快速序列视觉呈现方式与其他类型视标实时调节反应的差异

乐融融 郑志利 叶慧芳 姜珺 宋佳丽 贺极苍

作者单位：1温州医科大学附属眼视光医院 眼视光学院 325027；2美国波士顿新英格兰视光学院，波士顿 02115

目前大量研究已经证实，近距离阅读与近视发生发展存在密切联系。如何在阅读状态下实现实时调节反应的测量一直是近视研究中的关键问题。由于仪器和视标的限制，目前大多数研究仍局限于固定视标、短时间调节数据的采集。使用的视标主要可分为不可阅读视标和可阅读视标。不可阅读视标通常是单一的符号或字母，最常见的是经典的马耳他视标[1-3]，因为观察的单调性，受检者的注意力很容易分散，不适合长时间测量。可阅读视标往往是一段文本，常被用来模拟自然阅读状态，由于存在阅读相关的眼睛扫视和头部运动，调节测量结果的准确性往往受到影响。20世纪50年代，Gilbert第1个提出在阅读过程中1次只为读者提供1个单词的设想[4]。这项提议后来发展为一种快速序列视觉呈现技术（Rapid serial visual presentation，RSVP），即在一个固定点呈现单个字符或词语[5-6]。通过调整参数，阅读材料可以在屏幕上任意位置显示，字体大小、呈现速度和文本内容都可以改变。RSVP有助于在连续阅读的过程中，将头部运动和眼睛的扫视的影响降至最低。本研究旨在分析RSVP作为阅读视标与其他目前常用视标在实时调节反应测量中的差异。采用具有开放视场的红外验光仪，测量阅读或注视4种不同视标过程中的调节反应和调节微波动，比较不同视标下实时调节反应的差异。

1 对象与方法

1.1 对象

收集2019 年4—10 月在温州医科大学附属眼视光医院就诊的近视患者33 例，其中男15 例，女18例，年龄15～28（22.1±4.8）岁。屈光度为-5.50～-0.75 D，等效球镜度（SE）为（-3.81±1.67）D。纳入标准：①所有受检者的双眼使用框架眼镜进行矫正，度数等于SE，矫正后视力均为1.0 或更高；②散光≤0.75 D；③近视度数>-6.00～-0.50 D。排除标准：①所有与视力相关的眼部疾病；②患有与调节功能相关的双眼视功能障碍；③散光>0.75 D；④近视度数≤-6.00 D。在测量开始前，受检者要配戴矫正的框架眼镜至少连续适应2 h。受检者双眼注视视标进行测量，只有右眼的数据纳入分析。本研究遵循赫尔辛基宣言，并得到了温州医科大学科学伦理委员会的批准（批号：2019-071-K-70），所有研究获得受检者或其家属的知情同意，并签署知情同意书。

1.2 调节参数的测量

通过调节测量系统（见图1）进行调节相关参数的测量。系统由一个视野开放的Grand Seiko WAM-5500自动红外验光仪（日本精工株式会社），5.6 英寸富士通U2010 笔记本电脑（屏幕分辨率1 024×768，对比度95.1%，屏幕亮度为120 cd×m-2）以及可调节距离的支架构成（见图1A）。将研究中的视标呈现在显示屏中央，红外验光仪位于视标和受检者右眼之间，屏幕放置于受检者右眼正前方，视标中心、仪器的检测中心及受检眼的视轴三者重合（见图1B）。目前，Grand Seiko系列验光仪在儿童和成人的调节测量中均已经被证实具有良好的可重复性及精确性[7-8]。在高速模式下，验光仪与计算机连接，可进行每秒5次的屈光度检测[9]。

图1.调节测量系统A：Grand Seiko WAM-5500红外验光仪，视标显示在距离受检者33 cm的显示屏的中央；B：示意图，视标放置在受检者右眼的正前方Figure 1.The accommodation measuring system.A:Auto Ref/Keratometer Grand Seiko WAM-5500 with custom visual targets presented on a laptop computer screen at a distance of 33 cm from the subject.B:The target or the reading materials coincided with the axis of the subjects' right eyes.

