項(xiàng)毅帆 陳睛晶 胡偉玲 許發(fā)寶 林浩添

中山大學(xué)中山眼科中心 眼科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510060

兒童和青少年的近視問題已成為全球公共衛(wèi)生問題[1]。預(yù)測到2050年，全球近視患病率將超過50%[2-3]。我國兒童和青少年近視呈高發(fā)和低齡化趨勢，已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。2018年教育部等八部門印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，將近視防控作為兒童青少年健康管理的重要工作。開展兒童和青少年人群的眼健康管理，早期發(fā)現(xiàn)近視傾向?qū)τ诰徑饧傩越?、控制近視的發(fā)生和發(fā)展、減緩近視患病率的增長具有重要意義[4-5]。眼健康管理是健康管理在眼科的實(shí)踐，以眼病預(yù)防為主導(dǎo)，早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)為原則，維持、改善、提高民眾的視覺質(zhì)量為目標(biāo)。視力檢查是必要的視功能檢查項(xiàng)目，是眼健康評估的主要指標(biāo)[6]?，F(xiàn)在，醫(yī)院場景下的視力表燈箱或液晶屏仍是視力檢查的通用方法，需要眼科專業(yè)人員參與，消耗了大量的醫(yī)療資源[7]。建立個(gè)性化的眼健康管理模式、實(shí)現(xiàn)視覺健康的自我檢測和長期跟蹤對于提高眼健康管理效率、緩解醫(yī)療資源壓力具有重要意義。本研究擬研發(fā)基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)，并驗(yàn)證該系統(tǒng)在自測視力中的應(yīng)用價(jià)值和效能。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采用診斷試驗(yàn)研究方法，連續(xù)納入于2020年3月—5月在中山大學(xué)中山眼科中心就診的兒童及青少年50例100眼，其中男22例44眼，女28例56眼；年齡3～14歲，平均(8.16±4.58)歲；3～6歲者21例，>6～14歲者29例。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡3～14歲；(2)身體一般情況良好；(3)可以配合5 m E字標(biāo)準(zhǔn)視力表的視力檢查(傳統(tǒng)視力檢查法)；(4)愿意接受基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)的檢查(智能視力檢查法)；(5)依從性好。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)無法配合傳統(tǒng)視力檢查者；(2)單眼視力(小數(shù)記錄法)低于0.1者；(3)不愿意接受智能視力檢查法者。本研究方案經(jīng)中山大學(xué)中山眼科中心倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(批文號(hào)：2020KYPJ095)，所有研究步驟和流程遵循《赫爾辛基宣言》，受檢者及其監(jiān)護(hù)人均了解本研究目的并由監(jiān)護(hù)人自愿簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1基于移動(dòng)終端智能視力檢查和管理系統(tǒng)的研發(fā)

1.2.1.1E字視標(biāo)視力表設(shè)計(jì) 根據(jù)傳統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表(GB 11533-1989)對E視標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用三劃等長的正方形E字視標(biāo)，使視標(biāo)的每一筆劃或空隙均為正方形邊長的1/5。規(guī)定能分辨1'視角的視力為正常視力標(biāo)準(zhǔn)，記為5.0，相當(dāng)于傳統(tǒng)小數(shù)記錄的1.0視力。采用每行相差10倍的標(biāo)準(zhǔn)排列視標(biāo)，每行即100.1的增率。各行視標(biāo)的視角均嚴(yán)格按此增率呈幾何(等比)級數(shù)排列，即相鄰2行視標(biāo)之比恒定為1.26。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)完成測試距離為3 m的E字視標(biāo)視力表(表1)。

1.2.1.2程序設(shè)計(jì) 采用JAVA及xcode11設(shè)計(jì)研發(fā)分別適用于Android及IOS平臺(tái)的視力智能檢查和管理系統(tǒng)，測試過程中確保移動(dòng)終端屏幕中心與受檢眼高度在同一水平。系統(tǒng)內(nèi)置3 m測試距離的視標(biāo)，測試過程中視標(biāo)單個(gè)顯示。同時(shí)系統(tǒng)納入實(shí)時(shí)測距、語音識(shí)別、手勢識(shí)別等技術(shù)。

