指向式背光顯示視力篩查系統的應用研究

鄭 民，李瑞莊，鄧冬巖，張秋麗，李佼洋，王嘉輝*

（1.湛江幼兒師范專科學校（嶺南師范學院基礎教育學院），廣東 湛江 524084；2.中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275；3.廣東眼科大學附屬醫院，廣東 湛江 524000；4.廣州市彌德科技有限公司，廣東 廣州 510285）

0 引言

青少年近視是我國重要的醫療和社會問題，對兒童青少年身體健康以及社會可持續發展構成威脅。據世界衛生組織統計，我國目前有約6 億人患有近視，而青少年由于課內外負擔壓力重、過早接觸電子產品、缺乏鍛煉等因素，患者總數在2 億人以上，占近視人群的多數[1]。其中，小學、初中、高中的青少年近視比例分別為35.6%、71.1%、80.5%，總比例為52.7%，其年增長率在8%以上[2]。如不及早進行視力篩查和干預治療，近視將逐步發展為高度近視，進而引發如白內障、視網膜脫離及青光眼等多種嚴重并發癥，是不容忽視、需重點防治的致盲性眼病[3]。

農村青少年的近視比例雖然較城鎮青少年低，但是農村地區，尤其是欠發達地區的醫療資源少，具有從業資格的驗光師與實際需求群體人數相比，缺口明顯高于城鎮。因此，在農村開展視力篩查，對青少年近視防控具有重要的意義。而克服合格驗光師和眼科醫生稀缺困難，完成對農村青少年人口進行全面的視力篩查，則成為亟待解決的問題。

針對農村青少年視力篩查難的問題，本文提出一種基于指向式背光電視機的無人化視力篩查系統，可以在無驗光師和眼科醫生在場輔助的情況下，完成對青少年的視力篩查，保存視力數據并返回位于城鎮的眼科醫生，以便為近視青少年提供干預治療方案。

1 指向式背光顯示

指向式背光顯示是裸眼3D 顯示技術的一個重要分支，與視障光柵技術、柱透鏡陣列技術等傳統裸眼3D 顯示技術相比，它具有清晰度高、串擾率小等特點，因此視覺較其他裸眼3D 顯示更舒適，有望成為未來裸眼3D 顯示的主流技術方案。

指向式背光顯示系統包括高幀率液晶屏幕、直下式背光源陣列和菲涅爾透鏡陣列，其中背光源陣列分為左眼背光單元和右眼背光單元，采用立體圖像對在時間和空間雙通道分離的方式工作，其工作原理如圖1 所示。工作時，對應觀眾左、右眼的立體圖像對左、右眼幀在屏幕上依次播放。播放左眼幀時，背光源選擇左眼背光單元（圖1 中綠色部分）打開而右眼背光單元關閉，此時背光光線通過菲涅爾透鏡陣列在屏幕前方匯聚為左眼視區；播放右眼幀時，背光源則反相選擇打開右眼背光單元（圖1中紅色部分）而關閉左眼背光單元，此時背光光線通過菲涅爾透鏡陣列在屏幕前方匯聚為右眼視區。當觀眾雙眼分別位于對應視區時，即可看到立體圖像對。由于屏幕刷新率為120 f·s-1，因此雙眼看到的左、右幀在視覺上是連續的，并能在大腦中融像形成立體感[4]。

圖1 指向光源3D 顯示技術原理圖

根據指向式背光顯示的工作原理可知，左右眼幀因為在時間上的分離，所以每幀圖像的分辨率均與屏幕物理分辨率一致，能為觀眾提供清晰度高的畫面，與視力表的空間角分辨要求匹配，適用于視力篩查。另外，左右眼圖像在空間上的分離，可以使觀眾的左右眼看到不同的圖像，通過具體圖像的設計，也能與視力篩查的單眼視力檢查和雙眼立體視能力檢查匹配。故本文選擇指向式背光電視機為青少年視力篩查的顯示平臺。

2 視力篩查原理

視力篩查是指通過裸眼篩查以及屈光篩查辨識青少年視力情況，并將視力數據自動填入系統進行分析的一種視力檢查手段。現階段，我國的兒童視力篩查實際上是屈光不正的篩查。屈光不正包括遠視、近視及散光。兒童青少年時期異常高的屈光不正或雙眼屈光度不等（屈光參差）是弱視、斜視的風險因素，視力篩查可能發現這些因素，并通過到正規醫院檢查確診，及早矯正以期預防或治療弱視、斜視。

