不同对比度视力表及其临床应用
作者：王光霁
单位：美国新英格兰视光学院，MA 02115 美国
关键词：对比度；对比敏感度(CS)；空间频率；调制传递函数(MTF)；对比敏感函数(CSF)；视力表；眩光
眼视光学杂志990101摘 要 目的：介绍一种新的不同对比度视力表及其临床应用价值。方法：本视力表由3种不同对比度视力表和一种黑白反转视力表组成。对比度和视标大小均以几何级数变化，各表的视标和背景的亮度平均值保持一致。黑白反转视力表和第一视力表均为最高对比度，但产生较小眩光，可鉴别眼前段疾病。结果：应用本视力表检测了877人1748只眼，发现对比敏感度随年龄增长而下降，并因许多眼病而改变。结论：本视力表检查方便、快速，结果可靠，可常规应用于眼视光临床。
临床上，视觉系统的形觉以视力来确定，通常视力在高对比度下测量。对比度(调制度)由物体亮度对比背景亮度来确定。对比度=(物体亮度-背景亮度)/(物体亮度+背景亮度)。对比敏感度(CS)定义为视觉系统能觉察的对比度阈值的倒数。对比敏感度=1/对比度阈值。对比度阈值低，则对比敏感度高，则视觉功能好。然而，视觉系统的这两种功能是相互关联的。在某一空间频率，视觉系统有一定的对比敏感度；反之亦然，在某一对比度时，视觉系统有一定的空间频率分辨力(形觉)。在坐标图中，横坐标作为空间频率，纵坐标作为对比敏感度，则绘出对比敏感度函数(CSF)。对比敏感度函数(曲线)比起视力或单一对比敏感度，能给予更多的信息，以发现某些与视觉有关的疾病和障碍。自从对比敏感度函数的概念由Campball和Robson在1968年从光学引入视觉科学以来，发展出许多方法和装置来测量人类视觉系统的对比敏感度函数[1～16]，但是至今仅少数眼视光临床医师应用CSF测量[10]，这可能是由于仪器设备难以获得，测量不易被理解，太费时等原因所致。于此，作者介绍一种新的不同对比度视力表(以下称本视力表)[17，18]及其临床应用，以飨同道。
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1 方法和对象
本视力表是一套设计紧凑，便于携带的视力表，大小为45cm×45cm，由四张不同对比度的视力表组成(图1)。在本套视力表一、二、三中，视标为黑色，背景为白色，三张表的对比度分别为90%，15%和2.5%。其对比度以几何级数递减，比值为6。在本视力表四中，视标为白色，而背景为黑色，恰与表一相反，而对比度相同，为90%。由于表四有较大面积的黑色背景， 所以比表一产生的眩光要小。 每表中共有13行视标， 其大小也以几何级数递减，比值为1.2589。对比度和空间频率平均以几何级数变化，而其记录用算术级数，这符合Weber和Fechner的生理规则。为了能获得相同的拥挤效应(Crowding effect)，每行的视标之间的间距相等于视标的宽度。同理，上下行两行之间的间距也等于上下行视标大小的几何平均值，这样给予上下行视标以相同的拥挤效应。因此上下行的间距为视标大小的1.2589=1.1220。
视力表一至四的对比度具有相同的平均亮度。也就是说，视标的亮度与背景亮度之和都相同。所以，从视力表一至表三，当视标的亮度逐增，而背景亮度相应地递减。本视力表的对比度为Michelson对比度[10]。对比度=(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)，因此视网膜照度在各表将相同。
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由于本视力表采用E形视标，为被检者(包括儿童和文盲)和检查者所熟悉，并易于理解。同时，还可以采用强迫选择法，可将观察者的偏爱降为最低[14]。E形视标还能转向上下左右任何方向，所以该表可摆成任何方位作测量，因此，每行的2个E可增至8个E，以减少猜测和记忆。
本视力表由计算机绘制而成，所有视标和背景均由密度相同的同式点阵分布的点组成，仅仅由点的大小改变来达到不同的黑色度。因此，其对比度具有可靠性、稳定性和可复制性。在本次临床应用研究中，共有877人(共1748只眼)应用本视力表作测量。表1显示病人年龄和眼部情况或疾病的分布。
