胡義波，武 杰，樊碧月，項華中

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

引 言

作為一種疾病狀態(tài)，近視的發(fā)生和危害不可逆轉(zhuǎn)，輕則影響正常生活，重則引起視覺疾?。?］。2018年全國青少年總體近視率為53.6%，其中高中生和大學(xué)生的近視率雙雙超過80%，預(yù)計2020年中國近視人數(shù)會達(dá)到7 億［2?3］，到2050年全球近視人口將達(dá)47.58 億［4］。眼鏡作為一種醫(yī)療器械是近視矯正的首要選擇，但是中國大量的視光從業(yè)人員操作步驟不完善［5?6］，屈光檢查后讓患者試戴鏡片，僅憑其主觀感受確定最終驗配方案。對于青少年來說，驗光不合格的眼鏡可能會讓孩子的近視度數(shù)漲得更快；而對于成年人來說，驗光不合格的眼鏡不僅可能引起一定程度的度數(shù)增加，還有可能造成頭暈、眼睛易疲勞的狀況，進(jìn)一步引發(fā)其他問題，如眼睛發(fā)炎、干眼癥等［7］。

對于驗光配鏡以及鏡片加工設(shè)計來講，患者能接受并且感到舒適是一個重要的原則，但是鏡片的舒適與否具有很強的主觀性，所以找到客觀的能夠反映鏡片舒適性的指標(biāo)具有重要意義。對患者來說，可以通過這些指標(biāo)的引導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)被自己忽略的感受信息，從而產(chǎn)生更多的反饋；對視光從業(yè)人員來講，通過這些指標(biāo)，發(fā)掘患者沒有表達(dá)出來的隱藏信息，客觀了解患者的真實感受，減少問詢的工作量，可在顯著提高工作效率的同時大幅提升服務(wù)質(zhì)量。整體來講，找到評價鏡片舒適度的指標(biāo)能夠為中國當(dāng)前保護(hù)視覺健康的行動提供切實幫助。

眼睛的狀態(tài)可以通過一系列眼動指標(biāo)來反映，這些眼動指標(biāo)包含眼跳次數(shù)（Saccade index）、注視次數(shù)（Fixation duration）、瞳孔直徑（Pupil diameter）等。李貴英［8］使用傳統(tǒng)的檢測方法，對戴鏡的參試者進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)佩戴不合適鏡片會對眼睛調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生影響；張莉等［9］發(fā)現(xiàn)在觀看3D 視頻過程中，眼跳幅度較大，眼跳頻率較快，眼跳持續(xù)時間較短，眼跳速度較快等。同時，已經(jīng)有很多利用眼動追蹤技術(shù)檢測眼動指標(biāo)并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用的研究［10?17］，如Khachatryan 等［18］通過注視點和興趣區(qū)來研究消費者對不同的低成本住房景觀的態(tài)度，幫助政府制定低成本住房景觀政策；Naqvi 等［19］通過研究海上作業(yè)時專家和新手的眼動模式差異，來指導(dǎo)新手培訓(xùn)；崔冬等［20］利用眼動追蹤技術(shù)研究孤獨癥兒童和正常兒童掃視模式的差異，來輔助臨床醫(yī)生診斷等。本研究使用非侵入式眼動儀檢測佩鏡前后各項眼動指標(biāo)數(shù)據(jù)變化，同時開展主觀評價實驗，挖掘研究能夠反映鏡片舒適程度的眼動指標(biāo)，通過不同的評價方法，從多個角度對各項眼動指標(biāo)性能進(jìn)行評估。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

實驗對象：本研究共招募20 例屈光不正的受試者（11 例男性，9 例女性），年齡在21~45 歲之間，屈光度在-0.75 D~8.25 D 范圍內(nèi)；無眼部疾病，外眼及眼底檢查未見異常；在實驗前沒有服用任何藥物，且休息良好。本實驗已經(jīng)獲得受試者的知情同意。

實驗設(shè)備：采用7invensun 公司的aSeeGlasses 眼鏡式眼動儀及其軟件包作為檢測記錄裝置，眼動儀采樣頻率為120 Hz，裝置如圖1 所示。

