五种可穿戴传感器用于客观测量近距离用眼与光照暴露的比较研究

《npj Biological Timing and Sleep》：Five wearable sensors for objective measurement of near work and light exposure

　　

本研究比较了五种可穿戴传感器（VEET、Clouclip、Actiwatch、ActLumus 和 GENEActiv）在量化近视相关环境暴露方面的表现。30名参与者（27.8 ± 7.0岁）在同一天同时佩戴两种眼镜式传感器和三种腕戴式传感器，并保持详细的活动日志。数据按观看距离（近距：15–<60 cm，中距：60–<100 cm，远距：≥100 cm）和照度（暗视：<3 lux，中间视觉：3至<30 lux，室内明视：30至<1000 lux，室外明视：≥1000 lux）进行分箱。VEET记录的近距和中距时间显著多于Clouclip（p < 0.001）。活动日志得到的近距观看时间显著低于VEET（p < 0.001）和Clouclip（p = 0.048），中距观看时间则更高（p < 0.001）。所有传感器在室外照度分类上表现出极佳的一致性。活动日志报告的室外时长显著多于VEET、Clouclip、GENEActiv和Actiwatch（p均< 0.05）。Actiwatch记录的暗视（<3 lux）时长显著多于其他传感器（p均< 0.05）。尽管主观日志提供了有用的情境信息，但视觉活动估计值与客观测量存在显著差异。传感器之间虽小但显著的差异强调了在近视研究中选择设备的重要性。

近视已成为日益严峻的全球公共卫生问题，据预测到2050年全球近一半人口将罹患近视，而高度近视相关的黄斑变性、视网膜脱离和青光眼等严重致盲性疾病风险随之升高。尽管遗传因素具有一定作用，但全球近视率的激增被认为主要由环境与行为因素驱动。大量证据指向两个主要因素：户外时间不足与近距离用眼过度。近距离用眼通过多种光学和生物力学机制与近视进展相关；户外时间的保护作用则与光照强度和光谱特性密切相关，高强度光照可刺激视网膜多巴胺释放，而视网膜多巴胺具有与昼夜节律系统内在联系的强烈昼夜节律，因此近视与昼夜节律生物学的交叉领域日益受到关注。既往研究多依赖问卷和日记等主观方法，存在回忆偏倚，无法连续追踪光照暴露或精确观看距离的动态变化。近年来研究人员越来越多地采用可穿戴技术，在真实世界环境中获取客观、高分辨率的数据。然而设备可得性与标准化是主要挑战：许多早期研究使用的传感器为自制设备、仅限少数研究者使用或未商业化，限制了其广泛应用；此外部分常用传感器（如Actiwatch）已停止生产，研究人员必须转向新技术，因此需要全面评估。虽然现代设备可能已在各自独立研究中针对实验室标准进行过验证，但同时进行的连续真实世界比较对于确保数据一致性、相互一致性和可比性至关重要。目前可用的可穿戴设备在解剖佩戴位置和底层技术上存在显著差异：腕戴式设备常用于连续监测环境光照，但佩戴于腕部易受衣物遮挡，且不位于眼水平并受旋转运动影响，可能无法准确估计到达眼部的照度；眼镜式光传感器（VEET和Clouclip）位于眼水平且更贴近视线，两者均整合飞行时间（ToF）技术以估计观看距离，并具有固定倾角（Clouclip向下10°，VEET向下20°并向内4°）以适配近距离用眼时的典型眼位。本研究的主要目的是系统评估五种可穿戴传感器，以支持对近视相关环境因素的客观量化。研究人员评估这些传感器的相互一致性，而非其绝对验证或可靠性，因为目前尚无用于连续、真实世界监测观看行为的真正金标准。观看距离在两种配备ToF技术的眼镜式设备（VEET和Clouclip）之间比较，光照则在五种设备（VEET、Clouclip以及三种腕戴式设备Actiwatch、ActLumus和GENEActiv）之间比较。此外，自我报告的日常活动日志有助于将分类的任务型观看和光照与客观数据直接比较。通过比较这些设备的输出及其与主观日志的一致性，本研究旨在为未来近视研究和干预试验中适当仪器的选择提供指导。

