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眼动追踪技术在脑卒中患者康复中的应用进展

2024-03-14 753 上传者：管理员

摘要：眼睛作为接受外界信息的重要感官，与患者认知和活动息息相关。眼动追踪能够识别脑卒中患者的眼动特征并给予视觉反馈，在疾病的康复和监测中有重要作用。本文介绍了眼动追踪的概述以及在脑卒中后失语、认知障碍、改善平衡和肢体功能障碍方面的应用，以期为眼动追踪技术在脑卒中康复中的应用提供依据。

关键词：
康复
眼动追踪
脑卒中
脑卒中后失语
认知障碍
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脑卒中具有高发病率、高致残率、高病死率、高复发率、高经济负担五大特点，卒中后常遗留肢体、认知、语言等方面的功能障碍，给患者的日常生活和心理带来极大负担，因此亟需对卒中后功能障碍进行干预[1,2]。视觉系统是大脑中最基本的感官系统之一，眼球运动能够反映有关身体/心理健康、认知或偏好等重要信息[3]。眼动追踪技术是获取眼球运动数据的重要检测手段，已被广泛运用到心理学、神经科学、工程技术以及语言学方面[4]，且与常用的鼠标、触摸屏等人机交互设备相比效率更高，更接近人类的自然行为。由于时间和空间敏感性，眼动追踪可提供对认知的整个过程，而不是简单的揭示结果[5,6]。随着眼动追踪技术的不断发展，其在脑卒中患者的康复及监测等领域有所应用并取得较好效果。因此，本文综述眼动追踪技术在卒中后失语、认知障碍、平衡和肢体功能障碍方面的应用现状，提出发展建议，以期为脑卒中康复策略提供新思路。

1、眼动追踪技术概述

1.1 眼动追踪概念和发展

眼动追踪技术（eye-tracking technology）是用于眼球运动测量的技术，目的是捕捉和测量人的眼球运动和（或）眼球注视[7]。该技术最常见的基本原理是“脑-眼假说”，这项假说认为大脑控制人体的眼睛去看信息，瞳孔行为像生物信号一样由自主神经系统介导，通过监测眼动指标的变化可解释个体的认知和情感过程[8]。

基于眼动追踪技术的研究起源于19世纪末，Cooper[9]的一项开创性研究指出语言处理和眼球运动之间的时间关系。眼动追踪技术作为一项新兴技术不断发展，在国外已有100多年的发展历史，相较而言，国内的眼动研究起步较晚，始于20世纪80年代初。眼动仪是基于眼动追踪技术构建的仪器，随着眼动仪向智能化、系列化、便携式方向的发展，眼动追踪技术逐渐开始被学者用作一种研究工具，特别是在神经学领域[10]，如抑郁症[11]、原发性进行性失语症[12]和脑损伤[13]等疾病的评估和治疗。

1.2 眼动追踪测量指标

与瞳孔大小、皮肤电导等一样，眼动追踪数据也是获取生理数据和行为表现的重要来源，眼动追踪测量指标一般可分为时间和空间两大类[14]。时间方面的测量指标即注视，是指视网膜稳定在感兴趣的静止物体上方，持续时间为100～400 ms，主要包括注视持续时间、首次注视时间、总注视次数、兴趣区内注视次数等。空间方面的测量指标即扫视，是指双眼的快速运动，持续时间通常为10～100 ms，包括扫视次数、扫视幅度、回视等。此外，瞳孔直径也是反映视觉注意状态的重要指标，眼动的时空指标可反映受试者对刺激对象的情感与认知状态[15]。在实际的眼动研究中，尽管每一位受试者可产生多种眼动指标，但研究人员在进行分析时并不需要同时使用所有指标，而是根据研究目的选取需要的测量指标。

