新一代中文閱讀視力檢查儀的設計升級研究

邵 奇，邱飛岳，黃 愉

(浙江工業大學 教育科學與技術學院，杭州 310023)

0 引言

閱讀視力是從書面語言(物理刺激)中獲得意義的心理加工過程。在閱讀過程中最先發揮作用的是視知覺能力，它所包含的分辨和記憶都參與到閱讀中來[1]。閱讀視力表是測量閱讀視力的方法和工具，它的檢測參數包括閱讀視力、最大閱讀速度和臨界打印尺寸等[2]。從以上相關參數的測量可以反映視力對讀者閱讀表現的影響[3]，進而為臨床監控和預防提供指導性意見。

閱讀視力測試目前已廣泛應用于低視力檢查和臨床康復等眼科領域[4-5]。針對現有的紙質閱讀視力表人力成本高、自動化程度低、數據收集全部需要手動記錄等問題，通過設計和開發了適合母語為中文的低視力中老年人進行閱讀視力測試的C-READ中文閱讀視力檢查儀。基于原版C-READ中文閱讀視力檢查儀的研發思路和設計方法，實現了新一代閱讀視力檢查儀的研制和上位控制APP的開發。該儀器能夠便捷地采集閱讀時間、閱讀速度、準確率、臨界打印尺寸等與閱讀功能相關的數據。使用該儀器作為實驗工具，驗證了儀器測量上述指標的可靠性并符合視力檢查標準，為低視力中老年人的臨床康復提供了良好的技術支持。此外，該儀器的顯示效果良好，具有記錄數據、分析結果等齊全功能。

第一版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性已經得到了驗證，但是從實際操作中還發現了一些問題：測試人員無法自適應地調節液晶屏的亮度；儀器始終保持恒定的位置不能適應被試的視線高度；小程序的功能過于單一，若想讓測驗儀適配更多移動終端，需要根據實際檢查需求開發C-READ上位控制APP，新一代C-READ閱讀視力檢查儀APP功能設置圖如圖1所示。

圖1 新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP功能設置圖

1 新一代中文閱讀視力檢查儀總體設計

新一代中文閱讀視力檢查儀總體結構圖如圖2所示，由硬件設計和上位控制APP兩部分組成。其中硬件設計基本沿用了第一版C-READ檢查儀的設計，主要由藍牙通信模塊、STM8單片機、液晶顯示模塊以及電源組成[6]。上位控制APP的主要功能有語音識別、自動控制液晶屏的亮度和對比度、電量讀取等功能，并改進了對收集到的閱讀表現數據的擬合方法，提高了數據分析結果的準確性。本研究旨在通過設計一款基于智能手機等移動終端設備的C-READ閱讀視力檢查APP進一步完善C-READ閱讀視力檢查儀的軟件開發模塊。

圖2 新版閱讀視力檢查儀總體結構圖

硬件設計中STM8起主要的控制作用，通過連接藍牙通信模塊對從APP傳來的指令進行數據解析，再控制檢查儀液晶屏的顯示。新版C-READ閱讀檢查儀在第一版的基礎上，開發了基于步進電機的絲桿滑臺裝置，使得屏幕可以通過滑桿上下滑動，通過APP控制顯示的中文測試文本，自動控制顯示屏與眼睛位置保持同一高度，“顯示屏+絲桿滑臺+支架”結構圖如圖3所示。在進行閱讀視力檢查時，先啟動閱讀視力檢查儀的電源，STM8單片機進入工作狀態，并喚醒藍牙通信模塊準備接受從手機APP傳來的各種指令；主試人員將“開機”、“亮度改變”、“關閉”等控制指令發送至單片機；由此液晶屏幕上將在單片機的指揮下按要求顯示閱讀檢查文本，以及實現屏幕亮度的調節；被試閱讀液晶屏上逐行顯示的句子，APP的語音識別功能會實時記錄閱讀數據，通過新版儀器后臺增加的雙肢擬合算法自動分析檢查結果并生成圖表。新一代C-READ閱讀視力檢查儀在原有版本的硬件基礎上，根據實際操作中的檢查需求，不僅增加了藍牙通信控制模塊支持的“顯示屏+絲桿滑臺+支架”設計，還進一步完善了C-READ相關軟件的開發。新版儀器豐富了C-READ閱讀視力檢查儀的軟硬件配置，讓檢查過程更簡單、科學、易操作，大大節省了人力成本，為儀器的大范圍推廣和應用提供了技術支持。

圖3 新版C-READ“顯示屏+絲桿滑臺+支架”結構圖

2 硬件設計

2.1 藍牙通信模塊

在無線傳輸領域內，藍牙在各種移動終端具備龐大的基礎積累[7]。藍牙通信模塊是C-READ閱讀視力檢查儀的控制樞紐，連接了單片機和手機APP之間的通訊進程。新版C-READ沿用了原版的藍牙4.2協議解決方案，采用BLE103芯片，工作電壓為1.7 V-3.6 V，接收靈敏度為-78 dBm。新版C-READ閱讀視力檢查儀的一大創新之處就在于通過藍牙通信模塊通過與手機APP的數據傳輸，控制液晶屏在絲桿滑臺上的縱向移動。這種可以上下滑動的裝置標有兩個最低位和最高位的位置信息，并配有光電開關作為反饋裝置，用途是在單片機上電初始化或復位時藍牙通信功能可以了解液晶屏所處的位置，方便在使用過程中計算位移。新版C-READ通過藍牙通信模塊控制絲桿滑臺調節液晶屏位置的電路原理圖如圖4所示。

