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 Alkn Solmaz2, Mukden Uğur1 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İstanbul Üniversitesi ayberkfikirliiu@gmail.com, polat@istanbul.edu.tr, mugur@istanbul.edu.tr 2 Dünya Göz Hastanesi Etiler, İstanbul iskenderalkin.solmaz@dunyagoz.com 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 Yaşadğmz süre boyunca istemli veya istemsiz olarak en çok gerçekleştirdiğimiz hareketlerden biri göz krpma hareketidir. Bilimsel alanda yürütülen birçok çalşma, bu eylemi inceleyerek diğer birçok çalşmaya temel veri oluşturmay amaçlamaktadr. Giyilebilir teknoloji, sürücü uyar sistemleri gibi birçok alanda, alglanan bu hareket veri haline getirilerek kullanlmaktadr. Bu çalşmada, biyomekanik bir çkş verisi olan göz krpma hareketinin, biyomedikal alandaki diğer çalşmalarda giriş verisi olarak kullanlmas adna önerilerde bulunulmas amaçlanmştr. Çalşmaya temel oluşturan konu, genellikle tek gözde krpma probleminin ortaya çktğ yüz felci hastalğdr. Önerilen sistem sağlkl gözün krpma hareketinin alglanarak eşzamanl olarak diğer gözün dş uyarclarla krplmasn temel almaktadr. Bu göz krpma verisi, QRD1114 kzlötesi (IR) led ve fototransistör barndran alglayc modülü ile elde edilmektedir ve sistemin ergonomik yaps sayesinde görüş açsn engellenmeden alglama işi gerçekleştirilmektedir. Keywords — phototransistor. eye blink; facial paralysis; IR led; 1. Giriş Göz kapağnn açma-kapama hareketinin incelenmesi, insanlarn dş etkilere karş tepkileri veya otonom sinir sistemine bağl göz kapağ hareketleri gibi konular üzerine sorulan sorularn cevaplanabilmesi adna önemli bir model oluşturmaktadr. Örneklemelerin yaplabilmesi için mekanik olarak yaplan göz kapağ hareketinin işlenebilir bir cevap oluşturacak şekilde alglanabilmesi ve kayt altna alnmas gerekmektedir. Bu çalşmada, çeşitli göz rahatszlklarnn [1] tedavisine yönelik çalşmalarn yaplabilmesi için, göz krpma hareketinin alglanmas ve saysal veri olarak işlenebilir hale gelmesi sağlanmştr. Yüz felci gibi rahatszlklarda özellikle bir gözün sağlkl krpma yapamadğ durumlar görülür. Bu rahatszlğn giderilmesi amacyla sağlkl gözden alnan eşzamanl krpma verisi ile sağlksz gözün uyarlmas yoluna gidilir. Göz kapağ açma - kapama hareketinin alglanmas adna, 1960’l yllardan 90’l yllarn başlarna kadar geçen süreçte klasik yöntemler kullanlmştr [2-4]. Bu sistemlerde alglama, direkt olarak göz kapağyla bağlantl olan bir mini kaldracn yer değiştirme hareketinin takip edilmesi ile sağlanmştr. Bu tip sistemler basit ve ucuz olmalarnn yannda, ayn zamanda göz kapağnn hareketi konusunda kesin sonuçlar verebilmelerine karşn, göz kapağ ile direkt bağlant kurmalar ve diğer vücut hareketlerine karş da hassas olmalar nedeniyle zaman içerisinde tercih sralamasnda gerilere düşmüşlerdir. Elektronik alglama teknolojilerinin gelişmesi ve giderek ucuzlamas sonucunda, günümüzde bu tip sistemlerde daha yaygn olarak elektronik alglayclar kullanlmaya başlanmştr. Bu çalşmada elektronik alglama sistemi olarak kzlötesi (IR) alglama sisteminin kullanlmas önerilmiştir [5-6]. Bu Anahtar Kelimeler — göz krpma; yüz felci; kzlötesi 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 yaklaşmda alglama, yaylan kzlötesi şğn kornea ve göz kapağndan yansmas ve yansyan bu şğn şiddetinin ölçülmesiyle sağlanmaktadr. Bir modül araclğ ve kulağa taklabilen ergonomik bir sistem vastasyla hastann sağlkl göz hareketlerinin alglanmas önerilmiştir. 