圖1 aSeeGlasses 眼鏡式眼動儀Fig.1 aSeeGlasses eye tracker

實驗任務(wù)：（1）獲取受試者在佩戴眼鏡狀態(tài)下的眼動指標(biāo)數(shù)據(jù)，如瞳孔直徑、眼瞼間距、眼跳次數(shù)和注視時長等數(shù)據(jù)；（2）為更加準(zhǔn)確地找到反映不同鏡片舒適度的眼動參數(shù)，凸顯差異性，為每位受試者驗配兩副會造成不同舒適度的鏡片；（3）為了客觀衡量鏡片的舒適性，需要對舒適性進(jìn)行量化研究，進(jìn)行主觀性評價實驗，設(shè)計鏡片舒適度評價表，提供給受試者填寫。

實驗材料：（1）結(jié)合實驗任務(wù)，實驗前先邀請視光醫(yī)生以及配鏡中心的配鏡師使用綜合驗光儀包含電腦驗光儀以及牛眼等光學(xué)設(shè)備，對受試者進(jìn)行全面的驗光以及視功能檢查，為每一位受試者驗配一副舒適的鏡片X，同時再為受試者配一副不合適的鏡片Y，每幅Y鏡片相對于X鏡片的變化量是K×50度，結(jié)合專家意見以及受試者反饋，K的取值范圍是（±1，…，±4），共計40 副鏡片。（2）舒適度問卷表。問卷表是在參考國際通用的舒適度問卷如眼表疾病指數(shù)（Ocular surface disease index，OSDI）調(diào)查問卷表，干眼調(diào)查問卷表等，以及一些配鏡驗光中心供患者填寫的問卷基礎(chǔ)上制成，具體內(nèi)容包含是否暈眩、惡心、流淚、眼干等癥狀，閱讀過程中是否看得清晰、字體是否變形，是否需要通過睜大眼睛/瞇眼才能視物清晰等問題，以此來量化受試者的舒適程度。舒適度問卷表滿分10 分，最低1 分，最終得分越高，表明受試者越舒適。

實驗流程：每次邀請一名受試者進(jìn)入實驗室，先介紹實驗基本流程以及熟悉舒適度問卷，然后將為該受試者定制的測試鏡片X安裝到眼動儀上，受試者在實驗員的幫助下佩戴好眼動儀；采用三點校準(zhǔn)法進(jìn)行眼動儀校準(zhǔn)，雙眼校準(zhǔn)評分均大于閾值即可開始正式實驗；令受試者按照實驗要求進(jìn)行視物任務(wù)，時長為10 min；受試者完成后令其摘下眼動儀，然后填寫舒適度調(diào)查問卷，實驗員保存實驗數(shù)據(jù)；換用為受試者驗配的測試鏡片Y，重復(fù)上述步驟，不同鏡片實驗期間給予受試者10 min 的休息時間。 該受試者完成全部步驟以后，引入下一位受試者進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗，直至所有受試者實驗結(jié)束。

為了讓實驗數(shù)據(jù)更加客觀，消除潛在的學(xué)習(xí)效應(yīng)，實驗中隨機選擇10 個人在實驗流程的第2 步先測試X鏡片，另外10 個人在實驗流程的第2 步先測試Y鏡片。

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法分析

經(jīng)過對眼動數(shù)據(jù)以及問卷表的匯總處理，發(fā)現(xiàn)有2 人的眼動數(shù)據(jù)采樣率低于80%，認(rèn)為不足以反映受試者的眼動情況，所以舍去這2 人的眼動數(shù)據(jù)，最后取剩余18 位受試者的眼動數(shù)據(jù)，做進(jìn)一步的分析。

分析整理采集到的原始數(shù)據(jù)，獲取受試者在實驗過程中的注視次數(shù)、注視時長、眼跳次數(shù)、瞳孔直徑和眼跳幅度等直接的眼動數(shù)據(jù)。由于眼動指標(biāo)較多，所以通過相關(guān)性檢驗，篩選出具有較好的獨立性兼具代表性的眼動指標(biāo)進(jìn)行下一步分析。眼動指標(biāo)相關(guān)性檢驗結(jié)果如表1 所示。

