眼動儀在精神分裂癥診斷方面的發展和研究

晉學松，萬振寬

首都醫科大學附屬北京安定醫院 醫學工程處，北京 100088

引言

精神分裂癥是一種常見的精神科疾病，臨床上表現為癥狀各異的綜合癥，患者在疾病過程中會出現認知功能的損害，病程較長，反復發作給患者及家屬帶來了無盡的痛苦和負擔，因此做好早期的精神分裂癥篩查，對于早期的疾病干預和治療顯得尤為重要。為此無數的科研學者進行過很多生化研究、遺傳研究、電生理研究和免疫學研究，都在尋找和探究診斷精神分裂癥的方法[1]。早在20世紀70年代，國外學者就已經發現精神分裂癥患者眼球運動軌跡與正常人存在差異，并且利用眼動檢測設備對大量的精神疾病患者進行了檢測，對眼球運動軌跡進行了大量深入的研究[2]。相關研究表明，特定條件下的眼球運動軌跡將會是診斷、分析和治療精神疾病生物學指標[3]。眼球運動軌跡可以憑借眼動儀的眼動追蹤技術準確的記錄，并且可以根據眼球的運動軌跡對臨床提供初步指導，是精神科臨床有力的輔助診斷工具[4]。這填補了眾多精神病醫院對精神分裂癥只靠臨床診斷而無實驗室輔助診斷的空白，為精神分裂癥的診斷提供了可靠的依據[5]。

1 眼動儀在臨床檢測精神分裂癥中的研究及發展

眼動設備作為新的有效工具為心理學家利用眼動技術探索人的心理活動提供了新方法[6]。醫用眼動儀通過考察人的眼球運動來研究人的心理活動，通過眼動數據來探討眼動與人的心理活動的關系。隨著科學的發展，技術的進步，更多的科學家投入到眼動儀在精神分裂癥的研究中。另外，在臨床應用上，精神分裂癥診斷用眼動儀也發生了革命性的變化。

1.1 眼電法眼動儀

1979年，Moriya[7]首次報道了精神分裂癥患者存在眼球活動功能障礙，這也標志著近代的眼動儀逐漸在精神疾病的研究中開始應用。Akiyama等[8]利用眼電流記錄法研究被試者在被動注視來回運動著的目標時的眼球活動，眼電流記錄法要求患者眼球和運動著的視標保持一個固定的注視關系，需要一個特殊的跟蹤系統，用來記錄被試者的眼球跟蹤一個緩慢而平穩的視標。研究表明大部分患有精神分裂癥的個體都呈現出了不同程度的平掃途徑障礙，并且發現無論癥狀是否緩解都存在一定程度的功能紊亂，并且精神分裂癥患者存在平滑追蹤能力受損的可能性[1]。

眼電流記錄法是利用眼球運動時角膜和視網膜之間存在的電位差來實現的。角膜對網膜是帶正電的。當眼睛注視前方不動時，基準電位可以穩定的記錄[9]，見圖1。當眼睛在垂直方向上運動時，眼睛上側和下側皮膚間的電位會發生變化，在水平方向上運動時，眼睛左右側的電位差會發生變化。眼電流記錄法實際上是通過向臉上貼電極的方式在眼睛附近皮膚放置的裝置導入電流，通過貼在眼睛四周位置上的電極，可以記錄到視網膜兩側電勢差的變化。再利用得到的電壓時續信號分析眼球的運動，其中通過水平位置上的兩個電極水平電極1和水平電極2差分得到兩個水平通道上的信號。通過垂直位置上的兩個垂直電極3和垂直電極4差分得到兩個水平通道上的信號，見圖2。當眼球轉動時，正負電極相互轉動，形成電勢差，電勢大小隨眼球轉動大小而變化，并且記錄眼球運動時電流的變化。同時眼睛運動情況可以通過電流計或者示波器記錄，并通過后處理方式追蹤眼球活動。

圖1 眼電流記錄法工作原理示意圖

圖2 電極位置示意圖

Holzman[1]雖然首次利用眼動設備研究精神分裂癥，但是此團隊的研究只能被看作是精神分裂癥的特征性生物學指標，因為發現精神分裂癥患者65%呈陽性結果，其一級親屬也有45%陽性，因此難以在臨床診斷中實際應用。雖然電流記錄法在當時的視線跟蹤技術中精度比較高，但是其對受試者的影響比較大。必須患者主動配合才能進行，但是大多數精神疾病患者都在發病時產生抗拒，眼電法雖然快速簡便，但是不夠精確[10]。另外，受試者必須臉上貼電極，不僅感官體驗不好，而且會因頭部動作而干擾眼動記錄。

1.2 角膜反光法眼動儀

由于眼電流記錄法存在的局限性，韓永華團隊創建了一套方法——探索性眼球活動。他們對精神分裂癥患者的眼球活動進行研究時發現，探索性眼球活動可以作為精神分裂癥的生物學標志在臨床診斷時應用[11]。探索性眼球活動主要是觀測被試者在觀看特定圖片時，利用角膜反光法眼動儀記錄眼球運動的軌跡，用來判定精神活動有無異常、是否患有精神疾病[12]。

