이 논문은 스마트폰 앱을 사용하여 굴절 이상을 주관적으로 측정하기 위한 프로토콜과 임상 검증 데이터를 제시합니다.
방법 논문
이 논문은 스마트폰 앱을 사용하여 굴절 이상을 주관적으로 측정하기 위한 프로토콜과 임상 검증 데이터를 제시합니다.
시력 관리에 대한 접근성을 개선하고 대규모 시력 검진을 가능하게 하기 위해 굴절 이상을 측정하는 스마트폰 앱이 개발되었습니다. 외부 부착물이 필요하지 않기 때문에 독립형 전화기에서 실행되는 앱을 일반 직원이 사용하여 주관적 굴절을 측정할 수 있습니다. 그 타당성은 임상 환경과 소외된 지역 사회에서 파일럿 테스트를 거쳤습니다. 이 앱은 시각적 자극을 식별하기 위해 먼 지점의 거리를 측정하여 굴절 이상을 추정합니다. Spherical equivalent refraction 및 astigmatism은 각각 Tumbling E 문자와 격자 패턴을 사용하여 측정할 수 있습니다. 이 백서의 목적은 앱을 사용하여 주관적 굴절을 수행하기 위한 측정 프로토콜을 설명하는 것입니다. 34명의 피험자(구면 등가물의 경우 30개의 눈, 난시 평가의 경우 38개의 눈)를 대상으로 한 실험 결과를 제시합니다. 앱을 사용한 측정은 표준 임상 방법과 비교되었습니다. 구형 등가 굴절의 평균 절대 오차는 0.63D이고 난시 측정의 평균 절대 오차는 0.28D였습니다. 또한 앱을 사용하여 동공 간 거리(IPD) 측정을 평가하기 위해 22명의 피험자가 등록되었습니다. 앱을 사용한 IPD 측정의 평균 절대 오차는 1.2mm였습니다. 앱으로 IPD를 측정하는 프로토콜에 대해서도 설명합니다.
교정되지 않은 굴절 이상(URE)은 전 세계적으로 실명 및 시력 장애의 주요 원인으로, 안경으로 치료할 수 있음에도 불구하고 8,600만 명에서 1억 1,600만 명2에게 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 외딴 지역에서 URE가 만연한 주된 이유는 안과 전문의의 수가 적고 안경을 조제할 수 있는 적절한 의료 인프라가 부족하기 때문이라고 합니다3. 예를 들어, 사하라 사막 이남 아프리카에서 50세 이상 성인의 URE로 인한 시력 장애 유병률은 고소득 국가보다 10배 더 높습니다1.
현재 업계의 발전으로 안경 비용은 몇 달러로 떨어졌습니다. 그러나 안과 전문의를 교육하는 것은 비용과 시간이 많이 소요되어 수년간의 교육이 필요합니다4. 최근 연구에 따르면 1인당 의료비 지출이 낮기 때문에 광범위한 의료 시스템 내에서, 특히 외딴 지역에서 안과 진료의 의미 있는 통합이 계속 제한되고 있다고 결론지었다5. 이러한 암울한 현실은 URE의 진단을 쉽게 내릴 수 있어야 할 필요성을 시사합니다.
경제성, 편재성 및 타당성 덕분에 스마트폰 기반 시력 검사 도구는 시력 검사 노력에서 중추적인 역할을 할 수 있습니다 6,7,8,9,10,11,12,13. 이러한 혁신적인 도구는 특히 소외된 지역 사회에서 시력 문제를 검사, 식별 및 해결하기 위한 비용 효율적이고 편리한 솔루션을 제공함으로써 안구 건강 관리에 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 기술의 한 가지 예는 모바일 시력 검사 분야에서 상당한 발전을 이룬 Peek Acuity 앱입니다. 이 앱은 아프리카 14,15,16의 일부 연구에서 수만 명의 개인을 선별하기 위해 배포되었습니다. Peek Acuity 앱은 시력을 측정하는 효율적인 방법을 제공함으로써 의료 서비스 제공자가 더 많은 사람들에게 다가갈 수 있도록 하여 시각 장애를 해결하는 데 유용한 도구가 되었습니다. 시력 외에도 굴절 이상을 측정하기 위한 스마트폰 기반 기술도 제안되고 평가되었습니다17,18. Salmerón-Campillo 등은 스마트폰 화면을 사용하여 시력 및 굴절 측정을 위해 Badal 옵터미터에 청색 시각 자극을 표시했습니다17. Tousignant 등은 스마트폰이 삽입된 휴대용 쌍안 뷰어로 구성된 Netra 스마트폰 굴절기를 테스트했습니다18. 일반 스마트폰 앱과 비교했을 때, 이러한 시스템에서 스마트폰 이외의 전용 부품이나 부착물은 사용자가 특별히 제작된 기기를 구매해야 하기 때문에 기술의 접근성을 제한할 수 있습니다.