1.2.1.3實(shí)時(shí)測距設(shè)計(jì) 利用移動(dòng)終端自身攝像頭及外設(shè)距離傳感器2種方式實(shí)時(shí)測距，以便在測試狀態(tài)下能自動(dòng)識(shí)別瞳孔與移動(dòng)設(shè)備間的距離，并將當(dāng)前距離實(shí)時(shí)顯示在屏幕上方，當(dāng)用戶前后移動(dòng)時(shí)能夠?qū)y試距離反映給用戶，保證測試距離的穩(wěn)定性和可靠性，每次測試環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合移動(dòng)終端自身攝像頭的實(shí)時(shí)測距原理：系統(tǒng)自動(dòng)獲取移動(dòng)終端攝像頭的焦距參數(shù)F，并依據(jù)用戶的年齡及該年齡段的平均瞳距設(shè)置用戶的瞳距P值，用戶可依據(jù)自身實(shí)際測量值對瞳距進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。此時(shí)移動(dòng)相機(jī)離物體更近或者更遠(yuǎn)，系統(tǒng)可以應(yīng)用公式計(jì)算得到用戶到移動(dòng)終端的距離D=(65×F)/P。

1.2.1.4交互方式設(shè)計(jì) 用戶在識(shí)別視標(biāo)方向時(shí)與該系統(tǒng)的交互方式分為手動(dòng)操作、語音控制和手勢控制3種，在不同的場景下可分別使用不同的交互方式。手動(dòng)操作為直接滑動(dòng)評估，需要他人配合進(jìn)行，根據(jù)受試者對視標(biāo)的識(shí)別情況在屏幕上進(jìn)行滑動(dòng)操作，對測試結(jié)果進(jìn)行反饋。語音控制、手勢控制可由用戶單獨(dú)完成，根據(jù)視標(biāo)識(shí)別情況進(jìn)行語音回答“上、下、左、右”，或?qū)⑹种钢赶蛏戏?、下方、左方、右方。語音識(shí)別系統(tǒng)在測試過程中能夠識(shí)別語音，并將語音實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為文字，并結(jié)合語義識(shí)別來判定與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正確結(jié)果是否相同，當(dāng)相同時(shí)判定為正確，不同時(shí)判定為錯(cuò)誤，無法判定時(shí)默認(rèn)為無法識(shí)別，提示用戶再次回答。在用戶使用過程中，系統(tǒng)根據(jù)用戶的語音習(xí)慣進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，優(yōu)化語音識(shí)別的準(zhǔn)確性及響應(yīng)的靈敏性。手勢控制通過計(jì)算機(jī)視覺來實(shí)現(xiàn)，在識(shí)別到人手輪廓之后，進(jìn)行手勢分割、手勢分析以及手勢識(shí)別，并轉(zhuǎn)化為與視標(biāo)對應(yīng)的方向值，最終判定與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正確結(jié)果是否相同。當(dāng)相同時(shí)判定為正確，不同時(shí)判定為錯(cuò)誤，無法判定時(shí)默認(rèn)為無法識(shí)別，提示用戶再次嘗試。在用戶使用過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)用戶的手勢習(xí)慣，并優(yōu)化識(shí)別的準(zhǔn)確性及靈敏性。

1.2.1.5測試提示 在開始視力測試后，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)通過聲音、畫面及文字提示受試者當(dāng)前測試為右眼或左眼，以及獲取受試者是否佩戴眼鏡，同時(shí)將佩戴眼鏡或不佩戴眼鏡的狀態(tài)自動(dòng)記錄到受試者的視覺健康檔案中。

1.2.1.6測試流程 該系統(tǒng)默認(rèn)的視力檢查從小數(shù)視力0.3對應(yīng)的視標(biāo)行開始。用戶測試過1次后，系統(tǒng)會(huì)從上次結(jié)果對應(yīng)的視標(biāo)上移2行(較大的視標(biāo))開始測試。如上一次測試的小數(shù)視力為0.6，則本次測試的起始視標(biāo)行對應(yīng)的小數(shù)視力為0.4。視標(biāo)出現(xiàn)的方向隨機(jī)分布，每次僅顯示1個(gè)視標(biāo)。判斷標(biāo)準(zhǔn)：每行連續(xù)準(zhǔn)確識(shí)別3個(gè)視標(biāo)，則自動(dòng)進(jìn)入下一行(較小的視標(biāo))。如果每行識(shí)別錯(cuò)誤2個(gè)視標(biāo)則自動(dòng)進(jìn)入上一行(較大的視標(biāo))。如果“看不見”某行視標(biāo)，只需點(diǎn)擊“看不清”或口述“看不清”，程序會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入上一行(較大的視標(biāo))，直至用戶可以看清視標(biāo)。

