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神經眼科

瞳孔記錄法(瞳孔測量法)

瞳孔記錄法(Pupillography)是一種記錄和測量瞳孔反應的方法。它結合使用紅外線攝影機和電腦軟體,動態、定量地評估瞳孔反應。

「Pupillography」一詞由Lowenstein和Loewenfeld命名,並發展為一種用於記錄眼睛傳出和傳入通路的動態紅外線影片技術。與傳統的手工測量相比,電子技術的引入提高了精確度、一致性和速度,現在「瞳孔測量法(Pupillometry)」一詞也普遍使用。

在第32屆國際瞳孔研討會(IPC,瑞士莫爾日)上,專家們聚集一堂,制定了數據收集、處理和報告國際標準的第一版。近年來,桌上型和攜帶型瞳孔計已商業化,與AI結合有望進一步提高性能。

應用領域包括眼科、神經學、神經科學、心理學和時間生物學

Q 瞳孔記錄法(Pupillography)和瞳孔測量法(Pupillometry)有什麼區別?
A

最初,Lowenstein和Loewenfeld將動態紅外線影片技術命名為「Pupillography」。後來,隨著電子技術的發展,「Pupillometry」一詞也普及開來,現在兩者通常被視為同義詞使用。

  • 瞳孔不等(anisocoria)瞳孔大小的左右差異。正常人約20%存在1mm以下的生理性瞳孔不等,但若伴有明暗差或對光反射異常,則判斷為病理性。
  • 對光反射異常:反射消失、延遲或不對稱。
  • 視力客觀評估困難:非語言患者或懷疑非器質性視力障礙的病例。
  • 疑似霍納症候群的所見:輕度眼瞼下垂、縮瞳、臉部出汗異常的組合。

以下為單次測量獲得的代表性參數。

縮瞳相

潛伏期(T₁):從光刺激到縮瞳開始的時間。足夠亮的光刺激下約200毫秒。

收縮速度(VC):縮瞳的速度。視覺輸入障礙時T₁延長、VC降低。

最大縮瞳量(D₃):最大縮瞳時的直徑。視覺輸入障礙時D₃降低。

縮瞳率(CR):縮瞳量/基線直徑。視覺輸入障礙時CR降低。

散瞳相

散瞳速度(VD):光去除後瞳孔擴大的速度。反映交感神經系統功能。

散瞳延遲時間(T₅)散瞳開始的時間。霍納氏症候群的特徵性表現是T₅顯著延長。

PIPR(照明後持續性瞳孔反應):高強度短波長刺激後的持續性縮瞳。反映ipRGC和黑視蛋白的活化。

瞳孔並非完全靜止,而是持續進行約±0.5mm的連續振動(瞳孔震盪/hippus)。縮瞳相主要反映副交感神經功能,散瞳相主要反映交感神經功能。

視網膜感光細胞視網膜神經節細胞視神經視交叉→視束→在外側膝狀體前從視覺路徑分支→頂蓋前區→同側Edinger-Westphal(EW)核以及經由後連合到達對側EW核。

人類交叉纖維與非交叉纖維的比例約為1:1,因此直接對光反射和間接對光反射的強度大致相等。

EW核→動眼神經→海綿竇→眶上裂→眼眶→動眼神經下支→睫狀神經節突觸→短睫狀神經→進入眼球。

來自EW核的副交感神經纖維中,95%投射到睫狀肌(調節)5%投射到瞳孔括約肌。此比例與光-近反射分離的機制有關。

內源性光敏視網膜神經節細胞(ipRGC)含有黑視蛋白,構成瞳孔對光反射的主要傳入路徑。短波長的強藍光刺激(約470nm)引起緩慢而持續的縮瞳(PIPR)。

  • 黑視蛋白媒介的反應:潛伏期長,收縮速度慢。刺激期間和刺激後持續存在。
  • 視錐細胞媒介的反應:潛伏期短,收縮速度快。迅速恢復到基線。

黑視蛋白功能在人的一生中相對穩定,80歲以後開始下降,但比視桿細胞視錐細胞的年齡相關變化更慢。

  • 光反射:最基本的瞳孔反應
  • 近距離反應:輻湊、調節和縮瞳三聯徵。由核上性支配產生的雙眼聯合運動
  • 逃逸現象:在相對較弱的光刺激下,即使持續光照,瞳孔也開始散大。當視網膜視神經疾病導致視覺輸入障礙時,即使在強光刺激下也可觀察到逃逸現象
Q 瞳孔除了光刺激外還會對其他刺激產生反應嗎?
A

