基于眼動追蹤技術足踝運動認知雙重任務評估系統的信效度研究

摘要 目的：探討基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統的可靠性和有效性。方法：采用足踝運動認知雙重任務評估系統對健康受試者的眼動和足踝運動功能評測，1周后進行重測，計算組內相關系數（ICC）和進行Bland-Altman分析；用該系統對腦卒中患者進行眼動和足踝運動功能評測，并完成認知和運動功能臨床評估，分析評測參數與臨床評分的相關性。結果：健康受試者足踝運動認知雙重任務測試的重測ICCTMT-A任務=0.509～0.897，ICCTMT-B任務=0.493～0.987。Bland-Altman分析顯示，眼動注視次數、眼跳幅度、速度峰個數及平均速度4個主要參數的重測信度均具有較好的一致性。腦卒中患者的效度結果顯示，眼動注視次數、注視的空間密度與蒙特利爾認知評估量表（MoCA）評分呈負性相關；足踝運動平均速度與下肢運動功能評分、10米步行平均速度呈正性相關，與計時起立行走-減法計算測試耗時、雙任務成本百分比呈負性相關。結論：基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統具有良好的信效度，其中眼動注視次數、注視的空間密度是反映認知功能的穩定參數，足踝運動平均速度是反映運動功能和雙任務成本的穩定參數。該系統為腦卒中患者足踝運動認知功能評估提供了新技術，有望應用到運動認知功能研究和康復治療中。

關鍵詞 腦卒中；眼動追蹤技術；運動認知雙重任務；信度；效度；足踝功能

中圖分類號 R543 R608 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2025）01-0081-09

Reliability and validity of a dual task evaluation system for foot and ankle motor cognition based on eye tracking technology

WANG Xiaomeng1， 2， ZHAO Zihe3， PENG Bo 1， 2， ZHAI Xiaoxue1， 2， FENG Yutong1， 2， GAO Shuo3，

LI Chong2， PAN Yu1， 2

（1.Department of Rehabilitation Medicine， Beijing Tsinghua Changgung Hospital Affiliated to Tsinghua University， Beijing 102218， China; 2.School of Clinical Medicine， Tsinghua University， Beijing 100084， China; 3.School of Instrument

Science and Optoelectronic Engineering， Beihang University， Beijing， 100191， China）

Abstract Objective： To explore the reliability and effectiveness of a dual task evaluation system for foot and ankle motor cognition based on eye tracking technology. Methods： The motor functions of eye， foot and ankle of healthy subjects were tested and evaluated by foot and ankle motor cognition dual task evaluation system， and they were retested 1 week later. Intraclass correlation coefficient （ICC） and Bland-Altman analysis were calculated. The system was used to evaluate the motor functions of eye， foot and ankle of stroke patients， the clinical evaluation of cognitive and motor function was performed， and the correlation between evaluation parameters and clinical scores were analyzed. Results： The retested reliability of ICCTMT-A task and ICCTMT-B task were 0.509～0.897 and 0.493～0.987 respectively in the dual task of foot and ankle motor cognition in healthy subjects. Bland-Altman analysis showed that the retested reliability of eye fixations， saccade amplitude， velocity peaks and average velocity had good consistency. The validity results of stroke patients showed that the number of eye fixation and the spatial density of fixation were negatively correlated with the Montreal cognitive assessment （MoCA） score. The average foot and ankle movement speed was positively correlated with the lower limb motor function score and the average 10-meter walking speed， and negatively correlated with the time consuming and the percentage of dual task cost. Conclusion： The dual task evaluation system for foot and ankle motor cognition based on eye tracking technology has good reliability and validity， in which the count of eye fixation and the fixation density are stable parameters reflecting cognitive function， and the average foot and ankle movement speed are stable parameters reflecting motor function and dual task cost. This system provides a new technique for the assessment of motor and cognitive function of foot and ankle of stroke patients， and is expected to be applied to the research and rehabilitation of motor and cognitive function.

Key words Stroke; Eye Tracking Technology; Dual Task of Motor Cognition; Reliability; Validity; Foot and Ankle Function