研究人员开展了如下研究：招募18岁及以上健康成人，于2025年5月至10月通过机构邮件、校园张贴传单和口口相传招募，所有数据采集在德克萨斯州休斯顿进行。排除标准为最佳矫正视力差于20/25或任何导致无法或不愿佩戴传感器的眼部或全身性疾病。方案经休斯顿大学机构审查委员会批准，所有程序遵循《赫尔辛基宣言》。筛查访视使用WAM-5500（Grand Seiko，日本）进行客观非睫状肌麻痹验光，每眼采集五次测量后取平均，计算球面等效屈光度（SER），将参与者分为非近视（SER > ?0.50 D）或近视（SER ≤ ?0.50 D）。符合条件的参与者在清醒时段同时佩戴五种传感器（两种眼镜式和三种腕戴式）一整天，至少14 h。眼镜式传感器安装于平光镜架上；近视参与者被鼓励在实验日佩戴隐形眼镜，如偏好也可为镜架装配处方镜片。参与者可任选一周中的某一天进行数据采集，同时保持详细活动日志，记录传感器佩戴时段的起止时间以及不同任务的简要描述（如阅读、驾驶或家务）。共30名参与者（12男，18女）完成研究，平均年龄27.8 ± 7.0岁（范围19–49岁）。基线SER在左右眼间无显著差异（p > 0.05）。根据右眼SER，12名参与者为非近视（+0.10 ± 0.28 D），18名为近视（?2.56 ± 1.90 D）。研究得出结论：可穿戴传感器为视觉环境和行为提供了有价值的客观测量，但现有设备之间存在差异；VEET和Clouclip呈现不同的观看距离特征，可能与传感器几何结构和检测策略有关，而五种传感器在明亮户外光照暴露上表现高度一致；主观活动日志提供了有用的情境信息，但在观看距离和环境光照上与客观测量存在显著差异。这些发现强调了未来工作中谨慎选择设备和标准化分析方法的重要性。

在技术方法方面，本研究主要采用以下关键技术：五种可穿戴传感器同步佩戴，包括两种眼镜式设备VEET（Meta LLC，美国）和Clouclip（Glasson Technology Co., Ltd，中国）以及三种腕戴式设备Actiwatch（Philips Respironics，美国）、ActLumus（Condor Instruments，巴西）和GENEActiv（ActivInsights，加拿大）；VEET右侧镜腿整合红外ToF测距仪（报告范围5–400 cm，向下20°、鼻侧4°）、三通道光传感器（紫外、明视、红外，范围0–128,000 lux）和陀螺仪，采样间隔2 s；Clouclip红外追踪光束向下10°，距离测量范围5–120 cm，照度范围1至65,336 lux，距离每5 s采集、照度每2 min采集，并含角加速度传感器检测非佩戴；Actiwatch以15 s采样间隔记录环境照度（0.1–35,000 lux）和活动；ActLumus以60 s间隔采集照度（1–100,000 lux）、光谱、活动和温度；GENEActiv以1 s间隔采集照度（0–20,000 lux）、活动和温度。数据处理、统计分析和可视化使用MATLAB R2025b完成；VEET原始ToF输出含64个空间区域及信噪比置信值，低置信（<10%）或为零的距离值标记为无效并转换为NaN，有效数据空间平均得到单一距离值；利用VEET的ToF和陀螺仪数据确定所有传感器的标准化佩戴时间，采用双传感器（ToF和IMU）方法区分真正非佩戴与静止观看行为；各设备数据对齐至共同起止时间并重采样为统一1 s间隔，采用末次观测值结转（LOCF）算法进行值传播，距离最大结转阈值60 s、光照120 s，超过阈值的间隙和已识别的非佩戴时段视为缺失数据（NaN）并在时长计算前排除，Clouclip超出100 cm检测范围等设备日志固有的NaN值则予以保留。