不同镜片佩戴舒适度下的眼动特征研究*

胡义波，武杰，项华中，樊碧月

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

人类每天通过眼睛获得的信息量占到总信息输入量的80%以上；同时眼睛的状态也反映人的状态，如眼睑间距、注视时长可以反映疲劳状态等。利用高精度眼动仪检测眼动特征已经广泛应用于瞳孔识别、视点追踪等领域；马锦飞等[1]提出根据瞳孔直径(pupil diameter,PD)大小检测驾驶员疲劳程度；尚凯等[2]基于注视点和注视时长检测评价座椅舒适度；王芳等[3]研究荒漠草原地区典型高速公路曲线半径与驾驶员瞳孔直径的关系；Ferrari等[4]提出通过观测瞳孔变化判断糖尿病患者的病变状态。文献[5-12]也利用眼动特征参数进行了很多的科学研究。

当前近视问题已经成为全球关注的重大公共卫生问题，目前约有14.06亿近视患者，约占全球人口的22.9% ,预计到2050年将有47.58亿近视人口，近乎世界人口的49.8%[13-16]。近视患者，特别是发展为高度近视的患者，其脉络膜视网膜异常、黄斑变性等疾病发病的风险也会随之增加，该疾病会引起其他不可逆的视力损伤甚至致盲。眼镜是矫正眼球屈光不正，保护眼睛健康，提高视觉功能的一种特殊的医疗器械。由于每人用眼习惯不同，对眼镜佩戴舒适度的感受也不同，并非在配镜时验光和加工制作准确,就一定佩戴感受舒适[17]。部分人群在佩戴新眼镜时感觉不适，但是描述不清楚，尤其是儿童、老年人等表达能力差的人，医生很难理解患者佩戴的真实感受，以便及时地做出调整。所以找到能够反映佩戴眼镜舒适情况的客观特征参数很有必要。

为此，我们使用眼动仪对招募的受试者采集不同舒适度条件下的眼动数据，并对数据进行处理分析，研究不同镜片佩戴舒适度下的眼动特征，为镜片的个性化定制提供参考。

2 材料与方法

2.1 实验对象

本研究招募20位受试者(9名女性，11名男性)，年龄在20～25岁，屈光度在[-0.75 D，-8.25 D]范围内，无眼部手术史，外眼及眼底检查未见异常，无斜视，全体受试者实验前24h睡眠充足，未服用任何药物，且已了解本实验基本流程。本实验已获取受试者的知情同意。

2.2 实验设备

本实验采用7invensun公司的aSeeGlasses眼镜式眼动仪作为检测装置，见图1；计算机配置为IntelCore i7，RTX1060Ti显卡；根据提前通过综合验光仪获取的受试者验光信息，为每位受试者定制一副符合自身验光参数的测试镜片X，同时为受试者再定制一副眼镜度数不合适的镜片Y，Y镜片度数是在X度数的基础上进行浮动，浮动范围是±200度。共计40副镜片。

图1 aSee Glasses眼动仪

2.3 实验流程

每次实验请一位受试者进入实验室，实验室内有2名实验员。准备阶段：(1)让受试者阅读实验注意事项，填写舒适度问卷表；(2)将眼动仪连接至计算机。

实验阶段：(1)将为该受试者定制的镜片X安装到眼动仪上，受试者在实验员的帮助下佩戴好眼动仪；(2)采用三点校准法，双眼校准评分均大于设定值即可开始；(3)让受试者观看实验室内远处物体，视物距离在4 m以上，实验时长为5 min；(4)让受试者以标准阅读姿态阅读指定内容，视物距离为30 cm，实验时长为5 min；(5)受试者完成后摘下眼动仪，并填写舒适度调查问卷。实验员保存实验数据。(6)更换为受试者验配的测试镜片Y，重复步骤(1)-(5)，不同镜片实验期间给予受试者10 min的休息时间。完成步骤(6)后，让下一位受试者进入实验室进行实验，直至全部受试者实验结束。

2.4 数据处理

最终获得的80份数据中，有2位受试者共8份数据的采样率低于80%，不足以反映受试者的眼动情况，故采用18位受试者的72份眼动数据。根据舒适度调查问卷结果，将72份数据分为四组，每组18份。第一组为舒适状态下的视近距离数据，记为A1；第二组为舒适状态下的视远距离数据，记为A2；第三组为不舒适状态下的视近距离数据，记为B1；第四组为不舒适状态下的视远距离数据，记为B2，每组数据均包含瞳孔直径、注视点坐标、眼跳次数、眼跳幅度等多个眼动参数。针对实验采集到的数据，利用Matlab软件中的箱线图法(Box Plot)筛选数据的上下边界，认定最大边界值和最小边界值范围外的数据为异常数据，将其剔除数据，同时对空白数据进行插值或者删除等操作。

3 结果

3.1 眼动特征

3.1.1瞳孔直径 利用Matlab软件画出A1、A2组的瞳孔直径折线图，见图2；B1、B2的瞳孔直径折线图，见图3。

在图2和图3中，“o”表示视物距离为4 m以上时的瞳孔直径分布，“*”表示视物距离为30 cm左右时的瞳孔直径分布。

图2 舒适条件下瞳孔直径折线图Fig.2 Line chart of pupil diameter under comfortable conditions

由图2可知，舒适条件下视物距离较远(4 m)时的瞳孔直径(A2)明显比视物距离较近(30 cm)时的瞳孔直径(A1)大，平均增幅在19.1%。在全部受试者中有15位符合该特征，占有效实验人数的83.3%。

