雙眼瞳孔檢測系統的製作方法

2023-07-21 01:49:16

專利名稱：雙眼瞳孔檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療檢測儀器技術領域，尤其涉及一種人體雙眼瞳孔檢測 系統。
背景技術：
瞳孔對光反射是指當用光線照射瞳孔時，瞳孔立即縮小，光源移開後 瞳孔迅速恢復原狀的生理現象。當用光線刺激一側瞳孔時，該側瞳孔縮小，
移去光線後瞳孔又復原，稱為直接對光反射；若用不透光物隔開兩眼(例 如使用隔板、手掌)，用光線照射一側瞳孔時，另一側瞳孔也會立即縮小， 稱為間接對光反射。
目前，在醫療實踐中，對患者的瞳孔大小、形態和對光反射情況的觀 察多採用人工方式，即醫護人員用手電筒照射患者的一側瞳孔，肉眼觀察 患者的瞳孔及其變化情況。另外，在臨床上有一種測瞳尺，可對一側瞳孔 的直徑進行定量測量，但其精度僅為0.5mm左右。
上述這些人工方法的不足之處在於(1)無法對瞳孔的大小和對光
反射情況進行客觀、定量、準確的測量，特別是無法進行時間類指標的準 確測量，後者包括對光反射潛伏期、收縮速度等；(2)不能進行雙眼瞳 孔的同步檢測，因而無法得出瞳孔間接對光反射和對光反射神經傳導通路 的指標；(3)均屬於主觀經驗性判斷，不同醫護人員的檢查結果可能差 異較大，可重複性差；(4)無法獲得客觀的記錄作為醫療證據保存，也
不能作事後會診，給臨床和科研工作帶來不便。
國內申請號為200410079526.X的發明提出了一種吸毒人員瞳孔動態
變化快速檢測方法及其裝置，屬神經生物學檢測裝置。該發明將瞳孔的圖 像數據以視頻信號的方式傳至計算機上的視頻信號採集卡，通過視頻模數 轉換變成數位訊號作進一步圖像處理；和資料庫進行比較，最終對被試是 否吸青做出判別。該裝置由眼鏡和計算機組成；其中，眼鏡上裝有塑料的
遮光眼罩，固定在塑料的遮光眼罩上的一個紅外微型近攝攝像頭，其兩側
LED構成的紅外線光源，以及位於遮光罩右邊的3個紅色發光二極體；計 算機內裝有數據採集和處理軟體。
上述發明的不足之處在於1)只能進行單眼瞳孔檢測，不能同時進 行雙眼瞳孔的檢測，因而不能得到瞳孔間接對光反射和對光反射神經傳導 通路的指標；2)採用模擬視頻攝像，需要通過計算機上的視頻信號採集 卡轉換成數字圖像，而不是直接採集數字圖像；3)沒有給出瞳孔的具體 指標，而是通過與資料庫作比較，判斷被試是否吸毒；4)其攝像頭的物 距不可調，刺激的光強、時限不可調；5)屬於戒毒領域，而不是醫療檢 測儀器領域。
本發明所要解決的技術問題是提供一種雙眼瞳孔檢測系統，它可客 觀、定量、準確地對瞳孔的直徑進行測量，進而可對瞳孔的靜息過程和對 光反射過程進行定量測量和記錄。它所採用的技術方案是 一種雙眼瞳孔 檢測系統，包括瞳孔檢測終端和與終端連接的含有瞳孔檢測軟體的計算 機，其中檢測終端包括攝像頭、位於攝像頭周邊的發光光源；計算機中 的檢測軟體包括串口通訊模塊，與串口通訊模塊連接的圖像採集模塊， 以及與圖像採集模塊連接的處理模塊，其特徵在於檢測終端為雙眼瞳孔 檢測終端，該雙眼瞳孔檢測終端還包括安裝有發光光源的前端電路板，以 及與前端電路板連接的主電路板；所述的處理模塊包括瞳孔直徑處理子模 塊、與瞳孔直徑處理子模塊連接的靜息或對光反射過程指標處理子模塊、 與瞳孔直徑處理子模塊和靜息或對光反射過程指標處理子模塊連接的數 據庫子模塊。其中，串口通訊模塊實現了一套自定義的串口通訊協議。
