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Articulo de referencia

oculómetro

El oculómetro es un dispositivo que registra el movimiento ocular . [ 1 ] [ 2 ] El oculómetro calcula el movimiento ocular registrando el reflejo corneal en relación con el cent...

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El oculómetro es un dispositivo que registra el movimiento ocular . [ 1 ] [ 2 ] El oculómetro calcula el movimiento ocular registrando el reflejo corneal en relación con el centro de la pupila . [ 3 ] Un oculómetro, que puede proporcionar mediciones continuas en tiempo real, puede ser una herramienta de investigación para comprender la mirada y la función cognitiva. Además, se puede aplicar para el control manos libres. [ 3 ] Tiene aplicaciones en el entrenamiento de vuelo, [ 4 ] la evaluación cognitiva, [ 4 ] el diagnóstico de enfermedades, [ 5 ] y el tratamiento. [ 6 ] El oculómetro se basa en el principio de que cuando un haz de luz colimado incide en el ojo, la dirección en la que se mueve el ojo es proporcional a la posición del reflejo de ese haz de luz en la córnea con respecto al centro de la pupila. [ 3 ] Los movimientos oculares se pueden medir con precisión en un rango lineal de más de 20∘{\displaystyle ^{\circ }}  con una resolución de 0,1∘{\displaystyle ^{\circ }}. [ 7 ]

Historia

El seguimiento y el movimiento ocular se han estudiado durante siglos, siendo el primer método de seguimiento ocular la simple observación de los ojos, ya fuera por uno mismo o por otra persona. [ 4 ] La primera mejora se produjo en 1738, cuando un observador palpaba la parte exterior de los párpados cerrados para registrar el movimiento ocular. [ 4 ] Posteriormente, en 1879, se implementó una innovación para escuchar los movimientos musculares mediante un quimógrafo . [ 4 ] Aunque rudimentarias, estas primeras técnicas demuestran la necesidad recurrente a lo largo de la historia de registrar los movimientos oculares. [ 4 ]

El primer dispositivo de seguimiento ocular verdadero fue inventado por Huey en 1898. [ 4 ] Para funcionar, este dispositivo requería contacto con la córnea , lo que limitaba su comodidad, usabilidad y generalización. [ 4 ]

No fue hasta el siglo XX que se desarrolló un rastreador ocular moderno, robusto y sin contacto. Este dispositivo, llamado fotocornógrafo, funcionaba fotografiando el movimiento ocular a partir del reflejo de la córnea. [ 4 ] Este dispositivo solo registraba movimientos horizontales, hasta que el trabajo de Judd y sus colegas en 1905 añadió el registro tanto temporal como vertical. [ 4 ]

Debido a las numerosas aplicaciones de los dispositivos de seguimiento ocular para aviadores y pilotos, la NASA y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos llevaron a cabo extensos estudios sobre esta tecnología, impulsando el avance del campo. [ 4 ] Gran parte de esto tuvo lugar durante las décadas de 1970 y 1980. [ 4 ] Sin embargo, incluso con esta extensa investigación, los oculómetros seguían siendo voluminosos y técnicamente difíciles. [ 3 ]

Los oculómetros de grado de investigación finalmente recibieron un rediseño más fácil de usar, y desde hace poco hay dispositivos comerciales disponibles. Estos dispositivos de perfil bajo se pueden usar discretamente en unas gafas. [ 6 ]

Ventajas

Dado que los principios que rigen el funcionamiento del oculómetro se basan en un concepto relativamente simple (detección electroóptica del ojo), se garantiza que el oculómetro funcione siempre que el usuario esté viendo. [ 3 ] Además, la posición del reflejo del haz colimado de la córnea se puede aproximar al plano de la pupila. Esto implica un error de paralaje mínimo entre el reflejo corneal y el centro de la pupila, lo que hace que el oculómetro sea insensible a los cambios en la posición de la cabeza durante las mediciones. Estas propiedades del oculómetro garantizan una mínima interferencia con las actividades cotidianas del usuario durante las mediciones. También elimina la necesidad de equipos complejos como placas de mordida o sujeción rígida del cráneo para las mediciones.