表1 眼動指標(biāo)相關(guān)性Table 1 Correlation of eye movement index

表1 列出了不同眼動指標(biāo)之間的相關(guān)性，對于相關(guān)性很高的眼動指標(biāo)進(jìn)行篩選保留如注視次數(shù)、總注視時長、平均注視時長和眼跳次數(shù)四者之間具有強相關(guān)性，同時考慮到可能存在潛在的個體視物特點影響，以及各個眼動指標(biāo)的代表性選擇保留平均注視時長與眼跳次數(shù)做進(jìn)一步的分析；平均眼跳幅度和總眼跳幅度也有較強的相關(guān)性，選擇保留平均眼跳幅度做進(jìn)一步的分析。通過相關(guān)性檢驗篩選出來的眼動指標(biāo)有眼跳次數(shù)、平均注視時長、平均眼跳幅度和瞳孔直徑。

觀察采集到的受試者眼部圖像，發(fā)現(xiàn)受試者評分較低的舒適度問卷表所對應(yīng)的視物眼圖存在一些自有的特點，主要表現(xiàn)在視物過程中會出現(xiàn)較多的眨眼、瞇眼或者張大眼瞼的行為，如圖2 所示。根據(jù)推斷，當(dāng)佩戴的眼鏡不舒適的時候，人會通過瞇眼來調(diào)節(jié)焦距，同時通過頻繁眨眼來濕潤眼球，瞇眼后一般還有一個張大眼瞼的行為來緩解瞇眼帶來的不適。所以新提出的眼動評價指標(biāo)相比于過往研究中經(jīng)常使用的眼瞼間距，克服了個人的生理不同，更具客觀與合理。

圖2 眨眼過程Fig.2 Blinking process

為了在數(shù)據(jù)上能夠刻畫這種行為，本文提出了一項新的眼動指標(biāo)——眼瞼間距變動百分比，用以衡量眨眼、瞇眼或者張大眼瞼的行為占比。計算過程如下：

（1）確定受試者正常狀態(tài)下的眼瞼間距。通過受試者填寫的舒適度問卷評分，找到每位受試者最高評分對應(yīng)的眼動實驗數(shù)據(jù)，截取第2~5 min 的眼瞼數(shù)據(jù)，利用箱線圖法（Boxplot）篩選出這段數(shù)據(jù)中偏離數(shù)據(jù)中心較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，如圖3，然后去除這些異常數(shù)據(jù)，再對剩下的眼瞼間距數(shù)據(jù)取平均值作為正常的眼瞼間距，記為S。

圖3 眼瞼間距箱線圖Fig.3 Boxplot of eyelid spacing

（2）統(tǒng)計出每位受試者的眼瞼間距數(shù)據(jù)列中小于0.7S的以及大于1.1S的數(shù)據(jù)個數(shù)，再計算出這些數(shù)據(jù)在整個數(shù)據(jù)列數(shù)中的占比，即為眼瞼間距變動百分比。閾值可通過咨詢行業(yè)醫(yī)生，多次的測試以及查閱資料［21?24］最終確定，閾值選擇過高或過低時會出現(xiàn)0 數(shù)據(jù)以及不同狀態(tài)下數(shù)據(jù)區(qū)分不明顯

2 結(jié)果與分析

2.1 不同舒適度下的各項眼動指標(biāo)顯著性

對評分舒適和不舒適的各項眼動指標(biāo)進(jìn)行配對T檢驗。各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化如圖4 所示，結(jié)果表明：眼跳次數(shù)的差異性顯著，p=0.046 8<0.05；平均注視時長差異不顯著，p=0.355 7>0.05；瞳孔直徑的差異性顯著，p=0.006 1<0.05；平均眼跳幅度的差異性不顯著，p=0.440 5>0.05；眼瞼間距變動百分比的差異性顯著p= 0.000 9<0.05。