1.3 眼动追踪设备

眼动设备的选择大致可分为3种，即桌面式眼动设备、头戴式眼动设备和眼动数据的开放资源[16]。桌面式眼动仪在试验过程中需固定患者的头部和距离，适用于在特定环境中观察任何基于屏幕的刺激材料（如图片、视频等）。头戴式眼动仪轻便，不受试验场所的限制，相对来说价格较高。开放资源一般为研究者开发的可记录眼动数据的算法和脚本等，通过相关程序开启电脑、笔记本、手机或平板等设备所带的摄像头记录眼动数据。随着计算机软件、硬件技术的快速发展，眼动设备向智能化和小型化转变，基于眼动信号的可穿戴设备和虚拟现实（virtual reality,VR）等技术也应用于帮助患者更好地康复，在言语与认知功能领域的研究价值也逐渐被发掘[17]。

2、眼动追踪技术在卒中后失语患者中的应用

卒中后失语（post-stroke aphasia,PSA）患者可出现自发讲话、听理解、复述、命名、阅读和书写6个部分语言功能不同程度受损，约1/3的脑卒中患者会出现失语症。由于失语的脑损伤会影响大脑中动脉的皮质区域，失语症患者还有不同程度的非语言缺陷，这些缺陷可能影响记忆、注意力、视觉、抽象和建构能力[18,19]。因此，及时干预对卒中后失语患者的康复至关重要，眼动追踪技术的迅速发展也为卒中后失语患者的康复治疗和评估提供了新思路。

2.1 评估注意力和语言理解缺陷

失语症患者不仅有语言障碍，而且难以正确分配语言处理所需的注意力资源，导致卒中后失语症患者出现听觉和视觉理解困难，既往研究显示眼球运动与阅读理解能力之间具有强关联，眼动追踪技术作为一种工具已被证实可用于识别该类症状，深入了解阅读过程中的大脑机制变化[20,21,22]。Kis等[23]调查了19名缺血性失语症患者的阅读能力、词汇识别等，并试用眼动追踪设备记录和分析患者的眼球运动，结果发现失语症的严重程度与阅读过程中的注视次数和总注视时间有正相关关系，语言障碍越严重，检测到的眼球运动越多。

2.2 识别情绪变化

由于语言沟通受限，失语症患者常表现为情绪低落或抑郁、不愿与他人交流、社会参与频率减少，甚至会产生一定自卑感，这会增加患者的孤独感，对其生活质量产生负面影响，因此应关注卒中后失语患者的情绪变化，及时识别抑郁症状[24]。眼动追踪技术能够收集患者的眼动特征，进行情绪识别[25,26]。Ashaie等[26]首次分析了使用眼动追踪评估失语症患者情绪的可行性研究，通过分析失语症患者和健康对照组在观看快乐、悲伤和中性面部表情时的初始注视方向（首次注视时间和初始注视方向）和注视维持（首次注视时间和总注视时间）两项指标的眼动数据，结果发现，在初始注视方向方面，与健康对照组相比，失语症患者固定在情绪化的面孔上的速度更快，其将目光投向快乐的面孔的次数更少。在注视维持方面，失语症患者首次注视时间和总注视时间与健康对照组相比，在悲伤的面孔上短一些，表明眼动追踪技术能够识别卒中后失语患者的情绪变化，试验结果具有客观性。

2.3 反馈干预效果

由于失语症患者存在语言障碍，干预者在进行评估或干预时很难得到全面及时的反馈，眼动追踪技术能够为失语症患者的评估提供可用工具，为后续研究卒中后失语相关机制提供依据。手势和语言是共同交流的基础，van Nispen等[27]通过眼动追踪观察听众与卒中后失语症患者在沟通时对手势的注视频率、注视持续时间和固定频率等，结果发现，与失语症患者沟通时听众会将注意力集中在共同交流的手势中，意味着手势能够成为卒中后失语患者补偿性交流的方式之一。

综上，眼动追踪技术是评估卒中后失语的一种可行性工具，且不受肢体障碍等条件的限制，具有良好的应用价值。尽管眼动追踪技术能够识别情绪变化和注意力分配，但患者作为一个复杂的个体，在不同的康复时期有不同的情绪变化和注意力，因此研究人员可进一步研究患者在不同康复时期的眼动特征，为眼动追踪技术在卒中后失语患者的心理评估上提供依据。

