用於視覺缺陷人員的輔助系統的製作方法

2023-09-18 23:02:45

專利名稱：用於視覺缺陷人員的輔助系統的製作方法
用於視覺缺陷人員的輔助系統
本發明涉及一種用於視覺缺陷人員的輔助系統，並且涉及一種用 於輔助視覺缺陷人員的方法。
部分視野中的視覺問題(如視覺疏忽(visual neglect )或視野 缺損(visual field loss))是由許多中風患者和顱腦損傷倖存者 所表現出的缺陷。在西方世界，中風是導致死亡的第三主要原因，並 且是造成永久性殘疾的最主要原因。在美國發病率是每年700000， 由於社會的老齡化，發病率有增加的趨勢。例如，每年105000個新 患者表現為視覺疏忽。與眼睛的缺陷(比如近視)相反，視野的減小 源於神經學上的原因。因此，這些患者經常碰撞物體，這使得他們的 生命處於危險境地並且制約了他們獨立生活的能力。
美國專利申請出版物2006/0028544 Al涉及一種帶有電子眼系統
的電子導盲手杖，無論何時檢測到固體或液體障礙物，所述電子眼系 統都能夠提示聽覺或觸覺警告。該已知的電子眼系統的缺陷是它不 能區別運動物體和靜止物體。
因此，本發明的目的是提供一種用於視覺缺陷人員的、具有對運 動物體的增強識別的輔助系統。
上述目的可以通過一種用於視覺缺陷人員的輔助系統來實現，所 述系統包括
-第一方位傳感器，其適於布置為接近所述人員的軀幹，以用於 檢測所述人員的運動，
-第二方位傳感器，其適於布置在所述人員的頭部處，以用於檢 測所述人員頭部的運動和方位，
-至少一個運動檢測器，其用於檢測物體的運動和/或存在，所 述運動檢測器適於布置在所述人員的頭部處，
-評價系統，其用於比較來自運動檢測器與來自第一和第二方位 檢測器的數據。
在本發明的意義下，第一和第二方位傳感器檢測人員本身的運
5動。在本發明的意義下，所述運動檢測器檢測在人員的周圍鄰近地區 的物體的存在和/或運動。如果該人員本身正在運動和/或轉動他/她 的頭，則所述周圍鄰近地區相對於所述運動檢測器而運動。在本發明 的意義下，所述評價系統至少包括任意類型的數位訊號處理設備。
根據本發明的輔助系統的優點在於，通過在所述評價系統中比較 來自所述運動檢測器與來自第一和第二方位檢測器的數據，即使該人 員和/或其頭部也在運動，也可以區分出實際運動的物體。另一個優 點是，來自所述檢測器的信息使得所述評價系統能夠確定是否該人員 將碰撞到被檢測的物體。本發明的目的在於，提供一種用於視覺缺陷 人員的技術方案，以用於主動通知他們在他們視野的"隱藏"側中的 物體或運動。由於該人員的觀看方向是已知的，所以所述輔助系統無 論如何將不會通知該人員已經被該人員所識別的運動或物體，從而提 供患者更加獨立的生活、更高質量的生命並減少例如碰撞這樣的嚴重 情況。
在本領域，合適的運動檢測器是公知的。優選地，所述運動檢測 器包括視頻或紅外相機、雷達、雷射或聲納傳感器中的一個或多個， 其更優選地被調整以覆蓋患者視野的受損區域。
顱腦損傷或中風的普遍視覺影響是人員視野的缺損或我們觀看 側邊的能力的缺損。存在許多種類可以發生的視野缺損，但是最普遍 的形式是同側偏盲或每個眼的半視野缺損。如果腦的後部在其一側上 受損，視野的缺損會發生在兩個眼睛中的相對側上。患者經常錯誤地 認為所述缺損只在一個眼上。當顱腦的某些部分受損時，該患者也可 能不能意識到一側的空間，所述空間通常在左側。與視野缺損不同， 這個問題不是感覺的物理缺損，而是對所述區域注意力的缺損。單側 性忽視是一種注意力混亂，其中患者不能注意到位於空間一側的、諸 如物體和人之類的刺激物。它最普通地源於大腦右半球的顱腦損傷或 中風，從而導致空間的左手側的視覺疏忽。
