一套针对成人的定量双眼视觉功能测试：测试方案

摘要

本文介绍了一套全面的检测任务，用于评估双眼视觉。这些任务包括周边立体视锐度和深度方向运动感知，而当前的临床检测方法并未涵盖这两项指标。引入这些检测任务将能够对个体的双眼视功能进行更为深入的评估。

摘要

感觉融合与立体视是双眼深度感知的两个关键组成部分。目前的临床检测方法无法对感觉融合提供定量测量，且仅能评估立体视的部分方面。更重要的是，在标准临床检测中显示无双眼融合能力的患者，仍可能表现出双眼整合能力，并能够利用双眼视差和运动线索感知深度，这表明现有检测方法不足以全面评估双眼视觉的所有方面。本文介绍了一套包含八项测试的组合，用于对双眼视觉进行系统而全面的评估。这些测试旨在通过针对双眼视觉处理的不同组成部分，改进并扩展现有的评估手段。具体而言，字母优势眼测试和格子运动整合测试可提供感觉融合的定量测量指标。周边视野中的双眼整合能力通过精细与粗略的周边立体视测试、动态局部立体视以及运动视差进行评估。运动深度感知则通过动态局部立体视、普尔弗里希任务（Pulfrich task）和运动视差来评估。额外的达·芬奇立体视测试通过测量两眼之间的遮挡差异，为双眼整合提供定性分析。文中展示了来自一名正常视力受试者的典型测试结果。当前测试方案可根据特定需求进行调整，以适应更广泛人群的应用。

引言

双眼视觉通过三个层次递进的过程实现精确的深度感知。第一步是同时知觉，即观察者能够感知来自双眼的信息。随后，当双眼对齐并接收到空间上相关的图像时，会发生运动性和感觉性融合。立体视是感觉性融合的最高层次，依赖于对双眼视差的处理^1,2。目前已有多种临床检测方法用于评估同时知觉和运动性融合，例如同视机、使用棱镜检测融合性辐辏以及Worth四点（W4D）试验^3,4,5。然而，对中心视野以外的感觉性融合和立体视进行定量评估仍较为有限。本检测组合的目的在于评估当前尚未被常规检测的双眼视觉处理方面的功能。

临床上使用W4D试验和Bagolini条纹镜片等工具评估感觉融合^3,4,5。这些方法可有效判断患者是否实现双眼融合，或是否存在单眼输入抑制。然而，这些方法属于定性评估，无法区分感觉融合能力不同的患者。本文提出的检测组合基于字母眼优势试验和格子图案运动整合试验^7,8,9，可对感觉融合和双眼间抑制提供定量测量⁶。

立体视觉可通过多种临床检测方法进行评估，包括TNO、Randot和Frisby立体视检测^3,4,5。尽管这些检测工具可提供立体视锐度的定量测量，但在多个方面仍存在局限性^10,11。首先，这些印刷式检测仅提供固定范围的视差水平，且以离散的阶梯式间隔呈现。其次，立体视觉仅在视觉分辨力最高的中心视野内进行评估^12,13,14。第三，印刷形式仅能测量静态立体视觉。众所周知，双眼视差信息与运动信息的处理在神经层面是相互关联的¹⁵；因此，开发包含运动线索的检测方法具有重要意义。

该测试组合中的所有任务均旨在通过应用严格的心理物理学方法（包括自适应程序和恒定刺激法）来解决这些局限性。该组合包含八项测试（表1），针对深度感知的不同组成部分。这些任务的设计目标是精确估计个体在感觉融合、周边视觉立体视觉^16,17,18以及深度方向运动感知^19,20,21,22方面的感知阈值。

本方案所需的设备极少，大多数组件可用标准商用材料轻松替代，或从专业供应商处购买用于镜像立体镜的部件。反应盒为可选部件，可通过3D打印制作。完整的测试组合最适合用于能够进行较长时间测试的研究环境（约85分钟，另加指导说明、练习试验和休息时间）。然而，这些测试的子集亦可为研究人员和临床医生提供关于双眼视觉特定方面的快速而有价值的见解（表1），尤其是周边立体视觉和深度运动感知，这些领域目前在临床环境中尚未得到常规检测。只要具备基本的心理物理学原理知识和简单的Python编程能力，即可对这些任务进行修改，以满足不同的科研或临床需求。