距离数据分为近距（10至<60 cm）、中距（60至<100 cm）和远距（≥100 cm）三类，计算各类别每日累计时长，并用线性回归和相关系数评估两设备间的预测一致性；光照数据分为暗视（<3 lux）、中间视觉（3至<30 lux）、室内明视（30至<1000 lux）和室外明视（≥1000 lux）四类，计算各设备各类别每日总时长。活动日志按距离（近、中、远或组合）和环境（室内或室外）领域系统分类并计算各类别总时长。统计分析方面，采用Kolmogorov-Smirnov检验评估数据正态性，因关键连续变量呈非正态分布，数据以中位数（四分位距[IQR：Q1，Q3]）表示；佩戴时间差异用非参数Wilcoxon符号秩检验评估；观看距离和环境光照时长在传感器与主观活动日志间的比较采用非参数Friedman检验，综合Friedman检验的效应量用Kendall协调系数（W）计算，解释为小（0.1）、中（0.3）和大（≥0.5）；显著主效应后采用Dunn-Bonferroni检验进行事后两两比较，多重性校正严格应用于各独立Friedman分析内，仅校正特定环境类别内的两两比较数目而非全部研究结局的更广泛家族；设备间一致性用线性回归和Bland-Altman分析评估，报告平均偏倚和95%一致性界限；统计显著性定义为p < 0.05。样本量25–28名参与者为该被试内设计提供了足够的精度和检验效能，N = 25可使设备间平均偏倚的估计精确到±0.41个标准差（95%置信度），并提供80%统计效能（α = 0.05）检测中到大被试内效应（Cohen's d ≥ 0.56）。

研究结果如下。参与者特征方面，30名参与者（12男，18女）平均年龄27.8 ± 7.0岁（范围19–49岁）完成研究，基线SER左右眼间无显著差异，12名为非近视（+0.10 ± 0.28 D），18名为近视（?2.56 ± 1.90 D）。佩戴时间方面，据参与者日志，五种设备的中位数（Q1，Q3）总佩戴时间为14.0 h（13.63，14.35）；VEET客观记录的中位数总佩戴时间为14.03 h（13.62，14.18），两者差异在统计学和临床上均不显著（Wilcoxon符号秩检验，p = 0.67）。扣除间歇性非佩戴期和技术性数据缺口后，30名参与者VEET的中位数总佩戴时间为13.12 h（11.21，14.07）；Clouclip有两名参与者未能采集数据，故观看距离的比较分析在28名参与者中进行，其有效数据中位时长为13.72 h（12.47，14.07）；Actiwatch、ActLumus和GENEActiv各有29名参与者的数据，有效时长中位数分别为13.20 h（12.02，14.07）、13.65 h（12.84，14.07）和13.78 h（12.92，14.07）。为进行跨传感器直接比较，仅纳入所有传感器均有有效数据的时段；为保持完美的时间对齐，设备未能记录的瞬时时段从配对数据集中排除。最终比较分析纳入28名参与者的距离数据，中位时长13.12 h（11.12，14.07），以及25名参与者的环境光照数据，中位时长13.09 h（10.47，14.06）。活动日志方面，一名参与者的代表性日志显示其室内11.5 h、室外2.5 h，近距工作4.33 h、中距工作7.17 h、远距活动2.5 h。全队列活动日志中位数显示室内11.32 h（9.88，12.33）、室外1.83 h（1.13，2.52），近距观看1.91 h（0.85，3.78）、中距观看7.85 h（4.61，9.92）、远距观看1.96 h（1.06，2.78）。