대량 URE 검사의 접근성 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 비전과 정신물리학적 방법을 사용하여 굴절 이상을 측정하는 스마트폰 기반 굴절 앱(그림 1)을 개발했습니다19. 이 앱은 근시 환자에서 주어진 자극에 대한 원거리(텀블링 E는 구형 등가물, 난시는 격자)를 찾아 주관적 굴절을 측정합니다. 앱의 주요 기능은 특별히 제작된 첨부 파일이 필요하지 않다는 것입니다. 측정을 수행하는 데 필요한 모든 처리는 앱 내의 장치에서 수행되며 클라우드 컴퓨팅은 포함되지 않습니다. 따라서 앱을 네트워크에 연결할 필요 없이 굴절을 측정할 수 있습니다. 최소한의 교육으로 일반인은 스마트폰이 호환되는 경우 앱을 사용하여 환자의 굴절을 측정할 수 있습니다. 앱의 정확도는 이전에 표준 임상 테스트 방법에 대해 평가되었습니다8. 이 앱은 안경 처방에 직접 사용되지 않을 수 있지만 근시 검사에 사용할 수 있는 잠재력이 있습니다. 최근에는 농촌 지역의 학교 학생들을 대상으로 한 시력 검진에 성공적으로 사용되었다9. 이 백서에서는 앱을 사용하여 주관적 굴절을 측정하기 위한 프로토콜을 제시합니다.
이 연구는 Mass Eye and Ear Infirmary(매사추세츠주 보스턴)에서 헬싱키 선언의 원칙에 따라 수행되었습니다. 모든 참가자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다. 이 연구는 Mass Eye and Ear(매사추세츠주 보스턴)의 지역 기관 검토 위원회의 승인을 받았습니다. 검안사에 따르면 피험자 포함 기준은 근시 진단이었고 백내장 및 망막 질환과 같은 다른 눈 상태는 없었습니다.
1. 구형 등가 측정
2. 난시 측정
3. 동공 간 거리(IPD) 측정
이 연구에서 굴절 검사의 인터페이스는 그림 2에 나와 있습니다. 선택한 자극에 따라 앱은 구형 등가 또는 전체 굴절 테스트를 수행합니다. Tumbling E를 선택하면 앱이 구형에 해당하는 값을 측정합니다(그림 2). 격자 자극 난시 1 또는 2를 선택하면 앱이 난시를 포함한 굴절 이상을 측정합니다(그림 3).
앱의 효과를 입증하기 위해 66명의 피험자(여성 25명)를 3개 그룹으로 나누어 각각 구형 등가물, 난시, IPD 테스트에 참여했습니다. 피험자의 연령 범위는 8세에서 74세(SD± 평균: 33.7세 ± 13.9세)였다.
그림 5는 자동 굴절기를 사용하여 앱 측정을 표준 임상 측정과 비교한 연구(30안)의 구형 등가 측정 결과를 보여줍니다. 가장 높은 굴절 이상은 최대 -8D였습니다. 회귀 분석은 선형 회귀 기울기가 거의 1이고 회귀의 R-제곱이 0.965이기 때문에 두 방법이 매우 일치한다는 것을 시사합니다. 두 방법의 평균 절대 차이는 0.63D였고, 그 차이는 80%에서 1D< 나왔다. 그림 5B 의 Bland-Altman 플롯은 95% 합치도 한계가 [-1.81D, 1.58D]임을 보여줍니다.
