視力表的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

曹蘇琪 趙宇鍇 侯方 黃昌兵 周佳瑋 呂忠林，5，6 瞿佳

作者單位：1溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院 325027；2紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究中心 10003；3中國科學(xué)院心理研究所行為科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4中國科學(xué)院大學(xué)心理學(xué)系，北京 100049；5上海紐約大學(xué)文理學(xué)院 200122；6華東師范大學(xué)-紐約大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)聯(lián)合研究中心，上海 200062

視覺是人類最重要的感覺之一，視覺信息占人類接收外界信息總量的80%～90%。Donders最早提出視銳度的概念，即最小可分辨角（Minimum angle of resolution，MAR），用以表征視覺系統(tǒng)感知空間細(xì)節(jié)的能力[1]。通常認(rèn)為視銳度達(dá)到或小于1分視角（或0.0 LogMAR）為正常，相當(dāng)于能夠分辨5 m遠(yuǎn)處7.27 mm大小的視標(biāo)；而視銳度大于1分視角則表明視功能存在問題。視銳度已經(jīng)成為臨床實(shí)踐中最常用的視功能評估指標(biāo)[2]，是驗(yàn)光配鏡、檢測視神經(jīng)缺陷和評判眼病治療效果與患者恢復(fù)程度的重要準(zhǔn)則[3]。此外，軍人、飛行員等特殊職業(yè)也有基于視銳度的最低視力標(biāo)準(zhǔn)[4]。因此，精準(zhǔn)的視銳度評估在醫(yī)療健康等領(lǐng)域有著十分重要的意義。目前，視銳度測量主要通過視力表進(jìn)行。常見視力表包括Snellen視力表、Landolt C視力表、Tumbling E視力表、Bailey-Lovie視力表、早期糖尿病視網(wǎng)膜病變治療研究（Early treatment of diabetic retinopathy study，ETDRS）視力表等，不同的視力表在視標(biāo)選擇和設(shè)計(jì)原理等方面存在差異。筆者對如今廣泛使用的紙質(zhì)視力表、燈箱視力表和電子視力表進(jìn)行分析，并對紙質(zhì)視力表和燈箱視力表的發(fā)展歷史、設(shè)計(jì)原理和計(jì)分規(guī)則，以及電子視力表的發(fā)展現(xiàn)狀與前景進(jìn)行了論述。