2. Alglayc Modülü Çalşma kapsamnda göz kapağ tarafndan yaplan açmakapama hareketinin saysal ortamda işlenebilir hale getirilmesi amacyla, elektronik elemanlar kullanlarak, alglanan hareketin saysal verilere dönüştürülmesi önerilmektedir. Alglayc sisteminde kullanlacak olan elemanlarn seçimi srasnda, gözün önüne yerleştirilecek olan alglaycnn gözün görüş açsna müdahale etmemesi amacyla devre elemanlarnn küçük ölçülerde olmas ve yine bu elemanlar tarafndan kornea üzerine düşürülecek olan kzlötesi şğn özelliklerinin gözün görme kabiliyetine negatif etki etmeyecek değerliklerde olmasna dikkat edilmiştir. Bu seçim kriterleri doğrultusunda, QRD1114 [7] alglayc modülü önerilmiştir. Önerilen modülün üzerinde IR LED ve IR Fototransistor bütünleşik olarak bulunmaktadr. Modülün IR LED bölümünden yaplan şk emisyonun maksimum dalga boyu değeri, 20 mA değerinde yaplan test sonuçlarnda, 940 nm olarak verilmiştir [6]. Bu değer ilgili şğn IR-A snfnda olduğunu ve retinal bir rahatszlk ortaya çkarmayacağn göstermektedir [8]. Şekil 2: Işğn frekans ve dalga boyu skalas Bu alglama sisteminde fototransistör önerilmiştir. kullanlmak üzere ise 2.2. IR Fototransistör Fototransistörler, elektrik akmn şk ile kontrol eden devre elemanlardr. Fototransistörlerde baz etkiler göz önüne alnarak diğer transistörlerden farkl bir tasarm tekniği kullanlmştr. Fototransistörün üzerinden şk miktar ile orantl bir elektrik akm geçer, dolaysyla önerilen sistemde, ölçülen bu elektrik akm, göz kapağnn kapal olduğu ve açk olduğu durumlarda farkl seviyelerdedir. Bu farkllk göz kapağnn krplmas ile ilgili bilgi vermektedir. 3. Önerilen Alglama Sistemi Önerilen sistemin özellikle yüz felci geçirmiş hastalarda kullanlmas planlanmaktadr. Yüz felci rahatszlğna ait göz ve göz çevresi görünümü Şekil 3’te verilmiştir. Şekil 1: QRD1114 İzometrik Görünümü – Devre Şemas Elemanlarn Şekil 1’de gösterilen bağlant noktalar şu şekilde belirtilmiştir; Şekil 3: Yüz felci rahatszlğna sahip bir hastann 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 rahatsz etmeden göz hareketlerini alglamas ve saysal veri haline getirmesi önemlidir. Tipik bir IR göz kapağ hareketi alglaycs, göz merceğini veya göz kapağn aydnlatan bir kzlötesi LED ve onunla eşzamanl çalşan ve yansyan kzlötesi şğ alglayan bir kzlötesi fotodiyot veya fototransistörden oluşmaktadr. IR sistemleri şk tayfnn gözle görülebilen şktan daha büyük dalga boyuna sahip bölümünde çalşrlar. Işğn kesilmesi veya temel yansma prensibine uygun olarak kullanlabilirler. Bu tip uygulamalarda önerilmelerinin sebebi, çevresel şktan daha az etkilenmeleri ve gözle görülemez olmalardr. 