图3 不舒适条件下瞳孔直径折线图Fig.3 Line chart of pupil diameter under uncomfortable conditions

由图3可知，不舒适条件下，视物距离较远(4 m)时的瞳孔直径(B2)明显比视物距离较近(30 cm)时的瞳孔直径(B1)大，平均增幅在17.6%。在全部受试者中有16位符合该特征，占有效实验人数的88.9%。

受试者在视物距离差别较大时，瞳孔直径将产生明显变化，即当视物距离逐渐由近至远变化时，瞳孔直径逐渐变大。对视物距离较远时的瞳孔直径与较近时的瞳孔直径数据进行配位t检验。

表1 舒适条件下瞳孔直径t检验

表1是A1、A2组中瞳孔直径的配位t检验，结果显示P值为1.09×10-4。P<0.05，故差异有统计学意义。

表2 不舒适条件下瞳孔直径t检验

表2为B1、B2组中瞳孔直径的配位t检验，结果显示P值为0.0124。P<0.05，故差异有统计学意义。

3.1.2注视点 眼睛观看场景在某一点上的停留时间大于100 ms时，或者在两个眼跳动作之间的时间大于100 ms时，称该点为注视点[18]。研究注视点的分布有助于研究受试者的注视习惯。

将受试者注视点数据转换为图形显示，画出受试者在视物距离不同时的注视点的分布，见图4，图中横轴代表注视点的x坐标，单位为px，纵轴代表注视点的y坐标，单位为px。

图4 注视点分布散点图

由图4可知，注视点的分布区域随视物距离的变化具有明显差异。视物距离较远时，注视点的位置在视野域中相对偏上，在图4中用“o”来表示；视物距离较近时，注视点的位置在视野域中相对偏下，在图4中用“+”来表示。整体来看，注视点在视野域的中心位置最为集中。在有效受试者中，有15人的注视点散点图明显有此特征，占比为83.3%。

3.2 舒适与不适情况的眼动特征对比

3.2.1瞳孔直径对比 部分受试者的瞳孔直径数据见表3，当受试者佩戴不舒适的眼镜后，大部分受试者的瞳孔直径值与舒适状态下的瞳孔直径值相比，存在不同程度的减小，即B1、B2中的值小于A1、A2中对应位置的值，减小的幅度平均在20.5%。在有效受试者的36份对比数据中有32份数据符合该规律，占比约为88.9%。

表3 部分瞳孔直径对比

对舒适状态下瞳孔直径数据与不舒适状态下瞳孔直径数据进行配位t检验，以检验数据之间的区分度。

表4 不同舒适条件下瞳孔直径t检验

结果显示P=0.0256。因P<0.05，故差异有统计学意义。

3.2.2眼跳特征 眼跳是指人的视线从一个注视点，过渡到另一个注视点，完成一次这样的过程，称之为一次眼跳。在眼跳过程中，图像在视网膜上移动的速度很快，最高速度达到400～600°/s，故在眼跳过程中，视觉阈值升高，基本不能获得有效的视觉信息，即眼跳时眼睛不能清楚地分辨目标物[19-21]。

部分受试者佩戴舒适眼镜和不舒适眼镜时的眼跳次数数据，见表5。

表5 部分受试者眼跳次数对比

表5为部分受试者的眼跳次数对比，可以发现佩戴的镜片不舒适时，眼跳次数会上升，平均上升幅度为15%。在有效的36份对比数据中，有27份数据符合该规律，占比为75%。

对舒适情况下的眼跳次数与不舒适情况下的眼跳次数进行配位t检验，见表6。

表6 不同舒适条件下眼跳次数t检验

结果显示P=0.0294。因P<0.05，故差异有统计学意义。

4 结论

本研究通过研究佩戴不同镜片的眼动特征，对瞳孔直径、注视点分布、眼跳次数三个眼动参数的处理分析，发现如下规律：(1)随着视物距离的变化，瞳孔直径会发生变化，综合两种状态发现，视物距离较远时的瞳孔直径比视物距离较近时的大，平均增幅在18.3%，发生率为86.1%；(2)注视点分布会随着视物距离的不同而发生变化，即注视点主要分布在视野中心位置，当视物距离较远时，注视点的位置分布在视野的中上部，视物距离较近时，注视点的位置分布在视野的中下部，实验中的发生率达83.3%；(3)当佩戴的眼镜不舒适时，瞳孔直径较舒适情况下减小，实验中平均减小20.5%，发生率为88.9%,且眼跳次数有明显增加，实验中平均上升15%,发生率为75%。

由结果可知，在佩戴不舒适的镜片时，瞳孔直径、眼跳次数发生显著性的改变，表明眼睛在不断地进行调整以适应不舒适的眼镜。因此，医师可以依据这两个指标来判断患者镜片的舒适度。可通过对比患者不戴眼镜(或戴旧眼镜)时和佩戴新眼镜后的瞳孔直径和眼跳次数检测结果，然后进行显著性检验以判断新镜片是否合适，使得配镜过程更加客观。

本研究还存在一定的局限性，如受试者样本量偏少，无法证实舒适程度与眼动参数之间是否存在具体的数量关系等。后续研究将在现有基础上，对以上方面进行改进，增加样本数量，探究舒适度与眼动参数是否存在一定的数量关系。