基于眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景的抑郁癥輔助診斷系統(tǒng)

摘" 要：眼動(dòng)作為一種行為學(xué)評(píng)估方式，在精神類疾病的輔助診斷中起到越來越重要的作用.結(jié)合眼動(dòng)追蹤技術(shù)以及抑郁癥的眼動(dòng)行為學(xué)機(jī)理，開發(fā)了一款適用于抑郁癥輔助診斷的眼動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng).系統(tǒng)中集成了能夠?qū)σ钟舭Y患者注意能力、記憶能力和空間導(dǎo)航能力進(jìn)行評(píng)估的3種虛擬游戲場(chǎng)景，并能夠?qū)崟r(shí)記錄被試者的眼動(dòng)數(shù)據(jù).通過眼動(dòng)特征提取與分析實(shí)現(xiàn)了抑郁癥患者多種能力的準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抑郁癥的輔助診斷.通過20名抑郁癥患者和20名健康被試者的驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)在抑郁癥輔助診斷方面的有效性.該項(xiàng)研究將有助于推進(jìn)抑郁癥的數(shù)字化診療方式發(fā)展.

關(guān)鍵詞：眼動(dòng)；抑郁癥；虛擬現(xiàn)實(shí)；輔助診斷

中圖分類號(hào)：TP391""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2024）05053506

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2024.05.010

Assisted diagnosis system for depression based on eye-movement virtual scenes

ZHAO Wuji1，2， YANG Jianli1， YANG Xiaoru3， ZHANG Shuo4

（1. Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province， School of Electronic Information Engineering， Hebei University， Baoding 071002，China;

2. Faculty of Psychology， Beijing Normal University， Beijing 100875，China;

3. Productivity Promotion Center of Baoding， Baoding 071000，China;

4. Human Resources Department， Affiliated Hospital of Hebei University， Baoding 071000，China）

Abstract： Eye movement， as a behavioral assessment method， plays an increasingly important role in the assisted diagnosis of mental disorders. An eye-movement virtual reality system for assisted diagnosis of depression was developed by combining eye-tracking technology and the eye-movement behavioral mechanism of depression. The system integrated three virtual game scenarios capable of assessing attentional， memory， and spatial navigation abilities in depressed patients， and was capable of recording subjects eye movement data in real time. Accurate assessment of multiple abilities of depressed patients was achieved by feature extraction and analysis of eye data， which in turn enabled assisted diagnosis of depression. The effectiveness of the system in aiding diagnosis of depression was demonstrated through the

收稿日期：20230107;修回日期：20230308

基金項(xiàng)目：

河北大學(xué)自然科學(xué)多學(xué)科交叉研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（DXK202205）

第一作者：趙無忌（1997—），男，北京師范大學(xué)在讀博士研究生，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)、信號(hào)處理方向研究.E-mail：starry995@163.com

通信作者：張爍（1988—），女，河北大學(xué)附屬醫(yī)院經(jīng)濟(jì)師，主要從事數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、智能分析方向研究.E-mail： Zhangshuolele@126.com

validation of 20 depressed patients and 20 healthy subjects. The study will help to advance the development of a digital approach to the treatment of depression.

Key words： eye-movement; depression; virtual reality; assisted diagnosis

《2022年國(guó)民抑郁癥藍(lán)皮書》顯示，全球精神障礙患者約有10億人.隨著社會(huì)壓力的增大，抑郁癥患者呈現(xiàn)出激增趨勢(shì)，增幅約為27.6%，給抑郁癥的防治帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn).目前，抑郁癥臨床診斷以量表評(píng)估（漢密爾頓量表等）為主，但量表評(píng)估存在較大的主觀性，難以實(shí)現(xiàn)抑郁癥的客觀、量化評(píng)估.眼動(dòng)作為一種客觀化的行為學(xué)評(píng)估方法，在腦功能狀態(tài)評(píng)估方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)［1-3］.