检查方法与通常视力检查相同。本表由明亮室内光照明，被检者坐离本表3米距离，配戴最佳屈光矫正镜，先测右眼，再测左眼，测量次序由表一至表四，视标由大至小，直至被检者不能正确读出最小行的两视标为止，尽量鼓励被检者读出下一行小视标。
每位被检者的测量结果记录在记录单上。图2为某一病人的记录示例，他的右眼能读出表一、四的第13行视标(视力为10/6)，表二的第12行和表三的第9行。连接记录表上对应的13、12和9即或右眼的对比敏感度。他的左眼能读出表一的第11行和表四的第12行，所以用一段横线连接11和12，该线段的长短为眩光的测量值。该线段越长，表示眩光越严重。左眼还能读出表二的第10行和表三的第7行一个E，在表三中的连接点位于6和7之间。
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2 结果
1097只正常眼根据被测者年龄分为8组。13～19岁为最年轻组，81岁及以上为最年长组，中间每10岁为一组，8组的每组CSF平均值显示于图3。随着年龄的增长，低、中、高对比度的视力均下降，但低对比度时下降更为明显。
323只早期白内障眼的CSF平均值见于图4(实线表示)，低对比度的视力比同龄组的正常眼下降很多，尤其是表一和表四的差异相当大。
88只人工晶体眼的CSF平均值显示于图4(虚线表示)，所有对比度的视力比白内障眼佳，同时表一和表四的视力无差异。然而，人工晶体眼的视力不如年轻健康眼，尤其在低对比度时。
114只角膜接触镜配戴过度综合征眼的CSF平均值显示于图5(实线表示)，所有对比度的视力略有下降，表一和表四的视力有些差异。
, 百拇医药 18只PRK术后眼的CSF平均值显示于图5(虚线表示)，CSF类似于角膜接触镜配戴过度综合征，但低对比度更为下降，表一和表四略有差异。
19只背景型糖尿病视网膜病变眼的CSF平均值显示于图6，低、中对比度时下降大，表一和表四有少量差异。
157只老年性黄斑变性眼CSF的平均值显示于图7(实线表示)，与同龄正常眼相比，其所有对比度视力均下降，但低、中对比度时下降更大。
10只弱视眼的CSF平均值见图7(虚线表示)，在高对比度时下降较大。
39只开角型青光眼的CSF平均值显示于图8(实线表示)，低对比度时下降较大。
6只多发性硬化症患者眼的CSF平均值显示于图8(虚线表示)，在低、中对比度时下降明显，而通常视力尚正常。
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3 讨论
视觉系统感知信息可能是多通道的[3,18]， 所以在评估人类视觉功能时有必要测量对比敏感度函数，以发现与视觉有关的眼病和障碍。诸多眼病患者仅低、中对比度受影响，而通常视力表所测的视力仍是良好的。因而对比敏感度应列为常规检查，尤其对于视力正常而有视觉不佳主诉的患者，更必须作对比敏感度检查。
临床上有两种方法测量CSF[10]。如图9所示，一种方法是沿着垂直方向测出CSF，也就是保持空间频率不变，而改变对比度；另一种方法是沿着水平方向测出CSF，即保持对比度不变，而改变空间频率。后一方法与通常视力检查相同，只是视力表的对比度不同，故更易为被检者所熟悉和理解。本视力表采用后一方法。
测量完整的CSF是很费时的[1]，这可能是CSF测量在临床上尚未普及的原因之一。现行的许多设置仅测CSF的1至5点，本视力表测CSF上的3点，由于对比度改变和视标大小均以几何级数增减，而且比值合理，故测量结果具有可重复性、一致性和可靠性。空间频率条纹的亮度可以是正弦波和方波[1,20,21]，正弦波条纹的明暗变化呈正弦曲线，明暗之间逐渐移行，方波条纹的明暗之间截然分明，无移行区。在光学上应用正弦波，但是在现实世界中，方波线条比正弦波线条多得多，后者极少存在，而且，方波线条的边缘能增强视知觉，使得视觉系统感到暗区更暗，亮区更亮，这是视觉系统的生理功能，在测量CSF时应包括这种增强效应[22]。
