不同鏡片佩戴舒適度下的眼動特征研究*

胡義波，武杰，項華中，樊碧月

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

1 引 言

人類每天通過眼睛獲得的信息量占到總信息輸入量的80%以上；同時眼睛的狀態(tài)也反映人的狀態(tài)，如眼瞼間距、注視時長可以反映疲勞狀態(tài)等。利用高精度眼動儀檢測眼動特征已經(jīng)廣泛應(yīng)用于瞳孔識別、視點追蹤等領(lǐng)域；馬錦飛等[1]提出根據(jù)瞳孔直徑(pupil diameter,PD)大小檢測駕駛員疲勞程度；尚凱等[2]基于注視點和注視時長檢測評價座椅舒適度；王芳等[3]研究荒漠草原地區(qū)典型高速公路曲線半徑與駕駛員瞳孔直徑的關(guān)系；Ferrari等[4]提出通過觀測瞳孔變化判斷糖尿病患者的病變狀態(tài)。文獻(xiàn)[5-12]也利用眼動特征參數(shù)進(jìn)行了很多的科學(xué)研究。

當(dāng)前近視問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的重大公共衛(wèi)生問題，目前約有14.06億近視患者，約占全球人口的22.9% ,預(yù)計到2050年將有47.58億近視人口，近乎世界人口的49.8%[13-16]。近視患者，特別是發(fā)展為高度近視的患者，其脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜異常、黃斑變性等疾病發(fā)病的風(fēng)險也會隨之增加，該疾病會引起其他不可逆的視力損傷甚至致盲。眼鏡是矯正眼球屈光不正，保護(hù)眼睛健康，提高視覺功能的一種特殊的醫(yī)療器械。由于每人用眼習(xí)慣不同，對眼鏡佩戴舒適度的感受也不同，并非在配鏡時驗光和加工制作準(zhǔn)確,就一定佩戴感受舒適[17]。部分人群在佩戴新眼鏡時感覺不適，但是描述不清楚，尤其是兒童、老年人等表達(dá)能力差的人，醫(yī)生很難理解患者佩戴的真實感受，以便及時地做出調(diào)整。所以找到能夠反映佩戴眼鏡舒適情況的客觀特征參數(shù)很有必要。

為此，我們使用眼動儀對招募的受試者采集不同舒適度條件下的眼動數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，研究不同鏡片佩戴舒適度下的眼動特征，為鏡片的個性化定制提供參考。

2 材料與方法

2.1 實驗對象

本研究招募20位受試者(9名女性，11名男性)，年齡在20～25歲，屈光度在[-0.75 D，-8.25 D]范圍內(nèi)，無眼部手術(shù)史，外眼及眼底檢查未見異常，無斜視，全體受試者實驗前24h睡眠充足，未服用任何藥物，且已了解本實驗基本流程。本實驗已獲取受試者的知情同意。

2.2 實驗設(shè)備

本實驗采用7invensun公司的aSeeGlasses眼鏡式眼動儀作為檢測裝置，見圖1；計算機(jī)配置為IntelCore i7，RTX1060Ti顯卡；根據(jù)提前通過綜合驗光儀獲取的受試者驗光信息，為每位受試者定制一副符合自身驗光參數(shù)的測試鏡片X，同時為受試者再定制一副眼鏡度數(shù)不合適的鏡片Y，Y鏡片度數(shù)是在X度數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行浮動，浮動范圍是±200度。共計40副鏡片。

圖1 aSee Glasses眼動儀

2.3 實驗流程

每次實驗請一位受試者進(jìn)入實驗室，實驗室內(nèi)有2名實驗員。準(zhǔn)備階段：(1)讓受試者閱讀實驗注意事項，填寫舒適度問卷表；(2)將眼動儀連接至計算機(jī)。

實驗階段：(1)將為該受試者定制的鏡片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；(2)采用三點校準(zhǔn)法，雙眼校準(zhǔn)評分均大于設(shè)定值即可開始；(3)讓受試者觀看實驗室內(nèi)遠(yuǎn)處物體，視物距離在4 m以上，實驗時長為5 min；(4)讓受試者以標(biāo)準(zhǔn)閱讀姿態(tài)閱讀指定內(nèi)容，視物距離為30 cm，實驗時長為5 min；(5)受試者完成后摘下眼動儀，并填寫舒適度調(diào)查問卷。實驗員保存實驗數(shù)據(jù)。(6)更換為受試者驗配的測試鏡片Y，重復(fù)步驟(1)-(5)，不同鏡片實驗期間給予受試者10 min的休息時間。完成步驟(6)后，讓下一位受試者進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗，直至全部受試者實驗結(jié)束。

