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视力表的历史、现状与发展趋势

发表时间:2021-12-14 10:22

20211214

视觉是人类最重要的感觉之一。视锐度反映了视觉系统辨别空间细节的能力,是临床实践中最常用的视功能评估指标。视力表是使用最广的视锐度测量工具。笔者回顾了国内外视力表的发展历程,简述了早期糖尿病视网膜病变治疗研究视力表和标准对数视力表的设计原理和计分规则。由于传统视力表自身的精度限制,其在视力普查和儿童青少年近视防控工作中的局限性也日益凸显,电子视力表代替传统视力表正逐渐成为趋势。笔者分析了当前不同电子视力表的硬件特性、软件算法逻辑和测量结果,发现显示屏的分辨率和尺寸、程序的测量和计分规则等多种参数设置的不统一可能会造成不同设备测量视力的结果不具有可比性。研发规范化的新型电子视力表势在必行。

关键词

视光学;视锐度;心理物理学;视力表

视觉是人类最重要的感觉之一,视觉信息占人类接收外界信息总量的80%~90%。Donders最早提出视锐度的概念,即最小可分辨角(Minimum   angle of resolution,MAR),用以表征视觉系统感知空间细节的能力[1]。通常认为视锐度达到或小于1分视角(或0.0 LogMAR)为正常,相当于能够分辨5 m远处7.27 mm大小的视标;而视锐度大于1分视角则表明视功能存在问题。视锐度已经成为临床实践中最常用的视功能评估指标[2],是验光配镜、检测视神经缺陷和评判眼病治疗效果与患者恢复程度的重要准则[3]。此外,军人、飞行员等特殊职业也有基于视锐度的最低视力标准[4]。因此,精准的视锐度评估在医疗健康等领域有着十分重要的意义。目前,视锐度测量主要通过视力表进行。常见视力表包括Snellen视力表、Landolt C视力表、 Tumbling E视力表、Bailey-Lovie视力表、早期糖尿病视网膜病变治疗研究(Early treatment of diabetic   retinopathy study,ETDRS)视力表等,不同的视力表在视标选择和设计原理等方面存在差异。笔者对如今广泛使用的纸质视力表、灯箱视力表和电子视力表进行分析,并对纸质视力表和灯箱视力表的发展历史、设计原理和计分规则,以及电子视力表的发展现状与前景进行了论述。

1  视力表简史

世界上最早出现的视力表由荷兰眼科医师 Snellen于1862年设计[5],使用E、F、P、T、O、Z、 L、D、C共9个大写字母作为视标。Snellen视力表 共11行,视标大小逐行递减,从上到下每行分别有 1、2、3、4、5、6、7、8、8、8、9个字母。视标的 高和宽均等于笔画粗细的5倍。在6 m(美国为20 英尺)的常规检查距离时,小数视力1.0行对应视标大小为8.72 mm,笔画粗细为1.74 mm,对应人眼1分视角。迄今为止,Snellen视力表仍是世界上广泛使用的视锐度测量工具[6]。虽然Snellen视力表具有广泛影响力,但不适用于幼儿、言语障碍者或不认识字母的人群。为解决此缺陷,瑞士眼科医师Landolt,于1888年研发了Landolt C视力表,这是一种用带有间隙的环形作为视标的视力表。其视标类似于字母C,受测者需报告字母C的开口朝向。目前,Landolt C视力表已成为多数欧洲国家视力测量的标准视力表[7]。而在非英语母语国家(如 中国),人们普遍使用字母E为视标的Tumbling E视 力表,被检者需报告字母E的开口朝向。Snellen视力表的另一个问题是所使用的9种字母视标具有不同的可分辨性。为解决这一问题,澳大利亚国家视觉研究所的Bailey和Lovie于1976年重新设计了 Snellen视力表[8]。Bailey-Lovie视力表采用了Sloan 字母(C、D、H、K、N、O、R、S、V和Z)作为视标, 这种视标由美国眼视光科学家Sloan于1959年设计, 不同字母具有几乎相同的可分辨性[9]。不仅如此, Bailey-Lovie视力表还采用了美国医学光学和视觉生理学会在1953年提出的各行视标大小呈几何增率的建议[9]。该视力表共14行,每行有5个Sloan字母,视锐度根据最小可分辨角的对数值(LogMAR) 进行评分,每个字母得分为0.02 LogMAR。此外, Bailey和Lovie还提出了以下视力表设计原则:①视标应具有相同可读性;②每行视标个数应相同;③ 各行视标大小呈等比数列逐行递减。1982 年,为了使视力表适用于ETDRS,Bailey在Bailey-Lovie 视力表的基础上,进一步开发了ETDRS视力表[10]。由于该视力表可以变距使用,能够量化极低视力患者的视力情况[11],ETDRS视力表很快成为临床试 验中视力测试的金标准[12,13]。目前,国际上除前述常见视力表外,还有一些针对特殊测试需求设计的视力表,如测量近距离视锐度的Jaeger视力表[14] 和专门针对幼儿设计的LEA视力表[15,16]等。有研究表明,LEA视力表在学龄前儿童视力评估上优于 Snellen视力表[17]。

