新一代中文閱讀視力檢查儀的設(shè)計(jì)升級(jí)研究

邵 奇，邱飛岳，黃 愉

(浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

閱讀視力是從書面語言(物理刺激)中獲得意義的心理加工過程。在閱讀過程中最先發(fā)揮作用的是視知覺能力，它所包含的分辨和記憶都參與到閱讀中來[1]。閱讀視力表是測(cè)量閱讀視力的方法和工具，它的檢測(cè)參數(shù)包括閱讀視力、最大閱讀速度和臨界打印尺寸等[2]。從以上相關(guān)參數(shù)的測(cè)量可以反映視力對(duì)讀者閱讀表現(xiàn)的影響[3]，進(jìn)而為臨床監(jiān)控和預(yù)防提供指導(dǎo)性意見。

閱讀視力測(cè)試目前已廣泛應(yīng)用于低視力檢查和臨床康復(fù)等眼科領(lǐng)域[4-5]。針對(duì)現(xiàn)有的紙質(zhì)閱讀視力表人力成本高、自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)收集全部需要手動(dòng)記錄等問題，通過設(shè)計(jì)和開發(fā)了適合母語為中文的低視力中老年人進(jìn)行閱讀視力測(cè)試的C-READ中文閱讀視力檢查儀。基于原版C-READ中文閱讀視力檢查儀的研發(fā)思路和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了新一代閱讀視力檢查儀的研制和上位控制APP的開發(fā)。該儀器能夠便捷地采集閱讀時(shí)間、閱讀速度、準(zhǔn)確率、臨界打印尺寸等與閱讀功能相關(guān)的數(shù)據(jù)。使用該儀器作為實(shí)驗(yàn)工具，驗(yàn)證了儀器測(cè)量上述指標(biāo)的可靠性并符合視力檢查標(biāo)準(zhǔn)，為低視力中老年人的臨床康復(fù)提供了良好的技術(shù)支持。此外，該儀器的顯示效果良好，具有記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等齊全功能。

第一版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但是從實(shí)際操作中還發(fā)現(xiàn)了一些問題：測(cè)試人員無法自適應(yīng)地調(diào)節(jié)液晶屏的亮度；儀器始終保持恒定的位置不能適應(yīng)被試的視線高度；小程序的功能過于單一，若想讓測(cè)驗(yàn)儀適配更多移動(dòng)終端，需要根據(jù)實(shí)際檢查需求開發(fā)C-READ上位控制APP，新一代C-READ閱讀視力檢查儀APP功能設(shè)置圖如圖1所示。

圖1 新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP功能設(shè)置圖

1 新一代中文閱讀視力檢查儀總體設(shè)計(jì)

新一代中文閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由硬件設(shè)計(jì)和上位控制APP兩部分組成。其中硬件設(shè)計(jì)基本沿用了第一版C-READ檢查儀的設(shè)計(jì)，主要由藍(lán)牙通信模塊、STM8單片機(jī)、液晶顯示模塊以及電源組成[6]。上位控制APP的主要功能有語音識(shí)別、自動(dòng)控制液晶屏的亮度和對(duì)比度、電量讀取等功能，并改進(jìn)了對(duì)收集到的閱讀表現(xiàn)數(shù)據(jù)的擬合方法，提高了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究旨在通過設(shè)計(jì)一款基于智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的C-READ閱讀視力檢查APP進(jìn)一步完善C-READ閱讀視力檢查儀的軟件開發(fā)模塊。

