一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法

摘要

本发明涉及一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法，该方法对眼电信号分析并提取眼动信号，通过分析眼动信号判断眼球的状态，进而确定眼球位置坐标，在计算出眼球位置坐标后，根据眼球实时状态与放射性程度分布情况进行对比，给出视觉损伤反馈。该方法不需要直接在眼球上安装设备，而是在眼睛的周围外侧贴放电极。通过进一步研究眼电位与眼球运动的关系，提取出相应的特征，从而能够利用眼电位EOG很好地判断眼球转动的角度和方向，对眼球进行精确定位。能够广泛使用于医疗中眼部放疗时检测眼球位置，防止出现放射治疗射野临近甚至累及视觉器官等重要功能器官。

权利要求

1.一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对初始眼电信号进行预处理，去除眼电信号伪迹；

S2、提取眼动信号，设定能量阈值，判断眼动是否开始；

S3、根据所提取的眼动信号，识别眼球运动方向；

S4、从统计意义上找到眼电位峰值和目标点偏离角度的关系，结合眼球运动方向确定眼球位置坐标；

步骤S2中，对预处理后的眼电信号一阶差分后分帧再计算短时能量，设定短时能量阈值，判断眼动是否开始；

对步骤S2所提取的眼动信号，分别计算其对应的一阶差分大于0的点数I和小于0的点数J，并得到比例judge=I/(I+J)；对比例judge和设定的上、下限阀值进行比较，当比例judge大于上限阈值时，在水平方向上判断为眼球转向测量水平眼电正电极方向，在垂直方向上判断为眼球转向测量垂直眼电正电极方向；当比例judge小于下限阈值时，在水平方向上判断为眼球转向测量水平眼电负电极方向，在垂直方向上判断为眼球转向测量垂直眼电负电极方向；当比例judge介于下限阈值与上限阈值之间时，判断为眨眼状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对预处理后的眼电信号s进行一阶差分运算，得到yx；对一阶差分信号yx进行分帧，对每帧的数据进行平方求和，得到该帧的短时能量En，对短时能量En进行中值滤波得到新序列Enn；

新建一个Ennn序列，对中值滤波后的短时能量Enn进行判断，识别短时能量Enn是否大于设置的能量阈值，若Enn大于已设定的能量阈值，则将Ennn序列置1，否则将Ennn序列置0；

将Ennn序列进行一阶差分得到F序列，当F序列等于1时，则该帧内眼动刚好开始，当F序列等于-1时，该帧内眼动已经结束。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4对每个个体进行预实验，并根据峰值电位确定眼球具体位置：

在水平方向上求得眼球最大偏转幅度时的水平EOG值；根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前水平EOG值除以水平EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r1，将比值r1乘以水平方向最大偏转幅度即为当前水平方向上的偏转幅度；

在垂直方向上求得眼球最大偏转幅度时的垂直EOG值；根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前垂直EOG值除以垂直EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r2，将比值r2乘以垂直方向最大偏转幅度即为当前垂直方向上的偏转幅度；

根据当前眼球在水平方向上和垂直方向上的偏转方向，以及当前水平方向上和当前垂直方向上的偏转幅度，确定当前眼球的具体坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1的预处理包括：去除眼电信号中会带来基线漂移的信号成分和干扰导致的信号成分。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过巴特沃兹高通滤波器去除眼电信号中会带来基线漂移的信号成分，通过小波变换或巴特沃兹低通滤波器去除眼电信号中干扰导致的信号成分。

说明书

一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及眼电信号处理及分析，具体涉及一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法。

背景技术

[0002] 随着现代科技的发展，能够准确客观反映眼球运动情况的眼动记录技术不断涌现，并设计出了眼动仪、眼电图仪等产品，具备了在医学上临床应用的基本条件。目前在眼
科疾病检查、诊断、治疗等临床诊疗中，眼动记录技术已经开展应用。