圖4 眼動指標(biāo)的顯著性Fig.4 Significance of eye movement index

2.2 各項眼動指標(biāo)與舒適度的相關(guān)性分析

對各項眼動指標(biāo)的數(shù)據(jù)和舒適度評分進(jìn)行斯皮爾曼（Spearman）相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示。結(jié)果顯示：

表2 眼動指標(biāo)與舒適度的相關(guān)性Table 2 Correlation between eye movement index and comfort

（1）眼跳次數(shù)和舒適度的相關(guān)性系數(shù)r= -0.353 7，顯著性系數(shù)p= 0.034 3，認(rèn)為受試者眼跳視次數(shù)和舒適度有顯著的較弱負(fù)相關(guān)，即受試者越不舒服，受試者的眼跳次數(shù)越多；

（2）平均注視時長和舒適度的相關(guān)性系數(shù)r=0.425 7，顯著性系數(shù)p=0.009 6，認(rèn)為受試者平均注視時長和舒適度有顯著的較強正相關(guān)，即受試者越舒服，受試者的平均注視時長將顯著增加；

（3）平均眼跳幅度和舒適度的相關(guān)性系數(shù)r=0.230 9，顯著性系數(shù)p=0.175 4，認(rèn)為受試者平均眼跳幅度和舒適度有不顯著的弱正相關(guān)，即受試者感受舒服時，平均眼跳幅度不顯著的增加；

（4）瞳孔直徑和舒適度的相關(guān)性系數(shù)r=0.598 5，顯著性系數(shù)p=0.003 2，認(rèn)為受試者瞳孔直徑和舒適度有顯著的強正相關(guān)，即受試者感受舒服時，瞳孔直徑有顯著的增加；

（5）眼瞼間距變動百分比和舒適度的相關(guān)性系數(shù)r=-0.420 1，顯著性系數(shù)p=0.010 7，認(rèn)為受試者眼瞼間距變動百分比和舒適度有顯著的負(fù)相關(guān)，即受試者感受舒服時，眼瞼的變動百分比比較小，也就是發(fā)生瞇眼和張大眼瞼的情況減小了。

由以上分析可知，眼瞼間距變動百分比、平均注視時長、瞳孔直徑和眼跳次數(shù)與鏡片舒適度均有顯著的相關(guān)性，所以適合作為反映鏡片舒適度的特征指標(biāo)，而平均眼跳幅度和舒適度的相關(guān)性不高，顯著性也不強，所以不適合作為反映鏡片舒適度的特征指標(biāo)。接下來利用受試者特征曲線（Receiver operating characteristic，ROC）判別曲線對保留的這4 個眼動指標(biāo)進(jìn)一步分析，以評判各項眼動指標(biāo)對受試者舒適程度的判別性能。

2.3 ROC 分析

ROC 曲線是描述敏感性和特異性相互關(guān)系的曲線，是反映敏感性和特異性連續(xù)變量的綜合指標(biāo)［25?28］。敏感性又稱真陽率（True positive rate，TPR），特異性又稱真陰率（True negative rate，TNR）。在本文中敏感性表示受試者舒適并且也被識別為舒適的概率，特異性表示受試者不舒適被識別為不舒適的概率。

ROC 曲線通過將變量設(shè)定出多個不同的臨界值，根據(jù)每個臨界值計算出對應(yīng)的敏感性和特異性，最終再以敏感性為縱坐標(biāo)、（1-特異性）為橫坐標(biāo)繪制成曲線。因為ROC 判別結(jié)果一般只有“真”和“假”兩種情況，所以適用于評價二元分類的判別性能。本文中有舒適和不舒適兩種情況，根據(jù)受試者填寫的舒適度問卷，以8 分為界將受試者的結(jié)果分為舒適樣本組和不舒適樣本組，8 分及以上為舒適樣本組，8 分以下為不舒適樣本組。

