眼動(dòng)儀在精神分裂癥診斷方面的發(fā)展和研究

晉學(xué)松，萬振寬

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京 100088

引言

精神分裂癥是一種常見的精神科疾病，臨床上表現(xiàn)為癥狀各異的綜合癥，患者在疾病過程中會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知功能的損害，病程較長，反復(fù)發(fā)作給患者及家屬帶來了無盡的痛苦和負(fù)擔(dān)，因此做好早期的精神分裂癥篩查，對(duì)于早期的疾病干預(yù)和治療顯得尤為重要。為此無數(shù)的科研學(xué)者進(jìn)行過很多生化研究、遺傳研究、電生理研究和免疫學(xué)研究，都在尋找和探究診斷精神分裂癥的方法[1]。早在20世紀(jì)70年代，國外學(xué)者就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者眼球運(yùn)動(dòng)軌跡與正常人存在差異，并且利用眼動(dòng)檢測設(shè)備對(duì)大量的精神疾病患者進(jìn)行了檢測，對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了大量深入的研究[2]。相關(guān)研究表明，特定條件下的眼球運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)是診斷、分析和治療精神疾病生物學(xué)指標(biāo)[3]。眼球運(yùn)動(dòng)軌跡可以憑借眼動(dòng)儀的眼動(dòng)追蹤技術(shù)準(zhǔn)確的記錄，并且可以根據(jù)眼球的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)臨床提供初步指導(dǎo)，是精神科臨床有力的輔助診斷工具[4]。這填補(bǔ)了眾多精神病醫(yī)院對(duì)精神分裂癥只靠臨床診斷而無實(shí)驗(yàn)室輔助診斷的空白，為精神分裂癥的診斷提供了可靠的依據(jù)[5]。

1 眼動(dòng)儀在臨床檢測精神分裂癥中的研究及發(fā)展

眼動(dòng)設(shè)備作為新的有效工具為心理學(xué)家利用眼動(dòng)技術(shù)探索人的心理活動(dòng)提供了新方法[6]。醫(yī)用眼動(dòng)儀通過考察人的眼球運(yùn)動(dòng)來研究人的心理活動(dòng)，通過眼動(dòng)數(shù)據(jù)來探討眼動(dòng)與人的心理活動(dòng)的關(guān)系。隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，更多的科學(xué)家投入到眼動(dòng)儀在精神分裂癥的研究中。另外，在臨床應(yīng)用上，精神分裂癥診斷用眼動(dòng)儀也發(fā)生了革命性的變化。

1.1 眼電法眼動(dòng)儀

1979年，Moriya[7]首次報(bào)道了精神分裂癥患者存在眼球活動(dòng)功能障礙，這也標(biāo)志著近代的眼動(dòng)儀逐漸在精神疾病的研究中開始應(yīng)用。Akiyama等[8]利用眼電流記錄法研究被試者在被動(dòng)注視來回運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)時(shí)的眼球活動(dòng)，眼電流記錄法要求患者眼球和運(yùn)動(dòng)著的視標(biāo)保持一個(gè)固定的注視關(guān)系，需要一個(gè)特殊的跟蹤系統(tǒng)，用來記錄被試者的眼球跟蹤一個(gè)緩慢而平穩(wěn)的視標(biāo)。研究表明大部分患有精神分裂癥的個(gè)體都呈現(xiàn)出了不同程度的平掃途徑障礙，并且發(fā)現(xiàn)無論癥狀是否緩解都存在一定程度的功能紊亂，并且精神分裂癥患者存在平滑追蹤能力受損的可能性[1]。

