眼球運動及眼動追蹤技術的臨床應用進展

尤佳璐，惠延年，張 樂

0 引言

眼球運動是指眼球一系列的自發性、控制性及目的性運動。眼動追蹤技術是獲取眼球運動信息的重要檢測手段，因其在研究視覺系統信息處理和多學科疾病診治中的重要意義成為近年來學者的研究熱點。為了最大程度發揮眼動追蹤技術對醫學發展的促進作用，熟練掌握眼動追蹤技術的原理、類型及設備選擇，并細致了解其觀察對象眼球運動的特征十分關鍵。

以往雖有一些文章報道眼球運動方面的研究進展，但對眼動追蹤技術及其臨床應用鮮有提及。隨著相關研究的快速進展，發表的臨床應用新內容日益增多。而且，一般眼科工作者缺乏對眼動追蹤技術在眼科臨床應用進展的了解。基于此，本篇綜述重點介紹眼動追蹤技術及其輔助下眼球運動的研究進展，并闡述眼球追蹤技術的設備選擇及眼科臨床應用。希望今后的研究可以利用眼動追蹤技術獲取精準眼動數據進而深入探討眼球運動機制，并改進現有眼動追蹤技術的不足，使其更多運用并促進眼科臨床工作的發展。

1 利用眼動追蹤技術了解眼球運動

現代對眼球運動的深入了解依賴于眼動追蹤技術的發展和應用。眼球運動作為研究的對象，眼動追蹤技術作為觀察研究的重要手段，兩者相輔相成。對兩者建立系統的概念和知識基礎是重要的。

1.1眼球運動及其意義人類對外界的信息主要依靠感官系統獲取。視覺系統將外界信息通過視覺神經傳遞到大腦被我們所認知，這是人類與外界環境聯系的最重要的過程。雖然對視覺至關重要的中心凹區域直徑僅0.5mm，但其捕捉到的外界信息卻占有效信息的一半之多[1]。Yarbus[2]第一次將眼球運動與高級認知聯系起來解釋了這個現象，他通過分析受試者觀察圖片時的眼動資料，發現聚焦于中心凹的光學成像總是當前注意中心的事物。這說明眼球運動具有從所有目標中過濾出感興趣信息并聚焦于中心凹上的作用。

除了根據大腦意愿有選擇的與外界信息交互之外，眼球運動還是保證清晰視覺成像的基礎。眼球運動的良好發育可以極大促進視敏度：良好的眼球平滑追隨運動(smooth pursuit movement)能增加運動物體空間細節的分辨能力[3]，良好的注視(fixation)行為可將視力提高0.15LogMAR以上[4]，這說明高視敏度不是單純的視覺成就、而是主動控制(active controlled)的視覺運動過程。眼球運動具有目的性(purposeful movements)，目標刺激出現時眼球做出自發反應達到獲取清晰視覺成像的目的，進而完成大腦與外界的交互作用。對上述眼球運動及其功能的深入了解，可以解釋為什么人眼能看清迅速移動的目標，而且人在迅速運動中也能看清關注的目標。這種能力是普通的照相機無法比擬的。把人眼比作照相機，是對人眼極其不當的簡單化說法。

1.2眼球運動類型及高級控制中樞為了保證有效的視覺捕捉及處理，眼球運動擁有特定的運動策略。眼球運動主要有三種形式：注視(fixation)、平滑追蹤(smooth tracking)及掃視(saccade)[5]。觀察靜止物體時將目標刺激物的視覺映像固定在中心凹的過程稱為注視。此過程是處理視覺信息相對穩定的階段，可以產生最穩定的視覺映像，為其在大腦的加工提供保障。實際上在注視過程中眼球并不是完全靜止的，而是以注視點為中心做微小的運動以此不斷清除視網膜上成像，進而抵消目標刺激適應性消退[6]。這些注視性眼動包括微漂移(drift)、微掃視(microsaccadic)和微顫動(microfibrillation)[7]。漂移是注視過程中緩慢的位置變化。微顫動是不規則的，波浪樣疊加是漂移中的一種眼球運動。而微掃視則是注視過程中快速的位置變化。一般將振幅小于1度視角的掃視稱為微掃視運動。微掃視運動發生前，中心凹對比敏感度普遍開始衰減，并呈現越靠近中心的區域衰減越強、越快的特點。微掃視結束后越靠近中心的區域對比敏感度恢復并趨于穩定的速度越快。說明中心凹的對比敏感度不均勻，并受到微掃視運動的調節，以此增強目標位置的精細空間視覺，達到維持注視期間視覺穩定的目的[8-9]。此外，微掃視可能與閱讀速度及注意過程有關[10]。另一種靜止狀態下的眼球運動是掃視。它是指當我們將中心凹區域的目標重新定位到新的空間位置時、進行的非常快速的共軛的眼球運動。而當觀察者本身或被觀察物體處于運動狀態時，平滑追隨運動則發揮作用使中心凹始終位于感興趣的目標上。

