基于实时反馈的脑功能磁共振视觉刺激与眼动分析系统

Visual stimulation and eye movement tracking system is very important tool in functional magnetic resonance imaging (fMRI) of brain. To make up the limits of present equipment, a new type of eye movement tracking and visual stimulation system will be researched and developed based on our experience on fMRI research of mental and psychology diseases, visual stimulation, eye movement tracking technique. This system would be offer a open interface to real time feed back information from fast eye movement tracking and has capability to execute interactive operation for visual stimulation. So new methods to track eye movement, MRI device electric-magnetic compatible technique, high speed video recorder, fast algorithm of eye information extraction, and interactive patterns between visual stimulation and eye movement tracking, will be involved in our research. Compared with the traditional instruments, the new system will offer fast and clear eye movement image, integrate visual stimulation and eye movement tracking together, execute eye movement tracking and video recording at same time, realize interaction between visual stimulation and eye movement feedback at real-time, convince operation and good MRI electric-magnetic compatibility. To satisfy these requirements, this project mainly adopts the following techniques: micro lens optic fiber, which can form a clear eye image and transmit the image a CMOS image sensor; During image’s acquisition, use the programmable logic devices FPGA as the entire system control unit to finish the read-out of image data and transmission in next step; two DSP are responsible for executing of eye movement tracking algorithm and video compression; Object-Oriented Programming and multithreading message-responding mechanism. The object of this project is that develop an instrument which hold self-owned intellectual property right and is helpful to development of fMRI mental sickness research in China.

本项目针对影像相关设备亟需原始创新的国家需求及其在脑功能相关研究中的迫切需要，结合课题组在脑功能磁共振、视觉刺激、眼动跟踪等相关技术应用与研发上的前期经验积累，研制具有自主知识产权和技术创新的脑功能磁共振专用视觉刺激与眼动分析设备。开展相关磁兼容眼动跟踪技术、基于DSP-FPGA的集成视频压缩与眼动跟踪计算于一体的高速摄像装置、快速眼动跟踪视线算法、眼动机制模型、视觉刺激与眼动信息互动实现模式的研究，发展相关新技术，弥补现有此类设备的不足。为在磁共振设备特定的环境下展开视觉刺激与实时眼动信息反馈调节提供灵活手段，为功能磁共振在精神与神经疾病诊断、情绪与认知等领域的研究提供有力的工具。进一步提升我国在功能磁共振相关设备上的研发与应用能力，力争在本领域达到甚至超越国际前沿技术水平。

在利用功能磁共振成像对脑功能和脑疾病进行研究时，视觉刺激任务以及对被试人员视线的监测具有重要意义，因其是实现可靠研究结果的质量保障。本项目针对这部分影像相关设备亟需原始创新的国家需求及其在脑功能相关研究中的迫切需要，结合课题组在脑功能磁共振成像、视觉刺激研究、眼跟踪研究等相关领域的应用与研发前期研究基础上，开展了基于实时反馈技术的脑功能磁共振视觉刺激与眼动分析系统的实现技术研究，内容涉及高速图像传感器控制与接口电路、红外光学成像器件的设计与制作、快速眼动跟踪视线算法、眼动机制模型、视觉刺激与眼动信息互动实现模式、磁共振电磁环境下的三维显示技术以及磁共振兼容技术。研制出（一）以LUPA300图像传感器为基础的千兆网接口高速摄机，以及基于 FPGA 的集成眼动跟踪计算的Cameralink-光纤转换接口，帧率最高可达800帧/秒；（二）磁共振兼容的红外传像光纤成像装置，前段镜头置于红外半反半透镜后，工作距离20cm，不影响反射镜式刺激仪工作，耦合至2.2米传像光纤，经后端耦合后连接高速摄像机，所有镜头与光纤端面均红外增透；（三）高帧率视线跟踪与热点分析软件，视线跟踪利用瞳孔和普尔辛反射斑经校正实现对视线的计算，在头固定模式下配合高速摄像机精度可达<1º，视线追踪速度可达500帧/秒；（四）具有扫描同步功能的Gabor斑的磁共振视觉刺激软件，Bock刺激模式与图案自行设定；（五）眼动视线实时交互的人机接口；（六）磁共振兼容三维全息视场显示器。项目研发过程中申请9项专利，其中5项已获得授权；发表论文22篇，其中SCI收录19篇，EI收录2篇，设备主要指标达到国际主流水平，部分指标达到甚至超过国际先进水平。上述硬件和软件的成功研制弥补现有此类设备的不足，为在磁共振扫描的特定环境下展开视觉刺激与实时眼动信息反馈调节提供了灵活手段，为功能磁共振在精神与神经疾病诊断、情绪与认知等领域的研究提供了有力的工具，同时提升了我国在功能磁共振相关设备上的研发与应用能力。