所述運動檢測器和第二方位傳感器優選地被布置在所述患者可 穿戴的眼鏡、頭帶、帽子或者便帽上。有利地，所述人員的頭部運動 由所述運動檢測器和所述第二方位傳感器二者跟隨。
在優選實施例中，所述輔助系統包括紅外、雷達(無線電波的檢 測和測距)、雷射雷達(光檢測和測距)、雷射或聲納發射器，其中所述紅外、雷達、雷射雷達、雷射或聲納發射器更優選地被布置在所 述患者可穿戴的背包中。通過在所述系統中使用有源發射器，可以有 利地增強所述系統的可靠性，特別是針對例如在交通中的快速運動物 體而言。如果患者受輪椅的約束，則所述紅外、雷達、雷射雷達、激 光或聲納發射器還可以附接到輪椅上。
在優選實施例中，第一和/或第二方位傳感器包括磁力計和/或加 速計。特別地，向量磁力計用於通過檢測磁場的變化來確定所述人員 的頭部和/或身體的方位。向量磁力計具有測量在特定方向上的磁場 分量的能力。例如使用三個正交的向量磁力計允許唯一地定義磁場強 度、傾角和磁偏角。所述加速器被用於檢測施加於所述方位傳感器上 的加速度，以辨識所述人員及其頭部的運動。例如，最優選地，第一 和/或第二方位傳感器是磁力計和加速計的組合，其特別地可以被小 型化以適合裝在諸如行動電話的印刷電路板上。
第一方位傳感器優選地被布置在所述人員可穿戴的腰帶上。可替 代地，對於受輪椅制約的人員，第一方位傳感器優選布置在輪椅上。
在所述輔助系統的優選實施例中，所述評價系統包括微處理器， 其適合於計算來自第一和第二方位傳感器的數據的全局光流。在本發 明的意義下，光流是用於在視覺表示中評價物體的運動的概念。典型 地，所述運動表示為起始於或終止於數字圖像序列中的像素的向量， 其可由所述運動傳感器所檢測。在本發明的意義下，所計算的全局光
環境的相對運動。:且優一選地 ;i微處理器將所計算的全:光i與 由所述運動檢測器檢測到的實際光流進行比較，以確定運動物體的存 在。例如，如果不存在運動物體，則所述全局光流與所檢測到的實際 光流相匹配。因此，任何運動物體都會引起所述全局光流與所檢測的 實際光流之間的差異，這有利地用於對運動物體的識別。
優選地，所述評價系統進一步包括數據存儲設備。特別地，所述 數據存儲設備存儲有關所述人員視野的信息，例如有關視角的數據、 所述人員的視覺受損的部位。所述輔助系統有利地不考慮所述人員自 己能夠看見的所檢測到的運動物體。因此增強了所述輔助系統的可接 受性，因為人不會接收不必要的幹擾警告。
所述輔助系統優選地包括用於向所述人報警的、優選以錶帶或手錶形式的反饋設備，例如聲音發生器或振動報警器。特別地，只有在 確定運動物體在所述人員的視野之外時，才向該人報警。
優選地，所述輔助系統進一步包括通信系統，其將本發明的輔助 系統的部件(特別是微處理器)連接到運動檢測器、第一和第二方位 傳感器、反饋設備和存儲設備。在特定的優選實施例中，所述通信系 統至少部分為無線的。由於本發明的輔助系統的遠程布置的部件，所
以無線通信是有利的，特別是如所謂的無線個人區域網(WPAN)更是 如此。
本發明的另一個目的是一種用於輔助視覺缺陷人員的方法，所述 方法包括以下步驟
-al)通過布置為接近於該人員的軀幹的第一方位傳感器來確定 所述人員的運動，
-a2)通過布置在人員的頭部處的第二方位傳感器來確定所述人 員的視向，
- b)通過微處理器來根據第一和第二方位傳感器的數據來計算
全局光 流，
- c)通過布置在該人員的頭部處的至少一個運動檢測器來檢測 實際光流，以及
- d)通過將所計算的全局光流與所述實際光流進行比較來識別 運動物體。
