基于眼动参数检测的阿尔茨海默症诊断技术研究

迟英凯， 王 登综述， 迟健男审校

阿尔茨海默症起病极其隐匿，在治疗上只能依靠良好的护理来延缓病情的发展，在诊断上也只能通过排除其他已知病因的痴呆来确诊。随着人口老龄化的加剧，其发病率逐年递增，根据《2018年世界阿尔茨海默症报告》数据[1]，全球平均每3秒钟新增一位患者，预计2050年患者总数将达1.52亿人。研究表明生物学标志物可能诊断阿尔茨海默症[2～4]，但需要时间周期长，操作复杂，不容易引入临床中。因此寻求一种简便、可靠以及非侵入性的方法早期诊断阿尔茨海默症，日益迫切。本文总结了与眼动相关的阿尔茨海默症诊断方法，主要从阿尔茨海默症扩瞳实验、瞳孔闪光反应实验、情景记忆法等方面进行阐述。与其他技术相比，监测眼睛参数的动态变化更直观，非侵害，无痛苦。

1 基于眼动参数检测的阿尔茨海默症诊断技术

1.1 扩瞳实验 阿尔茨海默症患者的瞳孔对低浓度的托吡卡胺溶液能产生明显的扩张反应。阿尔茨海默症患者最主要的神经递质的缺陷就是乙酰胆碱缺陷[5]，而托吡卡胺是一种M4受体拮抗剂，与乙酰胆碱竞争结合毒蕈碱的受体[6]。在乙酰胆碱缺陷的受试者中，由于受试者必须能够对少量的乙酰胆碱产生反应，因此乙酰胆碱受体的灵敏度高于正常受试者。同时在乙酰胆碱缺陷的受试者中，托吡卡胺更容易克服少量的乙酰胆碱，即使非常稀释的托吡卡胺溶液在这种情况下也能有效抑制毒蕈碱的受体，引起受试者瞳孔扩张。

阿尔茨海默症患者对乙酰胆碱受体阻滞剂敏感性的发现，为阿尔茨海默症诊断研究打开了一个新的研究方向。Scinto等[7]人首先试图对此进行验证，将瞳孔作为研究对象，对阿尔茨海默症患者的眼睛滴加0.01%的托吡卡胺溶液，观察其扩瞳反应。研究表明阿尔茨海默症患者施用0.01%的托吡卡胺溶液后第29分钟，瞳孔直径扩大13%以上，非阿尔茨海默症患者和正常健康人均在8%以下。这与阿尔茨海默症患者的胆碱能活性低，因而造成瞳孔反应性增加相一致。

扩瞳实验是一种简便且无创伤的方法，如果能够得到重复验证，在临床上的意义显而易见。在Scinto之后，世界各国研究学者运用不同的研究方法进行了重复验证，均得到了相似的实验结论。颜文伟等[8]采用非接触型红外线双侧瞳孔记录分析仪跟踪双眼瞳孔直径的变化，结果显示阿尔茨海默症患者的瞳孔滴入0.01%托吡卡胺溶液13～22 min后瞳孔扩张最明显，且将第18分钟患者扩瞳≥15%作为分界值来鉴别阿尔茨海默症，敏感性和特异性均好。程文红等[9]使用红外线瞳孔摄像仪连续拍摄研究对象的瞳孔，证明可以将滴药后第19分钟瞳孔扩大10%作为鉴定是否患有阿尔茨海默症的分界值。

扩瞳实验除适用于中晚期病例的诊断，也可用于早期诊断。项志清等[10]对52例阿尔茨海默症患者和33例血管性痴呆患者以及58例老年对照组进行了瞳孔扩张实验，采用红外线自动瞳孔直径记录仪采集瞳孔数据，实验结果表明在滴入托吡卡胺溶液18 min后，阿尔茨海默症患者、血管型痴呆患者以及正常对照组之间瞳孔直径百分比变化存在显著差异。甚至一些阿尔茨海默症患者虽仅有几个月的痴呆病史，却也表现出典型的阳性结果。证明瞳孔扩张实验不仅可以作为阿尔茨海默症与血管性痴呆鉴别诊断的工具，也可以进行阿尔茨海默症的早期诊断。