圖2 新版閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)圖

硬件設(shè)計(jì)中STM8起主要的控制作用，通過連接藍(lán)牙通信模塊對(duì)從APP傳來的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，再控制檢查儀液晶屏的顯示。新版C-READ閱讀檢查儀在第一版的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于步進(jìn)電機(jī)的絲桿滑臺(tái)裝置，使得屏幕可以通過滑桿上下滑動(dòng)，通過APP控制顯示的中文測(cè)試文本，自動(dòng)控制顯示屏與眼睛位置保持同一高度，“顯示屏+絲桿滑臺(tái)+支架”結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在進(jìn)行閱讀視力檢查時(shí)，先啟動(dòng)閱讀視力檢查儀的電源，STM8單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，并喚醒藍(lán)牙通信模塊準(zhǔn)備接受從手機(jī)APP傳來的各種指令；主試人員將“開機(jī)”、“亮度改變”、“關(guān)閉”等控制指令發(fā)送至單片機(jī)；由此液晶屏幕上將在單片機(jī)的指揮下按要求顯示閱讀檢查文本，以及實(shí)現(xiàn)屏幕亮度的調(diào)節(jié)；被試閱讀液晶屏上逐行顯示的句子，APP的語音識(shí)別功能會(huì)實(shí)時(shí)記錄閱讀數(shù)據(jù)，通過新版儀器后臺(tái)增加的雙肢擬合算法自動(dòng)分析檢查結(jié)果并生成圖表。新一代C-READ閱讀視力檢查儀在原有版本的硬件基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際操作中的檢查需求，不僅增加了藍(lán)牙通信控制模塊支持的“顯示屏+絲桿滑臺(tái)+支架”設(shè)計(jì)，還進(jìn)一步完善了C-READ相關(guān)軟件的開發(fā)。新版儀器豐富了C-READ閱讀視力檢查儀的軟硬件配置，讓檢查過程更簡(jiǎn)單、科學(xué)、易操作，大大節(jié)省了人力成本，為儀器的大范圍推廣和應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

圖3 新版C-READ“顯示屏+絲桿滑臺(tái)+支架”結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙通信模塊

在無線傳輸領(lǐng)域內(nèi)，藍(lán)牙在各種移動(dòng)終端具備龐大的基礎(chǔ)積累[7]。藍(lán)牙通信模塊是C-READ閱讀視力檢查儀的控制樞紐，連接了單片機(jī)和手機(jī)APP之間的通訊進(jìn)程。新版C-READ沿用了原版的藍(lán)牙4.2協(xié)議解決方案，采用BLE103芯片，工作電壓為1.7 V-3.6 V，接收靈敏度為-78 dBm。新版C-READ閱讀視力檢查儀的一大創(chuàng)新之處就在于通過藍(lán)牙通信模塊通過與手機(jī)APP的數(shù)據(jù)傳輸，控制液晶屏在絲桿滑臺(tái)上的縱向移動(dòng)。這種可以上下滑動(dòng)的裝置標(biāo)有兩個(gè)最低位和最高位的位置信息，并配有光電開關(guān)作為反饋裝置，用途是在單片機(jī)上電初始化或復(fù)位時(shí)藍(lán)牙通信功能可以了解液晶屏所處的位置，方便在使用過程中計(jì)算位移。新版C-READ通過藍(lán)牙通信模塊控制絲桿滑臺(tái)調(diào)節(jié)液晶屏位置的電路原理圖如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙控制絲桿滑臺(tái)調(diào)節(jié)液晶屏位置的電路原理圖

