眼球运动及眼动追踪技术的临床应用进展_尤佳璐.pdf

文献综述眼球运动及眼动追踪技术的临床应用进展尤佳璐，惠延年，张 乐引用：尤佳璐，惠延年，张乐 眼球运动及眼动追踪技术的临床应用进展 国际眼科杂志；（）：基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（）；陕西省卫生健康科研基金项目（）作者单位：（）中国陕西省西安市，陕西省人民医院眼科；（）中国陕西省西安市，空军军医大学西京医院眼科全军眼科研究所；（）中国陕西省西安市，西北妇女儿童医院眼科作者简介：尤佳璐，在读硕士研究生，住院医师，研究方向：小儿眼病。通讯作者：惠延年，毕业于第四军医大学，主任医师，教授，博士研究生导师，国家人事部“有突出贡献中青年专家”，全国高等医药院校统编教材眼科学第五、六版主编，国际眼科杂志（）和 （）主编，研究方向：眼底病基础与临床研究 ；张乐，毕业于第四军医大学，副主任医师，副教授，研究方向：小儿眼病 收稿日期：修回日期：摘要眼球运动是指眼球一系列的自发性、控制性及目的性运动。基于科学研究及临床工作中对眼球运动的大量观察发现，眼球运动不仅对维持人类清晰视觉至关重要，还是大脑活动的客观体现，对多学科疾病的诊断和定位具有重要意义。眼动追踪技术是获取眼球运动信息的检测技术。利用眼动追踪技术可以获取精准客观的眼动数据，探究眼动的发生机制、发育过程及不同眼动类型代表的临床意义。此外，眼动追踪技术在眼科客观检查、诊断评估及治疗方面也具有积极意义。本文综述眼球运动及眼动追踪技术在眼科临床上应用的研究进展，如在幼儿客观视力检查、斜视诊疗、角膜屈光手术以及青光眼诊断等方面的应用。关键词：眼球运动；眼动追踪技术；脑高级控制中枢；视力检查；斜视；近视手术；青光眼：，：（）；（），；，；，：；，；，：，：；：，（）；（）：引言眼球运动是指眼球一系列的自发性、控制性及目的性运动。眼动追踪技术是获取眼球运动信息的重要检测手段，因其在研究视觉系统信息处理和多学科疾病诊治中的重要意义成为近年来学者的研究热点。为了最大程度发国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 ：电话：电子信箱：挥眼动追踪技术对医学发展的促进作用，熟练掌握眼动追踪技术的原理、类型及设备选择，并细致了解其观察对象眼球运动的特征十分关键。以往虽有一些文章报道眼球运动方面的研究进展，但对眼动追踪技术及其临床应用鲜有提及。随着相关研究的快速进展，发表的临床应用新内容日益增多。而且，一般眼科工作者缺乏对眼动追踪技术在眼科临床应用进展的了解。基于此，本篇综述重点介绍眼动追踪技术及其辅助下眼球运动的研究进展，并阐述眼球追踪技术的设备选择及眼科临床应用。希望今后的研究可以利用眼动追踪技术获取精准眼动数据进而深入探讨眼球运动机制，并改进现有眼动追踪技术的不足，使其更多运用并促进眼科临床工作的发展。利用眼动追踪技术了解眼球运动现代对眼球运动的深入了解依赖于眼动追踪技术的发展和应用。眼球运动作为研究的对象，眼动追踪技术作为观察研究的重要手段，两者相辅相成。对两者建立系统的概念和知识基础是重要的。眼球运动及其意义人类对外界的信息主要依靠感官系统获取。视觉系统将外界信息通过视觉神经传递到大脑被我们所认知，这是人类与外界环境联系的最重要的过程。虽然对视觉至关重要的中心凹区域直径仅，但其捕捉到的外界信息却占有效信息的一半之多。第一次将眼球运动与高级认知联系起来解释了这个现象，他通过分析受试者观察图片时的眼动资料，发现聚焦于中心凹的光学成像总是当前注意中心的事物。这说明眼球运动具有从所有目标中过滤出感兴趣信息并聚焦于中心凹上的作用。除了根据大脑意愿有选择的与外界信息交互之外，眼球运动还是保证清晰视觉成像的基础。眼球运动的良好发育可以极大促进视敏度：良好的眼球平滑追随运动（）能增加运动物体空间细节的分辨能力，良 好 的 注 视（）行 为 可 将 视 力 提 高以上，这说明高视敏度不是单纯的视觉成就、而是主动控制（）的视觉运动过程。