使用自动化Hirschberg检测应用程序评估眼球对齐情况

摘要

我们介绍了一种使用智能手机应用程序进行赫希伯格（Hirschberg）测试的方案，用于在近处和远处注视条件下测量显性及间歇性眼位偏斜（斜视）。

摘要

已开发出一款智能手机应用程序，用于执行自动化的摄影Hirschberg试验，以客观测量眼球错位。该应用通过计算手机相机闪光灯在高分辨率图像上产生的角膜反光相对于瞳孔中心的差异，能够以远高于肉眼进行Hirschberg试验的精度测量眼球错位。此前一项临床评估研究已通过与临床金标准——棱镜遮盖试验和交替遮盖试验——进行比较，验证了该应用的准确性。本文旨在介绍使用该应用程序测量不同注视距离下眼球对齐情况的测试技术，包括在融合存在或被遮盖打破时的测量，以及 kappa角的测量，使用户能够使用该应用程序完成临床上通常使用棱镜进行的等效检查。

引言

在视力保健门诊中，常需进行眼位对齐的测量。遮盖试验结合棱镜中和法是临床上常用的量化眼位偏斜程度（斜视）的方法。该方法需要较高的培训水平和实践经验。当患者无法充分配合检查时，例如年幼儿童¹、脑损伤或中风患者²、以及发育障碍者³，准确测量的难度会进一步增加。此外，在学校筛查中也亟需开展眼部对位检测，因为据估计，美国人群中约有5−8%在儿童期会发生斜视⁴，而斜视是弱视的重要危险因素，约30−40%的弱视病例由斜视引起^5,6,7。然而，学校护士通常未接受过标准的棱镜中和法遮盖试验培训，难以开展此类筛查。对于非眼科专业人员而言，斜视筛查的另一挑战在于，间歇性斜视（偏斜并非始终显现）以及偏斜程度较轻的情况在视觉上并不明显（<15棱镜屈光度[Δ]）⁸。

为了应对斜视检测与测量中的挑战，我们开发了一款智能手机应用程序（EyeTurn），通过比较双眼角膜反光点的位置偏移，实现并自动化了摄影Hirschberg法⁹。尽管传统的摄影Hirschberg法在临床环境中已显示出良好的可重复性^10,11，但专用独立设备的成本限制了其广泛应用。通过提供一种可在标准智能手机上使用的便捷工具来测量眼位，我们推测该应用将在学校视力筛查中被广泛采用，并由非眼科专业人员使用。我们先前的评估研究表明，该应用程序的测量结果与目前临床标准的棱镜交替遮盖试验¹²具有一致性，适用于内斜视和外斜视程度高达60Δ的情况。在一项初步的学校筛查研究中，我们还发现该应用程序可帮助校医识别出标准学校视力筛查流程中漏诊的间歇性外斜视儿童¹³。

该应用程序的 iOS 版本目前可根据研究需求向研究人员和临床医生提供。申请者迄今包括学校护士、小儿眼科医生、验光师、神经眼科医生以及斜视专科医生。本文的目的是分享使用该应用程序在不同观察条件下评估眼位对齐的详细操作方案，具体条件包括：近距离和远距离注视；覆盖与不覆盖眼睛以打破双眼融合。

方案

本研究遵循赫尔辛基宣言的原则，在施佩恩斯眼科研究所（马萨诸塞州波士顿）和斯波尔丁康复医院（马萨诸塞州波士顿）进行。所有参与者均签署了知情同意书。本研究获得了马萨诸塞州眼耳医院（马萨诸塞州波士顿）当地机构审查委员会的批准。

注意：患者的纳入标准为既往诊断为水平斜视（恒定性或间歇性外斜视或内斜视），且无其他视觉障碍。本研究是先前报道的一项较大规模研究的一部分¹²。本文报告了在该较大规模研究中¹²于美国招募的14例患者的数据，已获得使用许可。由一名专注于视觉康复的验光师在临床中常规评估斜视患者，先进行棱镜与交替遮盖试验，随后使用应用程序进行测量，以避免客观的应用程序测量结果对遮盖试验造成偏倚。

1. 准备测试

注意：测试可在任何环境中进行；然而，以下控制措施可能有助于成功完成测试。

1. 在光线充足的环境中进行测试。让患者面向某个方向，使来自窗户和天花板灯光的角膜反射不会出现在眼睛中央。尽量避免强背景光，例如窗户光源。
   注意：通常在患者头部正上方设置一个天花板灯，或在患者一侧设置窗户会有帮助。必要时，可让患者将手放在眉毛上方，或使用遮光罩来遮挡强光源，以减少在角膜上产生的额外反射。关闭筒灯或鹅颈灯等点光源可降低角膜额外反射的强度，有助于软件准确检测相机闪光灯产生的角膜反射。如果需要使用点光源，可通过将其指向墙壁或使用漫射器（例如灯罩）来实现光线扩散。