2.4 數(shù)據(jù)處理

最終獲得的80份數(shù)據(jù)中，有2位受試者共8份數(shù)據(jù)的采樣率低于80%，不足以反映受試者的眼動情況，故采用18位受試者的72份眼動數(shù)據(jù)。根據(jù)舒適度調(diào)查問卷結(jié)果，將72份數(shù)據(jù)分為四組，每組18份。第一組為舒適狀態(tài)下的視近距離數(shù)據(jù)，記為A1；第二組為舒適狀態(tài)下的視遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，記為A2；第三組為不舒適狀態(tài)下的視近距離數(shù)據(jù)，記為B1；第四組為不舒適狀態(tài)下的視遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，記為B2，每組數(shù)據(jù)均包含瞳孔直徑、注視點坐標(biāo)、眼跳次數(shù)、眼跳幅度等多個眼動參數(shù)。針對實驗采集到的數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件中的箱線圖法(Box Plot)篩選數(shù)據(jù)的上下邊界，認(rèn)定最大邊界值和最小邊界值范圍外的數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，將其剔除數(shù)據(jù)，同時對空白數(shù)據(jù)進(jìn)行插值或者刪除等操作。

3 結(jié)果

3.1 眼動特征

3.1.1瞳孔直徑 利用Matlab軟件畫出A1、A2組的瞳孔直徑折線圖，見圖2；B1、B2的瞳孔直徑折線圖，見圖3。

在圖2和圖3中，“o”表示視物距離為4 m以上時的瞳孔直徑分布，“*”表示視物距離為30 cm左右時的瞳孔直徑分布。

圖2 舒適條件下瞳孔直徑折線圖Fig.2 Line chart of pupil diameter under comfortable conditions

由圖2可知，舒適條件下視物距離較遠(yuǎn)(4 m)時的瞳孔直徑(A2)明顯比視物距離較近(30 cm)時的瞳孔直徑(A1)大，平均增幅在19.1%。在全部受試者中有15位符合該特征，占有效實驗人數(shù)的83.3%。

圖3 不舒適條件下瞳孔直徑折線圖Fig.3 Line chart of pupil diameter under uncomfortable conditions

由圖3可知，不舒適條件下，視物距離較遠(yuǎn)(4 m)時的瞳孔直徑(B2)明顯比視物距離較近(30 cm)時的瞳孔直徑(B1)大，平均增幅在17.6%。在全部受試者中有16位符合該特征，占有效實驗人數(shù)的88.9%。

受試者在視物距離差別較大時，瞳孔直徑將產(chǎn)生明顯變化，即當(dāng)視物距離逐漸由近至遠(yuǎn)變化時，瞳孔直徑逐漸變大。對視物距離較遠(yuǎn)時的瞳孔直徑與較近時的瞳孔直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行配位t檢驗。

表1 舒適條件下瞳孔直徑t檢驗

表1是A1、A2組中瞳孔直徑的配位t檢驗，結(jié)果顯示P值為1.09×10-4。P<0.05，故差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 不舒適條件下瞳孔直徑t檢驗

表2為B1、B2組中瞳孔直徑的配位t檢驗，結(jié)果顯示P值為0.0124。P<0.05，故差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.1.2注視點 眼睛觀看場景在某一點上的停留時間大于100 ms時，或者在兩個眼跳動作之間的時間大于100 ms時，稱該點為注視點[18]。研究注視點的分布有助于研究受試者的注視習(xí)慣。

將受試者注視點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形顯示，畫出受試者在視物距離不同時的注視點的分布，見圖4，圖中橫軸代表注視點的x坐標(biāo)，單位為px，縱軸代表注視點的y坐標(biāo)，單位為px。

圖4 注視點分布散點圖

由圖4可知，注視點的分布區(qū)域隨視物距離的變化具有明顯差異。視物距離較遠(yuǎn)時，注視點的位置在視野域中相對偏上，在圖4中用“o”來表示；視物距離較近時，注視點的位置在視野域中相對偏下，在圖4中用“+”來表示。整體來看，注視點在視野域的中心位置最為集中。在有效受試者中，有15人的注視點散點圖明顯有此特征，占比為83.3%。