目前，代表性的視力篩查儀器有美國偉倫SureSight 視力篩選儀，它能快速篩查被測試對象的屈光信息，并具有便攜性的優勢。然而，青少年的視力問題不僅局限在近視、遠視及散光等屈光問題，還包括色盲、立體視及雙眼抑制等問題，因此對青少年的視力篩查應擴展至上述項目，以獲取被測試對象完整、全面的視力信息，以便開展預防和早期干預。下面將講述視力、色盲、立體視及雙眼抑制這4 個項目在指向式背光電視機上的測試原理。

2.1 視力測試

視力是視力篩查必定測試的項目，也是最重要的視力水平指標。視力一般指裸眼視力，反映被測試對象裸眼能分辨的最小視角。實際檢查中，常以視力表測量視網膜黃斑區中心凹的視敏度（即中心視力）。視力測試通過簡單快速的測試手段，可以直觀掌握被篩查者的初步視力情況[2]。

視力表根據視角原理設計，繪制具有不同空間精細結構的一系列監測圖像。通過判斷被篩查者單眼能分辨的最小開口特征結構來量化描述視力。本文選用國際標準遠視力表為對象，并相應地繪制了“E”字符為視標的立體圖像對，如圖2 所示。由于指向式背光技術可以在不同視區內顯示分屬左、右眼的不同畫面，因此可以將立體圖像對設置為單眼具有視標的圖像。具體而言，就是將左眼（或右眼）幀畫面中間繪制視標，而右眼（或左眼）幀畫面為留白。此時，可測量被篩查者的左眼（或右眼）視力。結束該眼測試后，再將立體圖像對的左、右眼幀對換，完成另外一眼的視力測試。

圖2 視力測試使用的立體圖像對

國際標準遠視力表根據視力讀數，設定視標“E”的筆畫寬度和缺口寬度，并以等差步長改變上述兩種寬度，形成一系列不同特征尺寸的視標。實驗中，本文所設計的視力篩查系統（后簡稱“本系統”）以5 分制視力表為標準，繪制視力讀數從3.5至5.3 的視標。當被篩查者左眼（或右眼）裸眼可準確分辨視標時，則認為視力達到該讀數。在5 分制視力表中，視力讀數高于等于4.9 為正常視力。

2.2 色盲測試

色盲也是視力篩查的常見項目。色盲癥又稱為道爾頓癥，按發病時間可分為先天和后天兩類，其表現癥狀均為雙眼視功能正常但不能分辨可見光中全部或者部分波段對應的顏色。其中先天性色盲患者男多于女（男性發病率為5%～8%，而女性約為0.2%）。色盲會對患者的生活、工作產生顯著的不良影響，如色盲患者不能考取駕照，學習不能報讀某些專業等。

本文將紙質測試手冊（色盲本）上的假同色圖制作為數字圖像，進行色盲測試。假同色圖是由兩組非規則小色塊組成的圖片，如圖3 所示。這兩組小色塊的組內色相一致或接近，飽和度有差異，但組間色相相反（形成對比色），因此其中一組作為背景，而另一組則用于表達隱藏的信息（如字符、簡單圖案等）。如果被篩查者能在背景中讀取異色的信息，則認為該被篩查者色覺正常；反之，則根據被篩查者對隱藏異色信息的判讀失誤情況，判定其為色盲或者色弱。由于在色盲本檢測中，被篩查者均使用雙眼觀看，因此，本系統在制作色盲測試圖像時，將立體圖像對的左、右眼幀做成一致、無視差的圖案，令被篩查者可以在平面顯示狀態下完成色盲測試。

