指向式背光显示视力筛查系统的应用研究

郑 民，李瑞庄，邓冬岩，张秋丽，李佼洋，王嘉辉*

（1.湛江幼儿师范专科学校（岭南师范学院基础教育学院），广东 湛江 524084；2.中山大学 物理学院，广东 广州 510275；3.广东眼科大学附属医院，广东 湛江 524000；4.广州市弥德科技有限公司，广东 广州 510285）

0 引言

青少年近视是我国重要的医疗和社会问题，对儿童青少年身体健康以及社会可持续发展构成威胁。据世界卫生组织统计，我国目前有约6 亿人患有近视，而青少年由于课内外负担压力重、过早接触电子产品、缺乏锻炼等因素，患者总数在2 亿人以上，占近视人群的多数[1]。其中，小学、初中、高中的青少年近视比例分别为35.6%、71.1%、80.5%，总比例为52.7%，其年增长率在8%以上[2]。如不及早进行视力筛查和干预治疗，近视将逐步发展为高度近视，进而引发如白内障、视网膜脱离及青光眼等多种严重并发症，是不容忽视、需重点防治的致盲性眼病[3]。

农村青少年的近视比例虽然较城镇青少年低，但是农村地区，尤其是欠发达地区的医疗资源少，具有从业资格的验光师与实际需求群体人数相比，缺口明显高于城镇。因此，在农村开展视力筛查，对青少年近视防控具有重要的意义。而克服合格验光师和眼科医生稀缺困难，完成对农村青少年人口进行全面的视力筛查，则成为亟待解决的问题。

针对农村青少年视力筛查难的问题，本文提出一种基于指向式背光电视机的无人化视力筛查系统，可以在无验光师和眼科医生在场辅助的情况下，完成对青少年的视力筛查，保存视力数据并返回位于城镇的眼科医生，以便为近视青少年提供干预治疗方案。

1 指向式背光显示

指向式背光显示是裸眼3D 显示技术的一个重要分支，与视障光栅技术、柱透镜阵列技术等传统裸眼3D 显示技术相比，它具有清晰度高、串扰率小等特点，因此视觉较其他裸眼3D 显示更舒适，有望成为未来裸眼3D 显示的主流技术方案。

指向式背光显示系统包括高帧率液晶屏幕、直下式背光源阵列和菲涅尔透镜阵列，其中背光源阵列分为左眼背光单元和右眼背光单元，采用立体图像对在时间和空间双通道分离的方式工作，其工作原理如图1 所示。工作时，对应观众左、右眼的立体图像对左、右眼帧在屏幕上依次播放。播放左眼帧时，背光源选择左眼背光单元（图1 中绿色部分）打开而右眼背光单元关闭，此时背光光线通过菲涅尔透镜阵列在屏幕前方汇聚为左眼视区；播放右眼帧时，背光源则反相选择打开右眼背光单元（图1中红色部分）而关闭左眼背光单元，此时背光光线通过菲涅尔透镜阵列在屏幕前方汇聚为右眼视区。当观众双眼分别位于对应视区时，即可看到立体图像对。由于屏幕刷新率为120 f·s-1，因此双眼看到的左、右帧在视觉上是连续的，并能在大脑中融像形成立体感[4]。

图1 指向光源3D 显示技术原理图

根据指向式背光显示的工作原理可知，左右眼帧因为在时间上的分离，所以每帧图像的分辨率均与屏幕物理分辨率一致，能为观众提供清晰度高的画面，与视力表的空间角分辨要求匹配，适用于视力筛查。另外，左右眼图像在空间上的分离，可以使观众的左右眼看到不同的图像，通过具体图像的设计，也能与视力筛查的单眼视力检查和双眼立体视能力检查匹配。故本文选择指向式背光电视机为青少年视力筛查的显示平台。