3.2 舒適與不適情況的眼動特征對比

3.2.1瞳孔直徑對比 部分受試者的瞳孔直徑數(shù)據(jù)見表3，當(dāng)受試者佩戴不舒適的眼鏡后，大部分受試者的瞳孔直徑值與舒適狀態(tài)下的瞳孔直徑值相比，存在不同程度的減小，即B1、B2中的值小于A1、A2中對應(yīng)位置的值，減小的幅度平均在20.5%。在有效受試者的36份對比數(shù)據(jù)中有32份數(shù)據(jù)符合該規(guī)律，占比約為88.9%。

表3 部分瞳孔直徑對比

對舒適狀態(tài)下瞳孔直徑數(shù)據(jù)與不舒適狀態(tài)下瞳孔直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行配位t檢驗，以檢驗數(shù)據(jù)之間的區(qū)分度。

表4 不同舒適條件下瞳孔直徑t檢驗

結(jié)果顯示P=0.0256。因P<0.05，故差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.2.2眼跳特征 眼跳是指人的視線從一個注視點，過渡到另一個注視點，完成一次這樣的過程，稱之為一次眼跳。在眼跳過程中，圖像在視網(wǎng)膜上移動的速度很快，最高速度達(dá)到400～600°/s，故在眼跳過程中，視覺閾值升高，基本不能獲得有效的視覺信息，即眼跳時眼睛不能清楚地分辨目標(biāo)物[19-21]。

部分受試者佩戴舒適眼鏡和不舒適眼鏡時的眼跳次數(shù)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 部分受試者眼跳次數(shù)對比

表5為部分受試者的眼跳次數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)佩戴的鏡片不舒適時，眼跳次數(shù)會上升，平均上升幅度為15%。在有效的36份對比數(shù)據(jù)中，有27份數(shù)據(jù)符合該規(guī)律，占比為75%。

對舒適情況下的眼跳次數(shù)與不舒適情況下的眼跳次數(shù)進(jìn)行配位t檢驗，見表6。

表6 不同舒適條件下眼跳次數(shù)t檢驗

結(jié)果顯示P=0.0294。因P<0.05，故差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

4 結(jié)論

本研究通過研究佩戴不同鏡片的眼動特征，對瞳孔直徑、注視點分布、眼跳次數(shù)三個眼動參數(shù)的處理分析，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：(1)隨著視物距離的變化，瞳孔直徑會發(fā)生變化，綜合兩種狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，視物距離較遠(yuǎn)時的瞳孔直徑比視物距離較近時的大，平均增幅在18.3%，發(fā)生率為86.1%；(2)注視點分布會隨著視物距離的不同而發(fā)生變化，即注視點主要分布在視野中心位置，當(dāng)視物距離較遠(yuǎn)時，注視點的位置分布在視野的中上部，視物距離較近時，注視點的位置分布在視野的中下部，實驗中的發(fā)生率達(dá)83.3%；(3)當(dāng)佩戴的眼鏡不舒適時，瞳孔直徑較舒適情況下減小，實驗中平均減小20.5%，發(fā)生率為88.9%,且眼跳次數(shù)有明顯增加，實驗中平均上升15%,發(fā)生率為75%。

由結(jié)果可知，在佩戴不舒適的鏡片時，瞳孔直徑、眼跳次數(shù)發(fā)生顯著性的改變，表明眼睛在不斷地進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不舒適的眼鏡。因此，醫(yī)師可以依據(jù)這兩個指標(biāo)來判斷患者鏡片的舒適度?？赏ㄟ^對比患者不戴眼鏡(或戴舊眼鏡)時和佩戴新眼鏡后的瞳孔直徑和眼跳次數(shù)檢測結(jié)果，然后進(jìn)行顯著性檢驗以判斷新鏡片是否合適，使得配鏡過程更加客觀。

本研究還存在一定的局限性，如受試者樣本量偏少，無法證實舒適程度與眼動參數(shù)之間是否存在具體的數(shù)量關(guān)系等。后續(xù)研究將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，對以上方面進(jìn)行改進(jìn)，增加樣本數(shù)量，探究舒適度與眼動參數(shù)是否存在一定的數(shù)量關(guān)系。