1 視力表簡史

世界上最早出現(xiàn)的視力表由荷蘭眼科醫(yī)師Snellen于1862年設(shè)計(jì)[5]，使用E、F、P、T、O、Z、L、D、C共9個大寫字母作為視標(biāo)。Snellen視力表共11行，視標(biāo)大小逐行遞減，從上到下每行分別有1、2、3、4、5、6、7、8、8、8、9個字母。視標(biāo)的高和寬均等于筆畫粗細(xì)的5倍。在6 m（美國為20英尺）的常規(guī)檢查距離時，小數(shù)視力1.0 行對應(yīng)視標(biāo)大小為8.72 mm，筆畫粗細(xì)為1.74 mm，對應(yīng)人眼1分視角。迄今為止，Snellen視力表仍是世界上廣泛使用的視銳度測量工具[6]。雖然Snellen視力表具有廣泛影響力，但不適用于幼兒、言語障礙者或不認(rèn)識字母的人群。為解決此缺陷，瑞士眼科醫(yī)師Landolt，于1888年研發(fā)了Landolt C視力表，這是一種用帶有間隙的環(huán)形作為視標(biāo)的視力表。其視標(biāo)類似于字母C，受測者需報(bào)告字母C的開口朝向。目前，Landolt C視力表已成為多數(shù)歐洲國家視力測量的標(biāo)準(zhǔn)視力表[7]。而在非英語母語國家（如中國），人們普遍使用字母E為視標(biāo)的Tumbling E視力表，被檢者需報(bào)告字母E的開口朝向。Snellen視力表的另一個問題是所使用的9種字母視標(biāo)具有不同的可分辨性。為解決這一問題，澳大利亞國家視覺研究所的Bailey和Lovie于1976年重新設(shè)計(jì)了Snellen視力表[8]。Bailey-Lovie視力表采用了Sloan字母（C、D、H、K、N、O、R、S、V和Z）作為視標(biāo)，這種視標(biāo)由美國眼視光科學(xué)家Sloan于1959年設(shè)計(jì)，不同字母具有幾乎相同的可分辨性[9]。不僅如此，Bailey-Lovie視力表還采用了美國醫(yī)學(xué)光學(xué)和視覺生理學(xué)會在1953年提出的各行視標(biāo)大小呈幾何增率的建議[9]。該視力表共14行，每行有5個Sloan字母，視銳度根據(jù)最小可分辨角的對數(shù)值（LogMAR）進(jìn)行評分，每個字母得分為0.02 LogMAR。此外，Bailey和Lovie還提出了以下視力表設(shè)計(jì)原則：①視標(biāo)應(yīng)具有相同可讀性；②每行視標(biāo)個數(shù)應(yīng)相同；③各行視標(biāo)大小呈等比數(shù)列逐行遞減。1982 年，為了使視力表適用于ETDRS，Bailey在Bailey-Lovie視力表的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了ETDRS視力表[10]。由于該視力表可以變距使用，能夠量化極低視力患者的視力情況[11]，ETDRS視力表很快成為臨床試驗(yàn)中視力測試的金標(biāo)準(zhǔn)[12，13]。目前，國際上除前述常見視力表外，還有一些針對特殊測試需求設(shè)計(jì)的視力表，如測量近距離視銳度的Jaeger視力表[14]和專門針對幼兒設(shè)計(jì)的LEA視力表[15，16]等。有研究表明，LEA視力表在學(xué)齡前兒童視力評估上優(yōu)于Snellen視力表[17]。

在中國，最早使用的國際標(biāo)準(zhǔn)視力表是由孫濟(jì)中教授和周誠滸教授于1952 年研制，采用不同朝向的字母E作為視標(biāo)，按照1909年第11次國際眼科會議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成[18]。但行間視標(biāo)大小增率不均[19]。同一時期，溫州醫(yī)科大學(xué)的繆天榮教授于1959 年設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表。標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表同樣采用E字母作為視標(biāo)，但視標(biāo)大小按等比數(shù)列逐行遞減，且采用繆天榮教授首創(chuàng)的5分記錄法來記錄視力值。據(jù)有限的文獻(xiàn)考證，這可能是世界上最早的一張對數(shù)視力表。1978年，標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表及相應(yīng)的5分記錄法獲全國科學(xué)大會獎。1989年，標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表由中國衛(wèi)生部頒布成為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 11533-89），自1990年5月1日起，在全國范圍內(nèi)正式實(shí)施[19，20]。2011年，新版視力表經(jīng)王勤美等修訂，成為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 11533-2011）[21]。目前，標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表已經(jīng)成為中國使用最廣泛的視力表。表1列舉了國內(nèi)外常用視力表的視標(biāo)、測量距離和測試任務(wù)。