Componentes ópticos

Fuente: [ 3 ]

  • Fuente de luz: Fuente de iluminación como un tubo de rayos catódicos o un tubo modulador de brillo.
  • Filtro : la luz se filtra de tal manera que la luz incidente en el ojo es infrarroja cercana.
  • Polarizador : la luz de la fuente se polariza para capturar únicamente los verdaderos reflejos corneales.
  • Ocular : el usuario mira a través de una lente objetivo en un ocular, a través del cual viaja el haz de iluminación para irradiar el ojo.
  • Lentes : dos lentes colimadoras
  • Divisores de haz : un divisor de haz dirige la luz visible al ojo, el otro dirige la luz al detector.
  • Detector: una cámara de diodo de silicio registra las mediciones.
Esquema del oculómetro, que muestra la disposición de la fuente de luz, la lente objetivo, el divisor de haz, las dos lentes polarizadoras, el detector y el ocular.

Principios generales

El movimiento ocular se puede cuantificar mediante la reflexión en la córnea. Sin embargo, en este caso, un movimiento de la cabeza también provocaría que se registrara un movimiento. [ 4 ] Esto se puede solucionar fijando rígidamente la cabeza para evitar cualquier movimiento; sin embargo, esto resulta intrusivo e incómodo para el usuario y no es ampliamente aplicable en estudios de investigación con humanos. Otra opción es montar todo el aparato en la cabeza, lo cual también es voluminoso e incómodo. Una mejor solución consiste en medir dos parámetros, como la reflexión corneal y el movimiento de la pupila (basado en el centro de la pupila). [ 8 ]

Diseño óptico

El diseño óptico del oculómetro permite una visión normal, dirige la luz de una fuente interna fija hacia el ojo del usuario y forma la imagen de la pupila en un detector. [ 3 ] El diseño básico de la lente incluye un ocular fijo y una lente objetivo ajustable seguida de 2 divisores de haz. El dispositivo también consta de un sistema de polarización para polarizar la luz de la fuente (típicamente un tubo modulador de brillo) en la dirección H. Para atenuar la luz de la fuente mediante reflexiones en el ocular, se coloca un polarizador lineal en la dirección V en la trayectoria óptica . Una lámina de cuarto de onda se coloca entre el ojo y el ocular y rota el plano de polarización 90 grados, asegurando así que el polarizador V no atenúe las reflexiones corneales reales.

La fuente de luz y el detector están alineados coaxialmente. Cuando el ojo se mueve, el reflejo de la córnea se desplaza del centro de la pupila. [ 8 ] Este desplazamiento se mide mediante

D=κ∗sinorteθ{\textstyle D=\kappa *sin\theta }[ 8 ]

D es el desplazamiento,κ{\displaystyle \kappa }es la distancia desde el centro de la córnea,θ{\displaystyle \theta }es el ángulo de inclinación del eje óptico del ojo con respecto al oculómetro. [ 8 ]

La luz infrarroja cercana (NIR) (aproximadamente de 750 nm a 2500 nm de longitud de onda) se utiliza por varias razones. [ 8 ] Primero, la luz NIR es menos detectable por el ojo humano que otras longitudes de onda de luz visible, por lo que el haz de luz NIR es menos intrusivo o perceptible para el usuario. [ 8 ] Segundo, con esta configuración la pupila se ilumina desde atrás, lo que produce un disco brillante, diferenciando eficazmente la pupila del resto del ojo y la cara. [ 8 ]

Por lo general, el oculómetro consta de un ocular a través del cual el usuario ve. Existe un diseño alternativo en el que el oculómetro se sujeta a la cabeza. Este sistema no incluye el ocular tradicional y el usuario ve a través de una visera curva y transparente colocada delante de sus ojos.

Diseño electrónico

El oculómetro tradicional funciona en dos modos: adquisición y seguimiento. [ 3 ] Cuando el usuario mira por primera vez a través del ocular, un barrido raster aproximado captura la pupila negra y los reflejos brillantes de la córnea. [ 3 ] Luego, el dispositivo cambia automáticamente al modo de seguimiento, donde los barridos multiplexados por división de tiempo adquieren mediciones continuas de la dirección del ojo. [ 3 ] La dirección del ojo a partir de los barridos multiplexados por división de tiempo se calcula mediante la superposición de las posiciones de escaneo del reflejo corneal y las posiciones de la pupila. [ 3 ] En caso de mal funcionamiento del dispositivo o pérdida de continuidad debido a que el usuario parpadea, el dispositivo vuelve al modo de adquisición hasta que se restablece el seguimiento. [ 3 ] En diseños recientes, el modo de adquisición se ha automatizado para asegurar que el límite pupila/iris se capture instantáneamente una vez que el usuario mira a través del ocular. [ 3 ] La automatización también condujo al cambio automático al modo de seguimiento después de obtener la adquisición inicial o después de que el usuario parpadea. [ 3 ]