1.2.1.7輸出結(jié)果 用戶完成雙眼的視力測試后，雙眼的檢查結(jié)果會(huì)顯示在屏幕上(五分記錄法和小數(shù)記錄法)，結(jié)果保存到本地并自動(dòng)上傳至服務(wù)器，便于后期進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)。同一天內(nèi)重復(fù)測量，系統(tǒng)只保留用戶最新的視力測試結(jié)果。

1.2.1.8視覺健康檔案 用戶可根據(jù)需要建立自己的視覺健康檔案，在視力測試開始前可輸入個(gè)人信息并建立視覺健康檔案，測試的結(jié)果會(huì)自動(dòng)保存至該用戶的檔案中。用戶可隨時(shí)查看自己的視覺健康檔案，了解視力的變化情況。在同一移動(dòng)終端可實(shí)現(xiàn)對多人視覺健康檔案的建檔、跟蹤和管理，滿足不同家庭和應(yīng)用場景的使用需求。

1.2.2視力檢查 所有受試者均接受雙眼裸眼傳統(tǒng)視力檢查和智能視力檢查，2種檢查不分先后。傳統(tǒng)視力檢查由同一位眼視光醫(yī)生進(jìn)行；智能視力檢查采用同一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備(華為mate20型智能手機(jī)，Android平臺(tái))進(jìn)行，檢查開始前助手對系統(tǒng)功能和操作流程進(jìn)行講解，協(xié)助和指導(dǎo)受試者完成視力檢查。檢查結(jié)束后由同一位檢查人員記錄受試者性別、年齡、2種檢查模式下不同配合程度的眼數(shù)分布和視力結(jié)果。受試者中配合完成視力檢查并得到視力檢查結(jié)果者視為配合，否則視為不配合。取右眼視力檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2種視力檢查方法的配合程度差異比較采用配對χ2檢驗(yàn)。本研究中LogMAR視力測量值經(jīng)W檢驗(yàn)呈偏態(tài)分布，以M(Q1，Q3)表示。2種視力檢查方法的LogMAR視力測量值差異比較采用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，一致性采用Kappa檢驗(yàn)。Kappa系數(shù)≥0.75提示一致性較好；0.4≤Kappa系數(shù)<0.75提示一致性一般；Kappa系數(shù)<0.4提示一致性較差。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基于移動(dòng)終端智能視力檢查和管理系統(tǒng)的運(yùn)行

利用JAVA及xcode11設(shè)計(jì)，基于實(shí)時(shí)測距、語音交互、動(dòng)作交互技術(shù)成功研發(fā)適用于Android及IOS平臺(tái)的視力智能檢查和管理系統(tǒng)(圖1)。系統(tǒng)包括主界面、遮蓋提示頁面、測試頁面、視覺健康檔案管理頁面等功能頁面。系統(tǒng)可自動(dòng)檢查移動(dòng)終端的屏幕尺寸，并自動(dòng)完成視標(biāo)大小校準(zhǔn)，同級的視標(biāo)物理尺寸保持一致。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3 m距離下的視力檢查、實(shí)時(shí)交互、結(jié)果輸出和自動(dòng)建檔，可檢查的視力范圍為0.1～1.5。系統(tǒng)自測結(jié)果表明，視標(biāo)大小和分辨率均符合視力檢查表的國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)測距的誤差≤10 cm，語音識(shí)別和手勢識(shí)別準(zhǔn)確率均≥99.8%。檢查場景示意圖如圖2所示。

圖1 基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The structure of intelligent vision examination and management system based on mobile terminal

圖2 視力智能檢查示意圖Figure 2 The scene diagram of intelligent vision examination

2.2 基于移動(dòng)終端智能視力檢查和管理系統(tǒng)的臨床驗(yàn)證

2.2.12種檢查方法配合眼數(shù)比較 所有受檢眼中，傳統(tǒng)視力檢查法中配合者50例99眼，占99.0%，智能視力檢查法中配合者49例98眼，占98.0%，不配合的1例為3歲兒童。2種檢查方法配合眼數(shù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=0.338，P=0.561)。

