使用智能手机进行视力筛查的主观屈光测试

摘要

本文介绍了使用智能手机应用程序主观测量屈光不正的协议和临床验证数据。

摘要

为了改善获得视力保健的机会并实现大规模视力筛查，已经开发了一款智能手机应用程序来测量屈光不正。无需任何外部附件，非专业人员就可以使用在独立手机上运行的 App 来测量主观屈光。其有效性已在临床环境和服务不足的社区进行了试点测试。该应用程序通过测量远点的距离来估计屈光不正，以识别视觉刺激。球面等效折射和像散可以分别使用翻滚 E 字母和光栅图案来测量。本文的目的是描述使用该应用程序进行主观验光的测量协议。介绍了 34 名受试者（30 只眼等效眼和 38 只眼用于散光评估）的实验结果。将该应用程序的测量与标准临床方法进行比较。球面等效折射的平均绝对误差为 0.63D，像散测量的平均绝对误差为 0.28D。此外，还招募了 22 名受试者来评估使用该应用程序进行瞳孔间距 （IPD） 测量。使用 App 测量 IPD 的平均绝对误差为 1.2 毫米。还描述了使用该应用程序测量 IPD 的协议。

引言

未矫正屈光不正 （URE） 是世界上导致失明和视力障碍的主要原因，影响 86¹ 至 1.16 亿人²，尽管它可以用眼镜治疗。研究表明，URE 在偏远地区的流行主要是由于眼保健专业人员数量少和缺乏足够的卫生基础设施来分发眼镜³。例如，撒哈拉以南非洲 50 岁以上成年人因 URE 导致的视力障碍患病率是高收入国家的 10 倍¹。

随着当前行业的进步，眼镜的成本已降至几美元。然而，培训眼保健专业人员既昂贵又耗时 -- 需要多年的培训⁴.最近的一项研究得出结论，较低的人均健康支出继续限制了眼保健在更广泛的医疗保健系统中有意义地整合，尤其是在偏远地区⁵。这些严峻的现实表明，迫切需要使 URE 的诊断易于获得。

由于其经济性、普遍性和有效性，基于智能手机的视力筛查工具可以在视力筛查工作中发挥关键作用 6,7,8,9,10,11,12,13。这些创新工具可以通过为筛查、识别和解决视力问题提供经济高效且方便的解决方案来影响眼保健，尤其是在服务不足的社区。

此类技术的一个例子是 Peek Acuity 应用程序，它在移动视力筛查领域取得了重大进展。在非洲的一些研究中，该应用程序已被部署用于筛选数以万计的个体 14,15,16。通过提供一种有效的视力测量方法，Peek Acuity 应用程序使医疗保健提供者能够接触到更多人，使其成为解决视力障碍的有用工具。除了视力，还提出了基于智能手机的屈光不正测量技术并进行了评估^17,18。Salmerón-Campillo 等人使用智能手机屏幕在 Badal 验光仪中呈现蓝色视觉刺激，用于视力和屈光测量¹⁷。Tousignant 等人测试了 Netra 智能手机折射镜，它由一个手持式双目观察器组成，其中插入了一部智能手机¹⁸.与一般的智能手机应用程序相比，这些系统中除智能手机以外的专用组件或附件可能会限制该技术的可访问性，因为用户必须购买特制的设备。

为了解决大规模 URE 筛查的可及性问题，我们开发了一款基于智能手机的屈光应用程序（图 1），它采用计算机视觉和心理物理学方法来测量屈光不正¹⁹。该应用程序通过查找近视患者给定刺激的远点（翻转 E 表示球面等效值，格栅表示散光）来测量主观屈光。该应用程序的一个关键功能是不需要特别制作的附件。执行测量所需的所有处理都在应用程序内的设备上进行，不涉及云计算。因此，无需将 App 连接到网络即可测量屈光。如果他们的智能手机兼容，外行只需最少的培训，就可以使用该应用程序来测量患者的屈光度。该应用程序的准确性之前已根据标准临床测试方法进行了评估⁸。虽然该应用程序不能直接用于开眼镜处方，但它有可能用于近视筛查。最近，它被成功用于农村地区学生的视力筛查⁹。本文介绍了使用该应用程序测量主观屈光度的协议。