2 視力表的原理和計(jì)分規(guī)則

不同視力表的原理和計(jì)分規(guī)則各不相同。以國際上較為常用的ETDRS視力表為例，其設(shè)計(jì)初衷是為了能夠在早期糖尿病視網(wǎng)膜病變的臨床試驗(yàn)中盡可能準(zhǔn)確地評估患者視力，優(yōu)勢為可以變距使用。ETDRS表每行由5個大小和辨識難度相對一致的Sloan字母組成，共14行，視標(biāo)大小呈等比數(shù)列逐行遞減，相鄰兩行視標(biāo)的行間距等同于下面一行視標(biāo)的大小。測量時，被檢者在4 m的檢測距離從視力表第一行進(jìn)行逐行的視標(biāo)報(bào)告，報(bào)告順序?yàn)閺淖蟮接乙来芜M(jìn)行，直至某一單獨(dú)行正確識別視標(biāo)個數(shù)小于3個時，終止檢測。測量人員統(tǒng)計(jì)被檢者總計(jì)正確識別視標(biāo)個數(shù)，記為n。視力結(jié)果通常以最小可分辨角的對數(shù)值和評分分?jǐn)?shù)表示[22，23]。最小可分辨角的對數(shù)值（LogMAR）計(jì)算方法為1.1-n×0.02，LogMAR越小，視力越好；評分分?jǐn)?shù)N=n+30，評分分?jǐn)?shù)越高，視力越好（這里僅介紹臨床上最廣泛使用的檢測和計(jì)分規(guī)則，其他方法可參見文獻(xiàn)[24]）。

中國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表》自上到下共14行，行間距皆為24 mm，各行視標(biāo)大小按公比（=1.2589）逐行遞減；視標(biāo)大小所對應(yīng)的LogMAR按公差0.1增加，即每增加1行，視力記錄值減少0.1。測量時，被檢者從上往下辨認(rèn)視標(biāo)開口朝向，如果一行視標(biāo)識別的正確率大于50%則進(jìn)入下一行。否則，終止檢測并記錄上一行視標(biāo)對應(yīng)視力值為被檢眼視力測量結(jié)果。視力測量結(jié)果通常采用5分記錄法：L=5-lg a，也可以換算成L=5+lg V（小數(shù)記錄）和L=5+lg（分?jǐn)?shù)記錄）；式中，L代表5 分視力；a代表最小可分辨角MAR；V代表小數(shù)視力；d代表檢查距離（對數(shù)表為5 m）；D代表某視標(biāo)的每一筆畫或缺口寬度在眼結(jié)點(diǎn)處所夾的角正合1分視角時，該視標(biāo)至眼結(jié)點(diǎn)的距離，亦稱1 分視角距離或正常視力1.0 的距離。其中，正常視力標(biāo)準(zhǔn)為能分辨1 分視角的視力，記為5 分，即5.0，相當(dāng)于小數(shù)記錄的1.0視力，分?jǐn)?shù)記錄的6/6或20/20。

表1.目前常用的視力表Table 1.Commonly used visual acuity charts at present

3 電子視力表

傳統(tǒng)視力測試常使用紙質(zhì)視力表或燈箱視力表，這種視力表雖然成本低、易于使用，但存在以下不足：①視標(biāo)固定，重復(fù)測量時，被檢者容易記住視標(biāo)朝向，導(dǎo)致重復(fù)測量的結(jié)果有所偏差；②燈箱多次使用后，會出現(xiàn)外殼老化變黃、視標(biāo)磨損、內(nèi)部燈管照度下降、亮度不均勻等現(xiàn)象，影響測量結(jié)果；③測量結(jié)果易受主檢人員的個人測量習(xí)慣的影響，產(chǎn)生一定偏差。隨著社會的發(fā)展，人們對視覺健康要求的提高，眼科臨床診斷和治療的重心已經(jīng)逐漸由傳統(tǒng)的器質(zhì)性眼病向功能性眼病轉(zhuǎn)移。因此，目前臨床對于視力測量的精確性和敏感性都提出了更高的要求。另一方面，隨著我國兒童青少年近視率的攀升，國家對近視的重視程度日益增加，在中小學(xué)生中開展大范圍的常規(guī)化的視力普查成為剛需。在各地實(shí)踐中，傳統(tǒng)燈箱視力表的不足更為凸顯。這些都迫切要求研究者和臨床工作者進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有視力表或者開發(fā)新一代視力表。