將依據角膜反光原理制成的眼動儀頭盔安裝在被試者的頭上，當人眼運動時，光線從不同角度照到角膜上，角膜能反射落在它表面上的光線，從而得到不同方向的反射光，這種變化是分析研究眼動特征的一種精確變量[13]。由于角膜反射光線的位置會隨著眼球運動在角膜上改變，所以利用紅外線攝像機來拍攝眼睛運動產生的圖像，可以記錄角膜發射光線位置的改變[14]。利用計算機圖像處理技術實時地得到虛像位置，并加以分析完成視線的跟蹤。角膜反光法眼動儀工作結構示意圖，見圖3。

圖3 角膜反光法眼動儀工作結構示意圖

角膜反光法眼動儀的局限性在于紅外線儀器對檢測結果均有較大影響。在用其檢測時，紅外線照在角膜的球形表面時所反射的光點，不一定能夠準確地反映眼球的運動，會產生反射偽跡，無法辨認。同時，用儀器進行檢查，相當費時費力，檢查一個病人至少需要花費2 h。而且，頭戴頭盔非但不舒服，頭部動作還會干擾眼動記錄。精神病人頭戴頭盔容易產生不良情緒，抗拒檢查。并且穿戴式設備需考慮到其便攜式，傳感器的選擇受到限制，信號常常不能得到足夠準確或直接的接收[15]。

2 眼動儀在臨床檢測精神分裂癥中的應用現狀

目前，各臨床機構廣泛應用的是基于瞳孔-角膜反射向量法的醫用眼動儀，見圖4。它改進了上述兩種眼動儀的缺點，不用佩戴頭盔，系統檢測時與受試者沒有身體接觸，安全性很高，結果更加準確。瞳孔-角膜反射向量法眼動儀首先利用紅外攝像機拍攝眼球運動圖像，隨后經過圖像處理得到瞳孔中心位置[16]。然后把角膜反射點作為眼球和眼攝像機的相對位置的基點，根據計算機圖像處理得出視線向量坐標，從而確定人眼注視點，然后利用計算機軟件技術分析凝視點數NEF，反應探索評分RSS，從而對精神分裂癥進行診斷[17]。

目前，瞳孔-角膜反射向量法的醫用眼動儀在精神科醫院廣泛應用，但是檢測屏幕普遍太小，分辨率不高，限制病人視野[18]。不僅需要語音引導進行治療，還需要精力高度集中，而且容易產生空測。

圖4 瞳孔-角膜反射向量法眼動儀示意圖

3 國內外精神科眼動儀研究進展

近年來，我國研究人員研制了一種高精度桌面式眼動儀，用于精神科輔助診斷[19]。這種桌面式眼動儀系統采用雙屏輸出，攝像機集成了紅外光源及紅外濾光鏡片。采用新的瞳孔中心識別算法，完成注視點的標定。這種桌面式眼動儀測試有效性達到80%，測量精度高，能夠很好地跟蹤和顯示人眼運動，具有較好的實用性。

國外Tobii公司研制的眼動儀可實時呈現被試者在任何真實場景中自由移動時的視線位置，為研究人員提供人類行為的深入、客觀的洞察力。采用完全非侵入式設計以及Tobii的3D眼動追蹤專利技術，利用其先進的眼動追蹤算法，精密的硬件設計和高質量元器件，保證數據的質量和可重現性。這套眼動追蹤系統的準確度和精確度極高，追蹤穩定性強，實現了對各類群體在真實研究環境中的廣泛兼容性。3D眼球模型可提供卓越的視線數據，包括大視角范圍和屏幕的各個角落的高質量數據。被試頭動或光線條件發生變化時，眼動追蹤數據仍然能夠保持相同的準確度、精確度和追蹤穩定性[20]。而且，使用完全穩定的采樣率可以做到將眼動追蹤數據與其他數據源精確同步。

這些新研究的眼動儀雖然實用性很強，卻依舊沒有解決現眼動儀屏幕小、限制病人視野、不能使病人精神高度集中等問題。

4 精神科眼動儀未來設計發展趨勢

隨著科技的發展，虛擬現實技術或許是解決精神科眼動儀這一系列問題的關鍵鑰匙。精神分裂癥患者在檢測眼球運動時，可以利用虛擬環境和傳感器的交互，讓患者產生身臨其境的感覺。并且虛擬現實技術具有良好的互動性、沉浸性和構想性，可以在安全的虛擬環境下，根據使用者自身情況，量身定制不同的檢測方式。

隨著人機界面技術和計算機技術的高速發展，近年來，眼動儀在人機界面設計上受到高度重視。很多研究機構已將虛擬現實技術用于對眼動測量的研究，有效地解決了眼動儀圖像顯示和屏幕小的問題。未來，隨著圖象處理技術的發展和高性能攝像機的出現，可以預測眼動儀將向高實用性、高精度、高便捷性和低成本的方向發展。