托吡卡胺溶液的浓度对实验结果会产生很大的影响，在Scinto等人之后很多学者对其实验进行效仿，但发现如果选用0.01%托吡卡胺溶液作为刺激，并不能区分阿尔茨海默症患者和正常受试者。Atsuhiko Iijima等[7]将托吡卡胺溶液的浓度稀释到0.005%时，施用于受试者，发现阿尔茨海默症患者瞳孔显示出非常明显的扩张反应，且可以用60 min时瞳孔平均扩张率为114.5%来鉴别阿尔茨海默症。由此证明降低托吡卡胺溶液的浓度，可以提高实验的灵敏性。

越来越多的研究表明，阿尔茨海默症在男女之间也存在差异。为了验证性别因素在扩瞳实验中的影响，Maria Fridh等[11]对不同性别的阿尔茨海默症患者瞳孔对托吡卡胺的反应进行了实验，结果却表明瞳孔对托吡卡胺的反应与性别也没有显著差异。原因可能是在阿尔茨海默症诊断研究过程中对性别差异的关注甚小，研究界和公众对这一方面缺少认识和了解。最重要的是大多数关于阿尔茨海默症危险因素的研究都着眼于女性和男性的综合数据，并没有按性别分析数据来确定性别差异中更常见或更有预见性的危险因素。

在样本数量比较少的情况下，扩瞳实验的有效性已经被重复验证了多次。Kardon[12]总结了19篇阿尔茨海默症患者扩瞳实验报告，尽管不同学者的研究结果不尽相同，但只是扩瞳差异程度不同。其原因可能主要取决于正常对照者的入选结果是否严格。至于扩瞳实验的敏感性和特异性能否达到临床应用的水平，以及托吡卡胺溶液的浓度，研究对象的性别能否对扩瞳实验的结果产生影响，还值得深入研究。总之，毋庸置疑的是，扩瞳实验可以作为筛选阿尔茨海默症的诊断方法之一，也可在鉴别阿尔茨海默症与血管型痴呆时作为参考。

1.2 瞳孔闪光反应 扩瞳实验的主要问题就是环境的稳定性比较差，而且由于眼上皮的渗透性，可能导致瞳孔反应的结果差强人意。扩瞳实验的限制促进了更可靠的光学方法的发展，即测量瞳孔的闪光反应。该方法甚至可以区分痴呆的各个阶段的患者，有助于阿尔茨海默症早期诊断的研究。阿尔茨海默症患者的瞳孔对光反射有特异性，Fotiou等[13]人利用瞳孔闪光反应研究抑郁症患者是否存在去肾上腺素和胆碱能缺陷，尽管胆碱能缺陷在抑郁症患者中体现的不是很明显，但是为阿尔茨海默症的诊断研究提供了思路。此后Fotiou等[13]又将瞳孔测量法类比到阿尔茨海默症患者中，通过分析瞳孔收缩开始的等待时间以及最大的瞳孔缩小幅度，发现阿尔茨海默症患者和正常对照组之间瞳孔参数存在显著不同。验证了瞳孔动态特性是一个有用的辅助早期诊断阿尔茨海默症的指标,并且对于痴呆的不同类型有特异性。甚至在患者接受抗胆碱酶的治疗时,这种特异性都可以被检测出。

瞳孔动态特性的研究在国外一直是心理学和生理学研究的一个重要领域。在瞳孔闪光实验中，可以发现很多眼动参数都可以作为阿尔茨海默症的诊断指标，并且对于痴呆的不同类型都具有特异性，例如瞳孔的震荡次数。Fotiou等[13]人对受试者在黑暗条件下每隔20 ms施用一次闪光，记录并分析在此期间瞳孔震荡次数以及震荡的范围。结果表明阿尔茨海默症患者在瞳孔闪光反应期间会发生3到4次的瞳孔震荡，而正常对照组受试者则会发生10次甚至更多的瞳孔震荡。因此可以用光反射期间瞳孔震荡次数来诊断阿尔茨海默症。