Aplicaciones

Pilotar aeronaves

El oculómetro tiene numerosos usos en el campo de la aviación . [ 4 ] Uno de ellos es determinar si las capacidades cognitivas son suficientes para obtener la autorización de vuelo. Además, los programas de vuelo pueden utilizar el oculómetro para optimizar el diseño de la cabina en cuanto a los paneles de instrumentación, mediante el estudio de la mirada de los pilotos durante el vuelo. [ 4 ] Finalmente, el entrenamiento de aviadores también se ha beneficiado del oculómetro. [ 4 ] Comprender cómo un piloto en particular recorre su campo de visión durante el vuelo permite brindar retroalimentación personalizada por parte de los instructores de vuelo. [ 4 ] Puede proporcionar a los instructores más información para evaluar y perfeccionar la instrucción de los pilotos en formación. Por esta razón, la NASA y las Fuerzas Armadas de EE. UU. han utilizado oculómetros en sus programas de entrenamiento, creando la Técnica de Cinta de Entrenamiento con Oculómetro a finales del siglo XX. [ 4 ]

NASA

Un proyecto de investigación de la NASA sobre el oculómetro buscaba lograr que una persona pudiera controlar una máquina usando sus ojos, lo cual requería, en primer lugar, la medición de los movimientos oculares. La NASA diseñó un oculómetro telescópico en el que el usuario mira a través de un ocular, y dado que el usuario puede ver a través de este, se medirán los movimientos oculares. [ 3 ]

Una aplicación particular del proyecto de oculómetros de la NASA es el control ocular de una Unidad de Maniobra para Astronautas (AMU). [ 3 ] Cuando un astronauta está en el espacio y desea moverse, la AMU lo facilita. Sin embargo, controlar dicha unidad no es tarea sencilla. [ 3 ] Los controles manuales son difíciles, ya que hay muchos ejes y, por lo tanto, se requieren muchas respuestas musculares para coordinar el movimiento en 3D. [ 3 ] Sin embargo, el control ocular sería más fácil de implementar con un oculómetro. [ 3 ]  

Evaluación cognitiva

La aviación requiere una función cognitiva robusta y aguda, y el ojo forma parte del sistema nervioso central, ya que son extensiones del cerebro, lo que vincula la función cognitiva con una función ocular saludable. [ 4 ] Por lo tanto, los oculómetros pueden funcionar como herramientas de evaluación cognitiva. [ 4 ]

Diagnóstico de la enfermedad de Parkinson

Los movimientos oculares anormales son un biomarcador establecido para numerosas enfermedades motoras, incluida la enfermedad de Parkinson . [ 9 ] Se espera que cada enfermedad motora produzca un patrón distintivo de anomalías en los movimientos oculares. [ 9 ] Por lo tanto, el uso de estos patrones de movimientos oculares, tanto como herramienta de diagnóstico como para el seguimiento de la progresión de la enfermedad, ha sido de interés científico. [ 9 ] En consecuencia, los oculómetros se utilizan en este campo para el seguimiento de los movimientos oculares. [ 9 ] El uso de oculómetros para el diagnóstico de enfermedades motoras es prometedor, aunque aún no se ha validado en la clínica. [ 9 ]

En la enfermedad de Parkinson, el patrón característico de anomalías en los movimientos oculares se manifiesta como sacadas horizontales (movimientos oculares rápidos y conjugados que desplazan el centro del campo visual). [ 5 ] Los pacientes con enfermedad de Parkinson mostraron una gran dificultad para realizar tareas antisacádicas (movimientos oculares en la dirección opuesta al estímulo inicial). [ 5 ] Por lo tanto, la medición de las antisacadas permite a los científicos detectar las primeras etapas de la enfermedad de Parkinson. [ 5 ] Estos estudios aún se encuentran en fase de investigación. [ 5 ]

gafas inteligentes

Para esta aplicación, el diseño electrónico del oculómetro tradicional se ha modificado para reemplazar el procesamiento de video complejo en tiempo real, de modo que el oculómetro pueda adaptarse a gafas ligeras y tenga una duración de batería relativamente larga. [ 6 ] Las gafas inteligentes se utilizan para corregir errores de visión debidos a afecciones relacionadas con la edad, restaurando al mismo tiempo la visión normal. [ 6 ] Las gafas inteligentes utilizan oculares ajustables en comparación con las lentes fijas utilizadas en las gafas convencionales. [ 6 ]