1.3 视标的设置

将视标放置在距离患者33 cm处（形成3.00 D调节刺激，见图1）。每名受检者分别在以下4种视标下进行5 min的阅读/注视：①RSVP，显示内容为中文版的《哈利波特》（见图2A）；②随机RSVP（Random RSVP，Rand-RSVP），显示内容为中文版的《哈利波特》，字符随机呈现（见图2B）；③马耳他视标，对比度为90%，对应视角10°（见图2C）；④文本窗，一组可滚动阅读的文本，显示内容为中文版的《哈利波特》（见图2D）。

图2.受检者阅读或注视的4种不同类型的视标A：RSVP，快速序列视觉呈现模式，显示内容为中文版《哈利波特》；B：随机RSVP，随机快速序列视觉呈现模式，显示内容为中文版的《哈利波特》，字符随机呈现；C：马耳他视标；D：文本窗，一组可滚动阅读的文本，显示内容为中文版的《哈利波特》Figure 2.The four different types of visual targets.A:RSVP,rapid serial visual presentation,with a reading paradigm from a translated Chinese version of Harry Potter.B:Random RSVP,RSVP reading paradigm with random Chinese characters from the Chinese version of Harry Potter.C:Maltese Cross.D:Windows Text,window reading from Chinese version of Harry Potter.

视标①和②，通过RSVP软件以每分钟150 个汉字的速度逐一呈现阅读内容。对于视标③，显示器上的文本窗对应的视角为水平9.5°，垂直4.5°。受检者可根据自身阅读速度，自行滚动文本窗口来控制内容。视标①、②和③，汉字的大小为12 pt（每个字符高度42 像素），对应的视角为0.729°[10]。在进行视标①和③测量时，要求受检者在不发出声音的情况下阅读；进行目标②和③试验时，要求受检者以与阅读时相同的“努力”来看着视标[11]。

1.4 操作步骤

受检者用双眼阅读或注视视标时，Grand Seiko WAM-5500记录右眼的动态调节反应（仅右眼数据用于调节分析）。每个视标的试验时间为5 min，随机法确定视标测试的顺序。每2 个视标测量之间，患者休息5 min。

1.5 数据处理方式

采用Grand Seiko WAM-5500高速模式进行测量，剔除眨眼带来的测量误差、极端值、测量结果波动大于6 D/s的值以及相邻2 次测量值之差大于2 D等非正常数据[6]。

调节变异度是整个时间段内调节反应的标准差，代表调节的稳定性。调节的微波动是指在调节过程中调节反应并不是稳定不变的，而是在某一值上下浮动，发生的微小变化的现象[12-13]，即使注视静止刺激时也是如此，它是反映调节系统稳定性和成像效果的重要指标。本研究对调节微波动的数据进行了频谱分析，5 min检测数据被均分为20段（每段15 s）。应用扩展傅里叶分析，在每个时间段里分别产生20个独立的能量频谱。在0.02 Hz的频率分辨率下，平均这些频谱的能量[1]。根据文献分类[1，14]，将频谱分为：0.0～0.6 Hz的低频区（Low frequency component，LFC），0.6～0.9 Hz的中频区（Medium frequency component，MFC），1.0～2.0 Hz的高频区（High frequency component，HFC），每个频域的能量值将被分别计算。

1.6 统计学方法

前瞻性研究。使用SPSS 24.0 进行统计分析。采用单因素方差分析和LSD-t比较4个视标下调节反应、调节变异度和调节微波动能量的差异；采用配对t检验比较试验初期10 s内与5 min内平均调节反应的差异。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 平均调节反应及调节变异度

在5 min内，受检者阅读RSVP、随机RSVP、马耳他视标及文本窗时调节反应分别为（2.30±0.28）D、（2.31±0.29）D、（2.13±0.36）D及（2.40±0.22）D，与RSVP、随机RSVP和阅读文本窗比较，马耳他视标调节反应最低，差异均有统计学意义（t=2.45，P=0.016；t=2.57，P=0.011；t=3.85，P<0.001）。5 min内，受检者在4组视标下调节变异度分别为（0.15±0.05）D、（0.20±0.09）D、（0.22±0.12）D及（0.18±0.04）D，受检者注视马耳他视标时的调节变异度均大于阅读RSVP、随机RSVP、文本窗，差异均有统计学意义（t=4.32，P<0.001；t=1.86，P=0.065；t=2.93，P=0.04）。受检者注视随机字符RSVP的调节变异度大于阅读有文本内容的RSVP，但差异无统计学意义（t=2.46，P=0.15）。