近年來，研究者們設(shè)計(jì)了不同形式的電子視力表，以應(yīng)對視力測量的新挑戰(zhàn)、新需求。電子視力表的優(yōu)越性在于：①可以通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)定視標(biāo)的類型和大小，根據(jù)不同人群、不同測量隨機(jī)改變，以排除傳統(tǒng)視力表中視標(biāo)固定造成的學(xué)習(xí)和記憶效應(yīng)；②可由被檢者自主完成，節(jié)省人力；③可以通過程序設(shè)置統(tǒng)一的測量規(guī)則和計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)，減少或者排除不同主檢人員個人習(xí)慣帶來的干擾。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明電子視力表在重測變異性（Test-Retest-Variability，TRV）上和傳統(tǒng)視力表具有可比性[25-28]。TRV常以2次測量結(jié)果差值標(biāo)準(zhǔn)差的1.96倍為指標(biāo)，反映了測量結(jié)果的精確性，TRV值越小，表明用此視力表所測視力值的重復(fù)性越好，能檢測出微小視力變化的能力也越強(qiáng)[28]。然而在實(shí)際測量中，TRV往往會受到視力表原理、計(jì)分規(guī)則、視標(biāo)個數(shù)以及被檢者眼部狀態(tài)等因素的影響[29]。表2為當(dāng)前國際上不同學(xué)者根據(jù)視力表原理和計(jì)分規(guī)則開發(fā)出的不同形式的電子視力表及其與傳統(tǒng)視力表在TRV和測量效率上的比較。

表2.電子視力表與傳統(tǒng)視力表對比分析的研究總結(jié)Table 2.Summary of comparative study between computerized visual acuity tests and traditional acuity charts

現(xiàn)階段，電子視力表除視標(biāo)隨機(jī)、減少人工成本和統(tǒng)一測量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性外，還著重考慮了如何提升視力測量的精確性和測量效率。目前較為常見的是弗萊堡測試（Freiburg Visual Acuity test，F(xiàn)rACT），其采用了序列檢驗(yàn)參數(shù)估計(jì)算法（Parametric Estimation by Sequential Testing，PEST）[31]，該算法可根據(jù)被檢者已完成的測試數(shù)據(jù)綜合考慮，實(shí)時地選擇最優(yōu)視標(biāo)大小[32]，從而提高視力表的精確性。由于FrACT的測量時間相對較長，后續(xù)又有學(xué)者提出了一系列能進(jìn)一步降低TRV或減少測量時間的新型電子視力表，見表3。

從人視知覺能力的角度而言，使用不同尺寸的視標(biāo)進(jìn)行測量時，被檢者完成任務(wù)的正確率會隨視標(biāo)尺寸的減小而單調(diào)遞減。這種“正確率-視標(biāo)尺寸”的函數(shù)，被稱為視銳度心理度量函數(shù)[36，37]。2018年，Lesmes開發(fā)了一款基于貝葉斯主動學(xué)習(xí)的視力測試方法（Quantitative visual acuity，qVA），可以同時測量被檢者視銳度心理度量函數(shù)的閾值和斜率[38]。該方法使用更高密度的視標(biāo)采樣（每行間隔0.02 LogMAR）和基于多字母的視銳度心理度量函數(shù)，還采用了信息最大化的視標(biāo)刺激選擇策略，并結(jié)合貝葉斯算法迭代更新受檢者閾值和斜率的最佳估計(jì)值，以提高檢測效率。Zhao等[39]對FrACT、E-ETDRS與qVA方法進(jìn)行了評估后發(fā)現(xiàn)，qVA方法的誤差和精度均為三者中最好。此類采取新型智能算法的電子視力表，在視力普查和防控上的應(yīng)用值得期待。