在中国,最早使用的国际标准视力表是由孙济中教授和周诚浒教授于1952年研制,采用不同朝向的字母E作为视标,按照1909年第11次国际眼科会议标准设计而成[18]。但行间视标大小增率不均[19]。同一时期,温州医科大学的缪天荣教授于1959年设计了标准对数视力表。标准对数视力表同样采用E字母作为视标,但视标大小按等比数列逐行递减,且采用缪天荣教授首创的5分记录法来记录视力值。据有限的文献考证,这可能是世界上最早的一张对数视力表。1978年,标准对数视力表及相应的5分记录法获全国科学大会奖。1989年,标准对数视力表由中国卫生部颁布成为国家标准(GB   11533-89),自1990年5月1日起,在全国范围内正式实施[19,20]。2011年,新版视力表经王勤美等修订,成为强制性国家标准(GB 11533-2011)[21]。目前,标准对数视力表已经成为中国使用最广泛的视力表。表1列举了国内外常用视力表的视标、测量距离和测试任务。

2  视力表的原理和计分规则

不同视力表的原理和计分规则各不相同。以国际上较为常用的ETDRS视力表为例,其设计初衷是为了能够在早期糖尿病视网膜病变的临床试验中尽可能准确地评估患者视力,优势为可以变距使用。ETDRS表每行由5个大小和辨识难度相对一致的Sloan字母组成,共14行,视标大小呈等比数列逐行递减,相邻两行视标的行间距等同于下面一行视标的大小。测量时,被检者在4 m的检测距离从视力表第一行进行逐行的视标报告,报告顺序为从左到右依次进行,直至某一单独行正确识别视标个数小于3个时,终止检测。测量人员统计被检者总计正确识别视标个数,记为n。视力结果通常以最小可分辨角的对数值和评分分数表示[22,23]。最小可分辨角的对数值(LogMAR)计算方法为 1.1-n×0.02,LogMAR越小,视力越好;评分分数 N=n+30,评分分数越高,视力越好(这里仅介绍临床上最广泛使用的检测和计分规则,其他方法可参见文献[24])。

中国强制性国家标准《标准对数视力表》自上到下共14行,行间距皆为24 mm,各行视标大小按公比√¯10 10 (=1.2589)逐行递减;视标大小所对应的LogMAR按公差0.1增加,即每增加1行,视力记录值减少0.1。测量时,被检者从上往下辨认视标开口朝向,如果一行视标识别的正确率大于50%则进入下一行。否则,终止检测并记录上一行视标 对应视力值为被检眼视力测量结果。视力测量结果通常采用5分记录法:L=5-lg a,也可以换算成 L=5+lg V(小数记录)和L=5+lg dD (分数记录);式中, L代表5分视力;a代表最小可分辨角MAR;V代表小数视力;d代表检查距离(对数表为5 m);D代表某视标的每一笔画或缺口宽度在眼结点处所夹的角正合1分视角时,该视标至眼结点的距离,亦称 1 分视角距离或正常视力1.0 的距离。其中,正常视力标准为能分辨1分视角的视力,记为5分,即 5.0,相当于小数记录的1.0视力,分数记录的6/6或 20/20。

3  电子视力表  

传统视力测试常使用纸质视力表或灯箱视力表,这种视力表虽然成本低、易于使用,但存在以下不足:①视标固定,重复测量时,被检者容易记住视标朝向,导致重复测量的结果有所偏差;②灯箱多次使用后,会出现外壳老化变黄、视标磨损、内部灯管照度下降、亮度不均匀等现象,影响测量结果;③测量结果易受主检人员的个人测量习惯的影响,产生一定偏差。随着社会的发展,人们对视觉健康要求的提高,眼科临床诊断和治疗的重心已经逐渐由传统的器质性眼病向功能性眼病转移。因此,目前临床对于视力测量的精确性和敏感性都提出了更高的要求。另一方面,随着我国儿童青少年近视率的攀升,国家对近视的重视程度日益增加,在中小学生中开展大范围的常规化的视力普查成为刚需。在各地实践中,传统灯箱视力表的不足更为凸显。这些都迫切要求研究者和临床工作者 进一步改进现有视力表或者开发新一代视力表。

近年来,研究者们设计了不同形式的电子视力表,以应对视力测量的新挑战、新需求。电子视力表的优越性在于:①可以通过计算机程序设定视标的类型和大小,根据不同人群、不同测量随机改变, 以排除传统视力表中视标固定造成的学习和记忆效应;②可由被检者自主完成,节省人力;③可以通过程序设置统一的测量规则和计分标准,减少或者排除不同主检人员个人习惯带来的干扰。

