临床中的驾驶模拟：在视野缺损患者中测试日常生活活动中的视觉探索行为

摘要

脑卒中后存在视觉障碍的患者报告称，其日常生活受到不同程度的限制，这很可能归因于多种代偿策略，而在临床常规中难以区分这些策略。我们提出了一种临床测试方案，可测量不同的头部和眼动代偿策略，并评估这些策略对驾驶表现的影响。

摘要

后循环脑梗死（PCA梗死）后出现同侧偏盲的患者，尽管视觉缺损程度相似，但其日常生活受限程度各不相同。我们认为这可能与患者是否发展出不同的代偿策略（如改变视觉扫描行为）有关。扫描代偿疗法（SCT）是视觉训练的一部分，与视觉功能恢复疗法并列应用于脑梗死后的康复治疗。SCT的核心是学习向盲区进行更大范围的眼球运动，从而扩大视觉搜索范围，已被证实是最有效的策略¹，不仅适用于自然搜索任务，也适用于日常活动的完成²。然而，在临床实践中，识别个体代偿行为的水平及其训练效果较为困难，因为这需要在头部自由活动的条件下测量眼动。研究表明，与头部固定状态相比，头部自由活动会显著改变视觉探索行为³。Martin等⁴和Hayhoe等⁵指出，实验室环境中的行为表现难以直接外推至真实自然情境。因此，我们的目标是建立一种研究范式，能够在贴近现实的测试环境中快速揭示不同的代偿性眼动策略：患者在临床环境中接受驾驶模拟器测试。采用SILAB软件（Wuerzburg Institute for Traffic Sciences GmbH (WIVW)）编程设计不同复杂程度的驾驶场景，并记录驾驶员的表现。该软件与头戴式红外视频瞳孔追踪仪（EyeSeeCam，慕尼黑大学医院临床神经科学科）结合使用，同步记录头部和眼动信息。

本研究展示了患者在驾驶模拟器中的坐姿，以及摄像头的位置调整与校准过程。通过一项初步研究，对比展示了一名采用代偿策略的患者、未采用代偿策略的患者以及一名健康对照者的典型驾驶表现。在驾驶过程中，通过动态叠加图像实时显示受试者视线在屏幕上的位置，并结合数据分析，快速评估不同的眼球运动行为（眼动和头动的频率与幅度）。结果显示，具有代偿性注视行为的患者其驾驶表现可达到与健康对照者相当的水平，而无代偿行为的患者表现则明显更差。本文结合不同的眼动策略，对眼动与头动行为数据及驾驶表现进行了讨论，并进一步探讨了测试过程中可能存在的训练效应及其对康复潜力的启示。

方案

1. 研究体位的准备

1. 让患者坐在屏幕前方2米处的固定基座模拟汽车座椅上（屏幕尺寸为203 x 152 cm，水平方向覆盖58.15度视觉角度，垂直方向覆盖43.61度视觉角度，分辨率为1400 x 1050），该座椅模仿真实汽车座椅。协助患者通过座椅下方的手柄调节座椅与踏板之间的距离，并帮助调整靠背角度。
2. 指导患者如何使用模拟汽车装置（刹车、转向灯、方向盘）。
3. 向患者说明任务要求：以您在真实非模拟驾驶情境下的方式驾驶。道路为单向单车道，带有弯道（最小曲率半径500 m，最大曲率半径1,200 m），无其他车辆通行。请注意观察道路两侧出现的交通标志和故障车辆。当出现潜在危险事件（如野猪或球滚向道路）时，应尽快做出反应，根据具体驾驶情况选择踩刹车、打转向灯或同时执行两者。踩下油门踏板后，车辆将加速至70 km/h的恒定速度，除非使用刹车¹。整个驾驶过程持续约10分钟。
4. 向患者说明模拟器晕动症的相关情况。若出现不适、恶心或出汗等症状，应立即中断测试。
5. 进行一次任务密度较低的试驾，以帮助患者适应模拟环境，并通过提供充足调整时间来预防模拟器晕动症²。

