本文介绍了一种利用眼动追踪系统评估婴幼儿视力的新自动化方法。
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本文内容
摘要
摘要
视力测量是婴幼儿及儿童时期一项重要的视觉功能检查。然而，由于婴幼儿沟通能力有限，准确测量其视力较为困难。本文介绍一种新型自动化方法，用于评估儿童（5至36月龄）的视力。该方法称为自动化视力卡片检测程序（AACP），利用网络摄像头进行眼动追踪，并自动识别儿童的注视行为。当受试儿童观看高分辨率数字显示屏上的视觉刺激时，系统会执行一种双选偏好注视测试。在儿童观看刺激图像的过程中，网络摄像头会记录其面部图像，这些图像将由配套的计算机程序用于分析其注视行为。通过该程序，可测量儿童对不同刺激的眼动反应，并在无需语言交流的情况下评估其视力。将本方法的结果与Teller视力卡片（TACs）测得的光栅视力进行比较，表明AACP的检测效果与TACs相当。
引言
婴儿期是视觉发育的关键时期。生命早期出现的视觉问题可能对儿童的发育产生显著影响。能够对婴儿进行定量的视觉评估非常重要，这有助于早期发现视力问题。然而，由于婴儿的认知和表达能力尚未充分发育，无法识别视力表上的符号（如字母或图形），因此测量其视力具有较大难度。目前，评估婴儿视力的金标准是视力卡检测法。1 基于偏好注视测试2然而，由于该方法需要经验丰富的测试人员通过观察儿童的眼球运动来判断视力3,4,5,6，它受限于测试人员的经验4,5因此，视力卡检测方法，如泰勒视力卡（Teller Acuity Cards, TACs）5,6，仍是一种主观性方法。因此，亟需一种能够对婴儿和幼儿的视力进行定量测量、无需依赖语言交流且不受测试者经验限制的方法。
远程眼动追踪仪的发明与应用使得自动化视力测量系统的开发成为可能。在以往的研究中，眼动追踪方法已被用作评估儿童视觉功能的工具7,8,9,10。远程眼动追踪仪可用于视线追踪，可替代检测者对儿童眼动的直接观察。ACTIVE程序7和AVAT程序10是基于远程眼动追踪仪的完全自动化视力检测方法，其在健康婴儿和幼儿中的视力检测结果与Keeler视力卡测试结果具有可比性。与近期其他研究不同，我们采用网络摄像头而非远程眼动追踪仪来捕捉儿童的视线。我们发明了一种基于计算机视觉的眼动数据自动采集方法。该方法将眼动数据采集技术与偏好注视技术相结合，用于评估儿童的视觉功能。
本文旨在介绍一种用于评估幼儿视力的新自动化方法，称为自动化视力卡检测程序（AACP）。该方法特别适用于尚未具备足够沟通能力的婴儿和年幼儿童。其关键在于，能够对视觉反应进行量化，从而获得婴儿和年幼儿童的光栅视力。光栅视力测量有助于发现视觉病理状况，并在后续医学管理中发挥重要作用。
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方案
本方案已获得北京大学第一医院伦理委员会（PKUFH 2018-223）批准。研究过程遵循涉及人类受试者的《赫尔辛基宣言》原则。已向参与者家长说明研究内容，并获取其知情同意。
1. 仪器设备的准备
注意：AACP 各组件设置在光线柔和的测试室内。房间内拉上窗帘，以避免阳光干扰。显示系统、记录系统和分析系统是 AACP 的三个组成部分（图 1）。
- 设置显示系统，使用一台28英寸液晶显示器（屏幕尺寸为62.208 cm × 34.992 cm，分辨率为3840像素 × 2160像素，0.162 mm/像素，帧率为30 Hz）。将显示器放置在可调节高度的桌面上。通过8位查找表对屏幕亮度进行线性化校正。将黑色、中灰色和白色的亮度分别设置为1 cd/m2、200 cd/m2和400 cd/m2。
- 在屏幕两侧各放置一块侧板，以减少被试儿童受到的外界干扰。
- 设置记录系统，使用一个分辨率为1080像素/30 fps的高清专业网络摄像头。
注：该网络摄像头用于记录测试者行为的图像序列，每帧图像裁剪为1280像素 × 720像素。在自动视力检测过程中，每200 ms获取一张带时间戳的摄像头图像，用于同步。 - 将显示器和网络摄像头连接至一台计算机（即分析系统）。确保网络摄像头位于屏幕正下方中央位置，并可根据需要进行调整。
注：显示器和网络摄像头可与计算机集成（如笔记本电脑或台式机），也可为独立设备后连接至计算机。 - 在计算机上安装AACP程序软件，用于刺激呈现和眼动数据分析。AACP程序软件（中国国家发明专利，专利号：201910865074.4 和 201510919621.4）包含刺激显示模块、视力检测模块和检测结果处理模块。
- 将视觉刺激设置为12 cm × 12 cm的方波光栅，具有不同的周期/度（cpd）空间频率，对比度比为1.00。确保刺激随机显示在屏幕左侧或右侧的中央区域，屏幕其余部分显示与TACII相匹配的亮度灰度区域。
注：在55 cm的检测距离下（与TACII一致），由于像素尺寸限制，刺激大小近似于印刷版TACII卡片上的刺激（16张卡片，1/2倍频程）。
2. 眼动追踪校准
- 从家长处获得知情同意，并向他们说明研究的形式。
- 将儿童置于距离显示器55 cm的位置。让儿童独自坐在椅子上，或更优地，坐在家长的膝盖上。若儿童独自就座，家长应坐在儿童旁边。
- 调整升降桌的位置，并将显示器放置其上。使屏幕与儿童的眼睛保持垂直。
- 调整网络摄像头的位置，以确保记录系统中能清晰看到儿童的面部，同时避免捕捉到除儿童以外的其他人脸。
