眼球基础解剖及仿生机器眼的研究

1、外部视觉器： 泪囊 泪管：上丘、下丘 外眼肌 眼睑 外部视觉器： 外部视觉器： 泪囊里装的是泪水，当受到外界刺激、精神刺激后，泪管 打开，泪囊受到挤压，泪水就会流出来。 6个月以内的婴儿，泪囊是打不开的，如在6个月以内有异 常泪液流出，就是先天性的青光眼。 成年人泪汪汪是泪囊炎；老年人经常流泪是因为泪管壁变 厚。 泪液是由泪腺分泌的。人的眼球表面24小时循环着泪液， 保证了眼球的水份，不干燥。 泪液分泌过多过少都会影响视力；泪液分泌过多还会引起 角膜水肿。 外部视觉器： 视觉器结构分析 视觉器结构分析 D、视觉传导 Optic Path B、眼球内容 Cavity A、眼球体 Wall E、视

2、觉中枢 Visual Center F、相关神经系统 C、眼外肌 Muscle A、眼球体 Wall A、眼球体 Wall 一、外层（纤维性组织层） 巩膜：呈瓷白色，质地坚韧，不透明，由致密交错的纤维组成 （俗称眼白）。 角膜：透明、无血管，表面被泪液所覆盖。其营养供应来自“轮 部”。 二、中层（血管色素性组织层） 前部：虹膜、瞳孔、前房、后房 中部：睫状肌、悬韧带 后部：脉络膜 1.虹膜的前面是前房，后面是后房。虹膜的前面是前房，后面是后房。 2. 阿托品散瞳时，悬韧带防松，晶状体变凸（球）向前挤压堵住虹阿托品散瞳时，悬韧带防松，晶状体变凸（球）向前挤压堵住虹 膜，睫状突分泌的房水不流通（流

3、不出来），造成眼压瞬间增高，膜，睫状突分泌的房水不流通（流不出来），造成眼压瞬间增高， 引发急性青光眼。引发急性青光眼。 A、眼球体 Wall A、眼球体 Wall 三、内层（神经组织层） 1）视网膜：视网膜是一层透明的膜，前界为锯齿缘，后界为视神 经乳头周围，外附脉络膜，内邻玻璃体。 2）视神经 B、眼球内容 Cavity 房水 房水是眼内的透明液体，由睫状突分泌，充满前房和后房。 主要功能：维持眼压；营养角膜、晶状体和玻璃体；保持眼部结构 的完整性和光学透明性，并清除组织的代谢产物。 晶状体 位于虹膜后表面和玻璃体前表面之间的双凸透镜的透明体，通过 晶状体悬韧带与睫状体连接。 主要功能：是

4、眼屈光系统的重要组成部分，参与眼球的屈光作用、 调节功能，同时晶状体还能吸收部分紫外线，起到保护视网膜的作用。 B、眼球内容 Cavity 玻璃体 玻璃体玻璃体为无色透明的胶质体，其主要成分为水，约占98%。玻璃体无 血管，代谢缓慢，其营养来自于脉络膜和房水。玻璃体不能再生，失 去后其空间由房水填充。 主要功能主要功能：是眼的屈光介质之一，除有屈光功能外，还对视网膜和 眼球壁起支持作用。 1. 3040岁以后，玻璃体的凝胶状会水溶解，胚胎发育时期的细胞碎屑被 看见，形成“飞蚊症”，这是正常的。如眨眼出现瀑布状很大片的情 况，是视网膜脱落的前兆。 2. 高度近视的人容易引发视网膜剥落（-6.00

5、DS以上的称为高度近视，最 好不要做弯腰报孩子之类的动作）。 3. 玻璃体同晶状体一样是可以更换的。 B、眼球内容 Cavity 目前，矫正近视的四种方法 1. 戴眼镜 2. 做激光手术 3. 换人工晶体（缺点：不能看近） 4. ICL人工隐形眼镜植入（从轮部插入，贴着角膜植入隐形眼镜） 近视变少的原因 1. 有眼底疾病 2. 有生理疾病、身体机制在变化，老化（生命周期比别人短） C、眼外肌 Muscle 每只眼球共有六条眼外肌， 包括四条直肌和两条斜肌 1. 上直肌 （往上） 2. 下直肌 （往下） 3. 内直肌 4. 外直肌 5. 上斜肌 （往下压） 6. 下斜肌 （往上托） C、眼外肌