2.2 调节微波动频谱分析

将对受检者5 min内连续调节数据进行频谱分析，分为低频、中频及高频能量。与注视RSVP相比，在低频区能量分布区，患者注视马耳他视标时平均微波动能量最大，差异有统计学意义（t=30.32，P<0.001）；在中频区和高频区能量分布区，受检者注视阅读文本窗时平均微波动能量最大，差异有统计学意义（中频区，t=32.41，P<0.001；高频区，t=38.26，P<0.001）。见图3。

图3.4种不同视标下不同频率区间的平均调节微波动能量A：低频区能量；B：中频区能量；C：高频区能量。误差线表示±标准偏差。a，与RSVP比较，P<0.01Figure 3.The average power of accommodative microfluctuations for the four different visual targets.A:Low-frequency component.B:Medium-frequency component.C:Highfrequency component.Error bars show ±1 standard deviation.RSVP,rapid serial visual presentation;Rand-RSVP,random RSVP.a,Compared to RSVP,P<0.01.

2.3 10 s与5 min内平均调节反应比较

受检者在每个视标下的5 min持续调节反应被分成30段（每段10 s），计算每个片段中的平均调节反应和标准差（见图4），可观察到5 min内实时调节反应的变化趋势。

测量开始后前10 s的平均调节反应与5 min内平均调节反应之间存在差异。所有受检者阅读RSVP、随机RSVP、马耳他视标及文本窗视标的最初10 s的调节反应分别为（2.4±0.26）D、（2.41±0.24）D、（2.37±0.34）D和（2.43±0.24）D，而5 min内平均调节反应分别为（2.3±0.28）D、（2.31±0.29）D、（2.13±0.36）D和（2.4±0.22）D。除文本窗视标外，受检者在阅读RSVP、随机字符RSVP和马耳他视标时，最初10 s的调节反应均高于5 min内调节反应的均值，差异有统计学意义（t=2.30，P=0.028；t=2.45，P=0.020；t=3.71，P=0.001）。

图4.4种不同视标下每10 s内受检者的平均调节反应值变化Figure 4.Average accommodative response of subjects every 10 seconds when viewing the four different visual targets.

3 讨论

目前，近视进展与近距离工作，尤其是阅读之间的关系已经被广泛证实，然而关于可阅读调节视标的研究却非常有限。在本研究中，我们首次比较了RSVP与其他常用调节视标在进行的实时调节反应和调节微波动测量中的差异，研究发现受检者在5 min试验中，阅读文本窗时，调节反应值最大，调节微波动中频和高频区的平均能量明显增加；在注视马耳他视标时，调节反应值最低，调节变异度最大，同时低频区能量明显增加。试验开始后前10 s的平均调节反应与5 min内平均调节反应之间存在明显差异。

以往研究发现，对阅读内容的理解可以影响调节反应测量的结果，通过对注意力、练习、自主意愿和本体感受等的训练都可以增加受检者的调节反应[15]。Yeo等[16]提出阅读不同文字也可能影响调节反应，对正视和进展性近视儿童研究发现，阅读中文时的调节滞后低于阅读拉丁文。汉字相对来说结构更为复杂，要分辨并理解这些内容需要付出更高的调节反应。Radhakrishnan等[17]对中国文盲青年的研究发现，将汉字和拉丁文分别呈现在正视眼和近视眼青年中，二者引起的调节反应相似。这提示调节反应与认知需求存在一定关系，刺激是否可被识别、被认知会直接影响调节测量的结果。本研究中，虽然受检者在阅读RSVP和注视随机字符RSVP时有相当的调节反应，但是RSVP组调节变异度更低，这提示有阅读需求的动态视觉任务可以提高调节的稳定性，而非阅读的动态视标在调节控制方面效果较差。

马耳他视标是一种经典的调节视标，在既往许多研究中被广泛使用[1-3]。该视标空间刺激频率相对较低[18]，视标覆盖视野中心区域，同时在各个方向上都有细节[19]，这样即使环境亮度在一定范围内变化时，人眼焦深也不会发生明显变化，从而维持了调节反应和调节微波动的稳定性。马耳他视标中心区的细节，有助于在短时间内保持固视。但是马耳他视标是一个静态的、不可阅读的视标，受检者很难长时间保持注意力从而维持调节反应。在本研究中，受检者在注视马耳他视标时，调节反应随时间明显下降，同时调节变异度增大，调节微波动中低频能量明显增加。研究表明，调节微波动的低频能量随着外界刺激如瞳孔大小、目标亮度、离焦和空间频率[20-21]的变化而变化，它是调节微波动中真正与调节系统控制相关的成分[12]。在注视马耳他视标时，调节系统必须对单一的刺激信号保持相同水平的调节，不仅调节反应明显下降，调节微波动的能量也明显提升，提示静态的视标难以维持有效而稳定调节。

