Göz Kırpma Hareketinin Algılayıcılar Yoluyla Algılanması

advertisement
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 2
3. Gün / 17 Ekim 2015, Cumartesi
GÖZ KIRPMA HAREKETİNİN ALGILAYICILAR
YOLUYLA ALGILANMASI
DEDECTION OF EYE-BLINK MOVEMENTS WITH
SENSORS
Metin Ayberk Fikirli1, Cengiz Polat Uzunoğlu1,İskender Alkn Solmaz2,
Mukden Uğur1
1
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
İstanbul Üniversitesi
[email protected], [email protected], [email protected]
2
Dünya Göz Hastanesi
Etiler, İstanbul
[email protected]
healthy eye blink movements. The synchronizing data is
acquired by using QRD1114 sensor module which contains IR
led and fototransistör. The proposed system with its ergonomic
structure does not block the angle of vision.
Özetçe
Yaşadğmz süre boyunca istemli veya istemsiz olarak en çok
gerçekleştirdiğimiz hareketlerden biri göz krpma hareketidir.
Bilimsel alanda yürütülen birçok çalşma, bu eylemi
inceleyerek diğer birçok çalşmaya temel veri oluşturmay
amaçlamaktadr. Giyilebilir teknoloji, sürücü uyar sistemleri
gibi birçok alanda, alglanan bu hareket veri haline
getirilerek kullanlmaktadr. Bu çalşmada, biyomekanik bir
çkş verisi olan göz krpma hareketinin, biyomedikal alandaki
diğer çalşmalarda giriş verisi olarak kullanlmas adna
önerilerde bulunulmas amaçlanmştr. Çalşmaya temel
oluşturan konu, genellikle tek gözde krpma probleminin
ortaya çktğ yüz felci hastalğdr. Önerilen sistem sağlkl
gözün krpma hareketinin alglanarak eşzamanl olarak diğer
gözün dş uyarclarla krplmasn temel almaktadr. Bu göz
krpma verisi, QRD1114 kzlötesi (IR) led ve fototransistör
barndran alglayc modülü ile elde edilmektedir ve sistemin
ergonomik yaps sayesinde görüş açsn engellenmeden
alglama işi gerçekleştirilmektedir.
Keywords —
phototransistor.
eye
blink;
facial
paralysis;
IR
led;
1. Giriş
Göz kapağnn açma-kapama hareketinin incelenmesi,
insanlarn dş etkilere karş tepkileri veya otonom sinir
sistemine bağl göz kapağ hareketleri gibi konular üzerine
sorulan sorularn cevaplanabilmesi adna önemli bir model
oluşturmaktadr. Örneklemelerin yaplabilmesi için mekanik
olarak yaplan göz kapağ hareketinin işlenebilir bir cevap
oluşturacak şekilde alglanabilmesi ve kayt altna alnmas
gerekmektedir.
Bu çalşmada, çeşitli göz rahatszlklarnn [1] tedavisine
yönelik çalşmalarn yaplabilmesi için, göz krpma
hareketinin alglanmas ve saysal veri olarak işlenebilir hale
gelmesi sağlanmştr. Yüz felci gibi rahatszlklarda özellikle
bir gözün sağlkl krpma yapamadğ durumlar görülür. Bu
rahatszlğn giderilmesi amacyla sağlkl gözden alnan
eşzamanl krpma verisi ile sağlksz gözün uyarlmas yoluna
gidilir.
Göz kapağ açma - kapama hareketinin alglanmas adna,
1960’l yllardan 90’l yllarn başlarna kadar geçen süreçte
klasik yöntemler kullanlmştr [2-4]. Bu sistemlerde alglama,
direkt olarak göz kapağyla bağlantl olan bir mini kaldracn
yer değiştirme hareketinin takip edilmesi ile sağlanmştr. Bu
tip sistemler basit ve ucuz olmalarnn yannda, ayn zamanda
göz kapağnn hareketi konusunda kesin sonuçlar
verebilmelerine karşn, göz kapağ ile direkt bağlant
kurmalar ve diğer vücut hareketlerine karş da hassas olmalar
nedeniyle zaman içerisinde tercih sralamasnda gerilere
düşmüşlerdir. Elektronik alglama teknolojilerinin gelişmesi
ve giderek ucuzlamas sonucunda, günümüzde bu tip
sistemlerde daha yaygn olarak elektronik alglayclar
kullanlmaya başlanmştr.