观看距离方面，代表性参与者的距离曲线显示，尽管两数据集时间对齐并重采样至统一1 s间隔，VEET数据集在视觉上表现出更好的信号连续性和更高的逐时刻方差，且VEET捕捉到更宽的动态距离范围，记录了远超100 cm的目标；Clouclip数据则呈现明显的天花板效应，最大距离测量值封顶于约100 cm附近且整体信号更稀疏，其数据缺口对应检测范围之外的距离并被解释为远距观看。因此，两种设备虽均能有效检测近距和中距观看距离，但在整个动态距离谱上的绝对追踪能力显著不同。三种距离类别累计观看时长的比较显示，Friedman检验揭示三种测量方法间存在统计学显著差异且所有距离类别效应量大：近距观看（χ2(2) = 36.64，n = 28，p < 0.001，W = 0.65）、中距观看（χ2(2) = 52.29，n = 28，p < 0.001，W = 0.93）和远距观看（χ2(2) = 40.79，n = 28，p < 0.001，W = 0.73）。经Dunn-Bonferroni校正的事后两两比较（报告校正p值和效应量r）表明，VEET捕捉到的近距（10至<60 cm）（p < 0.001，r = 0.68）和中距（60至<100 cm）（p = 0.004，r = 0.61）观看任务时间显著多于Clouclip；反之，Clouclip记录的远距观看（≥100 cm）时长显著高于VEET（p < 0.001，r = 0.78）。活动日志得出的时长与客观数据存在显著差异：日志得到的近距观看时长显著低于VEET（p < 0.001，r > 0.99）和Clouclip（p = 0.048，r = 0.45）；相反，日志归类为中距观看的时长显著高于两种设备（对VEET p < 0.001，r = 0.76；对Clouclip p < 0.001，r > 0.99）；远距观看方面，日志时长显著低于Clouclip（p < 0.001，r > 0.99），但与VEET无差异（p = 0.098，r = 0.40）。VEET与Clouclip观看时长的评估显示各距离类别存在不同程度的相关性和明显系统偏倚：近距观看两设备呈中度线性相关R2 = 0.56（p < 0.0001），但Bland-Altman分析证实Clouclip记录的近距时长系统性低于VEET，平均偏倚+2.0 h（95% LoA，?1.0至+4.9 h）；中距观看相关性较弱，R2 = 0.35（p = 0.001），平均偏倚+1.0 h（95% LoA，?1.2至+3.2 h）；反之，远距观看呈强相关，R2 = 0.78（p < 0.0001），但Clouclip记录的观看时长显著更高，平均偏倚?3.0 h（95% LoA，?5.4至?0.6 h）。环境光照方面，代表性参与者的数据显示，五种传感器均捕捉到主要环境转换，峰谷时间相似，设备间存在短期波动和间歇性变异；尽管位置不同，眼镜式与腕戴式设备的整体动态范围和时间模式总体一致，表明位置并未实质性限制对环境光照总体趋势的检测。将照度分为室内（<1000 lux）和室外（≥1000 lux）两大类并用Friedman检验比较活动日志与传感器：两类均显示测量方法间存在统计学显著差异，室内（χ2(5) = 51.05，n = 25，p < 0.001，W = 0.41）和室外（χ2(5) = 27.18，n = 25，p < 0.001，W = 0.22）。事后Dunn-Bonferroni比较（报告校正p值和效应量r）表明，室内方面活动日志时长显著少于所有传感器所得时长（Actiwatch：p = 0.006，r = 0.71；ActLumus：p = 0.017，r = 0.65；GENEActiv：p < 0.001，r > 0.99；VEET：p < 0.001，r > 0.99），Clouclip除外（p > 0.99，r = 0.26）；某些传感器之间也存在显著差异，特别是Clouclip记录的室内时长显著低于VEET（p < 0.001，r = 0.87）和GENEActiv（p < 0.001，r = 0.85）；另一方面，活动日志的室外时长显著多于除ActLumus以外的所有传感器。