Brevet FR2347020A1 — publié le 19771104

L'invention est relative aux dispositifs de mesure des mouvements du globe oculaire d'un sujet percevant ou examinant une cible fixe ou animée Vu l'intérêt desdites mesures dans de nombreux domaines scientifiques ou techniques, on a déjà proposé ou mis en oeuvre de nombreux procédés pour les réaliser en temps réel ou d'après des enregistrements. La photographie ou la cinématographie de l'oeil en mouvement peuvent donner des résultats très précis L'erreur de mesure ne dépasse pas une minute d'arc si les prises de vues sont faites à grossissement élevé sur des émulsions à grain fin. Mais les relevés, qui doivent être réalisés image par image, sont ex trêmement longs ce qui limite l'intérêt du procédé. Les mesures électro-oculographiques qui consistent à recueillir au moyen d'électrodes les variations de potentiel diffusant au travers des tissus orbitaux et dues aux mouvements du globe oculaire, sont relativement peu précises (erreur minimale 0,5 à 1 degré) et surtout peu fidèles.en raison des faibles valeurs desdites variations de potentiel (moins de 100 microvolts pour une déviation de 10 degrés) et des dérives provoquées par les variations de température et d'humidité de la peau. Le relevé par voie mécanique ou optique de la trace d'un faisceau lumineux ponctuel réfléchi par un miroir rendu solidaire de la cornée est sensiblement plus précis mais présente de sérieux inconvénients dus au mode de fixation du miroir. On peut par exemple le fixer sur une ventouse adhérant à la cornée, la paupière étant maintenue artificiellement ouverte; mais les réactions oculaires du sujet peuvent être notablement perturbées par ces conditions qui sont très éloignées de celles d'une vision normale. On peut aussi fixer le miroir sur une lentille de contact; il est alors nécessaire de disposer d'un grand nombre de lentilles ou de les ajuster en fonction de la forme du globe oculaire; ce procédé est donc coûteux et ne convient d'ailleurs pas lorsque l'oeil du sujet est trop sensible. On a aussi pensé à fixer sur la cornée une lentille de contact portant une couche ferromagnétique constituant l'élément mobile d'un transducteur électromagnétique. Le champ utile de mesure est très grand mais on retrouve là aussi les inconvénients de l'utilisation de la lentille de contact. Le procédé photoélectrique consiste à éclairer l'oeil examiné par un pinceau de lumière infrarouge d'orientation fixe et à mesurer à l'aide de transducteurs photoélectriques - par exemple de phototransistors - l'intensité du faisceau réfléchi en tirant ainsi parti des différences de coefficient de réflexion de l'iris et de la sclérotique; les résultats sont en principe relativement précis mais peuvent être faussés par les mouvements de la tête du sujet; en outre, les différents réglages nécessaires, en particulier les réglages optiques, sont longs et délicats. L'appareil de l'invention met en oeuvre le procédé photoélectrique mais comporte des dispositions qui rendent le réglage facile et les mesures précises. il permet en outre de mesurer rapidement la convergence binoculaire. On sait que l'étude de ce paramètre présente un grand intérêt en neurophysiologie. Selon sa définition la plus générale, l'appareil de l'inventinn comporte - des moyens pour immobiliser la tête du sujet, - une source lumineuse de lumière dirigée, de préférence de lumière infrarouge, éclairant au moins un oeil du sujet; - au moins deux transducteurs photoélectriques; - des moyens pour maintenir#les deux transducteurs de part et d'autre de la pupille; - des moyens électroniques de composition des signaux de me sure délivrés par les transducteurs éclairés par le flux réfléchi pour partie par une fraction de surface de l'iris et pour partie par une fraction de surface de la scléroti que. De préférence, l'appareil comporte quatre transducteurs. Pour mesurer les déplacements du globe d'un oeil, les quatre transducteurs sont disposés de telle sorte que les cendres de leurs surfaces sensibles occupent les sommets d'un rectangle encadrant la pupille; les moyens électronl4ues de composition sont des circuits de sommation