本發明所用攝像頭為兩個數字紅外近攝攝像頭；雙眼瞳孔檢測終端所 採用的發光光源為安裝在前端電路板上的發紅外光和可見光的LED;本發 明所述的瞳孔直徑處理子模塊包括圖像灰階轉換小子模塊、與圖像灰階轉 換小子模塊連接的邊緣檢測小子模塊、與邊緣檢測小子模塊連接的降噪小 子模塊、與降噪小子模塊連接的作擬合圓小子模塊、與作擬合圓小子模塊 連接的圖像有效性判斷小子模塊和與圖像有效性判斷小子模塊連接的有 效圖像瞳孔直徑計算小子模塊。

發明內容
本發明的有益效果是由於採用數字圖像釆集和計算機軟體進行處 理，所得瞳孔指標的檢測數據更準確、客觀；而且，由於可雙眼同步採集 圖像，可以獲得包括間接對光反射和對光反射通路的神經傳導指標在內的 瞳孔靜息過程和對光反射過程的多方面指標；還可通過資料庫技術保留患 者的檢査記錄作為醫療證據或會診的依據。


附圖1是本發明的結構示意附圖2是瞳孔檢測終端主電路板結構示意圖;
附圖3是物距調整裝置結構示意陽圖4是瞳孔fi徑處理子模塊結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明
如圖1所示，木發明包括雙眼瞳孔檢測終端1和與終端連接的含有瞳 孔檢測軟體的計算機2，其中檢測終端包括兩個攝像頭101、位於攝像 頭周邊的發光光源102，計算機中的檢測軟體包括串口通訊模塊，與串 口通訊模塊連接的圖像釆集模塊，以及與圖像採集模塊連接的處理模塊； 該雙眼瞳孔檢測終端還包括安裝有發光光源102的前端電路板103，以及 與前端電路板103連接的主電路板104;所述的處理模塊202包括瞳孔直 徑處理子模塊20201、與瞳孔直徑處理子模塊20201連接的靜息或對光反 射過程指標處理子模塊20202、與瞳孔直徑處理子模塊20201和靜息或對 光反射過程指標處理子模塊20202連接的資料庫子模塊20203。
為了有效控制圖像的採集，在瞳孔檢測終端1和圖像採集模塊201之 間連接有一圖像採集控制模塊，通過計算機2和專用連接線纜4把控制指 令發送到瞳孔檢測終端l，控制攝像頭101的採集參數，包括曝光時間、 顏色等。圖像採集模塊201採集到的圖像幀格式為24bitRGB位圖，並將 圖像序列傳給瞳孔直徑處理子模塊20201。
為了保存所採集到的圖像，便於以後的回放和再分析，和圖像採集模 塊201與瞳孔直徑處理子模塊20201可以連接有一視頻文件模塊，在採集完一個靜息或對光反射過程的圖像序列之後，把所有的圖像序列作為視頻 流保存到視頻文件模塊，在需要時可通過讀取視頻文件把這些圖像序列傳 給瞳孔直徑處理子模塊20201進行重新分析處理。
圖1中瞳孔檢測終端1採用專用連接線纜4和計算機2相連接。兩個檢測攝像頭101分別用於同時採集被檢測者的雙眼圖像，通過瞳孔檢測終端專用連接線纜4中的USB線纜將圖像數據傳送至計算機2，計算機2針對接收到的實時圖像數據通過數字圖像處理算法，得出各種檢測指標，並在計算機2的顯示設備上用數值和圖形的方式表示出來。檢測攝像頭101採用支持微距紅外攝像的數字攝像頭，可以清晰獲取人眼圖像。