會的。精神緊張、驚嚇和疼痛刺激通過交感神經系統引起散瞳,而疲勞和困倦通過中樞神經系統引起縮瞳。情緒上,恐懼與散瞳相關,舒適與縮瞳相關。藥物(咖啡因、尼古丁、抗組織胺藥)也會影響瞳孔直徑。

在環境光較弱的條件下進行,以最小化外部因素對瞳孔直徑的影響。患者坐在專用設備前,使攝影機與雙眼成一直線。記錄基線瞳孔直徑後,呈現各種刺激(光、視覺模式)以記錄瞳孔反應。

考慮到晝夜變化,測量應在上午10點至下午2點之間開始和結束(避免午餐後1小時內)。閉式裝置比開式裝置瞳孔直徑更大,單眼視力在明亮處約大1.0毫米,在暗處約大0.2毫米,因此條件統一至關重要。

主要測量設備(日本使用的儀器)

Section titled “主要測量設備(日本使用的儀器)”
  • FP-10000 II(TMI):雙眼開放,單眼測量。考慮角膜屈光率。攜帶性優異,可任意設定視標位置。對於深眼窩,前後位置對準可能困難。
  • Procyon P3000(Haag-Streit):在三種照度(0.04、0.4、4.0勒克斯)下測量光學遠視。從最多32幀連續測量中自動計算平均值和波動範圍。通過面部海綿密封測量消除室內照度影響。可同時進行雙眼開放測量。
  • 目視式(Haab瞳孔計、Colvard瞳孔計等):以毫米為單位進行粗略評估。擔心檢查者接近引起的輻輳反應和心理因素的影響。
  • Iriscorder Dual C-10641(濱松光子):CCD固體成像元件。護目鏡式,可同時測量雙眼。可任意選擇光強度(10、100、250 cd/m²)、測量時間(1-60秒)和光刺激(藍色470 nm、紅色635 nm)。單次測量可分析11種參數。
  • ET-200(Neo Opt):多色LED(藍色466 nm、綠色537 nm、紅色636 nm)三種比較。護目鏡蓋可拆卸,也可用於眼球運動記錄。
  • NPi-100(IMI):單眼3秒內測量,重量350克。可在床邊進行簡單定量評估。建議作為筆燈的替代品使用。
  • RAPDx(Komen Medical):專門用於RAPD(相對傳入性瞳孔缺陷)的客觀評估。光刺激部位可從全視野、黃斑部、周邊部、上鼻側、下鼻側五種中選擇。計算振幅評分和潛伏期評分。

使用分割演算法追蹤瞳孔大小。最簡單的霍夫變換法在瞳孔為圓形時有效,但對於位置偏移或異常形狀,精度不足。使用高精度模式識別模型可以高精度檢測異常形狀的瞳孔

  • 閉環方式中,瞳孔直徑會影響照射光量,因此需要注意左右眼初始瞳孔直徑的差異。
  • 如果混入眨眼,應重新測量,包括暗適應(同時考慮疲勞和嗜睡的影響)。
  • 在輻輳反應測量中,內收會使瞳孔直徑被低估約0.2毫米。
  • 綠光受浦肯野位移的影響。紅光選擇性誘發源自感光細胞瞳孔對光反射,藍光選擇性誘發源自視網膜神經節細胞(ipRGC)的瞳孔對光反射。
Q 與筆燈檢查有何不同?
A