除以上三種臨床評估中通常涉及的眼球運動之外，還存在一系列其他的眼球運動。眼球震顫(nystagmus)是眼球的反射性運動。可分為生理性及病理性眼球震顫。生理性眼球震顫可出現在健康群體中，還可分為終點性(end-point,極度向側方注視時發生)、前庭性(vestibular,由改變半規管中的內淋巴液平衡誘發)及視動性等。當很大一部分視野沿同一方向連續移動時就可以觀察到眼球震顫現象，稱之為視動性眼震(optokinetic nystagmns,OKN)。通常OKN存在緩慢和快速兩個階段。緩慢的追隨運動保證視野跟隨移動的物體，快速共軛運動使中心凹快速移動專注于感興趣的目標上[11]。此外，當頭部移動的同時維持對感興趣目標刺激的注視時，眼球則通過前庭眼動反射(vestibulo-ocular reflex)確保眼球適當的位置調整。例如當注視前方時頭向右旋轉則眼球向左旋轉以保持目標注視。人類的眼球運動大多是共軛的，但當眼球聚焦在十分近的目標刺激上時雙眼則發生會聚(convenhence)，聚焦在較遠目標上雙眼就會分散，這種眼球運動稱為輻輳運動(vergence movement)。以上這些眼球運動共同協作形成清晰穩定的視知覺。

雖然眼球運動的發生不依賴于自主意識，具有自發性，但通過對猴子的眼動研究及對患者的眼動觀察，發現眼球運動又是控制性的。小腦是主要控制眼球運動的高級中樞，小腦不僅參與眼球運動的控制也在認知中發揮作用[12]。不同小腦區域控制對應的眼動方式。小腦皮層絨球/副絨球主要保證注視穩定不發生向心偏倚，并與移動物體形成清晰視覺映像相關[13]。小腦小結葉和腹側舌葉與持續、低速的前庭反應相關。而掃視的準確性則是由小腦背蚓部和后頂核保證[14-15]。任何累及小腦的疾病都可能影響眼球運動，如在患有自閉癥及精神分裂癥的患者中都可觀察到異常眼動[16-17]。雖然小腦對于眼球運動的功能分區彼此并不能完全獨立，但功能分區依舊可以為臨床診斷定位做出提示。

1.3人類眼球運動的發育及衰老人類眼球運動并不是一成不變的。Shaikh等[18]選取14名年齡在24～36歲的健康成年人及10名年齡在5～13歲的健康兒童，使用高分辨率視頻眼動設備追蹤受試者的眼球運動，分別記錄兩組被試注視保持及視覺引導掃視時的眼動特點。結果發現與成年人相比，兒童眼動注視保持不穩定，在與成人固定掃視頻率相似的情況下掃視幅度大于成人，且掃視缺乏不對稱性。年齡較小兒童很難形成準確掃視，并且不存在注視偏好優先的特定部位。此研究嚴格控制了性別、精神系統及眼部結構病變等可能影響眼動特征的混雜因素，并使用不受被試配合程度影響的眼動記錄裝置，其眼動結果的準確性得到保證。

對于成年人和兒童平滑追隨差異的研究，表明8周齡以下的嬰兒觀察不到平滑眼動追蹤，8周齡以上的兒童較成年人眼球平滑追蹤運動速度更快、潛伏期更長，且不能準確預料目標刺激的方向改變[19]。Nakagawa等[20]觀察嬰幼兒眼球運動后發現頭部運動和眼球運動在發育過程中高度相關，但眼球運動的優先級隨發育逐步升高并在18月齡后發生明顯逆轉。以上所得到的眼動特點說明兒童時期眼動不穩定、視功能受限并處于系統性完善和學習的過程。