眼電流記錄法是利用眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)角膜和視網(wǎng)膜之間存在的電位差來實(shí)現(xiàn)的。角膜對(duì)網(wǎng)膜是帶正電的。當(dāng)眼睛注視前方不動(dòng)時(shí)，基準(zhǔn)電位可以穩(wěn)定的記錄[9]，見圖1。當(dāng)眼睛在垂直方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，眼睛上側(cè)和下側(cè)皮膚間的電位會(huì)發(fā)生變化，在水平方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，眼睛左右側(cè)的電位差會(huì)發(fā)生變化。眼電流記錄法實(shí)際上是通過向臉上貼電極的方式在眼睛附近皮膚放置的裝置導(dǎo)入電流，通過貼在眼睛四周位置上的電極，可以記錄到視網(wǎng)膜兩側(cè)電勢差的變化。再利用得到的電壓時(shí)續(xù)信號(hào)分析眼球的運(yùn)動(dòng)，其中通過水平位置上的兩個(gè)電極水平電極1和水平電極2差分得到兩個(gè)水平通道上的信號(hào)。通過垂直位置上的兩個(gè)垂直電極3和垂直電極4差分得到兩個(gè)水平通道上的信號(hào)，見圖2。當(dāng)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正負(fù)電極相互轉(zhuǎn)動(dòng)，形成電勢差，電勢大小隨眼球轉(zhuǎn)動(dòng)大小而變化，并且記錄眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)電流的變化。同時(shí)眼睛運(yùn)動(dòng)情況可以通過電流計(jì)或者示波器記錄，并通過后處理方式追蹤眼球活動(dòng)。

圖1 眼電流記錄法工作原理示意圖

圖2 電極位置示意圖

Holzman[1]雖然首次利用眼動(dòng)設(shè)備研究精神分裂癥，但是此團(tuán)隊(duì)的研究只能被看作是精神分裂癥的特征性生物學(xué)指標(biāo)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者65%呈陽性結(jié)果，其一級(jí)親屬也有45%陽性，因此難以在臨床診斷中實(shí)際應(yīng)用。雖然電流記錄法在當(dāng)時(shí)的視線跟蹤技術(shù)中精度比較高，但是其對(duì)受試者的影響比較大。必須患者主動(dòng)配合才能進(jìn)行，但是大多數(shù)精神疾病患者都在發(fā)病時(shí)產(chǎn)生抗拒，眼電法雖然快速簡便，但是不夠精確[10]。另外，受試者必須臉上貼電極，不僅感官體驗(yàn)不好，而且會(huì)因頭部動(dòng)作而干擾眼動(dòng)記錄。

1.2 角膜反光法眼動(dòng)儀

由于眼電流記錄法存在的局限性，韓永華團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一套方法——探索性眼球活動(dòng)。他們對(duì)精神分裂癥患者的眼球活動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，探索性眼球活動(dòng)可以作為精神分裂癥的生物學(xué)標(biāo)志在臨床診斷時(shí)應(yīng)用[11]。探索性眼球活動(dòng)主要是觀測被試者在觀看特定圖片時(shí)，利用角膜反光法眼動(dòng)儀記錄眼球運(yùn)動(dòng)的軌跡，用來判定精神活動(dòng)有無異常、是否患有精神疾病[12]。

將依據(jù)角膜反光原理制成的眼動(dòng)儀頭盔安裝在被試者的頭上，當(dāng)人眼運(yùn)動(dòng)時(shí)，光線從不同角度照到角膜上，角膜能反射落在它表面上的光線，從而得到不同方向的反射光，這種變化是分析研究眼動(dòng)特征的一種精確變量[13]。由于角膜反射光線的位置會(huì)隨著眼球運(yùn)動(dòng)在角膜上改變，所以利用紅外線攝像機(jī)來拍攝眼睛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的圖像，可以記錄角膜發(fā)射光線位置的改變[14]。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)地得到虛像位置，并加以分析完成視線的跟蹤。角膜反光法眼動(dòng)儀工作結(jié)構(gòu)示意圖，見圖3。

圖3 角膜反光法眼動(dòng)儀工作結(jié)構(gòu)示意圖

角膜反光法眼動(dòng)儀的局限性在于紅外線儀器對(duì)檢測結(jié)果均有較大影響。在用其檢測時(shí)，紅外線照在角膜的球形表面時(shí)所反射的光點(diǎn)，不一定能夠準(zhǔn)確地反映眼球的運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生反射偽跡，無法辨認(rèn)。同時(shí)，用儀器進(jìn)行檢查，相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢查一個(gè)病人至少需要花費(fèi)2 h。而且，頭戴頭盔非但不舒服，頭部動(dòng)作還會(huì)干擾眼動(dòng)記錄。精神病人頭戴頭盔容易產(chǎn)生不良情緒，抗拒檢查。并且穿戴式設(shè)備需考慮到其便攜式，傳感器的選擇受到限制，信號(hào)常常不能得到足夠準(zhǔn)確或直接的接收[15]。

