1. 引言
双眼视觉的正常运作包括感知和运动(sensory and motor components)以确保眼睛正确对准目标物。感知融合(sensory fusion)负责两只眼睛的影像感知，运动融合负责保持感知融合使眼睛对准。如果人为地将一只眼睛排除参与视觉之外，即双眼视觉的感知和运动融合被暂停，则在大多数被检者中可能出现相对视轴偏差，这被称为隐斜视 [1]。当融合机制无法正常运作时，就会出现一只眼睛明显的偏离。这种偏差称为斜视。虽然斜视是明显的偏差，但隐斜视是潜伏的，只有在正常融合机制中断时才会显现出来。如果一只眼睛的视轴收敛或发散多于另一只眼睛，则此偏差可能是水平的。如果一个视轴高于另一个视轴，则为垂直；如果由于一只眼睛的顺时针或逆时针旋转而导致眼睛错位，则为“旋转”(cyclorotary)。
隐斜视可能导致诸如视觉疲劳、头痛或复视的症状 [2]，因此在临床验光中通常对其进行评估。有多种方法可以测量隐斜视，例如遮盖测试或改良的索灵顿(Thorington)测试。
遮盖测试有很多种不同的方法。单边遮盖测试包括遮盖一只眼，观察另一只眼的运动。如果不遮盖的眼睛移动以注视，则被检者表现为斜视。反之，如果另一只眼没有运动，则遮盖另一只眼，然后观察原被遮盖这只眼睛，一旦确定原被遮盖这只眼不动，则被检者表现为正视。通常进行遮盖测试以确定被检者是否患有斜视。遮盖测试等同于单边遮盖测试，检查者观察去除遮盖后眼睛的运动情况。如果存在隐斜视，则被遮盖的眼睛会移动到斜视位置，实时移除遮盖时，眼睛会朝相反的方向移动以恢复注视。无论是隐斜视或斜视，交替遮盖测试都可以获得最大的眼偏差。在这种情况下，遮盖片快速地从一眼切换到另一眼，可避免遮挡之间遗失双眼视注视时期。被检者注视远方目标后，以遮盖板交替遮盖左右眼，仔细观查刚刚未遮盖的一眼之移动方向，看其眼球是否有移动；如果在单边遮盖时，眼球没有移动，但却在交替遮盖测试中，发现有眼球移动，则表示可能有斜位。三种遮盖测试方法中，量测偏差量可以用棱镜棒抵消恢复运动(或重新注视)，即由棱镜遮盖测试所需的棱镜屈亮度(PD)的量来获得。距离棱镜1米处产生1公分光线偏转时，定义为具有1 PD。因此，眼睛旋转的度数可以转换为PD，其值为切线旋转角的100倍。遮盖测试被认为是一种客观方法，因为其结果不取决于被检者的答案，而取决于验光师的标准和能力 [3] [4] [5]。
在临床试验上使用遮盖测试来测量隐斜视是非常普遍。但是，它具有一些局限例如其非客观性。尽管测试结果取决于检查者，不取决于被检者的回答。经统计临床上经验丰富和新手验光师之间没有明显平均差异，尽管相当广泛有95%同意的限制。验光师间测试差异的另一个来源可能是对中和点使用不同的标准。测试结果记录的运动终点仍然不是清楚。一个可能的端点是看不到移动的第一棱镜量(第一中性点)。其他可能性是在第一个中性点之后的棱镜范围内的任何点，包括其中看不到眼睛的额外运动，或导致眼睛反向运动的棱镜的反转点。它通常接受的是一些执行方面，例如遮盖的时间对测量隐斜视具有直接的影响。较差的分辨率也是遮盖测试的限制。在理想条件下，检查者裸眼检测到的最小眼球运动为2 PD (prism diopter) [6] [7]。因此，在临床上常用于确定阈值为2 PD，此值尚未确定对诊断具有意义，而是由于测量测试的限制。最后，一个事实，即基本上无法观察被遮盖眼睛的事实，阻碍分析眼如何达到其斜视位置 [8]。一般认为修改后的索灵顿测试简单，被检者易于理解。主要缺点是主观性，其测试结果取决于被检者的回答。特别强调要求被检者保持集中在MIM卡的网格和编号。所使用的分离系统会在眼睛和异常的观看条件之间造成竞争，因此不利于调节的适当控制。