2 视力筛查原理

视力筛查是指通过裸眼筛查以及屈光筛查辨识青少年视力情况，并将视力数据自动填入系统进行分析的一种视力检查手段。现阶段，我国的儿童视力筛查实际上是屈光不正的筛查。屈光不正包括远视、近视及散光。儿童青少年时期异常高的屈光不正或双眼屈光度不等（屈光参差）是弱视、斜视的风险因素，视力筛查可能发现这些因素，并通过到正规医院检查确诊，及早矫正以期预防或治疗弱视、斜视。

目前，代表性的视力筛查仪器有美国伟伦SureSight 视力筛选仪，它能快速筛查被测试对象的屈光信息，并具有便携性的优势。然而，青少年的视力问题不仅局限在近视、远视及散光等屈光问题，还包括色盲、立体视及双眼抑制等问题，因此对青少年的视力筛查应扩展至上述项目，以获取被测试对象完整、全面的视力信息，以便开展预防和早期干预。下面将讲述视力、色盲、立体视及双眼抑制这4 个项目在指向式背光电视机上的测试原理。

2.1 视力测试

视力是视力筛查必定测试的项目，也是最重要的视力水平指标。视力一般指裸眼视力，反映被测试对象裸眼能分辨的最小视角。实际检查中，常以视力表测量视网膜黄斑区中心凹的视敏度（即中心视力）。视力测试通过简单快速的测试手段，可以直观掌握被筛查者的初步视力情况[2]。

视力表根据视角原理设计，绘制具有不同空间精细结构的一系列监测图像。通过判断被筛查者单眼能分辨的最小开口特征结构来量化描述视力。本文选用国际标准远视力表为对象，并相应地绘制了“E”字符为视标的立体图像对，如图2 所示。由于指向式背光技术可以在不同视区内显示分属左、右眼的不同画面，因此可以将立体图像对设置为单眼具有视标的图像。具体而言，就是将左眼（或右眼）帧画面中间绘制视标，而右眼（或左眼）帧画面为留白。此时，可测量被筛查者的左眼（或右眼）视力。结束该眼测试后，再将立体图像对的左、右眼帧对换，完成另外一眼的视力测试。

图2 视力测试使用的立体图像对

国际标准远视力表根据视力读数，设定视标“E”的笔画宽度和缺口宽度，并以等差步长改变上述两种宽度，形成一系列不同特征尺寸的视标。实验中，本文所设计的视力筛查系统（后简称“本系统”）以5 分制视力表为标准，绘制视力读数从3.5至5.3 的视标。当被筛查者左眼（或右眼）裸眼可准确分辨视标时，则认为视力达到该读数。在5 分制视力表中，视力读数高于等于4.9 为正常视力。

2.2 色盲测试

色盲也是视力筛查的常见项目。色盲症又称为道尔顿症，按发病时间可分为先天和后天两类，其表现症状均为双眼视功能正常但不能分辨可见光中全部或者部分波段对应的颜色。其中先天性色盲患者男多于女（男性发病率为5%～8%，而女性约为0.2%）。色盲会对患者的生活、工作产生显著的不良影响，如色盲患者不能考取驾照，学习不能报读某些专业等。

本文将纸质测试手册（色盲本）上的假同色图制作为数字图像，进行色盲测试。假同色图是由两组非规则小色块组成的图片，如图3 所示。这两组小色块的组内色相一致或接近，饱和度有差异，但组间色相相反（形成对比色），因此其中一组作为背景，而另一组则用于表达隐藏的信息（如字符、简单图案等）。如果被筛查者能在背景中读取异色的信息，则认为该被筛查者色觉正常；反之，则根据被筛查者对隐藏异色信息的判读失误情况，判定其为色盲或者色弱。由于在色盲本检测中，被筛查者均使用双眼观看，因此，本系统在制作色盲测试图像时，将立体图像对的左、右眼帧做成一致、无视差的图案，令被筛查者可以在平面显示状态下完成色盲测试。