algébrique élaborant à partir des signaux de mesure des transducteurs des signaux de composantes de la direction de 1' oeil dans les deux plans axiaux du rectangle.Pour mesurer la convergence des deux yeux, trois transducteurs sont disposés de telle sorte que les centres de leurs surfaces sensibles sont situés sur un axe parallèle à la droite joignant les centres des pupilles; deux des transducteurs encadrent l'une des pupilles et l'autre est au voisinage de l'autre pupille; les mêmes circuits de sommation algébrique de signaux peuvent être utilisés moyennant une commutation judicieuse des liaisons entre les transducteurs et les circuits. D'autres dispositions et avantages de l'appareil de l'invention apparattront dans la description qui suit d'un exemple de réalisation en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique longitudinale du banc optique de l'appareil, - la figure 2 est une coupe du banc selon le plan et la direc tion m-m de la figure 1, - la figure 3 est un croquis de la monture-support des trans ducteurs photoélectriques dudit banc vue selon la direction t de la figure 4, - la figure 4 est une section de ladite monture-support vue selon le plan et la direction r-r de la figure 3, - la figure 5 est un schéma sous forme de diagramme de blocs des circuits électroniques de traitement des signaux des transducteurs de l'appareil. On considère d'abord les figures 1 et 2. Le support du banc optique est constitué par un cadre 11 de guidage et de fixation monté sur un pied réglable en hauteur et inclinaison que l'on n'a pas représenté. Une cible 12 dont le centre est en principe à la hauteur des yeux OE du sujet repose sur le cadre 11 par l'intermédiaire d'un support 13. La cible 12 est par exemple un panneau portant un texte ou un graphique. Elle peut être aussi constituée par un écran sur lequel sont projetés en réflexion ou en transparence des images ou des graphiques animés. Une source de rayonnement infrarouge dirigée constituée par une lampe 14 à condenseur et par un filtre infrarouge 15,fixés tous deux sur un support 16, éclaire l'un des yeux ou les deux yeux du sujet. La mise en position de la tête de celui-ci est assurée au moyen d'un cadre vertical réglable en hauteur constitué par deux colonnes 21 et 22 qui reposent sur un support 23, au sommet desquelles est fixée une barre horizontale supérieure 24 servant d'appui frontal et sur lesquelles peuvent coulisser les extrémités d'une barre horizontale inférieure 25 utilisée comme appui réglable pour le menton du sujet. La monture porte-capteurs 30 est fixée par un bandeau 31 sous la barre d'appui frontal 24 dans le prolongement de la face verticale opposée à la face d'appui. On considère maintenant les figures 3 et 4 relatives à la monture 30 munie des transducteurs photoélectriques. Le bandeau 31 n'est pas représenté. La monture 30 est constituée de deux anneaux 32G et 32D devant lesquels le sujet place l'oeil gauche et l'oeil droit. Les deux anneaux sont reliés par une entretoise 33. On a représenté sur la figure 3 quatre transducteurs photoélectriques, ici des phototransistors 34, fixés sur l'anneau 32G par des supports 35 dont la base peut coulisser sur l'anneau et qui sont conformés de telle sorte que les centres a, b, c et d des surfaces sensibles des phototransistors soient à une distance de 5 à 10 mm du front de l'oeil OE. Les supports 35 représentés dans la figure 4 ont été ramenés dans le plan de figure pour montrer cette disposition. Contrairement à ce qu'indiquent les figures 3 et 4, l'entretoise 33 et les supports 35 sont réglables en longueur afin d' adapter les positions des phototransistors 34 au genre de mesures effectuées et à ltentr'axe des yeux du sujet. Dans la figure 3, les phototransistors 34 sont disposés dans l'anneau 32G pour permettre les mesures de mouvements de 1' oeil gauche. Les centres a, b, c et d de leurs faces sensibles sont respectivement placés de telle sorte qu'ils constituent les sommets d'un rectangle d'une largeur d'environ 15 mm et d'une hauteur d'environ 8 mm. L'oeil peut ainsi suivre la cible sans notable. On notera, en prévision des indications qui seront données