그림 6은 난시 측정 연구(38안)의 결과를 보여주며, 앱 측정을 표준 주관적 굴절 측정과 비교했습니다. 가장 높은 난시는 -2.25D였고, 이들 환자의 평균 실린더 출력은 -0.63D ± 0.59D였습니다. 앱과 자가굴절기 측정값 간의 차이(평균 ± SD)는 0.08D ± 0.41D였고 절대 오차의 평균은 0.28D였습니다. 그림 6B 의 Bland-Altman 플롯은 95% 합치도 한계가 [-0.89D, 0.73D]임을 보여줍니다. 또한, 두 측정의 실린더 출력(Cylinder Power)을 실린더 축(20)을 기준으로 J0 및 J45의 두 벡터로 분해하여 앱의 오류를 분석했습니다. J0 오차(오차 평균과 표준 편차 확산)는 -0.15D ± 0.56D였고, J45 오차는 0.07D ± 0.21D였다.
그림 4에는 두 가지 IPD 측정 사례가 나와 있습니다. 왼쪽 그림은 성공적인 시도이고 오른쪽 그림은 왼쪽 눈의 십자선이 중앙에서 벗어나 있어 실패한 시도를 보여줍니다. 그림 7은 IPD 눈금자를 사용한 검안사의 임상 측정과 비교하여 앱(n=22)을 사용한 IPD 측정 오류를 보여줍니다. 눈금자 측정에 따른 IPD의 범위는 58-69mm(평균 ± SD: 63.6mm ± 3.2mm)였습니다. 앱의 오류는 (-0.55mm ± 1.4mm)이고 절대 오류의 평균은 1.2mm였습니다.

그림 1: 시력 검사 앱의 홈페이지. 사용자는 환자 기록을 생성하고 굴절, 동공 간 거리 및 시력(여기에 소개되지 않음)을 포함하여 수행할 검사를 선택할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 굴절 측정의 인터페이스. 이 스크린샷은 구형 등가 테스트 세션을 보여줍니다. 환자는 두 손가락으로 왼쪽 눈을 가립니다. 눈썹, 코, 입이 모두 보이기 때문에 폐색이 최소화됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 난시 측정. 이 경우, 환자는 Astigm 1(오른쪽 상단 삽입)의 1시 방향이 가장 날카롭다고 보고했습니다. 따라서 Astigm 2 자극(오른쪽 하단 삽입)으로 전환할 때 1시 방향 주변에서 가장 좋은 지점을 찾기 위해 전화기를 기울여야 했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: IPD 측정의 두 가지 사례. 왼쪽: 두 개의 십자선이 눈 중심과 잘 정렬됩니다. 측정을 수락할 수 있습니다. 오른쪽: 왼쪽 눈의 십자선이 눈 중앙에 있지 않은 것 같습니다. 이 측정은 폐기해야 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 구형 등가 측정 결과 평가. 이 연구에서는 앱과 자가굴절기로 30개의 눈을 측정했습니다. (A) 선형 회귀는 두 측정값이 매우 일관됨을 보여줍니다(기울기=1.02, R2=0.965). (B) 블랜드-알트만 플롯. 95%의 합의 한계는 [1.81,1.58]이었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 난시 측정 결과 평가. (A) 38개의 눈에 대한 앱에 의한 난시 측정 오류의 상자 그림. 이 환자들의 평균 실린더 출력은 -0.63D ± 0.59D였습니다. 상자는 사분위수 범위를 나타내고 수염은 오차 범위를 나타냅니다. 십자가는 오류의 평균을 나타냅니다. 원으로 표시된 것처럼 두 개의 이상값이 있었습니다. (B) 블랜드-알트만 플롯. 95%의 합치도 한계는 [-0.89, 0.73]이었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7: 22명의 피험자에 대한 앱에 의한 IPD 측정 오차의 상자 그림. IPD 눈금자와 임상 측정을 비교한 결과, 오차는 (-0.55mm± 1.4mm)였습니다. 상자는 사분위수 범위를 나타내고 수염은 오차 범위를 나타냅니다. 십자가는 오류의 평균을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
앱을 사용하면 전문 검안 교육을 받지 않은 사람도 주관적 굴절 이상 검사를 수행할 수 있습니다. 시력 검진에 대한 적용은 최근 농촌 지역의 학령기 학생들을 대상으로 한 시력 검사 연구에서 입증되었습니다9. 시력 검사21에만 전적으로 기초한 다른 질량 시력 검사 방법과 비교하여, 이 앱은 클리닉에서 일반적으로 사용되는 구형 및 원통형 오류 값으로 굴절 측정을 제공할 수 있습니다. 이 앱은 스마트폰에 설치되면 바로 사용할 수 있기 때문에 이 솔루션은 서비스가 부족한 커뮤니티에서 쉽게 접근할 수 있습니다. 화면 해상도가 인치당 400픽셀보다 높고 셀카 카메라 해상도가 1920 x 1080픽셀보다 높은 스마트폰은 굴절 앱을 실행하는 데 적합합니다. 요즘 시장에 나와 있는 많은 스마트폰은 사양을 충족할 수 있습니다.