[0003] 经过多年的鼻咽癌调强放射治疗(IMRT)临床实践，国内外文献均报道显示IMRT技术不仅能显著提高鼻咽癌患者的疗效，并且能够保护部分危及器官的功能，有效改善患者
放疗后的生活质量。但在患者的实际放疗过程中，可能出现放射治疗射野临近甚至累及视
觉器官等重要功能器官，导致放射性视觉损伤。

[0004] 放射性视觉损伤往往不可逆，且治疗效果欠佳，因此积极预防、及时发现、及时治疗显得至关重要。对于放射治疗区域紧邻或已经累及视觉器官的患者，在放射治疗的过程
中，可能由于眼球的非自主性或无意识地转动，使得对于射线剂量耐受性最差的晶状体和
角膜，由原先较安全的低剂量区域，移动到高剂量的射线治疗区域，从而造成不必要的放射
性损伤。而以目前的治疗监测设备，还无法做到实时的眼球运动监测，及时发现晶状体和角
膜误处于高剂量区域也无从谈起，需要设计一种可在放射治疗中判断眼球位置的方法。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法，能有效应用于在放射治疗中实时地对眼球运动检测，可有效防止眼球因非自主
性或无意识运动而导致放射性视觉损伤的发生。

[0006] 本发明解决上述问题的技术方案如下：一种基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法，包括以下步骤：

[0007] S1、对初始眼电信号进行预处理，去除眼电信号伪迹；

[0008] S2、提取眼动信号，设定能量阈值，判断眼动是否开始；

[0009] S3、根据所提取的眼动信号，识别眼球运动方向；

[0010] S4、从统计意义上找到眼电位峰值和目标点偏离角度的关系，结合眼球运动方向确定眼球位置坐标；

[0011] S5、在计算出眼球位置坐标后，根据眼球实时状态与放射性程度分布情况进行对比，给出视觉损伤反馈：若射线剂量耐受性最差的晶状体和角膜，由原先较安全的低剂量区
域，移动到高剂量的射线治疗区域，则发出警告提示，立即停止放疗，引导眼球转动到安全
的区域。

[0012] 在一个优选的实施例中，步骤S4对每个个体进行预实验，并根据峰值电位确定眼球具体位置：

[0013] 在水平方向上求得眼球最大偏转幅度时的水平EOG值；根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前水平EOG值除以水平EOG最大值得到当前偏
转幅度与最大偏转幅度的比值r1，将比值r1乘以水平方向最大偏转幅度即为当前水平方向
上的偏转幅度；

[0014] 在垂直方向上求得眼球最大偏转幅度时的垂直EOG值；根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前垂直EOG值除以垂直EOG最大值得到当前偏
转幅度与最大偏转幅度的比值r2，将比值r2乘以垂直方向最大偏转幅度即为当前垂直方向
上的偏转幅度；

[0015] 根据当前眼球在水平方向上和垂直方向上的偏转方向，以及当前水平方向上和当前垂直方向上的偏转幅度，确定当前眼球的具体坐标。

[0016] 与现有技术相比，本发明取得的有益效果包括：

[0017] 本方法对眼电信号分析并提取眼动信号，通过分析眼动信号判断眼球的状态，进而确定眼球位置坐标；不需要直接在眼球上安装设备，而是在眼睛的周围外侧贴放电极。本
方法通过进一步研究眼电位与眼球运动的关系，提取出相应的特征，从而能够利用眼电位
EOG很好地判断眼球转动的角度和方向，对眼球进行精确定位，能够广泛使用于医疗中眼部
放疗时检测眼球位置，可有效防止眼球因非自主性或无意识运动而导致放射性视觉损伤的
发生。