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在应用方波条纹测量CSF时，必须在屈光不正矫正后进行，否则会引起假性分辨力[20,21]，这是视网膜像离焦效应，像的对比度与物体对比度反转，也就是象的暗区转为亮区，亮区转为暗区，这样，虽然物体小于其视力所能看见的，但被检者仍能“看见”。在本项临床研究中，所有被检者均戴上最佳矫正镜，故假性分辨力可以排除。
临床上所测的CSF实际上是总的CSF，是纯光学调制传递函数(MTF)和视网膜神经传递函数(NCSF)之积[23]，图10显示这三种函数的关系。CSF值或NCSF值必大于1，MTF值必小于1。在本项临床研究中，1097只正常眼的CSF随着年龄增长而下降(图3)，其结果与其他研究相似[23,24]。CSF随年龄递降可能是神经现象或光学现象，有些学者认为这是视网膜及视觉神经随年龄而改变所致，光学因素仅在最高空间频率起些作用[25]，另一些学者认为这是随年龄而增加的眼内散射和像差等光学因素所致[26] 。由于CSF在各不同对比度均下降而低对比度尤甚，作者认为光学MTF和视网膜神经NCSF两者都是原因。由于低对比度由视觉神经所增强，而低对比度CSF随年龄下降更多，故NCSF可能是更重要因素。
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早期白内障眼的CSF在低对比度下降较大，这解释了为何患者视力正常仍有视觉困难的主诉[5,27,28]，同时，表一和表四的差异近于一行半视力，说明眩光很大。早期白内障主要是混沌晶体的广角散射引起所有对比度视力下降[9,29]，如果是窄角散射，仅高对比度视力明显下降。散射使患者感到眩光[30,31] 。表四具有较小眩光设计，能用于眼前段疾病的检查。在角膜接触镜配戴过度综合征和PRK被检者，表一和表四也显示一些差异。PRK眼的低对比度下降更明显，故视力虽佳，但有明显眩光[32,33]。
人工晶体植入眼的CSF类似正常老年眼，这可能是视觉神经现象[25]，但是，Artel等认为人工晶体的光学性质仅与老年人晶体相似，低于年轻人的晶体[26]。晶体是一个多层、屈光折射率渐变的透镜，其光学性质优于任何单透镜，如人工晶体[34]。随着年龄的增长，晶体核变大变硬，其光学性质渐降。
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老年性黄斑变性的CSF在所有对比度均下降，结果同其他研究[35]，这表明神经系统在高、中、低对比度的各频道均受损。同样的CSF下降也出现在弱视眼[36]。
背景型糖尿病视网膜病变眼的CSF显示各对比度视力均下降，表明光学MTF和神经NCSF可能都受损，表一和表四稍有差异，这可能是视网膜水肿所致的散射引起的[37]。
开角型青光眼的CSF主要是低对比度视力下降，这表明神经NCSF受损。由于青光眼的CSF并无独特性，其敏感性和特异性均太低，故有些学者认为CSF不能用于开角型青光眼的普查和诊断[38，39]，其他学者认为早期发现青光眼的视觉损失是可能的[5]。作者发现，CSF对于评价青光眼的视功能很有作用，尤其在两眼CSF不同时，更有助于治疗方案的决定。
多发性硬化症的CSF主要在低对比度时下降，表明神经NCSF受损，其结果同于其他作者[5,27]。作者认为，CSF对于早期发现多发性硬化症很有用。
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许多眼病和障碍均能损害光学MTF、神经NCSF或两者，临床上所测得的只是总的CSF，是MTF和NCSF的积，与繁多的眼病种类相比，这三个函数(曲线)的任何一个的类型数都是有限的。从上述临床研究中，可以看出，许多眼病有相似的CSF类型。因此，我们不能期望CSF测量可以诊断特定的眼病，CSF不是诊断某些眼病的特殊方法。但是，CSF在眼视觉临床中极有用。作者与其他学者持有一些相同的看法[1,10]，CSF应作常规检查，因其可用于：①评估视觉功能和预计与视觉有关的能力，从而能指导被检者从业和选择生活方式；②监测某些眼病的视功能；③普查某些眼病；④辅助诊断某些眼病。(本文插图及参考文献见英文稿)