瞳孔直径也可以作为阿尔茨海默症早期诊断研究过程中的分析指标。国内研究学者陈盛强等[14]利用瞳孔孔径动态变化测量分析装置，提出定量分析瞳孔对光反应的方法。研究发现，不同年龄组的瞳孔对光反射的瞳孔收缩速率不同，年龄越大越缓慢，收缩时间也不同，年龄越大，时间越长。Vasilios Stergiou等[15]对帕金森病和认知障碍患者施加闪光灯刺激，同时测量瞳孔收缩时间等眼动参数。研究发现无帕金森病患者和存在认知障碍的帕金森患者相比，其瞳孔最大收缩速度和最大收缩加速度明显低于正常受试者。有认知功能障碍和无认知功能障碍的帕金森病患者相比，其瞳孔最大收缩速度、最大收缩加速度和幅值明显低于无认知功能障碍患者。由此可见，眼动参数可成为阿尔茨海默症诊断的研究指标。

在瞳孔光反射期间，几乎所有的眼动参数在阿尔茨海默症患者和正常对照组之间存在显著不同。其中瞳孔最大收缩加速度被证实是将受试者分类为正常或阿尔茨海默症患者的最佳预测因子。Fotiou等[16]测量并报告了瞳孔光反射期间的十个参数，研究结果表明瞳孔最大收缩加速度可以作为区分阿尔茨海默症患者和正常老年人的最佳分类因子，阿尔茨海默症患者的瞳孔最大收缩加速度在瞳孔光反应期间显著降低。瞳孔最大收缩加速度、最大收缩速度以及幅值均可作为分类没有认知障碍的痴呆患者与正常老年人的最佳分类因子。瞳孔最大收缩加速度可以作为区分没有认知障碍的痴呆患者和有认知障碍的痴呆患者的最佳分类因子，有认知障碍的痴呆患者的最大瞳孔收缩加速度显著降低。

在瞳孔光反射期间，瞳孔可以响应白色或者红色的光脉冲而产生直径的变化，可以用来进行阿尔茨海默症的早期诊断。除此之外，由于内在光敏性视网膜神经节细胞的存在，其他较短波长的光脉冲也可以进行阿尔茨海默症的早期诊断。Wioletta Nowak等[17]使用瞳孔光反射波形的特征开发了一套诊断系统，用于预测且诊断阿尔茨海默症。其测量了两种亮度水平下3种颜色光脉冲的瞳孔反应的个性特征。3种光脉冲的颜色分别为红色(635 nm)、蓝色(470 nm)和白色，亮度水平分别为10和100。通过比较，发现阿尔茨海默症患者和正常对照组受试者之间的一些特征存在显著差异，特别是对于100强度蓝光刺激时更明显。至于年龄的差异主要体现在白色光脉冲刺激中，尤其在100强度光刺激时最明显。

阿尔茨海默症患者胆碱能缺陷等病理学上的改变，可以直观的体现在瞳孔光反应期间的各种眼动数据的变化上。目前可以测得的参数有很多，包括光脉冲前瞳孔大小的平均值、瞳孔大小、光脉冲关闭后的瞳孔大小、最小瞳孔直径、瞳孔直径随时间变化的大小、瞳孔收缩速度的最大值、瞳孔收缩加速度的最大值、瞳孔收缩开始的延迟时间、出现瞳孔最小值时的时间等等。通过对这些参数进行处理，可以获得阿尔茨海默症患者与正常对照组数据的差异，进而可以及早预测疾病的发生。

