青光眼患者眼动的研究进展

董亚彬，王大江

1 解放军总医院第三医学中心 眼科医学部，北京 100039；2 南开大学医学院，天津 300071

青光眼是全球范围内致盲的主要眼病之一，可导致进行性、不可逆的视野丧失[1-2]，从而使患者活动能力受限。眼球运动在人体运动过程中起着非常重要的作用，包括青光眼在内的各种视神经疾病会影响正常的眼球运动[3]。已发表的研究二者关系的文献表明，青光眼患者的眼动和视觉探索行为已经发生改变(如注视时间、扫视频率和幅度等)[3-8]。与正常视力对照者相比，青光眼患者单眼在一个扫视运动中同时提取中心和周边视野信息的能力已经明显降低[9-10]。本文对青光眼和眼动模式的相关理论以及探索二者关系的研究方法和结果进行总结，探究典型和更具概括意义的眼动模式以及可行的补偿模式，并为后期设计青光眼视觉康复训练和应对策略提供基础。

1 青光眼与眼动的关系

1.1眼动及其研究意义 眼球运动包括注视与扫视。注视可以反映个体自发保持凝视一个视觉刺激的能力，从而反映认知控制[11]。扫视是快速的眼球运动(人体可以做出的最快的运动，高速扫视每秒可将视线移动约3次)[12]，可使视觉刺激被注视并成为注意力的目标。眼动在日常活动中的重要性在于，它将眼球注视和注意力引向视觉场景中与任务相关的重要区域，以指导完成后续的动作[13]。同时，眼球运动系统为大脑和行为建立联系提供了一个独特的模型。眼球运动任务具有极强的可改变性，已广泛应用于健康人群中，以研究高级认知过程的大脑基础，如记忆、计划、期望和阅读[11]。

1.2眼动与视野分配、注意力的关系 眼动的结果是连续的眼球运动将视网膜中心凹带到由周边视野选择的位置[14]。对场景中局部(细节)和全局(形式和空间关系)信息的鉴别分别优先由中心视野和周边视野来处理[15]，在功能上，周边视野用于探索场景，而中心视野用于循序分析感兴趣区域[16]。扫视将感兴趣区域从低分辨率的周边视野带入中心凹以进行更仔细的检查[12]，并在下一个注视过程中完成以下两项任务：分析细粒度的中心凹信息以识别对象和细节，并分析粗粒度的周边信息以在感兴趣的竞争区域中选择下一个扫视目标。从扫视向注视转变的过程——视觉固定，即抵抗眼球运动以保持中心凹注视一个静止的视觉刺激的能力，是眼球追踪运动的一部分，是一个主动的过程。它在保持注意力集中和抑制不适当的眼球运动方面起着重要作用[11]，是驱动注意力转移的过程。

1.3青光眼对眼动的影响 青光眼可能从两方面对眼动模式产生影响：一是青光眼导致视野缺损从而引起的眼动代偿改变；二是青光眼本身作为一种神经退行性病变导致眼动改变。

青光眼是保留中心凹视力的典型疾病，进行性视神经病变导致周边视野丧失[17]。在临床中，青光眼患者经常报告视觉搜索任务有困难[18]，可能是因为青光眼患者缺乏可用的周边信息。尽管周边视野分辨率较低，但其提供了关于环境的关键的宽视野信息[19-20]。周边视野提供的粗粒度编码带来了功能上的好处(如更快的阅读速度[21])，并用于引导眼动中的扫视，将目标带入中心凹进行高分辨率检查。在视觉搜索任务中可以重复这样的过程，直到找到所需的目标[14]。

眼球运动的控制涉及广泛的大脑区域网络，从脑干到新皮质[21]。因此，神经退行性过程对眼球运动改变的影响都很明显。Cerulli等[22]发现原发性开角型青光眼(primary open-angle glaucoma，POAG)患者的眼球运动变化甚至从青光眼的最早阶段就已存在，可以谨慎地假设在POAG患者中观察到的眼动模式异常是神经退行性过程的结果，该过程涉及负责视觉处理和控制眼球运动的中央视觉通路。研究表明，青光眼相关的神经退行性变也延伸到视觉系统的中心区域。在晚期青光眼患者中观察到中央视觉通路结构的病变[23]，临床数据表明，青光眼患者的轴突损伤从视神经延伸到后视路，许多研究者也提出POAG可能是仅部分依赖于眼部危险因素的中枢神经系统退行性疾病[24-25]。