现有研究结果表明电子视力表在重测变异性Test-Retest-Variability,TRV)上和传统视力表具有可比性[25-28]。TRV常以2次测量结果差值标准差的 1.96倍为指标,反映了测量结果的精确性,TRV值 越小,表明用此视力表所测视力值的重复性越好, 能检测出微小视力变化的能力也越强[28]。然而在实际测量中,TRV往往会受到视力表原理、计分规则、 视标个数以及被检者眼部状态等因素的影响[29]。表2为当前国际上不同学者根据视力表原理和计分规则开发出的不同形式的电子视力表及其与传统视力表在TRV和测量效率上的比较。

现阶段,电子视力表除视标随机、减少人工成本和统一测量标准的优越性外,还着重考虑了如何提升视力测量的精确性和测量效率。目前较为常见的是弗莱堡测试(Freiburg Visual Acuity   test,FrACT),其采用了序列检验参数估计算法 (Parametric Estimation by Sequential Testing,PEST)[31],该算法可根据被检者已完成的测试数据综合考虑, 实时地选择最优视标大小[32],从而提高视力表的精确性。由于FrACT的测量时间相对较长,后续又有学者提出了一系列能进一步降低TRV或减少测量时间的新型电子视力表,见表3。

从人视知觉能力的角度而言,使用不同尺寸的视标进行测量时,被检者完成任务的正确率会随视标尺寸的减小而单调递减。这种“正确率-视标尺寸”的函数,被称为视锐度心理度量函数[36,37]。2018年,Lesmes开发了一款基于贝叶斯主动学习 的视力测试方法(Quantitative visual acuity,qVA), 可以同时测量被检者视锐度心理度量函数的阈值和斜率[38]。该方法使用更高密度的视标采样(每行 间隔0.02 LogMAR)和基于多字母的视锐度心理度量函数,还采用了信息最大化的视标刺激选择策略,并结合贝叶斯算法迭代更新受检者阈值和斜率的最佳估计值,以提高检测效率。Zhao等[39]对 FrACT、E-ETDRS与qVA方法进行了评估后发现, qVA方法的误差和精度均为三者中最好。此类采取新型智能算法的电子视力表,在视力普查和防控上的应用值得期待。

电子视力表的视标是在显示屏上呈现的,不合适的显示屏,可能会造成视标尺寸的误差。Perera 等[40]曾对Apple App Store上的11种视力测量APP进行研究,结果表明不同APP所用视标光学尺寸 (视标大小、亮度)的误差在4.4%~39.9%之间。这种光学尺寸的高误差必然会带来测量结果的偏差。另一方面,无论是传统灯箱视力表还是电子视力表,其最后给出的都是这一心理度量函数上的某一 个点对应的视标尺寸值(即某一个正确率水平对应 的视力“阈值”)。不同电子视力表因其算法采用的视锐度心理度量函数形式和参数估计方法的不 同,所得阈值对应的正确率水平也不同,如FrACT 选择55%正确率下的阈值,而qVA选择67%正确率 下的阈值(见图1A)。此外,有研究表明,不同人群以及患病的不同阶段都可能会带来心理度量函数 斜率的差异[41,42][见图1B;注:心理度量函数的斜率(slope)指的是反斜率,slope的值越大,曲线越平缓[43]]。这些因素均在不同程度上限制了不同视力表所得结果的可比性,不能满足新时期临床视功 能诊疗需求和视力普查、近视防控需求。由阈值和斜率这2个指标确定的视锐度心理度量函数才能准确观察到视力指标的细微变化[39]。

4  小结

从温州医科大学缪天荣教授六十年前一桌、一纸、一笔研发了标准对数视力表,到标准对数视力表在中国的修订、执行、形成国家强制性标准,再到2013年“系列视力表的研发与应用”项目获 国产学研合作创新成果奖,视锐度测量的“中国方案”具有传承久远的历史。近年来,中国的中小学生视力低下率逐年上升,视力低下患病总人数居全世界第一,近视年龄也逐渐低龄化,近视已经成为了一项重大公共卫生问题,受到党和国家的高度关注[44]。近视防控过程中对每名中小学生的视力普查对视力测量范围、测量次数以及识别视力微小变化提出了更高的要求。传统视力表并不能满足这些要求,给视力普查带来一定挑战。而不同电子视力表在硬件设施(如显示屏硬件尺寸、亮度和分辨 率等)、软件算法(如PEST、顺序测量等)、计分方法等方面并不统一,导致不同来源数据之间的不可比,客观上限制了其在近视普查中的广泛应用。因此,结合前人经验,融汇前沿科学技术,研制新的适用于临床诊断和近视防控需求的电子视力表和相应规范,既是技术发展和演进的必然,也是新时代近视防控工作赋予的责任和义务。


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