Suslow等［4］通過眼動(dòng)追蹤技術(shù)研究了抑郁癥患者在自由觀看任務(wù)中的注意力維持情況，發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者對(duì)情緒低落刺激的注意力維持程度會(huì)有中等程度的增加，而對(duì)積極刺激的注意力維持程度有中等程度的減少.Takahashi等［5］利用眼動(dòng)追蹤技術(shù)研究了抑郁癥患者在自由注視、注視穩(wěn)定性和平滑追蹤任務(wù)中的眼動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)在自由注視和平滑追蹤任務(wù)中抑郁癥患者和正常人具有較大的眼動(dòng)特征差異，而在注視穩(wěn)定性任務(wù)中未發(fā)現(xiàn)明顯的眼動(dòng)異常.Wang等［6］研究了自由注視、注視穩(wěn)定性和平滑追蹤任務(wù)下情感障礙患者的眼動(dòng)特征，并采用Mann-Whitney U 檢驗(yàn)方法進(jìn)行了特征的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)重度抑郁癥、雙相抑郁癥和雙相躁狂癥患者在3種眼動(dòng)任務(wù)下均有類似的眼球運(yùn)動(dòng)功能障礙.

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種特殊的任務(wù)模式，被成功應(yīng)用到抑郁癥的診斷和治療中［7-8］.Zheng等［9］提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的抑郁癥檢測(cè)新方法，通過虛擬場(chǎng)景中的眼動(dòng)特征分析進(jìn)行抑郁癥識(shí)別，結(jié)果表明使用虛擬現(xiàn)實(shí)的眼動(dòng)參數(shù)可作為檢測(cè)抑郁癥狀的生物標(biāo)志物.Cameirao等［10］開發(fā)了一種涉及注意力和短時(shí)記憶的認(rèn)知-運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)，并研究了不同情緒圖像所產(chǎn)生的影響，證明了虛擬現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知運(yùn)動(dòng)任務(wù)用于患者的注意力和記憶力康復(fù)是可行的.Li等［11］通過構(gòu)建不同的三維動(dòng)態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)場(chǎng)景，研究了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)輕度至中度焦慮癥和抑郁癥患者情緒和認(rèn)知恢復(fù)的影響，結(jié)果表明虛擬現(xiàn)實(shí)城市環(huán)境的得分高于自然環(huán)境，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的有效性.

Chitale等［12］研究了電子游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)在焦慮和抑郁評(píng)估中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究表明了使用游戲或虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行焦慮癥和抑郁癥評(píng)估的有效性，但仍需要更多臨床證據(jù).

因此，采用游戲化場(chǎng)景設(shè)計(jì)方式，建立能夠反映抑郁癥患者多種類型腦功能的場(chǎng)景模式，并進(jìn)行臨床驗(yàn)證和評(píng)估，對(duì)于推進(jìn)眼動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的抑郁癥輔助診斷具有重要作用.

1" 眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

本文提出的抑郁癥眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景輔助診斷系統(tǒng)（圖1）主要由2部分組成：眼動(dòng)追蹤設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲場(chǎng)景.眼動(dòng)追蹤設(shè)備負(fù)責(zé)眼動(dòng)位置的實(shí)時(shí)追蹤、各場(chǎng)景下眼動(dòng)數(shù)據(jù)的采集以及與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景之間的交互；虛擬現(xiàn)實(shí)游戲場(chǎng)景負(fù)責(zé)提供能夠反映不同類型腦功能的場(chǎng)景模式、關(guān)卡的選擇模式和場(chǎng)景切換模式.

眼動(dòng)追蹤設(shè)備使用成都集思鳴智公司開發(fā)的EM-2000R高精度快速眼動(dòng)追蹤儀，能以1 000次/s的采樣幀率對(duì)雙眼進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，可實(shí)時(shí)計(jì)算眼睛的位置、瞳孔大小和角膜反光點(diǎn)的位置.實(shí)驗(yàn)中采用的是開放式眼動(dòng)采集與分析系統(tǒng)，如圖1所示.眼動(dòng)數(shù)據(jù)采集界面大致分為6個(gè)功能區(qū)，分別為圖像顯示區(qū)、xy視圖區(qū)、眼位置區(qū)、參數(shù)調(diào)整區(qū)、操作信息區(qū)和數(shù)據(jù)截取控制區(qū).

