儿童视力自动检测系统在婴幼儿视力评价中的初步应用

文静 李晓清 杨必琨 崔锦实 王莉 曹奕雯 崔金玉 武一萍 陈巍 邢杉杉

视锐度是临床实践中最常用的视功能评估指标，对于成人及能够合作的儿童，视力表是使用最广泛的视锐度测量工具。而对于低年龄段认知不足的婴幼儿，临床通常使用基于优先注视法的条栅视力检测卡进行视力评估，或者使用非定量方法。但是条栅视力检测卡（TAC-II,美国Stereo Optical公司）也存在需要由有经验的检测人员进行检测，视力检测结果受到检测人员主观因素影响，检测时间比较长等不足，影响临床上的广泛使用，尤其难于在妇幼保健人员中普及而进行婴幼儿视力筛查。以往，国内外学者曾利用电子计算机开展了不同类型的婴幼儿条栅视力自动化检测的研究探索，但是各检测系统都仅是利用电子屏幕进行条栅的自动展示，对于受检儿童眼动的捕捉仍需要人工观察，或通过监视后台展示的影像，或借助于眼动曲线来完成，没有实现真正的全自动检测。本研究报道的儿童视力自动检测系统（Automated acuity card procedure，AACP）可以实现受检儿童条栅视力的自动化检测，我们将这一系统用于婴幼儿视力检测，再与人工条栅视力卡检测进行比较，探讨该系统临床应用的可行性。

1 对象与方法

1.1 对象

本项目以自愿为原则，收集2018年2月至2021年10 月在北京大学第一医院儿童保健门诊、北京大学第一医院小儿眼科门诊、北京市西城区妇幼保健院、北京市海淀区妇幼保健院的3～6 岁健康儿童33例和5～30月龄健康婴幼儿194例进行研究。纳入标准：①孕周≥37周及＜42周；②出生体质量≥2500 g；③生长发育正常的婴幼儿。排除标准：①有存在先天性疾病、产伤、吸氧史、宫内缺氧史等；②出生后患有影响眼部和视力的全身性及眼部疾病；③母孕期有特殊病史及眼部器质性疾病。本研究遵循赫尔辛基宣言，通过北京大学第一医院医学伦理委员会审查[批号：（2018）科研第（223）号]。研究资料的使用均取得受检者及监护人的知情同意。

1.2 检查设备

1.2.1 AACP AACP主要由液晶显示屏、高清摄像头、数据处理电脑组成。由北京大学第一医院与北京大学信息科学技术学院、心理与认知科学学院共同研制开发（国家发明专利：ZL201510919621.4）。基于北京大学眼动追踪系统（国家发明专利：ZL 201410775791.5）能够识别婴幼儿注视方向的特点，通过液晶显示屏逐级呈现由低至高空间频率的检测条栅（条纹由宽变窄），每个空间频率的检测条栅在屏幕左、右两侧随机出现3次。并在每一级检测条栅之间呈现卡通画面和音乐吸引儿童注意力。高清摄像头摄取被检儿童面孔图像，重点捕捉双眼角膜区域及五官位置信息，通过算法计算眼动方向与条栅显示位置在空间与时间上的一致性，从而自动判断被检儿童对该空间频率条栅是否能识别；出现的3次检测条栅中有2次及以上识别，判断为成功识别，则计算机自动显示下一级更高空间频率的条栅，逐级检测，直至受检儿童不能识别或者完成全部条栅的识别；如果判断为不能识别，则计算机自动显示上一级更低空间频率的条栅，如果判断为成功识别，则该空间频率被判定为受检儿童的条栅视力值。系统自动检测判断的受检儿童可识别的最高空间频率（最小宽度）条栅值，即为被检儿童的条栅视力值。初始条栅的空间频率依据儿童年龄设定匹配，并非从最低空间频率开始，便于在显示较少条栅的情况下完成检测，尽量缩短检测时间。

本系统还研发了手机操作及监测软件，方便操作的同时也能在检查过程中观察被检儿童注视追随的状态。数据处理电脑后台系统有注视跟踪曲线，便于对采集数据的精确度进行进一步判断。

1.2.2 条栅视力检测卡 TAC-II是由美国Stereo-Optical公司生产的条栅视力检测卡，由16张检测卡和1 张灰色Blank卡组成，每张卡长55 cm，宽25 cm，厚约0.5 cm，条栅图案长12 cm，宽12 cm，位于均匀一致的灰色背景一侧，检测板背面有相应空间频率值。共有16个高低不同的空间频率条栅，用于检测出儿童的不同视力值。

