【原】瞳孔测量-理论，实现

【原】瞳孔测量-理论，实现

瞳孔测量是生物医学工程和心理学研究中的一个重要课题。最近，Nature期刊上发表了一项创新性研究，提出了一种使用智能手机RGB摄像头进行准确瞳孔测量的新方法。本文将详细介绍瞳孔测量的理论基础、影响因素以及这项最新研究的具体实现方案。

瞳孔测量的基本参数

测量瞳孔对光反射动力学涉及八个关键参数：

• 最大瞳孔直径
• 最小瞳孔直径
• 瞳孔变量
• 潜伏期
• 最大收缩速度
• 扩张速度
• 平均扩张速度
• 达到75%瞳孔大小所需要的时间

瞳孔对光反射的原理

瞳孔对光反射（PLR）是眼睛对光线强度变化的自动调节反应。在强光下，瞳孔会缩小以减少进入眼睛的光线量；在昏暗的光线下，瞳孔则会扩大以增加光线摄入。传统观点认为这是简单的生理反应，但近年来的研究发现，瞳孔变化还受到主观亮度知觉的影响。即使在相同的物理亮度条件下，如果被试主观认为光线更亮，其瞳孔收缩也会更明显。

影响瞳孔测量的主要因素

亮度控制

亮度是影响瞳孔变化的主要物理因素。研究表明，屏幕亮度对瞳孔的影响大于周围环境亮度。为了减少亮度对测量结果的干扰，研究者建议在中等亮度环境中进行认知任务研究，并对刺激的亮度进行平均化处理。

注视位置

眼动追踪研究中使用的基于光学记录的眼动仪器（如瞳孔-角膜反射记录）会受到注视位置的影响。当摄像机固定而眼睛注视不同位置时，虽然实际瞳孔大小可能没有变化，但记录到的瞳孔面积会因眼球旋转而发生变化。

瞳孔基线校正

考虑到瞳孔震颤和个体差异的影响，研究者需要进行基线校正。基线的选取可以是刺激呈现前的0.5秒或1秒，也可以是刺激呈现后0.5秒的瞳孔直径。常用的校正方法包括除法换算和减法换算。

眨眼的处理

实验过程中被试眨眼可能会导致数据缺失。一种处理方法是在每次眨眼之前和之后（眨眼前后的100或150毫秒）对瞳孔测量值进行内插法。但需要注意的是，眨眼后进入视网膜的亮度增强，瞳孔会出现轻微而快速的缩小，可能需要5秒才能恢复到基线水平。

Nature期刊的创新性研究

加州大学圣地亚哥分校的研究团队提出了一种新颖的瞳孔测量方法，利用智能手机的RGB摄像头实现准确的瞳孔测量。该方法的关键在于使用630-700纳米波长的远红光，因为虹膜中的黑色素在这一波段会反射光线，与暗瞳孔形成鲜明对比。

研究团队设计了一个专门的装置，使用6个625纳米LED光源持续照射眼睛。在白光刺激之前提供远红光可以使参与者的瞳孔适应远红光，以便测量仅记录对白光的响应。这种设计确保了照明在测试期间保持恒定，不会引起瞳孔内的变化，从而可以无障碍地进行涉及其他视觉、认知或情感刺激的瞳孔反应测试。

此外，装置中还包含了中性密度滤光片，用于降低光源强度，防止过度曝光。3D打印外壳的背面包括一个中性密度滤光片，用于覆盖智能手机手电筒，确保LED可以安全地照射到参与者的眼睛。橡胶眼罩则用于阻挡外部光线，避免环境光线对读数造成意外刺激或眩光。

这项研究的创新之处在于利用智能手机的普及性和便利性，开发出一种低成本、高精度的瞳孔测量方案，具有广泛的应用前景。

参考文献

1. https://www.nature.com/articles/s41598-023-40796-0
2. https://storage.googleapis.com/jnl-up-j-jc-files/journals/1/articles/18/submission/proof/18-1-153-1-10-20180221.pdf
3. https://journalofcognition.org/articles/10.5334/joc.18
4. https://journal.psych.ac.cn/xlkxjz/article/2020/1671-3710/1671-3710-28-7-1029.shtml
5. http://www.mems.me/mems/system_integrator_202310/12428.html