Oculometer

Oculometer är en enhet som spårar ögonrörelser . Okulometern beräknar ögonrörelser genom att spåra hornhinnereflektion i förhållande till pupillens mitt . En oculometer, som kan ge kontinuerliga mätningar i realtid, kan vara ett forskningsverktyg för att förstå blick såväl som kognitiv funktion. Dessutom kan den användas för handsfree-kontroll. Den har tillämpningar inom flygträning, kognitiv bedömning, sjukdomsdiagnostik och behandling. Okulometern förlitar sig på principen att när en kollimerad ljusstråle faller in på ögat, är riktningen i vilken ögat rör sig proportionell mot positionen för reflektionen av den ljusstrålen från hornhinnan i förhållande till pupillens centrum. Ögonrörelser kan mätas exakt över ett linjärt område på mer än 20 $^{\circ }$ med en upplösning på 0,1 $^{\circ }$ .

Historia

Ögonrörelser och spårning har studerats i århundraden, där den allra första ögonföljningen är enkel observation av ögonen, antingen av sig själv eller av någon annan. Den första förbättringen av detta inträffade 1738, när en observatör kände på utsidan av slutna ögonlock för att spåra ögonrörelser. implementerades en innovation för att lyssna på muskelrörelser med hjälp av en kymograf . Även om de är rudimentära, visar dessa tidiga tekniker ett upprepat behov genom historien att spåra ögonrörelser.

Den första riktiga ögonspårningsenheten uppfanns av Huey 1898. För att fungera krävdes denna enhet för att kontakta hornhinnan, vilket begränsade dess komfort, användbarhet och generaliserbarhet.

Det var inte förrän på 1900-talet som en robust, kontaktlös, modern eye-tracker kom till verklighet. Den här enheten, kallad photocornograph, fungerade genom att fotografera ögonrörelser baserat på reflektion från hornhinnan. Den här enheten registrerade bara horisontella rörelser, tills Judds och kollegors arbete 1905 lade till både tidsmässig och vertikal inspelning.

På grund av de många tillämpningarna av en ögonspårningsenhet för flygare och piloter, genomförde NASA och det amerikanska flygvapnet omfattande studier av denna teknik, vilket driver fältet framåt. Mycket av detta ägde rum under 1970- och 1980-talen. Men även med denna omfattande forskning förblev okulometrar skrymmande och tekniskt svåra.

Okulometrar av forskningsgrad fick äntligen en användarvänlig omdesign, med kommersiella enheter tillgängliga från och med nyligen. Dessa lågprofilsenheter kan bäras icke-störande på ett par glasögon.

Fördelar

Eftersom principerna som styr oculometerns funktion bygger på ett relativt enkelt koncept (elektro-optisk avkänning av ögat), säkerställer det att oculometern kommer att fungera närhelst användaren ser. Dessutom kan positionen för reflektionen av den kollimerade strålen från hornhinnan uppskattas till att vara i pupillens plan. Detta innebär minimalt parallaxfel mellan hornhinnans reflektion och pupillens centrum, vilket gör oculometern okänslig för förändringar i huvudets position under mätningar. Dessa egenskaper hos okulometern säkerställer minimal störning av användarens rutinaktiviteter under mätningar. Det förnekar också behovet av omfattande utrustning som bettplattor eller styv skallklämning för mätningar.

Optiska komponenter

• Ljuskälla: Belysningskälla som katodstrålerör eller glödmodulatorrör
• Filter : ljus filtreras så att ljus som faller in på ögat är nära infrarött
• Polarisator : ljus från källan polariseras för att endast fånga sanna hornhinnereflektioner
• Okular : användaren tittar genom en objektivlins i ett okular, genom vilken belysningsstrålen färdas för att bestråla ögat
• Linser : två kollimerande linser
• Stråldelare : en stråldelare riktar synligt ljus till ögat, den andra riktar ljus till detektorn
• Detektor: en kiseldiodkamera registrerar mätningar

Ett schema över oculometern, som visar arrangemanget av ljuskällan, objektivlinsen, stråldelaren, två polariserande linser, detektorn och okularet.