2.2 液晶顯示模塊

C-READ對(duì)紙張和打印文字的清晰度的要求極高，顯示文字的設(shè)備必須滿足文字清晰度的需求。設(shè)計(jì)新版C-READ閱讀視力檢查儀首要考慮到的就是視力表的識(shí)別，依據(jù)國際通用的視力表設(shè)計(jì)原則和計(jì)算公式：視覺敏銳度閾值(log MAR)[10]=1.3-0.02×視力表上全部讀對(duì)的視標(biāo)數(shù)，確定了-0.3 log MAR為能夠識(shí)別的最小字體[8]。閱讀視力檢查儀的文字打印尺寸從大到小以對(duì)數(shù)級(jí)別遞減，與標(biāo)準(zhǔn)視力表一致。在如此小的尺寸下清晰顯示一個(gè)漢字，就需要高精度的數(shù)碼印刷機(jī)。那么使用電腦屏幕或者iPad 等電子設(shè)備的屏幕可否滿足清晰度的需求呢？電腦屏幕或iPad屏幕等清晰度一般由像素密度即每英寸顯示的像素?cái)?shù)決定。40 cm距離下C-READ文字的實(shí)際高度如表1所示，由此可知常見的移動(dòng)設(shè)備像素密度很難在40 cm的檢查距離下顯示-0.3 log MAR如此小的漢字。因此iPad等常見的移動(dòng)設(shè)備便無法達(dá)到清晰顯示的要求。新版C-READ依舊使用定制的段式液晶模塊(LCM)來顯示文字內(nèi)容，憑借蝕刻、顯影等制作工藝，以此達(dá)到類似于數(shù)碼打印的精度，也節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。

表1 40 cm距離下C-READ文字的實(shí)際高度

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)APP界面和程序設(shè)計(jì)

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP在原有小程序的基礎(chǔ)上，圍繞實(shí)際檢查需求在設(shè)計(jì)和功能方面做了進(jìn)一步完善。閱讀是從可視化的文字或圖像中獲取信息的過程[9]，因此新版C-READ檢查儀APP力求從清晰度、色彩搭配、界面布局等方面滿足用戶的視覺需求。以APP初始化界面和登錄界面為例，如圖5所示，簡(jiǎn)潔柔和的界面設(shè)計(jì)更加符合一款視功能保健APP的風(fēng)格，有效避免了繁瑣的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)主試的視覺干擾。

圖5 新版C-READ上位控制APP初始化界面和用戶登錄界面

原版C-READ閱讀視力檢查儀液晶屏的亮度是始終不變的，無法根據(jù)檢查環(huán)境的實(shí)際光照條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。考慮到用戶可能受到屏幕亮度和對(duì)比度的影響，新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP根據(jù)檢查需求開發(fā)了相關(guān)功能，主試通過APP自動(dòng)調(diào)節(jié)液晶屏的亮度和對(duì)比度，以適應(yīng)不同的光照環(huán)境，避免對(duì)被試閱讀產(chǎn)生影響。本研究依托Android Studio程序開發(fā)平臺(tái)，在此編程環(huán)境下開發(fā)與C-READ中文閱讀視力檢查儀適配的上位控制APP。以亮度調(diào)節(jié)為例，APP程序通過藍(lán)牙向后臺(tái)發(fā)送“亮度指令”，單片機(jī)接收到“改變亮度指令”后啟動(dòng)PWM調(diào)光，主試拖動(dòng)亮度條即可完成屏幕亮度的調(diào)節(jié)，編程環(huán)境下的代碼貼圖如圖6～9所示。