为比较不同照度下的暴露时长，光照水平分为四类：暗视（<3 lux）、中间视觉（3至<30 lux）、室内明视（30至<1000 lux）和室外明视（≥1000 lux）。Friedman检验[暗视：χ2(4) = 75.81，n = 25，p < 0.001，W = 0.76；中间视觉：χ2(4) = 33.63，n = 25，p < 0.001，W = 0.34；室内明视：χ2(4) = 48.35，n = 25，p < 0.001，W = 0.48；室外明视：χ2(4) = 6.02，n = 25，p = 0.198，W = 0.06]及事后Dunn-Bonferroni两两比较显示，五种传感器在室外明视光照暴露（≥1000 lux）时长上一致性最强，设备间无显著差异（p > 0.05）；此外，ActLumus、GENEActiv、Clouclip和VEET在中间视觉和室内明视照度范围内均表现广泛一致；相反，Actiwatch在最低照度分箱（暗视）记录的时长显著更长，在典型室内明视分箱记录的时长显著少于其他四种设备。

讨论部分总结如下：本研究旨在评估五种不同可穿戴传感器（VEET、Clouclip、Actiwatch、ActLumus和GENEActiv）与主观活动日志在量化观看距离和环境光照暴露这两个与近视发生发展密切相关的环境因素方面的一致性。客观监测视觉行为在近视研究中日益普及，但可穿戴技术的快速演变给标准化和跨研究可比性带来了挑战。结果表明现有设备之间存在差异，尤其在观看距离方面；此外，主观活动估计与客观数据显著不同，与既往研究一致。这些发现凸显了在解释环境暴露数据时理解方法和设备特异性特征的重要性。观看距离方面，VEET与Clouclip在所有距离类别均存在显著差异，VEET记录更多近距和中距观看，Clouclip记录更多远距观看，这些差异可能归因于传感器参数和位置的不同：尽管两者均使用飞行时间（ToF）技术且此前已证明具有可接受的实验室准确性，但其光学几何结构、光束宽度、采样策略和检测范围差异显著；Clouclip投射更窄的红外光束并返回单一距离估计，而VEET使用更宽光束并生成8 × 8距离测量阵列，在后处理中取平均；VEET更精细的分辨率可能提高了在更广视野和更宽工作距离范围内检测目标的能力；采样率差异也可能导致观察到的差异，尽管数据集已重采样至1 s间隔对齐，但这种事后调整本质上假设记录间隔之间条件保持静态，不过由于观看距离的时间间隔相对较窄（如VEET的2 s对Clouclip的5 s），其对每日累计距离量化的总体影响可能很小。传感器朝向也可能导致观察到的差异：Clouclip具有10°向下倾角，而VEET设计为20°向下倾角；对两种设备而言，向下朝向有助于捕捉在眼睛下转位时观看的近距工作材料，这一点很重要，因为观看角度在个体和任务间动态波动，很少与眼镜的水平面对齐；研究人员实验室先前的工作表明近距离用眼时的观看角度常常大于10°；因此，VEET的几何结构可能更契合阅读和手持设备使用时的习惯性视觉行为，而Clouclip较窄的视野和较浅的倾角可能增加近距观看时漏检的可能性；Clouclip更长的远距观看时长可能归因于这些漏检，漏检产生错误代码并在数据处理中被归入远距观看类别。尽管绝对观看时长存在差异，VEET与Clouclip在近、中、远观看类别上呈现中至强相关，表明两种设备捕捉到相似的总体行为趋势；远距观看一致性最强，中距观看略低，提示工作距离之间的转换可能对传感器几何结构和采样特征的差异特别敏感。总体而言，这些发现支持眼镜式ToF传感器用于客观监测近距离用眼的实用性，同时强调不同设备的输出在未经校准或交叉验证前不应被视为可直接互换。