스마트폰 기반 굴절 측정 솔루션은 안과 임상의와 전용 스크리닝 장치(예: iScreen, Spot Vision Screener)22가 제공하는 서비스 프로그램을 보완할 수 있으며 특히 자원이 부족한 국가 및 상황에 적합합니다. 그러나 앱의 한 가지 제한 사항은 여기에 제시된 프로토콜을 사용하여 원시를 측정하지 않는다는 것입니다. 앱을 사용하여 원시를 측정하거나 식별하는 방법은 연구 중입니다. 일부 시력 검진 프로그램에서 필요한 사시 평가에 관해서는, 우리는 소외된 지역 사회의 시력 검진에 사용할 수 있는 또 다른 앱을 개발하고 검증했습니다 10,11,12.
안과 전문의를 이용할 수 있을 때 앱 측정을 기반으로 안구 처방을 받아서는 안 되지만, 비전문 인력이 인력에 합류할 수 있는 대량 시력 검진에서는 여전히 유용할 수 있습니다. 심각한 굴절 이상이 있는 것으로 표시된 환자는 추가 검사를 위해 안과 의사에게 의뢰할 수 있습니다.
측정 정확도는 추천의 거짓 긍정 비율을 최소화하는 데 매우 중요합니다. 다음은 성공적인 측정을 위한 몇 가지 팁입니다. 앱을 사용한 측정은 일반적으로 조명이 밝은 환경(최소 300lux 권장)에서 수행해야 합니다. 스마트폰 앱은 컴퓨터 비전 기술을 활용하여 얼굴 특징을 추출하고, 이를 기반으로 시청 거리를 추정합니다. 전화기 카메라의 시야에 환자의 얼굴만 나타나도록 해야 합니다. 검사 관리자의 얼굴을 포함하여 다른 얼굴은 검사 중 휴대폰 화면에 표시되는 셀카 카메라 미리보기에 나타나지 않아야 하는데, 이는 앱에서 누가 환자인지 알 수 없기 때문입니다. 이 앱은 얼굴 특징에 의존하여 시청 거리를 추정하기 때문에 테스트 중에 가능한 한 많은 얼굴 특징이 보이면 시청 거리 추정에 도움이 됩니다. 눈썹, 코, 입 모서리가 모두 카메라에서 보이도록 작은 가림판이나 두 손가락으로 테스트되지 않은 눈을 가리는 것이 좋습니다(그림 2). 짧은 가시 거리에서는 환자의 얼굴이 거의 전체 카메라 시야를 차지할 수 있습니다. 테스터는 화면에서 라이브 이미지를 모니터링하고 카메라 뷰에서 전체 얼굴이 항상 보이도록 카메라를 적절하게 정렬해야 합니다.
IPD는 앱 측정 굴절을 위한 필수 파라미터입니다. 미리 알고 있는 경우 앱의 환자 프로필에 수동으로 입력할 수 있습니다. 그렇지 않으면 앱을 사용하여 IPD를 측정할 수 있습니다. 개별화된 IPD가 없으면 앱은 기본값을 사용하며 어느 정도 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 부정확한 수렴은 IPD 측정에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 굴절 이상과 포리아가 있는 환자는 한쪽 눈이 이탈할 수 있기 때문에 양안으로 손전등에 제대로 고정되지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 환자는 IPD 검사에서 안경을 착용해야 합니다.