1.3 情景记忆法 情景记忆也是阿尔茨海默症的一种方法，主要观察和记录被试者在自由观看规定图片时，检测目标对象的能力，眼动参数的变化和眼球运动的轨迹，用来判断是否患有阿尔茨海默症。情景记忆衰退是阿尔茨海默症和遗忘型轻度认知障碍的主要临床症状之一，超过了健康衰老能够观察到的下降。瞳孔对自然场景的反应会随着年龄的增长以及阿尔茨海默症状态的严重而减弱，甚至在发病的早期阶段也能表现的十分明显。

为了探究情景记忆法早期预测阿尔茨海默症的有效性，Dragan等[18]对阿尔茨海默症患者的记忆能力进行了研究并观察了患者的瞳孔变化。实验选择一系列自然场景图片，包括野生动物、城市、农村和室内场景，使用Adobe Photoshop修改每个场景的一个对象(场景里的颜色改变或者消失)，并对受试者进行提问，同时跟踪受试者眼睛注视情况和瞳孔直径大小。结果表明以新图像和重复图像作为开始，瞳孔会发生快速的收缩，然后扩张。且年龄较小的成年人在实验期间瞳孔峰值速度高于健康和阿尔茨海默症患者，阿尔茨海默症患者的瞳孔反应速度比健康老年人和轻度认知障碍患者的反应速度低。正常年轻人和老年人相比，重复实验比新实验引起瞳孔更快的反应速度，但是这种规律在轻度认知障碍的患者和阿尔茨海默症患者之间并不成立。总之瞳孔反应的记忆依赖性差异可以将正常老年人、轻度认知障碍患者和阿尔茨海默症区分出来。

情景记忆法中除了观察与瞳孔相关的眼动参数之外，眼跳也被广泛关注。Muriel Boucart等[19]对阿尔茨海默症患者进行了眼动追踪的研究，探究患者是否能准确辨认出含有动物的图片。实验刺激为从数据库中选取的204张自然场景的照片。目标动物包括哺乳动物、爬行动物、昆虫、鸟类、甲壳动物和鱼。干扰图片是房屋、纪念碑、交通工具、鲜花、水果和风景，既不包含动物也不包含人类，实验过程中使用眼动仪记录眼动数据。结果表明，实验组和对照组之间的判断准确性存在显著差异，即使在发病的轻微阶段，也能表现出来。但是两组之间的动眼神经参数没有差异。文中指出虽然大量研究已经报道了衰老对眼球运动的影响，但似乎有些眼动参数受到衰老的影响很小，如眼跳的潜伏期等。

2 问题与展望

阿尔茨海默症患者由于胆碱能缺陷以及其他病理学的改变，导致眼动参数与正常人相比存在显著差异。扩瞳反应、瞳孔光反应以及情景记忆法等方法可以辅助判断阿尔茨海默症，有助于其早期诊断。但是不同的研究团队可能研究方法不一样，导致可能会出现不同的诊断指标和不同的研究结果。因此，提出以下几点展望：首先，在扩瞳实验的研究过程中一般使用托吡卡胺溶液作为刺激，改用其他药品是否能将瞳孔扩张体现的更加明显。其次，瞳孔光反射期间，除了瞳孔相关参数以外，能否加入眨眼频率以及眨眼间隔等其他参数。最后，上述各个实验中涉及的实验对象样本量太小，只能从实验上证明各个指标的有效性。为了将各个方法应用到临床上，尚需扩大研究样本量并统一研究方法以获得一致性结论。总之，与阿尔茨海默症相关的眼动指标有很多个，单一指标一般不足以确定一种疾病，结果甚至与预测方向存在差异，因此多方面、多指标相结合进行诊断尤为重要。

3 结 论

本文总结的与阿尔茨海默症相关的测量眼动参数的方法，是一种简便的方法，与其他技术相比，直观、非侵害且无痛苦。伴随着预防医学在神经科学和精神病学领域的应用，如何在阿尔茨海默症和其他神经疾病的早期，以及怎样运用简单而准确的检测方法发现患者及易患病者，对于减轻疾病负担，显得尤为重要。眼动参数的动态特性检测在神经学的研究领域将成为一个有用的工具。