这些限制可以透过使用眼睛追踪系统来克服。从眼动仪的记录中计算被检者隐斜视的实际眼睛偏差，而不是靠被检者主观性或检查者之一。而且，如果使用适当的遮盖片，则可以记录被遮盖的眼睛的运动，执行过程自动化，以便始终平等地执行测试。经遮盖试验证实，使用眼睛跟踪系统皆能完整记录遮盖板遮盖和掀开期间眼球的动态特性。
2. 原理
2.1. 双眼视觉
双眼视觉是一种具有组织性的视觉功能，外界物体影像经眼球屈光系统聚焦分别落在两个眼球视网膜对应点上，经过视觉系统整合与协调运动，完成一个完整且具有立体视觉的过程 [9]，又称为双眼单一视，架构于感觉、整合和运动三大机转。简述如下：
1) 感觉机转(sensory system)：主要功能是接受外界视觉的刺激，包括物体的形状、方位及颜色。整个运作包含了视觉系统在眼球解剖生理上的发育性、生理性成因及神经传导至大脑视觉皮质的影像形成等。
2) 整合机转(integrative system)：主要功能是将感觉机转汇整之视觉信息，融合形成单一视觉知觉区。视觉整合过程的融像作用影响其他机转运作，丧失或不足的融像能力也常因其他机转所造成。
3) 运动机转(motor system)：主要功能是眼外肌协调作用能力，除眼外肌作用外，与感觉机转的调节作用与瞳孔反应有密不可分的关联。运动机转障碍从外观很容易观察，而且常有明显症状产生。
三大机转是一种阶层的排列，密不可分的知觉反应，每项机转作用干涉其他机转功能。可分为三种层级融像，第一层级融像(同时视)为不相同物体影像成像于双眼视觉相等的位置上。第二层级融像(融像视)为单一个物体影像同时反应在视觉与知觉上，成为方向与目标的认知。第三层级融像(立体视)为融合不同目标产生立体视，形成三度空间。
隐斜视(Heterophoria)又称为斜位(Phoria)，是双眼在无融像下视线偏移固视目标的眼位偏移现象。当眼睛直视远方目标时，双眼必须维持平行视轴，以达到融像需求。如果融像被阻断则融像反射会中止。由于眼睛注视远点时调节处于休息状态，眼外肌形成僵直作用，此时眼睛生理安静位置既为斜位的位置。隐斜视量值以两眼固视位置和生理安静位置之间的差异来定义。隐斜视大多属于补偿性作用，在外观上通常没有明显症状，除非阻断其中一眼视线，否则症状会因为补偿作用而压抑。间歇性症状会偶尔困扰被检者，但差异性不高，所以被检者很容易养成适应能力，让症状检查更加困难。临床检查时必须利用遮盖的方式破坏两眼融像机能，使眼位呈现偏移，如图1所示。在检查上必须经由眼位偏移方向、隐斜视大小量值、注视距离及是否为补偿性作用等作为区分。
Figure 1. The eye position offset after destroying the function of the two-eye fusion
图1. 破坏两眼融像机能后眼位偏移
隐斜视依眼位偏移方向分类，测量隐斜视眼位偏移必须将融像状态破坏才能呈现。隐斜视的单位为棱镜度(Δ)，大部分隐斜视属于补偿性作用，故斜位量不会很大，一般都在5Δ~20Δ之间。斜位量值必须在融像破坏下做检测如遮盖法或棱镜分离法等，以远点与近点斜位量值做比较，可以判定斜位的型态。一般远点斜位检查测量固视距离为6公尺，近点斜位检查测量距离为33~40公分，不同注视距离会影响隐斜视的方向及大小，可能呈现不同的隐斜视状态，因此除了固定测量距离外必须评估被检者用眼习惯距离，并评估其斜位的症状是否与惯用距离有关。