附图说明

[0018] 图1是本发明获取眼球运动情况流程图；

[0019] 图2是眼电信号去除伪迹的流程图；

[0020] 图3是提取与眼球运动相关特征的流程图；

[0021] 图4是识别眼球运动方向的流程图；

[0022] 图5是本发明实施例的具体流程图。

具体实施方式

[0023] 以下实施例对本发明进行详细说明，但本发明的实施方式并不限于此实施例。

[0024] 如图1所示，本发明基于眼电信号监测眼球位置坐标的方法，在进行眼部放疗的同时采集眼电信号，在采集得到眼电信号的基础上进行分析，主要步骤包括去除眼电信号伪
迹、提取眼动信号、判别眼球运动方向以及计算眼球位置的具体坐标。在进行眼部放疗的同
时实时地检测眼球运动，当检测到视觉器官误处于高剂量区域时立即停止放疗，保护被测
者的视觉器官。

[0025] S1、对初始眼电信号进行预处理，去除眼电信号伪迹。

[0026] 眼电信号去除伪迹的流程如图2所示，由于测得的眼电信号易受干扰，实际眼电信号在0.05Hz～100Hz之间，因此需要去除眼电信号中会带来基线漂移的频率低于0.05Hz的
信号成分和干扰导致的大于100Hz的信号成分。

[0027] 在本实施例中，通过巴特沃兹高通滤波器去除小于0.05Hz的信号成分，达到消除基线漂移的效果。通过小波变换或巴特沃兹低通滤波器去除大于100Hz的信号成分。

[0028] S2、提取眼动信号，即提取与眼球运动相关特征：对眼电信号一阶差分后分帧再计算短时能量，设定短时能量阈值，判断眼动是否开始。

[0029] 提取与眼球运动相关特征的流程如图3所示，对预处理后的眼电信号s进行一阶差分运算，得到yx(i)＝s(i+1)-s(i)；对一阶差分信号yx进行分帧，实际的帧内点数可根据真
实情况进行调整，对每帧的数据进行平方求和，得到该帧的短时能量En，对短时能量En进行
中值滤波得到新序列Enn。

[0030] 新建一个Ennn序列，对中值滤波后的短时能量Enn进行判断，识别短时能量Enn是否大于设置的能量阈值，若Enn大于已设定的能量阈值，则将Ennn序列置1，否则将Ennn序列
置0。将Ennn序列进行一阶差分得到F序列，当F序列等于1时，则该帧内眼动刚好开始，当F序
列等于-1时，该帧内眼动已经结束。能量阈值的大小可根据一帧内点数多少进行调整。

[0031] S3、识别眼球运动方向

[0032] 图4为识别眼球转动方向的流程图，对步骤S2所提取出来的眼动信号，分别计算其对应的一阶差分yx大于0的点数I和小于0的点数J，并得到比例judge＝I/(I+J)。对比例
judge和设定的上、下限阀值进行比较，当比例judge大于上限阈值时，在水平方向上判断为
眼球转向测量水平眼电正电极方向，在垂直方向上判断为眼球转向测量垂直眼电正电极方
向；当judge小于下限阈值时，在水平方向上判断为眼球转向测量水平眼电负电极方向，在
垂直方向上判断为眼球转向测量垂直眼电负电极方向；当比例judge介于下限阈值与上限
阈值之间时，判断为眨眼状态。

[0033] 实际的上、下限阈值可根据真实情况进行调整，本实施例选取上限阈值为0.7，下限阈值为0.3。以测量水平眼电正电极在眼睛左方，测量垂直眼电正电极在眼睛上方为例，
当judge>0.7时，在水平方向上判断为眼球向左，在垂直方向上判断为眼球向上；当judge<
0.3时，在水平方向上判断为眼球向右，在垂直方向上判断为眼球向下；当0.3时，判断为眨眼转态。

[0034] S4、计算眼球位置坐标

[0035] 由于眼电信号通过EOG峰值电位均值U与目标点偏转角度θ具有很好的线性关系，可从统计意义上找到眼电位峰值和目标点偏离角度θ的关系，结合眼球运动方向确定眼球
位置坐标。对每个个体进行预实验，并根据峰值电位确定眼球具体位置：