Bu çalşmada elektronik alglama sistemi olarak kzlötesi
(IR) alglama sisteminin kullanlmas önerilmiştir [5-6]. Bu
Anahtar Kelimeler — göz krpma; yüz felci; kzlötesi led,
fototransistör.
Abstract
During the lifetime, one of the most involuntary or voluntary
movements of the human body is blinking eyes. The main
purpose of ongoing scientific researches is to obtain a
meaningful and fundamental data by observing eye blink
movement, which might give some valuable information for
other research subjects. Eye blink data is being frequently
analyzed and processed for different application fields such as
wearable technologies, intelligent driver warning systems, etc.
In this study, eye blink data is obtained as biomechanical
outcome for application of biomedical purposes in treatment
of diseases caused by eye blink complications. The motivation
of the study is based on facial paralysis disease, which may be
resulted in eye blink difficulty especially in one eye. The
proposed treatment system operates by triggering eyelid
muscles by an appropriate synchronizing data obtained by
978-1-4673-7765-2/15/$31.00 ©2015 IEEE
526
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 2
3. Gün / 17 Ekim 2015, Cumartesi
yaklaşmda alglama, yaylan kzlötesi şğn kornea ve göz
kapağndan yansmas ve yansyan bu şğn şiddetinin
ölçülmesiyle sağlanmaktadr. Bir modül araclğ ve kulağa
taklabilen ergonomik bir sistem vastasyla hastann sağlkl
göz hareketlerinin alglanmas önerilmiştir.
2. Alglayc Modülü
Çalşma kapsamnda göz kapağ tarafndan yaplan açmakapama hareketinin saysal ortamda işlenebilir hale getirilmesi
amacyla, elektronik elemanlar kullanlarak, alglanan
hareketin saysal verilere dönüştürülmesi önerilmektedir.
Alglayc sisteminde kullanlacak olan elemanlarn seçimi
srasnda, gözün önüne yerleştirilecek olan alglaycnn gözün
görüş açsna müdahale etmemesi amacyla devre
elemanlarnn küçük ölçülerde olmas ve yine bu elemanlar
tarafndan kornea üzerine düşürülecek olan kzlötesi şğn
özelliklerinin gözün görme kabiliyetine negatif etki etmeyecek
değerliklerde olmasna dikkat edilmiştir. Bu seçim kriterleri
doğrultusunda, QRD1114 [7] alglayc modülü önerilmiştir.
Önerilen modülün üzerinde IR LED ve IR Fototransistor
bütünleşik olarak bulunmaktadr. Modülün IR LED
bölümünden yaplan şk emisyonun maksimum dalga boyu
değeri, 20 mA değerinde yaplan test sonuçlarnda, 940 nm
olarak verilmiştir [6]. Bu değer ilgili şğn IR-A snfnda
olduğunu ve retinal bir rahatszlk ortaya çkarmayacağn
göstermektedir [8].
Şekil 2: Işğn frekans ve dalga boyu skalas
Bu alglama sisteminde
fototransistör önerilmiştir.
kullanlmak
üzere
ise
2.2. IR Fototransistör
Fototransistörler, elektrik akmn şk ile kontrol eden devre
elemanlardr. Fototransistörlerde baz etkiler göz önüne
alnarak diğer transistörlerden farkl bir tasarm tekniği
kullanlmştr.
Fototransistörün üzerinden şk miktar ile orantl bir
elektrik akm geçer, dolaysyla önerilen sistemde, ölçülen bu
elektrik akm, göz kapağnn kapal olduğu ve açk olduğu
durumlarda farkl seviyelerdedir. Bu farkllk göz kapağnn
krplmas ile ilgili bilgi vermektedir.