环境光照方面，五种传感器在最高照度类别（≥1000 lux，对应明亮户外光照暴露）表现强一致，表明所有评估设备无论眼镜式还是腕戴式均同样能够量化广泛的户外暴露，这是近视研究中具有临床相关性的指标；然而室内环境出现系统性差异，Actiwatch记录的暗视光照（<3 lux）时长显著更长，室内明视光照（30至<1000 lux）时长比例显著少于其他四种传感器；原始数据检查显示，在其他传感器测得低但非零照度期间，Actiwatch频繁出现零lux值，这些发现提示Actiwatch相对于其他设备在低光敏感阈值、余弦校正或基线校准方面存在差异；重要的是，如果分析仅限于文献中常见的简单室内对外分类，此类差异很可能无法被发现；选择这四个强度分箱是因其与近视研究的生理相关性，对绝对lux水平的精细分析使设备间低光处理差异变得明显；此外五种传感器采样率（1–120 s）的差异也可能在一定程度上导致观察到的变异，因为环境光照在给定环境内通常保持稳定，快速变化通常仅发生在转换期间（如从室内到室外），采样频率较低（如120 s）的设备仍能准确表征大部分每日累计光照暴露，虽然这些遗漏的瞬时变化在一天中累积，但可能仅占总差异的一小部分；由于这些观察源于真实世界场景，值得在受控实验室环境中进一步确认硬件特异性差异。本研究的次要目的是比较客观测量与自我报告活动日志：尽管活动日志减少了与回顾性问卷相关的部分回忆偏倚，但主观与客观测量之间显示出显著差异；活动日志相对可穿戴传感器低估了近距观看时长、高估了中距观看时长，提示为某一活动指定单一观看距离类别不足以捕捉真实世界视觉行为的动态特性，即使在单一任务内观看距离也可能随时间连续波动，这是主观测量无法捕捉的；环境光照方面也观察到差异，主观归类为"室外"的活动常产生低于1000 lux阈值的照度水平，而该阈值是近视研究中用于区分较暗室内条件与较亮室外条件的；这种差异可能反映驾驶、坐在有遮盖结构下或靠近窗户等情境，参与者自认为处于某一位置，但该位置可能并不对应1000 lux的绝对阈值；这些发现进一步证明主观分类方法在量化近视研究相关环境暴露方面的局限性；尽管如此，活动日志在与客观数据结合使用时仍有价值，可提供必要情境并带来对视觉行为更全面的理解，这种主观加客观的混合方法可能是未来近视研究的有效策略。本研究的优势包括在真实世界条件下同时比较五种可穿戴传感器以及整合客观和主观行为测量，在同一队列中直接比较了广泛范围的现有设备，且尽管同时佩戴多个传感器和保持详细活动日志负担较重，参与者依从性极佳。局限包括：尽管发放设备前仔细配置，仍因硬件故障和用户错误（如眼镜式设备充电不完全）发生一些数据丢失，减少了最终样本量；数据采集限于一个季节（夏季）且主要涉及大学环境中的年轻成人，儿童和不同季节的环境暴露与行为模式可能不同；此外，Actiwatch在低光环境（<3 lux）中有限的敏感性应加以仔细考虑，因其对聚焦夜间行为或暗光暴露的研究具有明确意义；由于VEET和Clouclip均缺乏直接的瞳孔凝视追踪，它们提供的是观看距离的估计而非精确测量，其固定向下倾角无法完全解释视觉注视的动态变化；最后，在真实世界习惯性条件下评估这些传感器的一个根本局限是缺乏金标准参考测量，尽管本研究评估了习惯性条件下的设备一致性，但在更宽观看距离和光照范围内针对真正金标准进行受控实验室验证将进一步阐明此处观察到的差异来源。

研究结论翻译如下：总之，可穿戴传感器为视觉环境和行为提供了有价值的客观测量，但现有设备之间存在差异。VEET和Clouclip呈现出不同的观看距离特征，可能与传感器几何结构和检测策略有关，而五种传感器在明亮户外光照暴露上均表现强一致。主观活动日志提供了有用的情境信息，但在观看距离和环境光照方面与客观测量显著不同。这些发现凸显了在未来工作中谨慎选择设备和采用标准化分析方法的重要性。