2. 眼动仪的校准

1. 在第二次测试过程中，患者正确就座并完成充分练习后，将眼动仪佩戴在患者头部，并通过拉伸弹性绑带进行调整。头部摄像头的激光应指向屏幕中央。调节头部摄像头对瞳孔的聚焦。
2. 指导患者根据鼠标箭头的引导依次注视五个光点，以完成校准。
3. 启动模拟程序。
4. 通过添加水平校准完成校准：患者首先注视屏幕左侧的叠加眼图图像，随后跟随眼球从屏幕左侧移动至右侧，并再次注视右侧的眼图图像。
5. 通过要求患者注视屏幕上的特定物体，并将其与指示软件计算出的视线位置的叠加眼图图像进行比对，以测试校准效果。若视线位置与叠加眼图在屏幕上的位置一致，则校准成功。在驾驶过程中可能出现眼动仪视线清晰度的垂直漂移。通过在驾驶开始和结束时进行目视检查，评估漂移程度，并判断是否需要重新测试。
6. 若校准成功，则关闭叠加眼图图像；若未成功，需重复校准过程直至成功为止。
7. 为快速评估眼球运动的代偿行为，可开启叠加眼图图像。

3. 模拟

1. 开始模拟，让患者启动驾驶。
2. 让患者驾驶不同的路线（每条路线长度为6,500米，位于乡村区域，持续时间约10分钟），由于周围环境造成的分心程度不同，任务难度各异。每位患者需完成三条路线的驾驶。
3. 即时评估眼动行为：打开眼动图像叠加功能，可视化患者在测试过程中的注视行为。眼动追踪设备会持续将患者实际注视位置的坐标发送至模拟软件SILAB；SILAB则将一个眼睛图像的叠加画面精确投射到患者正在注视的屏幕位置。该功能不仅可用于验证校准质量，还可使您和患者立即直观地观察到注视行为。

4. 分析

1. 使用 SILAB 软件以 100 Hz 的采样率进行数据记录。同时使用 SILAB 软件记录速度、反应时间（转向灯使用、制动）。
2. 使用 Matlab（MathWorks 公司，美国 Natick）对头部和眼动参数进行统计分析。采用以下标准：
   1. 将眼跳定义为注视轨迹中注视速度超过 30°/s 且注视幅度大于 1° 的阶段（因为幅度低于 1° 的眼动属于微眼跳）。将发生在 80 ms 内的眼跳聚类。将眼跳之间的阶段定义为注视。将头部运动定义为速度超过 6°/sec 且幅度大于 3° 的运动¹¹。排除头动与眼动方向相反的同步运动，因其不会增加注视幅度。
   2. 将物体注视定义为注视位置在 x 轴方向距物体最多 1.24°、y 轴方向最多 1.66° 的注视。物体并非根据患者的注视位置触发，但在物体出现时通过计算其相对于注视位置的偏心度予以考虑³。
   3. 计算受试者注视的平均持续时间（平均注视时长）以及在水平和垂直子午线上的搜索范围（注视位置的方差）。
3. 通过两种方式测量反应时间：第一种方式（首次检测）将反应时间定义为首次通过注视或手动操作检测到物体的时间。若患者首先注视物体，随后进行手动响应（大多数情况），则选择注视时间为首次检测的反应时间；若患者未先注视物体，而是首先使用转向灯或制动踏板作为提示，则选择手动反应时间为首次检测的反应时间。第二种方式（手动反应）仅以手动反应（制动或转向灯）测量反应时间。

5. 代表性结果

我们招募了6名不同年龄（35-71岁）的缺血性PCA梗死后出现不完全性偏盲的患者（右侧半球4例，左侧半球2例），以及85名年龄分布各异（20-75岁，均匀分布）的健康对照者，以确定眼动和头动以及驾驶表现的年龄相关变化，作为参考组。所有受试者均无认知功能障碍、神经系统或精神系统疾病或缺陷，视力均高于0.5。采集了所有受试者的病史，并了解其对虚拟媒体的使用经验。本研究遵循《赫尔辛基宣言》的规定，并经当地伦理委员会批准。所有参与者均签署了书面知情同意书。所有受试者均不了解实验的具体目的。

此处，我们展示了两名中风后7至9个月、伴有不完全性右侧偏盲的患者在有和无代偿行为情况下的代表性测试结果（图1），并以一名健康受试者作为对照。选择该健康对照者是因其年龄、驾驶经验及电脑游戏经验与患者相似。

