邵 奇，邱飛岳，黃 愉

(浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

閱讀視力是從書面語言(物理刺激)中獲得意義的心理加工過程。在閱讀過程中最先發(fā)揮作用的是視知覺能力，它所包含的分辨和記憶都參與到閱讀中來[1]。閱讀視力表是測量閱讀視力的方法和工具，它的檢測參數(shù)包括閱讀視力、最大閱讀速度和臨界打印尺寸等[2]。從以上相關(guān)參數(shù)的測量可以反映視力對讀者閱讀表現(xiàn)的影響[3]，進而為臨床監(jiān)控和預(yù)防提供指導(dǎo)性意見。

閱讀視力測試目前已廣泛應(yīng)用于低視力檢查和臨床康復(fù)等眼科領(lǐng)域[4-5]。針對現(xiàn)有的紙質(zhì)閱讀視力表人力成本高、自動化程度低、數(shù)據(jù)收集全部需要手動記錄等問題，通過設(shè)計和開發(fā)了適合母語為中文的低視力中老年人進行閱讀視力測試的C-READ中文閱讀視力檢查儀。基于原版C-READ中文閱讀視力檢查儀的研發(fā)思路和設(shè)計方法，實現(xiàn)了新一代閱讀視力檢查儀的研制和上位控制APP的開發(fā)。該儀器能夠便捷地采集閱讀時間、閱讀速度、準確率、臨界打印尺寸等與閱讀功能相關(guān)的數(shù)據(jù)。使用該儀器作為實驗工具，驗證了儀器測量上述指標的可靠性并符合視力檢查標準，為低視力中老年人的臨床康復(fù)提供了良好的技術(shù)支持。此外，該儀器的顯示效果良好，具有記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等齊全功能。

第一版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性已經(jīng)得到了驗證，但是從實際操作中還發(fā)現(xiàn)了一些問題：測試人員無法自適應(yīng)地調(diào)節(jié)液晶屏的亮度；儀器始終保持恒定的位置不能適應(yīng)被試的視線高度；小程序的功能過于單一，若想讓測驗儀適配更多移動終端，需要根據(jù)實際檢查需求開發(fā)C-READ上位控制APP，新一代C-READ閱讀視力檢查儀APP功能設(shè)置圖如圖1所示。

圖1 新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP功能設(shè)置圖

1 新一代中文閱讀視力檢查儀總體設(shè)計

新一代中文閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由硬件設(shè)計和上位控制APP兩部分組成。其中硬件設(shè)計基本沿用了第一版C-READ檢查儀的設(shè)計，主要由藍牙通信模塊、STM8單片機、液晶顯示模塊以及電源組成[6]。上位控制APP的主要功能有語音識別、自動控制液晶屏的亮度和對比度、電量讀取等功能，并改進了對收集到的閱讀表現(xiàn)數(shù)據(jù)的擬合方法，提高了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確性。本研究旨在通過設(shè)計一款基于智能手機等移動終端設(shè)備的C-READ閱讀視力檢查APP進一步完善C-READ閱讀視力檢查儀的軟件開發(fā)模塊。

圖2 新版閱讀視力檢查儀總體結(jié)構(gòu)圖

硬件設(shè)計中STM8起主要的控制作用，通過連接藍牙通信模塊對從APP傳來的指令進行數(shù)據(jù)解析，再控制檢查儀液晶屏的顯示。新版C-READ閱讀檢查儀在第一版的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于步進電機的絲桿滑臺裝置，使得屏幕可以通過滑桿上下滑動，通過APP控制顯示的中文測試文本，自動控制顯示屏與眼睛位置保持同一高度，“顯示屏+絲桿滑臺+支架”結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在進行閱讀視力檢查時，先啟動閱讀視力檢查儀的電源，STM8單片機進入工作狀態(tài)，并喚醒藍牙通信模塊準備接受從手機APP傳來的各種指令；主試人員將“開機”、“亮度改變”、“關(guān)閉”等控制指令發(fā)送至單片機；由此液晶屏幕上將在單片機的指揮下按要求顯示閱讀檢查文本，以及實現(xiàn)屏幕亮度的調(diào)節(jié)；被試閱讀液晶屏上逐行顯示的句子，APP的語音識別功能會實時記錄閱讀數(shù)據(jù)，通過新版儀器后臺增加的雙肢擬合算法自動分析檢查結(jié)果并生成圖表。新一代C-READ閱讀視力檢查儀在原有版本的硬件基礎(chǔ)上，根據(jù)實際操作中的檢查需求，不僅增加了藍牙通信控制模塊支持的“顯示屏+絲桿滑臺+支架”設(shè)計，還進一步完善了C-READ相關(guān)軟件的開發(fā)。新版儀器豐富了C-READ閱讀視力檢查儀的軟硬件配置，讓檢查過程更簡單、科學(xué)、易操作，大大節(jié)省了人力成本，為儀器的大范圍推廣和應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