方案

该研究是根据 Mass Eye and Ear Infirmary（马萨诸塞州波士顿）的赫尔辛基宣言的原则进行的。获得所有参与者的知情同意。该研究得到了 Mass Eye and Ear（马萨诸塞州波士顿）当地机构审查委员会的批准。根据验光师的说法，受试者纳入标准是诊断为近视，没有其他眼部疾病，如白内障和视网膜疾病。

1. 测量球面等效物

1. 启动应用程序并点击主页上的 Refraction 按钮 （图 1）。将手机放置在距离患者至少 2 m 的地方。
2. 选择 按钮 E 进行翻滚 E 刺激（图 2）。选择要测量的眼睛（左 眼 或右眼），并要求患者遮住另一只眼睛。
3. 握住手机，使屏幕面向患者，然后点击 Start 开始 按钮。询问患者他/她是否能分辨出电话屏幕上显示的所有字母的方向。
4. 如果患者无法分辨字母的方向，请逐渐将手机移向患者。
5. 在逐渐接近患者的同时，不断检查他们是否能识别这些字母。一旦患者能分辨出字母方向，就立即停止。
6. 点击 验证 按钮。真正的字母方向将在屏幕上以文本形式显示。将它们与患者的报告进行比较。如果所有 3 个答案都匹配，请点击 正确 按钮 结束测试。如果未正确报告任何字母的方向，请点击 错误 按钮 重新进行测试。

2. 测量散光

1. 启动应用程序并点击主页上的 Refraction 按钮 （图 1）。从距离患者至少 2 m 开始。
2. 选择 Astigm 1 刺激，这是一个时钟刻度盘模式（ 图 3 中的右上插图）。刺激由一系列线组组成，从一个点指向不同的方向，就像一个时钟。每个线组包括 3 条平行的细线。
3. 选择要测量的眼睛，并要求患者遮住另一只眼睛。握住手机，使屏幕面向患者，然后点击 Start 开始 按钮。
4. 询问患者任何方向的线组是否显示为 3 条单独的线。如果患者在任何方向上都看不到单独的线条，请逐渐将手机移向患者。
5. 在接近运动期间继续与患者检查。一旦患者能看到至少一个方向的分离线，就立即停止。
6. 选择 Astigm 2 刺激，这是两个红色和绿色的光栅斑块。这些贴片的一端比另一端宽（ 图 3 中的右下角插图）。
7. 将手机绕垂直于手机屏幕的轴旋转到光栅大致是像光 1 最清晰线组方向的位置。
8. 微调手机旋转，找到患者可以同样清晰地看到红色和绿色光栅贴片的最佳位置。找到最佳点后，点击 点 1 按钮 记录第一个远点。
9. 记录点 1 后，散光 2 刺激将自动旋转 90°。从第一个远点（点 1 位置）开始，保持手机方向并将手机移近，直到患者可以同样清楚地看到红色和绿色格栅贴片并分辨出更宽的一端。
10. 点击 点 2 按钮 记录第二个远点。记录两个远点后，该应用程序可以计算球面屈光不正和散光，并在屏幕上显示结果。
11. 在结果消息框中，点按 Save 按钮 以保存结果，或者根据需要，点按 Retake 按钮 以重做测量。

3. 测量瞳孔间距 （IPD）

1. 启动应用程序并点击主页上的 IPD 按钮 （图 1）。将手机放在距离患者约 40 厘米处，与眼睛齐平，并让患者看手电筒。
2. 点击右侧的 圆形按钮 ，为患者的面部拍照。然后，应用程序将开始处理图像。
3. 当在屏幕上绘制两个绿色十字准线时（图 4），检查它们的位置是否与眼睛的中心对齐。如果是，请点击 优惠 按钮。
4. 如果任一十字准线明显不在眼睛中心，请点击 Retake（重做）按钮 返回步骤 3.2 并重新进行测量，以拒绝测量。

结果

在本研究中，折射测试的界面如图 2 所示。根据所选刺激，该应用程序会执行球面等效或全折射测试。当选择 Tumbling E 时，App 会测量等效球形（图 2）。当选择光栅刺激散光 1 或 2 时，该应用程序会测量屈光不正，包括散光（图 3）。