本發明一個實施例的前端電路板103安裝有2個可見光LED和2個紅外LED。前端電路板103的中部留有開孔，允許檢測攝像頭101的鏡頭部分從中通過。各個LED均勻地分布在檢測攝像頭101鏡頭的周圍，使釆集的眼球圖像光照均勻、成像清晰。可見光LED和紅外LED的開啟和關閉利用微控制器(MCU) 10404的內部定時器，通過LED控制模塊10401的控制信號來決定。除控制可見光LED和紅外LED的開啟和關(即發 光時限)之外，微控制器(MCU) 10404還通過LED控制模塊10401採 用PWM(脈衝寬度調製)方式來精確控制其發光亮度。
為了使被檢查者的眼處於最佳的被測位置，雙服瞳孔檢測終端的兩個攝像頭可以分別連接有一物距調整裝置，如圖3所示，該物距調整裝置包括電機501，與電機依次連接的差速齒輪箱502，絲杆503，與絲杆503連接的攝像頭託架504，以及用於置放託架的導軌505和置於導軌上的前、後碰觸開關506、 507。
與物距調整裝置連接的主電路板104的結構如圖2所示，包括LED控制模塊10401、電機驅動模塊10402、串行通訊模塊10403和微控制器(MCU) 10404。它也是通過專用連接線纜4與計算機2相連接。計算機2將控制指令發送至串行通訊模塊10403，串行通訊模塊10403對收到的數據進行電平轉換，將串行總線使用的ECL電平信號轉換成微控制器 (MCU)10404能夠接受的TTL電平信號，並發送給微控制器(MCU) 10404.微控制器(MCU) 10404按照自定義通訊協議對接收到的指令進 行分析、處理，並根據具體的指令內容分別控制相應的LED控制模塊10401
或/和電機驅動模塊10402的動作。主電路板104中的電機驅動模塊10402 接收到微控制器(MCU) 10404發出的電機運轉控制指令後，驅動電機501 按照規定的方向和速度轉動，並經過差速齒輪箱502的輸出軸作用於絲杆 503，由絲杆503將電機501的轉動變成檢測攝像頭託架504的前後運動， 導軌505起到了約束檢測攝像頭託架504運動軌跡的作用，導軌505固定 在終端的目筒上。導軌505的前端和後端分別裝有碰觸開關506和507， 當檢測攝像頭託架504運動到前/後的最大位置時，碰觸開關506/507接觸 閉合，發送一個反饋信號給微控制器(MCU) 10404，微控制器(MCU) 10404接收到這一信號後就會發出指令停止物距調整電機501的轉動，避 免電機過載。檢測攝像頭101被固定在檢測攝像頭託架504的前端，由於 檢測攝像頭託架504載著檢測攝像頭101作前後運動，相對於被檢查者眼 球來說就是物距的減小和增大，因此可以避免因檢測攝像頭IOI焦距固定， 而被檢査者眼球曲率和位置不同等因素造成的檢測攝像頭101成像不清晰 的問題，保證了良好的成像質量，提高各項指標的檢測準確性。
圖4是瞳孔直徑處理子模塊20201的結構圖，它包括圖像灰階轉換小 子模塊301、與圖像灰階轉換小子模塊連接的邊緣檢測小子模塊302、與 邊緣檢測小子模塊連接的降噪小子模塊303、與降噪小子模塊連接的作擬 合圓小子模塊304、與作擬合圓小子模塊連接的圖像有效性判斷小子模塊 305和與圖像有效性判斷小子模塊連接的有效圖像瞳孔直徑計算小子模塊 306。
通過圖像灰階轉換小子模塊301， 24位RGB圖像被轉換成8位的灰
階圖像，轉換方法為灰階值=Rx0.3+Gx0.59+Bx0.11。
邊緣檢測小子模塊302對灰階圖像使用Sobel邊緣檢測算子進行邊緣
檢測。使用兩個Sobel邊緣檢測算子， 一個用於檢測水平邊緣，另一個用
於檢測垂直邊緣,它們分別如h
-1 -2 -1 '-l 0 1'
00 0 -2 0 2