[0036] 对每个个体进行预实验，在水平方向上求得眼球最大偏转幅度时的水平EOG值。根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前水平EOG值除以水
平EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r1，将比值r1乘以水平方向最大偏
转幅度即为当前水平方向上的偏转幅度。

[0037] 对每个个体进行预实验，在垂直方向上求得眼球最大偏转幅度时的垂直EOG值。根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有的良好线性关系，将当前垂直EOG值除以垂
直EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r2，将比值r2乘以垂直方向最大偏
转幅度即为当前垂直方向上的偏转幅度。

[0038] 根据当前眼球在水平方向上和垂直方向上的偏转方向，以及当前水平方向上和当前垂直方向上的偏转幅度，确定当前眼球的具体坐标。

[0039] S5、给出视觉损伤反馈

[0040] 在计算出眼球位置坐标后，根据眼球实时状态与放射性程度分布情况进行对比，给出视觉损伤反馈：若射线剂量耐受性最差的晶状体和角膜，由原先较安全的低剂量区域，
移动到高剂量的射线治疗区域，则发出警告提示，立即停止放疗，语音引导眼球转动到安全
的区域，避免出现视觉损伤症状。其余情况将不予提示，保持一个安全的监控状态。

[0041] 以测量水平眼电正电极在眼睛左方，测量垂直眼电正电极在眼睛上方为例。本实施例中取一阶差分yx中2点为一帧，短时能量每帧能量阈值取值40，上限阈值设定0.7，下限
阈值设定0.3，如图5所示为计算眼球位置坐标的流程图。

[0042] 对采集到的眼电信号进行预处理去除眼电伪迹，通过巴特沃兹高通滤波器去除小于0.05Hz的信号成分，达到消除基线漂移的效果。通过小波变换或巴特沃兹低通滤波器去
除大于100Hz的信号成分。

[0043] 对预处理后的眼电信号求其一阶差分yx，对一阶差分yx进行分帧，以2点为一帧，对每帧的数据进行平方求和，得到短时能量En。对短时能量信号En进行中值滤波，得到新序
列Enn。对中值滤波后的短时能量Enn进行判断，设定能量阈值为40。新建序列F，若一帧短时
能量大于40，则新序列F值置1，该帧处于眼动状态；若一帧短时能量小于40，则新序列F值置
0，该帧不处于眼动状态。

[0044] 对每段眼动信号，计算其对应的一阶差分yx大于0的点数I和小于0的点数J，并得到比例judge＝I/(I+J)，当judge>0.7时，在水平方向上判断为眼球转向测量水平眼电正电
极方向，在垂直方向上判断为眼球转向测量垂直眼电正电极方向；当judge<0.3时，在水平
方向上判断为眼球转向测量水平眼电负电极方向，在垂直方向上判断为眼球转向测量垂直
眼电负电极方向；当0.3

[0045] 对每个个体进行预实验，在水平方向上求得眼球最大偏转幅度时的水平EOG值。根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有良好的线性关系，将当前水平EOG值除以水
平EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r1，将比值r1乘以水平方向最大偏
转幅度即为当前水平方向上的偏转幅度。

[0046] 对每个个体进行预实验，在垂直方向上求得眼球最大偏转幅度时的垂直EOG值。根据眼电EOG峰值电位均值U与眼球偏转角度具有良好的线性关系，将当前垂直EOG值除以垂
直EOG最大值得到当前偏转幅度与最大偏转幅度的比值r2，将比值r2乘以垂直方向最大偏
转幅度即为当前垂直方向上的偏转幅度。

[0047] 根据当前眼球在水平方向上的偏转方向和垂直方向上的偏转方向，以及当前水平方向上的偏转幅度和当前垂直方向上的偏转幅度，确定当前眼球的具体坐标。若检测到视
觉器官误处于高剂量区域时立即停止放疗，保护视觉器官。

[0048] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以想到各种变形或修改，但在不脱离本公开精神的前提
下，做出的所有修改和替换都将落入所附权利要求定义的本公开保护范围内。