图3 色盲测试使用的假同色图

2.3 立体视

立体视觉（又称深度视觉）是人们通过视觉感知对象、环境的视觉深度的能力，有助于人们判断距离、掌握对象间的相互位置。立体视障碍（即立体盲）将影响患者的空间定位能力，造成生活、工作、运动的困扰。例如，飞机驾驶员、汽车驾驶员、轮船驾驶员、运动员、精密机械的操作者与制造者、外科手术医生等，都对立体视能力有所要求，因此立体盲患者在就业上会受到影响。立体视一般在6 岁前就会发育完成，如果期间出现双眼屈光不同、黄斑异位、视觉剥夺等病症，或者后天因车祸等原因，皆有可能导致立体盲。目前，立体盲是一种容易被忽略（常规的视力筛查并不进行该项目测试），但是潜在危害比夜盲、色盲更高的眼科疾病，在我国的发病率接近2.6%。因此，在青少年视力筛查中加入立体视测试是有必要的。

为全面了解青少年的视力情况，本文将立体视测试加入青少年视力筛查系统，并采用随机散点图（RDS）作为测试手段[5]。RDS 图指的是两幅立体图像对，左右眼所看到的单张图像都是由貌似随机、但隐含信息的散点组成，如图4（a）和图4（b）所示。使用单眼观看RDS 图是无法提取隐藏在散点中的图案（一般是简单的几何轮廓形状）的，但是当使用双眼观看时，在双目视差作用下，可以从散点背景中分割、提取出隐藏的图案，如图4（c）所示的效果。在测试中，让被筛查者观看不同视差的RDS 图，记录其能分辨的最小视差，当被筛查者能分辨的最小视差小于等于100″（在本系统中对应的参数数值为571）时，认为该被筛查者立体视正常；反之，则认为其立体视异常。

图4 立体视测试用RDS 图

2.4 双眼平衡测试

视力是对单眼视功能的量化评价，而双眼观看物体或场景时，则调用了双眼协调的高级功能[6]。正常情况下，通过双眼观察，能让观察对象在双眼视网膜上成像，并将视网膜反应的信号传导至大脑皮层视中枢重叠，还原为具有深度信息的形象和场景，这称为同时视。但是当双眼视力（含矫正视力）差距过大时，为避免复视和视觉紊乱，大脑会抑制其中一眼，仅使另一眼的成像被感知，这称为单眼抑制。当抑制眼发生交替时，则是交替抑制。当双眼不能将观察对象融合为一个像时，则会出现复视、混淆视或斜视问题。因此，双眼平衡也是衡量视力水平的重要指标，条件允许的情况下应纳入视力筛查范畴。

有鉴于此，本系统设计了如图5（a）和图5（b）所示的图案，供双眼平衡测试使用。当被筛查者双眼视功能正常，因为左、右眼帧是定向传输至对应眼并融像的，所以被筛查者能看见如图5（c）的视觉效果；但是存在单眼抑制时，被筛查者则只能看见图5（a）或者图5（b）的某一幅图案；融像异常时，则会出现复视、混淆视等效果。

图5 双眼平衡测试图案

3 测试系统与显示设备

指向式背光视力筛查系统包括指向式背光电视机、数据处理计算机、测试软件、操作手机以及操作App 等部分，系统工作原理如图6 所示，系统工作流程如图7 所示。

图6 测试系统工作原理图

被筛查者坐在屏幕前方最佳视距（95 cm）处，在指向式背光电视机的人眼跟踪功能辅助下，双眼可以在任一时刻都处于正确的视区内。指向式背光电视外观如图8 所示。

图8 指向式背光电视外观

打开电脑端测试软件和手机操作App 后，被筛查者完成手机和电脑间的蓝牙连接，登入测试软件，录入个人信息并选择测试项目，之后就可以在软件和App 的提示下逐步独立完成视力筛查。电脑端测试软件界面如图9 所示，手机App 操作界面如图10 所示。

图9 电脑端测试软件界面

图10 手机App 操作界面

筛查结束后，视力测试数据将保存在电脑，并发送到被筛查者手机，供医生和被筛查者使用。本系统使用的设备和软件如表1 所示。

表1 指向式背光显示视力筛查系统软硬件列表

4 测试结果与分析

指向式背光显示视力筛查系统于2019 年起，由笔者在中山大学附属眼科医院开展临床试验。经过对155 名病人的检验，与由验光师辅助开展的常规纸质媒体（如视力表、色盲本等）测试相比，两者测试结果相差小，一致性高。且指向式背光显示视力筛查具有视觉舒适、测试速度快等优点，具有在无验光师辅助下进行视力筛查的可行性[7]。