圖3 色盲測試使用的假同色圖

2.3 立體視

立體視覺（又稱深度視覺）是人們通過視覺感知對象、環境的視覺深度的能力，有助于人們判斷距離、掌握對象間的相互位置。立體視障礙（即立體盲）將影響患者的空間定位能力，造成生活、工作、運動的困擾。例如，飛機駕駛員、汽車駕駛員、輪船駕駛員、運動員、精密機械的操作者與制造者、外科手術醫生等，都對立體視能力有所要求，因此立體盲患者在就業上會受到影響。立體視一般在6 歲前就會發育完成，如果期間出現雙眼屈光不同、黃斑異位、視覺剝奪等病癥，或者后天因車禍等原因，皆有可能導致立體盲。目前，立體盲是一種容易被忽略（常規的視力篩查并不進行該項目測試），但是潛在危害比夜盲、色盲更高的眼科疾病，在我國的發病率接近2.6%。因此，在青少年視力篩查中加入立體視測試是有必要的。

為全面了解青少年的視力情況，本文將立體視測試加入青少年視力篩查系統，并采用隨機散點圖（RDS）作為測試手段[5]。RDS 圖指的是兩幅立體圖像對，左右眼所看到的單張圖像都是由貌似隨機、但隱含信息的散點組成，如圖4（a）和圖4（b）所示。使用單眼觀看RDS 圖是無法提取隱藏在散點中的圖案（一般是簡單的幾何輪廓形狀）的，但是當使用雙眼觀看時，在雙目視差作用下，可以從散點背景中分割、提取出隱藏的圖案，如圖4（c）所示的效果。在測試中，讓被篩查者觀看不同視差的RDS 圖，記錄其能分辨的最小視差，當被篩查者能分辨的最小視差小于等于100″（在本系統中對應的參數數值為571）時，認為該被篩查者立體視正常；反之，則認為其立體視異常。

圖4 立體視測試用RDS 圖

2.4 雙眼平衡測試

視力是對單眼視功能的量化評價，而雙眼觀看物體或場景時，則調用了雙眼協調的高級功能[6]。正常情況下，通過雙眼觀察，能讓觀察對象在雙眼視網膜上成像，并將視網膜反應的信號傳導至大腦皮層視中樞重疊，還原為具有深度信息的形象和場景，這稱為同時視。但是當雙眼視力（含矯正視力）差距過大時，為避免復視和視覺紊亂，大腦會抑制其中一眼，僅使另一眼的成像被感知，這稱為單眼抑制。當抑制眼發生交替時，則是交替抑制。當雙眼不能將觀察對象融合為一個像時，則會出現復視、混淆視或斜視問題。因此，雙眼平衡也是衡量視力水平的重要指標，條件允許的情況下應納入視力篩查范疇。

有鑒于此，本系統設計了如圖5（a）和圖5（b）所示的圖案，供雙眼平衡測試使用。當被篩查者雙眼視功能正常，因為左、右眼幀是定向傳輸至對應眼并融像的，所以被篩查者能看見如圖5（c）的視覺效果；但是存在單眼抑制時，被篩查者則只能看見圖5（a）或者圖5（b）的某一幅圖案；融像異常時，則會出現復視、混淆視等效果。

圖5 雙眼平衡測試圖案

3 測試系統與顯示設備

指向式背光視力篩查系統包括指向式背光電視機、數據處理計算機、測試軟件、操作手機以及操作App 等部分，系統工作原理如圖6 所示，系統工作流程如圖7 所示。

圖6 測試系統工作原理圖

被篩查者坐在屏幕前方最佳視距（95 cm）處，在指向式背光電視機的人眼跟蹤功能輔助下，雙眼可以在任一時刻都處于正確的視區內。指向式背光電視外觀如圖8 所示。

圖8 指向式背光電視外觀

打開電腦端測試軟件和手機操作App 后，被篩查者完成手機和電腦間的藍牙連接，登入測試軟件，錄入個人信息并選擇測試項目，之后就可以在軟件和App 的提示下逐步獨立完成視力篩查。電腦端測試軟件界面如圖9 所示，手機App 操作界面如圖10 所示。

圖9 電腦端測試軟件界面

圖10 手機App 操作界面

篩查結束后，視力測試數據將保存在電腦，并發送到被篩查者手機，供醫生和被篩查者使用。本系統使用的設備和軟件如表1 所示。

表1 指向式背光顯示視力篩查系統軟硬件列表

4 測試結果與分析

指向式背光顯示視力篩查系統于2019 年起，由筆者在中山大學附屬眼科醫院開展臨床試驗。經過對155 名病人的檢驗，與由驗光師輔助開展的常規紙質媒體（如視力表、色盲本等）測試相比，兩者測試結果相差小，一致性高。且指向式背光顯示視力篩查具有視覺舒適、測試速度快等優點，具有在無驗光師輔助下進行視力篩查的可行性[7]。

