[发明专利]用于测量头部、眼睛、眼睑和瞳孔的反应的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及不引人注意地测量在设备佩戴者的一般环境中产生事件之后的反应时间和/或其他响应和设备佩戴者的头部、眼睛、眼睑和/或瞳孔的随后变化的装置和方法。

背景技术

个体对自发地或有意地产生的事件的响应包括多个复杂的神经和生理步骤，这些步骤包括检测、传导神经通路、突触连接、知觉、认知和神经肌肉控制。在这些步骤中涉及的任意解剖学结构或化学反应的正常活动或紊乱、以及生理意识和训练，可以影响个体的响应幅度和反应时间。测量个体经过短暂（即，数秒至数分钟）或延长（即，数天甚至数年）时间段的反应时间和/或其他响应的不引人注意的设备具有多个医疗、体育训练、人为因素、安全、诊断、军事、法律实施、游戏和其他应用。

涉及感测和机器视觉的应用变得越来越普遍。部分地，这是由于电子和软件研发行业的技术进步，和传感器、摄像机和信息处理单元的成本降低。例如，基于微机电系统（MEMS）技术的加速度计的最新进展已经使得这些加速度计不昂贵、小型化、灵敏、稳定、低功率、多轴（在单个封装内）、并且易于使用。加速度计可以用于感测重力方向以及多维运动。

类似地，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）或电荷耦合器件（CCD）方法的摄像机可以不昂贵、小型化、光学灵敏、低功率、稳定且具有高分辨率。使用这些摄像机和图像处理单元，自动对象识别和跟踪变得越来越多地用在多种诊断、人的表现、商业和控制应用中。

除了出现引起头部损伤的事件之外，头部的大部分运动相对慢速（例如，小于约十赫兹（10Hz））。因此，用于精确地监测头部运动的采样率可以在几十样本/秒的范围内。类似地，对眼睛、眼睑和瞳孔响应和反应时间的大部分测量具有在零点几秒到数秒范围内的反应时间，这些测量需要现代家用摄像机和视频播放器通常可用的帧速率（即，30-120帧每秒）。研究实验室和某些其他应用需要来自能够在成本增加情况下实现更高采样率的加速度计和摄像机的测量结果；但是，眼睛佩戴物和头部佩戴物设备可以利用通常可用的小型化、低功率摄像机和感测部件。

很多头部和眼睛跟踪系统使用距离佩戴者的头部位于相当远距离（例如，大于约十厘米（10cm））处的摄像机和照射器。随着离眼睛的距离增大，头部/眼睛跟踪装置一般变得不引人注目；但是，头部/眼睛跟踪装置变得越来越难以精确地测量佩戴者的头部和/或眼睛的位置，这是由于需要摄像机具有更高空间分辨率。此外，范围宽的头部运动会引起跟踪佩戴者的眼睛及眼睛的组成部分的位置的能力完全丧失。

随着现代微电子器件和微光学器件的到来，可以不显眼地将用于测量反应时间或其他响应的部件安装在眼睛佩戴物（例如，眼镜框）或头部佩戴物（例如，头盔、面罩、护目镜、虚拟现实显示装置）上，包括美国专利6,163,281、6,542,081、7,488,294或7,515,054中公开的那些装置。使用低功率和小型化摄像机、传感器和电子器件通过使用（可选地）电池电源而使得头部安装系统能够不被束缚。此外，无线通信的最新进展允许反应时间结果被实时地传送到其他计算、数据存储或控制装置。由于很多领域中的技术进步，基于眼睛佩戴物或头部佩戴物的响应和反应时间系统可以不引人注意、轻质、低功率、便携且便于使用。

用于生理监测和医疗诊断的非侵入式工具越来越普遍地出现在诊所、医院、研究实验室甚至家庭和公共区域，例如杂货店和药店。如果这些工具构造成不引人注意、使用简便且便携；则它们能获得一般公众接受并且随后应用于监测长期响应趋势（相对于一次性或“抽点”测量）的更进一步可能性。这是对它们如果遇到某些情况实时地作出反应的能力的补充；例如，如在驾车过程中确定出困倦的状态。

头部和眼睛的的监测响应特别有助于评估中枢和外周神经系统生理功能和紊乱。例如，瞳孔的反应时间和/或其他响应受到解剖学结构链影响，该解剖学结构链包括视神经内的感光细胞和视网膜下丘脑通路、上部中脑内的顶盖前核、和具有沿着左右动眼神经行进的轴突的埃-韦二氏核，该轴突突触连接到睫状神经节神经，睫状神经节神经继而支配虹膜的缩肌。影响该链内的任意结构的紊乱或条件（例如，存在巴比妥类药物）会产生被非侵入且不引人注意地监测的反应时间和/或其他响应的相应变化。瞳孔受到酒精或阿片类药物的初始收缩或者受到范围广泛的药物的扩张也会影响测量的响应和反应时间，这些药物包括麦角酸酰二乙胺（LSD）、可卡因、安非他命、3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺（MDMA，也称作摇头丸）、墨斯卡灵等。