6、Muscle 斜视、斜位是由 眼外肌引起的。 D、视觉传导 Optic Path 视觉传导：影像进入眼球后传导的一个过程 锥细胞：主要分布在视网膜中心凹和黄斑部 1. 光线越强，锥细胞缩得越短，杆细胞会越长； 光线越暗，杆细胞缩得越短，锥细胞会越长。 2. 锥细胞在胎儿期是没有的，待出生后，中心凹的位置会 塌陷，杆细胞死亡，受光线刺激后长出锥细胞。 D、视觉传导 Optic Path 视路 1. 视路是指视觉纤维由视网膜光感 受器到大脑皮质视觉中枢的全部 视觉神经冲动传导路径。（视觉 聚焦在视网膜上，成像在大脑皮 质视觉中枢） 2. 右眼成像经视神经交叉在左脑； 左眼成像经视神经交叉在右脑。

7、3. 影像射入眼内经大脑瞬间成 像， 不到0.1秒 E、视觉中枢 Visual Center 大脑分为52个区，其中17、18、 19区是视觉区。（在后脑勺） 1. 17区为视觉皮质区，如该区受损，眼 前会出现静态的星光，称为“皮质 盲”。 2. 17区只看到东西并不存档（储存）， 18、19区负责存档（储存影像）。 1. 18、19区是视觉联络区。18区如受损， 眼前会出现各种幻觉；19区如受损， 眼前会出现大片大片的幻觉，因19区 紧邻听觉区，还会幻听。（例如精神 病人产生的幻觉、幻听，即通常所讲 的“脑子不好”） 人体总共有12对脑神经 第一对： 嗅神经 第二对： 视神经 成像 第三对：

8、 动眼神经 第四对： 滑车神经 控制眼外肌，眼球运动 第五对： 三叉神经 第六对： 展（外旋）神经 第七对： 颜面神经 第八对： 前庭蜗（听）神经 第九对： 舌咽神经 第十对： 迷走神经 第十一对：副神经 第十二对：舌下神经 F、相关神经系统 何谓仿生眼？ 在人眼解剖学和生理学研究的基础上，根据控制眼球运动 的神经回路，建立可实现人眼功能(比如:像人类眼睛一样 灵活、协调地改变视线、快速准确地识别和跟踪目标等) 的机器智能眼睛。 人眼眼球运动的特点和形式 扫视运动 也称急动，即当双眼自由地看周围环境时，视线很快地从 一个注视点移向另一个注视点其潜伏期一般为200250 ms，速度约为400。/

9、 平滑追踪运动 当眼球追踪一个运动物体时所发生的运动，使视线平滑地 跟踪目标当一个运动的目标以小于50。s的速度出现 在视野中时，眼球在捕捉目标的急动之后，随即准确地追 随目标移动其潜伏期为125 ms，最大速度为3050。 s 异向运动 也称趋异运动、分离运动，指当眼睛交替注视较近和较远 的物体时，双眼同时、等量、等速度地向相反方向的转 动其潜伏期约为125 ms，最大速度约为20。s 前庭动眼反射 前庭刺激引起的反射性眼球运动，即当头位突然改变时， 产生与头转方向相反的眼动，使眼的位置在头和身体的姿 势改变时保持不变，以维持视网膜成像的稳定 视动反射 由于整个视觉世界运动引起的眼球反射运动

10、，使人眼能 看清运动背景中的物体 眼球运动神经回路 除了接受视网膜传人的信号外，前庭神经核同时接受从 上丘传人的扫视信号和从前庭感受器(VR：vestibular receptor)传人的头部旋转信号并进行综合 快速眼球运动控制模型 脑干中爆发神经元EBN、全面停止神经元OPN及Tonic 神经元 等的相互作用产生“Saccade burst”命令，驱动眼球做快 速扫视运动。 Saccade发生器的简化神经元分布示意图 白色圆圈代表兴 奋性神经元 黑色圆圈代表抑 制性神经元 上层视觉感知系统(Higher Level)发出的眼球位置期望值Ed 与眼球实际位置E之间的偏差，即眼球运动误差Em，激

11、活 爆发神经元(B)，B通过一个直接通路和一个间接通路共同作 用将兴奋刺激信号传递给运动神经元(MN)，形成运动神经元 放电脉冲，发放速率为R(t)，与眼球运动速度成比例。其中 间接通路由Tonic神经元(T)通过一个周期性的正反馈形成， 其作用是使眼球在新的目标位置上稳定下来，它与眼球位置 线性相关，可以用一个神经积分器(NI)等效。积分器的输出 E是实际眼球位置的内部估计，该信号通过抑制性Tonic中 间神经元(T1)形成的反馈通道反馈至B。 Saceade眼球运动生理模型 Saceade眼球运动控制模型 EYE PLANT 眼球运动装置(Eye Plant，力学机构)反应眼动神经核的神