患者A表现出向视觉缺损侧的代偿性扫视运动，因而在驾驶模拟测试中的表现与健康对照组相当，能够在乡村驾驶情境中成功检测并应对潜在危险。然而，患者B未表现出代偿性扫视运动，在驾驶模拟中表现较差，常忽略盲区内的周边物体，导致反应时间延长或发生碰撞。尽管如此，在整个驾驶过程中，患者B自发采用了代偿性行为，从而减少了碰撞次数，且该行为并非由实验指导所引起。测试过程中允许头部自由活动，以模拟真实条件，并检测头部运动在代偿性行为中可能产生的影响。

要求患者以真实非模拟驾驶情况下的方式完成驾驶路线。与健康受试者相比，患者A的眼跳频率高出1.7倍，且主要集中在视觉缺损所在的一侧屏幕区域（占63%）。患者A与对照者的眼跳幅度相似（健康受试者的平均幅度为5.5度，患者为5.3度）。患者A的注视持续时间较健康对照者更短（患者A的平均注视持续时间为381毫秒，对照者为483毫秒）。

相比之下，患者B和对照组对屏幕两侧的探索频率基本相同。图2展示了患者A、健康受试者和患者B在第一次驾驶过程中注视点在屏幕上的分布情况。与患者A相比，患者B的扫视运动次数减少了3.4次，其扫视幅度仅为患者A的一半（平均幅度：患者A为5.5度，患者B为2.9度）。患者B的注视持续时间较健康对照组和患者A更长（平均注视持续时间为1049毫秒）。

患者A和患者B在驾驶过程中几乎未进行头部运动（1至2次），而健康对照者每 session 驾驶中进行了数次（5至10次）有助于视线幅度的头部运动。

图3展示了物体位置相对于注视点偏心度对反应时间的影响，分别显示了视野左侧和右侧的情况。该图分别针对两位受试者，展示了视野两侧因偏心度增加而导致的反应时间延长。某些极小偏心度下的反应时间小于50 ms，这些并非真实的反应时间，而是由于对道路上潜在危险位置的扫描，或物体出现在患者注视点处所致。我们未对这些事件进行过滤，因为它们也代表了一种值得关注的驾驶行为：即识别并避让潜在危险位置。（该图示还显示，由于患者B在其盲区内遗漏了部分物体，因此记录到的反应时间较少。）

在患者A和健康对照者中，所有物体均被成功探测，且未发生任何碰撞。然而，在患者B中，右侧（盲视）视野与左侧（有视力）视野之间的反应时间存在明显差异：患者B对盲视视野中出现的物体探测速度比有视力视野慢1.6倍，并且在盲视视野中出现的物体发生了4次碰撞（中位反应时间：右侧（盲视）视野为4411.66 ms，左侧（有视力）视野为2810 ms）。

因此，患者A通过增加扫视运动次数来补偿右侧偏心视野的丧失，效果良好。然而，当工作负荷增加时，这种补偿策略是否仍有效尚不明确。左侧视野的图表数据提示了这一可能性：尽管患者通过扫视运动的侧向化在右侧视野能够实现与健康人相当的反应速度，但在左侧视野更大偏心度的位置上，其反应时间更长，表明该策略可能对行为表现带来一定代价。然而，健康对照者在比较两侧反应时间时也显示出轻微差异，这可能也与健康对照者比患者少进行一次驾驶任务有关。要验证这种差异是否为稳定效应，还需进行更多试验。

与患者A相比，患者B表现出缺乏代偿行为及其对驾驶表现影响的典型结果：由于缺乏向盲区方向的代偿性扫视运动，导致患者与出现在盲区中的物体发生碰撞，且反应时间延长。然而，在整个驾驶过程中，该患者自发地开始向右侧视野进行更多、幅度更大的扫视运动，从而显著减少了碰撞发生的频率。