3. Önerilen Alglama Sistemi
Önerilen sistemin özellikle yüz felci geçirmiş hastalarda
kullanlmas planlanmaktadr. Yüz felci rahatszlğna ait göz
ve göz çevresi görünümü Şekil 3’te verilmiştir.
Şekil 1: QRD1114 İzometrik Görünümü – Devre Şemas
Elemanlarn Şekil 1’de gösterilen bağlant noktalar şu
şekilde belirtilmiştir;
Şekil 3: Yüz felci rahatszlğna sahip bir hastann gözünün ve
göz çevresinin görünümü
Pin1 : IR Fototransistör’ün kollektör bacağ
Pin 2 : IR Fototransistör’ün emiter bacağ
Pin 3 : IR LED’in anot bacağ
Pin 4 : IR LED’in katot bacağ
Sistemin hastay rahatsz etmeden göz hareketlerini
alglamas ve saysal veri haline getirmesi önemlidir. Tipik bir
IR göz kapağ hareketi alglaycs, göz merceğini veya göz
kapağn aydnlatan bir kzlötesi LED ve onunla eşzamanl
çalşan ve yansyan kzlötesi şğ alglayan bir kzlötesi
fotodiyot veya fototransistörden oluşmaktadr.
IR sistemleri şk tayfnn gözle görülebilen şktan daha
büyük dalga boyuna sahip bölümünde çalşrlar. Işğn
kesilmesi veya temel yansma prensibine uygun olarak
kullanlabilirler. Bu tip uygulamalarda önerilmelerinin sebebi,
çevresel şktan daha az etkilenmeleri ve gözle görülemez
olmalardr.
2.1. IR LED
Infrared LED veya diğer adyla kzlötesi verici, kzlötesi şk
tayfnda şk yayabilen LED’lerdir. Kzlötesi şk tayf, insan
gözünün alglayabildiği dalga boyunun dşnda olduğundan
dolay, kzlötesi şklar ancak kzlötesi dalga boylarn
alglayabilen fotodiyot veya fototransistör benzeri elektronik
komponentler yardm ile görüntülenebilir. Bu komponentlere
örnek olarak, fotodiyot veya fototransistör gösterilebilir. Şekil
2’de şk frekans ve ilgili dalga boylar verilmiştir.
Şekil 4: IR Alglama Sisteminin Temsili Gösterimi
527
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 2
3. Gün / 17 Ekim 2015, Cumartesi
12 V 1 Hz Kare dalga
R2=1kΩ
R3=120 kΩ
IR LED
fototransistor
Vin
Vout
Vref
R1=150 Ω
LED
R5=1 kΩ
R4=290 Ω
Şekil 5: Alglama devresi
Hareketin alglanma sürecince, kzlötesi LED’den gelen
şk gözü aydnlatr ve yansyan kzlötesi şk kzlötesi
alglaycda bir elektrik akm indükler. Göz kapağ
kapandğnda, daha fazla kzlötesi şk yansr. Bunun nedeni
göz kapağnn üzerindeki epidermis tabakasnn kzlötesi şğ
korneadan daha fazla yanstmasdr. Alglama sistemi Şekil
4’te verilmiştir.
Şekil 5’te verilen alglama devresi gözün açk veya kapal
olduğu durumu alglamak için kullanlmaktadr. Gözün açk
olduğu durumda giriş direnci üzerinde 200mV(p-p) gerilimi
kapal olduğu durumda ise 400mV(p-p) gerilimi
okunmaktadr. Gerilimin iki kat değişimi bir kuvvetlendirici
üzerinden ölçülerek göz krpma hareketinin doğru bir şekilde
alglanmasna olanak vermektedir.
gerçekleştirmesine yönelik olarak birçok çalşma yaplmştr.