1.3 检查步骤

1.3.1 AACP视力评估 检查开始前，首先让被检儿童坐在家长腿上或合适的检查椅上，面对AACP的液晶显示屏，5～30月龄婴幼儿距离为55 cm，3～6岁儿童距离为84 cm，并在测试过程中保持距离不变。液晶显示屏首先播放伴有音乐的卡通画面，吸引被检者的注意力，此时检查者可以通过显示屏上的面孔识别指示标或手机操作及监测软件上的注视监视器，判断被检者是否稳定注视显示屏上的画面。当被检者能够较稳定注视显示屏画面时，进入测试阶段。

测试阶段由AACP自动进行，当判断出被检儿童能够识别的最小宽度条栅时自动停止。测试阶段，检查者可以通过注视监视器观察被检者注视行为，并对本次测试的置信度进行评分。置信度评分为1～5分。测试阶段注视屏幕时间不超过20%代表结果不可信，评为1分。测试阶段注视屏幕时间100%代表结果完全可信，评为5分。置信度评分为4分及以上的检测结果为有效数据。

5～30月龄婴幼儿进行双眼视力的检查。3～6岁儿童先进行双眼视力的检查，然后分别进行右眼、左眼视力的检查。所有检查均由同一检查者进行。

1.3.2 条栅视力检测卡视力评估 被检者坐在家长腿上或合适的检查椅上，面对检查者，双眼距离检测卡平面55 cm（5～30月龄婴幼儿）或84 cm（3～6岁儿童），并在测试过程中保持距离不变。检查者将检测卡置于被检者视野内，卡片中心观察孔与双眼高度平行。检查者吸引被检者的注意力，然后出示1张检测卡，从卡片中心观察孔或卡片上方迅速观察被检者对条栅的追视反应，重复检测2～3次。如果能够明确被检者眼睛稳定追视条栅位置、面部转向条栅方向，手指或口头表达条栅位置等反应2次以上，判断为被检者可以看到这一级条栅，检查者再出示下一级条栅，直至被检者没有明确追视等反应。一般先检测双眼，再检测单眼。受检眼能够识别的最小宽度条栅（最高空间频率），即为该眼的条栅视力。

测试阶段结束后，检查者同样根据被检者的注视行为，对本次测试的置信度进行评分。置信度评分为1～5分。能配合进行注视的时间不超过20%代表结果不可信，评为1 分。全程100%的时间均能配合注视代表结果完全可信，评为5分。置信度评分为4分及以上的检测结果为有效数据。

5～30月龄婴幼儿进行双眼视力的检查。3～6岁儿童先进行双眼视力的检查，然后分别进行右眼、左眼视力的检查。所有检查均由同一检查者进行。2 种视力评估方法按随机顺序进行，第1 种测试结束后被检者休息10 min，再进行第2种测试。2种评估方法由2位检查者分别进行测试，且测试位于不同检查室。

1.4 统计学方法

前瞻性临床研究。使用SPSS 23.0 进行统计学分析。对数据进行正态性检验，不符合正态分布的数据以

M

（

Q

，

Q

）表示，符合正态分布的数据则以表示。应用Wilcoxon符号秩检验进行2种视力间的差异性比较，应用Kruskal-Wallis检验比较不同月龄间的视力差异性。2种检测方法测量的视力数据不符合正态分布，采用Spearman相关分析进行相关性检验（

r＜

0.4相关性较差，0.4≤

r

＜0.7相关性较好，

r

≥0.7相关性较强），采用广义估计方程对单眼视力数据进行进一步相关性分析。采用Bland-Altman图进行2种视力的一致性分析。3～6岁儿童条栅视力数据由条栅视力换算成Snellen视力：即条栅视力F的单位为周/度（Cycles per degree，cpd），l周为l对黑白条纹，1个条纹宽度所对应的视角为可分辨视角。可分辨视角=l/（2×F），Snellen视力=l/视角=条栅视力/30。以

P

＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

33例（66眼）3～6岁儿童进行了双眼视力的检测，AACP及TAC-II的检测结果均为有效数据。其中30例（54眼）儿童完成了2种检测方法的单眼视力检测并得到有效数据。双眼视力检查完成率100%，单眼检查完成率90.0%。5～30月龄婴幼儿194例（388眼），141例（282眼）完成AACP及TAC-II的双眼视力检测并得到有效数据，检查完成率72.7%。