圖3 新版C-READ“顯示屏+絲桿滑臺+支架”結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 藍牙通信模塊

在無線傳輸領(lǐng)域內(nèi)，藍牙在各種移動終端具備龐大的基礎(chǔ)積累[7]。藍牙通信模塊是C-READ閱讀視力檢查儀的控制樞紐，連接了單片機和手機APP之間的通訊進程。新版C-READ沿用了原版的藍牙4.2協(xié)議解決方案，采用BLE103芯片，工作電壓為1.7 V-3.6 V，接收靈敏度為-78 dBm。新版C-READ閱讀視力檢查儀的一大創(chuàng)新之處就在于通過藍牙通信模塊通過與手機APP的數(shù)據(jù)傳輸，控制液晶屏在絲桿滑臺上的縱向移動。這種可以上下滑動的裝置標有兩個最低位和最高位的位置信息，并配有光電開關(guān)作為反饋裝置，用途是在單片機上電初始化或復(fù)位時藍牙通信功能可以了解液晶屏所處的位置，方便在使用過程中計算位移。新版C-READ通過藍牙通信模塊控制絲桿滑臺調(diào)節(jié)液晶屏位置的電路原理圖如圖4所示。

圖4 藍牙控制絲桿滑臺調(diào)節(jié)液晶屏位置的電路原理圖

2.2 液晶顯示模塊

C-READ對紙張和打印文字的清晰度的要求極高，顯示文字的設(shè)備必須滿足文字清晰度的需求。設(shè)計新版C-READ閱讀視力檢查儀首要考慮到的就是視力表的識別，依據(jù)國際通用的視力表設(shè)計原則和計算公式：視覺敏銳度閾值(log MAR)[10]=1.3-0.02×視力表上全部讀對的視標數(shù)，確定了-0.3 log MAR為能夠識別的最小字體[8]。閱讀視力檢查儀的文字打印尺寸從大到小以對數(shù)級別遞減，與標準視力表一致。在如此小的尺寸下清晰顯示一個漢字，就需要高精度的數(shù)碼印刷機。那么使用電腦屏幕或者iPad 等電子設(shè)備的屏幕可否滿足清晰度的需求呢？電腦屏幕或iPad屏幕等清晰度一般由像素密度即每英寸顯示的像素數(shù)決定。40 cm距離下C-READ文字的實際高度如表1所示，由此可知常見的移動設(shè)備像素密度很難在40 cm的檢查距離下顯示-0.3 log MAR如此小的漢字。因此iPad等常見的移動設(shè)備便無法達到清晰顯示的要求。新版C-READ依舊使用定制的段式液晶模塊(LCM)來顯示文字內(nèi)容，憑借蝕刻、顯影等制作工藝，以此達到類似于數(shù)碼打印的精度，也節(jié)約了經(jīng)濟成本。

表1 40 cm距離下C-READ文字的實際高度

3 軟件設(shè)計

3.1 手機APP界面和程序設(shè)計

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP在原有小程序的基礎(chǔ)上，圍繞實際檢查需求在設(shè)計和功能方面做了進一步完善。閱讀是從可視化的文字或圖像中獲取信息的過程[9]，因此新版C-READ檢查儀APP力求從清晰度、色彩搭配、界面布局等方面滿足用戶的視覺需求。以APP初始化界面和登錄界面為例，如圖5所示，簡潔柔和的界面設(shè)計更加符合一款視功能保健APP的風(fēng)格，有效避免了繁瑣的細節(jié)設(shè)計對主試的視覺干擾。