作者单位：美国新英格兰视光学院，MA 02115 美国
(收稿：1998-11-10), http://www.100md.com
单位：美国新英格兰视光学院，MA 02115 美国
关键词：对比度；对比敏感度(CS)；空间频率；调制传递函数(MTF)；对比敏感函数(CSF)；视力表；眩光
眼视光学杂志990101摘 要 目的：介绍一种新的不同对比度视力表及其临床应用价值。方法：本视力表由3种不同对比度视力表和一种黑白反转视力表组成。对比度和视标大小均以几何级数变化，各表的视标和背景的亮度平均值保持一致。黑白反转视力表和第一视力表均为最高对比度，但产生较小眩光，可鉴别眼前段疾病。结果：应用本视力表检测了877人1748只眼，发现对比敏感度随年龄增长而下降，并因许多眼病而改变。结论：本视力表检查方便、快速，结果可靠，可常规应用于眼视光临床。
临床上，视觉系统的形觉以视力来确定，通常视力在高对比度下测量。对比度(调制度)由物体亮度对比背景亮度来确定。对比度=(物体亮度-背景亮度)/(物体亮度+背景亮度)。对比敏感度(CS)定义为视觉系统能觉察的对比度阈值的倒数。对比敏感度=1/对比度阈值。对比度阈值低，则对比敏感度高，则视觉功能好。然而，视觉系统的这两种功能是相互关联的。在某一空间频率，视觉系统有一定的对比敏感度；反之亦然，在某一对比度时，视觉系统有一定的空间频率分辨力(形觉)。在坐标图中，横坐标作为空间频率，纵坐标作为对比敏感度，则绘出对比敏感度函数(CSF)。对比敏感度函数(曲线)比起视力或单一对比敏感度，能给予更多的信息，以发现某些与视觉有关的疾病和障碍。自从对比敏感度函数的概念由Campball和Robson在1968年从光学引入视觉科学以来，发展出许多方法和装置来测量人类视觉系统的对比敏感度函数[1～16]，但是至今仅少数眼视光临床医师应用CSF测量[10]，这可能是由于仪器设备难以获得，测量不易被理解，太费时等原因所致。于此，作者介绍一种新的不同对比度视力表(以下称本视力表)[17，18]及其临床应用，以飨同道。
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1 方法和对象
本视力表是一套设计紧凑，便于携带的视力表，大小为45cm×45cm，由四张不同对比度的视力表组成(图1)。在本套视力表一、二、三中，视标为黑色，背景为白色，三张表的对比度分别为90%，15%和2.5%。其对比度以几何级数递减，比值为6。在本视力表四中，视标为白色，而背景为黑色，恰与表一相反，而对比度相同，为90%。由于表四有较大面积的黑色背景， 所以比表一产生的眩光要小。 每表中共有13行视标， 其大小也以几何级数递减，比值为1.2589。对比度和空间频率平均以几何级数变化，而其记录用算术级数，这符合Weber和Fechner的生理规则。为了能获得相同的拥挤效应(Crowding effect)，每行的视标之间的间距相等于视标的宽度。同理，上下行两行之间的间距也等于上下行视标大小的几何平均值，这样给予上下行视标以相同的拥挤效应。因此上下行的间距为视标大小的1.2589=1.1220。
视力表一至四的对比度具有相同的平均亮度。也就是说，视标的亮度与背景亮度之和都相同。所以，从视力表一至表三，当视标的亮度逐增，而背景亮度相应地递减。本视力表的对比度为Michelson对比度[10]。对比度=(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)，因此视网膜照度在各表将相同。
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由于本视力表采用E形视标，为被检者(包括儿童和文盲)和检查者所熟悉，并易于理解。同时，还可以采用强迫选择法，可将观察者的偏爱降为最低[14]。E形视标还能转向上下左右任何方向，所以该表可摆成任何方位作测量，因此，每行的2个E可增至8个E，以减少猜测和记忆。