12 1 -12 1
Sobd水平邊緣檢測算子 Sobel垂直邊緣檢測算子
對圖像中的每個點都用上述兩個算子作二維巻積，得到一個由0、 1 組成的二維矩陣，這就是二值化之後的邊緣圖像。值為1的點表示在邊緣上，值為0的點表示不在邊緣上。這個邊緣圖像中包括瞳孔輪廓邊緣、眼 睫毛邊緣、眉毛邊緣、以及LED照射在角膜、視網膜上的反光等所形成
的亮點邊緣等。
降噪小子模塊303使用一個nxn的方框在邊緣圖像中平移，如果這個 方框的四邊不與任何邊緣相交，則把方框內所有點的值置為0，這樣就去 掉了範圍小於nxn的噪聲。為了不誤把瞳孔輪廓邊緣去掉，須保證n的取 值小於該圖像中預期的瞳孔直徑(單位是像素值)。為了得到預期的瞳孔 直徑，可以參考前一幀圖像的腫孔直徑信息。
作擬合圓小子模塊304使用Hough變換在邊緣圖像中擬合圓。在一幀 有效的邊緣圖像中， 一般來說瞳孔輪廓邊緣最接近圓形，使用Hough算法 可計算出邊緣圖像中的圓。在使用Hough算法計算圓時，指定圓直徑的最 小值和最大值，這兩個值決定了查找出來的圓的直徑範圍。同樣地，可以 參考前一幀圖像的瞳孔直徑來決定這兩個值。Hough變換之後擬合出圓心 坐標和直徑。
圖像有效性判斷小子模塊305根據正常瞳孔圖像的特徵來判斷前一步 得到的圓是否符合瞳孔輪廓。假設在上一步中擬合的圓的直徑為D (單位 是像素值)，圓心為C(x,y)。如果以下條件中的任何一條成立，則該圖像 為無效
在降噪小子模塊303得到的圖像中，以作擬合圓小子模塊304得到的 圓的周圍取一同心圓環。統計該圓環內的邊緣像素點的數目，如果這些點 的數目小於某個經驗值，該幀圖像為無效。這樣可以排除零散的邊緣點所 擬合出來的圓。
在這個圓環中定位出四個點，分別對應於橫軸坐標值最大的點、橫軸 坐標值最小的點、縱軸坐標值最大的點和縱軸坐標值最小的點，如果找出 的這四個點不是四個不同的點，該幀圖像為無效。這樣可以排除由小於90 度的圓弧所擬合出來的圓，部分閉眼的圖像就具有這種特徵。
掃描灰階圖像中這個圓內的所有像素點，統計出灰階值小於某經驗值 的像素點的數目，如果這個數目小於這個圓的面積的1/3 (經驗值)，該 幀圖像無效。有效的瞳孔圖像中瞳孔區域的大部分像素點的顏色應該是偏 黑色的(LED照射在視網膜上的反光所形成的亮點除外)。這樣可以排除
眨眼圖像以及無瞳孔圖像。
有效圖像瞳孔直徑計算小子模塊306計算出瞳孔直徑的實際值(mm) 為Dx該眼別的像素點距(mm)。像素點距是指該圖像中相鄰兩個像素 點之間的距離所代表的實際距離。
資料庫子模塊20203把該幀圖像的瞳孔指標保存到資料庫。 針對靜息過程，靜息或對光反射過程指標處理子模塊20202的工作流 程如下
1) 獲取瞳孔直徑處理子模塊20201計算出的靜息過程圖像序列的瞳 孔指標， 一隻眼的圖像序列為一路圖像；
2) 統計該次過程有效指標的圖像幀數，如果有效指標的圖像幀數小 於全部圖像幀數的一定百分比，則判斷該次過程無效，否則為有效；
3) 對有效過程，用統計學方法計算以下的靜息過程指標如平均值， 最大值，最小值,波動幅度，標準差,標準誤,置信區間等。
資料庫子模塊20203把該靜息過程指標保存到資料庫。 針對對光反射過程，靜息或對光反射過程指標處理子模塊20202的工 作流程如下
1) 獲取瞳孔直徑處理子模塊20201計算出的對光反射圖像序列的瞳 孔指標，最多時，共有左眼直接(刺激左眼測量左眼)、左眼間接(刺激 右眼測量左眼)、右眼直接(剌激右眼測量右眼)、右眼間接(刺激左眼 測量右眼)4路圖像。