sur le fonctionnement des circuits électroniques (figure 5) que le sommet a est placé en bas à gauche du rectangle abcd, les autres sommets faisant suite dans le sens direct trigonométrique du point de vue du sujet. Le rectangle abcd est symétrique autour des axes de référence OX (abscisses) et OY (ordonnées) passant par son centre 0. On verra que des réglages électriques permettent de compenser les inévitables erreurs de position. On a en outre indiqué sur la figure 3 par des points cerclés, également repérés a, b, c et d, la disposition des centres des phototransistors 34 pour les mesures de convergence. ils sont alors tous disposés sur l'axe OX, a et c étant dans l'anneau 32G et b et d dans l'anneau 32D. On rappelle que l'éclairement de chaque phototransistor dépend, en valeur relative > durapport des fractions de surface de l'iris et de la sclérotique qui contribuent à former le flux réfléchi qui le frappe; ce flux est d'autant plus intense que la fraction de surface de sclérotique augmente et que la fraction de surface d'iris diminue. En considérant par exemple la configuration de mesure de déviation de l'oeil gauche (centres a,b,c et d disposés en rectangle dans l'anneau 32G) et en désignant par les mêmes symboles a,b, c et d les niveaux des signaux délivrés par les phototransistors correspondants - si le regard se dirige vers la droite dans le plan horizontal de l'axe OX, la somme a+d croit et la somme b+c décroît, tandis que les sommes a+b et c+d demeurent à peu près constantes puisque les niveaux a et d croissent l'un et l'autre tandis que les niveaux b et c décroissent; - si le regard s'élève dans le plan de bout de l'axe OY, la somme a+b croît et la somme c+d décroît, tandis que les sommes a+d et b+c demeurent à peu près constantes. On en conclut que,# première approximation, la somme algébrique a+d - (b+c) est l'image de la projection dans le plan horizontal OX du déplacement angulaire du regard et que la somme algébrique a+b - (c+d) est l'image de la projection dans le plan de bout OY du même déplacement. Autrement dit, un calcul > 'weur analogique de ces deux sommes peut fournir les coordonnées cartésiennes du mouvement de l'oeil suivi. En considérant maintenant la configuration de mesure de la convergence (centres a,b, c et d disposés selon les points cerclés de la figure 3), on montrerait de la même façon que - si, en parcourant la cible, la convergence des yeux ne varie pas, la somme algébrique 2a - (b+c) demeure constante; - si la convergence augmente, la somme 2a - (bec) croît - si la convergence diminue, la somme 2a - (b+c) décroît; Les circuits électroniques de l'appareil que l'on va maintenant décrire en considérant la figure 5 permettent de~calculer et s'il y a lieu d'enregistrer ces différentes sommes de niveaux.Afin de faciliter la lecture de ladite figure, on y a omis les liaisons et circuits dont la représentation n'est pas nécessaire à la compréhension du schéma, c'est-à-dire les circuits d'alimentation, les liaisons de masse et les circuits de réglage non utilisés au cours des opérations de mesure. On a rappelé dans le cadre 501 en trait interrompu la disposition des phototransistors 34 (figure 3) dans le cas de mesure des déviations angulaaires d'un oeil et dans le cadre 502 en trait interrompu la disposition desdits phototransistors dans le cas de la mesure de la convergence. On a en outre porté sur les liaisons entre étages les repères littéraux caractérisant les niveaux des différents signaux sans tenir compte des coefficients d'amplification qui leur sont appliqués, ces coefficients étant tous identiques au signe près. Les signaux a, b, c et d (c'est-à-dire les tensions d'é > - metteurs si les phototransistors sont du type NPN) sont respectivement adressés aux entrées d'étages amplificateurs SI a, 51b, 51c et 51d de même gain. les sorties de ces étages délivrent donc au gain près les mêmes tensions a, b, c et d. Les sorties des étages 51b, 51c et 51d sont respectivement connectées aux entrées d'étages inverseurs à gain unité 52b, 52c et 52d qui délivrent donc les tensions -b, -c et -d. En vue de réaliser la composition de ces diffe- rents