光學成像模糊對微掃視性眼球運動影響的研究*

史學鋒 王 婷 許麗敏 趙堪興

既往關于異常視覺經驗對視覺感知系統的響應特性及其功能發育的影響的研究較為廣泛，很少關注其對眼球運動系統的影響。然而，視覺感知系統與眼球運動系統是相輔相成、相互作用的[1]。近年來，新的無創性眼球運動追蹤技術的出現使得人們對一種特殊的眼球運動形式—微掃視（microsac?cade）產生研究興趣[2]。本研究應用高速眼球運動記錄系統對正常屈光成像條件和光學成像模糊條件下人眼微掃視性眼球運動的行為學差異進行比較，以期探討異常視覺經驗對微掃視性眼球運動的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象 2011年1月—3月在天津市眼科醫院就診的屈光矯正正常或無屈光不正的受試者13例，男6例，女7例，年齡7～11歲，平均8.2歲。所有受試者均排除可能存在的眼部疾病，如青光眼、白內障、視網膜疾病、視神經與視路疾病等。所有受試者或其監護人均簽署本院倫理委員會批準的知情同意書，理解此項無創性實驗研究的目的和意義。根據眼別及測試條件分成4組：正常屈光成像狀態下主導眼為Nd組，非主導眼為Nn組，增戴-3.00 D鏡片條件下主導眼為Bd組，非主導眼為Bn組。

1.2 研究方法

1.2.1 眼球運動記錄 所有受試者均在一間嚴格安靜、光線均勻、亮度較暗的測試室內接受實驗檢查，室內避免視覺干擾對象的出現。受試者能夠舒適地坐于設備前，將其頭部盡可能保持不動地放置在一個下頜托上。遇不能配合的受試者，則放棄此項測試。受試者雙眼離正前方投影顯示視標的距離為2.0 m。采用Eyelink-2000高速眼球運動記錄系統（加拿大SR Research公司）進行眼球運動波形的記錄，其時間分辨率為0.5 ms或1 ms，空間分辨率為0.01°。數據的采集通過EB軟件（加拿大SR Research公司）建立的程序來實現。記錄完成后得到的EDF格式數據經轉換成ASCII格式文件后導入Matlab（美國MathWorks公司）進行離線分析處理。

1.2.2 視覺刺激任務 令受試者注視眼前屏幕中央一個直徑為0.15°視角的亮點。所有測試均在單眼注視條件下進行，即測試時擋住未被測試眼。受試者能夠注視目標時令其自行按下啟動鍵開始每一次測試。每次測試前均需進行記錄系統的校準與驗證，通過者方能開始記錄。記錄持續6 s，此過程中受試者應能穩定保持注視。如出現任何的注視轉移，此次測試記錄將被舍棄。每只受試眼必須接受6次以上測試方能結束任務。所有受試者每只眼分別在兩種成像狀態下接受上述測試：（1）正常屈光成像狀態：無屈光不正者裸眼測試，屈光不正者戴最佳矯正眼鏡測試。（2）成像模糊狀態：在正常屈光狀態基礎上加戴-3.00D鏡片進行測試。

1.2.3 微掃視甄別與分析 采用Matlab編寫的一個微掃視自動甄別程序進行微掃視事件的判別和分析，該程序的核心邏輯參照文獻[3]并進行了適當調整以達到最佳甄別效果，即同時滿足以下條件：（1）眼球運動的角速度超過速度概率分布的6個標準差。（2）事件的時程超過12 ms。（3）相鄰事件間隔時間超過20 ms以防止將可能出現的掃視后超射當做一次新的微掃視。如一次測試中存在超過3°視角的掃視或眼球運動記錄過程中因眨眼等因素導致部分數據丟失，則舍棄該次測試的數據。經過以上數據甄別與篩選后，再對該測試眼的微掃視數據集進行主序列分析，見圖1。以進一步保證所甄別的微掃視事件的正確性。程序分析獲得的基本數據包括微掃視幅度、峰值速度、發生頻率及微掃視間隔時間等。

1.3 統計學處理 采用Origin 8.0統計軟件及Matlab 2008統計學工具包對研究數據進行分析。所有計量資料進行正態性檢驗及方差齊性檢驗，多組間比較采用單因素方差分析和Turkey檢驗，如不滿足正態分布或方差不齊采用Krus?kal-Wallis法以及Nemenyi法檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 微掃視性眼球運動的基本特征 微掃視性眼球運動為注視性眼球運動中幅度最大、速度最快的類型，偶見微掃視終止后的超射現象，見圖2。

2.2 微掃視幅度與峰值速度 各組間平均微掃視幅度差異無統計學意義（P>0.05），Bd組、Bn組峰值速度較Nd組、Nn組顯著性降低（P<0.01），Bd組與Bn組、Nd組與Nn組峰值速度比較差異無統計學意義（P>0.05），見表1。

2.3 微掃視發生頻率 Bd組、Bn組微掃視發生頻率較Nd組、Nn組明顯下降（P<0.01），Bd組與Bn組、Nd組與Nn組微掃視發生頻率比較差異無統計學意義（P>0.05），見表1。