Generella principer

Ögonrörelser kan kvantifieras genom reflektion från hornhinnan. Men i detta fall skulle en rörelse av huvudet också orsaka att en rörelse registreras. Detta kan övervinnas genom att antingen styvt fixera huvudet för att förhindra rörelser, men detta är påträngande och obekvämt för användaren och inte allmänt tillämpligt för humanforskning. Eller så kan hela apparaten monteras på huvudet, vilket likaså är skrymmande och obekvämt. En bättre lösning är att mäta två parametrar, såsom hornhinnereflektion och pupillrörelse (baserat på pupillcentrum).

Optisk design

Okulometerns optiska design tillåter normal syn, riktar ljus från en fast intern källa mot användarens öga och bildar en bild av pupillen på en detektor. Den grundläggande linsdesignen inkluderar ett fast okular och en justerbar objektivlins följt av 2 stråldelare. Enheten består också av ett polariseringssystem för att polarisera ljuset från källan (typiskt ett glödmodulatorrör) i H-riktningen. För att dämpa ljuset från källan genom reflektioner i okularet placeras en linjär polarisator i V-riktningen i den optiska banan. En kvartsvågsplatta placeras mellan ögat och okularet och roterar polarisationsplanet med 90 grader, vilket säkerställer att V-polarisatorn inte dämpar de verkliga hornhinnereflektionerna.

Ljuskällan och detektorn är inriktade koaxiellt. När ögat rör sig förskjuts reflektionen från hornhinnan från pupillcentrum. Denna förskjutning mäts med

${\textstil D=\kappa *sin\theta }$

D är förskjutning, $\kappa$ är avståndet från centrum av hornhinnan, $\theta$ är lutningsvinkeln för ögats optiska axel till oculometern.

Nära infrarött ljus (NIR) (ungefär 750 nm till 2 500 nm våglängder) används av några anledningar. För det första är NIR-ljus mindre detekterbart för det mänskliga ögat än andra våglängder av synligt ljus, så NIR-ljusstrålen är mindre påträngande eller märkbar för användaren. För det andra, med denna konfiguration är pupillen bakgrundsbelyst, vilket resulterar i en ljus skiva, som effektivt skiljer pupillen från resten av ögat och ansiktet.

Vanligtvis består oculometern av ett okular genom vilket användaren ser. En alternativ design finns där oculometern är huvudmonterad. Detta arrangemang inkluderar inte det traditionella okularet och användaren ser genom ett genomskinligt, krökt visir placerat framför ögonen.

Elektronisk design

Den traditionella oculometern fungerar i två lägen: insamlings- och spårningslägen. När användaren först ser genom okularet, fångar en grov rasterskanning den svarta pupillen och ljusa reflektioner från hornhinnan. Sedan växlar enheten automatiskt till spårningsläge där tidsdelning-multiplex-skanningar tar kontinuerliga mätningar av ögonriktningen. Ögonriktningen från tidsdelningsmultiplexavsökningarna beräknas genom överlagring av avsökningspositionerna för hornhinnereflektion och pupillpositioner. I händelse av enhetsfel eller förlust av kontinuitet på grund av att användaren blinkar med ögonen, växlar enheten tillbaka till inhämtningsläget tills spårningen återställs. I de senaste designerna har inhämtningsläget automatiserats för att säkerställa att pupill/irisgränsen omedelbart fångas när användaren ser genom okularet. Automatiseringen ledde också till automatisk växling till spårningsläge efter att initialt förvärv erhölls eller efter att användaren blinkar.

Ansökningar

Pilotflygplan

Det finns många användningsområden för okulometern inom flygområdet . En är att förstå om kognitiva förmågor är tillräckliga för flygklarering. Vidare kan flygprogram använda oculometern för att informera cockpitdesign när det gäller instrumentpaneler, genom att studera piloternas blick när de flyger. Slutligen har flygträning också dragit nytta av oculometern. Att förstå hur en viss pilot skannar genom sitt synfält medan han flyger möjliggör personlig feedback från flygcoacher. Det kan ge instruktörer mer information för att utvärdera och ytterligare instruera inlärningspiloter. Av denna anledning har NASA och USA:s väpnade styrkor använt oculometrar i sina träningsprogram och skapade Oculometer Training Tape Technique i slutet av 1900-talet.