圖6 “發(fā)送亮度指令”代碼貼圖

圖7 “接收到亮度改變指令”代碼貼圖

圖8 “PWM調(diào)光指令”代碼貼圖

圖9 “亮度條滑動(dòng)指令”代碼貼圖

3.2 APP總體流程圖

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP總體流程圖如圖10所示。主試通過手機(jī)、iPad等移動(dòng)終端打開APP啟動(dòng)程序。APP會(huì)先提示操作人員進(jìn)入登錄界面完成登錄并通過藍(lán)牙連接C-READ閱讀視力檢查儀，確認(rèn)連接后進(jìn)入視力表選擇界面。開始閱讀視力檢查環(huán)節(jié)前，主試?yán)首x實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語，幫助被試進(jìn)一步明確檢查步驟和相關(guān)注意事項(xiàng)。與此同時(shí)，主試還要根據(jù)實(shí)際光照環(huán)境適當(dāng)調(diào)節(jié)液晶屏的亮度和對(duì)比度，防止因?yàn)槠聊还庹者^強(qiáng)或過弱影響被試閱讀。測(cè)試開始后，再次向被試強(qiáng)調(diào)要快速準(zhǔn)確地閱讀句。當(dāng)屏幕上出現(xiàn)文本時(shí)程序自動(dòng)計(jì)時(shí)，APP通過語音識(shí)別檢查被試的閱讀情況，程序停止計(jì)時(shí)并與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試文本比對(duì)后確定被試本句的正確讀出字?jǐn)?shù)。當(dāng)檢查過程中，被試需要調(diào)整視線高度進(jìn)行閱讀時(shí)，主試通過程序控制絲桿滑臺(tái)調(diào)節(jié)液晶屏向最低位移動(dòng)以保持與被試的視線在同一高度。當(dāng)被試向主試示意無法繼續(xù)閱讀時(shí)檢查結(jié)束。后臺(tái)程序會(huì)通過Matlab R2017a曲線擬合工具自動(dòng)分析檢查數(shù)據(jù)并生成結(jié)果圖表。檢查項(xiàng)目選擇界面和被試診斷信息界面如圖11所示。

圖10 新版C-READ上位控制APP總體流程圖

圖11 新版C-READ上位控制APP檢查項(xiàng)目選擇界面和患者診斷信息界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

40名40～70歲低視力中老年人在知情同意的前提下自愿參加了閱讀視力檢查，研究嚴(yán)格遵守赫爾辛基宣言的原則進(jìn)行。在開始檢查之前，先使用國際標(biāo)準(zhǔn)近視力表對(duì)每名被試進(jìn)行矯正或裸眼視力檢查，排除可能因?yàn)辄S斑病變、白內(nèi)障或者其他眼科問題導(dǎo)致無關(guān)變量影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將這40名中老年患者隨機(jī)分為兩組，其中對(duì)照組使用C-READ紙質(zhì)圖表測(cè)試，紙質(zhì)版圖表A如圖12所示。而另一組為實(shí)驗(yàn)組，采用新版C-READ閱讀視力檢查儀進(jìn)行測(cè)試。每位被試按照隨機(jī)順序進(jìn)行ABC三個(gè)表格的測(cè)試，且在每?jī)蓮堃暳Ρ頊y(cè)試的間隙給被試兩分鐘的放松時(shí)間，以排除視覺疲勞效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本實(shí)驗(yàn)累計(jì)收集數(shù)據(jù)40份，均為有效數(shù)據(jù)。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)新版C-READ閱讀視力檢查儀在臨床視力檢查和康復(fù)的有效性，通過分析紙質(zhì)閱讀材料和使用C-READ閱讀視力儀的檢查結(jié)果之間差異是否顯著。