任务	特点	刺激偏心度	方法	正式测试时长（分钟）
字母眼优势	感觉融合	3.75°	两个一升一降阶梯法 & 恒定刺激法	7
格子运动整合	感觉融合	0°	3 次一分钟试验	3
精细周边立体视	中枢 & 周边立体视觉	0° & 10°	双间隔强制选择；1-上-2-下阶梯法	20（每个位置4分钟）
粗略周边立体视	周边立体视觉	5°	每种条件下进行15次试验	5
动态局部立体视	运动深度感知；中枢 & 周边立体视觉	6°	双间隔强制选择；1-上-2-下阶梯法	25（每个位置5分钟）
普尔弗里希任务	由时间差异产生的立体视觉	全屏	恒定刺激法	12
运动视差	遮挡；深度方向运动	4°	1升2降阶梯法	10
达芬奇立体视觉	遮蔽；双眼整合	1.5°	每种条件下进行10次试验	3
总测试时长				85

表1：测试组合中各项任务的概述。 包含在测试组合中的八项任务的描述。请注意，测试时长不包括练习和休息时间。

方案

本研究方案已获得滑铁卢大学研究伦理办公室（44843）和麦克马斯特大学研究伦理委员会（1733）的批准。所有操作均遵循《赫尔辛基宣言》中所述的原则进行。在参与者参与研究之前，已获得其书面知情同意。有关测试刺激的具体信息，请参见补充文件1。

1. 准备仪器设备

1. 按照图1所示设置镜像立体镜。
2. 将显示器放置在距离观察者99.5 cm的视距位置。
   注意：视距由三部分组成：显示器到其中一个大镜子的距离、大镜子与小镜子之间的距离，以及其中一个小镜子到颏托的距离。在此视距下，显示器上的每个像素所对应的视角可通过以下公式计算。
   
3. 根据具体的硬件配置、感兴趣的偏心度以及所需的像素大小调整视距。
4. 分别对显示器的亮度、红色、绿色和蓝色通道进行伽马校准。
5. 测量屏幕的宽度（单位：厘米）。
6. 打开PsychoPy Coder，点击顶部的显示器图标以进行显示器校准和设置。
7. 在弹出的PsychoPy显示器中心窗口中，点击新建以创建一个新的显示器配置。输入正确的视距、屏幕像素尺寸、屏幕宽度、最小和最大亮度值，以及灰度、红色、绿色和蓝色的伽马值，然后点击保存。

图1实验装置 实验装置 显示有显示器、镜像立体镜、下颌托、反应盒、键盘、鼠标和用于参与者的数字小键盘。 请点击此处以查看此图的放大版本。

2. 开始实验

注意：本步骤提供运行练习测试和正式测试的一般性说明。每项任务的具体说明见步骤 3–10。

1. 在 PsychoPy Coder 中打开 BinocularBattery.py。
2. 根据所使用的显示器，修改脚本中的显示器信息，包括显示器名称、刷新率和分辨率。
3. 单击顶部的 运行实验 按钮。
4. 指导被试通过镜像立体镜进行观察。
   1. 询问被试是否看到由一条垂直线和一条水平线组成的中央十字。如果未看到，请询问被试是否需要将垂直线向左或向右移动。
   2. 使用左箭头键和右箭头键将垂直线朝相应方向移动，直到被试看到垂直线位于水平线的正中央。按 Enter 键继续。
5. 在程序中为被试分配并输入被试编号。在主菜单界面，使用数字小键盘选择每个任务。
   1. 首先运行一次练习测试。
      1. 按照下文第 3–10 步提供的说明，为每个任务提供指导。
      2. 完成练习测试并评估结果。
         注意：某些任务不提供准确率评分（例如字母眼优势、条纹运动整合和普尔弗里希效应）。请参考“代表性结果”部分，以获取对这些任务表现的解读指导。
      3. 如果练习结果低于 80% 正确率（针对基于准确率的练习）或结果异常（针对无准确率评分的任务），请按 Enter 键并选择测试以重新开始练习。
      4. 当被试在最近两次练习测试中的结果高于 80% 正确率（针对基于准确率的练习）或结果稳定且可解释（针对无准确率评分的任务）时，继续进行正式测试。
         注意：如果尽管已给予正确指导，被试的表现仍持续低于 80% 正确率或在多次练习测试中表现不稳定，实验者应终止该任务，因为结果可能不可靠。
   2. 运行正式测试。
      1. 指导被试执行任务。
         ​注意：在整个测试过程中，必须不断提醒被试（如存在）保持注视注视十字。
      2. 测试完成后，评估正式测试的结果。
         注意：如果结果看起来异常，可进行第二次正式测试以确认发现。
      3. 按 Enter 键返回主菜单并再次选择测试。

