眼动仪用于儿童听力检测研究进展

季金鑫 杨小虎

目前用于新生儿及儿童听力检测的方法有很多,电生理检测如声导抗、耳声发射、听性脑干反应等不能全面反映听觉系统的功能状况;行为观察测听法包括新生儿摇篮床[1]、浅睡眠状态下的行为观察测听[2]、视觉强化测听法、游戏测听[3]等易受操作人员水平的影响。总体而言,当前针对儿童听力检测方法普遍存在一些问题:一是无法满足双盲检测的需求,测听结果判断容易受到检测人员操作水平及主观判断的影响[4];二是当前听力检测不够精准,部分测试方法结果存在一定的误差[5];三是伪聋人群检测步骤复杂,需要结合多种主客观听力检测。

针对这些问题,近年来,研究者不断尝试将新技术用于儿童听力检测。随着眼动技术的不断发展,眼动仪价格成本大幅降低,便携性和舒适度也逐渐提高,主要针对特殊人群的眼动设备也不断问世[6],眼动仪设备有助于解决听力测试中的上述问题。相关研究尝试将眼动仪用于儿童听力检测,主要利用眼动轨迹和瞳孔直径两个指标。本文对眼动仪用于儿童听力检测的研究进行综述,以加深对此方面的了解。

1 眼动轨迹追踪测听法用于儿童早期听力检测

1.1眼动轨迹追踪用于听力检测的原理 眼动轨迹追踪测听法的基本原理与视觉强化测听法的基本原理一致,都是利用儿童能够根据声音的有无建立条件反射看向不同位置的特性进行听力检测[7];不同点在于视觉强化测听法以儿童转头作为视线转变的指标,而眼动轨迹追踪法以儿童眼动轨迹变化作为视线转变的指标。眼动轨迹指随着人类观察的区域不同瞳孔持续运动的轨迹过程。眼动轨迹追踪需要通过仪器定位瞳孔位置,经过图像处理算法,计算出眼睛注视点的移动过程[8]。目前眼动技术不仅可以测量成人眼动轨迹,也可以成功记录婴儿在游戏或测试中的眼动轨迹变化[9]。

1.2眼动轨迹追踪测听法的基本步骤及相关实验 该方法基本的测试步骤为儿童在非接触式屏幕眼动仪前(图1),在有声刺激时,屏幕前先出现注视点,再出现趣味的动画图像,无声刺激时只出现注视点。在训练阶段,逐步训练儿童在有声刺激时注视指定区域的动画图像,建立条件反射形成特定的眼动轨迹。儿童在训练阶段正确率通过后开始测试。在测试阶段,儿童如果听见声音刺激,动画图像暂时不出现时,仍能保持特定的眼动轨迹;如果儿童无法听到声音刺激,则不会形成该眼动轨迹。用该方法最终测得的听阈图个体间无显著差异,且与成人纯音测听的听力阈值基本一致。但该研究采用的方法对注视时间有明确要求,儿童需要在声音出现的1 500 ms内注视指定的动画区域300 ms以上,如果注视时间不足或者未在规定时间内注视则记为“错过注视”,如果注视了错误的区域记为“错误注视”。

图1 儿童在非接触式屏幕眼动仪前[6]

Schwarz等(2014)对该方法进行改进,采取被试佩戴耳机的方式,将两个动画分别呈现在屏幕两侧,与左右声道声音分别建立联系,结果,由于儿童年龄过小(平均年龄为6.5个月)、训练次数不足、眼动校准困难等原因,导致12名被试中只有2名完成了实验的测听过程,未能形成听阈图。Sullivan等[10]在Schwarz等的方法基础上,更换测听动画,增加训练次数,对平均年龄为8岁的典型发展儿童和高功能自闭症儿童分别进行测听,结果参加实验的所有儿童都能完成测试,为高功能自闭症儿童的测听提供了新方法。