圖5 新版C-READ上位控制APP初始化界面和用戶登錄界面

原版C-READ閱讀視力檢查儀液晶屏的亮度是始終不變的，無法根據(jù)檢查環(huán)境的實際光照條件進行調(diào)節(jié)?？紤]到用戶可能受到屏幕亮度和對比度的影響，新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP根據(jù)檢查需求開發(fā)了相關(guān)功能，主試通過APP自動調(diào)節(jié)液晶屏的亮度和對比度，以適應(yīng)不同的光照環(huán)境，避免對被試閱讀產(chǎn)生影響。本研究依托Android Studio程序開發(fā)平臺，在此編程環(huán)境下開發(fā)與C-READ中文閱讀視力檢查儀適配的上位控制APP。以亮度調(diào)節(jié)為例，APP程序通過藍牙向后臺發(fā)送“亮度指令”，單片機接收到“改變亮度指令”后啟動PWM調(diào)光，主試拖動亮度條即可完成屏幕亮度的調(diào)節(jié)，編程環(huán)境下的代碼貼圖如圖6～9所示。

圖6 “發(fā)送亮度指令”代碼貼圖

圖7 “接收到亮度改變指令”代碼貼圖

圖8 “PWM調(diào)光指令”代碼貼圖

圖9 “亮度條滑動指令”代碼貼圖

3.2 APP總體流程圖

新版C-READ閱讀視力檢查儀上位控制APP總體流程圖如圖10所示。主試通過手機、iPad等移動終端打開APP啟動程序。APP會先提示操作人員進入登錄界面完成登錄并通過藍牙連接C-READ閱讀視力檢查儀，確認連接后進入視力表選擇界面。開始閱讀視力檢查環(huán)節(jié)前，主試朗讀實驗指導(dǎo)語，幫助被試進一步明確檢查步驟和相關(guān)注意事項。與此同時，主試還要根據(jù)實際光照環(huán)境適當調(diào)節(jié)液晶屏的亮度和對比度，防止因為屏幕光照過強或過弱影響被試閱讀。測試開始后，再次向被試強調(diào)要快速準確地閱讀句。當屏幕上出現(xiàn)文本時程序自動計時，APP通過語音識別檢查被試的閱讀情況，程序停止計時并與標準測試文本比對后確定被試本句的正確讀出字數(shù)。當檢查過程中，被試需要調(diào)整視線高度進行閱讀時，主試通過程序控制絲桿滑臺調(diào)節(jié)液晶屏向最低位移動以保持與被試的視線在同一高度。當被試向主試示意無法繼續(xù)閱讀時檢查結(jié)束。后臺程序會通過Matlab R2017a曲線擬合工具自動分析檢查數(shù)據(jù)并生成結(jié)果圖表。檢查項目選擇界面和被試診斷信息界面如圖11所示。

圖10 新版C-READ上位控制APP總體流程圖

圖11 新版C-READ上位控制APP檢查項目選擇界面和患者診斷信息界面

4 實驗結(jié)果與分析

40名40～70歲低視力中老年人在知情同意的前提下自愿參加了閱讀視力檢查，研究嚴格遵守赫爾辛基宣言的原則進行。在開始檢查之前，先使用國際標準近視力表對每名被試進行矯正或裸眼視力檢查，排除可能因為黃斑病變、白內(nèi)障或者其他眼科問題導(dǎo)致無關(guān)變量影響實驗結(jié)果。將這40名中老年患者隨機分為兩組，其中對照組使用C-READ紙質(zhì)圖表測試，紙質(zhì)版圖表A如圖12所示。而另一組為實驗組，采用新版C-READ閱讀視力檢查儀進行測試。每位被試按照隨機順序進行ABC三個表格的測試，且在每兩張視力表測試的間隙給被試兩分鐘的放松時間，以排除視覺疲勞效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響。本實驗累計收集數(shù)據(jù)40份，均為有效數(shù)據(jù)。本項實驗的目的是檢驗新版C-READ閱讀視力檢查儀在臨床視力檢查和康復(fù)的有效性，通過分析紙質(zhì)閱讀材料和使用C-READ閱讀視力儀的檢查結(jié)果之間差異是否顯著。

