方法文章

使用眼动追踪系统评估婴幼儿视力的自动化方法

DOI：

10.3791/65274

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2023年3月17日

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1Department of Pediatric Ophthalmology, Peking University First Hospital, Peking University Children Vison Institute, Peking University, 2School of Intelligence Science and Technology, Peking University, 3School of Psychological and Cognitive Sciences and Beijing Key Laboratory of Behavior and Mental Health, Peking University

本文内容

摘要

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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。

摘要

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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

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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....

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方案

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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）。

  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。
  2. 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。
  3. 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。

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结果

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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具有显著相关性（r153 = 0.83，p < 0.001）。仅有10.32%（155名中的16名）儿童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，栅格视力提高了近一个八度。从24个月到36个月，栅格视力提高了近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

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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

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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

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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

本文使用的材料清单
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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  1. Teller, D. Y., McDonald, M. A., Preston, K., Sebris, S. L., Dobson, V. Assessment of visual acuity in infants and children: the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 28 (6), 779-789 (1986).
  2. Teller, D. Y.

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