2017, Vol. 38
2. 中国科学技术大学生命科学学院视觉研究实验室, 合肥 230027;
3. 合肥工业大学电子科学与应用物理学院物理系, 合肥 230009
2. Visual Research Laboratory, School of Life Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, Anhui, China;
3. Department of Physics, School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China
视力检查是眼科检查的常规内容，检查结果的可靠性与可重复性对准确进行临床诊断和眼病筛查有着重要意义。目前国内大多用标准对数视力表进行视力检查，该视力表是缪天荣教授[1]根据Weber-Fechner心理物理学法则、利用视标大小及形成的视角以几何级数增减的方法发明的。其记录法可以用于视力统计和疗效的评估，同时记录值表现为视力越好数值越大，符合大众习惯[2]，因而被广泛应用。但其使用局限性也不容回避。例如，上下行视标的大小不相等，不同行视标的列间距不相等，存在边缘效应和视觉拥挤效应；视标开口方向固定，存在记忆视标问题，增加了受试者猜中视标的概率，降低了检查的可靠性；视力表的印刷质量差异、生产规格不统一、灯箱视力表的亮度不均匀、检查人员的经验、检查环境等因素都会对检查结果产生影响。
随着电子设备的日渐普及，近年来有研究者尝试使用iPad、智能手机等设备进行视力检查，但电子设备目前仍存在照度和亮度不够稳定和标准、视标不标准、测量距离不准确等问题，并且很难消除屏幕大小及屏幕反光现象的制约，直接影响视力检查结果[3-5]。但用基于计算机的显示器进行视力检查在某种程度上有其独特的优势[6]。自适应视力检测法是在Beck等[7]发明的E-ETDRS视力表的基础上研制出来的，该方法通过计算机程序设计并控制刺激，用显示器呈现刺激进行视力检查，每幅刺激由9个大小相同、开口方向不同的E视标组成，排列成3行3列，视标的行、列间距均相等。本研究用自适应视力检测法和标准对数视力表同时进行成人双眼视力检查，以评价自适应视力检测法的准确性和可重复性，探讨自适应视力检测法这一自动化视力检查方法应用于临床的可行性。
1 对象和方法 1.1 自适应视力检测法计算机仿真实验为了考察实验的可行性，利用logistic函数仿真一个理想观察者，根据预先设定好的心理物理学函数及参数判断出相应刺激的正确概率，进而根据该正确概率给出正确或错误的回答。为了最大程度地模拟真实情况，我们选择了具有代表性的执行对比度检测任务的正常人的心理物理学函数[8]作为理想观察者内在模型。内在“真实”的心理物理学函数采用logistic函数形式p=(1-γ-λ)/(1+e-β(x-α))，其中p是正确率；x是输入的刺激强度；α是感觉阈值，即该理想观察者的log MAR (logarithm of the minimum angle of resolution)视力，本研究中定义为0；β是斜率，在logistic函数中定义为16.58，从而使得该心理物理学函数的上升段(正确率29%~85%)，即观察者作出不确定性回答的视标宽度为0.2 log MAR[9]；γ表示当刺激强度极低而受试观测不到刺激时的猜测率，在强制N选一任务中γ=1/N，本实验采用强制四选一任务，故设定为0.25；λ表示因为眨眼、按键错误等原因回答错误的概率，即遗漏率，一般心理物理学实验中遗漏率会控制在0.02以下，但考虑到本测试方法会用于不熟练的观察者，故仿真实验中设定为一个较高的遗漏率(λ=0.04)[10]，以检验本方法应对高遗漏率观察者时的可靠性。仿真实验结果(图 1)表明，测试的偏差(bias)在25个trial后趋于稳定；测试的标准差(SD)随着trial数的增加逐渐降低，30个trial后的标准差趋于稳定，而且15个trial后测试的标准差即小于0.1。根据仿真实验结果，自适应视力检测法的测量结果在30个trial后已可被接受(实验中设定trial数为40)。