特別地，步驟b) 、 c)和d)包括視頻相機或紅外相機信號的數 字圖像處理。光流可以有利地用於模式識別、計算機視覺、和其他圖 像處理應用。 一些用於確定光流的方法是相位相關(標準化互功率鐠 (cross-power spectrum)的逆)、分段相關(絕對差的和、標準化 互相關)、基於梯度約束的酉己準、Lucas Kanade方法和Horn Schunck 方法。
優選地，所述方法進一步包括下列步驟 -e)確定所識別的運動物體的運動方向，
- f)將所識別的運動物體的運動方向與所述人員的運動進行比 較，以及
—g)如果所識別的運動物體與所述人員之間的碰撞是可預測的， 則通過反饋設備來向所述人員報警。
8優選地，所述方法進一步包括步驟如果所識別的物體在所述人 員的視野之外，則通過反饋設備來向所述人報警。有關所述人員視野 的信息優選地存儲在存儲設備上。有利地，只有當與所識別物體的碰 撞實際上是可能的和/或所述人員自己不能看見所識別的物體時，才 向所述人報警。
在可替代實施例中，通過雷達或雷射雷達檢測器來檢測快速運動 和/或金屬的物體。雷達和雷射雷達檢測器有利地適用於形成了對視 覺受損人員的最高危險的交通狀況。
本發明的另 一個目的是在患有視覺疏忽和/或視野缺損的中風或 創傷性顱腦損傷受害者的神經功能康復中使用如在這裡前面所描述 的輔助系統。所述輔助系統可以有利地應用於中風或創傷性顱腦損傷 受害者的監測和訓練，或作為用於這些人員的獨立輔助裝置。
通過下面結合附圖給出的、通過實例示出本發明的原理的詳細描 述，本發明的這些和其他特性、特徵和優點將變得顯然。所述描述僅 僅為了實例的需要而給出，而沒有限制本發明的範圍。下面引用的參 考圖稱為附圖。
圖l和圖2示意性示出了根據本發明的輔助系統並且示出所述輔 助系統的應用。
圖3示出根據本發明方法的流程圖。
將針對特定實施例並參照某些附圖來描述本發明，但是本發明並
未受限於此，而是僅僅受限於權利要求。所描述的附圖僅僅是示意性
的並且是非限制性的。在附圖中，為了說明的目的， 一些元件的尺寸
可能被放大了並且未按比例繪製。
在當指示單個名詞時使用了不定冠詞或定冠詞(例如"一"、
"這")的地方，除非另外特別聲明，其包括多個所述名詞。
此外，說明書和權利要求中的術語第一、第二、第三等用於區分 多個相似元件並且不必用於描述序列或時間順序。應當理解的是，這 樣使用的術語在適當的情況下是可互換的，並且這裡描述的本發明的 實施例能夠以除了這裡所示出或描述的順序之外的其他順序來操作。 而且，說明書和權利要求中的術語頂部、底部、之上、之下等等
9用於描述性的目的，而不必用於描述相對位置。應當理解的是，這樣 使用的術語在適當情況下是可互換的，並且這裡所描述的本發明的實 施例能夠在不同於這裡所示出或描述的方位的其他方位進行操作。
應當注意，本說明書和權利要求書中所使用的術語"包括"不應 該被解釋為限於其後所列出的裝置，它不排除其他元件或步驟。因此，
這個表達"一種設備包括裝置A和B"的範圍不應當被限於僅僅由部 件A和B構成的設備。它的意思是，針對本發明，所述設備的相關部 件僅僅是A和B。


圖1示出人員頭部H的示意性頂視圖。在所述人員的右半球中的 箭頭R表示非受損視野，而例如由於視覺疏忽或視野缺損，他的左半 球中的視覺(由箭頭L表示)是受損的。根據本發明的輔助系統至少 部分地附於所述人員的頭部H，以便考慮所述人員的頭部運動。這裡， 第二方位傳感器2和多個運動檢測器3(特別是相機)附於頭部周圍。 本領域的技術人員會意識到，本發明的輔助系統適用於人類的自然視 野之外，即所述輔助系統也能夠向任何視覺受損或沒有任何視覺受損 的人員提供關於在其背後的運動的信息。