眼動功能不斷發育到成年逐步穩定。Takahashi等[21]為探究年齡對眼球運動的影響做了一項多中心、大樣本研究：受試者為3個獨立的健康人群，分別為235、242、205名健康受試者，使用Eyelink 1000及以上配置眼動設備記錄眼動數據，收集包括3種注視眼動、3種平滑追蹤眼動及56張圖像自由觀看時眼動在內的7種眼動類型。最終得出的結果是，成年以后隨著年齡增加，眼球平滑追蹤相對于刺激目標運動的速度逐漸變慢；為了補償這種因速度降低導致的較大眼動追蹤誤差，年老者出現更大掃視幅度、更長掃視時間及更大峰值掃視速度。觀察發現注視性眼動則受年齡的影響較小。除此之外，隨著年齡增長步入老年，不同方向的眼球運動隨之發生衰老，以向上注視的范圍受損最嚴重[22]。

依賴于眼動追蹤技術對眼球運動的精準測量，我們更清楚地了解到不同類型的眼球運動及其發育過程和高級中樞。這提示臨床醫師在診療過程中對不同生長發育階段的人群應根據其不同眼動特征做出判斷，抓住眼球運動發育時期及時發現異常并最大限度保證視功能。

2 眼動追蹤技術的實現及發展

2.1眼動追蹤技術對眼動數據的精準獲取早在19世紀就有學者通過顯微鏡觀察視網膜上小血管的移動來了解眼動情況[23]。但先前的眼動測量方法準確性低、量化困難，隨著科技不斷進步，更精準的眼動測量方法應運而生。眼動追蹤技術是記錄眼球運動及注視位置隨時間及任務變化的方法。目前最新的眼動追蹤技術是基于紅外光角膜反射原理。眼動追蹤設備由紅外發光器和攝像機組成，紅外發光器將人類不可見的紅外光射入人眼，隨后通過角膜反射回相機形成角膜反射點(corneal reflexes，CR)。因為CR在眼球運動過程中空間位置一直維持不變，因此以CR作為參照物計算其與瞳孔的相對距離變化[24]就可以實現對眼球聚焦位置的連續追蹤(圖1)。

這種眼動追蹤裝置，因其諸多優點被學者廣泛應用于各領域研究中。包括：(1)眼動追蹤技術在人的整個生命全程都可獲取眼動數據，對于無法配合的患者也同樣適用。例如：移動式眼動裝置可以獲取長期意識障礙患者的眼動數據并未觀察到不良反應，依靠所得數據可以分辨出不同類型眼球運動并支持臨床評估的結果[25]。(2)眼動追蹤技術相對客觀，較少受到主觀偏見影響，且準確度高。劉慧等[26]比較眼動儀與眼電圖測量眼球運動效果時發現，紅外眼動儀精確度更高、變異程度更低、可重復性更高。(3)眼動追蹤是一項可以對人類行為及眼動神經進行探究的無侵入性技術，對被試者無傷害。

眼動追蹤技術因其大樣本定量分析操作流程多、成本高且定性分析難等諸多因素限制，還未普遍應用于臨床，目前大多僅應用于研究。期待未來更多便捷、易操作的標準診斷范式出現，使眼動追蹤技術造福于臨床患者。

2.2眼動追蹤裝置的分類及選擇使用眼動追蹤技術的首要步驟是選擇合適的眼動追蹤設備。體現眼動追蹤設備性能的指標主要有3個：采樣率、重新捕獲率及測量精度。采樣率是指眼動儀每秒報告的數據點，高采樣率的設備對真實眼動開始和偏倚的測量更精準。為了保證科學研究嚴謹性及臨床工作有效性，所選眼動追蹤設備性能必須與目標獲取數據的類型和準確度相匹配。

市面上眼動追蹤裝置主要分為固定式和移動式。固定式眼動裝置采樣率高，采樣率最高可達2000Hz。對于觀察掃視或者注視目標持續變化等復雜眼動類型，一般首選采樣率較高的固定式裝置。但固定式眼動裝置也同時存在受試人員活動范圍小、測試環境受限及造價昂貴等不足。相較于固定式眼動裝置而言，移動式眼動裝置對受試人群及環境要求低，可以保證采集最自然、高質量的視覺行為數據[27]。Bulf等[28]在一項嬰兒視覺注意的研究中使用移動式眼動儀實現了對無法配合的嬰兒眼動數據的精確獲取。雖然對于注視等簡單眼動的獲取移動式眼動裝置完全可以勝任，但畢竟其采樣率低，大多數研究要通過增大樣本量來彌補采樣誤差[29]。由此可見，使用何種眼動儀取決于研究范式的設計、受試人群特點及目標數據的類型。研究者及臨床醫師應熟練掌握各類眼動裝置的特性并明確所需眼球運動類型特征，只有這樣才能選擇合適設備進而提高獲取數據的可靠性。