圖12 C-READ紙質(zhì)版圖表A

實驗通過研究檢查材料不同是否會對測試結(jié)果造成影響，繼而探究新版C-READ閱讀視力檢查儀的有效性。實驗采取T檢驗方法，先計算同一個患者3個視力表測驗的平均值，之后以測驗材料(紙質(zhì)材料-測驗儀)為分組變量進行T值檢驗。實驗組和對照組在與閱讀表現(xiàn)相關(guān)的3個測量指標的T檢驗結(jié)果如表2所示，3個測量指標所對應(yīng)的含義如表3所示。通過分析表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩組被試在使用不同測試工具進行閱讀視力檢查時最大閱讀速度MRS具有顯著差異，而閱讀敏銳度RA和臨界文字尺寸CPS差異不顯著。實驗組使用新版C-READ閱讀檢查儀測得的閱讀速度約為138.7±16 WPM，而對照組在使用傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀材料測驗時約為162.1±32.5 WPM。通過進一步的方差成分分析可以看出，中老年被試的個體間差異是導(dǎo)致最大閱讀速度不同最主要的原因。本實驗的被試群體為40～70歲中老年人，一方面可能存在即使已經(jīng)參加了預(yù)實驗但還是無法完全理解測試流程的被試，他們在閱讀過程中很難快速準確地閱讀而導(dǎo)致速度偏慢；另一方面，在使用新版C-READ閱讀檢查儀進行測試時，中文閱讀背景老年人“謹慎閱讀”的特點更加凸顯，由于追求閱讀準確率而放慢閱讀速度，具體表現(xiàn)為眼跳距離短、極少采用跳讀。而對照組的測試環(huán)境更貼近于日常E字視力檢查表，被試對于檢查步驟相對熟悉也可能使其在最大閱讀速度指標方面表現(xiàn)更佳。但這種非自動化的視力檢查工具涉及人工測量、記錄、統(tǒng)計等多項可能引起誤差的因素，除此之外國內(nèi)外學(xué)者的測試結(jié)果也都體現(xiàn)了C-READ具有良好的檢查可靠性，測試人員在臨床試驗時可以自如地互換順序，使用不同的測驗來測試一名被試閱讀功能表現(xiàn)的相關(guān)指標，或者用來監(jiān)測和評估在一定時間內(nèi)被試閱讀功能表現(xiàn)的變化情況。

表2 實驗組和對照組3個測量指標的T檢驗

表3 數(shù)據(jù)分析指標 指標名稱

本研究還以年齡分段將被試分成三組，分別為：40～49歲、50～59歲和60～70歲。雖然也可以兩兩之間進行T檢驗以考察平均數(shù)的差異，但由于分組數(shù)等于三組，故使用方差分析來顯示平均數(shù)的差異。因此本研究還以MRS、CPS、RA為檢驗變量，進行單因素方差分析以探究3個年齡段中老年低視力患者之間測得的閱讀表現(xiàn)指標的平均數(shù)，分析結(jié)果如表4所示。

表4 三組MRS、CPS、RA單因素方差分析

基于上述實驗證明了新版C-READ閱讀視力檢查儀的測量可行性，將來可以將C-READ閱讀檢查儀作為臨床干預(yù)效果的評價指標，為不同年齡段低視力群體的康復(fù)訓(xùn)練提供借鑒。通過定期使用該檢查來觀測每個患者的康復(fù)進度，根據(jù)檢查結(jié)果適時調(diào)整干預(yù)治療方案，在一段時間后再次進行該檢查，可以檢驗患者的閱讀功能表現(xiàn)是否得到明顯改善，為建立不同年齡段被試的閱讀表現(xiàn)常模數(shù)據(jù)集奠定理論和實踐基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計和開發(fā)與C-READ閱讀測驗儀相匹配的上位APP，完善了C-READ軟件配置。在簡化了檢查流程的基礎(chǔ)上，大大降低了人力成本。語音識別功能可以實現(xiàn)對被試閱讀內(nèi)容的判斷和統(tǒng)計，并自動分析閱讀表現(xiàn)數(shù)據(jù)，為科學(xué)指導(dǎo)中老年人進行更專業(yè)的日常視功能檢查和保健提供依據(jù)。此外APP的界面設(shè)計簡潔直觀，綜合考慮了色彩搭配、空間布局等因素，還增加了“實驗指導(dǎo)語”部分，方便主試在測試開始前幫助被試進一步明確實驗步驟和注意事項，體現(xiàn)了軟件設(shè)計的合理性和人文性，也為C-READ閱讀視力檢查在視功能診斷和評估方面的大范圍普及提供了技術(shù)支持。