3. 进行字母眼优势测试

注意：一次正式测试包括两个1升1降阶梯法和恒定刺激法。

1. 呈现如图2A所示的字母优势眼刺激图像，指导受试者注视中央十字，并注意呈现在注视十字上方和下方的两个字母的亮度。
2. 指导受试者使用数字小键盘上的8键或5键，报告在注视中央十字时，哪个字母（上方或下方）看起来更亮。

图 2：字母眼优势任务及结果。（A）测试刺激。（B）使用恒定刺激法进行练习测试的结果。（C）两条阶梯程序的结果。黑色和蓝色线条分别表示两条阶梯程序每一步的对比度。彩色条形表示从相应阶梯程序获得的阈值。（D）恒定刺激法得到的心理测量函数。圆点表示在每个测试对比度下，受试者感知到左眼呈现的字母更亮的试验所占百分比。红色曲线表示拟合的心理测量曲线。虚线的交点表示主观等亮度点（PSE）的估计值。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 运行 plaid 运动整合

注意：先使用初始演示使参与者熟悉流程，然后按 Enter 键开始练习试验。

1. 呈现如图3A所示的移动光栅刺激。指导受试者注视移动的光栅，光栅可沿屏幕上所示的5个方向之一移动，或同时向左和右两个方向移动（分离）。
2. 要求受试者口头报告所感知到的运动方向，以及在观察刺激过程中感知运动发生的任何变化。
3. 按下并持续按住相应的数字键（每个方向对应标号1–5，分离运动对应0），直至受试者报告不同的数字。

图 3：格子运动整合任务及结果。（A）测试刺激。（B）代表性结果。彩色条形表示参与者报告每种感知运动方向的时间百分比，如标签所示，其中分离表示同时看到左和右两个方向的情况。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 进行精细周边立体视觉测试

1. 呈现外周和中心立体视觉刺激，如图4A、B所示。使用静止任务使受试者熟悉实验流程。
   1. 指导受试者注视屏幕上的十字，无论其出现在何处。
   2. 注意：观察受试者的眼动，确保其视线跟随注视十字。
   3. 询问受试者黑色方块看起来是在白色框架的前方、后方，还是在同一平面上。
   4. 如果黑色方块有深度感，按1；如果没有，按2。
2. 使用常规任务进行双区间强制选择任务的练习。
   1. 告知受试者刺激将闪现两次，深度感将出现在其中一次闪现中。
   2. 指导受试者报告在两次闪现中的哪一次看到了深度感。
   3. 根据受试者的选择，按1或2。
3. 按照与常规练习相同的说明进行正式测试。

图 4：精细周边立体视觉任务及结果。（A）周边任务的测试刺激。（B）中心任务的测试刺激。（C）代表性结果。每条曲线代表在不同位置（0° 和 10° 偏心度）下，红、蓝曲线分别对应交叉与非交叉视差的阶梯法数据。每个图表右侧的彩色条形表示从相应阶梯法获得的阈值。请点击此处查看此图的放大版本。

6. 进行粗略周边立体视觉测试

注意：按空格键以开始试验。

1. 呈现粗略立体视觉刺激，如图5A所示。指导受试者保持注视十字。
2. 当星星消失后，向受试者提出以下问题：“您是否看到了深度？”如果回答为“是”，则继续询问“星星看起来是在月球的前方还是后方？”以及“呈现了多少颗星星？”
3. 使用向上和向下箭头键选择答案，使用向左和向右箭头键在问题之间进行导航。

图 5：粗略周边立体视觉任务及结果。（A）测试刺激图像。（B）代表性结果。红色、蓝色和绿色分别代表交叉、非交叉和捕获试验的数据。左侧柱形表示报告有深度感知的试验所占百分比。中间柱形表示在报告有深度感知的试验中，正确判断深度方向反应的比例。右侧柱形显示报告看到两颗星的试验所占百分比。请点击此处查看此图的放大版本。