Ancak bu tür çalşmalar temelde, göz krpma verisine ihtiyaç
duyarlar. Bu çalşmada önerilen sistem, içindeki alglayc
modül ile göz krpma hareketinin alglanmas işlemini IR LED
ve IR fototransistör vastasyla gerçekleştirir. Kornea ve göz
kapağndan yansyan şğn şiddetinin farkl seviyelerde
olmas, bu alglayc sisteminin çalşmasnn temel prensibidir.
Önerilen sistem, ergonomik yapsyla diğer sistemlerden farkl
olarak, doğrudan gözün karşsnda değil, farkl bir açyla ve
kullancy rahatsz etmeyecek şekilde çalşmaktadr. Ayrca
önerilen sistem göz ile direk temas olmadan ve göze zarar
vermeden istenen krpma verisini saysal olarak elde etmeye
imkân vermektedir. Bu veriler hem eşzamanl hem de
istatistiki olarak göz krpma rahatszlğna sahip hastalarda göz
kapağn uyarmak için kullanlabilir.
5. Kaynakça
[1] Somnia N., Zonnevijlle E., Stremel R., Maldonado C.,
Gossman M., Barker J., “Multi-channel orbicularis oculi
stimulation to restore eye-blink function in facial paralysis”.
Microsurgery, vol. 21, pp.264-270, 2001.
[2] Gormezano I., ‘Classical conditioning’, In: Sidowski JB,
editor. Experimental methods and instrumentation in
psychology, New York: McGraw-Hill;1966.
[3] Yuille A., Hallinan P.,Cohen D., "Feature extraction from
faces using deformable templates", International Journal of
Computer Vision, vol. 8, no. 2, pp.99 -111, 1992.
[4] Perrett S., Mauk D., ‘Extinction of conditioned
eyelid
responses requires the anterior lobe of cerebellar cortex.’,
Neurosci, vo.15, pp.2074–2080, 1995.
[5] Ryan S. B., Detweiler K. L., Holland K. H., Hord M. A.,
V. Bracha, “A long-range, wide field-of-view infrared
eyeblink detector”, Journal of Neuroscience Methods, vol.152,
pp.74-82, 2006.
[6] Aleksandra K., Strumiłło P. "Eye-blink detection system
for human–computer interaction." Universal Access in the
Information Society, vol.11, pp.409-419, 2012.
[7] QRD-1114 Sensor Module Datasheet Retrieved from
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/QR/QRD1114.pdf
[8] Sliney D.H., “Ocular Hazards of Light” International
Lighting in Controlled Environments Workshop, “Infrared
Radiation Hazards to the Eye”, T.W.Tibbitts (editor), NASACP-95-3309, 1994.
Şekil 6: Önerilen Alglama Sisteminin Modelinin Görüntüsü
Önerilen sistemde, kullanlan aparatn gözün görüş açsna
minimum etki göstermesi planlanmaktadr. Modelin kullanm
srasnda sabit durmas amacyla rahatszlğn etki gösterdiği
gözün bulunduğu taraftaki kulağa tutunmas sağlanmştr
(Şekil 6). Kulaktaki herhangi bir rahatszlk ya da farkl aksi
bir durum oluşmas durumunda, sistem antialerjik bantlar ile
cilde tutturulabilir.
Kullanlan elektronik komponentlerin beslemesi ve
kontrolü için kullanlacak olan batarya ve kontrol devresi gibi
elemanlar, kulak arkasndaki bölümde bulunabilir.
4. Sonuçlar
İnsan vücudunda göz krpma hareketi çok sk olarak
gerçekleşir. Geçirilen çeşitli rahatszlklar sonucu bu yetinin
bir veya her iki gözde kaybolmas, insan hayatn olumsuz
yönde etkiler. Bu çalşmada değinilen yüz felci rahatszlğ,
tek gözde göz krpma yetisinin kaybedilebileceği durumlardan
birine örnek gösterilebilir. Göz kaslarnn uyarlmas ve yüz
felci sonucu yetisini kaybetmiş gözün krpma hareketini
528
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

En Mimar Architecture LTD ŞTİ XD

2 Cards asilyasar069

Create flashcards