12、经冲动驱动眼外肌，进而控制眼球的位置。眼动生理机构很 复杂，眼球在轨道中运动时受到惯性力、摩擦力和弹性力等 多种力的共同作用。工程上的眼球机构由摄像机及其运动控 制机构(云台)组成，可以用一阶低通网络或二阶线性滤波 器来描述，其中E(S)为眼球位置，Re为眼动神经核的放电率， Ke,Te1,Te2分别为系统增益和时间常数。 慢速眼球运动控制模型 慢速眼球运动包括： 平滑追踪运动 前庭动眼反射运动 双目异向运动 生理学研究表明：控制慢速眼球运动的主体 神经回路与Saccade快速眼球运动不同，虽 然它们有一些共同的部分。 慢速眼球运动控制神经通路 仿生眼球控制系统模型 仿生机器眼运动控制模型结构

13、图 仿生机器眼研究特点及存在问题 国外研究结果大都止步于生理模型，较少地考虑其工程实现 和应用 国内提出的解决方案通常只是针对某一局部问题采取的具体 手段，较少从生理学、解剖学的角度出发，构建仿生机器人头 眼运动控制模型，从根本上解决目前机器视觉面临的一些难题 较少能同时实现多种眼球运动； 构建仿生双眼-头颈协调控制的研究几乎处于空白状态； 人们对生物视觉在更高层次上的机理也还未完全探明，有些 机理尚存争议，已建立的模型的准确性尚需进一步探讨。 参考文献 1 邹海荣，龚振邦，罗均仿生眼的研究现状与发展 趋势J机器人， 2005，27(5)：469474 2 宰春和神经眼科学M北京：人民卫生出版

14、社，1987 3 邹海紫黄振邦，谢少荣，仿生型机器人眼球运动控制系统建模J机 器人2007，29（4）：342-347 4 Lisberger S GInternal models of eye movement in the floccularcomplex of the monkey cerebellumJNeuroscience，2009，162(3)：763-776 5 Ito MCerebellar circuitry as a neuronal machineJProgress in Neurobiology,2006，78(3-5)：272303 6 仿生机器眼运动系统建模与控制

15、研究 学位论文 毛晓波 2011 郑州大学： 控制理论与控制工程 7張暁林，川合拓郎，熊澤逸夫，佐藤誠：兩眼固視微動用立体画 像生成法，第ll回画像講演論文集(SSII05)，303 306(20056) 谢谢观看 B、眼球内容 Cavity 玻璃体 玻璃体玻璃体为无色透明的胶质体，其主要成分为水，约占98%。玻璃体无 血管，代谢缓慢，其营养来自于脉络膜和房水。玻璃体不能再生，失 去后其空间由房水填充。 主要功能主要功能：是眼的屈光介质之一，除有屈光功能外，还对视网膜和 眼球壁起支持作用。 1. 3040岁以后，玻璃体的凝胶状会水溶解，胚胎发育时期的细胞碎屑被 看见，形成“飞蚊症”，这是正常的

16、。如眨眼出现瀑布状很大片的情 况，是视网膜脱落的前兆。 2. 高度近视的人容易引发视网膜剥落（-6.00DS以上的称为高度近视，最 好不要做弯腰报孩子之类的动作）。 3. 玻璃体同晶状体一样是可以更换的。 B、眼球内容 Cavity 目前，矫正近视的四种方法 1. 戴眼镜 2. 做激光手术 3. 换人工晶体（缺点：不能看近） 4. ICL人工隐形眼镜植入（从轮部插入，贴着角膜植入隐形眼镜） 近视变少的原因 1. 有眼底疾病 2. 有生理疾病、身体机制在变化，老化（生命周期比别人短） C、眼外肌 Muscle 斜视、斜位是由 眼外肌引起的。 人眼眼球运动的特点和形式 扫视运动 也称急动，即当双眼自由地看周围环境时，视线很快地从 一个注视点移向另一个注视点其潜伏期一般为200250 ms，速度约为400。/ 平滑追踪运动 当眼球追踪一个运动物体时所发生的运动，使视线平滑地 跟踪目标当一个运动的目标以小于50。s的速度出现 在视野中时，眼球在捕捉目标的急动之后，随即准确地追 随目标移动其潜伏期为125 ms，最大速度为3050。 s 异向运动 也称趋异运动、分离运动，指当眼睛交替注视较近和较远 的物体时，双眼同时、等量、等速度地向相反方向的转 动其潜伏期约为125 ms，最