瞳孔测量-理论，实现

瞳孔有哪些参数呢？

测量瞳孔对光反射动力学八个参数,（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）

另外给出一个经典的刺激反应，就是看人嘎了没有了对光反射：

瞳孔对光反射或瞳孔光感反射（英语：PLR）是由于落在视网膜上的光强不同，瞳孔自动收缩或扩张来调节进光量的反射。对光反射有利于眼睛适应不同明暗的环境。在强光‍下，瞳孔直径缩小；在昏暗的光线下，瞳孔直径扩大。

传统观点认为瞳孔光反射(pupil light response, PLR)是简单的生理反应, 即在暗环境下瞳孔扩张, 在亮环境下瞳孔缩小。

随着研究的深入, 研究者发现瞳孔变化还受到主观的亮度知觉的影响。尽管相比于物理亮度对瞳孔变化的影响(变化范围约2~8 mm) ， 亮度知觉引发的瞳孔变化很微弱(直径变化小于0.5 mm), 但这一现象仍然引起了研究者的兴趣。

研究发现, 即使被试看到相同物理亮度的图片, 被试主观认为是亮的图片(如：太阳、亮度错觉)引起的瞳孔收缩更明显, 甚至发现想象一张较亮的图片比想象一张较暗的图片时的瞳孔更小, 听到一个带有明亮含义的词(如：白天)比听到带有中性含义(如：房子)或暗含义(如：晚上)词语后的瞳孔更小。说明瞳孔变化不单纯是生理性条件反射, 还受到高级认知加工的影响, 无论是物理光刺激还是亮度知觉都能引起瞳孔收缩。

眼睛上面的三种颜色

这个是瞳孔变化的原理

第一, 亮度控制。亮度是影响瞳孔变化的主要物理因素, 因此记录瞳孔数据时必须严格控制亮度, 尤其在生态环境中应谨慎使用瞳孔指标。为了更好地控制该因素, 研究者建议在中等亮度环境中进行认知任务研究。

相比于周围环境亮度, 瞳孔受屏幕亮度的影响更大(屏幕亮度引起瞳孔的变化阈限值为1 mm; 周围亮度引起瞳孔的变化阈限值为0.4 mm) , 因此在控制周围亮度后, 应该对刺激的亮度进行平均化处理, 以减少亮度对瞳孔变化的干扰。

这里给出了一个红蓝光对眼刺激的基本变化

第二, 注视位置。眼动追踪研究使用较多的是基于光学记录的眼动仪器(如：瞳孔-角膜反射记录), 当摄像机固定而眼睛注视不同位置时, 虽然瞳孔实际大小可能没有变化, 但是记录到的瞳孔面积会因眼球旋转而发生变化。

眼睛从左到右的瞳孔变化

第三, 瞳孔基线校正。考虑到瞳孔震颤、瞳孔大小的个体差异等对结果的影响, 研究者必须进行基于瞳孔基线的校正或对比, 以提高统计检验力。基线的选取既可以是刺激呈现前的0.5 s或1 s , 也可以是刺激呈现后0.5 s的瞳孔直径。

确定基线后, 研究者需要把实验条件下的瞳孔大小根据基线进行处理, 处理方法主要有2种：

除法换算(瞳孔校正值 = 瞳孔大小/基线值)

减法换算(瞳孔校正值 = 瞳孔大小 - 基线值)

