上海紐約大學首席科學家成功研發視野圖測量新方法

文/上海紐約大學 編輯/樂然

據世界衛生組織統計，全球至少有22億人因青光眼、白內障以及老年黃斑變性等眼部疾病而造成視力損傷甚至失明。目前，利用視野圖（VFM,visual-field map）評估患者的中央和周邊視力是臨床上診斷和管理這些眼部疾病的常規方法。

然而，由于當前的視野圖檢測方法普遍不夠精準，一些眼部疾病的診斷和治療常常受到限制。上海紐約大學首席科學家、副教務長、華東師范大學-紐約大學腦與認知科學聯合研究中心（上海紐約大學）聯合主任呂忠林教授長期致力于視覺神經系統的機制和運用研究，利用多學科交叉優勢開發多種全新的技術平臺來攻克視覺神經疾病評估的多項技術挑戰。近期，他與三位研究伙伴——來自美國俄亥俄州立大學的徐鵬景、于德月和Adaptive Sensory Technology公司的Luis Andres Lesme——共同研發出一種全新的命名為qVFM的視野圖檢測方法。這種方法能在保證高效率的同時，協助臨床醫生更精準地測量患者的視野圖。該研究于2019年12月發表在視覺科學領域知名期刊《視覺雜志》上。

視野儀（SAP, standard automated perimetry）是目前臨床眼科診斷中檢測視野圖的“金標準”。雖然它通過測量視網膜不同位置的光敏度生成光敏度視野圖，但它的測量精度卻不盡人意。例如，在一項眼部高血壓治療研究中，85.9%的案例在使用視野儀進行二次重復測量時得到的結果和第一次完全相反。

“我們可以把一臺視野圖檢測儀器想象成一把尺子?！眳沃伊纸淌谡f，“目前的視野儀就好比一把刻度精確到分米的尺子，它們在測量毫米量級的物體時自然會存在很大的誤差。所以，我們需要一種更精密的工具，可以測量更精細的物體，反映更微小的變化。只有使用精度更高的尺子，我們才能檢測到微小的視力變化，從而把握正確的治療方向?！?/p>

▲ 視野儀（SAP）

新的qVFM方法采用了一種貝葉斯主動學習算法來提高測試的準確度和精度，同時縮短測試時間。該算法通過主動學習患者對不同刺激的反應，在每次測量中選用適合受試個體的最佳刺激（如應該測視網膜哪個位置，使用怎樣的光強度或對比度）。這套算法共包含三個模塊：初步測量整個視野圖形狀的全局模塊、測量視野各個區域的局部模塊，以及確定何時從全局模塊切換至局部模塊的轉換模塊。

在全局模塊中，視野圖的形狀被構建為一個包含五個參數的傾斜橢球拋物面函數（TEPF，tilted elliptic paraboloid function），如下圖所示。qVFM方法通過從受試者每次試驗的反應中不斷學習這五個參數，得出視野圖總體形狀的粗略估計。

▲ 模擬視野圖和傾斜橢球拋物面函數。左圖為含盲點的左眼模擬視野圖，右圖為與之對應的無盲點的傾斜橢球拋物面函數

轉換模塊評估全局模塊中視野圖形狀的信息獲取速率，并在進一步測量無法繼續迅速提高傾斜橢球拋物面函數的精度時切換至局部模塊。

局部模塊利用全局模塊的運行結果生成對每個視網膜區域視覺功能（如光敏度）的初始估計，然后用另一種貝葉斯主動學習算法進一步提高每個視網膜區域視覺功能檢測的精度。

qVFM研究團隊通過一系列計算機模擬和一項心理物理學實驗驗證了qVFM方法。他們通過比較完整的qVFM和僅運行局部模塊的簡化版qVFM的性能，展現了完整的qVFM方法的強大功能。

團隊模擬了一些“觀察者”，并將他們的視力預設為正常值。這些虛擬“觀察者”用單眼觀看計算機顯示器上的刺激。在每次測量中，刺激可能會出現在視網膜上的100個位置中的一個，他們需要報告目標刺激（光點）是否出現在某一指定的位置。在心理精神物理學實驗中，六名受試者做了和虛擬“觀察者”同樣的試驗。在每次測量中， 他們被要求報告目標刺激是否出現在了100個視網膜位置中的某個指定位置上，每次試驗的光強度和目標刺激位置均基于qVFM方法的最優化選擇。

▲ 實驗要求受試者注視顯示屏中央，報告光點是否出現在提示位置（圓圈）中央

模擬和實驗結果均表明，使用qVFM方法能夠得出更精準的光敏度視野圖，并且完整的qVFM方法的工作效率約為簡化方法（僅使用局部模塊）的兩倍。qVFM方法也可以用來測試其他視覺功能，以監測視力損傷，評估治療效果，以及研發有效的低視力康復治療方法。

呂忠林表示，他們計劃將研究拓展至光敏度以外的其他視覺功能：“研究視覺功能的最終目的是評估和預測日常生活中視覺的使用情況，所以我們的檢測不應該局限于對光敏度的測量，而應涵蓋所有的視覺功能。我們的研究應當考慮人們使用視覺的真實生活場景，例如閱讀、駕駛等?！睘榇耍瑘F隊已經開展研究、探索如何提高對比敏感度（區分物體與其背景的視覺能力），視野圖測量的準確度、精度和效率。他們同時也在探究視野圖與駕駛行為之間的關系。

此外，研究團隊還在開展一系列研究以探索視野圖檢測的更佳操作。比如，他們選擇了患有眼疾的受試者來驗證qVFM方法，以確保該方法對檢測眼部疾病患者的視野圖也同樣有效。他們還嘗試優化受試者對刺激進行反應的方式，運用眼動裝置替代目前的按鍵方式，這樣受試者只要通過移動眼睛注視方向就能表明其看到的刺激的位置。

qVFM方法已申請PCT國際專利。目前各方正在積極討論該技術商業化的相關事宜。