3、眼动追踪技术在卒中后认知障碍的应用进展

卒中后认知障碍（post-strokecognitiveimpairment,PSCI）是指卒中事件后出现并持续6个月时仍存在的以认知损害为特征的临床综合征，患者可表现为结构和视空间功能、记忆力、执行功能、定向力、注意力障碍等，约1/3的卒中后患者会经历卒中后认知障碍[28]。相比于传统的康复训练，眼球能够接收和传达更多的信息，由于知觉和认知过程直接或间接参与动眼肌控制，眼球运动已被证实能有效影响认知活动[29,30]。

3.1 有效识别认知障碍

早期识别卒中后患者潜在认知能力下降将有助于评估其实际需求和日常生活能力，基于眼动追踪技术的检查可为识别卒中后认知障碍人群提供较敏感的测量方法[31,32]。Leitner等[33]将眼动追踪与威斯康星卡片分类测验相结合，测试了住院组和健康对照组在注视和扫视眼动指标的差异，结果发现住院组患者在测试中表现为更多的注视，由于注视次数的增加会减少解决问题时的认知负荷，根据该结果可有效识别轻度认知障碍患者，此外，可通过注视中平均固定时间预测卒中后早期的功能状态以及住院康复期间的恢复情况。

卒中后忽视（unilateral spatial neglect,USN）是常见的空间认知障碍之一，对于USN的评估目前多是基于纸笔，可能会受到患者的主动因素影响，无法全面、准确区分USN亚型[7,34]，眼动追踪技术可为早期识别忽视症状提供更敏感和客观的指标[35]。Gomes等[36]研究发现，可穿戴式眼动追踪眼镜为监测USN提供了新策略，通过跟踪患者在静止或动态任务期间的眼球运动，可收集患者的眼动指标和注视点，有效识别卒中后忽视症状。Perez-Marcos等[37]将眼动技术与虚拟技术结合，在捕获受试者凝视和手部位置信息的基础上提出新的客观评分，可用于评估神经系统患者的注意空间偏差。

3.2 改善执行功能障碍

执行功能障碍通常被认为是认知功能损害的核心症状和首发表现，会影响患者在康复训练中的注意力、理解力和配合能力等。眼动追踪技术通过追踪患者的视觉信息，利用生动有趣的训练方式进行注意力、工作记忆训练，相比于传统的训练在改善患者的注意力和执行功能方面更有效率。He等[38]为观察基于眼动技术的认知康复对脑卒中患者执行功能的影响，采用基于眼动技术的认知康复策略模块进行认知功能训练，替代常规康复训练中的认知功能训练，具体内容包括15 min的跟踪和凝视训练、5 min计算机辅助工作记忆训练和10 min抑制性控制、定势转换训练，结果显示，与对照组相比，观察组认知功能、注意力和执行功能评分均明显改善。

3.3 提供日常化场景训练

计算机化认知康复方法多采用结构化和标准化的任务导向结构，患者只能提高其所训练的特定认知任务的技能，但与日常活动相关的其他认知功能无改善，而眼动追踪联合注意力训练通过更加日常化的场景训练患者的视觉注意、听觉注意和信息处理能力，进而改善患者的认知功能障碍。Moon等[39]通过一项随机对照试验比较眼球追踪结合注意训练系统与传统计算机化认知训练系统对脑卒中患者认知功能的影响，结果发现，观察组卒中患者在视觉空间注意、工作记忆和短期记忆方面改善效果更明显。

综上，眼动追踪对改善卒中后认知障碍患者的评估和康复治疗方面有益，尽管目前眼动追踪技术在脑卒中认知障碍中的应用较少，但眼动技术作为一种新的人机交互方式，已被证实在评估神经系统疾病患者的认知功能方面更具敏感性，因此，通过针对性的眼动训练可调节康复训练模式，改善患者的执行和认知功能，增强患者理解过程。