signaux (et plus précisément leur dématriçage en cours de mesures de mouvements angulaires), ils sont adressés à deux étages additionneurs. L'un des étages additionneurs comprend un amplificateur opérationnel 55X dont l'entrée "moins" est connectée - par l'intermédiaire d'une résistance 541, à la sortie de lté- tage 51a, - par l'intermédiaire d'une résistance 542, à la sortie d'un com mutateur 531 dont le contact de travail 1 est connecté à la sortie de l'étage 51d et le contact de travail 2 à la sortie de l'étage skia, - par l'intermédiaire d'une résistance 543, à la sortie de l'in verseur 52b, - par l'intermédiaire d'une résistance 544, à la sortie d'un commutateur 532 dont le contact de travail 1 est connecté à la sortie de l'inverseur 52c et le contact de travail 2 à la sortie de l'inverseur 52b. L'autre étage additionneur comprend un amplificateur opérationnel 55Y dont l'entrée "moins" est connectée - par l'intermédiaire d'une résistance 545, à la sortie de l'é tage 51 a, - par l'intermédiaire d'une résistance 546, à la sortie d'un commutateur 533 dont le contact de travail 1 est connecté à la sortie de l'étage 51b et le contact de travail 2 à la sor tie de l'étage 51 a, - par l'intermédiaire d'une résistance 547, à la sortie de l'é tage inverseur 52c, - par l'intermédiaire d'une résistance 548, à la sortie d'un commutateur 534 dont le contact de travail 1 est connecté à la sortie de l'inverseur 52d et le contact de travail 2 à la sortie de l'inverseur 52c. Les résistances 541, 542 547, 548, sont des résistances d'adaptation d'égales valeurs. Les commutateurs 531, 532, 533 et 534 sont mécaniquement couplés entre eux de telle sorte qu' ils se trouvent tous soit en position 1, soit en position 2. Les tensions des entrées "plus" des amplificateurs opérationnels 55X et 55Y sont respectivement déterminées par des résistances 551X et 551 Y à la masse. Le réglage de zéro desdits amplificateurs est effectué au moyen de ponts équilibreurs réglables 552X et 552Y qui permettent d'annuler les signaux de sortie des amplificateurs 55X et 55Y pour une position du regard considérée comme une position de référence. Des boucles potentiométriques de réglage de gain 553X et 553Y reliant l'entrée "moins" desdits amplificateurs à leur sortie permettent de compenser les variations des paramètres oculaires (surfaces et pouvoirs réflecteurs de l'iris et de la sclérotique) entre les différents sujets. Lorsque les quatre commutateurs 531, 534 sont mis en position de travail 1 et les phototransistors 34 (figure 3) en configuration de mesure 501, les sorties des amplificateurs 55X et 55Y délivrent donc respectivement, aux valeurs de gain près, des signaux de tension correspondant aux sommes algébriques (a + d) - (b + c) et (a + b) - (c + d) qui correspondent respectivement, comme on lua montré, aux composan tes dans les plans de référence X et Y des déplacements angulaires de l'qeil contrôlé. Lorsque les quatre commutateurs 531, ,534 sont mis en position de travail 2 et les phototransistors 34 (figure 3) en configuration de mesure 502, les sorties des amplificateurs 55X et 55Y délivrent des signaux de tension correspondant respectivement aux différences (a - b) et (a - c) dont la somme 2a - (b +c) exprime la valeur de la convergence. On remarque que seulement trois phototransistors sur quatre sont alors en circuit. On peut cependant commuter leurs sorties aux entrées des étages Sia ,51d de telle sorte que l'on obtienne par exemple,-#pour#vérifier des résultats, la somme algébrique 2d - (b + c). Des filtres passe-bas 56X et 56Y à front raide connectés en sortie des amplificateurs 55X et 55Y et dont la fréquence de coupure est par exemple de 100 hertz peuvent tre insérés respectivement en sortie desdits amplificateurs ou courtcircuités au moyen de commutateurs 57X et 57Y. Ils permettent d'éliminer par exemple l'influence des tremblements oculaires. Lesdits signaux de sortie, être filtrés ou non, peuvent exploités de deux façons. Adressés: à des bornes de sorties analogiques 58X et 58Y, ils peuvent commander un appareil de mesure ou d'enregistrement tel qu'un oscillographe ou une table traçante. Adressés