1.3眼动轨迹追踪测听法适用人群 虽然目前有研究以6月龄儿童为被试,但是其总体失败率较高。以往研究也表明,7～8月龄以上的儿童将视觉听觉刺激相联系并预测移动物体出现的能力较好[11],该测听方法理论上适用于7～8月龄以上的儿童。

1.4眼动轨迹追踪测听法的优势 眼动轨迹追踪测听法能够解决行为测听存在的部分问题:一般而言,眼动轨迹追踪测听法较游戏测听和视觉强化测听法的测试时间短,儿童不易产生疲倦反应;其次,在测试过程中不需要测听人员干预,能够减少由于操作导致的误差;此外,采取眼睛注视或凝视点的变化作为指标,能够记录儿童在线加工和收集信息的全部过程,判定指标更为精确。

1.5眼动轨迹追踪测听法存在的问题 该测听方法实行时仍然面临部分问题:首先,在练习阶段要求测试人员对儿童进行适当引导,让儿童在训练阶段将声音与图像建立联系,因此对测试人员的技术仍有一定要求;其次,为了保障儿童的舒适度,目前大部分研究采用非接触屏幕式眼动仪,不需要儿童佩戴眼动测量外部仪器,但是在测试前仍需要儿童配合进行校准,以往针对儿童的眼动实验表明,在眼动校准阶段可能会有较大的失败率。

2 瞳孔直径指标用于听力检测

2.1瞳孔直径用于听力检测的原理 瞳孔是眼动追踪技术中的重要指标之一,现有研究表明,人们在听到声音之后,不仅有扭头、转动瞳孔位置、使自己的耳朵更接近声音源等“显性反应(overt response)”,还有心跳加快、瞳孔直径扩大等“隐形反应(covert response)”[12]。近年来,研究者对豚鼠(哺乳纲,豚鼠科)和仓鸮(鸟纲,草鸮科)进行实验,让动物适应特定强度和频率的声音刺激之后,变换刺激,用瞳孔仪测量动物瞳孔直径在声音刺激变换时有无增大。如果瞳孔直径增大则说明该动物能够听到后面的声音刺激,并且能区分不同于前面的声音刺激,实验结果证明瞳孔直径指标可用于检测动物的听力和频率辨别能力[13,14]。

2.2瞳孔直径指标测听法的基本步骤及相关实验 以瞳孔直径指标测听的实验近年来逐步开始,在实验中通常用眼动仪分别测量被试在安静及有声音刺激状态下的瞳孔大小,然后统计被试在不同声音刺激条件下的瞳孔直径变化。此类研究首先以成年人为被试。Liao等[15]发现成年被试在不同强度的声音刺激下,瞳孔直径会相应规律地变化。

Bala等[16]将传统以按键为基础的纯音测听法与瞳孔测量法进行比较,实验以不同强度的1 000、2 000、4 000、8 000 Hz的纯音作为刺激声,从刺激播放的前一秒开始测量瞳孔变化,至播放后两秒结束。为排除按键对被试瞳孔直径变化的影响,被试需要等待瞳孔测量完成两秒后,再用按键与否表示自己是否听到声音。结果表明当被试听到声音刺激时,瞳孔直径都在250 ms内增大。该实验结果说明,瞳孔直径这一生理指标很可能能够作为检测人类听力的指标(图2)。

图2 瞳孔直径指标测听示意图[17]

Rudling等[17]以言语声和非言语声为刺激材料,对比高自闭症风险和低风险10月龄儿童受到声音刺激后的瞳孔变化,结果证明所有组别儿童在受到各类型声音刺激时相比安静环境下都出现瞳孔扩大,并且高自闭症风险儿童受到非言语声音刺激时瞳孔直径扩大更为明显。该研究说明儿童能够对声音刺激产生规律性的瞳孔反应。

2.3瞳孔直径指标测听法适用人群 目前已有相关研究证明该方法适用于10月龄幼儿以及成年人。此外,以往其他不以听力检测为目的的研究表明,6月龄儿童可以根据声音及图像做出有规律的瞳孔反应[18],所以理论上该方法可以适用于6月龄以上儿童,但是仍需后续研究验证。