眼動(dòng)追蹤設(shè)備與虛擬場(chǎng)景之間的交互通過UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示.眼動(dòng)采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集被試者的眼睛注視位置，并把相關(guān)信息傳遞給眼動(dòng)設(shè)備控制主機(jī).場(chǎng)景主機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行Unity虛擬游戲場(chǎng)景，并將場(chǎng)景展示在場(chǎng)景顯示屏上，場(chǎng)景中集成了Unity事件驅(qū)動(dòng)模型，可控制場(chǎng)景模式的切換和動(dòng)態(tài)響應(yīng).眼動(dòng)設(shè)備控制主機(jī)和場(chǎng)景主機(jī)通過UDP協(xié)議進(jìn)行信息交互，來實(shí)時(shí)傳輸眼動(dòng)采集數(shù)據(jù)和眼動(dòng)設(shè)備控制命令，從而實(shí)現(xiàn)了眼動(dòng)追蹤設(shè)備和虛擬場(chǎng)景之間的實(shí)時(shí)交互.

根據(jù)抑郁癥患者在注意力、記憶能力、空間導(dǎo)航能力等方面的大腦功能差異，本文設(shè)計(jì)了3種類型的眼動(dòng)虛擬游戲場(chǎng)景，分別為注意力測(cè)試眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景、記憶能力測(cè)試眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景和空間導(dǎo)航能力測(cè)試眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景，如圖3所示.

注意力測(cè)試中，場(chǎng)景中隨機(jī)出現(xiàn)牛、羊、豬等動(dòng)物，并在場(chǎng)景左上角提示當(dāng)前任務(wù)中需要識(shí)別的動(dòng)物類型，要求被試注視在相應(yīng)的動(dòng)物模型上至少持續(xù)2 s，如果被試眼睛跳出注視范圍，將重新計(jì)時(shí).場(chǎng)景中的每個(gè)動(dòng)物模型均設(shè)有半徑為1視角度的圓形碰撞體積，通過眼跳采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和Unity的碰撞檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)判定眼睛位置與動(dòng)物模型之間的空間位置關(guān)系，從而判定眼睛是否注視在有效的范圍內(nèi).場(chǎng)景設(shè)定的最大完成時(shí)間為10 s，如果被試者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能準(zhǔn)確識(shí)別任務(wù)要求的動(dòng)物模型或者注視時(shí)間未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，被視為任務(wù)失敗.

記憶能力測(cè)試中，在室內(nèi)場(chǎng)景中隨機(jī)出現(xiàn)沙發(fā)、茶幾、花瓶等生活用品，要求被試者仔細(xì)觀察房間內(nèi)包含的物體和其位置，經(jīng)過預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后，場(chǎng)景中隨機(jī)1個(gè)物品會(huì)消失，然后，在屏幕上會(huì)出現(xiàn)1個(gè)選擇界面，由被試者在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)選出消失的物品.

空間導(dǎo)航能力測(cè)試中，在場(chǎng)景中出現(xiàn)一段城市街道和1個(gè)第一視角的汽車方向盤，被試者通過注視屏幕的上、下、左、右4個(gè)特定區(qū)域來控制汽車的移動(dòng)，每個(gè)控制區(qū)域的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)15視角度、寬10視角度的矩形.被試者通過控制汽車方向盤上、下、左、右達(dá)到指定位置.為了防止控制過程中汽車跑出視角范圍，在場(chǎng)景中街道兩側(cè)均設(shè)定了碰撞檢測(cè)算法，防止汽車跑出街道范圍.

2" 數(shù)據(jù)采集和眼動(dòng)特征提取

在河北大學(xué)附屬醫(yī)院進(jìn)行了被試者招募，共納入2組被試者，包括20例正常對(duì)照組和20例抑郁癥組.抑郁癥被試者納入標(biāo)準(zhǔn)：1）能夠正確理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并由本人或親屬簽署知情同意書；2）右利手，自身視力正?；蛐?zhǔn)后視力正常；3）經(jīng)臨床診斷確診為抑郁癥患者.抑郁癥受試者排除標(biāo)準(zhǔn)：1）校準(zhǔn)后視力低于1.0或有嚴(yán)重眼部疾?。?）有嚴(yán)重顱腦外傷史；3）無法確定是否為抑郁癥.

眼動(dòng)數(shù)據(jù)分析：首先采用四階巴特沃茲低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除眼動(dòng)軌跡中的高頻噪聲干擾；然后，利用移動(dòng)平均濾波法去除眼動(dòng)信號(hào)中的異常值；最后，采用自適應(yīng)速度閾值法來檢測(cè)任務(wù)過程中的眼跳.