遮盖测试是一个非常简单且被广泛使用的眼位偏移检查，被检者只需注视一个固定目标，可以评估是否有斜视或斜位及斜视或斜位量。验光师只要观察被检者双眼运动状况就可分析其整个眼位状态。遮盖测试为一种眼位的他觉式检查，可分为遮盖~不遮盖、交替遮盖与棱镜遮盖测试。
Figure 2. Test flowchart cover-uncover
图2. 遮盖与不遮盖测试流程图
1) 遮盖~不遮盖测试
主要用在判断与区分被检者为斜视或斜位及判断被检者的斜视是交替性或单侧性。图2所示为遮盖~不遮盖测试流程图。
2) 交替遮盖测试
本测试用来鉴别斜视或隐斜视的程度及方向，但不能区分是斜视或隐斜视。表1所列为判断斜视或斜位的类型与方向。加上棱镜可以测量斜视或斜位的量，但无法从斜视中区分出斜位。图3(a)上方所示右眼为内斜视，下方用遮盖板遮盖左眼，右眼变为正位而左眼内移。将棱镜置于被检者右眼前进行交替遮盖，直到被检者右眼不动，可准确评估斜视程度，如图3(b)下方所示。
Table 1. Oblique type and direction
表1. 斜位类型与方向
Figure 3. Schematic diagram of prism plus alternating cover test
图3. 棱镜加交替遮盖测试示意图
2.2. 光散射片
由能量守恒定律得知，光从一种介质进入到另一种介质时，系统的总能量可以分为四个部分：透射、反射、吸收和散射。所有这四个参数都是材料化学性质和表面光滑度的函数。不同类别光学组件的设计，以最大化或最小化进入一个或多个参数的能量。对于反射镜：穿透、吸收和散射最小化，而反射最大化。对于镜头：散射、反射和吸收最小，而穿透率最大。在白色光散射玻璃片，散射最大化，而透过调整光散射片的厚度可以平衡吸收和透射。
胶状材料白色光散射玻璃片是利用廷德耳效应(Tyndall effect)来散射光。廷德耳散射要求散射片的散射粒子大小与被散射光的波长大致成比例，两散射粒子光强度吸收比等于
，其中为r散射粒子半径。例如，目视观察离散射玻璃片一段距离处灯光的散射，假如看不到灯型，且呈现雾蒙蒙如图4所示，则此时散射粒子的大小必须与可见光的波长大致相同。随着入射光波长的增加，散射光的强度将降低，而穿透部分光的强度将增加。为了使散射片有效的散射可见光和更长波长的光，可以添加第二种散射机制，该机制为不同的波长函数。
当特征散射光远大于光的波长时，就会发生几何散射。简而言之，如果光照射到一法线随机变化的表面，则光将沿该表面以任意角度折射，这是毛玻璃扩散片的工作机制。当将喷砂表面添加到胶体材料中时，将获得很宽波长范围的扩散片与更好扩散效果。光散射片穿透率与光散射片厚度有关如图5所示 [10]，光散射片厚度薄穿透率高，相對厚就低。
Figure 5. The relationship between the transmittance of light scattering sheet and the thickness of light scattering sheet
图5. 光散射片穿透率与光散射片厚度关系
光散射片是通过化学或物理的方法，利用光线在行径途中遇到两个折射率(密度)相异的介质时，发生折射、反射与散射的物理现象，通过在PMMA、PC、PS及PP等基材基础中添加无机或有机光散射剂、或者通过基材表面的微特征结构的数组排列人为调整光线、使光线发生不同方向的穿透、反射、吸收与散射，从而改变光的行进路线，实现入射光充分散色以此产生光学散射的效果，如图6所示为三層式光散射片结构 [11]，三层式结构分别为UV阻隔及散射粒子层。微结构光散射板是通过其表面的微特征结构的数组排列，使光线经过时发生不同方向折射，改变光行进路线，实现入射光充分散色，实现更柔和、均匀的照射效果。