在圖2中，示意性描述了帶有根據本發明的輔助系統的所有部件 的人員。為了使用所述輔助系統，所述人員在其頭上戴著第二方位傳 感器2和運動檢測器3，優選地將上述部件戴在該人員所戴的眼鏡5 上。運動檢測器3優選地包括一個或多個小型相機。第一方位傳感器 1 (或軀幹T方位傳感器)和微處理器41例如作為類似行動電話的設 備而被穿在腰帶上。微處理器41連同存儲設備42 —起構成評價系統 4。反饋設備6 (例如振動警報器或聲音警報器)作為手鐲而被戴在 手臂A上。在這裡，重要的是，選擇所述人員的沒有遭受中風或創傷 性顱腦損傷意外的手臂。隨後，所述輔助系統跟隨患者的運動方向以 及他的觀看方向。使用運動檢測器3和評價系統4的微處理器41， 識別場景中的運動物體，並且基於所存儲的有關該人員視野的信息， 可以確定所述人自己是否已經注意到它們，其中所述信息存儲在存儲 設備42上。如果確定了運動物體已經脫離了所述人的注意，觸發反 饋設備6的振動或聲音警報，並且所述人員開始意識到該狀況。
第一方位傳感器1與包括微處理器41和存儲設備42的評價系統 4可以一起布置在同一個外殼中。所述身體上穿戴的傳感器(即第二方位傳感器2)和運動檢測器3以及反饋設備6構成了優選地基於無 線傳輸和通信的網絡，其用虛連接線43表示。在這裡，通過某種標 準進行通信的傳感器平臺在本領域是公知的，這種標準例如為Zigbee 標準。ZigBee是使用基於用於無線個人區域網的IEEE 802. 15. 4標 準的小、低功率的數字無線電的高級通信協議套件規範的名稱。第一 和第二方位傳感器1、 2是磁力計和加速計的組合。它們優選地被小 型化以適合裝在例如行動電話的印刷電路板上。對於微處理器41的 可行的選擇是超低功率數位訊號處理設備。
圖3中概述了根據本發明的方法，並且從而概述了用於微處理器 41的處理軟體中的信息流。所述處理開始於初始點S。確定人員的運 動(al )和確定人員的觀看方向(a2 )以及隨後根據數據計算全局光 流(b)的步驟與由運動檢測器3檢測實際光流同時執行。在計算光 流時，重要的是，分辨由於人員相對於靜態物體的運動引起的全局光 流與物體本身移動的光流。從患者的角度來看，後者是最令人感興趣 的。評價系統4通過比較所計算的全局光流與實際光流來識別那些運 動物體(d)。在步驟(e)中，通過比較運動物體的位置與存儲在存 儲設備42中的視野數據來確定運動物體是否在人員的視野中。如果 運動物體不在人員的視野中(N),則由反饋設備6發出警報(f )。 如果人員能夠自己看到運動物體(Y)，則完成迭代而沒有任何進一 步的動作。
權利要求
1. 一種用於視覺缺陷人員的輔助系統，包括-第一方位傳感器(1)，適於布置為鄰近於所述人員的軀幹，用於檢測所述人員的運動，-第二方位傳感器(2)，其適於布置在所述人員的頭部處，用於檢測所述人員頭部的運動和方位，-至少一個運動檢測器(3)，用於檢測物體的運動或存在，所述運動檢測器適於布置在所述人員的頭部處，-評價系統(4)，用於比較來自所述運動檢測器(3)與來自第一和第二方位檢測器(1，2)的數據。
2. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述運動檢測器(3)包括 視頻或紅外相機、雷達、雷射雷達、雷射或聲納傳感器中的一個或多 個。
3. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述運動檢測器(3)調整 為覆蓋所述人員的視覺疏忽或視野缺損區域。
4. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述運動檢測器(3)和第 二方位傳感器(2)布置在所述人員可穿戴的眼鏡(5)、頭帶、帽子 或者便帽處。
5. 根據權利要求2的輔助系統，進一步包括紅外、雷達、雷射雷 達、雷射或聲納發射器。