NASA

Ett forskningsprojekt från NASA angående okulometern var att inse förmågan för en person att styra en maskin med sina ögon, vilket först och främst kräver mätningar av ögonrörelser. NASA konstruerade en teleskopisk oculometer där en användare tittar genom ett okular, och med tanke på att användaren kan se genom okularet kommer ögonrörelser att mätas.

En speciell tillämpning av NASA:s oculometer-strävan är ögonkontroll av en Astronaut Maneuvering Unit (AMU). När en astronaut befinner sig i rymden och skulle vilja flytta, underlättar AMU detta. Att kontrollera en sådan enhet är dock ingen trivial uppgift. Manuella/handkontroller är svåra eftersom det finns många axlar och därför många muskelutgångar som behövs för att koordinera 3D-rörelser. Ögonkontroll skulle dock vara lättare att implementera med en oculometer.

Kognitiv bedömning

Flyg kräver robust, skarp kognitiv funktion, och ögat är en del av det centrala nervsystemet eftersom de är förlängningar av hjärnan, vilket kopplar samman kognitiv funktion med sund ögonfunktion. Därför kan okulometrar fungera som kognitiva bedömningsverktyg.

Diagnos av Parkinsons sjukdom

Onormala ögonrörelser är en etablerad biomarkör för många motoriska sjukdomar inklusive Parkinsons sjukdom . Varje motorisk sjukdom förväntas ge olika signaturmönster av ögonrörelseavvikelser. Att använda dessa ögonrörelsemönster både som ett diagnostiskt verktyg och för att övervaka sjukdomsprogression har därför varit av vetenskapligt intresse. Okulometrar används därför i detta område för att spåra ögonrörelser. Användningen av oculometrar för diagnos av motoriska sjukdomar är lovande, även om den ännu inte har validerats på kliniken.

Specifikt för Parkinsons sjukdom uppstår signaturmönstret av ögonrörelseavvikelser som horisontella sackader (snabba, konjugerade, ögonrörelser som förskjuter mitten av synfältet). Patienter med Parkinsons sjukdom uppvisade hög oförmåga att utföra antisackadiska uppgifter (ögonrörelse i motsatt riktning från startutlösaren). Mätning av antisaccades gör det därför möjligt för forskare att upptäcka tidiga stadier av Parkinsons sjukdom. Dessa studier är fortfarande i forskningsfasen.

Smarta glasögon

För denna applikation har den elektroniska designen av den traditionella oculometern modifierats för att ersätta komplex realtidsvideobearbetning så att oculometern kan passa på lättviktsglasögon och ha relativt lång batteritid. Smarta glasögon används för att korrigera för synfel på grund av åldersrelaterade tillstånd och samtidigt återställa normal syn. Smarta glasögon använder justerbara okular jämfört med fasta glas som används i konventionella glasögon.

Dessa glasögon fungerar genom att projicera ljus från några olika riktningar med hjälp av infraröda lysdioder på användarens ögonglob och tar emot det brutna ljuset från diskreta infraröda närhetssensorer som också är placerade på några olika platser. Användningen av flera detektorer gör det inte bara möjligt att använda oculometrar som lätta bärbara enheter utan säkerställer också att signaler som detekteras av sensorerna inte är beroende av extern belysning. Denna egenskap gör att enheten kan fungera under mörka förhållanden. Den stora nackdelen med användningen av sensorer jämfört med kontinuerlig videobearbetning är den betydande minskningen i noggrannhet eftersom mätningar både minskar i frekvens och antal mätningar.

Andra applikationer

Andra potentiella tillämpningar av oculometrar som fortfarande är under utveckling inkluderar flygtrafikledning för operatörer att utse flygplan genom ögonrörelser; i laserkommunikation i dynamiska situationer där operatörer kan sända signaler genom att titta på signalen; i TV-system för att övervaka ögonriktningen när den betraktar TV-skärmen så att sensoriska krav på ögat kan tillgodoses med lägre bandbredder; och i psykologiska tester för att analysera mönster av bilder som patienter tenderar att undvika.