微结构光散射板具高透透率，通过改变微结构的形状和不同排布，可以调整散射角度、光场的空间和能量分布，实现对光散射片的均匀度和透光率的影响。
最理想的散射组件其散射光遵循郎伯余弦定律，如图7所示光散射图样。郎伯余弦定律说明由一单位辐射面发射至任意方向之「辐射强度」(Radiant intensity) (通量/单位立体角)，系随该面法线与辐射方向间夹角之余弦而变。除理想「黑体」(Black body)可遵照此定律发射外，大多数表面并不完全遵照郎伯定律。「理想漫散射体」(Perfectly diffuse radiator)之辐射分布情形，与理想漫反射体所反射之辐射亦均符合此定律。按照郎伯定律，一白热之圆球形黑体，自远处观之，应加一均匀之发光盘。此定律不考虑辐射离开辐射源后之任何影响。
或
其中L是辐射亮度(Radiance)，θ是视线与光源夹角，L0是垂直方向的辐射亮度。
Figure 7. Lambert’s cosine law [12]
图7. 郎伯余弦定律 [12]
3. 系统架构
本系统属于非接触式量测技术，使用直流马达驱动的光散射式遮盖板进行眼睛遮盖及眼位影像捕获设备拍摄被检者眼球动作来获得瞳孔移动影像，由图像处理來获得眼球运动状况及相关眼球信息，分析眼球移动方向及轨迹，完成人眼斜位测试。系统主要由e视标、光散射式遮盖板、直流马达与马达驱动电路板及眼位影像捕获设备所组成，图8所示为光散射式遮眼隐斜视量测系统架构示意图。
光散射式遮眼隐斜视量测装置其电路动作方法详述如下：8051单芯片的P1.0和P1.1脚位输出讯号到第一个马达的正负端，P1.6和P1.7脚位输出讯号到第二个马达的正负端，这两个马达分别控制左右眼光散射板翻转动作。由于8051输出的电压讯号太小，以至于无法启动马达，所以接达灵顿放大电路增大电流讯号。设计完成电路首先在开发板执行两个马达启动，并做功能测试。整个电路包含LED指示灯、七段显示器、电源开关、翻转控制开关及8051石英震荡器。马达翻转5秒后暂停10秒，接者再重复一次动作。控制马达程序是利用汇编语言撰写一段无限循环，当8051单芯片感应到翻转按钮通电后，透过PWM方波的切换来控制翻转，翻转速度可以依照PWM方波的频率来设定翻转快慢。
3.1. 光散射式遮眼装置
光散射式遮盖板装置遮盖板共分水平与垂直两种翻转方式分别说明如下。由CCD摄影机、距离感应装置及计算机与分析程序所组成。
1) 水平翻转机构
此光学机构系具有一对视线外框，其系用以架设于双眼前方；一对光散射式遮盖板，系对应该对视线外框，而设于光学机构上，每一遮盖板系可移动至开启位置外侧、水平翻转定位于内侧即被遮眼前，及一段时间再翻转至外侧位置而定位。每一驱动组件系用以驱动相对应之遮盖板，并开启在位置外侧、该遮盖位置内侧之间移动。驱动组件包括控制电子电路系链接至翻转马达而用以控制与驱动光散射式遮盖板动作。眼位影像捕获设备如摄影机系用以进行影像撷取；藉此，当一对遮盖板的其中之一移动至该开启位置外侧，其中之另一移动至该遮盖位置内侧，而呈遮盖左眼不遮盖右眼，并可被眼位影像捕获设备撷取双眼影像，并当遮盖板的其中之一移动至该遮盖位置内侧，且其中之另一移动至该开启位置外侧，而呈遮覆右眼不遮覆左眼，并可被该影像捕获设备撷取双眼影像，系达成运用遮蔽与不遮蔽交换测试，判别左、右眼是否有斜视、斜位之结构者。图9(a)与图9(b)所示分别为水平翻转机构上视与正视图。这个专利特色是具翻转即可进行双眼遮盖交替检测相当方便、单向遮覆便于检测，及单向遮覆便于撷取影像等优点。