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图 1 自适应视力检测法计算机仿真实验结果统计图 Fig 1 Statistical results of simulation experiment for computerized tumbling E test A: Scatter diagram of trial number and bias; B: Scatter diagram of trial number and standard deviation |
1.2 受试者视力检查 1.2.1 检查对象
检查对象共30名，年龄(26.1±4.7)岁，男18名、女12名，其中裸眼视力24人、矫正视力6人。实验前在某网站论坛发布招募视力检查受试者的信息，本实验的受试者均为自愿报名，以在校大学生居多，该群体的视力发育已经成熟，且正处于青壮年，检查结果具有一定的代表性。所有检查对象均无弱视和其他影响视觉功能的眼部疾患。分别用40 trials、80 trials的自适应视力检测法以及标准对数视力表(随机次序)对受试者进行双眼视力检查各1次。
1.2.2 自适应视力检测法检查过程自适应视力检测法中视标为三划相等的字母E，长、宽均为5a，每一笔画的长度均为a(图 2A)。本检查程序中的最大视标大小为1.0 log MAR，最小视标大小为-0.3 log MAR。对于自适应视力检测法这一类的自适应方法，由于视标会自适应变化到受试者的可见大小，每次检查的第1个trial常常设定略高于阈值[10]，实验中视标初始大小设定为0.3 log MAR。每幅刺激包含3行3列、共9个视标，遵循如下规则：字体为字母E，刺激的高度和宽度比为1:1，视标行间距和列间距都等于视标宽度(图 2B)。
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图 2 自适应视力检测法的视标(A)与刺激(B) Fig 2 Visual object (A) and stimulation (B) of computerized tumbling E test |
在软件中输入受试者的姓名、年龄等基本资料后，由受试者独立完成整个检查过程。正式检查之前让受试者进行15个trial的练习，以熟悉检查程序。检查过程中刺激大小的变化遵循Staircase procedure中“Weighted up-down method”的原则。按F10键开始实验，屏幕中央出现注视点，受试者盯着注视点，按空格键呈现刺激，耳机中有一个2 000 Hz的短提示音，受试者观察刺激中央E视标的开口方向，通过电脑键盘上相应的方向键对开口方向做出选择。如果选择正确，耳机内出现一个1 000 Hz的短提示音，屏幕上再次出现注视点，再次按空格键，则下一刺激的视标尺寸会减小0.05个对数单位；如果受试者选择错误，则耳机内出现一个500 Hz的短提示音，按下空格键后，下一刺激的视标尺寸会增大0.1个对数单位。如果受试者不进行键盘操作，屏幕上显示的图样不会改变。测试的全部trial数完成后，软件自动记录并保存受试者的检查数据，用最大似然法进行数据拟合，得到每名受试者的视力log MAR值并将检查结果反馈在屏幕上。心理物理学测量中，为保证测量的精确度，trial数一般为80~150[11-12]。但由本研究的计算机仿真结果可以发现，因为采用了最大似然估计，40个trial就可以获得可靠的实验估计。所以本实验中我们选择两种trial数(40和80)，以检验较短的测量时间下(trial数为40)能否得到可靠的测量结果(trial数为80)。每次视力检查结束后，受试者休息5 min再进行下一次检查。
在视觉认知领域，视觉拥挤效应是影响视力检查结果的一个重要因素，是视觉系统物体识别的瓶颈。视觉拥挤效应是指当视野中的靶目标被周边干扰物围绕时，原本清晰可辨的靶目标将会变得难以辨认[13]。对普通人来说，周边视野更容易受拥挤效应的影响，而中央视野则基本不受影响[14-15]。为了有效减小拥挤效应对检查结果的影响，实验中受视者只观察刺激中心处的视标，该视标的大小与周围8个视标均相等，与上、下、左、右4个视标间距离均为5a，与左上、左下、右上、右下4个视标的斜间距均为
