试图案包括具有正弦图案的贴片，该正弦图案具有单个空间频率与一定级别的对比度。图案向右倾斜、向左倾斜、根本不倾斜，即垂直。在优选的示例性实施方案中，可仅有两个选择(向左倾斜或向右倾斜)，这可以证明比三选择测试更有益，因为其极大地简化了从受检者或患者所需的响应。在规定的观看距离处在高分辨率显示器上(优选地10位深度或更深)一次一个地向受检者或患者呈现图案。随后患者将具有两个或三个按钮来按下；即，每个对应于一个取向，并且必须提供响应，即使它是猜测。一旦按下按钮，就呈现不同的图案。重要的是应注意，按钮可以是用户接口的一部分，或者仅仅是触摸屏显示器的一部分。另外，可仅呈现两个视图，向左或向右倾斜，而不是三个选择，从而加速测试并使其更准确，如上所述。在任一示例中，按钮可以是涂色的，并且反馈被提供以便于使用并且使得测试更有趣。每次选择按钮，就呈现下一个图表或图表的图像。如前所述，监测器应优选地被罩住以防止环境光通过控制测试环境或其它合适的手段(诸如被封闭在盒子中)影响测量。受检者或患者在规定测试距离处观看监测器，或者另选地，可利用包括两个目镜的观看系统来针对受检者或患者将监测器成像至期望观看距离。可针对不同的观看距离调整图案的空间频率，使得它们对应于期望的角分辨率。

在该示例性实施例中，计算机将记录每个响应并且将患者推进到下一个图案。不需要临床医生记录响应或指向下一个图案。所有图案呈现在监测器上的同一位置，从而移除任何电势变化。图案可以以随机顺序呈现，从而防止任何学习影响。最后，计算机系统为受检者生成csf响应。

除了自动记录响应和速度之外，计算机自动化系统还提供了多个优点。可生成大量不同图案以提供另外的精度。例如，可显示接近对比度阈值的另外图案。换句话讲，可利用图案的特性中较小的增量来使受检者或患者更接近他或她的阈值。以类似的方式，可基于受检者或患者的响应动态地调整测试，并且可更全面地探索特别感兴趣的区域。另外，当在或接近对比度限值或阈值探索这些感兴趣的区域时，可将易于识别的图案插入测试中以维持受检者或患者对测试感兴趣的水平。可提供同步的音频线索以在显示新图案时提醒受检者或患者。可基于正确或不正确的响应来修改音频反馈。另选地，可利用视频线索，例如笑脸、绿色支票、烟花或类似物，并且可对所有年龄的儿童特别有帮助。优选地选择所使用的任何视频线索，以便不分散受检者或患者远离任务或将任何适应或改型引入视觉系统。一个关键益处是通过使测试更快和更有趣，给测试带来更多孩子的频率。另外，可测量更大数量的空间频率。测试过程的变型容易实现，例如，如果仅使用左倾斜和右倾斜，而不是如上文列出的左、右和垂直，则可增加测试速度。

在一个示例性实施方案中，测试过程可被划分为n个空间频率范围并且每个范围重复m次以产生平均csf。频率的顺序应优选地是随机的，并且应实现平均算法以检测近期偏置以防止学习影响。

预期受检者或患者应能够利用本发明的计算机化系统在几秒内观看图案并对图案作出响应。可能的是，受检者或患者被强迫在一定时间段内作出响应。因此，在测试的五分钟内，可评估大约一百(100)个或更多个不同的图案。

利用计算机化的高位深度视频显示系统将提供用于测量人类视觉对比敏感度函数的准确、灵活的方法，同时利用期望的真实强迫选择方法并消除受检者疲劳的问题。

现在参考图8，示出了坐在参与视觉对比敏感度函数测试的桌子802处的受检者/患者800。如上所述，受检者/患者800观看在针对个体800以预定距离定位的高分辨率监测器804上呈现的图像，并且利用患者接口806来指示他或她的答案。在这个图中，患者接口806仅是具有三个按钮的装置；然而，在其它实施方案中，可针对患者答案选择利用任何合适的装置，包括具有较少按钮的一个装置。例如，可利用触摸屏应用。另选地，可利用有线或无线装置，例如具有操纵杆的游戏状控制台。