- 在开始实验程序前，告知儿童他们将观看屏幕。指导家长在儿童注意力不集中时提示其注视屏幕。测试过程中无需提供其他具体指示。
- 打开AACP程序软件。在软件中输入儿童的信息（姓名、性别、年龄）。
- 点击开始按钮。软件将启动校准程序。屏幕中央的白色背景上会显示一幅图形交换格式（GIF）图像（2.0736 cm × 2.0736 cm，128 × 128 像素）（图2）。图像与背景音乐同时出现。该刺激持续至少3秒。分析系统同时判断儿童的视线是否固定在图像上。若在此期间1分钟内未获取到注视数据，屏幕将显示另一幅卡通GIF图像。当系统检测到注视坐标位于该区域内时，测试程序将自动启动，无需测试者干预，并自动运行。
3. 测试步骤
- 呈现初始光栅。光栅的空间频率范围为0.33-30.0 cpd，以1/2倍频程为步长。根据儿童的年龄确定初始光栅，方法同TACII测试。
- 呈现初始光栅1,000毫秒，即一次试验的持续时间。随后呈现200毫秒的空白屏幕。再次呈现相同的刺激，之后再次呈现空白屏幕。相同空间频率的光栅共呈现三次。
- 在程序执行过程中，让网络摄像头记录儿童的面部图像。软件利用这些图像分析其注视行为。视力测试程序根据表1中列出的标准检查眼动反应，以判断刺激是否被看到（图3）。
- 根据图411所示的协议，由测试结果处理程序呈现下一个刺激。
- 每完成三次试验后，呈现一张GIF图像（带背景音乐）作为视觉奖励，以维持儿童的兴趣。若在GIF图像呈现后1分钟内无可用的注视数据（例如儿童转头或闭眼），则停止测试。该测试不输出结果。
- 完成步骤3.4和3.5后，分析软件程序输出的儿童光栅视锐度结果。
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结果
将AACP应用于一组儿童11：155名正常发育的婴儿和幼儿（根据胎龄为5至36个月大）。在先前发表的一项研究中，通过AACP获得的光栅视力结果与通过TACII获得的结果进行了比较。这两种方法所得结果之间存在显著相关性（r153 = 0.83，p < 0.001）。仅有10.32%（155名儿童中的16名）的儿童在两种方法下的结果差异超过一个八度。其中，8名儿童年龄为5至7个月。在这16名儿童中，有3名通过AACP测得的视力结果比TACII高1.5至2个八度，其余13名儿童的AACP视力结果则比TACII低1.5至2个八度。
通过AACP测量的栅格视力随着婴儿年龄的增长而逐渐提高。图5展示了AACP测量的栅格视力随月龄变化的趋势。从6个月到12个月，栅格视力提高了近0.5个八度；从12个月到24个月，提高了近1个八度；从24个月到36个月，提高了近1.5个八度。本研究中视力发育的趋势与以往研究中使用TACII测量的视力结果一致
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讨论
多项基于眼动追踪方法的研究7,8,9,10已表明，该方法在评估语言交流困难的婴儿和幼儿方面具有重要价值。然而，以往研究的受试者数量相对较少。Jones 等人开发的 ACTIVE 程序仅测试了30名12个月以下的婴儿7。Vrabic 等人开发的 AVAT 程序同样仅测试了35名婴儿和幼儿10。在本研究中，采用 AACP 程序对155名5至36月龄的婴儿和幼儿进行了大样本测试，结果显示其具有较高的可测试性，并且视力评估结果与 TACs 相当。此外，使用网络摄像头而非远程眼动仪来追踪儿童的视线，使得 AACP 设备成本更低，更易于获取。
当婴儿逐渐长大后，他们对周围环境中各种刺激的兴趣会不断增强。因此，在测试过程中保持其配合度对他们而言具有...
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披露
作者已作出以下披露：BK.Y.、XQ.L.、JS.C. 和 L.W.：中国国家发明专利“一种连续视频帧中人脸检测与瞳孔定位的方法及系统”（CN201910865074.4）；XQ.L.、BK.Y.、JS.C. 和 L.W.：中国国家发明专利“视觉自动检测系统”（专利号：201510919621.4）。
致谢
本研究由首都卫生发展科研基金（编号：2018-2Z-4076）和北京大学第一医院种子基金（2019SF31）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AACP 程序软件 | 自主研发 | 自主研发 | AACP 程序软件（中国国家发明专利，专利号：201910865074.4 和 201510919621.4）包含刺激呈现模块、视觉检测模块和检测结果处理模块。 |
| 计算机处理器 | Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA | Intel CORE i7-6500U 处理器 | 分析系统 |
| 显示显示器 | 友达光电股份有限公司，中国 | InnoLux M280DGJ-L30 | 显示系统 |
| 网络摄像头 | 罗技国际公司，瑞士洛桑 | 罗技 C920 高清专业网络摄像头 | 记录系统 |
参考文献
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重印与许可