眼球运动具有目的性（），目标刺激出现时眼球做出自发反应达到获取清晰视觉成像的目的，进而完成大脑与外界的交互作用。对上述眼球运动及其功能的深入了解，可以解释为什么人眼能看清迅速移动的目标，而且人在迅速运动中也能看清关注的目标。这种能力是普通的照相机无法比拟的。把人眼比作照相机，是对人眼极其不当的简单化说法。眼球运动类型及高级控制中枢为了保证有效的视觉捕捉及处理，眼球运动拥有特定的运动策略。眼球运动主要 有 三 种 形 式：注 视（）、平 滑 追 踪（）及扫视（）。观察静止物体时将目标刺激物的视觉映像固定在中心凹的过程称为注视。此过程是处理视觉信息相对稳定的阶段，可以产生最稳定的视觉映像，为其在大脑的加工提供保障。实际上在注视过程中眼球并不是完全静止的，而是以注视点为中心做微小的运动以此不断清除视网膜上成像，进而抵消目标刺激适应性消退。这些注视性眼动包括微漂移（）、微扫视（）和微颤动（）。漂移是注视过程中缓慢的位置变化。微颤动是不规则的，波浪样叠加是漂移中的一种眼球运动。而微扫视则是注视过程中快速的位置变化。一般将振幅小于 度视角的扫视称为微扫视运动。微扫视运动发生前，中心凹对比敏感度普遍开始衰减，并呈现越靠近中心的区域衰减越强、越快的特点。微扫视结束后越靠近中心的区域对比敏感度恢复并趋于稳定的速度越快。说明中心凹的对比敏感度不均匀，并受到微扫视运动的调节，以此增强目标位置的精细空间视觉，达到维持注视期间视觉稳定的目的。此外，微扫视可能与阅读速度及注意过程有关。另一种静止状态下的眼球运动是扫视。它是指当我们将中心凹区域的目标重新定位到新的空间位置时、进行的非常快速的共轭的眼球运动。而当观察者本身或被观察物体处于运动状态时，平滑追随运动则发挥作用使中心凹始终位于感兴趣的目标上。除以上三种临床评估中通常涉及的眼球运动之外，还存在一系列其他的眼球运动。眼球震颤（）是眼球的反射性运动。可分为生理性及病理性眼球震颤。生理性眼球震颤可出现在健康群体中，还可分为终点性（，极度向侧方注视时发生）、前庭性（，由改变半规管中的内淋巴液平衡诱发）及视动性等。当很大一部分视野沿同一方向连续移动时就可以观察到眼球震颤现象，称之为视动性眼震（，）。通常 存在缓慢和快速两个阶段。缓慢的追随运动保证视野跟随移动的物体，快速共轭运动使中心凹快速移动专注于感兴趣的目标上。此外，当头部移动的同时维持对感兴趣目标刺激的注视时，眼球则通过前庭眼动反射（）确保眼球适当的位置调整。例如当注视前方时头向右旋转则眼球向左旋转以保持目标注视。人类的眼球运动大多是共轭的，但当眼球聚焦在 十 分 近 的 目 标 刺 激 上 时 双 眼 则 发 生 会 聚（），聚焦在较远目标上双眼就会分散，这种眼球运动称为辐辏运动（）。以上这些眼球运动共同协作形成清晰稳定的视知觉。虽然眼球运动的发生不依赖于自主意识，具有自发性，但通过对猴子的眼动研究及对患者的眼动观察，发现眼球运动又是控制性的。小脑是主要控制眼球运动的高级中枢，小脑不仅参与眼球运动的控制也在认知中发挥作用。不同小脑区域控制对应的眼动方式。小脑皮层绒球 副绒球主要保证注视稳定不发生向心偏倚，并与移动物体形成清晰视觉映像相关。小脑小结叶和腹侧舌叶与持续、低速的前庭反应相关。而扫视的准确性则是由小脑背蚓部和后顶核保证。任何累及小脑的疾病都可能影响眼球运动，如在患有自闭症及精神分裂症的患者中都可观察到异常眼动。虽然小脑对于眼球运动的功能分区彼此并不能完全独立，但功能分区依旧可以为临床诊断定位做出提示。人类眼球运动的发育及衰老人类眼球运动并不是一成不变的。等选取 名年龄在 岁的健康成年人及 名年龄在 岁的健康儿童，使用高分辨率视频眼动设备追踪受试者的眼球运动，分别记录两 ，：组被试注视保持及视觉引导扫视时的眼动特点。结果发现与成年人相比，儿童眼动注视保持不稳定，在与成人固定扫视频率相似的情况下扫视幅度大于成人，且扫视缺乏不对称性。年龄较小儿童很难形成准确扫视，并且不存在注视偏好优先的特定部位。