2.2 AACP与TAC-II视力的相关性

3～6岁儿童AACP检测的双眼条栅视力为30.00（22.91，30.00）cpd，Snellen视力为1.00（0.76，1.00）。TAC-II检测的双眼条栅视力为26.00（19.00，38.00）cpd，Snellen视力为0.87（0.63，1.26）。3～6岁儿童AACP检测的单眼条栅视力为30.00（15.27，30.00）cpd，Snellen视力为1.00（0.51，1.00）。TAC-II检测的单眼条栅视力为19.00（13.00，26.00）cpd，Snellen视力为0.63（0.43，0.86）。AACP与TAC-II这2种方法检测双眼视力存在正相关（

r

=0.40，

P

=0.021），单眼视力也存在正相关（

r

=0.55，

P

＜0.001）。广义估计方程显示，在3～6岁儿童中AACP单眼视力与TACII单眼视力存在显著相关（

β

=6.02，

P

＜0.001）。5～30 月龄婴幼儿AACP与TAC-II检测的双眼视力相关性较强（

r

=0.88，

P

＜0.001）（见图1），相关系数高于3～6岁儿童。

2.3 AACP与TAC-II视力的一致性

图1.5～30月龄婴幼儿AACP与TAC-II视力的相关性散点图Figure 1. Correlation scatter plot of AACP acuity and TAC-II acuity in 5-30 months infants.

AACP和TAC-II测量的3～6岁儿童双眼条栅视力和单眼条栅视力的95%一致性界限（Limits of agreement，LoA）分别为-18.30～21.74 cpd、-12.14～24.18 cpd，分别有6.1%（2/33）、1.8%（1/54）的点位于95%LoA外，见图2。

AACP和TAC-II测量的5～30 月龄婴幼儿双眼条栅视力的95%LoA为-10.25～13.84 cpd，范围较3～6岁儿童双眼条栅视力的95%LoA窄，只有9.2%（13/141）的点位于95%LoA外，结果一致性较好（见图3）。

2.4 5～30月龄婴幼儿不同月龄间双眼条栅视力情况

将141例得到有效数据的5～30月龄婴幼儿按月龄分为7组。AACP与TAC-II测量的条栅视力基本一致，不同月龄间AACP视力与TAC-II视力比较差异无统计学意义（均

P

＜0.05），见表1。Spearman相关分析显示，AACP视力与TAC-II视力在各个月龄间均存在明显正相关（

r

=0.82～0.94,均

P

＜0.05），见表1。Kruskal-Wallis检验显示，5～30月龄婴幼儿中不同月龄间AACP视力、TAC-II视力差异有统计学意义（

H

=32.02，

P

＜0.001；

H

=54.96,

P

＜0.001）。婴幼儿的AACP视力和TAC-II视力与月龄增加呈正相关，条栅视力随月龄增长而提高（

r

=0.42，

P

＜0.001；

r

=0.58，

P

＜0.001）。

图2.3～6岁儿童AACP与TAC-II视力一致性的Bland-Altman图A：AACP与TAC-II测量双眼视力一致性的散点图（n=66眼）；B：AACP与TAC-II测量单眼视力一致性的散点图（n=54眼）。实线表示差值的均值，虚线表示95%一致性界限Figure 2. Bland-Altman plot of AACP acuity and TAC-II acuity in 3-6-year-old children.A:Scatter diagram of binocular visual acuity consistency measured by AACP and TAC-II(n=66 eyes).B:Scatter diagram of monocular visual acuity consistency measured by AACP and TAC-II(n=54 eyes).The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% consistency limit.AACP,automated acuity card procedure;TAC,Teller acuity card.

图3.5～30月龄婴幼儿AACP与TAC-II测量双眼视力一致性的Bland-Altman图(n=282眼)实线表示差值的均值，虚线表示95%一致性界限Figure 3. Bland-Altman plot of AACP acuity and TAC-II acuity in 5-30 months infants (n=282 eyes).The solid line represents the mean of the difference,and the dashed line represents the 95% consistency limit.AACP,automated acuity card procedure;TAC,Teller acuity card.