3 眼動追蹤技術在眼科的前沿應用

眼動追蹤技術較多應用于心理、認知和神經系統的研究及臨床工作中。眼科范疇內，眼動追蹤技術更多作為一種客觀衡量眼球運動的工具，輔助神經眼科醫生診斷疾病。眼動追蹤設備精確識別異常注視、掃視等，進而定位病變位置。除此之外，眼動追蹤技術還能為眼科醫生提供哪些新幫助？下文將介紹眼動追蹤技術在眼科的前沿應用，希望可以對現有研究作以總結，并為眼科臨床工作提供新手段、新思路。

3.1眼動追蹤技術支持客觀視力檢查視力檢查是一切眼科診療過程的基礎，也是最直接反映眼部情況的參數。但現有視力檢查的手段多為主觀檢查，客觀圖形視覺誘發電位(visual evoked potential,VEP)檢查又操作困難、不易實現。尋求客觀、準確且簡便的視力檢查方法是眼科同道共同的期盼。

如前所述，人眼面對快速移動的目標刺激會做出與刺激相反的眼球運動，隨即被快速重置反應打斷,這種眼球運動稱為視動性眼震(OKN)。宋鈺等[30]利用眼動追蹤技記錄OKN，提出一種客觀的視力檢查方法。即將滾動的黑色條柵作為移動視標，記錄受試者觀察視標時發生的眼球震顫并將其傳入計算機形成眼震波形。檢查以引出3個眼震波形為終點，視作被試者看清視標。為驗證此方法是否有效，宋鈺等[30]分別使用OKN及國際標準視力表檢查82名受試者視力。OKN可檢測率達93.9%，與國際視力表檢測結果相比無統計學差異，且重復檢測結果之間無顯著差異。OKN的引出為低級神經反射，不受主觀意志影響，更加客觀。眼動追蹤技術的加入使視力檢查更客觀、準確、便捷。

圖1 眼動追蹤技術檢測 A：紅外光形成的角膜反射點；B：隨眼球向前、右和左看時角膜反射點的變化。

3.2眼動追蹤技術在斜視診療中的應用斜視度測定是開展斜視患者一切診療工作的關鍵。三棱鏡加交替遮蓋試驗(prism alternating cover test, PACT)是國際上測量斜視度的金標準，但其測量結果受到患者主觀判斷及配合程度的影響，且當斜視角較大時棱鏡遞增度數較大影響測量結果的準確性[33]。Valente等[34]利用eyeswift TM系統基于眼動追蹤技術自動檢測眼球偏斜并評估斜視程度及方向。準確的斜視度數是通過計算眼球運動完全中和之后屏幕呈現的目標之間距離與測試距離的比值得出的。Valente使用眼動追蹤系統測量69名3～15歲兒童并與傳統PACT結果進行對比，發現其準確性與PACT測量結果高度相關。多次測量結果間變異性為0.2△±4.5△，比先前研究中高年資專業醫生測量結果(-3.9△±4.7△)變異性小[33]。此外，該方法在測量過程中對眼球偏倚的檢測也具有優勢(研究中自動檢測裝置發現7名受試者眼球偏倚、但只有其中4例眼球偏倚被高年資醫生觀察到)。由于此方法測試時間短、測試具有趣味性、不受頭部位置影響可以應用于年齡較小兒童。Miao等[35]也使用紅外眼動追蹤技術測量斜視患者斜視度，同樣表示眼動追蹤系統應用于斜視度測量具有頭部運動高容忍、準確度高及差異性小等優勢。

地方基層醫院缺乏高年資專業醫生且醫療需求大，斜視度的確定及手術量的決策是一大難題，不準確的手術量可能會造成欠校或過矯增加后續治療難度。若將眼動追蹤技術應用于基層醫療環境將會提高斜視診治效率。

