Specyfikacja techniczna systemu Saccadometer

Podstawy działania

Sakadometr jest medycznym urządzeniem diagnostycznym, pozwalającym na wywołanie ściśle kontrolowanych reakcji sakadowych oraz pomiar i automatyczną analizę ich latencji i czasu trwania. Sakady są wynikiem obserwacji punktu celu poruszającego się skokowo pomiędzy określonymi lokalizacjami. Punkty celu są wyświetlana za pomocą miniaturowych projektorów laserowych zamontowanych bezpośrednio na płytce czołowej czujnika ruchu oka.

Pomiar ruchu oka

Sakadometr wykonuje pomiar ruchu oka w technologii Bliskiej Podczerwieni (ang. Direct Infra-Red Oculography), która jest zastosowana w czujnik Cyclops-ODS. Czujnik jest tak zaprojektowany, aby był łatwy w przygotowaniu do pracy i minimalnie inwazyjny, co jest szczególnie ważne w przypadku monitorowania funkcji okoruchowych w środowisku nie-laboratoryjnym.

W przeciwieństwie do innych systemów okulograficznych bazujących na technologii obserwacji oka w bliskiej podczerwieni, które wymagają umieszczenia nadajników/odbiorników podczerwieni dookoła oka w jego bezpośredniej bliskości, czujniki opto-elektroniczne Cyclops-ODS są ulokowane pomiędzy oczami, co pozwala na ukrycie konstrukcji czujnika w "cieniu" nosa. Tak zoptymalizowane pod względem ergonomii położenie czujnika nie ogranicza pola widzenia, a system pomiarowy ruchu oka może pracować bez zakłócania funkcji wzrokowych osoby badanej. Czujnik nie wymaga żadnego mechanicznego dopasowania pozycji względem oka. Wszystkie niezbędne parametry są obliczane automatycznie przez układ kontrolny systemu Sakadometr.

Czujnik Cyclops-ODS mierzy zachodzące obroty lewego i prawego oka uśredniając je. Ze względu na zbieżność i synchronizację ruchów sakadycznych oczu, obroty lewego i prawego oka mogą być dodawane i uśredniane. Wewnętrzne kąciki lewego i prawego oka są oświetlane światłem podczerwonym o niskiej intensywności. Różnica pomiędzy ilościami światła podczerwonego odbitego od powierzchni oczu dostarcza informacji o zmianach położenia oczu (względny pomiar ruchu oka wymaga określenia punktu fiksacji początkowej). W czujniku Cyclops-ODS obydwoje oczu ma równomierny wkład do mierzonego sygnału ruchu oka. Pomiar uśrednionej rotacji lewego i prawego oka jest standardową procedurą pomiarową ruchu oka w klinicznej elektro-nystagmografii. Wartości zmierzone tą metodą są sumą elektro-okulograficznych potencjałów otrzymanych ze skroniowych części lewego i prawego oka (ang. Oculus Dexter Sinister - ODS). Czujnik Cyclops-ODS jest wyposażony w system automatycznej kontroli wzmocnienia (ang. automatic gain control, AGC), który kompensuje różnice w anatomicznym kształcie nosa i oczodołów. Pozwala to na pomiar ruchów oczu z tym samym fizycznym wzmocnieniem, równym dla wszystkich badanych, bez wpływu na stosunek sygnału do szumu (stałe wzmocnienie obwodu foto-detekcyjnego).

Przetwarzanie sygnału ruchu oka

Sygnał napięcia generowanych przez czujnik ruchu oka jest przetwarzany na postać cyfrową w postaci 12 bitowych próbek z częstotliwością 1 kHz, a następnie różniczkowany do sygnału prędkości ruchu oka. Sakady są wykrywane jako instancje przekroczania przez sygnał prędkości oka progu detekcji ustawionego na wartość 5 deg/s.

Latencja sakad obliczana jest jako różnica czasu pomiędzy załączeniem celu na nowej pozycji a detekcją początku sakady. Czas sakad mierzony jest jako różnica czasu pomiędzy początkiem sakady, a obniżeniem się wartości prędkości ruchu oka do poziomu poniżej 5 deg/s.

Jakość pomiaru ruchu oka

Zakres pomiarowy

• wzdłuż osi poziomej ±35 deg

Pasmo przenoszenia

• 500 Hz

Poziom szumu

• Zakres referencyjny: 20 stopni
• Od szczytu od szczytu (peak to peak): 0.51% zakresu pomiarowego, tj. 0.1 stopnia
• Stosunek sygnału do szumu (SNR): 45.8 dB

Liniowość

• Pomiar liniowości systemu Sakadometr został wykonany na 4 osobach w zakresie ±10 stopni, co odpowiada operacyjnemu zakresowi urządzenia. Osoby badane zostały poinstruowane aby patrzeć na punkty fiksacji oddalone od siebie równo o 2 stopnie, tak więc dla każdej osoby badanej pobrano 10 próbek wartości pozycji oka. Obliczona nie-liniowość systemu wynosi 2% średnio i 4.5% w najgorszym przypadku co daje odpowiednio 0.4 stopnia oraz 0.9 stopnia.