第四, 眨眼的处理。

在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 ms)对瞳孔测量值进行内插法。

但眨眼后进入视网膜的亮度比眨眼时更强, 瞳孔会出现轻微而快速的缩小, 甚至需要5 s才会恢复到基线水平。

其他方面, 如左右眼瞳孔的选择, 由于左右眼的瞳孔差异不大, 大部分研究在数据采集时选取任意一只眼的数据, 也可以对左右眼的瞳孔大小进行平均。

下面看一个Nature的实现，这个文章设计了一个灯，来让普通设计有拍摄瞳孔的作用。

准确瞳孔测量的关键是捕获可以清楚地区分瞳孔与虹膜的图像。然而，在可见光下分割瞳孔和虹膜很困难，特别是对于虹膜颜色较深的个体。

瞳孔的作用就像一个光圈，允许光线穿过眼睛的后部，大部分光线被吸收，因此瞳孔呈现黑色。

临床瞳孔计和其他高性能瞳孔测量系统利用近红外光来测量瞳孔，因为虹膜的黑色素反射更长的波长并且显得明亮，这与暗瞳孔形成显着对比。

Pixel 4

近红外相机可以进行瞳孔测量，但在除高端机型之外的智能手机上很少见，而大多数手机都内置滤光片，去除可见光谱以外的光线，以提高摄影的图像质量。

加州大学圣地亚哥分校的解决方案是使用可见光谱内经过过滤的远红光波长，即使使用智能手机内置的RGB摄像头，也能显着区分瞳孔和虹膜。

读到这里就知道了为什么可以发Nature了。因为确实是一种新颖的测量办法。

这篇nature给的灯光在650和700

利用 630 nm 长通滤光片在远红 (630–700 nm) 光谱中成像，其中虹膜中的黑色素反射光线，与暗瞳孔形成对比，显得更亮。

设计了一个这样的装置

就这东西，在Nature里面

该系统旨在用 625 nm 的光持续照射眼睛。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。

与白光或蓝光不同，红光不会对瞳孔收缩提供强烈刺激。先前的研究表明，与蓝光和红光组合条件相比，单独的红光引起的瞳孔收缩要小得多。这项工作表明，虽然红光会导致瞳孔有些收缩，但瞳孔反应任务不会受到显着限制。

红光对于瞳孔来说是足够弱的刺激，使得瞳孔保持响应其他刺激而收缩的显着能力。

此外，照明在测试期间保持恒定，因此在测试期间不会引起瞳孔内的变化。因此，涉及其他视觉、认知或情感刺激的瞳孔反应测试可以无障碍地进行。

原型通过使用 6 个 Marubeni SMT 625 nm LED 照亮视野来创建适当的照明环境，所有 LED 的光谱半宽度均为 25 nm。

上面这个灯我没有找到。

LED 由一个简单的开关控制，并由嵌入附件的 PCB 背面的纽扣电池供电。请注意，目标 630-700 nm 范围之外的任何照明光都会被长通滤波器和智能手机相机滤光片衰减。

PCB 的形状为半圆形，这样它就可以旋转以将间隙定位在智能手机手电筒上方（假设手电筒距离相机大约 1.5 厘米以内）。

手电筒旨在刺激用户引起瞳孔收缩。手电筒由智能手机应用程序控制，以遵循常见的瞳孔反应测试程序。

此外，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，以便 LED 可以安全地照射到参与者的眼睛，而不会过度曝光。橡胶眼罩可阻挡外部光线，以确保来自环境的光线不会对读数造成意外刺激或眩光。此外，该示波器还可作为可用性辅助工具，帮助在 3D 空间中正确定位相机，以适当聚焦和测量瞳孔。

这里看一些设计细节，刺激的光源使用中性密度片过滤，降低强度：

这是我做的一个原型

中性密度滤光片，一般分为吸收式和反射式。反射式中性密度滤光片，采用薄膜干涉的原理，将一部分光透过，而将另一部分光反射( 通常不再利用这些反射光)，这些反射光容易形成杂散光而降低实验精度，此时请使用ABC 系列光线收集器收集反射光。吸收式中性密度滤光片，一般是指材料本身或在材料中参杂某些元素后，对一些特定波长的光起到吸收作用，而对其它波长的光不发生或少发生影响。通常吸收式中性密度滤光片的损伤阈值要低一些。

再也不用被亮瞎狗眼了。

至于实现，说不准下篇文章就是。

https://www.nature.com/articles/s41598-023-40796-0

https://storage.googleapis.com/jnl-up-j-jc-files/journals/1/articles/18/submission/proof/18-1-153-1-10-20180221.pdf

https://journalofcognition.org/articles/10.5334/joc.18

https://journal.psych.ac.cn/xlkxjz/article/2020/1671-3710/1671-3710-28-7-1029.shtml

http://www.mems.me/mems/system_integrator_202310/12428.html

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