本视力表由计算机绘制而成，所有视标和背景均由密度相同的同式点阵分布的点组成，仅仅由点的大小改变来达到不同的黑色度。因此，其对比度具有可靠性、稳定性和可复制性。在本次临床应用研究中，共有877人(共1748只眼)应用本视力表作测量。表1显示病人年龄和眼部情况或疾病的分布。
检查方法与通常视力检查相同。本表由明亮室内光照明，被检者坐离本表3米距离，配戴最佳屈光矫正镜，先测右眼，再测左眼，测量次序由表一至表四，视标由大至小，直至被检者不能正确读出最小行的两视标为止，尽量鼓励被检者读出下一行小视标。
每位被检者的测量结果记录在记录单上。图2为某一病人的记录示例，他的右眼能读出表一、四的第13行视标(视力为10/6)，表二的第12行和表三的第9行。连接记录表上对应的13、12和9即或右眼的对比敏感度。他的左眼能读出表一的第11行和表四的第12行，所以用一段横线连接11和12，该线段的长短为眩光的测量值。该线段越长，表示眩光越严重。左眼还能读出表二的第10行和表三的第7行一个E，在表三中的连接点位于6和7之间。
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2 结果
1097只正常眼根据被测者年龄分为8组。13～19岁为最年轻组，81岁及以上为最年长组，中间每10岁为一组，8组的每组CSF平均值显示于图3。随着年龄的增长，低、中、高对比度的视力均下降，但低对比度时下降更为明显。
323只早期白内障眼的CSF平均值见于图4(实线表示)，低对比度的视力比同龄组的正常眼下降很多，尤其是表一和表四的差异相当大。
88只人工晶体眼的CSF平均值显示于图4(虚线表示)，所有对比度的视力比白内障眼佳，同时表一和表四的视力无差异。然而，人工晶体眼的视力不如年轻健康眼，尤其在低对比度时。
114只角膜接触镜配戴过度综合征眼的CSF平均值显示于图5(实线表示)，所有对比度的视力略有下降，表一和表四的视力有些差异。
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19只背景型糖尿病视网膜病变眼的CSF平均值显示于图6，低、中对比度时下降大，表一和表四有少量差异。
157只老年性黄斑变性眼CSF的平均值显示于图7(实线表示)，与同龄正常眼相比，其所有对比度视力均下降，但低、中对比度时下降更大。
10只弱视眼的CSF平均值见图7(虚线表示)，在高对比度时下降较大。
39只开角型青光眼的CSF平均值显示于图8(实线表示)，低对比度时下降较大。
6只多发性硬化症患者眼的CSF平均值显示于图8(虚线表示)，在低、中对比度时下降明显，而通常视力尚正常。
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3 讨论
视觉系统感知信息可能是多通道的[3,18]， 所以在评估人类视觉功能时有必要测量对比敏感度函数，以发现与视觉有关的眼病和障碍。诸多眼病患者仅低、中对比度受影响，而通常视力表所测的视力仍是良好的。因而对比敏感度应列为常规检查，尤其对于视力正常而有视觉不佳主诉的患者，更必须作对比敏感度检查。
临床上有两种方法测量CSF[10]。如图9所示，一种方法是沿着垂直方向测出CSF，也就是保持空间频率不变，而改变对比度；另一种方法是沿着水平方向测出CSF，即保持对比度不变，而改变空间频率。后一方法与通常视力检查相同，只是视力表的对比度不同，故更易为被检者所熟悉和理解。本视力表采用后一方法。
测量完整的CSF是很费时的[1]，这可能是CSF测量在临床上尚未普及的原因之一。现行的许多设置仅测CSF的1至5点，本视力表测CSF上的3点，由于对比度改变和视标大小均以几何级数增减，而且比值合理，故测量结果具有可重复性、一致性和可靠性。空间频率条纹的亮度可以是正弦波和方波[1,20,21]，正弦波条纹的明暗变化呈正弦曲线，明暗之间逐渐移行，方波条纹的明暗之间截然分明，无移行区。在光学上应用正弦波，但是在现实世界中，方波线条比正弦波线条多得多，后者极少存在，而且，方波线条的边缘能增强视知觉，使得视觉系统感到暗区更暗，亮区更亮，这是视觉系统的生理功能，在测量CSF时应包括这种增强效应[22]。