圖4 藍牙控制絲桿滑臺調節液晶屏位置的電路原理圖

2.2 液晶顯示模塊

C-READ對紙張和打印文字的清晰度的要求極高，顯示文字的設備必須滿足文字清晰度的需求。設計新版C-READ閱讀視力檢查儀首要考慮到的就是視力表的識別，依據國際通用的視力表設計原則和計算公式：視覺敏銳度閾值(log MAR)[10]=1.3-0.02×視力表上全部讀對的視標數，確定了-0.3 log MAR為能夠識別的最小字體[8]。閱讀視力檢查儀的文字打印尺寸從大到小以對數級別遞減，與標準視力表一致。在如此小的尺寸下清晰顯示一個漢字，就需要高精度的數碼印刷機。那么使用電腦屏幕或者iPad 等電子設備的屏幕可否滿足清晰度的需求呢？電腦屏幕或iPad屏幕等清晰度一般由像素密度即每英寸顯示的像素數決定。40 cm距離下C-READ文字的實際高度如表1所示，由此可知常見的移動設備像素密度很難在40 cm的檢查距離下顯示-0.3 log MAR如此小的漢字。因此iPad等常見的移動設備便無法達到清晰顯示的要求。新版C-READ依舊使用定制的段式液晶模塊(LCM)來顯示文字內容，憑借蝕刻、顯影等制作工藝，以此達到類似于數碼打印的精度，也節約了經濟成本。

表1 40 cm距離下C-READ文字的實際高度

3 軟件設計

3.1 手機APP界面和程序設計

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP在原有小程序的基礎上，圍繞實際檢查需求在設計和功能方面做了進一步完善。閱讀是從可視化的文字或圖像中獲取信息的過程[9]，因此新版C-READ檢查儀APP力求從清晰度、色彩搭配、界面布局等方面滿足用戶的視覺需求。以APP初始化界面和登錄界面為例，如圖5所示，簡潔柔和的界面設計更加符合一款視功能保健APP的風格，有效避免了繁瑣的細節設計對主試的視覺干擾。

圖5 新版C-READ上位控制APP初始化界面和用戶登錄界面

原版C-READ閱讀視力檢查儀液晶屏的亮度是始終不變的，無法根據檢查環境的實際光照條件進行調節。考慮到用戶可能受到屏幕亮度和對比度的影響，新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP根據檢查需求開發了相關功能，主試通過APP自動調節液晶屏的亮度和對比度，以適應不同的光照環境，避免對被試閱讀產生影響。本研究依托Android Studio程序開發平臺，在此編程環境下開發與C-READ中文閱讀視力檢查儀適配的上位控制APP。以亮度調節為例，APP程序通過藍牙向后臺發送“亮度指令”，單片機接收到“改變亮度指令”后啟動PWM調光，主試拖動亮度條即可完成屏幕亮度的調節，編程環境下的代碼貼圖如圖6～9所示。

圖6 “發送亮度指令”代碼貼圖

圖7 “接收到亮度改變指令”代碼貼圖

圖8 “PWM調光指令”代碼貼圖

圖9 “亮度條滑動指令”代碼貼圖

3.2 APP總體流程圖

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP總體流程圖如圖10所示。主試通過手機、iPad等移動終端打開APP啟動程序。APP會先提示操作人員進入登錄界面完成登錄并通過藍牙連接C-READ閱讀視力檢查儀，確認連接后進入視力表選擇界面。開始閱讀視力檢查環節前，主試朗讀實驗指導語，幫助被試進一步明確檢查步驟和相關注意事項。與此同時，主試還要根據實際光照環境適當調節液晶屏的亮度和對比度，防止因為屏幕光照過強或過弱影響被試閱讀。測試開始后，再次向被試強調要快速準確地閱讀句。當屏幕上出現文本時程序自動計時，APP通過語音識別檢查被試的閱讀情況，程序停止計時并與標準測試文本比對后確定被試本句的正確讀出字數。當檢查過程中，被試需要調整視線高度進行閱讀時，主試通過程序控制絲桿滑臺調節液晶屏向最低位移動以保持與被試的視線在同一高度。當被試向主試示意無法繼續閱讀時檢查結束。后臺程序會通過Matlab R2017a曲線擬合工具自動分析檢查數據并生成結果圖表。檢查項目選擇界面和被試診斷信息界面如圖11所示。