腦卒中后足踝功能障礙是常見的康復問題，足踝運動不僅受運動控制神經環路控制，同時受到認知功能影響[1]。腦卒中患者行走過程中，足踝執行運動認知雙重任務能力下降，從而導致步行能力下降、跌倒風險增加[2-3]。日常生活中，步行或肢體活動與記憶、談話、思考等認知任務常同時進行，因此，具備雙重任務能力在日常功能性活動和真實世界中至關重要[4]。運動認知雙重任務訓練是當前腦卒中康復治療技術的新突破口[5]，開展運動認知雙重任務評估是識別患者雙重任務能力和有效指導其康復的前提。目前評估運動認知雙重任務能力多采用量表的定性或半定量方法，缺乏定量分析技術。眼動分析是一種通過實時追蹤眼球運動，定量分析大腦的認知加工特征和認知負荷的方法[6]。有研究采用眼動追蹤技術評估腦卒中患者上肢的運動認知雙重任務，發現腦卒中患者的眼跳次數增多與運動表現差顯著相關[7]。針對腦卒中患者與健康受試者的研究發現，執行運動認知雙重任務時兩種受試者的眼動凝視存在顯著差異[8]。研究表明眼動追蹤技術可用于監測腦卒中患者的運動認知缺陷，為神經康復策略的探索提供新思路、新方法。因此，本研究采用基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統，構建足踝運動認知雙重任務評估范式，旨在探討該方法用于評估運動認知雙重任務的可靠性及有效性，為腦卒中的雙重任務研究和康復評估提供新技術。

1 資料與方法

1.1臨床資料 選取2022年3月—2023年10月

清華大學附屬北京清華長庚醫院的健康受試者進行信度研究，共20例，均為右利足，其中男性8例，女性12例。納入標準：①既往身體健康者；②踝關節活動無受限者；③雙眼視野在正常范圍內；④年齡30～75歲。排除標準：

①認知、視力、言語、精神障礙，不能配合者；②下肢合并骨折等；③近期服用神經系統興奮或抑制的藥物。

選取2022年3月—2023年10月清華大學附屬北京清華長庚醫院的腦卒中患者進行效度研究，共30例，其中男性22例，女性8例；缺血性腦卒中20例，出血性腦卒中10例；左側偏癱16例，右側偏癱14例。納入標準：

①首次發病，病灶限定于大腦中動脈或基底動脈供血區域，發病類型包括缺血性腦卒中和出血性腦卒中；②腦卒中發病時間1～6個月；

③患側下肢徒手肌力檢查MMT gt;3級（包括跖屈背屈）；④患側下肢布氏分期≥4期且SIS量表下肢部分至少有一項lt;5分；⑤雙眼視野在正常范圍內；⑥年齡30～75歲。排除標準：①合并其他神經系統疾病者；②存在明顯的認知障礙，蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）評分lt;20分，嚴重偏側忽略，身體失認、失用等；③有嚴重失語、精神障礙，不能配合者；④下肢合并骨折等；⑤研究者判斷依從性差，無法按照要求完成研究者。

1.2方法 采用橫斷面研究設計，測試前由同一名康復醫師向符合條件的受試者說明測試方法及流程，獲得受試者的同意，并簽署知情同意書。本研究經清華大學附屬北京清華長庚醫院倫理委員會批準（批件號22207-0-02）。

1.2.1系統介紹 研究采用自主研發的足踝運動認知雙重任務評估系統，該系統可對受試者足踝運動和眼動活動實時記錄和定量評價。本研究硬件基礎設備主要由兩部分組成，第一部分是足踝機器人；第二部分是帶有顯示器的眼動追蹤設備。這兩部分之間為非接觸式連接，以保證足踝關節機器人帶動關節運動時眼動設備的穩定性。眼動設備置于患者前方60～70 cm處，以保證眼動數據采集的準確性與有效性。其中眼動追蹤設備參數為：①眼動監控支持雙屏；②監控分辨率為1920×1080；③自啟動眼動服務（9000端口，UDP服務，基于WIFI連接）；④興趣區范圍定義為眼動儀最佳有效范圍，即眼動視區落在屏幕56%～64%；⑤可遠距離跟蹤眼睛（凝視）和頭部運動，最大采樣頻率為

60 Hz/s，精度為0.5°。足踝機器人包括位置傳感器，用于采集足踝運動時的參數數據；眼動追蹤裝置包括視覺傳感器，用于采集眼球運動時的參數數據；處理裝置可以基于眼動數據分析受試者在踝關節運動過程中的注意力狀態，可同步采集受試者執行足踝運動認知雙重任務過程中的足踝運動及眼動數據。系統組成框架如圖1。

1.2.2足踝運動認知雙重任務測試 受試者端坐于距離電腦屏幕60～70 cm的位置，根據受試者個人舒適程度調整試驗專用椅高度及靠背距離。被測下肢膝關節伸直位，踝關節放于足踝機器人足托中，用綁帶妥善固定。進行評估測試前，完成眼動校準。用戶注冊后設定踝關節主動活動角度，隨后進行連線測試（Trail Making Test，TMT）采集眼動即足踝參數數據。首先，進行預測試以指導患者熟悉目標范式，然后進行正式測試，受試者先后完成難度不同的兩個測試，即TMT-A任務和TMT-B任務（如圖2）。以TMT-A任務預測試為例：要求受試者按照數字順序完成足部運動，使得白圈達到對應數字圈中（如圖2A中從1至2再至3），綠色代表成功，紅色代表失敗，需要回到紅色區域繼續測試。TMT-B任務增加難度，要求受試者按照數字-字母順序完成足部運動（如圖2B中從1至A至2再至B）。測試完成后，健康受試者需1周后進行復測，腦卒中患者需在同一時間段完成臨床功能評估，包括MoCA、下肢運動功能（Fuyl-Meyer Assessment Lower Extremity，FMA-LE）、10米步行平均速度、計時起立-行走測試（Time Up and Go Test，TUG）、TUG-減法計算測試。測試流程如圖3。