Bezpieczeństwo

Sakadometr został zaprojektowany zgodnie ze ścisłymi regułami bezpieczeństwa, stosowanymi w przypadku instrumentów medycznych.

Zabezpieczenie przed porażeniem prądem

System Sakadometr jest zasilany bateryjnie, a napięcie w systemie nie przekracza 3V. Projekt mechaniczny przyłączy na jednostce kontrolnej systemu Sakadometr wyklucza możliwość omyłkowego dołączenia innego urządzenia. Po przyłączeniu do jednostki kontrolnej czujnika ruchu oka jedyne wolne przyłącze to gniazdo światłowodu. Światłowód o długości 1,5 metra zapewnia optyczną izolację pomiędzy osobą badaną a komputerem w trakcie przesyłania danych do komputera.

Promieniowanie laserowe

System Sakadometr wykorzystuje miniaturowe projektory laserowe podobne wykorzystywanym w wskaźnikach laserowych. Producent projektorów laserowych podaje następujące informacje ostrzegawcze:

PROMIENIOWANIE LASEROWE NIE PATRZEĆ W PROMIEŃ LASERA
Długość fali światła lasera 630–680 nm
Maksymalna moc wyjściowa < 1mw
CLASS LASER PRODUCT

Jasność plamki laserowej nie musi odpowiadać wartości fabrycznie ustawionej przez producenta. W pierwszym kroku moc wyjściowa laser jest zmniejszana do 0,6 mocy początkowej poprzez zmniejszenie napięcia zasilania lasera z 4,5V do 3V bez zmiany rezystorów ograniczających prąd (31 omów według specyfikacji producenta). Dalsza redukcja jasności plamki laserowej jest osiągnięta poprzez zasilanie diod laserowych z 50% wypełnieniem cyklu, co zmniejsza o połowę średnią moc wyjściową lasera. Dodatkowo użytkownik może dalej zmniejszyć wypełnienie cyklu zasilania diody laserowej do wartości 15% w czterech krokach, w zależności o wymaganej jasności stosownie do panujących warunków oświetlenia. Odpowiednie ostrzeżenie - NIE PATRZEĆ W PROMIEŃ LASERA - jest umieszczone na przedniej stronie czołowej płytki czujnika mieszczącej montaż laserów.

Poziom irradiancji promieniowania podczerwonego na powierzchnię oka

Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami i bezpośrednimi pomiarami irradiancja promieniowaniem podczerwonym nie przekracza wartości 0,6 mW/cm2 i mieści się w zakresie akceptowanym jako bezpieczny dla ludzkiego oka (10 mW/cm2). W celu uzyskania szczegółów przeprowadzonych obliczeń i pomiarów należy odnieść się do protokołu zawartego w dokumencie (Saccadometer eye surface irradiation report).

Poziom irradiancji zależy od wyjścia oświetlaczy podczerwieni, a także od odległości pomiędzy źródłem promieniowania a oświetlaną powierzchnią. Poziom irradiancji został obliczony przy założeniu średniej odległości 10 mm. Odległość ta może zmieniać się w zależności od anatomicznego kształtu nosa i oczodołu. Normalnie nie można wykluczyć sytuacji, iż czujnik zostanie umieszczony bliżej oka, co spowoduje zwiększenie poziomu irradiancji promieniowaniem podczerwonym. W systemie Sakadometr ze względu na opracowany układ aktywnego dopasowania poziomu oświetlenia promieniowaniem podczerwonym, taka sytuacja jest wykluczona. System kontrolny Sakadometru automatycznie kompensuje różnice odległości poprzez dopasowanie intensywności źródła promieniowania podczerwonego. W sytuacji gdy oświetlacze podczerwieni znajdą się bliżej powierzchni oka, ich intensywność zostanie automatycznie zredukowana, tak więc irradiancja promieniowaniem podczerwonym może być utrzymywana na stałym poziomie.

Certyfikacja

Na tym etapie rozwoju system Sakadometr jest uważany za urządzenie eksperymentalne. Został zaprojektowany i wykonany tak, aby wypełnić najbardziej restrykcyjne normy bezpieczeństwa stosowane dla diagnostycznych urządzeń medycznych.