2) 統計該次過程有效指標的圖像幀數，如果有效指標的圖像幀數小 於全部圖像幀數的一定百分比，則判斷該次過程無效，否則為有效。
3) 對有效的對光反射過程，按照下列方法計算以下的對光反射指標
潛伏期光刺激之後，瞳孔直徑與瞳孔靜息直徑的差值的絕對值大於
潛伏期收縮閾值的第一幀圖像(這幀圖像稱為潛伏期圖像幀)的採集時間
與光刺激開始時間的差值；
收縮時間瞳孔直徑值最小的一幀圖像的採集時間與潛伏期圖像幀的
採集時間的差值；
靜息直徑光刺激之前採集的有效圖像的瞳孔直徑的平均值； 收縮峰值直徑瞳孔收縮到最小值時的直徑(對應的這幀圖像稱為峰
值圖像幀)；
收縮幅度=靜息直徑一收縮峰值直徑； 收縮比=收縮幅度/靜息直徑；
最大收縮速度使用定長的滑動窗口，在從潛伏期圖像幀開始到峰值 圖像幀之間的採樣點之間滑動，只處理有效圖像，對滑動窗口內的採樣數 據使用線性回歸擬合出直線方程，直線的斜率就是滑動窗口內採樣點對應 的收縮速度，逐個移動滑動窗口到下一釆樣點，得到下一個收縮速度值， 所有滑動窗口的收縮速度中絕對值最大的就是最大收縮速度；
初始舒張速度從峰值圖像幀開始，使用定長的連續數幀有效圖像的 瞳孔直徑用線性回歸擬合出直線方程，該直線的斜率就是初始舒張速度；
舒張末期直徑下次光刺激之前或者採樣末期的瞳孔直徑；
舒張幅度=舒張末期直徑—收縮峰值直徑；
收縮到50%的時間、收縮到75%的時間、舒張到50%的時間、舒張到 75%的時間、平均收縮速度等。
4)針對配置眼別為雙眼的有效對光反射過程，對光反射過程指標計 算小子模塊還可計算該次對光反射過程的神經傳導指標，使用以下方法計 算下列指標
左眼通路傳入時間=左眼直接對光反射潛伏期—左眼間接對光反射 潛伏期；
右眼通路傳入時間-右眼直接對光反射潛伏期一右眼間接對光反射 潛伏期；
雙眼平均傳入潛伏期=(左眼通路傳入時間+右眼通路傳入時間)/2; 左眼通路傳出時間-左眼直接對光反射潛伏期一右眼間接對光反射 潛伏期；
右眼通路傳出時間=右眼直接對光反射潛伏期—左眼間接對光反射 潛伏期；
雙眼平均傳出潛伏期=(左眼通路傳出時間+右眼通路傳出時間)/2。
資料庫子模塊20203把該對光反射過程指標保存到資料庫。 串口通訊模塊203實現了一套自定義的串口通訊協議。位於計算機2 中的瞳孔檢測軟體發出指令控制瞳孔測量終端上的可見光LED(光刺激過
程時的刺雷射或靜息過程時的背景光)、紅外LED、電機運動，終端通過 串口向瞳孔檢測軟體反饋指令執行結果或者技術報警事件，後者包括電機 過載、電機溫度過高、終端識別錯誤、不可恢復錯誤等。
系統支持每次檢査時單獨設置參數，包括靜息過程和對光反射過程， 並保留這些參數到資料庫中。系統還具有攝像頭管理、終端設備管理、被 檢査者管理、檢查記錄管理、顯示瞳孔直徑曲線、列印報告、再分析、測 量校準、手動測量、導入導出等功能。
權利要求
1.一種雙眼瞳孔檢測系統，包括瞳孔檢測終端和與終端連接的含有瞳孔檢測軟體的計算機，其中檢測終端包括攝像頭、位於攝像頭周邊的發光光源；計算機中的檢測軟體包括串口通訊模塊，與串口通訊模塊連接的圖像採集模塊，以及與圖像採集模塊連接的處理模塊，其特徵在於檢測終端為雙眼瞳孔檢測終端，該雙眼瞳孔檢測終端還包括安裝有發光光源的前端電路板，以及與前端電路板連接的主電路板；所述的處理模塊包括瞳孔直徑處理子模塊、與瞳孔直徑處理子模塊連接的靜息或對光反射過程指標處理子模塊、與瞳孔直徑處理子模塊和靜息或對光反射過程指標處理子模塊連接的資料庫子模塊。
2. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於計算機中的檢測 軟體還包括連接在瞳孔檢測終端和圖像採集模塊之間的圖像採集控制 模塊。
3. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於計算機中的檢測 軟體還包括和圖像採集模塊與瞳孔直徑處理子模塊連接的視頻文件模 塊。
4. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於雙眼瞳孔檢測終 端所採用的攝像頭為兩個數字紅外近攝攝像頭。
5. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於雙眼瞳孔檢測終 端所採用的發光光源為安裝在前端電路板上的發紅外光和可見光的半 導體二極體。
6. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於雙眼瞳孔檢測終 端的兩個攝像頭分別連接有物距調整裝置。
7. 如權利要求6所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於所述的物距調整 裝置包括電機，與電機依次連接的差速齒輪箱，絲杆，與絲杆連接的 攝像頭託架，以及用於置放託架的導軌和置於導軌上的前、後碰觸開 關。
8. 如權利要求1所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於所述雙眼瞳孔檢 測終端的主電路板包括LED控制模塊、電機驅動模塊、串行通訊模塊 和微控制器。
9.如上述任一權利要求所述的雙眼瞳孔檢測系統，其特徵在於所述的瞳 孔直徑處理子模塊包括圖像灰階轉換小子模塊、與圖像灰階轉換小子 模塊連接的邊緣檢測小子模塊、與邊緣檢測小子模塊連接的降噪小子 模塊、與降噪小子模塊連接的作擬合圓小子模塊、與作擬合圓小子模 塊連接的圖像有效性判斷小子模塊和與圖像有效性判斷小子模塊連接 的有效圖像瞳孔直徑計算小子模塊。
全文摘要
本發明公開了一種雙眼瞳孔檢測系統，包括瞳孔檢測終端和與終端連接的含有瞳孔檢測軟體的計算機，其中檢測終端包括攝像頭、位於攝像頭周邊的發光光源；計算機中的檢測軟體包括串口通訊模塊，與串口通訊模塊連接的圖像採集模塊，以及與圖像採集模塊連接的處理模塊，其特徵在於檢測終端為雙眼瞳孔檢測終端，該雙眼瞳孔檢測終端還包括安裝有發光光源的前端電路板，以及與前端電路板連接的主電路板；所述的處理模塊包括瞳孔直徑處理子模塊、與瞳孔直徑處理子模塊連接的靜息或對光反射過程指標處理子模塊、與瞳孔直徑處理子模塊和靜息或對光反射過程指標處理子模塊連接的資料庫子模塊。它廣泛應用於醫療檢測領域，具有客觀、定量、準確、支持雙眼瞳孔同步檢測等優點。
文檔編號A61B3/11GK101190120SQ20061011862
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月22日 優先權日2006年11月22日
發明者何逸珉, 曾震宇, 葛惠鋒, 魯巍峰 申請人:曾震宇;魯巍峰;葛惠鋒;何逸珉