2.4 微掃視間隔時間 各組微掃視性眼球運動間隔時間比較，Bd組、Bn組較Nd組、Nn組明顯延長（P<0.01），Bd組與Bn組、Nd組與Nn組微掃視間隔時間比較差異無統計學意義（P>0.05），見表1。

表1 各組程序分析獲得基本數據的比較 （ ±s）

表1 各組程序分析獲得基本數據的比較 （ ±s）

**P<0.01

Nd組（1）Nn組（2）Bd組（3）Bn組（4）F q（1）∶（2）（1）∶（3）（1）∶（4）（2）∶（3）（2）∶（4）（3）∶（4）13 13 13 13幅度（°）0.56±0.03 0.56±0.05 0.53±0.06 0.55±0.06 0.83 0.04 1.93 0.44 1.90 0.40 1.50峰值速度（°/s）74.10±6.97 74.60±1.80 54.78±3.60 54.90±5.06 73.04**0.38 14.65**14.56**15.03**14.94**0.09發生頻率（1/s）1.83±0.04 1.84±0.08 1.57±0.05 1.57±0.05 84.33**0.78 15.59**15.42**16.37**16.20**0.16微掃視間隔時間（ms）473.51±24.98 458.12±21.49 562.29±10.75 558.74±20.70 96.70**2.75 15.86**18.61**15.22**17.97**0.63組別 n

3 討論

人眼對外界事物的感知首先依賴于注視，但注視并非是靜止的，而是始終保持著微小的肉眼難以分辨的運動狀態。注視性眼球運動包括微掃視、漂移與顫動，其中微掃視是注視過程中幅度最大、速度最快的一種眼球運動形式[4]。對該種眼球運動的研究依賴于精細化的眼球運動測量手段以及對細微眼球運動變化的自動甄別技術[2，5]。近10年科學技術發展使得以上研究瓶頸獲得解決[6]。本研究采用了目前世界上最高采樣速率（可高達2 000 Hz）的眼球運動采集系統對正常屈光成像和光學成像模糊條件下人眼微掃視性眼球運動的行為學差異進行了比較，發現成像模糊導致微掃視的各項特征參數發生改變。

既往研究表明，微掃視幅度和峰值速度呈直線正相關關系，此為主序列分析的基礎。Keith等[7]研究提出微掃視幅度控制信號來源于上丘和額視區，其信號具有視網膜拓撲分布特征，而微掃視速度控制信號來源于網狀核神經元。網狀核視覺區域的神經元也具有精確的視網膜拓撲代表特征。不同來源的控制信號可能最終通過動眼神經核團實現信號整合，并以脈沖寬度的形式決定微掃視幅度和峰值速度。本研究發現正常屈光成像狀態和光學成像模糊狀態下微掃視平均幅度無明顯差異，而光學成像模糊引起微掃視峰值速度的降低，提示光學成像模糊可能只影響眼球運動速度控制信號中樞神經元的活動，而對上丘及額視區可能不造成影響。

本研究發現，和正常成像條件相比成像模糊造成微掃視發生頻率降低。這和既往研究在弱視眼上發現微掃視抑制現象類似，表明視覺感知對比度的降低可能是造成微掃視發生頻率降低的原因，而視皮層功能及結構性異常并非必要條件。神經心理學研究表明，微掃視具有拮抗持續注視造成的視知覺消退的作用，反之，視知覺的消退易誘發更多的微掃視的發生，但也有研究不支持這一觀點[8]。本研究認為，視覺質量降低與視知覺消退現象不同，后者可能反饋性促進視覺注意的水平，而前者則可能降低視覺注意的水平，進而調節微掃視發生頻率[8]。此外，本研究還發現和正常成像條件相比，成像模糊造成微掃視間隔時間的延長，這也是造成后者微掃視發生頻率降低的原因之一。

綜上，異常屈光成像狀態可影響人眼微掃視性眼球運動的行為，表現為發生頻率降低、微掃視間隔時間延長及峰值速度減低。高速眼球運動記錄可作為評價視覺質量、研究視覺感知與眼球運動行為之間的關系的重要工具。

[1]CollewijnH,KowlerE.The significance of microsaccades for vision and oculomotor control[J].J Vis,2008,8(14):20.1-21.

[2]Rolfs M.Microsaccades:small steps on a long way[J].Vision Res,2009,49(20):2415-2441.

[3]Engbert R,Mergenthaler K.Microsaccades are triggered by low retinalim?ageslip[J].Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(18):7192-7197.

[4]Rolfs M,Kliegl R,Engbert R.Toward a model of microsaccade genera?tion:the case of microsaccadic inhibition[J].JVis,2008,8(11):5.1-23.

[5]Otero-Millan J,Troncoso XG,Macknik SL,et al.Saccades and micro?saccades during visual fixation,exploration,and search:foundations for a common saccadic generator[J].JVis,2008,8(14):21.1-18.

[6]Troncoso XG,Macknik SL,Martinez-CondeS.Microsaccades counter?act perceptual filling-in[J].JVis,2008,8(14):15.1-9.

[7]Keith GP,Blohm G,Crawford JD.Influence of saccade efference copy on the spatiotemporal properties of remapping:a neural network study[J].J Neurophysiol,2010,103(1):117-139.

[8]Poletti M,Rucci M.Eye movements under various conditions of image fading[J].J Vis,2010,10(3):6.1-18.