2 青光眼患者的异常眼动模式

目前的研究多集中于青光眼患者在不同任务环境下的眼动模式，任务形式主要包括视觉搜索、阅读、驾驶、行走等日常基本活动。

2.1固定头位下的视觉搜索任务与扫视 青光眼已被证明可导致许多日常任务中的障碍。视觉搜索是一项高度动态的任务，可以细分为三个时间阶段[16]：1)起始阶段是试验开始时第一次注视的持续时间，代表处理场景要点的时段；2)随后为扫描阶段，受试者探索场景寻找预先确定的目标对象，该阶段以注视目标对象结束；3)对目标的验证阶段，这是目标识别的最后一个阶段，通常通过注视来完成。David等[16]假设扫描阶段是由探索驱动的，因此主要表现为短注视和长扫视，而验证阶段反映中心凹对精细信息的处理，需要更长的注视和更短的扫视。

Asfaw等[6]在计算机上展示一系列自然景色图片，让双眼均有不同程度视野缺损的青光眼患者分别用单眼进行观察，记录单眼的眼球运动，测量指标包括常规扫视幅度、注视次数、注视持续时间及他们推导出的新指标——扫视反转率(助于理解扫视路径的时间动态)。结果显示，视野缺损更严重眼的扫视幅度降低(-13%，P=0.012)、扫视反转率增加(+16%，P=0.018)，这很可能是青光眼患者视野受限的结果，他们在缺乏周边视野线索的情況下，选择将视线返回至图像中的某些部分重新观察以获得更多信息。增加的扫视反转率可能代表了一种对视野缺损的适应性策略。

Tatham等[26]在对青光眼患者与对照者进行标准自动视野检查和眼动追踪式视野检查对比中，发现青光眼患者的扫视速度明显下降(P=0.009)、扫视精确度降低(P=0.006)，两者均与青光眼视野缺损的严重程度相关；但Crabb等[27]在一组青光眼患者在驾驶员的角度拍摄的交通场景视频中发现危险时的眼动，患者组相比对照组产生更多的扫视(P＜0.001；平均增长的95%CI：9.2% ～ 22.4%)。

Najjar等[28]认为，代偿性眼动行为可能不是导致POAG异常眼动的唯一机制，当视觉目标显示在POAG患者未受损的视野区域时，也会出现过度眼球扫视的情况。为减少视野缺失作为潜在混杂因素对眼动行为的影响，该研究早期未检测到明显青光眼视野丧失的POAG患者的扫视眼动特征，使用红外眼动仪测量视觉引导的水平朝向扫视和反扫视(远离目标、而非看向目标，需要抑制具有优势的扫视反应并产生内源性反应)[11,29]，比较患者组与健康对照组两组间朝向扫视的延迟、平均速度和峰值速度、振幅和反扫视任务中的错误百分比。与对照组相比，在所有振幅的周边视野目标呈现中，POAG患者均表现出扫视平均速度的降低(平均降低35.3°/s，F[1,30]=5.39，P=0.03)、扫视的运动范围不足、幅度降低，以及更多的反扫视错误。

2.2头位不固定的阅读和模拟驾驶任务 阅读是一个融合视觉、词汇语义、语音的复杂过程。必须调整眼球运动，以便以与理解力兼容的速率提取空间分布的视觉数据[30]。Murata等[31]用眼动追踪系统测量受试者每100个字符的阅读持续时间、注视次数和平均注视持续时间，并将其与Humphrey视野检查中的平均偏差和视野指数进行比较。患者组与对照组的对比显示，两组间平均注视持续时间比较，差异有统计学意义(患者组233.4 ms，对照组215.7 ms；P=0.010)，青光眼患者的视野缺损影响阅读表现。