為了更好地評(píng)估抑郁癥患者在虛擬游戲場(chǎng)景任務(wù)中的表現(xiàn)，分別提取了主序列特征、眼跳頻率、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和完成任務(wù)時(shí)長(zhǎng)等眼動(dòng)特征.特征的具體定義如下：

1）主序列特征：眼跳峰值速度與幅值之間的比例，用來反映個(gè)體在執(zhí)行眼跳動(dòng)作時(shí)速度與準(zhǔn)確性之間的均衡；

2）眼跳頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生眼跳的次數(shù)，用來評(píng)估個(gè)體注視過程中注意力分配情況；

3）反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)：記憶任務(wù)中視覺刺激出現(xiàn)到個(gè)體眼睛快速移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)所需的時(shí)間，用來反映個(gè)體對(duì)視覺刺激的感知速度、信息處理和執(zhí)行眼跳的能力；

4）完成任務(wù)時(shí)長(zhǎng)：導(dǎo)航任務(wù)中從任務(wù)開始到完成任務(wù)所需的時(shí)間總和，用來評(píng)估導(dǎo)航過程中被試者的控制能力和應(yīng)變水平.

3" 眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景中抑郁癥的眼動(dòng)特征分析

圖4為正常對(duì)照組和抑郁癥患者在3種眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景下的眼動(dòng)特征分析結(jié)果，圖4a 為注意力測(cè)試中的眼跳頻率特征，圖4b為記憶能力測(cè)試3中的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)特征，圖4c為空間導(dǎo)航能力測(cè)試中的完成任務(wù)時(shí)長(zhǎng)特征，圖4d為綜合3個(gè)能力測(cè)試得到的主序列特征，圖4中p值為利用克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(yàn)得到的，用來反應(yīng)2個(gè)組之間的差異性.圖4可知，抑郁癥患者在注意力測(cè)試任務(wù)中表現(xiàn)出更多的眼跳活動(dòng)，反映了抑郁癥患者注視的不穩(wěn)定性；在記憶能力測(cè)試中，抑郁癥患者的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)也明顯高于健康對(duì)照組；在空間導(dǎo)航能力測(cè)試中，抑郁癥患者對(duì)于汽車控制的平穩(wěn)性要差于健康對(duì)照組，所以完成任務(wù)的總體時(shí)長(zhǎng)高于健康對(duì)照組.綜合3個(gè)任務(wù)的主序列特征來看，健康對(duì)照組的平均值要高于抑郁癥患者，表明健康對(duì)照組眼跳控制效率和個(gè)體調(diào)控能力更強(qiáng).3種眼動(dòng)虛擬場(chǎng)景下的眼動(dòng)特征分析結(jié)果表明3類場(chǎng)景對(duì)于抑郁癥輔助診斷均有效果.

采用袋裝集成學(xué)習(xí)分類方法對(duì)不同場(chǎng)景下抑郁癥的眼動(dòng)特征進(jìn)行了分類，其中訓(xùn)練集和測(cè)試集比例設(shè)置為7∶3，分類程序運(yùn)行100次，取分類結(jié)果的平均值作為最終分類精度，結(jié)果如表1所示.從表1數(shù)據(jù)可知，記憶任務(wù)場(chǎng)景中的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)特征取得了最好的分類結(jié)果，為75.10%.同時(shí)，3個(gè)任務(wù)場(chǎng)景下的分類結(jié)果都大于64%，證明了眼動(dòng)虛擬游戲場(chǎng)景在抑郁癥輔助診斷中的有效性.

4" 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一套基于眼動(dòng)虛擬游戲場(chǎng)景的抑郁癥輔助診斷系統(tǒng)，結(jié)合抑郁癥發(fā)病機(jī)制及相關(guān)眼動(dòng)特點(diǎn)，分別構(gòu)建了能夠?qū)ψ⒁暪δ?、記憶能力和空間導(dǎo)航能力進(jìn)行評(píng)估的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲場(chǎng)景，通過眼動(dòng)追蹤設(shè)備與虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互，有效采集了游戲過程中的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種眼動(dòng)特征分析，驗(yàn)證了眼動(dòng)虛擬游戲場(chǎng)景在抑郁癥輔助診斷中的有效性.本文的研究成果將有利于推進(jìn)抑郁癥數(shù)字化診療方式的發(fā)展，同時(shí)，能夠應(yīng)用于智能醫(yī)學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的教學(xué)與研究中.

參" 考" 文" 獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王蘭英）