此研究严格控制了性别、精神系统及眼部结构病变等可能影响眼动特征的混杂因素，并使用不受被试配合程度影响的眼动记录装置，其眼动结果的准确性得到保证。对于成年人和儿童平滑追随差异的研究，表明 周龄以下的婴儿观察不到平滑眼动追踪，周龄以上的儿童较成年人眼球平滑追踪运动速度更快、潜伏期更长，且不能准确预料目标刺激的方向改变。等观察婴幼儿眼球运动后发现头部运动和眼球运动在发育过程中高度相关，但眼球运动的优先级随发育逐步升高并在 月龄后发生明显逆转。以上所得到的眼动特点说明儿童时期眼动不稳定、视功能受限并处于系统性完善和学习的过程。眼动功能不断发育到成年逐步稳定。等为探究年龄对眼球运动的影响做了一项多中心、大样本研究：受试者为 个独立的健康人群，分别为、名健康受试者，使用 及以上配置眼动设备记录眼动数据，收集包括 种注视眼动、种平滑追踪眼动及 张图像自由观看时眼动在内的 种眼动类型。最终得出的结果是，成年以后随着年龄增加，眼球平滑追踪相对于刺激目标运动的速度逐渐变慢；为了补偿这种因速度降低导致的较大眼动追踪误差，年老者出现更大扫视幅度、更长扫视时间及更大峰值扫视速度。观察发现注视性眼动则受年龄的影响较小。除此之外，随着年龄增长步入老年，不同方向的眼球运动随之发生衰老，以向上注视的范围受损最严重。依赖于眼动追踪技术对眼球运动的精准测量，我们更清楚地了解到不同类型的眼球运动及其发育过程和高级中枢。这提示临床医师在诊疗过程中对不同生长发育阶段的人群应根据其不同眼动特征做出判断，抓住眼球运动发育时期及时发现异常并最大限度保证视功能。眼动追踪技术的实现及发展 眼动追踪技术对眼动数据的精准获取早在 世纪就有学者通过显微镜观察视网膜上小血管的移动来了解眼动情况。但先前的眼动测量方法准确性低、量化困难，随着科技不断进步，更精准的眼动测量方法应运而生。眼动追踪技术是记录眼球运动及注视位置随时间及任务变化的方法。目前最新的眼动追踪技术是基于红外光角膜反射原理。眼动追踪设备由红外发光器和摄像机组成，红外发光器将人类不可见的红外光射入人眼，随后通过角膜反射回相机形成角膜反射点（，）。因为 在眼球运动过程中空间位置一直维持不变，因此以 作为参照物计算其与瞳孔的相对距离变化就可以实现对眼球聚焦位置的连续追踪（图）。这种眼动追踪装置，因其诸多优点被学者广泛应用于各领域研究中。包括：（）眼动追踪技术在人的整个生命全程都可获取眼动数据，对于无法配合的患者也同样适用。例如：移动式眼动装置可以获取长期意识障碍患者的眼动数据并未观察到不良反应，依靠所得数据可以分辨出不同类型眼球运动并支持临床评估的结果。（）眼动追踪技术相对客观，较少受到主观偏见影响，且准确度高。刘慧等比较眼动仪与眼电图测量眼球运动效果时发现，红外眼动仪精确度更高、变异程度更低、可重复性更高。（）眼动追踪是一项可以对人类行为及眼动神经进行探究的无侵入性技术，对被试者无伤害。眼动追踪技术因其大样本定量分析操作流程多、成本高且定性分析难等诸多因素限制，还未普遍应用于临床，目前大多仅应用于研究。期待未来更多便捷、易操作的标准诊断范式出现，使眼动追踪技术造福于临床患者。眼动追踪装置的分类及选择使用眼动追踪技术的首要步骤是选择合适的眼动追踪设备。体现眼动追踪设备性能的指标主要有 个：采样率、重新捕获率及测量精度。采样率是指眼动仪每秒报告的数据点，高采样率的设备对真实眼动开始和偏倚的测量更精准。为了保证科学研究严谨性及临床工作有效性，所选眼动追踪设备性能必须与目标获取数据的类型和准确度相匹配。市面上眼动追踪装置主要分为固定式和移动式。固定式眼动装置采样率高，采样率最高可达。对于观察扫视或者注视目标持续变化等复杂眼动类型，一般首选采样率较高的固定式装置。但固定式眼动装置也同时存在受试人员活动范围小、测试环境受限及造价昂贵等不足。相较于固定式眼动装置而言，移动式眼动装置对受试人群及环境要求低，可以保证采集最自然、高质量的视觉行为数据。等在一项婴儿视觉注意的研究中使用移动式眼动仪实现了对无法配合的婴儿眼动数据的精确获取。虽然对于注视等简单眼动的获取移动式眼动装置完全可以胜任，但毕竟其采样率低，大多数研究要