本实验的视觉刺激由MATLAB软件心理物理工具包生成，在由NVIDIA Quadro K600显卡驱动的EIZO FlexScan T962显示器上显示，显示器大小为40 cm×30 cm。显示器分辨率设定为1 600×1 200，屏幕背景亮度为40 cd/m2，视标亮度为5 cd/m2，检查距离为5.0 m。检查结束后，受试者的基本资料、最终检测结果及每个trial中受试者的反应时间、选择正误等信息均被存储到数据库中。软件自动显示检查结果(对数视力值)。
1.2.3 标准对数视力表检查过程检查者从视力表最上面一行开始，逐行指每一个视标，让受试者辨认视标的开口朝向，当某行的视标辨认错误达到2个时，则不再辨认下一行视标，用逐行计分法记录受试者的视力值(例如：5.1行视标辨认错误为2个，则记录该受试者的视力为5.1-(2/8)×0.1=5.075)。实验所用的标准对数视力表放置于照明灯箱内，灯箱背景亮度为985 cd/m2，视标亮度为4.69 cd/m2(亮度均由北京师范大学光电仪器厂生产的ST-86LA型屏幕亮度计测得)，检查距离为5.0 m。检查环境与自适应视力检测法相同。
1.2.4 最大似然估计自适应视力检测法的数据拟合用最大似然估计。行为学数据一般是一个伯努利过程，其数据呈现为二项分布，可以直接定义在观察到反应y下θ参数的似然值，似然值l(θ, y)在数值上和概率p(y|θ)(即方程参数为θ时观察到反应y的概率)相等。但在处理实际数据时，数据一旦被采集，反应y即是固定的，而参数是变化的。对于任意的θ，因为对数函数是单调的，此时对数似然值也是最大的，并可由下列公式得到：
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一般来说，可以先寻找l(θ, y)上令其导数为0的θ点(局部极值点)，从这些局部极值点中找到全局最大点，从而找到估计值。本次实验采用随机逼近方法来寻找使方程最大的θ。
1.3 数据记录与处理用MATLAB软件将检查结果全部转换成以log MAR为单位进行统计分析。用SPSS 19.0软件对实验数据进行配对样本t检验，以衡量检查结果的相关性和差异性，并用一致性限度衡量其一致性。用散点图表示每位受试者检查结果的波动、整体波动幅度(一致性或重复性)，以及波动幅度与视力水平的相关性。
2 结果自适应视力检测法(40 trials)的检查结果为(-0.05±0.14)log MAR，标准对数视力表的检查结果为(-0.08±0.13)log MAR。95%受试者2种检查结果的波动为0.13个对数单位(小于视力表2行)，且2种检查之间的差异不随受试者视力水平的变化而变化，见图 3A。自适应视力检测法(80 trials)的检查结果为(-0.04±0.14)log MAR，与标准对数视力表检查结果相比，95%受试者2种检查结果的波动为0.30个对数单位(大于视力表2行)，见图 3B。95%受试者自适应视力检测法(40 trials)与自适应视力检测法(80 trials)检查结果的波动仅为0.06个对数单位(小于视力表1行)，见图 3C。
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图 3 测量结果的Bland-Altman散点图 Fig 3 Bland-Altman scatter plot of measurement results A: Standard logarithmic visual acuity chart and computerized tumbling E test with 40 trials; B: Standard logarithmic visual acuity chart and computerized tumbling E test with 80 trials; C: Computerized tumbling E test results with 40 trials and 80 trials. SD: Standard deviation |