4、眼动追踪技术在平衡及运动障碍患者中的应用

脑卒中除感觉和运动功能的受损外，还可能导致初级视觉皮层损伤，进而导致视力受限。由于卒中后患者的平衡通过视觉、本体感觉和前庭反馈维持，视觉在维持平衡中起重要作用[40,41]。存在眼动障碍的患者常表现为难以保持目光接触，复视或单侧空间忽视，可能导致步态不稳和步行速度下降，进而增加患者跌倒风险和跌倒恐惧，影响患者的康复运动和日常生活能力[42]。基于眼球运动的凝视、视觉扫描及视觉反馈等训练已应用于改善脑卒中平衡和视觉障碍功能，研究工具多使用图形或视频等反馈形式，缺乏改变过程的呈现[43,44]，眼动追踪技术的发展和应用能为卒中后平衡及运动障碍的康复治疗提供补充。

4.1 改善平衡功能

Batool等[44]通过一项随机对照试验探讨视觉扫描与任务特异性方法对卒中后3～6个月的亚急性期脑卒中后眼动障碍患者平衡和日常生活活动的影响，试验组干预方法分为两部分，即30 min任务特异性训练和15 min视觉扫描训练，患者分别采用仰卧、臀桥姿势、坐位、站立、靠墙一边单腿站立5种功能体位，同时由治疗师在患病一侧展示的卡片上展示卡片并读出，然后要求患者将粘贴在墙上的HART图表上的字母大声读出，进行视觉扫描练习，每周6 d，每次45 min，干预后发现实验组较对照组平衡感和日常生活活动方面的改善更加明显。

4.2 融入虚拟技术以改善肢体功能障碍

眼动技术与虚拟技术的结合能够通过提供虚拟环境和多感官输入训练患者的平衡功能和步态等。Llorens等[45]在研究基于VR的交互式系统干预对慢性脑卒中后持续严重偏瘫患者上肢功能的有效性中，使用便携式眼球追踪工具估计患者的凝视，以提供连贯的视觉反馈，通过凝视和肌肉活动触发虚拟环境中的动作任务，结果显示自我触发运动观察练习对个体的运动功能有明显改善。

综上，对卒中后康复期患者的平衡和肢体功能进行干预时，需关注视觉障碍在运动功能中的影响，将眼动追踪融入到任务训练中能改善患者的平衡功能。目前国内对于通过视频或镜像的方式进行视觉反馈，缺乏自动交互方式，未来进行干预时可将眼动追踪融入到平衡和肢体功能锻炼中，以期能更有效改善患者的运动和日常生活活动能力。

5、小结与展望

眼动追踪能够在脑卒中患者的评估、诊断、治疗等方面提供帮助，同时也为临床研究带来新思路。基于眼动技术的康复治疗和神经语言学的相关研究越来越多，眼动追踪技术可成为多学科团队合作的一项工具，目前眼动设备在医院中覆盖面相对较窄，研究人群样本量相对较小，因此，未来可结合脑卒中后不同功能障碍人群的特征，进一步开发和研究眼动追踪技术在脑卒中患者中的应用，规范评估流程，为通过眼动追踪技术对脑卒中患者进行治疗、康复提供更好的指导。

参考文献:

[2]安保霞,任娟娟,张振香,等.脑卒中患者锻炼行为感知现状及影响因素[J].中国实用神经疾病杂志,2022,25(11):1422-1428.

[18]闫芳,臧卫周,张杰文,等.双侧r TMS治疗脑梗死后失语症的临床研究[J].中国实用神经疾病杂志,2018,21(2):129-132.

基金资助:国家自然科学基金项目(编号:72104221);

文章来源:王佳佳,刘博文,林蓓蕾等.眼动追踪技术在脑卒中患者康复中的应用进展[J].中国实用神经疾病杂志,2024,27(04):514-518.