依托前期臨床試驗結果，本文將指向式背光顯示視力篩查系統運用到偏遠農村的青少年視力篩查，以完成對該系統進行走訪式篩查的可行性驗證。

4.1 被篩查者樣本

實驗中，篩查區域選擇在粵西地區湛江市，具體的被篩查者選定湛江下轄廉江市石角鎮第三初級中學初二級（1）班全體學生。石角鎮是廣東省湛江市廉江市最北的一個鎮，與廣西接壤，石角鎮第三初級中學是鎮上最小的初級中學。

參加測試的學生共30 人，年齡從13 歲至14 歲，平均年齡13.3 歲，男女比例為7 ∶23。篩查地點安排在該校課室內，室內照度明亮，達到視力測試的需求。測試現場如圖11、圖12 所示。

圖11 中學生排隊篩查現場

圖12 被篩查學生獨立完成篩查操作

4.2 篩查結果

30 名被篩查者均在電腦端測試軟件和手機App 的提示輔助下，獨立完成了視力、色盲、立體視及雙眼平衡4 個項目的測試。測試過程順利，平均用時約4 min，與驗光師使用紙質媒體的測試方法（只測普通視力的兩項）用時（3 min）接近。

每位篩查者的視力測試結果數據如表2 所示。

表2 湛江農村青少年視力篩查結果報表

對被篩查者雙眼視力進行分析，其視力讀數分布如圖13 所示。從圖13 可知，視力正常（雙眼視力≥4.9）的被篩查者占總人數的60%，明顯高于全國平均水平（28.9%）。究其原因，根據該中學教師反饋，農村地區尤其是偏遠鄉村，學生學習壓力低于城鎮學生，他們參與玩耍和體育鍛煉的時間較多，同時，現在農村生活得到改善，學生家里照明條件得到保障，也降低了學生患近視的風險。然而篩查結果也反映出，仍存在視力非常差（即視力≤3.9）的學生，這說明了開展視力篩查、進行近視早期防控的必要性。

圖13 被篩查者雙眼視力分布直方圖

全部被篩查者在色盲、立體視及雙眼平衡3 項測試的結果如表3 所示。

表3 被篩查者色盲、立體視及雙眼平衡3 項視力測試報表

從表3 可知，被篩查者在色盲、雙眼平衡、立體視異常的發病率分別為6.67%、13.33%、30%。其中，本次篩查對象的色盲發病比例為6.67%，高于全國色盲比例（4%～5%），而立體視異常比例為30%，與報道的比例（30%）一致。可見，通過指向式背光視力篩查可以讓驗光師足不出戶，就可以通過視力篩查系統的走訪，掌握某一地區青少年群體的整體視力概況，為該地區青少年近視等眼科疾病的防控提供便利，同時也節省了人力、時間和財務上的成本，有助于落實國家提倡的青少年近視防控戰略。

為了方便醫生在篩查走訪后完成對某一被篩查者的視力情況分析，系統在后臺提供測試原始數據導出功能。以下為導出的第17 號被篩查者“劉付×鳳”的原始測試數據。

上述原始結果中，括號內的數字對應視力篩查軟件的原始圖片素材序號，如“01_1”即為根目錄中“srcimg”文件夾中的“01_1.Bmp”圖片。在“E”字視力檢測階段，Input 中的數字1～4 表示“E”字朝上、朝右、朝下、朝左的方向，“Test duration”為本輪測試的整體時長，“Result”為軟件檢測標準中使用者的結果指標，“No Input”表示使用者未在規定時間內做出選擇，“Can Not See”表示使用者選擇了“看不清”的按鈕。