3.3眼動追蹤技術可提高LASIK手術準確性諸多學者發現，眼動追蹤技術可以改善準分子激光原位角膜磨鑲術(laser-assistedinsitukeratomileusis, LASIK)、飛秒激光(small incision lenticule extraction,SMILE)等近視矯正手術中由于身體位置變化導致的眼球旋轉以及術中眼球的回旋運動造成的消融偏中心的問題[36]。消融偏中心會加大術后再治療的風險，且其程度又隨度數的增高而增高[37]。Lee等[38]對50例患者進行近視或近視散光矯正手術，其中25例患者使用眼動追蹤技術，25例未使用眼動追蹤技術。為保證研究嚴謹性，所有受試者術前檢查及術后點眼治療、術后復查均一致。經比較兩組術后效果發現：眼動追蹤技術組80%的患者術后裸眼視力≥1.0，消融偏中心化為0.37±0.18。未使用眼動追蹤技術組64%的患者術后裸眼視力≥1.0，消融偏中心化為0.58±0.31且存在較高殘余柱鏡散光。由此可見，眼動追蹤系統輔助LASIK消融偏中心程度小、術后殘余散光小。準確的消融是LASIK手術成功的關鍵，為了達到較高的消融準確性，眼動儀采樣率至少應達到激光重復率的2倍[39]。眼動追蹤系統的輔助使LASIK實現了從僅治療屈光問題到治療角膜或整個眼球的高階像差的轉變。總之高頻率眼動設備的加入可以大大提高近視矯正手術消融位置的準確性。消融位置準確性得到保證有利于降低術后角膜散光改變[40]，并獲得更好視覺質量。

3.4眼動追蹤技術應用于青光眼診斷青光眼早期診斷是一個挑戰性難題。臨床上視野檢查普遍使用的標準自動視野測量(standard automated perimetry,SAP)需要被試者穩定的注視和手動響應，因此對于兒童及存在認知障礙的人群，傳統方法判斷效能低。眼動追蹤系統則可以免除這種有意識手動響應的需求。Soans等[41]量化一組患有青光眼或神經眼病患者的眼球運動并分析其時空特性，比如被試的視覺靈敏度因為視野缺損而降低，那么可以預期他們在追逐目標刺激時會出現時間延遲。又如視野缺損影響被試視線而無法追隨刺激時，就會導致更長時間延遲和更多空間誤差。青光眼患者出現視野缺損會打亂掃視產生和固視維持之間的平衡。計算機大數據學習這些特征后，形成依賴于眼動特征進行青光眼診斷的方法。這種方法對患者和健康人群的分類準確性可達到94.5%。另一項研究同樣使用眼動追蹤系統參與青光眼的診斷[42]，通過判斷眼球位置相對目標刺激和固定點的變化方向及幅度來確定被試是否看清刺激。這種方法可以根據眼球自動調整刺激的大小及位置并允許患者測試期間頭部移動。此外，眼動追蹤技術對青光眼患者日常行為受限程度的判斷也具有積極意義[43]，由此可見眼動追蹤技術在青光眼早期篩查方面具有很大潛力。

眼動追蹤技術因其對被檢對象配合程度高包容、精確度高且不受主觀意志影響等特點表現出比傳統檢查及診斷治療的優勢。除了以上應用之外，眼動追蹤技術還被應用于色覺檢查及眼底照片檢查等醫療活動中[44]。這些新臨床手段可以應用在基層醫院和大樣本人群篩查中彌補地方診療水平不足、醫師間診療差異大等限制，也可以應用在年齡小、認知功能或精神狀態不佳導致不能配合傳統診療患者的就醫過程中。但以上基于眼動追蹤技術的診療手段多需要采樣率高的設備，以保證復雜患者的準確率，這就加大了醫療成本。而且一些文獻報道，病例對照研究往往會高估其性能。雖然通過前期研究證實眼動技術具有巨大的潛力，但要想使其更廣泛地造福于眼科患者，還需更大樣本、更嚴謹的研究證實其可行性。

4 問題與展望

國內外關于眼球運動及眼動追蹤技術的應用研究取得了一定進展，但仍存在局限性。眼動追蹤技術在心理、大腦認知及神經生理上的臨床應用已比較成熟，但在眼科的應用還在探索階段，仍存在不少待解決的問題。例如：“病例對照研究得出的結果是否高估了眼動追蹤技術的性能”“小樣本研究得出的結論是否適用于全部人群”“是否可以制造更經濟的設備降低醫療成本”“對于眼科疾病的診斷和治療范式需進一步完善以解決眼球震顫等異常眼動對結果帶來的不穩定影響”。以往臨床醫生對于眼球運動的關注較少，眼球運動不僅與視功能好壞相關還是大腦功能的外在表現。在未來臨床工作中，醫師應將眼球運動的概念貫穿整個診療過程中，熟練掌握眼球運動的發展過程及特性，并將眼球追蹤技術應用于眼科檢查及疾病診治，造福于廣大患者。