AUC（Area under the curve）表示ROC 曲線下方面積，代表的是一個概率值，表示選擇一個樣本之后，預(yù)測為正的概率值比預(yù)測為負(fù)的概率值還要大的可能性。常通過計算AUC 的大小來評價指標(biāo)判別能力的大小，面積越大則判別準(zhǔn)確性越高，AUC 的理論取值范圍在0.5~1.0 之間，0.5 對應(yīng)幾率線（對角線）下的面積，1.0 對應(yīng)整個ROC 平面的面積。圖5 為眼跳次數(shù)、平均注視時長、瞳孔直徑和眼瞼間距變動百分比的ROC 曲線。本文ROC 的繪制與AUC 的計算均使用MATLAB 環(huán)境下的函數(shù)。

圖5 中各項指標(biāo)的AUC 值列于表3。根據(jù)各項眼動指標(biāo)的AUC 值排序，眼瞼間距變動百分比（0.734）>瞳孔直徑（0.694）>眼跳次數(shù)（0.654）>平均注視時長（0.651），可以得出本文新引入的眼動指標(biāo)眼瞼間距變動百分比對于鏡片舒適度的判別性能最好，瞳孔直徑效果次之，而眼跳次數(shù)和平均注視時長的判別效果相當(dāng)。從眼瞼間距變動百分比的結(jié)果來看，它能夠比單獨的眼瞼間距或者眨眼次數(shù)表現(xiàn)得更好。因為人的眼瞼間距客觀上不同，所以指標(biāo)自身就受到限制，同時眼動儀對眨眼的判別很嚴(yán)格，瞇眼等眼動會被遺漏，而本文提出的眼瞼間距變動百分比則克服了上述兩個眼動指標(biāo)存在的問題，并同時吸收了兩個眼動指標(biāo)的優(yōu)點。

圖5 眼動指標(biāo)的ROC 曲線Fig.5 ROC curvers for eye movement index

表3 眼動指標(biāo)的AUCTable 3 AUC for eye movement index

3 結(jié)束語

本文利用眼鏡式眼動儀檢測記錄受試者佩戴不同舒適度鏡片的眼動情況，使用到的眼動指標(biāo)有平均注視時長、平均眼跳幅度、眼跳次數(shù)、瞳孔直徑，同時本文沒有拘泥于這些經(jīng)典的眼動指標(biāo)，通過對實驗數(shù)據(jù)的挖掘，提出了一項新的眼動指標(biāo)——眼瞼間距變動百分比。新指標(biāo)的產(chǎn)生是從實際的數(shù)據(jù)出發(fā)，符合客觀存在的規(guī)律。對這5 項評價指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗、相關(guān)性檢驗和ROC 曲線分析，結(jié)果顯示，對鏡片舒適度判別性能最好的指標(biāo)是眼瞼間距變動百分比，其次是瞳孔直徑，接下來是眼跳次數(shù)和平均注視時長。所以，若選取一項指標(biāo)來判斷鏡片的舒適度，可優(yōu)先選擇眼瞼間距變動百分比。

當(dāng)前國內(nèi)的近視問題比較嚴(yán)重，近視人數(shù)節(jié)節(jié)攀升，對配鏡行業(yè)的需求也在劇增，但是中國的配鏡行業(yè)整體上是快餐式的配鏡，行業(yè)水平良莠不齊，不合適的配鏡會加重近視程度。本文為視光師在配鏡過程中，通過眼動儀等專業(yè)儀器來檢測患者的眼瞼間距，來客觀評判患者佩戴眼鏡的舒適程度提供了理論依據(jù)。眼瞼間距在眼動追蹤技術(shù)中易測量，結(jié)果準(zhǔn)確率高，根據(jù)眼瞼間距可推算出眼瞼間距變動百分比，這個過程可以通過程序?qū)崿F(xiàn)自動化，方便易用。本方法可以避免視光從業(yè)人員只靠患者的主觀評價來判斷鏡片舒適性，可從更加客觀的角度根據(jù)量化數(shù)據(jù)來判斷患者鏡片的舒適程度。這項研究也為中國當(dāng)前日益嚴(yán)峻的近視防控形式，以及正在進(jìn)行的保護(hù)視覺健康行動，提供了一定的技術(shù)理論支持。筆者下一步將在擴(kuò)大樣本數(shù)量、增大樣本年齡段覆蓋范圍的基礎(chǔ)上開發(fā)出商用的鏡片舒適度評價系統(tǒng)。