研究发现，仅仅在持续阅读数分钟后，眼部相关的生物学参数就会发生相应的变化[22-23]。既往关于调节的相关研究，多数仅测量注视视标后数秒内的调节反应值。为了探索阅读初期的调节反应测量值是否等同于持续阅读调节反应，我们比较了最初10 s和整体5 min内的平均调节反应。结果显示，连续阅读5 min后，平均调节反应普遍下降。这一现象在非阅读视标（随机RSVP和马耳他视标）中较为显著，这可能是由于视标本身无法进行持续阅读，无法吸引受检者的注意力引起的，对于不可阅读视标不宜进行长时间测量。

Harb等[14]发现在连续阅读2～3 min后，受检者调节滞后会减少，此后调节反应会逐渐变得稳定，于是提出过一段时间阅读适应后，调节系统会进入相对稳定的状态。这一现象在本研究中也得到了验证。对不同视标下的实时调节测量数据按每10 s进行分析，发现在阅读RSVP和文本窗约2 min后，平均调节反应逐渐趋于稳定。提示早期的测量结果并不能完全代表持续阅读下调节反应，对于阅读相关的调节研究，采用可阅读视标完成一定时长下的持续阅读，测量结果才能反映真实的调节反应。

在本研究中，与RSVP相比，受检者在阅读文本窗时平均调节反应增高，同时在对调节信号进行频谱分析时，发现调节微波动的中频和高频区能量显著增加。根据既往研究，一般认为调节频谱中的中频和高频成分不受神经控制影响[24-25]，它们的来源一般被认为可能来自人体节律信号的干扰，如脉搏[26]。本研究中使用的文本窗视标在显示终端上对应的水平视角为9.5°、垂直视角为4.5°。尽管这一区域对应在视网膜黄斑附近，但受检者在阅读过程中仍会有扫视和头部运动，Grand Seiko WAM-5500在测量时不可避免地纳入周边屈光的测量结果，而不是单纯的调节反应。大多数受检者在5 min内能阅读2 000～2 500个字符（含标点）。由于窗口文本每行通常有12 或13 个字符（含标点），这意味着受检者在5 min内需要340～420次扫视，相当于1.1～1.4 Hz，这在调节微波动频谱中属于中频区和高频区的范围内，故中频及高频能量的增高与阅读中扫视运动可能存在一定关系。

将RSVP应用于即时调节反应的测量，即可以控制受检者的专注力，又可以有效地避免眼部扫视、头部微动等因素对测量精确性造成影响。但是阅读是一个复杂的眼-脑联动过程，在最近的1项研究中显示[27]，将眼动追踪仪和脑电图结合起来，记录受检者在自然阅读和使用RSVP时大脑电活动的差异，视网膜旁中心凹处接收到的视觉刺激可以促发眼球在阅读中扫视的发生。在自然阅读状态下，视网膜旁中心凹可以接收更多的阅读线索，故高层神经机制可参与到对阅读内容的识别中，而RSVP由于规避了这些旁路信号的输入，与自然阅读状态仍存在一定的差异。

在注视/阅读不同类型的视标时，受检者显示出不同的即时调节反应及调节微波动。与RSVP视标相比，阅读文本窗视标时，平均调节反应更大，高频及中频区的调节微波动能量最高；而注视马耳他视标时，平均调节反应较小，低频区调节微波动能量最高。RSVP视标所提供的可阅读的调节刺激，可引发持续、稳定的调节反应，可用于调节及阅读的相关研究。

利益冲突申明本研究无任何利益冲突

作者贡献声明乐融融：撰写论文，参与选题、设计、资料的分析和解释，修改论文中关键性结果、结论，根据编辑部的修改意见进行核修。郑志利、叶慧芳：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释。姜珺：参与选题、设计。宋佳丽：参与撰写论文；根据编辑部的修改意见进行修改。贺极苍：参与选题、设计和修改论文的结果、结论