2.4瞳孔直径指标测听法的优势 由听音引起的瞳孔变化被试很难主观控制,该方法能够利用听音的被动反应体现整个听觉系统的功能,因此通过该方法能够相对快速有效地检测出伪聋者。此外,瞳孔直径变化不需要被试接受相应训练,因此不易受测试人员的经验影响。

2.5瞳孔直径指标测听法存在的问题 该测听方法面临的一个难题是需要排除各种干扰因素对测听结果产生的影响。听力正常人听到声音后瞳孔直径会扩大,但瞳孔直径扩大不一定是由听音引起的,其可能原因有多种,比如光线变化、认知加工难度增加[19]、情绪变化[20]等多种因素,并且目前部分因素对瞳孔的具体影响仍不明确[21]。相较于成人,儿童的心理生理状态在短时间内更容易有较大变化,准确率可能因此受影响。同时,相关研究还表明由听音引起瞳孔直径变化存在个体差异[22,23],设立统一的临床指标有一定难度。此外,同眼动轨迹追踪测听法一样,瞳孔直径的测量也大多采用非接触屏幕式眼动仪,但是注视位置对瞳孔直径的测量结果有一定影响[24],因此在测试时注视点位置需要保持相对固定,要求儿童保持头部位置相对稳定,因此仍然需要儿童有一定的配合度。

3 总结与展望

总之,眼动轨迹和瞳孔直径指标都可利用眼动仪用于儿童听力检测。眼动轨迹追踪法相对以往行为测听法测试时间较短、儿童注意力在短时间内更容易集中,并且在一定程度上减少了测听人员本身的影响。瞳孔直径指标测听法利用听觉的被动反应,能够体现整个听觉系统的功能,受人为因素影响更小。

目前这两种利用眼动仪检测听力的方法仍处于实验阶段。国外目前运用眼动轨迹追踪测听法针对儿童的实验研究成功率有差异,而国内将眼动运用于听力检测的相关实验很难见到。现有的研究结果表明该方法可能还存在一定不足,但是对于如何改进该方法、提高其有效性尚没有系统性的讨论及研究。当前以瞳孔直径为观察指标的测听方法需要有更多的实验手段检测该方法的有效性。目前尚无临床研究测试这两种方法的成功率,对于眼动仪是否能够大规模用于儿童听力检测仍有待探索。

未来的研究需要基于眼动仪用于听力检测的方法本身的优势和不足,进一步探索有效的任务范式和相关指标。首先,目前国内针对各类人群特点的听力检测研究仍未受到足够关注。下一步的实验首先需要增加被试的数量以及类型。自闭症、唐氏综合症儿童智力发育通常较典型发展儿童迟缓,心理生理状态更不稳定,测试时配合度较差,用传统测听方法能够得到准确听力阈值的时间较晚[25],而这类儿童如有听力障碍未早期检出,会进一步影响其各项智力的发展。眼动轨迹追踪法和瞳孔直径指标测听法对被试配合程度要求相对较低,有可能解决此类儿童的听力测试问题。

另外,有必要对眼动轨迹追踪法、瞳孔直径指标测听法的刺激材料进行探索。目前测听声音主要以纯音为主,可能不利于吸引儿童的注意力。同时,相关实验范式也需要摸索。眼动轨迹追踪法需要探索合理的训练步骤、调整图像刺激的运动轨迹以提高被试测试准确度。瞳孔直径指标的测听步骤设计要注意合理设计任务量,尽量减少听音之外的干扰。

此外,目前专门针对儿童设计的眼动设备较少,而且以国外机构研发为主。不同年龄人群的瞳孔特征有较大差别[26,27],因此适用于各年龄阶段的眼动仪可能会导致儿童实验出现眼部校准困难、测量有一定偏差等问题,企业可以与高校等科研机构合作,研发更适合儿童听力检测的眼动测量仪器,探究出更多有效的评估范式。