à des circuits échantillonneurs 59X et 59Y connectés à des bornes de sortie 60X et 60Y, ils peuvent être traduits en signaux numériques enregistrés par une imprimante ou dans une mémoire d'ordinateur. L'appareil décrit en référence aux figures 1 à 5 n'est, comme on l'a déjà dit, qu'un exemple parmi d'autres de réalisatinns conformes à l'invention. Les phototransistors peuvent être fixés sur une monture portée par le sujet au lie#u d'être rendus solidaires du bâti de fixation de la tête. Deux unités de traitement conformes à la figure 5 peuvent être respectivement connectées en sortie de deux groupes de quatre phototransistors affectés respectivement aux mesures sur l'oeil gauche et sur l'oeil droit. Les signaux présents aux sorties de ces deux unités peuvent alors être exploités pour étudier à la fois les déplacements oculaires et la convergence. D'autre part, trois phototransistors suffisent en principe pour déterminer des axes de référence de mesure des déplacements oculaires, la réalisation des circuits de traitement de signaux nécessaires est à la portée de l'homme de l'art. Mais l'utilisation de quatre phototransistors permet, comme on l'a vu, d'utiliser des circuits particulièrement simples et de réglage aisé. Enfin, il serait facile de concevoir des circuits de traitement donnant les composantes des déplacements angulaires dans d'autres systèmes de coordonnées que les coordonnées cartésiennes OX et OY. La mise en oeuvre de circuits de traitement du genre connu exprimant ces composantes en coordonnées polaires peut par exemple etre envisagée pour certaines applications. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure des déplacements angulaires de l'oeil d'un sujet, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour immobiliser la tête du sujet, - une source de lumière dirigée, de préférence infrarouge, pour l'éclairage de l'oeil, - au moins deux transducteurs photoélectriques, - des moyens de support pour disposer les transducteurs devant l'oeil de part et d'autre de la pupille de-telle sorte que la surface sensible de chacun est éclairée par un flux lumineux réfléchi pour partie par une fraction de surface de l'iris et pour partie par une fraction de surface de la sclérotique, - des moyens électroniques de composition des signaux de mesure des transducteurs. 2. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs étant au nombre de quatre et étant fixés auxmoyens de support de telle sorte que les centres de leurs faces sensibles occupent les sommets d'un rectangle encadrant la pupille, les moyens électroniques de composition sont des circuits de sommation algébrique des signaux de mesure en vue d'élaborer des signaux de composantes de déplacement angulaire de l'oeil dans les deux plans axiaux du rectangle. 3. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs étant au moins au nombre de trois et étant fixés aux moyens de support de telle sorte que deux d'entre eux sont disposés de part et d'autre de la pupille d'un oeil du sujet et le troisième au voisinage de la pupille de l'autre oeil, les centres des surfaces sensibles desdits transducteurs occupant un axe parallèle à la droite des centres des pupilles, les moyens de composition sont des circuits de sommation algébrique en vue d'élaborer des signaux de mesure de convergence oculaire. 4. Moyens électroniques de composition de signaux pour un appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé5 en ce qu'ilscomportent des entrées de signaux de transducteurs photo-électriques, des étages d'amplification desdits signaux, des étages inverseurs à gain unité disposés en sortie des étages d'amplification et des circuits de sommation algébrique dont les entrées sont connectées en sortie des étages amplificateurs et des étages inverseurs. 5. Moyens électroniques selon la revendication 4, caractérisés en ce qu'ils comportent en outre des filtres passe-bas connectés en sortie des circuits de sommation. 6. Moyens électroniques selon la revendication 4 ou lare- vendication 5, caractérisés en ce qu'ils comportent en outre des circuits d'échantillonnage des signaux de sortie des circuits de sommation.