将眼动追踪作为眼球运动障碍的诊断工具-眼颤症研究案例

本研究在由澳大利亚墨尔本大学的光学与视觉科学系的Dr.Larry Abel与他的团队共同完成。研究主要集中在眼球运行障碍,特别是眼颤症上,以及将眼动追踪作为一项成熟的诊断工具引入到此类研究中的可能性。

研究背景

本研究在由澳大利亚墨尔本大学的光学与视觉科学系的Dr.Larry Abel与他的团队共同完成。研究主要集中在眼球运行障碍,特别是眼颤症上,以及将眼动追踪作为一项成熟的诊断工具引入到此类研究中的可能性。

该研究实验室配有一台Tobii Pro TX300眼动仪,几年来一直将它作为辅助工具进行各类临床测试。得到成功的结论是指能够为眼颤症和其他眼球运动机能测试提供高质量的评估。同时能够将这些结论应用到临床医生的教学中。此外,还需要将其进一步作为一种临床行为的常规部分,使得眼动追踪能成为实习临床医生标准的、常规的临床诊断工具。

开发一套可被更多的没有此类专业背景的临床医生所使用的诊断系统将为这里乃至世界范围内的患者带来莫大的好处。我们将以现有的实验室条件,通过将眼动追踪作为一种临床诊断工具来继续我们的诊断研究,让更多的临床医生能够对此类病症进行诊断。

Larry Abel, PhD, Senior lecturer, Department of Optometry and Vision Sciences, The University of Melbourne

研究目标

本项实验性研究旨在找到开发一种可以对眼颤症和其他障碍的评估的临床诊断系统,此系统能够让经验不那么丰富的临床医生顺利操作。研究的重点是对眼颤的辨别与表征的识别,但在未来的研究计划中,将包含更加量化的眼跳和平滑跟踪的眼动行为评估的能力研究。

研究的初步目标是让临床医生能够进行初步诊断,诊断的结论由专家进行评估(如此研究的作者)。研究的长期目标是试图开发出更加自动化的诊断方式,且能够适合多种不同知识背景层次的用户进行操作。

由于好的眼动记录对眼颤症评估和眼跳的量化评估至关重要,眼动追踪也因此成为了本项研究所使用的核心研究方法。

研究工具与方法

在实验室进行的初步实验中,研究人员对Tobii Pro TX300眼动仪和较旧的Microguide 1000 眼动仪进行了大规模的对比。Microguide 1000 是一款经典的应用模拟技术实现眼动追踪的设备,它的历史可追溯到1960年,当时主流的方法是利用光电技术来检测虹膜边缘的水平动作来实现眼动行为的记录。同时,研究人员还将Tobii 1750眼动仪和SR Research的Eyelink II眼动仪进行了对比。实验室还配置了一台SMI高速头戴式眼动仪,但由于其只能进行单眼追踪,因此并不适用于此类的评估研究。在眼动记录前首先会对临床检查和医疗史进行评估,获得的结论通常会为记录环节提供参考依据。之后使用眼动追踪来验证、支持或反驳最初的临床结论。

眼动追踪测试的内容是让患者观察一些他们视野范围(水平和垂直方向)内的目标,同时记录下此过程的眼动数据。然后通过检测呈现的波形将其归类到先天性(并了解具体的波形)或后天性眼球震颤。对稳定的凹形区间(若有)进行量化。这些凹形区间在检测患者的潜在视觉精度方面是一个关键的要素并且只能通过较好的空间和时间精度的眼动记录得到。

现有的此类测试的方法是通过从Tobii 1750眼动仪导出数据或通过将Microguide眼动仪采集到的数据进行数字化处理之后导入到Matlab中,进而在Matlab中可视化呈现出来并进行量化来实现的。由于面向Pro TX300眼动仪开发的带有Matlab接口的SDK尚未发布,因此在本研究中未对Matlab相关的内容进行开发。取而代之的是在现有的Matlab工具中通过对了原始数据的处理来得到这些波形。

Tobii Pro TX300 眼动仪可提供足够高的时间分辨率波形,而Tobii Pro Studio软件的界面时至今为止我们所使用所有眼动仪制造商提供的软件中的最易用的。软件的安装和设置也非常简单,实验的设计也比其他制造商所提供的复杂的软件容易得多。

Larry Abel, PhD, Senior lecturer, Department of Optometry and Vision Sciences, The University of Melbourne

眼动追踪—一种极具潜力的临床诊断工具

实验期间研究人员获得了一些有价值的结论。

如果临床结果显示得非常模凌两可的话,那么只有通过眼动追踪的记录才能从后天性眼颤中识别出先天性眼颤。研究人员也可以此来识别显性/隐性眼颤-它们的差别非常细微。对波形的量化处理也可以被用于对视觉结果的预期研究中。除了眼颤,眼跳行为的评估可被用于带有多发性硬化症特征的轻度核间性眼肌麻痹症的识别上,可对重症肌无力的判断起到辅助作用。

在某些情况下,Tobii Pro TX300眼动仪提供的诊断波形信息是通过任何其他方式无法得到的。此外,Tobii Pro TX300眼动仪的另一个真正的潜在优势是Tobii Pro Studio软件的易用性很强,因此可以对临床工作人员进行培训,让他们能够完成此类的评估,而在必要时由专家进行评估。

An example graph providing diagnostic waveform information .
An example graph providing diagnostic waveform information .

上图中可以看到一种凝视诱发性眼颤(蓝色波形)行为,包含了直线或速度下降的慢相位。值得注意的是当患者从横向观察(箭头)返回中央区域时,首要位置的眼颤就会出现在其他方向。这种现象被称为反跳式眼颤,此类眼颤据报告称不带有先天性。这些图形(无法用Microguide眼动仪得到)中同样重要的是眼球的垂直波形。可以看到图形中出现了一种持续性的下视性眼颤,无论患者的水平分量方向如何。这表明眼球在大部分时间中是在进行对角性位移的。这名患者被带到实验室时被诊断出患有先天性眼颤症,但上述的眼动记录则表现出与此结论有多方面的差异,因此建议对其进行密切的观察后再做出进一步的临床判断。

然而在现阶段,对几个眼颤症临床测试的重要评估还很难或无法实现,包括:

  • 单眼校准,双眼记录 (如,可以阻挡一只眼睛的视觉但仍然能记录它的行为)。在眼动记录过程中交换被阻挡的眼睛并观察其影响。*
  • 操作员可选择目标的位置和时间精度
  • 实时监控眼球位置
  • 一种能够在眼球位置数据中添加目标位置并手动添加触发事件标记的方法

*) 此类数据是由Tobii 单眼校准工具生成的 。Tobii 单眼校准工具是一款可以测量并报告被试者的注视点和实际屏幕目标之间的偏移量的应用程序,可用于眼球功能障碍的诊断,如,眼颤症、斜视(斗鸡眼) 或弱视。 它可以衡量对病患者治疗期间的眼动行为,以此衡量康复进度。此工具由软件 (在Windows系统中运行)和一个红外屏蔽器组成。

展望

当前的首要目标是开发一套诊断系统,可为多数临床医生所用但仍需要专家来评定结果。长期的目标是开发一套基于网络的专家系统,可实现独立的波形分类,如可能的话可以对波形进行量化处理。这将是一项与电诊断学同步的工作,将使此类测试能够为更广泛的工作人员所使用。下一步的研究的执行将需要招募具备电气工程学/计算机科学背景且具有信号处理专业知识的博士生。

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