테스터는 이 검사가 굴절에 대한 주관적인 측정이라는 것을 이해해야 하며, 이는 결과가 자동 굴절기에 의해 수행되는 눈 광학 분석이 아닌 환자의 인식에 기반한다는 것을 의미합니다. 주관적 굴절률(subjective refraction)은 안경 처방을 위한 황금 표준입니다. 그러나 문제는 최상의 주관적 인식의 상태를 찾는 것입니다. 구형 등가 측정의 경우 기준은 3개의 글자를 읽는 것을 기반으로 합니다. 환자가 실제로 모든 글자를 명확하게 볼 수는 없지만 일부 글자를 정확하게 추측할 가능성이 있습니다. 여러 테스트를 통해 문제를 완화할 수 있습니다.
또한 난시가 높은(일반적으로 2D보다 높음) 환자는 Tumbling E 문자를 사용하는 현재 프로토콜이 문자 방향을 고려하지 않기 때문에 앱을 사용한 구형 등가 테스트에 적합하지 않을 수 있습니다. 강한 난시가 의심되는 환자의 경우, 다이얼 시계 자극(Astigm 1)을 보여주고 환자에게 한 방향이 다른 방향보다 훨씬 더 날카로운지 물어봄으로써 대략적인 추정치를 찾을 수 있습니다.
난시 측정은 서로 다른 축에 대한 굴절을 측정해야 하기 때문에 구형 등가 측정보다 절차적으로 더 까다롭습니다. 정확한 측정의 핵심은 서로 다른 축에 대한 실제 원거리를 찾는 것이며 축의 정확한 방향도 결정해야 합니다. 좋은 전략은 전화기 화면을 비교적 빠르게 회전하면서 전화기를 환자 쪽으로 천천히 움직여 격자 방향을 스캔하는 것입니다. 너무 빨리 움직이면 전화기가 먼 지점을 통과할 수 있으므로 과대평가가 발생할 수 있습니다. 일부 환자는 실제로 매우 흐릿한 이미지보다 더 잘 볼 수 있음에도 불구하고 격자를 명확하게 볼 수 있다고 보고하는 경향이 있습니다. 이러한 성급한 보고는 과소평가를 초래합니다. 검사 전에 환자에게 날카로운 자극이 어떻게 보이는지 보여 주어 검사 중에 일관되게 보고할 수 있도록 하는 것이 도움이 됩니다. 자극에 대한 인식을 적절하게 보고하는 방법을 이해하지 못하면 그림 6A에 표시된 이상치와 같은 심각한 오류가 발생할 수 있습니다. 두 개의 이상치는 한 피험자로부터 나왔는데, 그는 오른쪽 눈을 검사했을 때 포인트 1을 너무 일찍 보고했습니다(분리된 격자선을 실제로 명확하게 못함). 그는 또한 왼쪽 눈을 검사했을 때 포인트 2를 너무 늦게 보고했습니다(그는 이미 클리어 포인트를 통과했습니다). 따라서 잘못된 원거리 보고로 인해 큰 오류가 발생했습니다.
Gang Luo는 굴절 측정과 관련된 특허를 보유하고 있습니다. Gang Luo와 Shrinivas Pundlik은 시력 테스트용 스마트폰 앱을 개발하는 신생 기업인 EyeNexo LLC의 공동 설립자입니다. 다른 저자에 대한 재정적 이해 상충이 없습니다.
굴절 검사 앱은 NIH 보조금 EY034345과 Harvard Catalyst 상(National Center for Advancing Translational Sciences, NIH Award UL1 TR002541)의 일부 지원을 받아 개발되었습니다. 이 내용은 전적으로 저자의 책임이며 Harvard Catalyst, Harvard University 및 관련 학술 의료 센터 또는 NIH의 공식 견해를 반드시 나타내는 것은 아닙니다.
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