Burton等[32]探讨晚期青光眼视野缺损患者和正常视力人群的感知广度、阅读速度与眼动的关系，在计算机上使用短文本段落测试阅读速度并结合眼动追踪。从实验中绘制和分析扫视路径，以获得“感知跨度”(每次扫视读取的字母总数)和“文本饱和度”(第一次和最后一次注视之间文本行上的距离)。在呈现单个单词的词汇决策任务中，测量另一种称为“扫视频率”(为了阅读单个单词而进行的扫视总数)的眼动度量。结果显示，患者组总扫视次数高于对照组(P=0.04)，两组人群的感知范围与阅读速度之间均表现出显著的线性相关(患者组R2=0.42、P=0.004，对照组R2=0.56、P＜0.001)，青光眼患者在任务期间的扫视频率与阅读速度之间也呈现出线性关联(R2=0.42)，且表现出比对照组更高的平均文本饱和度，这可能是由于持续阅读困难而在阅读过程中显示出更高的文本行饱和度。

Cerulli等[22]选择早、中期原发性开角型青光眼患者与正常视力对照者，使用Microperimeter Nidek MP1进行阅读测试，同时记录沿水平轴和垂直轴的最大(Xmax和Ymax)和最小(Xmin和Ymin)眼球运动值以及平均眼动速度。患者组与对照组的Xmax和Ymax眼球运动值比较，差异有统计学意义(分别为4.75 ± 2.57vs3.38 ± 0.67，P=0.003；4.39 ± 1.43vs3.34 ± 0.52，P＜0.001)。POAG患者的Xmax和Ymax眼球运动值显著增加，这与Burton等研究得出的“平均文本饱和度升高”结论相似。视觉跨度越小，阅读速度越慢，由此我们可以假设，青光眼患者为提高阅读表现补偿性地增加扫视频率和扫视幅度。

关于青光眼患者的驾驶表现，尽管有报道称青光眼患者对危险的检测能力降低[7-33]，但这种影响背后的机制尚不清楚。关于老年青光眼驾驶员眼动的研究结果有限且相互矛盾。

Lee等为探究老年青光眼驾驶员碰撞概率升高的潜在机制，设置了两种实验室测试任务，同时进行眼动追踪。1)危险感知测试包含从驾驶员角度录制的一系列现实交通视频，受试者对视频中出现的道路危险做出响应，评估他们在危险探测任务中的眼动模式和视觉功能指标并测定危险响应时间。与对照组相比，青光眼组受试者的危险响应时间、对危险的首次注视时间有所延迟，扫视范围更小，较大的扫视范围与更快的危险响应相关。由此可推断，青光眼组中更大范围的扫视与更快的危险响应时间之间的关联可能是一种补偿行为。2)Drive Safe(一种旨在预测驾驶适应性的幻灯片识别测试)探索青光眼老年驾驶员与正常视力对照组的视觉搜索行为，该测试简短展示静态的真实世界驾驶场景，受试者在每幅图像中报告道路使用者(行人、自行车、车辆)的类型、位置和行进方向，评价分数是正确报告项目的总数[34]。与对照组相比，青光眼驾驶员的驾驶安全评分明显更差(P=0.03)，对道路使用者的注视时间更短(P＜0.001)，且表现出更小的扫视范围(P=0.02)。对于所有受试者，更长的对道路使用者的注视时间(P＜0.001)是与更好的Drive Safe分数关系最密切的眼动措施，即意味着带来更好的任务表现。

在现实中的封闭道路上，Lee等[7]测试青光眼患者与正常视力对照者的驾驶表现(衡量标准包括避开危险、识别路标、跨车道时间)，通过测量眼球运动，他们发现青光眼组的驾驶评分显著降低(P=0.026)，比对照组表现出更大的扫视幅度(P＜0.001)，且增大的扫视范围能够提高青光眼组的驾驶分数(P=0.001)。这样的关联同样说明眼动模式的改变可能有助于提升驾驶安全性。

以上研究得到的一些共性结论是，视野受损的青光眼患者在单纯依靠眼动(头位固定)进行视觉目标搜索时，趋向于进行频率更小、速度更低、反应时间更长的扫视，导致任务表现普遍弱于正常对照组。这些异常可能表明皮质和皮质下的扫视调节异常，是阈下视觉障碍的基础或广泛的疾病相关性神经退行性变结果[28]。Schuett等[35]将模拟偏盲技术应用于健康受试者，研究在未经指导的阅读或视觉搜索任务中，受试者的眼球运动对这种纯粹的视野缺损的适应是否具有特异性。他们的研究结果证明，这些眼动的可改变性与任务相关，对视野缺损的有效眼动适应具有高度特异性和任务依赖性。