为了证明该应用程序的有效性，66 名受试者（25 名女性）被分为 3 组，分别参加了等效球面、散光和 IPD 测试。受试者年龄范围为 8 岁至 74 岁 （SD 平均±:33.7 岁± 13.9 岁）。

图 5 显示了一项研究（30 只眼睛）的球等效测量值结果，其中将应用程序测量与使用自动验光仪的标准临床测量进行了比较。最高屈光不正高达 -8D。回归分析表明，两种方法高度一致，线性回归斜率几乎为 1，回归的 R 平方为 0.965。两种方法之间的平均绝对差异为 0.63D，在 80% 的病例中差异< 1D。 图 5B 中的 Bland-Altman 图显示 95% 的一致性极限为 [-1.81D， 1.58D]。

图 6 显示了散光测量研究（38 只眼睛）的结果，其中 app 测量与标准主观屈光测量进行了比较。散光最高为 -2.25D，这些患者的平均柱面度数为 -0.63D ± 0.59D。应用程序和自动验光仪测量值之间的差异 （平均值 ± SD） 为 0.08D ± 0.41D，绝对误差平均值为 0.28D。 图 6B 中的 Bland-Altman 图显示 95% 的一致性限值为 [-0.89D， 0.73D]。此外，将两次测量的圆柱体功率分解为基于圆柱轴²⁰ 的两个向量 J0 和 J45，分析了 App 的误差。J0 误差 （误差均值和误差扩展标准差） 为 -0.15D ± 0.56D，J45 误差为 0.07D ± 0.21D。

在图 4 中，显示了两个 IPD 测量案例。左边的图片是成功的试验，右边的图片是失败的试验，因为左眼的十字准线偏离了中心。图 7 显示了使用应用程序 （n=22） 进行 IPD 测量与验光师使用 IPD 标尺进行临床测量的误差。根据尺子测量的 IPD 范围为 58-69 毫米（SD ±平均值:63.6 毫米± 3.2 毫米）。该应用程序的误差为 （-0.55 mm ± 1.4 mm），绝对误差的平均值为 1.2 mm。

图 1:视力筛查应用程序的主页。 用户可以创建患者记录并选择要进行的测试，包括屈光、瞳距和视力（此处未介绍）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:折射测量的界面。 此屏幕截图显示了球形等效测试会话。患者用两根手指遮住左眼。遮挡很小，因为眉毛、鼻子和嘴巴都可见。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:测量散光。 在这种情况下，患者报告散光 1（右上插图）的一点钟方向最清晰。因此，当切换到 Astigm 2 刺激（右下插图）时，需要将手机倾斜以搜索 1 点钟方向附近的最佳位置。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4:两种 IPD 测量案例。 左:两个十字线与眼睛中心对齐。该测量值可以接受。右:左眼上的十字准线显然不在眼睛中心。这种测量应该被丢弃。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5:球面等效测量结果的评估。 在这项研究中，使用该应用程序和自动验光仪测量了 30 只眼睛。（A） 线性回归显示两个测量值高度一致 （slope = 1.02， R² = 0.965）。（B） 布兰德-奥特曼图。95% 的一致性限值为 [1.81,1.58]。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 6:散光测量结果评估。 （A） 应用程序对 38 只眼睛的散光测量误差的箱形图。这些患者的平均圆柱体功率为 -0.63D ± 0.59D。该框表示四分位距，须线表示误差的范围。叉号表示误差的平均值。有两个异常值，如圆圈所示。（B） 布兰德-奥特曼图。95% 的一致性限值为 [-0.89， 0.73]。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 7:App 对 22 名受试者的 IPD 测量误差的箱形图。 将临床测量值与 IPD 尺进行比较，误差为 （-0.55 mm ± 1.4 mm）。该框表示四分位距，须线表示误差的范围。叉号表示误差的平均值。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

使用该应用程序，没有接受过专业验光培训的人可以进行主观屈光不正测试。最近一项针对农村地区学龄学生的眼科筛查研究已证明其在视力筛查中的应用⁹。与其他仅基于视力测试²¹ 的大规模视力筛查方法相比，此应用程序可以根据临床中通常使用的球面和圆柱形误差值提供屈光测量。由于该应用程序安装在智能手机上后即可使用，因此该解决方案对于服务不足的社区来说非常易于使用。屏幕分辨率高于每英寸 400 像素且自拍相机分辨率高于 1920 x 1080 像素的智能手机适合运行折射应用程序。现在市场上的许多智能手机都可以满足这些规格。