瞳孔記錄法透過標準化記錄實現精確測量,可以定量評估潛伏期、縮瞳率、散瞳速度等筆燈無法評估的附加參數。此外,還可以記錄結果、進行縱向比較,並消除檢查者偏誤。

RAPD(相對性傳入性瞳孔障礙)的定量評估

Section titled “RAPD(相對性傳入性瞳孔障礙)的定量評估”

與傳統的擺動閃光燈試驗相比,可以實現標準化、定量化和可重複的測量。RAPD出現在廣泛的視網膜病變、視神經病變、視束病變和頂蓋前區病變中。

擺動閃光燈試驗的步驟是在半暗室中左右眼交替給予約2秒的光刺激。在單眼視神經損傷中,當刺激健眼時雙眼收縮,但將光移至患眼時收縮減少(觀察為「散瞳變化」)。白內障等中間屈光介質混濁、雙眼視功能異常或視交叉後病變不會出現RAPD陽性。

在頭部外傷患者中,這可能是外傷性視神經損傷的唯一體徵,對於評估昏迷狀態的外傷患者很有用。

散瞳延遲是指光移除後瞳孔鬆弛和散瞳的延遲。在霍納症候群中,散瞳需要長達15-20秒(正常約5秒)。T₅顯著延長是特徵性表現。在雙側霍納症候群(相對性瞳孔不等不明顯)中,散瞳延遲的測量可能是唯一可靠的診斷方法。

瞳孔不等的評估必須在明暗兩種條件下進行測量。患側的縮瞳在暗室中更明顯,患側的散瞳在明室中更明顯。約20%的正常人有生理性瞳孔不等(差異≤1毫米,明暗無差異,對光反射正常),但應記住傳入性障礙(視神經疾病)會導致對光反射異常,但原則上不會引起瞳孔不等。

  • 強直性瞳孔(Adie症候群):光-近反應分離。使用稀釋的毛果芸香鹼(0.05–0.1%)點眼後出現縮瞳具有診斷價值。
  • 光-近反應分離:光反射消失但輻輳反射保留。見於中腦背側病變如Parinaud症候群、Argyll Robertson瞳孔和Adie症候群。
  • 絕對性瞳孔強直:光反射和輻輳反射均消失。由外傷、虹膜炎引起的虹膜萎縮、動眼神經麻痺、急性原發性閉角型青光眼、阿托品等引起。

屈光矯正手術和人工水晶體的適應症判斷

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在低照度條件下測量瞳孔直徑,以確定LASIK等手術的最佳切削直徑。如果切削直徑小於散瞳後的瞳孔直徑,則存在夜間光暈風險。也用於多焦點人工水晶體屈光矯正手術的適應症判斷。

PLR可分別評估視桿、視錐和黑視蛋白通路。在一個Jalili症候群(CNNM4突變)家系中,儘管明視視網膜電圖無法檢測,但錐體介導的PLR仍可記錄1)。在暗適應條件下,CNNM4患者表現出較大的PLR,而在明適應條件下,PLR接近正常下限或略有降低1)

  • 神經精神醫學瞳孔散大與覺醒水平和藍斑核活動相關。可作為神經退化性疾病(阿茲海默症、帕金森氏症)、自主神經功能障礙、藥物/酒精濫用的敏感指標。也用於評估嗜睡、思覺失調症、憂鬱等精神狀態。
  • 藥理學:測試藥物對自主神經的影響(膽鹼性/腎上腺素性)。根據瞳孔反應大小評估效果,並用於鎮靜作用研究。
  • 化學物質過敏症:觀察到副交感神經佔優勢的狀態,如初始瞳孔直徑(D₁)縮小和縮瞳率(CR)降低。
  • IT眼症遠視時仍持續縮瞳,且縮瞳先於輻輳誘發,顯示近反射分離。
Q 瞳孔記錄法有助於診斷哪些疾病?
A

典型用途包括透過RAPD評估鑑別視神經病變視網膜病變,透過散瞳延遲測量診斷霍納氏症候群,以及與稀釋毛果芸香鹼點眼試驗結合評估Adie症候群。也用於神經退化性疾病和自主神經障礙的客觀評估。