2. 使用单次快照法测量显性斜视（显性斜视）——近距注视

1. 启动应用程序，并将模式设置为无遮盖（右上角按钮）。
2. 选择近处固视（右下角按钮）。
3. 将手机横向持握，摄像头朝向患者，距离患者约40 cm，与患者眼睛齐平。
   注意：距离无需精确控制，应用程序可自动补偿不同距离的影响。
4. 指导患者注视闪光灯（此时闪光灯处于关闭状态）。对于需要精确调节的检查（例如筛查调节性内斜视），可在手机背面闪光灯正上方或正下方粘贴一个固视目标（如字母）。
5. 当患者确认已准确固视后，按下圆形按钮拍摄快照，应用程序将对其进行分析。
6. 分析完成后，应用程序将显示检测到的眼部特征：角膜缘（虹膜外缘）边界以大圆圈（绿色）标示，眼球中心以十字线（绿色）标示，角膜反射点位置以小圆圈（红色）标示。请确认这些特征的检测无明显错误（例如角膜缘拟合不准确，或角膜反射点位置错误、缺失）。
7. 在同一屏幕中，拍摄图像下方，应用程序将显示与眼位对齐相关的测量结果。若对结果满意，可按下保存按钮将本次测试结果保存至手机；否则按下返回箭头按钮重新测试。

3. 使用快照法测量远距离注视时的显性斜视（tropia）

注意：为了测量远距离注视时的隐斜视，需要至少测量一次每只眼的kappa角。应用程序将自动选择历史记录中最新的kappa角测量值。如果任一眼睛缺乏该测量值，应用程序将提示用户首先获取此数据（kappa角测量的详细信息请参见第6节）。

1. 启动应用程序，并将模式设置为无遮盖（右上角按钮）。
2. 选择远距离注视模式（右下角按钮）。
3. 将手机横向持握，背面朝向患者，距离患者约40 cm，高度与患者眼睛齐平。
   注意：距离无需精确控制，应用程序可自动补偿不同距离的影响。
4. 将手机置于患者双眼稍下方位置，使患者能够越过手机上方注视远处目标（通常为5 m外）。确保摄像头大致位于两眼之间，不要过于偏向任一侧。
5. 在确认患者正确注视的情况下，按下圆形按钮拍摄快照。
6. 分析完成后，应用程序将显示检测到的眼部特征：用大圆（绿色）标示的角膜缘边界、用十字（绿色）标示的眼球中心，以及用小圆（红色）标示的角膜反射点位置。请核对这些特征是否被正确检测，无明显错误（如角膜缘拟合不准确、角膜反射点位置错误或缺失）。
7. 图像下方将显示包括棱镜屈光度在内的双眼视轴对齐测量结果。若对结果满意，可按下保存按钮将测试结果保存至手机；否则，按下返回箭头按钮重新测试。

4. 使用遮盖试验测量间歇性斜视或隐斜视－近处注视

1. 启动应用程序，打开遮盖测试模式（右上角按钮），并选择近处注视（右下角按钮）。
2. 将手机横向持握，距离患者约 40 cm。
   注意：距离无需精确控制，应用程序可自动补偿不同距离的影响。
3. 指导患者注视闪光灯（此时闪光灯处于关闭状态）。对于需要精确调节的测试，可在手机背面闪光灯正上方或正下方粘贴一个注视目标。
4. 使用遮盖板遮盖其中一只眼睛。
5. 按下圆形按钮，应用程序将开始监测双眼状态（判断哪只眼睛被遮盖）。
6. 在确保患者正确注视的前提下，迅速移开遮盖板（即进行遮盖-去遮盖测试）；或先在双眼之间交替遮盖数次，然后迅速移开遮盖板。应用程序会在遮盖板离开眼睛的瞬间自动拍摄一张图像。
7. 分析完成后，应用程序将显示检测到的眼部特征：虹膜由一个大的绿色圆圈标示，眼球中心由绿色十字标示，闪光产生的角膜反光由一个小的红色圆圈标示。请确认这些特征的识别无明显错误。
8. 图像下方将显示以棱镜屈光度（prism diopters）为单位的眼位测量结果。若对结果满意，可按下保存按钮将测试结果保存至手机；否则按下返回箭头按钮重新测试。

5. 使用遮盖试验测量间歇性斜视或远距离固视隐斜视

注意：为了测量远距离注视时的间歇性眼位偏斜，需要至少测量每只眼的kappa角一次。应用程序将自动选择最新的kappa角测量值。如果任一眼的kappa角测量值不可用，应用程序将提示需先获取该测量值（kappa角测量的详细信息见第6节）。