可以预期，基于智能手机的屈光测量解决方案可以补充眼科临床医生和专用筛查设备（例如 iScreen、Spot Vision Screener）提供的服务计划²²，特别适用于资源匮乏的国家和情况。不过，该应用程序的一个局限性是它不使用此处介绍的协议来测量远视。如何使用该应用程序测量或识别远视正在研究中。至于一些眼科筛查计划所需的斜视评估，我们已经开发并验证了另一个应用程序，该应用程序也可用于服务不足社区的视力筛查 10,11,12。

尽管当可以联系到眼保健专业人员时，不应基于应用程序测量来进行眼部处方，但它在非专业人员可以加入劳动力的大规模视力筛查中仍然很有价值。有明显屈光不正的患者可以转诊给眼科医生进行进一步检查。

测量准确性对于最大限度地降低转诊假阳性率至关重要。以下是成功测量的一些提示。使用该应用程序进行测量通常应在光线充足的环境中进行（最好至少 300 勒克斯）。智能手机应用程序利用计算机视觉技术提取面部特征，并根据这些特征估计观看距离。有必要确保只有患者的脸出现在手机摄像头的视野中。在测试期间，手机屏幕上显示的自拍相机预览中不应显示任何其他面孔，包括测试管理员的面孔，因为应用程序无法分辨哪个是患者。由于该应用程序依赖于面部特征来估计观看距离，因此如果在测试过程中可以看到尽可能多的面部特征，这将有助于观看距离估计。建议使用一个小遮挡物或只用两根手指遮住未经测试的眼睛，这样相机就可以看到眉毛、鼻子和嘴角（图 2）。在较短的观察距离下，患者的面部可能几乎占据了整个摄像头的视野。测试人员应监控屏幕上的实时图像，并确保正确对齐摄像机，以便整个面部在摄像机视图中始终可见。

IPD 是 App 测量屈光度的基本参数。如果事先知道，可以在 App 的患者档案中手动输入。否则，可以使用该应用程序测量 IPD。如果没有个性化的 IPD，应用程序将使用默认值，这可能会导致一定程度的测量误差。应该注意，不精确的收敛可能会影响 IPD 测量。例如，患有屈光不正和烦躁的患者可能无法正确地双眼注视手电筒，因为一只眼睛可能会偏斜。在这种情况下，患者应在 IPD 测试中戴眼镜。

测试人员需要了解该测试是屈光的主观测量，这意味着结果基于患者的感知，而不是像自动验光仪那样对眼睛光学元件的分析。主观验光是开眼镜处方的黄金标准。然而，挑战在于找到最佳主观感知的状态。对于球面等效测量，该标准基于读取 3 个字母。患者有可能正确猜出一些字母，而他们无法真正清楚地看到所有字母。多项测试可以帮助缓解此问题。

此外，高度散光（通常高于 2D）的患者可能不适合使用该应用程序进行球面等效测试，因为当前带有滚动 E 字母的协议没有考虑字母方向。对于疑似有强烈散光的患者，可以通过显示表盘时钟刺激（散光 1）并询问患者一个方向是否比其他方向清晰得多来找到粗略估计。

像散测量在程序上比球面等效测量要求更高，因为需要确定不同轴的折射。准确测量的关键是定位不同轴的真实远点，同时还需要确定轴的准确方向。一个好的策略是通过相对较快地旋转手机屏幕来扫描光栅方向，同时将手机慢慢移向患者。移动太快可能会导致高估，因为手机可能会越过远点。一些患者倾向于报告他们可以清楚地看到光栅，而事实上，他们比非常模糊的图像看得更清楚。这种过早的报告会导致低估。在测试前向患者展示尖锐刺激的样子是有帮助的，这样他们就可以在测试过程中一致地报告。不了解如何正确报告对刺激的感知可能会导致重大错误，例如 图 6A 中所示的异常值。这两个异常值来自一名受试者，当他的右眼接受测试时，他过早地报告了第 1 点（没有真正清楚地看到分离的光栅线）。当他的左眼接受测试时，他还报告了第 2 点太晚了（他已经通过了明确点）。因此，不正确的远点报告会导致大错误。

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