6. 根據權利要求5的輔助系統，其中所述紅外、雷達、雷射雷達、 雷射或聲納發射器布置在所述患者可穿戴的背包中。
7. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述第一和/或第二方位傳 感器(1， 2)包括磁力計和/或加速計。
8. 根據權利要求1的輔助系統，其中第一方位傳感器(1)布置 在所述人員可穿戴的腰帶上。
9. 根據權利要求1的輔助系統，其中第一方位傳感器(1)布置 在輪椅上。
10. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述評價系統(4)包括 微處理器(41 ),其適於根據第一和第二方位傳感器(1,2)的數據 來計算全局光流，所述微處理器(41)將所計算的全局光流與由所述 運動檢測器(3)所檢測到的實際光流進行比較，以確定運動物體的存在。
11. 根據權利要求1的輔助系統，其中所述評價系統(4)包括數 據存儲設備(42)，其存儲有關所述人員的視野的信息。
12. 根據權利要求1的輔助系統，還包括反饋設備(6)，用於向 所述人員報警，特別是如果確定了運動物體在他視野之外時向所述人 員報警。
13. 根據權利要求10、 11或12中任意一項的輔助系統，進一步 包括通信設備(43)，其特別地將所述微處理器(41)與所述運動檢 測器(3)、第一和第二方位傳感器(1, 2)、反饋設備(6)和存儲 設備(42)中的一個或多個進行連接。
14. 根據權利要求13的輔助系統，其中所述通信系統(43)至少 部分是無線的。
15. —種用於輔助視覺缺陷人員的方法，包括下列步驟al)通過布置為接近所述員人軀幹的第一方位傳感器(1)來確 定所述人員的運動，a2)通過布置在所述人員的頭部處的第二方位傳感器(2)來確 定所述人員的視向，b) 通過微處理器來根據第一和第二方位傳感器(1， 2)的數據 來計算全局光流，c) 通過布置在所述人員的頭部處的至少一個運動檢測器(3)來 檢測實際光流，以及d) 通過將所計算的全局光流與所述實際光流進行比較來識別運 動物體。
16. 根據權利要求15的方法，進一步包括下列步驟e) 確定所識別運動物體的運動方向，f )將所識別的運動物體的運動方向與所述人員的運動進行比較， 以及g)如果所識別的運動物體與所述人員之間的碰撞是可預測的， 則通過反饋設備(6)來向所述人員報警。
17. 根據權利要求15的方法，進一步包括下列步驟 如果所識別的物體在所述人員的視野之外，則通過反饋設備(6 )向所述人員報警。
18. 根據權利要求15的方法，其中有關所述人員的視野的信息存 儲在存儲設備M2)上。
19. 根據權利要求15的方法，其中步驟b) 、 c)和d)包括對視 頻相機或紅外相機信號的數字圖像處理。
20. 根據權利要求15的方法，其中通過雷達或雷射雷達檢測器來 檢測快速運動和/或金屬的物體。
21. 根據權利要求1所述的輔助系統在患有視覺疏忽和/或視野 缺損的中風或創傷性顱腦損傷受害者的神經功能康復中的使用。
全文摘要
一種用於在其部分視野中具有視覺障礙的視覺缺陷人員的輔助系統，其目的在於通過身體上穿戴的傳感器為這些人提供一種主動告知他們在所述視覺障礙側的物體或運動的技術方案。
文檔編號A61H3/00GK101505710SQ200780030336
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月7日 優先權日2006年8月15日
發明者E·G·J·M·邦格斯, G·蘭弗曼, J·特夫魯格特, R·D·威爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司