(a) 
(b)
Figure 9. (a) Top view of horizontal turning mechanism; (b) Front view of horizontal turning mechanism
图9. (a) 水平翻转机构上视图；(b) 水平翻转机构正视图
2) 垂直翻转机构
此光学机构系具有一对视线外框，其系用以架设于双眼前方；一对光散射式遮盖板，系对应该对视线外框，而设于该光学机构上，该每一遮盖板系可移动至一开启位置上方及一段时间再翻转至遮盖位置下方。每一对驱动组件，系分别对应该每一遮盖板，而设于该光学机构上；该每一驱动组件系用以驱动相对应之遮盖板，并开启位置上方、翻转至遮盖位置下方；驱动组件包括控制电子电路，系链接而用以控制该与驱动翻转马达动作；眼位影像捕获设备如CCD摄影机系用以进行影像撷取；藉此，当一对遮盖板的其中之一翻转至该开启位置上方，且其中之另一翻转至该遮盖位置下方，而呈遮覆左眼不遮覆右眼，同时被CCD影像捕获设备撷取双眼影像，并一对遮盖板的其中之一翻转至该遮盖位置下方，且其中之另一翻转至开启位置上方，而呈遮覆右眼不遮覆左眼，同时被CCD影像捕获设备撷取双眼影像，系达成运用遮蔽与不遮蔽交换测试，判别左、右眼是否有斜视、斜位之结构者。图10所示为垂直翻转机构正视图。
Figure 10. Front view of vertical turning mechanism
图10. 垂直翻转机构正视图
3.2. 光散射式遮盖板
光散射式遮盖板依据环境光与使用者需求，可以选择所需规格，一般雾面结构扩散板有好几种规格，表2所列为雾面结构扩散板。扩散板光散射机制为光经过不同折射率介质，因为折射率差异，产生折射、反射、吸收及散射，入射光的光重新分布形成漫射，造成光散射效应。一般扩散板有三种制造方式：1) 基板中添加散射粒子，添加重量组成比约1%~5%之间，利用基板与散射粒子的折射率差，以达到散射均匀光效果。2) 使基板表面粗糙化，利用基板不规则表面与空气间的折射率差，以达到表面光扩散效果，此方法较难产生高雾面效果，需复合式几何构造才能提高雾化，也有视角问题。3) 基板表面涂布含扩散粒子涂料，可为单面或双面的涂布，利用涂布于基板表面与空气间的折射率差，以达到扩散均光的效果，依照光源安装位置，以较密的扩散点印刷或扩散涂料涂布，增加对灯管的遮蔽性与提升亮度均匀性。添加扩散粒子影响光散射能力的因素为扩散粒子与基板树脂间折射率差异、扩散粒子的添加量与粒径分布及扩散粒子的形状。
Table 2. Specification of matte diffusing plate with fog surface structure
表2. 雾面结构散光板规格
备注：PS，PMMA及PC全名分别为Polystyrene，Polymethyl methacrylate，Polycarbonate。
3.3. 眼位侦测与追踪
眼球移位侦测包括眼位侦测与追踪及眼位判定，眼球侦测使用CCD摄影机对眼部及特征进行拍摄，眼部特征包括瞳孔、眼角上下、眼睑及眼眶中心，撷取这些信息将眼部初始位置精确定出，并制成比对图像数据。眼部追踪则由此初始位置撷取小区域做关联性运算，并更新区域里内容。眼部搜寻使用霍氏转换以侦测任意形状的曲线，系把影像中的点转换至参数空间做处理，将直线的侦测简化为在参数空间的一些特征点的侦测。另一种可变形样板眼部搜寻系指任意形状的比对，可无限制搜寻目标之几何结构，凡符合其限制处，像是边界的连续性或平滑度等特征，皆能被找出。眼位侦测依据眼部特征如瞳孔与眼睛外型当样板，当被检者靠近或远离CCD摄影机只要做比例放大或缩小，即可由原始样板找出眼球信息。至于眼位追踪方法系撷取第一张影像，在得知瞳孔位置后，便以之为准和其后之影像做相关度计算，并实时更新眼位，由这些不同眼位信息而获得其移位量。