2.1. IR LED Infrared LED veya diğer adyla kzlötesi verici, kzlötesi şk tayfnda şk yayabilen LED’lerdir. Kzlötesi şk tayf, insan gözünün alglayabildiği dalga boyunun dşnda olduğundan dolay, kzlötesi şklar ancak kzlötesi dalga boylarn alglayabilen fotodiyot veya fototransistör benzeri elektronik komponentler yardm ile görüntülenebilir. Bu komponentlere örnek olarak, fotodiyot veya fototransistör gösterilebilir. Şekil 2’de şk frekans ve ilgili dalga boylar verilmiştir. Şekil 4: IR Alglama 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: Alglama devresi Hareketin alglanma sürecince, kzlötesi LED’den gelen şk gözü aydnlatr ve yansyan kzlötesi şk kzlötesi alglaycda bir elektrik akm indükler. Göz kapağ kapandğnda, daha fazla kzlötesi şk yansr. Bunun nedeni göz kapağnn üzerindeki epidermis tabakasnn kzlötesi şğ korneadan daha fazla yanstmasdr. Alglama sistemi Şekil 4’te verilmiştir. Şekil 5’te verilen alglama devresi gözün açk veya kapal olduğu durumu alglamak için kullanlmaktadr. Gözün açk olduğu durumda giriş direnci üzerinde 200mV(p-p) gerilimi kapal olduğu durumda ise 400mV(p-p) gerilimi okunmaktadr. Gerilimin iki kat değişimi bir kuvvetlendirici üzerinden ölçülerek göz krpma hareketinin doğru bir şekilde alglanmasna olanak vermektedir. gerçekleştirmesine yönelik olarak birçok çalşma yaplmştr. Ancak bu tür çalşmalar temelde, göz krpma verisine ihtiyaç duyarlar. Bu çalşmada önerilen sistem, içindeki alglayc modül ile göz krpma hareketinin alglanmas işlemini IR LED ve IR fototransistör vastasyla gerçekleştirir. Kornea ve göz kapağndan yansyan şğn şiddetinin farkl seviyelerde olmas, bu alglayc sisteminin çalşmasnn temel prensibidir. Önerilen sistem, ergonomik yapsyla diğer sistemlerden farkl olarak, doğrudan gözün karşsnda değil, farkl bir açyla ve kullancy rahatsz etmeyecek şekilde çalşmaktadr. Ayrca önerilen sistem göz ile direk temas olmadan ve göze zarar vermeden istenen krpma verisini saysal olarak elde etmeye imkân vermektedir. Bu veriler hem eşzamanl hem de istatistiki olarak göz krpma rahatszlğna sahip hastalarda göz kapağn uyarmak için kullanlabilir. 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 Alglama Sisteminin Modelinin Görüntüsü Önerilen sistemde, kullanlan aparatn gözün görüş açsna minimum etki göstermesi planlanmaktadr. Modelin kullanm srasnda sabit durmas amacyla rahatszlğn etki gösterdiği gözün bulunduğu taraftaki kulağa tutunmas sağlanmştr (Şekil 6). Kulaktaki herhangi bir rahatszlk ya da farkl aksi bir durum oluşmas durumunda, sistem antialerjik bantlar ile cilde tutturulabilir. Kullanlan elektronik komponentlerin beslemesi ve kontrolü için kullanlacak olan batarya ve kontrol devresi gibi elemanlar, kulak arkasndaki bölümde bulunabilir. 4. Sonuçlar İnsan vücudunda göz krpma hareketi çok sk olarak gerçekleşir. Geçirilen çeşitli rahatszlklar sonucu bu yetinin bir veya her iki gözde kaybolmas, insan hayatn olumsuz yönde etkiler. Bu çalşmada değinilen yüz felci rahatszlğ, tek gözde göz krpma yetisinin kaybedilebileceği durumlardan birine örnek gösterilebilir. Göz kaslarnn uyarlmas ve yüz felci sonucu yetisini kaybetmiş gözün krpma hareketini 528