1.2.3觀察指標

1.2.3.1眼動參數：①主要指標包括注視次數、眼跳幅度；②次要指標包括首次注視時間、速度峰之前眼跳數百分比、速度峰之后眼跳數百分比、注視率、凝視時間、注視的空間密度、到達的眼跳次數、停留的眼跳次數。

1.2.3.2足踝參數：①主要指標包括速度峰個數、平均速度；②次要指標包括總耗時、錯誤數、速度峰值、平均到達時間、總跨度。

1.2.3.3臨床評估效標指標：①認知功能指標包

括MoCA評分；②運動功能指標包括FMA-LE評分、10米步行平均速度；③雙任務成本（Dual Task Cost，DTC），本研究基于TUG測試來計算，DTC百分比=100%×[（TUG測試時間-TUG-減法計算測試時間）]/TUG測試時間[9-10]。

1.3統計學方法 所有數據均采用SPSS 25.0統計學軟件進行統計與分析。符合正態分布的計量資料采用獨立樣本t檢驗，以均數±標準差（x±s）表示；計數資料采用例數（百分比）[n（%）] 表示；非正態分布的計量資料采用中位數（四分位數間距）[M（P25，P75）]表示。測試參數數據采用Mann-Whitney檢驗，重測信度采用組內相關系數（Intraclass Correlation Coefficient，ICC）及Bland-Altman圖可視化測試主要指標的測量精度[11-12]。效度研究中，采用Spearman相關性分析，相關度劃分標準為：| r | lt;0.4 表示低度線性相關，0.4≤| r | lt;0.7 表示中度線性相關，0.7≤| r | lt;1表示高度線性相關。Plt;0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1一般資料 健康受試者與腦卒中患者的性別、年齡、身高、體重等一般資料見表1。

2.2健康受試者重測信度結果 在95%置信區間下，健康受試者TMT-A任務評測參數重測信度的分析結果顯示，注視次數、首次注視時間等15個評測參數的ICC值為0.509～0.897，顯示出中等—高度的一致性（ICC等級劃分標準為[13]：lt;0.40為信度差；0.40～0.59為信度中等；0.60～0.74為信度良好；gt;0.75為信度高）。錯誤數、總耗時2個評測參數在兩次測試的組內一致性較差（ICC值為0.319～0.375）。TMT-B任務測試重測信度分析結果顯示所有參數的ICC表現出中等—高度的一致性（ICC值為0.493～0.987），見表2。

2.3 Bland-Altman分析 Bland-Altman圖分析顯示，健康受試者TMT-A任務測試與TMT-B任務測試主要指標的數據平均分布在零附近，結果中沒有偏差，數據中沒有異方差，重測信度具有較好的一致性（如圖4～5）。

2.4同時性效標效度結果

2.4.1腦卒中患者眼動參數效標效度結果分析

腦卒中患者足踝運動認知雙重任務眼動參數的效標效度結果顯示，在TMT-A任務測試中，注視次數、注視空間密度與MoCA評分呈負相關性（Plt;0.05）；到達的眼跳次數、速度峰之前眼跳數百分比、速度峰之后眼跳數百分比與雙任務成本呈正相關性（Plt;0.05）。在TMT-B任務測試中，注視次數、首次注視時間、注視的空間密度與MoCA評分呈正相關性（Plt;0.05），見表3。

2.4.2腦卒中患者足踝參數效標效度結果分析

腦卒中患者足踝運動認知雙重任務足踝參數的效標效度結果顯示，在TMT-A任務測試中，速度峰值、總跨度與FMA-LE評分呈正相關性（Plt;0.05），總耗時與TUG-減法計算測試、雙任務成本呈正相關性（Plt;0.05），平均速度與FMA-LE評分、10 m步行平均速度呈正相關性（Plt;0.01），與TUG-減法計算測試、雙任務成本呈負相關性（Plt;0.01），在TMT-B任務測試中，平均到達時間與TUG-減法計算測試、雙任務成本呈正相關性（Plt;0.05），平均速度與FMA-LE評分、10 m步行平均速度呈正相關性（Plt;0.01），與TUG-減法計算測試、雙任務成本呈負相關性（Plt;0.01），見表4。