Estas gafas funcionan proyectando luz desde diferentes direcciones mediante LED infrarrojos en el globo ocular del usuario y reciben la luz refractada de sensores de proximidad infrarrojos discretos, también ubicados en diferentes puntos. [ 6 ] El uso de múltiples detectores no solo permite que los oculómetros se utilicen como dispositivos portátiles ligeros, sino que también garantiza que las señales detectadas por los sensores no dependan de la iluminación externa. [ 6 ] Esta propiedad permite que el dispositivo funcione en condiciones de oscuridad. [ 6 ] La principal desventaja del uso de sensores en comparación con el procesamiento continuo de vídeo es la importante disminución de la precisión, ya que las mediciones se reducen tanto en frecuencia como en número. [ 6 ]

Otras aplicaciones

Otras posibles aplicaciones de los oculómetros que aún se encuentran en desarrollo incluyen el control del tráfico aéreo  para que los operadores designen aeronaves mediante el movimiento de los ojos; [ 10 ] en la comunicación láser en situaciones dinámicas donde los operadores pueden transmitir señales mirando la señal; en sistemas de televisión para monitorear la dirección de los ojos mientras miran la pantalla de televisión de manera que se puedan satisfacer los requisitos sensoriales del ojo con anchos de banda más bajos; y en pruebas psicológicas para analizar patrones de imágenes que los pacientes tienden a evitar.

Referencias

  1. ↑ Crawford, Daniel; Burdette, Daniel; Capron, William (1994-01-01). "Técnicas utilizadas para el análisis de datos de escaneo ocular con oculometro obtenidos de una pantalla de control de tráfico aéreo" .
  2. ↑ "LoCO: Un oculómetro de bajo costo para pantallas de computadora portátiles montadas en la cabeza" . www.sbir.gov . EE. UU.: Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas , Gobierno de los Estados Unidos .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Merchant, J (1 de julio de 1967). "El oculómetro" . NASA .
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vidulich, Michael A .; Tsang, Pamela S. (2019-02-11). Mejora del rendimiento de la aviación mediante la aplicación de la psicología de la ingeniería: avances en psicología de la aviación . CRC Press. ISBN 9780429960147.
  5. 1 2 3 4 5 Antoniades, CA; Hu, M.; Kennard, C. (2012-11-01). "Antisacadas alteradas en la enfermedad de Parkinson" . Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry . 83 (Supl. 2): A10. doi : 10.1136/jnnp-2012-304200a.39 . ISSN 0022-3050 . S2CID 75265389 .  
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Mastrangelo, AS; Karkhanis, M.; Likhite, R.; Bulbul, A.; Kim, H.; Mastrangelo, CH; Hasan, N.; Ghosh, T. (julio de 2018). "Un oculómetro digital de seguimiento ocular de bajo perfil para gafas inteligentes". 11.ª Conferencia Internacional sobre Interacción Humano-Sistema (HSI) de 2018. Vol. 2018. págs. 506–512 . doi : 10.1109/HSI.2018.8431368 . ISBN   978-1-5386-5024-0. PMC 8528137 . PMID 34676133 . S2CID 52004561 .   
  7. ↑ Bach, M.; Bouis, D.; Fischer, B. (1983-09-01). "Un oculómetro infrarrojo preciso y lineal". Journal of Neuroscience Methods . 9 (1): 9– 14. doi : 10.1016/0165-0270(83)90103-6 . ISSN 0165-0270 . PMID 6415349 . S2CID 6569293 .   
  8. 1 2 3 4 5 6 7 Gale, AG (1981-05-01). "Un oculómetro económico para la investigación de factores humanos" . Behavior Research Methods & Instrumentation . 13 (3): 385– 388. doi : 10.3758/BF03202041 . ISSN 1554-3528 . 
  9. 1 2 3 4 5 Fitzgerald, James J.; Lu, Zhongjiao; Jareonsettasin, Prem; Antoniades, Chrystalina A. (2018). " Cuantificación del deterioro motor en los trastornos del movimiento" . Frontiers in Neuroscience . 12 : 202. doi : 10.3389/fnins.2018.00202 . PMC 5904266. PMID 29695949 .  
  10. ↑ Smyth, Christopher C.; Dominessy, Mary E. (2016-08-06). "Comparación de oculómetro y retícula fija a la cabeza con voz o interruptor para interacción de pantalla táctica". Actas de la Reunión Anual de la Sociedad de Factores Humanos . 32 (2): 116– 120. doi : 10.1177/154193128803200225 . S2CID 67095431 .