對于上述導出數據，作如下解析。

（1）圖片序號后綴對應視力表等級，由“_01”～“_13”一一對應視力3.9、4.0、4.1、…、5.0、5.1。VA_Test_L左眼“E”字視力測試共進行了7次測試，根據圖片序號可知，使用者在測試過程中前4 次測試都可以正確選擇“E”字朝向，但在“E”字變為標準中第一層的大小時，使用者無法在規定時間內做出選擇，說明使用者可能因視力模糊等原因無法快速做出判斷。接著軟件給出“E”字朝向變更后，使用者做出了“看不大清”的選擇，說明使用者本身對于該大小的“E”字無法正確看清，對此軟件再一次給予使用者變更了朝向的“E”字，結果使用者選擇了錯誤的“E”字朝向。整個流程下來，說明使用者的左眼視力水平停留在第一層，軟件給出對應指標為3.9。

（2）使用者在右眼“E”字測試中，可以順暢地完成“E”字逐漸變小情況下的測試，最后停留在倒數第二小的“E”字時，反復選擇朝向錯誤，說明使用者在此“E”字大小情況下已經達到視力極限，軟件給出對應指標為5.0。

（3）關于色盲測試，軟件結果指標對應為：“NCB”為色盲正常，“PP”為紅色盲，“DP”為綠色盲，“WC”為色弱，“PM”為紅色弱，“DM”為綠色弱。從以上結果可以看出，使用者可在每次色盲選擇時輸入對應色盲測試圖片中的數字，最終結果為“NCB”，即色盲正常（無色盲問題）。

（4）在雙眼平衡測試中，軟件結果指標“Normal”為雙眼抑制正常，“LInhib”為左眼抑制，“RInhib”為右眼抑制，“OIDip”為內斜交叉性復視，“EIDip”為外斜交叉性復視，“LODip”為左眼上斜性復視，“RODip”為右眼上斜性復視，“ODIRo”為內旋斜復視，“ODERo”為外旋斜復視，“LCInhib”為左眼中心抑制兼有異常視網膜對應，“RCInhib”為右眼中心抑制兼有異常視網膜對應。input 的數字代表手機App 顯示的是第幾號圖片。

從以上結果可以看出，使用者在測試雙眼抑制項時，給出的手機App 界面提供的第3 個選項，即為左眼抑制的表現，同時根據上述的“E”字結果可預知，由于使用者的左眼視力模糊，導致在沒有校正視力的情況下，視覺無法正常看清左眼接收到的圖像，故雙眼融合圖像時產生了偏差，導致結果表征為左眼抑制。

（5）在立體視銳度測試中，“SV”為立體視正常，“NSV”為無立體視覺。“SV”的值代表立體視能力，范圍是63、100、200、400、500、600、700，正常是在600 及以下，越小越好。參照解析1的過程，使用者在立體視銳度測試中最終停留在了最差的立體視銳度等級，同時也可參照解析2 推斷，由于使用者左眼視力較差，無法清晰視物，從而導致無法融合成立體視覺。

通過上述詳細數據，醫生可以深入了解被篩查者的具體測試過程和情況，個性化地為該被篩查者提供詳細、全面的服務，制定視力干預方案。

5 結語

青少年近視防控是關鍵的國民健康發展戰略，而視力篩查是獲取青少年群體視力概況的重要手段。目前，農村偏遠地區的中小學生視力篩查囿于具從業資格驗光師稀缺等因素，難以全面開展。針對這一問題，本文以指向式背光電視機為平臺，聯合電腦、手機及相關配套程序，組成視力篩查系統。該系統由手機App 和電腦測試程序提供提示，讓被篩查者在沒有驗光師輔助的情況下，通過手機的人機交互獨立完成視力、立體視、色盲及雙眼平衡等4 個視力評價項目的測試。測試結果不僅可以讓醫生掌握被篩查青少年群體的視力概況，還可以通過后臺導出測試過程原始數據，為眼科醫生進一步分析并制定全面、詳細的視力干預治療方案提供有力保障。

本文以粵西地區一所鄉村中學一個班的30 名學生為對象，進行了視力篩查實驗。結果表明，由于學習壓力低、體育鍛煉時間較長，被篩查農村學生近視發病率為40%，顯著低于全國平均發病水平，但是立體視異常和色盲率與國家青少年平均水平有差異。因此，使用指向式背光顯示視力篩查系統，可以擺脫驗光師不足的局限，對農村基層進行視力篩查走訪，獲取該地區青少年視力概況，有利于對農村地區制定個性化的近視防控策略。