依托前期临床试验结果，本文将指向式背光显示视力筛查系统运用到偏远农村的青少年视力筛查，以完成对该系统进行走访式筛查的可行性验证。

4.1 被筛查者样本

实验中，筛查区域选择在粤西地区湛江市，具体的被筛查者选定湛江下辖廉江市石角镇第三初级中学初二级（1）班全体学生。石角镇是广东省湛江市廉江市最北的一个镇，与广西接壤，石角镇第三初级中学是镇上最小的初级中学。

参加测试的学生共30 人，年龄从13 岁至14 岁，平均年龄13.3 岁，男女比例为7 ∶23。筛查地点安排在该校课室内，室内照度明亮，达到视力测试的需求。测试现场如图11、图12 所示。

图11 中学生排队筛查现场

图12 被筛查学生独立完成筛查操作

4.2 筛查结果

30 名被筛查者均在电脑端测试软件和手机App 的提示辅助下，独立完成了视力、色盲、立体视及双眼平衡4 个项目的测试。测试过程顺利，平均用时约4 min，与验光师使用纸质媒体的测试方法（只测普通视力的两项）用时（3 min）接近。

每位筛查者的视力测试结果数据如表2 所示。

表2 湛江农村青少年视力筛查结果报表

对被筛查者双眼视力进行分析，其视力读数分布如图13 所示。从图13 可知，视力正常（双眼视力≥4.9）的被筛查者占总人数的60%，明显高于全国平均水平（28.9%）。究其原因，根据该中学教师反馈，农村地区尤其是偏远乡村，学生学习压力低于城镇学生，他们参与玩耍和体育锻炼的时间较多，同时，现在农村生活得到改善，学生家里照明条件得到保障，也降低了学生患近视的风险。然而筛查结果也反映出，仍存在视力非常差（即视力≤3.9）的学生，这说明了开展视力筛查、进行近视早期防控的必要性。

图13 被筛查者双眼视力分布直方图

全部被筛查者在色盲、立体视及双眼平衡3 项测试的结果如表3 所示。

表3 被筛查者色盲、立体视及双眼平衡3 项视力测试报表

从表3 可知，被筛查者在色盲、双眼平衡、立体视异常的发病率分别为6.67%、13.33%、30%。其中，本次筛查对象的色盲发病比例为6.67%，高于全国色盲比例（4%～5%），而立体视异常比例为30%，与报道的比例（30%）一致。可见，通过指向式背光视力筛查可以让验光师足不出户，就可以通过视力筛查系统的走访，掌握某一地区青少年群体的整体视力概况，为该地区青少年近视等眼科疾病的防控提供便利，同时也节省了人力、时间和财务上的成本，有助于落实国家提倡的青少年近视防控战略。

为了方便医生在筛查走访后完成对某一被筛查者的视力情况分析，系统在后台提供测试原始数据导出功能。以下为导出的第17 号被筛查者“刘付×凤”的原始测试数据。

上述原始结果中，括号内的数字对应视力筛查软件的原始图片素材序号，如“01_1”即为根目录中“srcimg”文件夹中的“01_1.Bmp”图片。在“E”字视力检测阶段，Input 中的数字1～4 表示“E”字朝上、朝右、朝下、朝左的方向，“Test duration”为本轮测试的整体时长，“Result”为软件检测标准中使用者的结果指标，“No Input”表示使用者未在规定时间内做出选择，“Can Not See”表示使用者选择了“看不清”的按钮。