7. 运行动态局部立体视觉

注意：本测试包含四次练习试验，旨在提供逐步指导，帮助读者熟悉该任务。

1. 呈现动态立体视刺激和任务界面，如图6A、B所示。首先运行练习任务1（单位置，单区间）。
   1. 指导参与者注视中心，同时注意指定的目标位置。
      注：为帮助参与者理解刺激内容，在练习期间允许其直接注视目标位置。
   2. 询问参与者正方形是向其靠近还是远离。
   3. 如果参与者看到深度方向上的运动，则按1；如果没有看到，则按2。
      ​注：水平运动不视为深度方向上的运动。
   4. 对于周边视力优于中心视力的患者，建议其利用周边视觉来观察目标位置。
   5. 如果参与者能够可靠地感知到深度方向上的运动，则进入下一个练习任务。
2. 运行练习任务2（单位置，双区间迫选）。
   1. 告知参与者刺激将闪烁两次。
   2. 询问参与者在指定的目标位置处，哪一次闪烁包含深度方向上的运动。
   3. 根据参与者的回答，按下1或2。
   4. 如果参与者无法稳定地感知深度方向上的运动，则重新给予指导，并允许其直接注视目标位置。
   5. 如果参与者能够感知深度方向上的运动，则进入下一个练习任务。
3. 运行练习任务3（两个位置，双区间迫选）。
   1. 指导内容与任务2相同，但目标现在可能出现在两个位置中的任意一个。
4. 运行练习任务4（完整练习）。
   1. 指导内容与任务3相同，但目标现在可能出现在四个周边位置中的任意一个。
5. 准备就绪后，正式运行Dynamic Periphery和Dynamic Center测试。

图 6：动态局部立体视任务及结果。（A）逐步练习菜单。（B）测试刺激图像。（C）代表性结果。红色和蓝色曲线分别表示在每个视网膜位置（0° 和 5° 偏心度）下，对应于交叉和非交叉视差的阶梯法数据。每个图表右侧的彩色条形表示从相应阶梯法获得的阈值。请点击此处查看该图的放大版本。

8. 运行Pulfrich任务

注意：屏幕一半区域的亮度降低（图7A），以模拟中性密度（ND）滤光片的效果。

1. 呈现 Pulfrich 任务刺激，如图 7A所示。确认被试是否能看到深度，以及月亮是在星星前方还是后方移动。
2. 要求被试使用/或*键移动屏幕底部静止的月亮，使其向前或向后调整，直到其看起来与移动的月亮处于相同的深度。
3. 可选：要求被试使用反应盒（图 7B）指示所感知的深度程度。
   1. 将反应盒面向被试呈现，盒中心距离被试眼睛约 40 cm。
   2. 要求被试调节反应盒两侧的滑块，直到盒内月亮看起来与计算机屏幕上移动的月亮处于相同的深度。
   3. 将滑块上的读数输入计算机屏幕，按+继续。

注意：物理反应盒在补充文件2中描述。

图7：普尔弗里希任务及实验结果。（A）测试刺激图像。除底部的月亮外，其余所有月亮均在运动。（B）反应箱内部视图，显示天花板上固定的星星以及沿轨道排列的月亮。（C）视差匹配任务的结果。黑色圆点和橙色线条表示中位数。箱线图表示数据范围（最小值和最大值）以及四分位距。由于每种滤光强度仅进行了三次试验，因此中位数和极值反映了每种条件下的全部数据。蓝色线条表示基于所有滤光强度的中位数数据进行的线性回归。（D）物理深度匹配任务的结果。黑色圆点和橙色线条表示中位数。箱线图表示数据范围（最小值和最大值）以及四分位距。由于每种滤光强度仅进行了三次试验，因此中位数和极值反映了每种条件下的全部数据。蓝色线条表示基于所有滤光强度的中位数数据进行的线性回归。请点击此处查看该图的放大版本。

9. 运行运动视差

1. 呈现运动视差刺激，如图8A、B所示。指导受试者注视中央的十字。
2. 按 Enter 键开始一次试验。
3. 指导受试者在注视中央十字的同时，报告在旋转过程中看起来在深度上凸起的方块。
4. 按下对应方块的数字键。

图 8：运动视差任务及结果。（A）“视差”任务的测试刺激。（B）“视差 + disparity”任务的测试刺激。注意，本示例中左下角的方块（编号“4”）包含双眼视差线索。（C）“视差”任务的代表性结果。红色和蓝色线条表示两个阶梯法的原始数据。彩色条形表示从相应阶梯法获得的阈值。（D）“视差 + disparity”任务的代表性结果。红色和蓝色线条表示两个阶梯法的原始数据。彩色条形表示从相应阶梯法获得的阈值。请点击此处查看该图的放大版本。

