El oculómetro es un dispositivo que rastrea el movimiento ocular . [1] [2] El oculómetro calcula el movimiento ocular rastreando 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 de 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 desde 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 con una resolución de 0,1 . [7]
El movimiento y el seguimiento ocular se han estudiado durante siglos, y el primer seguimiento ocular fue la simple observación de los ojos, ya sea por uno mismo o por otra persona. [4] La primera mejora en este aspecto se produjo en 1738, cuando un observador palpaba la parte exterior de los párpados cerrados para seguir el movimiento ocular. [4] A continuación, en 1879, se implementó una innovación para escuchar los movimientos musculares utilizando un quimógrafo . [4] Aunque rudimentarias, estas primeras técnicas muestran la necesidad repetida a lo largo de la historia de seguir los movimientos oculares. [4]
El primer dispositivo de seguimiento ocular real fue inventado por Huey en 1898. [4] Para funcionar, este dispositivo debía entrar en contacto con la córnea , lo que limitaba su comodidad, usabilidad y generalización. [4]
No fue hasta el siglo XX que se inventó un rastreador ocular moderno, robusto y sin contacto. Este dispositivo, llamado fotocornógrafo, funcionaba fotografiando el movimiento ocular basándose en el reflejo de la córnea. [4] Este dispositivo solo registraba los movimientos horizontales, hasta que el trabajo de Judd y sus colegas en 1905 agregó el registro temporal y vertical. [4]
Debido a las múltiples aplicaciones de un dispositivo de seguimiento ocular para aviadores y pilotos, la NASA y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos llevaron a cabo estudios exhaustivos sobre esta tecnología, impulsando el campo hacia adelante. [4] Gran parte de esto tuvo lugar durante las décadas de 1970 y 1980. [4] Sin embargo, incluso con esta extensa investigación, los oculómetros siguieron siendo voluminosos y técnicamente difíciles. [3]
Los oculómetros de grado de investigación finalmente recibieron un rediseño fácil de usar, y desde hace poco se encuentran disponibles dispositivos comerciales. Estos dispositivos de perfil bajo se pueden usar de manera no intrusiva sobre un par de anteojos. [6]
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 funcionará 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 interferencia mínima con las actividades rutinarias del usuario durante las mediciones. También elimina la necesidad de un equipo extenso como placas de mordida o abrazaderas rígidas de cráneo para las mediciones.
El movimiento ocular se puede cuantificar por el reflejo 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, pero esto es intrusivo e incómodo para el usuario y no es aplicable en general a estudios de investigación en humanos. O bien, se puede montar todo el aparato en la cabeza, que también es voluminosa e incómoda. Una mejor solución es medir dos parámetros, como el reflejo corneal y el movimiento de la pupila (basado en el centro de la pupila). [8]
El diseño óptico del oculómetro permite una visión normal, dirige la luz desde 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 (normalmente un tubo modulador de brillo) en la dirección H. Para atenuar la luz de la fuente a través de los reflejos en el ocular, se coloca un polarizador lineal en la dirección V en el camino óptico. Se coloca una placa de cuarto de onda entre el ojo y el ocular y gira el plano de polarización 90 grados, lo que garantiza que el polarizador V no atenúe los verdaderos reflejos corneales.
La fuente de luz y el detector están alineados coaxialmente. Cuando el ojo se mueve, el reflejo de la córnea se desplaza desde el centro de la pupila. [8] Este desplazamiento se mide mediante
[8]
D es el desplazamiento, es la distancia desde el centro de la córnea, es el ángulo de inclinación del eje óptico del ojo respecto al oculómetro. [8]
La luz infrarroja cercana (NIR) (longitudes de onda de aproximadamente 750 nm a 2500 nm) se utiliza por varias razones. [8] En primer lugar, la luz NIR es menos detectable para 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] En segundo lugar, con esta configuración la pupila está retroiluminada, lo que da como resultado un disco brillante, que diferencia 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 coloca en la cabeza. Esta disposición no incluye el ocular tradicional y el usuario ve a través de una visera curva transparente colocada frente a sus ojos.