4. 实验方法与结果
实验方法首先以光散射式遮眼装置量测正常人已知眼球移动距离，做为确认此装置功能是否正常，之后并进一步由眼科医生确诊隐斜视被检者进行测试。
4.1. 光散射式遮眼装置功能确认
第一阶段实验，10个正常人眼球做规律移动，左、右眼眼球移动依次先由左向右移动，停留一段时间，再反方向移动，即右向左移动。被测者与眼位影像捕获设备距离200公分，连续做10次。被测者戴上水平翻转机构的光散射式遮眼装置，首先光散射式遮盖板遮住被测者左眼，遮盖时间五秒。五秒后移开遮盖板停留时间三秒，之后再遮盖右眼，总共10次。使用眼位影像捕获设备拍摄做规律移动的眼球，全程进行监视与录像。经实验结果10个正常人眼球规律移动与拍摄结果是一致。表3所列为10个正常人眼球做规律移动测试数据，经确认具遮眼功能，又能观测眼球移动。表3所列的第二循环被测者是第一循环10个正常人，眼球移动与第一循环相反。参与实验10位被检者无隐斜视及任何眼疾，仅有近视屈光不正，年龄分别在20~30岁，男性7位女性3位，视力为−2.00D~−3.50D。
Table 3. Light-diffuser cover the eye for the eye movement testing device
表3. 光散射式遮眼装置用于眼球移动测试
4.2. 隐斜视被检者测试
参与实验被检者是经眼科医生提供隐斜视处方，本实验架设与前实验相同，被检者脸部必须固定，眼睛注视距离6米处视标，眼位影像捕获设备拍摄被遮盖眼球移动并测量移位量。被检者戴上水平翻转机构的光散射式遮眼装置，遮盖板遮盖被测者左眼，遮盖时间五秒。五秒后移开遮盖板，停留时间三秒，之后再遮盖右眼，总共5次。参与实验两位隐斜视被检者斜位量分别为8Δ (棱镜度) BO与5Δ (棱镜度)BO，检测结果如表4与表5所列。因为棱镜量测单位测定值最小单位为1棱镜度，眼位影像捕获设备测试位移量取至mm小数点第1位。实验过程中隐斜视被检者在放松与不放松情况下，综合验光仪测试值会有1棱镜度变动。隐斜视棱镜度计算所用到数据眼球旋转中心至角膜距离7.7 mm，1△为0.57度。
Table 4. 8ΔBO test data of subjects with heterophoria
表4. 8ΔBO隐斜视被检者测试资料
Table 5. 5ΔBO test data of subjects with heterophoria
表5. 5ΔBO隐斜视被检者测试资料
经实验量测结果再与眼科医生提供处方相比较，测试数据具一致性。综合验光仪使用的眼用棱镜或一般棱镜棒棱镜度最小单位皆为1棱镜度，本研究方法直接量测被检者配戴光散射遮眼棒时眼位移位量，如果产品商品化将可更方便隐斜视量测与提升精度。
5. 结论
本研究之目的在于建立一种斜位快筛光散射式遮盖技术，利用遮盖板翻转即可进行双眼遮盖交替检测、单向遮盖检测及检测期间眼球运动影像撷取等优点。所欲解决之问题系在于传统遮眼棒产生之遮眼棒完全遮光、遮盖时被测者与验光师都无法看到对方、遮左眼换右眼时需移动遮眼棒、单片式遮眼镜片穿透率零、眼位移动需从侧面看而无法定量与记录，以及无法调整瞳距等。利用此装置可有效及快速筛检幼儿斜视。本装置若能朝简单设计及更优化结构发展，且可达到原有检测功能，则能更精确及提早发现斜视。
NOTES
*通讯作者。