如上简要提及的，呈现图案是视频模式应优选地使得测试对于患者800更感兴趣。同样地，在测试期间向患者800提供反馈(例如用于正确或不正确答案的不同声音)可能是有益的，因为此反馈可使得测试更像是使测试更有趣并激发个人竞争性的游戏，具有减少简单猜测(例如，每次患者800不能看到图案时向右倾斜)的可能性的额外益处。

在另选的示例性实施方案中，可使得测试图案在监测器上移动。换句话讲，不是简单地将图案作为静态图像呈现在监测器的一部分上，而是可将图案编程为以随机图案围绕屏幕移动，使得受检者或患者在作出他或她的选择之前首先必须跟踪并捕获图像。这种“打猎”特征可延长分配给孩子的测试时间，因为他们的注意力随着更发达的游戏而保持更长时间。这在近视矫正装置的测试中是重要的。虽然这不是纯粹csf测试，但它可被利用或定制用于视觉函数测试。只要显示器具有所需的分辨率和一致的强度，应当没有与移动图像相关联的问题。

另外，当在计算机上实现测试时，可记录呈现新图像或图案和受检者或患者响应之间的时间。可收集并利用决定的时间。更具体地，可利用定时信息来使测试更准确。例如，快速响应应当意味着患者发现足够的对比度以快速作出决定，而长的延迟可意味着患者关于图案有困难，并且图案的对比度处于或接近对比度限值。换句话讲，时间可以是将阈值归零的另一个因素。更具体地，时间应考虑到开发自适应算法，该自适应算法是设计用于找到阈值的测试的一部分。实质上，响应的时间应与响应的确信性负相关。

当将一致的强度频率或图案的时间作为两只眼之间的比率进行比较时，也可利用时间来预测双眼性能。比率越大，统一性越好，具有双眼总和的能力越小。这在开发用于矫正老花眼的镜片时是重要的。

一旦测试完成，如本文所述的产生并利用定性结果。本发明在接触镜片设计和评估中的应用是显著的。患者可配有一组接触镜片，并且执行本发明的对比敏感度函数测试。不仅临床医生将发现患者是否喜欢接触镜片，而且快速获得关于眼睛上的镜片性能的定量信息。因此，可针对患者满意度评估不同的镜片以及每个镜片的定量csf数据。可确定存在对患者满意度至关重要的一个或多个特定空间频率。镜片设计可以以牺牲其它不太重要的空间频率为代价来优化此响应。

图10示出根据本发明利用的过程的基本结构的流程图。在第一步骤1002中，向受检者或患者呈现覆盖一定范围的频率和对比度的一系列测试图表。如上文列出的，第一步骤可包括利用campbell-robson测试图表或任何其它合适图表的预测试。另外，如本文所示，测试图表可为随机顺序，限制或记录响应时间并且提供反馈，所有都如上文详细讨论的。在下一步骤1004中，记录受检者或患者的响应以及选择响应的时间。在下一步骤1006中，分析响应以确定csf的近似限值，基本上，具有正确响应的最低对比度目标。在下一步骤1008中，可在限值处重新测试受检者或患者以改善csf的真正限值的数据和统计。在下一步骤1010中，利用统计方法(物理心理学)进一步分析重新测试的结果。另外，可显示实时csf曲线图以用于检查。在下一步骤1012中，继续测试直至csf确定为期望精度。如本文所示，可利用一半步骤或任何其它增量步骤来将准确csf归零。在下一步骤1014中，绘制并记录受检者或患者的csf。在最后步骤1016中，可利用不同的眼科解决方案例如不同的眼镜或接触镜片重新测试受检者或患者。重要的是应注意，可利用过程中的变型。另外，如上文所示，可利用具有所需速度和存储容量的任何合适计算机或计算机系统来实现本发明的过程。

重要的是应注意，患者反馈机构可包括单个按钮和连续反馈旋钮或滑块。患者基于其对选择正确强迫选择的信息设置旋钮。连续响应以与如上讨论的时间类似的方式馈送到自适应算法中。来自患者的信心允许自适应算法更快地磨合阈值。另外，包括视频和反馈的本发明的游戏方面是本发明的重要方面，因为其用于更好地接合患者。

尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施方案，但显而易见的是，本领域的技术人员可对所描述和所示出的具体设计和方法作出变更，并且可在不脱离本发明的实质和范围的情况下使用这些变更形式。本发明并不局限于所描述和所示出的具体构造，而是应当理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。