圖12 C-READ紙質(zhì)版圖表A

實(shí)驗(yàn)通過研究檢查材料不同是否會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，繼而探究新版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性。實(shí)驗(yàn)采取T檢驗(yàn)方法，先計(jì)算同一個(gè)患者3個(gè)視力表測(cè)驗(yàn)的平均值，之后以測(cè)驗(yàn)材料(紙質(zhì)材料-測(cè)驗(yàn)儀)為分組變量進(jìn)行T值檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在與閱讀表現(xiàn)相關(guān)的3個(gè)測(cè)量指標(biāo)的T檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，3個(gè)測(cè)量指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的含義如表3所示。通過分析表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩組被試在使用不同測(cè)試工具進(jìn)行閱讀視力檢查時(shí)最大閱讀速度MRS具有顯著差異，而閱讀敏銳度RA和臨界文字尺寸CPS差異不顯著。實(shí)驗(yàn)組使用新版C-READ閱讀檢查儀測(cè)得的閱讀速度約為138.7±16 WPM，而對(duì)照組在使用傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀材料測(cè)驗(yàn)時(shí)約為162.1±32.5 WPM。通過進(jìn)一步的方差成分分析可以看出，中老年被試的個(gè)體間差異是導(dǎo)致最大閱讀速度不同最主要的原因。本實(shí)驗(yàn)的被試群體為40～70歲中老年人，一方面可能存在即使已經(jīng)參加了預(yù)實(shí)驗(yàn)但還是無法完全理解測(cè)試流程的被試，他們?cè)陂喿x過程中很難快速準(zhǔn)確地閱讀而導(dǎo)致速度偏慢；另一方面，在使用新版C-READ閱讀檢查儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，中文閱讀背景老年人“謹(jǐn)慎閱讀”的特點(diǎn)更加凸顯，由于追求閱讀準(zhǔn)確率而放慢閱讀速度，具體表現(xiàn)為眼跳距離短、極少采用跳讀。而對(duì)照組的測(cè)試環(huán)境更貼近于日常E字視力檢查表，被試對(duì)于檢查步驟相對(duì)熟悉也可能使其在最大閱讀速度指標(biāo)方面表現(xiàn)更佳。但這種非自動(dòng)化的視力檢查工具涉及人工測(cè)量、記錄、統(tǒng)計(jì)等多項(xiàng)可能引起誤差的因素，除此之外國內(nèi)外學(xué)者的測(cè)試結(jié)果也都體現(xiàn)了C-READ具有良好的檢查可靠性，測(cè)試人員在臨床試驗(yàn)時(shí)可以自如地互換順序，使用不同的測(cè)驗(yàn)來測(cè)試一名被試閱讀功能表現(xiàn)的相關(guān)指標(biāo)，或者用來監(jiān)測(cè)和評(píng)估在一定時(shí)間內(nèi)被試閱讀功能表現(xiàn)的變化情況。

表2 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組3個(gè)測(cè)量指標(biāo)的T檢驗(yàn)

表3 數(shù)據(jù)分析指標(biāo) 指標(biāo)名稱

本研究還以年齡分段將被試分成三組，分別為：40～49歲、50～59歲和60～70歲。雖然也可以兩兩之間進(jìn)行T檢驗(yàn)以考察平均數(shù)的差異，但由于分組數(shù)等于三組，故使用方差分析來顯示平均數(shù)的差異。因此本研究還以MRS、CPS、RA為檢驗(yàn)變量，進(jìn)行單因素方差分析以探究3個(gè)年齡段中老年低視力患者之間測(cè)得的閱讀表現(xiàn)指標(biāo)的平均數(shù)，分析結(jié)果如表4所示。

表4 三組MRS、CPS、RA單因素方差分析

基于上述實(shí)驗(yàn)證明了新版C-READ閱讀視力檢查儀的測(cè)量可行性，將來可以將C-READ閱讀檢查儀作為臨床干預(yù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為不同年齡段低視力群體的康復(fù)訓(xùn)練提供借鑒。通過定期使用該檢查來觀測(cè)每個(gè)患者的康復(fù)進(jìn)度，根據(jù)檢查結(jié)果適時(shí)調(diào)整干預(yù)治療方案，在一段時(shí)間后再次進(jìn)行該檢查，可以檢驗(yàn)患者的閱讀功能表現(xiàn)是否得到明顯改善，為建立不同年齡段被試的閱讀表現(xiàn)常模數(shù)據(jù)集奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)和開發(fā)與C-READ閱讀測(cè)驗(yàn)儀相匹配的上位APP，完善了C-READ軟件配置。在簡(jiǎn)化了檢查流程的基礎(chǔ)上，大大降低了人力成本。語音識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被試閱讀內(nèi)容的判斷和統(tǒng)計(jì)，并自動(dòng)分析閱讀表現(xiàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)指導(dǎo)中老年人進(jìn)行更專業(yè)的日常視功能檢查和保健提供依據(jù)。此外APP的界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀，綜合考慮了色彩搭配、空間布局等因素，還增加了“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語”部分，方便主試在測(cè)試開始前幫助被試進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，體現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)的合理性和人文性，也為C-READ閱讀視力檢查在視功能診斷和評(píng)估方面的大范圍普及提供了技術(shù)支持。