图 1A. 患者 A，自动 30° 阈值视野检查。

图 1B. 患者 B，自动 30° 阈值视野检查。

图 2. 患者A、患者B和健康对照组在屏幕上的注视点分布。

图 3. 患者A、患者B及健康对照组对视野中不同偏心度出现的物体的反应时间。

¹该巡航控制系统被用于确保不同年龄组之间反应时间的可比性，因为已知老年驾驶员会降低车速，作为一种可能的代偿机制⁷。

²模拟晕动症表现为在驾驶过程中持续出现的恶心、出汗或头晕。关于其发生频率的报道不一，范围从9%到37%不等，且发生率随年龄增长而升高，老年人更易发生^{8, 9, 10}。充分的准备，包括进行足够长时间的练习驾驶以使个体充分适应，可降低发生模拟晕动症的风险。

³每次测试中，共有4只野猪和4个球体按设定从道路两侧出现，分别以两种不同的偏心距离，在路线的直线段及不同路段间隔出现，以避免受试者形成测试习惯。物体的出现由受试者通过道路上的流量触发点来触发。

讨论

新建立的方法能够检测因中风导致视野缺损患者的视觉探索行为。该测试设计还提供了一种即时评估代偿性注视行为的方法：通过开启叠加的眼动图像，检查者可以在测试过程中直观显示患者的注视行为。因此，该方法可快速且即时地判断患者是否已采用代偿性注视策略。同时，通过屏幕上移动的叠加眼动图像作为注视指示反馈工具，患者自身也能意识到其注视模式。头部运动在代偿性注视行为中的作用目前尚不明确。在我们的对照组中，老年人出现头部运动更为常见。健康对照组的头部运动多于患者组。当测试的视野范围比本实验设置更宽时，头部运动可能发挥更大的作用。因此，在本研究的患者中，我们未能将头部运动识别为代偿性注视行为的一部分。然而，仍需对更多患者进行检查，以明确头部运动在代偿行为中的作用。

本研究的局限性如下：由于眼动仪在驾驶过程中存在垂直漂移，部分个体需要重新测试。道路上的物体是自然出现的，而非由注视位置触发的固定偏心度呈现。然而，在分析反应时间时，会考虑当前注视位置相对于物体的位置关系。

在模拟驾驶和实际驾驶环境中，已有针对视野缺损患者的测试研究：Bowers 等¹² 与 Cockelbergh 等¹³ 在驾驶模拟器中开展了研究，发现与健康对照者相比，患者的驾驶表现较差。然而，这些研究未记录眼动和头部运动，因此无法将个体差异与视觉探索行为相关联。Wood 等⁶ 在真实生活情境中进行了测试，并建立了对视野缺损患者驾驶表现的评估方法。头部和眼部运动通过视频记录，并由两名独立研究人员在测试后进行评分，从而处理了评分者间的一致性问题。尽管如此，该研究未提供对注视持续时间、眼跳及头部运动的定量分析，且评估依赖于一名认证的驾驶康复专家。我们采用模拟驾驶设置的优势在于，可在临床环境中快速、便捷地完成评估，同时记录眼动与头动的明确定义参数以及反应时间。该设置可控制干扰程度，使每位驾驶员经历相似的驾驶情境，并采用标准化路线和条件，从而保证结果的可比性。Roth ² 已证明，扫描训练法（SCT）可改善盲视区域在自然搜索任务中的搜索行为。通过调节驾驶课程中的干扰程度，将能够验证补偿性行为是否会在更高负荷下失效，以及在何种程度下失效。比较模拟驾驶与实际驾驶研究，合理的做法似乎是首先在模拟环境中训练补偿性行为，再将患者置于真实驾驶情境中作为第二步，尤其是后者能够评估驾驶的安全性。

未来，我们计划通过分析扫视、幅度和分布，对不同水平的代偿性行为进行表征。这将有助于提供更加个体化的康复方案，以适应患者当前的代偿行为水平。其次，鉴于患者B表现出代偿策略的自发采用，我们希望测试该设计作为康复工具的可行性：驾驶模拟不仅可用于诊断性测试设计，还可用于特定训练，指导患者执行代偿性扫视行为。结合眼动指示叠加图像对注视行为的实时可视化，该方法可能提供一种反馈机制，以增强患者对代偿策略的注意。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
驾驶模拟软件 SILAB	维尔茨堡交通科学研究所有限公司 (WIVW)		http://www.wivw.de/index.php.en
EyeSeeCam	慕尼黑大学医院 临床神经科学		http://eyeseecam.com
建立该系统的预估成本与时间为 20,000 欧元，3 个月。