基于移動終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)的研發(fā)及臨床應(yīng)用價值評估

項毅帆 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)國家重點實驗室，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，已成為全社會關(guān)注的焦點。2018年教育部等八部門印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，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目，是眼健康評估的主要指標(biāo)[6]。現(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]。建立個性化的眼健康管理模式、實現(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)基于移動終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)，并驗證該系統(tǒng)在自測視力中的應(yīng)用價值和效能。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采用診斷試驗研究方法，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審核批準(zhǔn)(批文號：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 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。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 采用JAVA及xcode11設(shè)計研發(fā)分別適用于Android及IOS平臺的視力智能檢查和管理系統(tǒng)，測試過程中確保移動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)單個顯示。同時系統(tǒng)納入實時測距、語音識別、手勢識別等技術(shù)。

1.2.1.3實時測距設(shè)計 利用移動終端自身攝像頭及外設(shè)距離傳感器2種方式實時測距，以便在測試狀態(tài)下能自動識別瞳孔與移動設(shè)備間的距離，并將當(dāng)前距離實時顯示在屏幕上方，當(dāng)用戶前后移動時能夠?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)合移動終端自身攝像頭的實時測距原理：系統(tǒng)自動獲取移動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)自身實際測量值對瞳距進(jìn)行手動調(diào)整。此時移動相機離物體更近或者更遠(yuǎn)，系統(tǒng)可以應(yīng)用公式計算得到用戶到移動終端的距離D=(65×F)/P。

1.2.1.4交互方式設(shè)計 用戶在識別視標(biāo)方向時與該系統(tǒng)的交互方式分為手動操作、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。手動操作為直接滑動評估，需要他人配合進(jìn)行，根據(jù)受試者對視標(biāo)的識別情況在屏幕上進(jìn)行滑動操作，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完成，根據(jù)視標(biāo)識別情況進(jìn)行語音回答“上、下、左、右”，或?qū)⑹种钢赶蛏戏健⑾路?、左方、右方。語音識別系統(tǒng)在測試過程中能夠識別語音，并將語音實時轉(zhuǎn)化為文字，并結(jié)合語義識別來判定與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正確結(jié)果是否相同，當(dāng)相同時判定為正確，不同時判定為錯誤，無法判定時默認(rèn)為無法識別，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)行自動學(xué)習(xí)，優(yōu)化語音識別的準(zhǔn)確性及響應(yīng)的靈敏性。手勢控制通過計算機視覺來實現(xiàn)，在識別到人手輪廓之后，進(jìn)行手勢分割、手勢分析以及手勢識別，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)相同時判定為正確，不同時判定為錯誤，無法判定時默認(rèn)為無法識別，提示用戶再次嘗試。在用戶使用過程中，系統(tǒng)會自動學(xué)習(xí)用戶的手勢習(xí)慣，并優(yōu)化識別的準(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)會同時通過聲音、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，同時將佩戴眼鏡或不佩戴眼鏡的狀態(tài)自動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)的方向隨機分布，每次僅顯示1個視標(biāo)。判斷標(biāo)準(zhǔn)：每行連續(xù)準(zhǔn)確識別3個視標(biāo)，則自動進(jìn)入下一行(較小的視標(biāo))。如果每行識別錯誤2個視標(biāo)則自動進(jìn)入上一行(較大的視標(biāo))。如果“看不見”某行視標(biāo)，只需點擊“看不清”或口述“看不清”，程序會自動轉(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上傳至服務(wù)器，便于后期進(jìn)行查詢和統(tǒng)計。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人信息并建立視覺健康檔案，測試的結(jié)果會自動保存至該用戶的檔案中。用戶可隨時查看自己的視覺健康檔案，了解視力的變化情況。在同一移動終端可實現(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移動設(shè)備(華為mate20型智能手機，Android平臺)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)計分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。2種視力檢查方法的配合程度差異比較采用配對χ2檢驗。本研究中LogMAR視力測量值經(jīng)W檢驗呈偏態(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符號秩檢驗，一致性采用Kappa檢驗。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)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基于移動終端智能視力檢查和管理系統(tǒng)的運行

利用JAVA及xcode11設(shè)計，基于實時測距、語音交互、動作交互技術(shù)成功研發(fā)適用于Android及IOS平臺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)可自動檢查移動終端的屏幕尺寸，并自動完成視標(biāo)大小校準(zhǔn)，同級的視標(biāo)物理尺寸保持一致。該系統(tǒng)可實現(xiàn)3 m距離下的視力檢查、實時交互、結(jié)果輸出和自動建檔，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)，實時測距的誤差≤10 cm，語音識別和手勢識別準(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 基于移動終端智能視力檢查和管理系統(tǒng)的臨床驗證

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。隨著移動終端設(shè)備的普及和技術(shù)迭代，基于移動終端的健康管理模式和實施系統(tǒng)逐漸被研發(fā)和推廣，并取得了較為理想的實踐效果[12-16]。本研究首次研發(fā)了基于移動終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)并進(jìn)行了臨床實踐驗證，評估該系統(tǒng)檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性，以了解基于移動終端的視力檢查和個性化眼健康管理模式的可推廣性和應(yīng)用前景。

基于移動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)主要基于計算機等大型移動終端設(shè)備，可以快速、準(zhǔn)確地檢查視力，可重復(fù)性較好，但尚未配置實時測距、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平臺上運行，并得益于移動終端在日常生活中的普及，可大幅度降低視力檢測的成本，實現(xiàn)系統(tǒng)大規(guī)模、快速推廣，使個性化的眼健康管理模式成為可能。實時測距、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]。基于移動終端的視力智能檢查和管理系統(tǒng)可實現(xiàn)隨時隨地的視力自測和長期跟蹤，具有較好的準(zhǔn)確性、實用性和可行性，可作為個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)為單個視標(biāo)，無法檢測環(huán)境照度，后續(xù)會不斷更新，實現(xiàn)多個視標(biāo)檢測、環(huán)境照度的實時監(jiān)控等功能。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突