瞳孔對光反射由以下三條路徑整合控制。

路徑光受體特徵
視桿路徑視紫質在低亮度和暗環境下靈敏度高
視錐路徑視蛋白高亮度和明視條件。潛伏期短,收縮速度快
ipRGC路徑黑視蛋白長潛伏期和慢速度。刺激後持續(PIPR)

視錐輸入控制對刺激對比度變化的持續收縮,而黑視蛋白輸入設定長時間光照下的明適應瞳孔直徑。這種外視網膜和內視網膜的信號整合使得瞳孔反應得以精確調節。

  • 投射到視前區(特別是橄欖視前核)
  • 接收視桿和視錐輸入,並在其固有的黑視蛋白驅動反應之外整合這些外視網膜輸入
  • 與傳統神經節細胞相比冗餘性較低
  • 也參與與晝夜節律和情緒相關的光依賴性非成像迴路

瞳孔控制通路的增益控制存在於Edinger-Westphal核層級。關於皮質輸入,即使島葉皮質或額葉眼區發生局部缺血性梗塞,瞳孔直徑和收縮速度仍保持在正常生理範圍內,表明皮質輸入的缺失不會直接影響瞳孔直徑或收縮速度。

認知或情感事件引起的瞳孔變化小於光反射(通常小於0.5毫米),並且已知與藍斑核活動密切相關。

7. 最新研究與未來展望(研究階段報告)

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色覺瞳孔測量法(Chromatic pupillometry)

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此方法旨在透過單一非侵入性測量,分離外視網膜視桿細胞視錐細胞媒介)和內視網膜(黑視蛋白媒介)的反應。透過技術優化,有望發展為高靈敏度、高精準度的臨床生物標記。

應用於遺傳性視網膜疾病(Jalili症候群研究)

Section titled “應用於遺傳性視網膜疾病(Jalili症候群研究)”

Hyde等人(2022)比較了Jalili症候群(CNNM4突變)的三姐妹(5歲、14歲和15歲)與10名正常對照組。他們在暗適應後進行視桿路徑測量(465 nm,1秒),在明適應後進行視錐路徑測量(642 nm,1秒,使用6 cd/m²藍色視桿抑制場)。使用Naka-Rushton函數計算Pmax(最大飽和PLR反應)和s(PLR半飽和常數)1)。儘管明適應視網膜電圖無法檢測,但可記錄視錐媒介的PLR,顯示PLR可能成為評估視錐功能的有用工具1)

第32屆國際瞳孔研討會制定的國際標準第一版包含關於資料收集、處理和報告所需最低變數集的建議。旨在提高研究之間的可比較性,並有望成為未來臨床和多中心研究的基礎。

與人工智慧整合及擴展至神經退化性疾病生物標記

Section titled “與人工智慧整合及擴展至神經退化性疾病生物標記”

人工智慧與設備的整合有望提升性能並改善客觀量化。主要研究課題包括神經退化性疾病(阿茲海默症、帕金森氏症)的檢測和進展監測、臨床試驗中自主神經活動的客觀評估,以及睡眠和晝夜節律紊亂患者中黑視蛋白視網膜神經節細胞功能的評估。

  1. Hyde RA, Kratunova E, Park JC, McAnany JJ. Cone pathway dysfunction in Jalili syndrome due to a novel familial variant of CNNM4 revealed by pupillometry and electrophysiologic investigations. Ophthalmic genetics. 2022;43(2):268-276. doi:10.1080/13816810.2021.2002916. PMID:34875963; PMCID:PMC9081144.
  2. Kelbsch C, Strasser T, Chen Y, Feigl B, Gamlin PD, Kardon R, et al. Standards in Pupillography. Front Neurol. 2019;10:129. PMID: 30853933.
  3. Karlsen RL. [Pupillography]. Tidsskr Nor Laegeforen. 1980;100(5):286. PMID: 7385153.

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