3 討論

本研究旨在探究基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統的信效度。研究顯示，該系統具有良好的重測信度與效度，填補了該領域研究的空白。

眼動追蹤技術廣泛應用于注意力認知機制研究，通過分析眼動指標反映大腦認知加工[14]。研究表明，注視次數等指標能有效反映認知負荷和搜索效率[15]。TMT任務是經典的神經心理學測試，同時是一種經典的視覺搜索任務，常用作視覺掃描、運動速度和執行功能的研究[16-17]。Singh T等人[7]，Meadmore K L等人[18]發現執行基于TMT任務范式的運動認知雙重任務的困難受上肢運動與眼動認知之間的干擾作用影響，推測眼動表現可能會影響腦卒中患者康復結局。這些研究均為眼動追蹤技術應用于認知評估提供了科學依據，然而目前并沒有學者對基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估進行研究，因此本研究采用基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統，構建足踝運動認知雙重任務的TMT評價范式，驗證評估系統的重測信度和效度。

本研究對健康受試者足踝運動認知雙重任務評估信度分析結果表明，大多數參數具有良好重測信度。通過Bland-Altman圖分析[11，19]，兩次測量的主要參數顯示出良好的一致性。其中TMT-B任務的足踝評測參數一致性更佳，這可能與任務難度、復雜性及完成順序等因素有關[20-22]。而兩種任務的眼動評測參數均表現出良好的一致性，這與Nie J等人[23]研究發現眼動參數是不受學習效應影響的穩定認知指標的研究結果一致，為眼動追蹤技術應用于運動認知雙重任務評估提供了參考依據。

Kahya等人[24]研究發現瞳孔反應是反映執行平衡雙重任務期間認知工作量的眼動指標，而目前尚缺乏可以有效反映執行運動認知雙重任務期間的認知及運動表現指標。本研究對腦卒中患者足踝運動認知雙重任務評估效度分析結果表明，腦卒中患者眼動注視次數、注視的空間密度與認知功能評分相關，足踝運動平均速度與運動功能、雙任務成本相關。這些指標為運動認知雙重任務評估提供了新的生理學和生物力學指標，有助于更客觀、定量地反映參與者的特征。足踝運動認知雙重任務評估打破了傳統單一評估方法的天花板效應，為高功能腦卒中患者提供評估新方法。同時測試指標具有雙任務效能，測試結果更客觀，是一種可靠、有效的運動認知雙重任務評估方法。

本研究存在一定的局限性。為避免腦卒中患者臨床康復訓練對重測結果的影響，本研究僅對健康人群進行信度研究，且足踝運動認知雙重任務評估系統主要適用于中度至高功能的腦卒中患者。未來可通過嚴格控制混雜因素，優化足踝機器人的性能，建立一套更加完整的足踝運動認知雙重任務評估方法。

綜上所述，基于眼動追蹤技術的足踝運動認知雙重任務評估系統為腦卒中患者提供了一種新的評估方法，具有客觀、多維度的評估優勢，可用于定量評估腦卒中患者的足踝運動認知雙重任務能力，有望為臨床研究及康復療效評估提供新方法，為康復治療提供科學指導，具有重要的臨床價值和意義。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：王小蒙負責設計論文框架，起草論文；王小蒙、彭博負責實驗操作，研究過程的實施；王小蒙、翟曉雪、馮雨桐負責數據收集和分析；王小蒙、趙子賀、潘鈺負責論文修改；高碩、李翀、潘鈺負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最后定稿。

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收稿日期：2024-04-22

編輯：崔明璠

基金項目：首都衛生發展科研專項項目（首發2022-2Z-2242）；國家重點研發計劃重點專項（2022YFC3601100）

Foundation Item： Special Project for Capital Health Development and Scientific Research （Capital Development 2022-2Z-2242）; Special Project of National Key R amp; D Plan （2022YFC3601100）

通訊作者：高碩，Email：shuo_gao@buaa.edu.cn；李翀，Email：chongli@mail.tsinghua.edu.cn；潘鈺，Email：panyu@btch.edu.cn

Corresponding Author： GAO Shuo， Email： shuo_gao@buaa.edu.cn; LI Chong， Email： chongli@mail.tsinghua.edu.cn; PAN Yu， Email： panyu@btch.edu.cn

引用格式：王小蒙，趙子賀，彭博，等. 基于眼動追蹤技術足踝運動認知雙重任務評估系統的信效度研究[J]. 機器人外科學雜志（中英文），2025，6（1）：81-89.

Citation： WANG X M， ZHAO Z H， PENG B， et al. Reliability and validity of a dual task evaluation system for foot and ankle motor cognition based on eye tracking technology[J]. Chinese Journal of Robotic Surgery， 2025， 6（1）： 81-89.