2.3运动状态下的异常眼动模式 在现实生活中行动时，人们需要眼球和(或)头部运动来改变视线。视觉通常负责提供步行过程中所必需的环境信息，以将脚引导到安全位置。精确的脚部放置对于适应不同的地形并避开物体是必不可少的[36]。在有移动障碍的环境中(如有行人)，人们通常会更频繁地看向发生碰撞可能性更高的人，但不需要连续注视这些目标就可避免碰撞，因为成年人和儿童都可只通过间歇性注视就能成功地在混乱的环境中导航，这突出周边视野对导航的重要性[37]。

周边视野的功能之一就是使环境中的物体很容易通过眼球运动被检测到，并且很容易被注视[38]。周边视野缺失会损害人对空间的学习和导航，并可能改变人在视觉上对环境进行采样的方式。Miller等[39]设置实验、测试以下假设：青光眼患者在基于精确度的步行任务中(特别是在双重任务情况下)，注视与脚步放置的时空配合发生变化，并导致脚的放置准确性降低。实验选取青光眼患者和正常视力对照者执行精确的步行任务，在以下3种情况下步行至地面上4个目标的中心：1)仅有步行目标；2)步行的同时倒数来模拟对话；3)步行的同时执行一个视觉搜索任务，以模拟定位地标的任务。实验量化了相对于目标的脚步放置误差和误差变异性，以及配合脚步放置的扫视和注视时间。与对照组相比，青光眼患者在仅有目标和加上倒数任务这两种情况中均提前观察接下来的步行目标，并且在所有情况下都将目光更快地从当前的步行目标移开。与正常人相比，青光眼患者的脚步位置误差增加，脚步位置误差的变异性也增加，在倒数任务下表现尤为明显。

Lajoie等[37]进行相似的实验，并在行走环境中设置一连串不规则间隔的直立障碍物，他们量化注视模式和障碍物接触的数量。结果显示，与对照组相比，青光眼患者的视线更接近自身当前位置，同时将很大比例(在数量和持续时间方面)的注视导向障碍物，但仍有大部分青光眼患者碰到障碍物。多重任务导致两组的注视行为发生变化，且青光眼患者的障碍物触碰大量增加。

以上研究结果表明在运动状态下，青光眼患者趋于进行更多的注视和更少的扫视，注视转移相比正常视力者更提前于肢体移动，注视点更靠近自身等。从更深层面看，青光眼严重了破坏注视-脚位的协调能力，并且在步行过程中需要精确度时导致脚部位置的准确性降低。这可能增加青光眼患者跌倒的风险[32]。青光眼患者在越过一系列障碍时会改变注视方式，并增加发生碰撞的可能性。这种情况下的多任务处理会加剧这些变化[37]。

由于补偿性眼动模式是高度特定的并且与特定任务有内在联系，不同研究的结果与实验具体设计相关，并不能完全反映个体在其他日常活动中的眼动行为。这也可能与纳入患者数量和纳入的青光眼受试者的特征不同有关。因此对青光眼患者的异常眼动模式仍有必要进行更多研究。

3 眼动测量技术的进展

评估青光眼视野损失和潜在补偿策略对现实世界影响的一种方法是评估日常活动中的视觉搜索和扫视，从而更好地理解视觉功能与日常能力之间的联系，并为设计用于改善日常功能的训练策略以及开发用于临床环境的评估工具提供基础[40]。而眼动追踪分析可提供有关外显注意的信息，这也是帮助我们理解日常活动中视觉搜索和扫视行为的关键技术。本文回顾的眼动模式研究中应用多种台式、便携式眼动仪及虚拟现实(virtual reality，VR)联合眼动仪[41]。另外，眼动追踪视野测量也可能有助于检测青光眼，有研究已使用带有检测眼动的视野计和可追踪眼动的VR设备评估视野缺损[42-43]，能提供更好的受试者检测体验，但需更大样本量来分析其敏感度和特异性。

4 结语

由于青光眼患者在日常活动中反映出的行为障碍及青光眼的视野缺损最终可能致盲，因此不同视觉条件的青光眼患者的眼动模式逐渐引起研究者的关注。尽管青光眼与眼动的关联尚无一个广泛适用的确切结论，但随着眼动测量技术的发展及与其他视觉呈现技术的联合，研究与应用前景值得期待。