10. 运行达芬奇立体视觉

1. 呈现如图9A所示的双目刺激配置。指导受试者比较两个条形相对于大盒子的深度，并报告哪一个条形看起来位于盒子前方。
2. 若上方条形在前则按8，下方条形在前则按5；若两者均处于同一平面，则按Enter键。
3. 在练习过程中，若受试者在捕获试验中感知到深度，需重新指导，以确保其理解任务要求。

图9：达芬奇立体视任务及结果（A）测试刺激示意图，显示两对二目分离刺激。（B）融合后的感知结果。通过交叉眼睛，将左侧与中间刺激融合产生（a）所示的错觉，将中间与右侧刺激融合产生（b）所示的错觉。注意：每次试验仅呈现一对刺激。（C）代表性结果。蓝色、红色和灰色柱状图分别表示参与者报告正确深度、错误深度或无深度的试验百分比。注意：本示例中所有反应均正确，因此未显示红色柱状图。请点击此处查看此图的放大版本。

结果

代表性数据来自一名20岁、视力正常的受试者（每只眼的视力为0.0 logMAR；立体视敏度为40弧秒）。

字母眼优势
两次阶梯法实验和 恒定刺激法的结果（图2C、D）表明该受试者的右眼优势略强。

预期结果：每个阶梯应逐步接近其阈值，最后几次反转应聚集在该点附近。理想情况下，两个阶梯应收敛到相似的阈值。心理测量曲线应呈S形，数据点应位于曲线之上或附近。若曲线呈反S形，则可能表示反应错误，因为受试者报告的是较暗而非较亮的字母。对于视力正常的受试者，阶梯阈值和主观相等点（PSE）通常接近0.5。此外，PSE应落在所测试的对比度范围内，并与阶梯结果一致；若不符合，则可能表明受试者对指导语的依从性较差或断续，或存在不稳定的ocular dominance（眼优势）。

...

讨论

本研究开发了一套新颖的测试组合，用于评估双眼视觉的多个方面，范围涵盖同时知觉、融合功能以及立体视觉背后的不同机制。整个测试流程至少需要85分钟，可对深度感知能力进行系统而全面的评估。根据科研或临床需求，这些测试可单独使用，也可组合应用。整套测试组合最适合用于允许较长时间测试的研究环境。然而，其中的部分测试子集亦可快速提供关于双眼视觉特定方面的有价值信息（表1）。

本文所述方案为评估当前临床和科研环境中尚未检测的立体视觉方面提供了一个潜在框架。例如，单眼弱视（“懒眼”）患者常出现抑制现象³⁸，且临床上无法测得立体视功能。然而，研究表明，这些患者仍可能存在残余的双眼相互作用^16,39。对这类患者进行双眼视觉的全面评估，不仅有助于加深对其日常视觉表现和生活质量的理解，还能为视觉发育机制及康复潜力提供重要线索。类似地，黄斑变性患者会经历显著的中心视力丧失，主要依赖周边视觉

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
代码	N/A	https://git.uwaterloo.ca/hvnl/binocularbatterycodes_manuscript/-/tree/9f7ff9eb1705d50060ca46a8ac2d2d1848349368/	用于生成刺激材料和运行实验方案的代码可在文中提供的仓库中获取。 "货号" 柱
计算机	Alienware，戴尔公司，德克萨斯州，美国	XPS 8930	Intel Core i7-9700 CPU，64 GB RAM
额托和下颌托	N/A	N/A	定制设备，用于固定头部位置和保持观察距离
镜像立体镜	N/A	N/A	定制构建
监测	LG电子，韩国首尔	LG 27UP600-W	分辨率：3840 × 2160 像素，屏幕宽度：59.5 厘米，刷新率：60 Hz，响应时间：5 毫秒；灰色背景亮度设置为 340 cd/m²
鼠标和键盘	N/A	N/A	仅供实验人员使用
数字小键盘	N/A	N/A	供参与者使用
编程环境	N/A	https://www.psychopy.org/	PsychoPy 2022.2.4（基于 Python 3.6.6），运行于 Windows 10（Microsoft Corporation，Redmond，WA，USA）
反应盒	N/A	N/A	定制组装，所需部件详见补充文件中的示意图