眼动仪在精神分裂症诊断方面的发展和研究

晋学松，万振宽

首都医科大学附属北京安定医院 医学工程处，北京 100088

引言

精神分裂症是一种常见的精神科疾病，临床上表现为症状各异的综合症，患者在疾病过程中会出现认知功能的损害，病程较长，反复发作给患者及家属带来了无尽的痛苦和负担，因此做好早期的精神分裂症筛查，对于早期的疾病干预和治疗显得尤为重要。为此无数的科研学者进行过很多生化研究、遗传研究、电生理研究和免疫学研究，都在寻找和探究诊断精神分裂症的方法[1]。早在20世纪70年代，国外学者就已经发现精神分裂症患者眼球运动轨迹与正常人存在差异，并且利用眼动检测设备对大量的精神疾病患者进行了检测，对眼球运动轨迹进行了大量深入的研究[2]。相关研究表明，特定条件下的眼球运动轨迹将会是诊断、分析和治疗精神疾病生物学指标[3]。眼球运动轨迹可以凭借眼动仪的眼动追踪技术准确的记录，并且可以根据眼球的运动轨迹对临床提供初步指导，是精神科临床有力的辅助诊断工具[4]。这填补了众多精神病医院对精神分裂症只靠临床诊断而无实验室辅助诊断的空白，为精神分裂症的诊断提供了可靠的依据[5]。

1 眼动仪在临床检测精神分裂症中的研究及发展

眼动设备作为新的有效工具为心理学家利用眼动技术探索人的心理活动提供了新方法[6]。医用眼动仪通过考察人的眼球运动来研究人的心理活动，通过眼动数据来探讨眼动与人的心理活动的关系。随着科学的发展，技术的进步，更多的科学家投入到眼动仪在精神分裂症的研究中。另外，在临床应用上，精神分裂症诊断用眼动仪也发生了革命性的变化。

1.1 眼电法眼动仪

1979年，Moriya[7]首次报道了精神分裂症患者存在眼球活动功能障碍，这也标志着近代的眼动仪逐渐在精神疾病的研究中开始应用。Akiyama等[8]利用眼电流记录法研究被试者在被动注视来回运动着的目标时的眼球活动，眼电流记录法要求患者眼球和运动着的视标保持一个固定的注视关系，需要一个特殊的跟踪系统，用来记录被试者的眼球跟踪一个缓慢而平稳的视标。研究表明大部分患有精神分裂症的个体都呈现出了不同程度的平扫途径障碍，并且发现无论症状是否缓解都存在一定程度的功能紊乱，并且精神分裂症患者存在平滑追踪能力受损的可能性[1]。

眼电流记录法是利用眼球运动时角膜和视网膜之间存在的电位差来实现的。角膜对网膜是带正电的。当眼睛注视前方不动时，基准电位可以稳定的记录[9]，见图1。当眼睛在垂直方向上运动时，眼睛上侧和下侧皮肤间的电位会发生变化，在水平方向上运动时，眼睛左右侧的电位差会发生变化。眼电流记录法实际上是通过向脸上贴电极的方式在眼睛附近皮肤放置的装置导入电流，通过贴在眼睛四周位置上的电极，可以记录到视网膜两侧电势差的变化。再利用得到的电压时续信号分析眼球的运动，其中通过水平位置上的两个电极水平电极1和水平电极2差分得到两个水平通道上的信号。通过垂直位置上的两个垂直电极3和垂直电极4差分得到两个水平通道上的信号，见图2。当眼球转动时，正负电极相互转动，形成电势差，电势大小随眼球转动大小而变化，并且记录眼球运动时电流的变化。同时眼睛运动情况可以通过电流计或者示波器记录，并通过后处理方式追踪眼球活动。

图1 眼电流记录法工作原理示意图

图2 电极位置示意图

Holzman[1]虽然首次利用眼动设备研究精神分裂症，但是此团队的研究只能被看作是精神分裂症的特征性生物学指标，因为发现精神分裂症患者65%呈阳性结果，其一级亲属也有45%阳性，因此难以在临床诊断中实际应用。虽然电流记录法在当时的视线跟踪技术中精度比较高，但是其对受试者的影响比较大。必须患者主动配合才能进行，但是大多数精神疾病患者都在发病时产生抗拒，眼电法虽然快速简便，但是不够精确[10]。另外，受试者必须脸上贴电极，不仅感官体验不好，而且会因头部动作而干扰眼动记录。

1.2 角膜反光法眼动仪

由于眼电流记录法存在的局限性，韩永华团队创建了一套方法——探索性眼球活动。他们对精神分裂症患者的眼球活动进行研究时发现，探索性眼球活动可以作为精神分裂症的生物学标志在临床诊断时应用[11]。探索性眼球活动主要是观测被试者在观看特定图片时，利用角膜反光法眼动仪记录眼球运动的轨迹，用来判定精神活动有无异常、是否患有精神疾病[12]。