2 眼動(dòng)儀在臨床檢測精神分裂癥中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，各臨床機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的是基于瞳孔-角膜反射向量法的醫(yī)用眼動(dòng)儀，見圖4。它改進(jìn)了上述兩種眼動(dòng)儀的缺點(diǎn)，不用佩戴頭盔，系統(tǒng)檢測時(shí)與受試者沒有身體接觸，安全性很高，結(jié)果更加準(zhǔn)確。瞳孔-角膜反射向量法眼動(dòng)儀首先利用紅外攝像機(jī)拍攝眼球運(yùn)動(dòng)圖像，隨后經(jīng)過圖像處理得到瞳孔中心位置[16]。然后把角膜反射點(diǎn)作為眼球和眼攝像機(jī)的相對(duì)位置的基點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)圖像處理得出視線向量坐標(biāo)，從而確定人眼注視點(diǎn)，然后利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)分析凝視點(diǎn)數(shù)NEF，反應(yīng)探索評(píng)分RSS，從而對(duì)精神分裂癥進(jìn)行診斷[17]。

目前，瞳孔-角膜反射向量法的醫(yī)用眼動(dòng)儀在精神科醫(yī)院廣泛應(yīng)用，但是檢測屏幕普遍太小，分辨率不高，限制病人視野[18]。不僅需要語音引導(dǎo)進(jìn)行治療，還需要精力高度集中，而且容易產(chǎn)生空測。

圖4 瞳孔-角膜反射向量法眼動(dòng)儀示意圖

3 國內(nèi)外精神科眼動(dòng)儀研究進(jìn)展

近年來，我國研究人員研制了一種高精度桌面式眼動(dòng)儀，用于精神科輔助診斷[19]。這種桌面式眼動(dòng)儀系統(tǒng)采用雙屏輸出，攝像機(jī)集成了紅外光源及紅外濾光鏡片。采用新的瞳孔中心識(shí)別算法，完成注視點(diǎn)的標(biāo)定。這種桌面式眼動(dòng)儀測試有效性達(dá)到80%，測量精度高，能夠很好地跟蹤和顯示人眼運(yùn)動(dòng)，具有較好的實(shí)用性。

國外Tobii公司研制的眼動(dòng)儀可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)被試者在任何真實(shí)場景中自由移動(dòng)時(shí)的視線位置，為研究人員提供人類行為的深入、客觀的洞察力。采用完全非侵入式設(shè)計(jì)以及Tobii的3D眼動(dòng)追蹤專利技術(shù)，利用其先進(jìn)的眼動(dòng)追蹤算法，精密的硬件設(shè)計(jì)和高質(zhì)量元器件，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可重現(xiàn)性。這套眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精確度極高，追蹤穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類群體在真實(shí)研究環(huán)境中的廣泛兼容性。3D眼球模型可提供卓越的視線數(shù)據(jù)，包括大視角范圍和屏幕的各個(gè)角落的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。被試頭動(dòng)或光線條件發(fā)生變化時(shí)，眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)仍然能夠保持相同的準(zhǔn)確度、精確度和追蹤穩(wěn)定性[20]。而且，使用完全穩(wěn)定的采樣率可以做到將眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源精確同步。

這些新研究的眼動(dòng)儀雖然實(shí)用性很強(qiáng)，卻依舊沒有解決現(xiàn)眼動(dòng)儀屏幕小、限制病人視野、不能使病人精神高度集中等問題。

4 精神科眼動(dòng)儀未來設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或許是解決精神科眼動(dòng)儀這一系列問題的關(guān)鍵鑰匙。精神分裂癥患者在檢測眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以利用虛擬環(huán)境和傳感器的交互，讓患者產(chǎn)生身臨其境的感覺。并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有良好的互動(dòng)性、沉浸性和構(gòu)想性，可以在安全的虛擬環(huán)境下，根據(jù)使用者自身情況，量身定制不同的檢測方式。

隨著人機(jī)界面技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，近年來，眼動(dòng)儀在人機(jī)界面設(shè)計(jì)上受到高度重視。很多研究機(jī)構(gòu)已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于對(duì)眼動(dòng)測量的研究，有效地解決了眼動(dòng)儀圖像顯示和屏幕小的問題。未來，隨著圖象處理技術(shù)的發(fā)展和高性能攝像機(jī)的出現(xiàn)，可以預(yù)測眼動(dòng)儀將向高實(shí)用性、高精度、高便捷性和低成本的方向發(fā)展。