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在应用方波条纹测量CSF时，必须在屈光不正矫正后进行，否则会引起假性分辨力[20,21]，这是视网膜像离焦效应，像的对比度与物体对比度反转，也就是象的暗区转为亮区，亮区转为暗区，这样，虽然物体小于其视力所能看见的，但被检者仍能“看见”。在本项临床研究中，所有被检者均戴上最佳矫正镜，故假性分辨力可以排除。
临床上所测的CSF实际上是总的CSF，是纯光学调制传递函数(MTF)和视网膜神经传递函数(NCSF)之积[23]，图10显示这三种函数的关系。CSF值或NCSF值必大于1，MTF值必小于1。在本项临床研究中，1097只正常眼的CSF随着年龄增长而下降(图3)，其结果与其他研究相似[23,24]。CSF随年龄递降可能是神经现象或光学现象，有些学者认为这是视网膜及视觉神经随年龄而改变所致，光学因素仅在最高空间频率起些作用[25]，另一些学者认为这是随年龄而增加的眼内散射和像差等光学因素所致[26] 。由于CSF在各不同对比度均下降而低对比度尤甚，作者认为光学MTF和视网膜神经NCSF两者都是原因。由于低对比度由视觉神经所增强，而低对比度CSF随年龄下降更多，故NCSF可能是更重要因素。
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人工晶体植入眼的CSF类似正常老年眼，这可能是视觉神经现象[25]，但是，Artel等认为人工晶体的光学性质仅与老年人晶体相似，低于年轻人的晶体[26]。晶体是一个多层、屈光折射率渐变的透镜，其光学性质优于任何单透镜，如人工晶体[34]。随着年龄的增长，晶体核变大变硬，其光学性质渐降。
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老年性黄斑变性的CSF在所有对比度均下降，结果同其他研究[35]，这表明神经系统在高、中、低对比度的各频道均受损。同样的CSF下降也出现在弱视眼[36]。
背景型糖尿病视网膜病变眼的CSF显示各对比度视力均下降，表明光学MTF和神经NCSF可能都受损，表一和表四稍有差异，这可能是视网膜水肿所致的散射引起的[37]。
开角型青光眼的CSF主要是低对比度视力下降，这表明神经NCSF受损。由于青光眼的CSF并无独特性，其敏感性和特异性均太低，故有些学者认为CSF不能用于开角型青光眼的普查和诊断[38，39]，其他学者认为早期发现青光眼的视觉损失是可能的[5]。作者发现，CSF对于评价青光眼的视功能很有作用，尤其在两眼CSF不同时，更有助于治疗方案的决定。
多发性硬化症的CSF主要在低对比度时下降，表明神经NCSF受损，其结果同于其他作者[5,27]。作者认为，CSF对于早期发现多发性硬化症很有用。
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许多眼病和障碍均能损害光学MTF、神经NCSF或两者，临床上所测得的只是总的CSF，是MTF和NCSF的积，与繁多的眼病种类相比，这三个函数(曲线)的任何一个的类型数都是有限的。从上述临床研究中，可以看出，许多眼病有相似的CSF类型。因此，我们不能期望CSF测量可以诊断特定的眼病，CSF不是诊断某些眼病的特殊方法。但是，CSF在眼视觉临床中极有用。作者与其他学者持有一些相同的看法[1,10]，CSF应作常规检查，因其可用于：①评估视觉功能和预计与视觉有关的能力，从而能指导被检者从业和选择生活方式；②监测某些眼病的视功能；③普查某些眼病；④辅助诊断某些眼病。(本文插图及参考文献见英文稿)
作者单位：美国新英格兰视光学院，MA 02115 美国
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