2.2.22種檢查方法測定視力結(jié)果比較 傳統(tǒng)檢查法與智能檢查法測定的右眼LogMAR視力分別為0.3(0.2，0.5)和0.3(0.2，0.5)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-1.602，P=0.109)。2種視力測定方法結(jié)果的一致性好(Kappa系數(shù)=0.885)。

3 討論

開展眼健康管理，包括監(jiān)測兒童和青少年視力變化并建立眼健康檔案以實(shí)現(xiàn)近視等屈光不正的早期干預(yù)是目前我國近視防控工作的重要措施[8-10]。針對目前視力檢查手段對人力、物力的需求較高[11]，存在效率不足等問題，優(yōu)化眼健康管理模式顯得尤為重要。隨著移動(dòng)終端設(shè)備的普及和技術(shù)迭代，基于移動(dòng)終端的健康管理模式和實(shí)施系統(tǒng)逐漸被研發(fā)和推廣，并取得了較為理想的實(shí)踐效果[12-16]。本研究首次研發(fā)了基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)并進(jìn)行了臨床實(shí)踐驗(yàn)證，評估該系統(tǒng)檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性，以了解基于移動(dòng)終端的視力檢查和個(gè)性化眼健康管理模式的可推廣性和應(yīng)用前景。

基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用可在節(jié)省人力、物力資源的同時(shí)有效滿足廣大用戶自測視力的需求。既往研發(fā)的視力檢查系統(tǒng)主要基于計(jì)算機(jī)等大型移動(dòng)終端設(shè)備，可以快速、準(zhǔn)確地檢查視力，可重復(fù)性較好，但尚未配置實(shí)時(shí)測距、語音交互和手勢交互等智能技術(shù)，且需要在專業(yè)人員指導(dǎo)下完成[17-19]。本研究研發(fā)的視力檢查和管理系統(tǒng)可在Android及IOS平臺(tái)上運(yùn)行，并得益于移動(dòng)終端在日常生活中的普及，可大幅度降低視力檢測的成本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大規(guī)模、快速推廣，使個(gè)性化的眼健康管理模式成為可能。實(shí)時(shí)測距、語音交互和手勢交互等功能可智能輔助視力檢查，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視力檢查模式人力成本的不足，提高了眼健康管理的效率，可有效緩解醫(yī)療資源需求壓力。

本研究中納入的受試者為14歲以下的兒童和青少年，處于近視高發(fā)并進(jìn)展最快的年齡階段，是我國近視防控的主要目標(biāo)人群[20]。研究結(jié)果表明，受試者對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下醫(yī)院場景的視力檢查和基于移動(dòng)終端視力檢查的配合程度接近，說明絕大部分兒童和青少年可以順利完成智能視力檢查過程，其中約95%的3～6歲兒童均可在家長的陪伴和/或系統(tǒng)的指導(dǎo)下完成，為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了可能。年幼的兒童可在家長陪同下一起完成視力檢查，避免了兒童在傳統(tǒng)視力檢查過程中的緊張狀態(tài)及檢查結(jié)果重復(fù)性低等問題，有望實(shí)現(xiàn)基于家庭場景的眼健康管理[21]。本研究還發(fā)現(xiàn)基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下視力表檢查結(jié)果無明顯差異且一致性較好，說明視力智能檢查和管理系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用效果，可為用戶自測視力提供較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。本研究為建立準(zhǔn)確、有效的視覺健康檔案提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也可為患者進(jìn)一步尋求專業(yè)的醫(yī)療幫助提供依據(jù)，推動(dòng)近視等眼病的早期發(fā)現(xiàn)和早期干預(yù)，以達(dá)到改善群眾視力眼健康管理的目標(biāo)[22]。基于移動(dòng)終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的視力自測和長期跟蹤，具有較好的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和可行性，可作為個(gè)性化的眼健康管理模式進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

本研究納入人群主要為正常人群、近視等屈光不正患者及少量弱視患者，研究結(jié)果尚未發(fā)現(xiàn)對這3類人群的檢測準(zhǔn)確性存在差異。后續(xù)仍需擴(kuò)大樣本量，針對不同病種開展針對性的應(yīng)用準(zhǔn)確性研究。目前系統(tǒng)采用的測試視標(biāo)為單個(gè)視標(biāo)，無法檢測環(huán)境照度，后續(xù)會(huì)不斷更新，實(shí)現(xiàn)多個(gè)視標(biāo)檢測、環(huán)境照度的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突