El oculómetro tradicional funciona en dos modos: modo de adquisición y modo de seguimiento. [3] Cuando el usuario ve por primera vez a través del ocular, un escaneo de trama aproximado captura la pupila negra y los reflejos brillantes de la córnea. [3] Luego, el dispositivo cambia automáticamente al modo de seguimiento donde los escaneos multiplexados por división de tiempo adquieren mediciones continuas de la dirección del ojo. [3] La dirección del ojo a partir de los escaneos 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 al parpadeo del usuario, 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 garantizar que el límite pupila/iris se capture instantáneamente una vez que el usuario ve 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 parpadee. [3]
El oculómetro tiene numerosos usos en el campo de la aviación . [4] Uno de ellos es comprender si las capacidades cognitivas son suficientes para la autorización de vuelo. Además, los programas de vuelo pueden utilizar el oculómetro para informar el diseño de la cabina en términos de paneles de instrumentación, estudiando la mirada de los pilotos mientras vuelan. [4] Finalmente, la formación de aviadores también se ha beneficiado del oculómetro. [4] Comprender cómo un piloto en particular escanea su campo de visión mientras vuela permite una retroalimentación personalizada de los instructores de vuelo. [4] Puede proporcionar a los instructores más información con la que evaluar e instruir aún más a los pilotos en aprendizaje. Por esta razón, la NASA y las Fuerzas Armadas de los EE. UU. han utilizado oculómetros en sus programas de entrenamiento, creando la Técnica de Cinta de Entrenamiento de Oculómetro a fines del siglo XX. [4]
Un proyecto de investigación de la NASA relacionado con el oculómetro tenía como objetivo hacer realidad la capacidad de una persona para controlar una máquina utilizando sus ojos, lo que en primer lugar requiere mediciones del movimiento ocular. 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 del ocular, se medirán los movimientos oculares. [3]
Una aplicación particular del proyecto de la NASA sobre el oculómetro es el control ocular de una unidad de maniobras para astronautas (AMU, por sus siglas en inglés). [3] Cuando un astronauta está en el espacio y desea moverse, la AMU lo facilita. Sin embargo, controlar una unidad de este tipo no es una tarea trivial. [3] Los controles manuales son difíciles, ya que hay muchos ejes y, por lo tanto, se necesitan muchas salidas musculares para coordinar el movimiento en 3D. [3] Sin embargo, el control ocular sería más fácil de implementar con un oculómetro. [3]
La aviación requiere una función cognitiva fuerte y aguda, y el ojo es parte del sistema nervioso central, ya que es una extensión del cerebro que vincula la función cognitiva con la función ocular saludable. [4] Por lo tanto, los oculómetros pueden funcionar como herramientas de evaluación cognitiva. [4]
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 característico diferente de anomalías en el movimiento ocular. [9] Por lo tanto, el uso de esos patrones de movimiento ocular como herramienta de diagnóstico y para monitorear la progresión de la enfermedad ha sido de interés científico. [9] Por lo tanto, los oculómetros se utilizan en esta área para rastrear el movimiento ocular. [9] El uso de oculómetros para el diagnóstico de enfermedades motoras es prometedor, aunque aún no se ha validado en la clínica. [9]
En el caso específico de la enfermedad de Parkinson, el patrón característico de las anomalías en el movimiento ocular se presenta en forma de movimientos sacádicos horizontales (movimientos oculares rápidos y conjugados que desplazan el centro del campo visual). [5] Los pacientes con enfermedad de Parkinson mostraron una gran incapacidad para realizar tareas antisacádicas (movimientos oculares en dirección opuesta al desencadenante). [5] Por lo tanto, la medición de los movimientos antisacádicos permite a los científicos detectar las primeras etapas de la enfermedad de Parkinson. [5] Estos estudios todavía se encuentran en la fase de investigación. [5]
Para esta aplicación, se ha modificado el diseño electrónico del oculómetro tradicional para reemplazar el procesamiento complejo de video en tiempo real, de modo que el oculómetro pueda adaptarse a anteojos livianos y tenga una duración de batería relativamente larga. [6] Los anteojos inteligentes se utilizan para corregir errores de visión debidos a condiciones relacionadas con la edad y, al mismo tiempo, restaurar la visión normal. [6] Los anteojos inteligentes utilizan oculares ajustables en comparación con los lentes fijos que se usan en los anteojos 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 colocados en diferentes lugares. [6] El uso de múltiples detectores no solo permite que los oculómetros se utilicen como dispositivos portátiles livianos, 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 de video continuo es la disminución significativa de la precisión, ya que las mediciones se reducen tanto en frecuencia como en número de mediciones. [6]
Otras aplicaciones potenciales de los oculómetros que todavía están en desarrollo incluyen el control del tráfico aéreo para que los operadores designen aeronaves a través del 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 del ojo cuando mira la pantalla de televisión de modo que los requisitos sensoriales del ojo puedan cumplirse con anchos de banda más bajos; y en pruebas psicológicas para analizar patrones de imágenes que los pacientes tienden a evitar.