1. 启动应用程序，并将模式设置为遮盖试验（右上角按钮）。
2. 选择远距离注视（右下角按钮）。
3. 将手机横向持握，距离患者约40 cm，高度与眼睛齐平。
   注意：距离无需精确控制，应用程序可自动补偿不同距离。最佳位置是闪光灯/摄像头位于双眼之间。由于大多数手机型号的摄像头和闪光灯位于一角，因此手机屏幕本身会略微偏离中心。
4. 指导患者注视手机上方远处目标（通常距离为6 m）。
5. 使用遮盖板遮盖一只眼睛。
6. 按下圆形按钮，应用程序将开始检测眼睛的去遮盖状态。
7. 在确保患者正确注视的前提下，迅速移开遮盖板（即进行遮盖-去遮盖试验）；或先将遮盖板在两眼之间来回移动数次以进行交替遮盖，然后迅速移开遮盖板。应用程序会在遮盖板离开眼睛的瞬间自动拍摄图像。
8. 分析完成后，应用程序将显示检测到的眼部特征：角膜缘边界以大圆圈（绿色）标示，眼球中心以十字（绿色）标示，角膜反光点位置以小圆圈（红色）标示。请确认这些特征的检测无明显错误（例如角膜缘拟合不正确、角膜反光点位置错误或缺失）。
9. 图像下方将显示以棱镜屈光度（prism diopters）为单位的眼位测量结果。若对结果满意，可按下保存按钮将测试结果保存至手机；否则按下返回箭头按钮重新测试。

6. 测量kappa角

1. 启动应用程序。
2. 选择“测量kappa角”。
3. 将手机横向持握，置于患者眼前约40 cm处，与眼睛齐平。
   注意：距离无需精确控制，应用程序可自动补偿不同距离的影响。
4. 指导患者使用待测眼（任一眼）注视闪光灯（此时闪光灯处于关闭状态），另一眼用手或遮挡板遮盖。
5. 在确保患者正确固视的同时，点击圆形按钮拍摄快照，应用程序将对其进行分析。
6. 分析完成后，应用程序将显示检测到的眼部特征：用大圆（绿色）标示的角膜缘边界，用十字（绿色）标示的眼球中心，以及用小圆（红色）标示的角膜反射点位置。请确认这些特征的检测无明显错误（例如角膜缘拟合不正确，或角膜反射点位置错误或缺失）。图片下方将显示kappa角的测量结果（单位为度）。

结果

本研究中，我们描述了使用智能手机应用程序进行摄影Hirschberg试验以评估眼位对齐的实验方案。该应用程序的界面如图1所示。用户可选择进行遮盖试验，或在近距或远距注视条件下同时测量患者双眼注视目标的情况。根据测试目的确定观察条件后，用户可依照方案拍摄患者眼部照片。图像处理完成后，应用程序将向用户显示分析结果。例如，如图2所示，双眼角膜缘边界（绿色圆圈）以及闪光灯的角膜反光点（红色圆点）均被准确识别。这表明图像下方显示的眼位偏移量（18.5Δ）不受图像分析误差的影响。在本案例中，患者存在左眼外斜视，从图像中可明显看出左眼角膜反光点偏移更大。然而，该应用程序不会报告哪只眼发生偏斜，因为在斜视角度较小或kappa角未知的情况下，由程序判断偏斜眼并不可靠。作为对比，图3展示了一个无斜视的示例。图4则展示了一例角膜缘检测错误的情况。尽管角膜反光...

讨论

未经专业培训的人员也可使用 EyeTurn 应用程序拍摄眼睛图像，并获取眼位对齐的测量结果，这些结果可由现场或远程的眼科护理专家进行解读。该应用程序仅提供偏斜程度的数值，而不提供任何解释或诊断。验光师或眼科医生等眼科护理专业人员应判断眼位偏斜是否具有临床意义，并结合测量时的具体条件等其他因素进行综合评估后作出诊断。

拍摄高质量的图像对于测量至关重要。相机应放置在双眼之间的中线上。若偏离中线过远，会导致两眼图像大小出现差异，从而引起测量不准确。

角膜缘边界是应用程序用于定位眼睛位置的关键特征之一。验证角膜缘边界的拟合情况（结果中的绿色圆圈）是一个至关重要的步骤。如果拟合显示不准确，测量结果将产生误差，眼科专业人员将无法正确解读检测数据。通常情况下，对于眼裂较大的患者，即虹膜暴露面积较多的情况，拟合结果会更加稳健且准确。相反，对于眼裂较小、左右边界仅部分可见的患者，拟合结果可能容易出现不准确。在这种情况下，操作人员可让患者尽量睁大眼睛，或轻轻将眼睑提开至充分暴露。当前版本尚不提供垂直方向错位的测量功能，该功能将在后续版本中实现。<...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EyeTurn	EyeNexo		用于测量眼位偏斜的智能手机应用程序