分别将自适应视力检测法(40 trials)、自适应视力检测法(80 trials)及标准对数视力表的测量结果进行配对样本t检验，标准对数视力表测量结果和自适应视力检测法(40 trials)测量结果的差异无统计学意义[t(29)=-1.970，P>0.05]；标准对数视力表测量结果和自适应视力检测法(80 trials)测量结果的差异有统计学意义[t(29)=-2.937，P < 0.05]，自适应视力检测法(40 trials)测量结果和自适应视力检测法(80 trials)测量结果的差异无统计学意义[t(29)=-1.899，P>0.05]。
3 讨论Logistic函数是一种关于阈值点左右对称的函数形式，因其数学形式简单而被广泛应用于计算机科学、大气科学、空间科学等领域。在应用于心理物理学函数估计时，logistic函数表现出对数据更好的全局拟合精确度以及更强的鲁棒性，成为最常选用的心理物理学模型之一。本研究采用logistic函数进行仿真实验，结果表明自适应视力检测法测试的偏差在25个trial后趋于稳定；测试的标准差随着trial数的增加逐渐降低，30个trial后的标准差趋于稳定，而且15个trial后测试的标准差即小于0.1。根据仿真实验结果，自适应视力检测法的测量结果在30个trial后已可被接受，因此实验中设定trial数为40。从测量结果的统计数据来看，40 trials和80 trials测量结果的差异无统计学意义，表明该方法测量结果具有良好的稳定性。自适应视力检测法(40 trials)检查结果与标准对数视力表检查结果的差异无统计学意义，95%视功能正常的成年受试者2种方法之间的差异小于视力表2行，表明自适应视力检测法与标准对数视力表一致性良好。检查结果与已有类似研究结果[7, 16-17]相比较，得到的一致性限度值相接近。
视力检查是临床实践中对视觉功能进行完整性评价的基本工具，对于受检者而言也是一个复杂的生理和心理过程。影响检查结果的因素较多，有研究表明同一日内视力检查结果的差别达到12%[18]。本研究发现自适应视力检测法(80 trials)测量结果和标准对数视力表测量结果的差异有统计学意义，可能与以下因素有关：(1)屏幕亮度的影响。标准对数视力表的灯箱亮度明显比电脑屏幕亮度高，受试者辨认刺激的能力会因亮度的不同而有差异。(2)人为因素的影响。自适应视力检测法是由受试者自主完成检查结果，而标准对数视力表的检查必须要有检查者参与。(3)Trial数的影响。如果trial数太少，结果不能准确反映受试者的视力水平；如果trial数太多，受试者眼睛需要长时间注视屏幕，容易疲劳，同样对检查结果造成影响。本研究结果显示40 trials用于自适应视力检测法较为合理。
自适应视力检测法和标准对数视力表相比具有以下特点：(1)刺激的设计与呈现方式与标准对数视力表不同，改善了标准对数视力表的局限性。(2)有效减小视觉拥挤效应对检查结果的影响。(3)视标的大小双向变化，根据受试者的反应按“2 up 1 down”逐渐逼近视力阈值，使得检查结果更为准确，也与受试者的精神生理反应更为契合。(4)自动化操作，自动记录结果，不需要检查者进行指导或判断结果及记录。(5)通过程序设计，可以实现对超常视力的检查。本方法对于需要长期监测视力变化的群体来说，费用与便利性的优势更为明显，更有利于对疾病发展变化的研究。在临床应用中，消除了检查者主观因素的影响，减少了技术人员的培训量，实现了检查过程和结果的标准化。结合互联网技术，可对有需要的群体进行远程视力检查，实现医疗服务的互联网化，满足人们个性化医疗的需求；配置到“胶囊诊所”中可为偏远地区的视力检查和眼病筛查带来开创性变革。
自适应视力检查法在实际应用时也存在着一定的制约因素，例如：(1)购买计算机及辅助设备等前期投入成本比标准对数视力表大；(2)刺激的呈现受显示器像素、屏幕尺寸等因素限制；(3)要求受试者具有基本的电脑操作技能，这使得本方法在部分人群中的应用受到限制。随着视频技术的发展，大屏幕、高亮度显示器的应用，尤其是互联网技术和远程技术的逐渐成熟，这些制约因素的影响将逐渐变弱。
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