3 讨论

优先注视法（Preferrencial looking，PL）的理论依据是，相对于颜色均匀的空白画面，婴幼儿更喜欢注视有图像的画面。因此，条栅视力检测卡是在均匀一致的灰度卡一侧，设计了1块由黑白条栅组成的方形或圆形图案区域；黑白条栅宽度不同，就构成了1组不同空间频率的视力检测卡。当卡片展示在婴幼儿面前时，婴幼儿会注视条栅一侧，婴幼儿能注视的最小宽度条栅即为他（她）的视力水平。由于条栅视力检测卡使用的局限性，对检测人员技术要求较高，对环境要求也较严苛，检查过程中婴幼儿注意力很容易被周围环境所分散，难于在临床广泛使用，更无法作为筛查工具被妇幼保健人员用于日常筛查婴幼儿视力。

随着计算机技术的发展和应用，既往已有国内外学者将计算机技术与PL法相结合，用于婴幼儿视力检测。以往所报道的条栅视力自动检测系统，仅完成自动屏幕呈现，并未完成眼动注视的自动识别、跟踪和视力值计算，往往停留在实验室研究层面，目前尚未有全自动条栅视力检测系统的研究报道。AACP基于实现全自动检测的思路进行研发，不仅设计了自动显示和自动判断功能，条栅呈现间期自动呈现卡通视标和音乐的设计，能很好地吸引儿童注意力，使被检儿童能够精力集中地快速完成测试。本研究结果显示，3～6岁儿童的双眼视力完成率为100%，5～30月龄婴幼儿的双眼视力完成率也可以达到72.7%。本研究报道的是1次检测的完成率，对于研究过程中状态欠佳、配合度不高的被检婴幼儿，通过选择状态好时再重复检测，也能较好完成。AACP与TAC-II所得到的视力结果差异性小，相关性高。这初步证明该系统可以用于婴幼儿视力评估，有望成为婴幼儿条栅视力自动检测的实用工具。

婴幼儿视力发育在出生后6 个月内非常迅速，在之后的1年里持续增长。本研究显示，不同月龄的AACP和TAC-II视力均存在显著正相关。AACP与TAC-II检测的视力相似，均呈现随年龄增加而逐渐上升的趋势，与既往报道的婴幼儿条栅视力发育情况相一致。本研究显示，2 种检测方法在5～30个月的被检婴幼儿中相关性及一致性更好，优于在3～6岁儿童。这可能与3～6岁儿童视力更高，可以分辨的条栅非常细窄（双眼均在20 cpd以上，单眼在19 cpd以上），高清显示屏幕对高空间频率条栅的呈现受到电子屏幕亮度的影响而使条栅位置可识别度高于纸质检测卡，从而引起检测程序误判率增高有关。国内外对于3～6岁学龄前儿童的视力检查更多的使用Lea Symbols视力表、拥挤Kay图片视力表、儿童图形视力表等符号和图片视锐度测试，对于更低龄婴幼儿则使用TAC条栅视力检测卡。本研究结果也提示AACP作为条栅视力检测系统，可能更适合于低龄婴幼儿的视力评估。本研究中3～6岁儿童样本量相对较少，也可能对结果有一定影响。今后我们将进一步扩大样本量，开展更细致研究，以获得更准确的结论。

综上所述，AACP与TAC-II所得到的婴幼儿视力结果存在正相关。使用AACP可以更简便地进行婴幼儿条栅视力检查，尤其适用于低龄婴幼儿。AACP有望成为适合临床条栅视力评估及婴幼儿视力筛查的实用工具。本研究低龄段婴幼儿仅进行了双眼条栅视力检测，对于低年龄婴幼儿AACP与TAC-II单眼视力的相关性和一致性还需要进一步研究。

表1.5～30月龄婴幼儿不同月龄的双眼条栅视力（cpd）测量结果
Table 1.Grating acuities (cycles per degree) of 5-30 months infants in different ages groups

AACP,automated acuity card procedure;TAC,Teller acuity card.

利益冲突申明

本研究无任何利益冲突

作者贡献声明

文静：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；根据编辑部的修改意见进行修改。李晓清：收集数据，参与选题、设计、资料的分析和解释，修改论文中关键性结果、结论，根据编辑部的修改意见进行核修。杨必琨：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释，根据编辑部的修改意见进行核修。崔锦实、王莉：参与选题、设计和修改论文的结果、结论，对编辑部的修改意见进行核修。曹奕雯、崔金玉、武一萍、陈巍、邢杉杉：收集数据，参与资料分析和解释