電子視力表的視標(biāo)是在顯示屏上呈現(xiàn)的，不合適的顯示屏，可能會造成視標(biāo)尺寸的誤差。Perera等[40]曾對Apple App Store上的11種視力測量APP進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同APP所用視標(biāo)光學(xué)尺寸（視標(biāo)大小、亮度）的誤差在4.4%～39.9%之間。這種光學(xué)尺寸的高誤差必然會帶來測量結(jié)果的偏差。另一方面，無論是傳統(tǒng)燈箱視力表還是電子視力表，其最后給出的都是這一心理度量函數(shù)上的某一個點(diǎn)對應(yīng)的視標(biāo)尺寸值（即某一個正確率水平對應(yīng)的視力“閾值”）。不同電子視力表因其算法采用的視銳度心理度量函數(shù)形式和參數(shù)估計(jì)方法的不同，所得閾值對應(yīng)的正確率水平也不同，如FrACT選擇55%正確率下的閾值，而qVA選擇67%正確率下的閾值（見圖1A）。此外，有研究表明，不同人群以及患病的不同階段都可能會帶來心理度量函數(shù)斜率的差異[41，42][見圖1B；注：心理度量函數(shù)的斜率（slope）指的是反斜率，slope的值越大，曲線越平緩[43]]。這些因素均在不同程度上限制了不同視力表所得結(jié)果的可比性，不能滿足新時期臨床視功能診療需求和視力普查、近視防控需求。由閾值和斜率這2個指標(biāo)確定的視銳度心理度量函數(shù)才能準(zhǔn)確觀察到視力指標(biāo)的細(xì)微變化[39]。

圖1.視銳度心理度量函數(shù)[39]A：同一心理度量函數(shù)曲線在不同正確率水平下對應(yīng)不同閾值；B：2條不同斜率的視銳度心理度量函數(shù)曲線Figure 1.Psychometric functions of visual acuity test[39].A:Thresholds of a single acuity psychometric function at two different performance levels.B:Two acuity psychometric functions with different slopes.

4 小結(jié)

從溫州醫(yī)科大學(xué)繆天榮教授六十年前一桌、一紙、一筆研發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表，到標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表在中國的修訂、執(zhí)行、形成國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，再到2013 年“系列視力表的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎，視銳度測量的“中國方案”具有傳承久遠(yuǎn)的歷史。近年來，中國的中小學(xué)生視力低下率逐年上升，視力低下患病總?cè)藬?shù)居全世界第一，近視年齡也逐漸低齡化，近視已經(jīng)成為了一項(xiàng)重大公共衛(wèi)生問題，受到黨和國家的高度關(guān)注[44]。近視防控過程中對每名中小學(xué)生的視力普查對視力測量范圍、測量次數(shù)以及識別視力微小變化提出了更高的要求。傳統(tǒng)視力表并不能滿足這些要求，給視力普查帶來一定挑戰(zhàn)。而不同電子視力表在硬件設(shè)施（如顯示屏硬件尺寸、亮度和分辨率等）、軟件算法（如PEST、順序測量等）、計(jì)分方法等方面并不統(tǒng)一，導(dǎo)致不同來源數(shù)據(jù)之間的不可比，客觀上限制了其在近視普查中的廣泛應(yīng)用。因此，結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，融匯前沿科學(xué)技術(shù)，研制新的適用于臨床診斷和近視防控需求的電子視力表和相應(yīng)規(guī)范，既是技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的必然，也是新時代近視防控工作賦予的責(zé)任和義務(wù)。

表3.新型電子視力表以及ETDRS圖表中位測試時間和重測變異性的對比研究總結(jié)Table 3.Summary of comparative study of median measurement time and TRV between ETDRS and new computerized visual acuity tests

利益沖突申明本研究無任何利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明曹蘇琪：收集數(shù)據(jù)；撰寫論文；根據(jù)編輯部的修改意見進(jìn)行修改。趙宇鍇：收集數(shù)據(jù)；參與選題、設(shè)計(jì)和修改論文的結(jié)果、討論。侯方、黃昌兵、周佳瑋：參與選題、設(shè)計(jì)和修改論文的結(jié)果、討論；修改論文中關(guān)鍵性結(jié)果結(jié)論；根據(jù)編輯部的修改意見進(jìn)行核修。呂忠林、瞿佳：修改論文中關(guān)鍵性結(jié)果結(jié)論；根據(jù)編輯部的修改意見進(jìn)行核修