将依据角膜反光原理制成的眼动仪头盔安装在被试者的头上，当人眼运动时，光线从不同角度照到角膜上，角膜能反射落在它表面上的光线，从而得到不同方向的反射光，这种变化是分析研究眼动特征的一种精确变量[13]。由于角膜反射光线的位置会随着眼球运动在角膜上改变，所以利用红外线摄像机来拍摄眼睛运动产生的图像，可以记录角膜发射光线位置的改变[14]。利用计算机图像处理技术实时地得到虚像位置，并加以分析完成视线的跟踪。角膜反光法眼动仪工作结构示意图，见图3。

图3 角膜反光法眼动仪工作结构示意图

角膜反光法眼动仪的局限性在于红外线仪器对检测结果均有较大影响。在用其检测时，红外线照在角膜的球形表面时所反射的光点，不一定能够准确地反映眼球的运动，会产生反射伪迹，无法辨认。同时，用仪器进行检查，相当费时费力，检查一个病人至少需要花费2 h。而且，头戴头盔非但不舒服，头部动作还会干扰眼动记录。精神病人头戴头盔容易产生不良情绪，抗拒检查。并且穿戴式设备需考虑到其便携式，传感器的选择受到限制，信号常常不能得到足够准确或直接的接收[15]。

2 眼动仪在临床检测精神分裂症中的应用现状

目前，各临床机构广泛应用的是基于瞳孔-角膜反射向量法的医用眼动仪，见图4。它改进了上述两种眼动仪的缺点，不用佩戴头盔，系统检测时与受试者没有身体接触，安全性很高，结果更加准确。瞳孔-角膜反射向量法眼动仪首先利用红外摄像机拍摄眼球运动图像，随后经过图像处理得到瞳孔中心位置[16]。然后把角膜反射点作为眼球和眼摄像机的相对位置的基点，根据计算机图像处理得出视线向量坐标，从而确定人眼注视点，然后利用计算机软件技术分析凝视点数NEF，反应探索评分RSS，从而对精神分裂症进行诊断[17]。

目前，瞳孔-角膜反射向量法的医用眼动仪在精神科医院广泛应用，但是检测屏幕普遍太小，分辨率不高，限制病人视野[18]。不仅需要语音引导进行治疗，还需要精力高度集中，而且容易产生空测。

图4 瞳孔-角膜反射向量法眼动仪示意图

3 国内外精神科眼动仪研究进展

近年来，我国研究人员研制了一种高精度桌面式眼动仪，用于精神科辅助诊断[19]。这种桌面式眼动仪系统采用双屏输出，摄像机集成了红外光源及红外滤光镜片。采用新的瞳孔中心识别算法，完成注视点的标定。这种桌面式眼动仪测试有效性达到80%，测量精度高，能够很好地跟踪和显示人眼运动，具有较好的实用性。

国外Tobii公司研制的眼动仪可实时呈现被试者在任何真实场景中自由移动时的视线位置，为研究人员提供人类行为的深入、客观的洞察力。采用完全非侵入式设计以及Tobii的3D眼动追踪专利技术，利用其先进的眼动追踪算法，精密的硬件设计和高质量元器件，保证数据的质量和可重现性。这套眼动追踪系统的准确度和精确度极高，追踪稳定性强，实现了对各类群体在真实研究环境中的广泛兼容性。3D眼球模型可提供卓越的视线数据，包括大视角范围和屏幕的各个角落的高质量数据。被试头动或光线条件发生变化时，眼动追踪数据仍然能够保持相同的准确度、精确度和追踪稳定性[20]。而且，使用完全稳定的采样率可以做到将眼动追踪数据与其他数据源精确同步。

这些新研究的眼动仪虽然实用性很强，却依旧没有解决现眼动仪屏幕小、限制病人视野、不能使病人精神高度集中等问题。

4 精神科眼动仪未来设计发展趋势

随着科技的发展，虚拟现实技术或许是解决精神科眼动仪这一系列问题的关键钥匙。精神分裂症患者在检测眼球运动时，可以利用虚拟环境和传感器的交互，让患者产生身临其境的感觉。并且虚拟现实技术具有良好的互动性、沉浸性和构想性，可以在安全的虚拟环境下，根据使用者自身情况，量身定制不同的检测方式。

随着人机界面技术和计算机技术的高速发展，近年来，眼动仪在人机界面设计上受到高度重视。很多研究机构已将虚拟现实技术用于对眼动测量的研究，有效地解决了眼动仪图像显示和屏幕小的问题。未来，随着图象处理技术的发展和高性能摄像机的出现，可以预测眼动仪将向高实用性、高精度、高便捷性和低成本的方向发展。