圖10 新版C-READ上位控制APP總體流程圖

圖11 新版C-READ上位控制APP檢查項目選擇界面和患者診斷信息界面

4 實驗結果與分析

40名40～70歲低視力中老年人在知情同意的前提下自愿參加了閱讀視力檢查，研究嚴格遵守赫爾辛基宣言的原則進行。在開始檢查之前，先使用國際標準近視力表對每名被試進行矯正或裸眼視力檢查，排除可能因為黃斑病變、白內障或者其他眼科問題導致無關變量影響實驗結果。將這40名中老年患者隨機分為兩組，其中對照組使用C-READ紙質圖表測試，紙質版圖表A如圖12所示。而另一組為實驗組，采用新版C-READ閱讀視力檢查儀進行測試。每位被試按照隨機順序進行ABC三個表格的測試，且在每兩張視力表測試的間隙給被試兩分鐘的放松時間，以排除視覺疲勞效應對實驗結果的影響。本實驗累計收集數據40份，均為有效數據。本項實驗的目的是檢驗新版C-READ閱讀視力檢查儀在臨床視力檢查和康復的有效性，通過分析紙質閱讀材料和使用C-READ閱讀視力儀的檢查結果之間差異是否顯著。

圖12 C-READ紙質版圖表A

實驗通過研究檢查材料不同是否會對測試結果造成影響，繼而探究新版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性。實驗采取T檢驗方法，先計算同一個患者3個視力表測驗的平均值，之后以測驗材料(紙質材料-測驗儀)為分組變量進行T值檢驗。實驗組和對照組在與閱讀表現相關的3個測量指標的T檢驗結果如表2所示，3個測量指標所對應的含義如表3所示。通過分析表2中數據可以發現，兩組被試在使用不同測試工具進行閱讀視力檢查時最大閱讀速度MRS具有顯著差異，而閱讀敏銳度RA和臨界文字尺寸CPS差異不顯著。實驗組使用新版C-READ閱讀檢查儀測得的閱讀速度約為138.7±16 WPM，而對照組在使用傳統紙質閱讀材料測驗時約為162.1±32.5 WPM。通過進一步的方差成分分析可以看出，中老年被試的個體間差異是導致最大閱讀速度不同最主要的原因。本實驗的被試群體為40～70歲中老年人，一方面可能存在即使已經參加了預實驗但還是無法完全理解測試流程的被試，他們在閱讀過程中很難快速準確地閱讀而導致速度偏慢；另一方面，在使用新版C-READ閱讀檢查儀進行測試時，中文閱讀背景老年人“謹慎閱讀”的特點更加凸顯，由于追求閱讀準確率而放慢閱讀速度，具體表現為眼跳距離短、極少采用跳讀。而對照組的測試環境更貼近于日常E字視力檢查表，被試對于檢查步驟相對熟悉也可能使其在最大閱讀速度指標方面表現更佳。但這種非自動化的視力檢查工具涉及人工測量、記錄、統計等多項可能引起誤差的因素，除此之外國內外學者的測試結果也都體現了C-READ具有良好的檢查可靠性，測試人員在臨床試驗時可以自如地互換順序，使用不同的測驗來測試一名被試閱讀功能表現的相關指標，或者用來監測和評估在一定時間內被試閱讀功能表現的變化情況。

表2 實驗組和對照組3個測量指標的T檢驗

表3 數據分析指標 指標名稱

本研究還以年齡分段將被試分成三組，分別為：40～49歲、50～59歲和60～70歲。雖然也可以兩兩之間進行T檢驗以考察平均數的差異，但由于分組數等于三組，故使用方差分析來顯示平均數的差異。因此本研究還以MRS、CPS、RA為檢驗變量，進行單因素方差分析以探究3個年齡段中老年低視力患者之間測得的閱讀表現指標的平均數，分析結果如表4所示。

表4 三組MRS、CPS、RA單因素方差分析

基于上述實驗證明了新版C-READ閱讀視力檢查儀的測量可行性，將來可以將C-READ閱讀檢查儀作為臨床干預效果的評價指標，為不同年齡段低視力群體的康復訓練提供借鑒。通過定期使用該檢查來觀測每個患者的康復進度，根據檢查結果適時調整干預治療方案，在一段時間后再次進行該檢查，可以檢驗患者的閱讀功能表現是否得到明顯改善，為建立不同年齡段被試的閱讀表現常模數據集奠定理論和實踐基礎。

5 結束語

通過設計和開發與C-READ閱讀測驗儀相匹配的上位APP，完善了C-READ軟件配置。在簡化了檢查流程的基礎上，大大降低了人力成本。語音識別功能可以實現對被試閱讀內容的判斷和統計，并自動分析閱讀表現數據，為科學指導中老年人進行更專業的日常視功能檢查和保健提供依據。此外APP的界面設計簡潔直觀，綜合考慮了色彩搭配、空間布局等因素，還增加了“實驗指導語”部分，方便主試在測試開始前幫助被試進一步明確實驗步驟和注意事項，體現了軟件設計的合理性和人文性，也為C-READ閱讀視力檢查在視功能診斷和評估方面的大范圍普及提供了技術支持。