对于上述导出数据，作如下解析。

（1）图片序号后缀对应视力表等级，由“_01”～“_13”一一对应视力3.9、4.0、4.1、…、5.0、5.1。VA_Test_L左眼“E”字视力测试共进行了7次测试，根据图片序号可知，使用者在测试过程中前4 次测试都可以正确选择“E”字朝向，但在“E”字变为标准中第一层的大小时，使用者无法在规定时间内做出选择，说明使用者可能因视力模糊等原因无法快速做出判断。接着软件给出“E”字朝向变更后，使用者做出了“看不大清”的选择，说明使用者本身对于该大小的“E”字无法正确看清，对此软件再一次给予使用者变更了朝向的“E”字，结果使用者选择了错误的“E”字朝向。整个流程下来，说明使用者的左眼视力水平停留在第一层，软件给出对应指标为3.9。

（2）使用者在右眼“E”字测试中，可以顺畅地完成“E”字逐渐变小情况下的测试，最后停留在倒数第二小的“E”字时，反复选择朝向错误，说明使用者在此“E”字大小情况下已经达到视力极限，软件给出对应指标为5.0。

（3）关于色盲测试，软件结果指标对应为：“NCB”为色盲正常，“PP”为红色盲，“DP”为绿色盲，“WC”为色弱，“PM”为红色弱，“DM”为绿色弱。从以上结果可以看出，使用者可在每次色盲选择时输入对应色盲测试图片中的数字，最终结果为“NCB”，即色盲正常（无色盲问题）。

（4）在双眼平衡测试中，软件结果指标“Normal”为双眼抑制正常，“LInhib”为左眼抑制，“RInhib”为右眼抑制，“OIDip”为内斜交叉性复视，“EIDip”为外斜交叉性复视，“LODip”为左眼上斜性复视，“RODip”为右眼上斜性复视，“ODIRo”为内旋斜复视，“ODERo”为外旋斜复视，“LCInhib”为左眼中心抑制兼有异常视网膜对应，“RCInhib”为右眼中心抑制兼有异常视网膜对应。input 的数字代表手机App 显示的是第几号图片。

从以上结果可以看出，使用者在测试双眼抑制项时，给出的手机App 界面提供的第3 个选项，即为左眼抑制的表现，同时根据上述的“E”字结果可预知，由于使用者的左眼视力模糊，导致在没有校正视力的情况下，视觉无法正常看清左眼接收到的图像，故双眼融合图像时产生了偏差，导致结果表征为左眼抑制。

（5）在立体视锐度测试中，“SV”为立体视正常，“NSV”为无立体视觉。“SV”的值代表立体视能力，范围是63、100、200、400、500、600、700，正常是在600 及以下，越小越好。参照解析1的过程，使用者在立体视锐度测试中最终停留在了最差的立体视锐度等级，同时也可参照解析2 推断，由于使用者左眼视力较差，无法清晰视物，从而导致无法融合成立体视觉。

通过上述详细数据，医生可以深入了解被筛查者的具体测试过程和情况，个性化地为该被筛查者提供详细、全面的服务，制定视力干预方案。

5 结语

青少年近视防控是关键的国民健康发展战略，而视力筛查是获取青少年群体视力概况的重要手段。目前，农村偏远地区的中小学生视力筛查囿于具从业资格验光师稀缺等因素，难以全面开展。针对这一问题，本文以指向式背光电视机为平台，联合电脑、手机及相关配套程序，组成视力筛查系统。该系统由手机App 和电脑测试程序提供提示，让被筛查者在没有验光师辅助的情况下，通过手机的人机交互独立完成视力、立体视、色盲及双眼平衡等4 个视力评价项目的测试。测试结果不仅可以让医生掌握被筛查青少年群体的视力概况，还可以通过后台导出测试过程原始数据，为眼科医生进一步分析并制定全面、详细的视力干预治疗方案提供有力保障。

本文以粤西地区一所乡村中学一个班的30 名学生为对象，进行了视力筛查实验。结果表明，由于学习压力低、体育锻炼时间较长，被筛查农村学生近视发病率为40%，显著低于全国平均发病水平，但是立体视异常和色盲率与国家青少年平均水平有差异。因此，使用指向式背光显示视力筛查系统，可以摆脱验光师不足的局限，对农村基层进行视力筛查走访，获取该地区青少年视力概况，有利于对农村地区制定个性化的近视防控策略。