利用米字圖校準立體鏡的反射鏡以測試正眼位及斜視病人
Calibration of the
Mirrors of Stereoscope with ‘British Flag’, for both Straight eyes and
Strabismic Patients
王藹侯
研究雙眼視覺的方法就是能夠控制、設計，將兩眼所見的影像投射到兩眼的網膜上。最基本的方式就是惠斯頓(Charles Wheatstone)的立體鏡(stereoscope)。
Charles Wheatstone：the father of 3D and
virtual reality technology
在電腦的時代，立體鏡兩側的圖象自然地以電腦的螢幕取代了—不只展示靜態的圖片，也能播放動態的影片。
30+年前，受到von Noorden教科書上這張圖的啟發，我試著用Apple-II電腦描繪自己小角度內斜視的抑制性盲區(Suppression
scotoma)。
Von Noorden GK,
Theory and
management of strabismus, 6th ed. Mosby, Inc. p.218, 2002
兩個電腦螢幕放置兩邊，兩面鏡子反射給右眼、左眼各看一個螢幕，設置成立體鏡。一個螢幕的中央隨機出現英文字母，給受試者默念以保持注視(fixation)，另一個螢幕則連接數位板(digitizer)，如同Goldmann視野計，由測試者控制顯示亮點出現的位置。
參考資料：王藹侯, 柯良時 以個人電腦量測抑制性盲點, 中華民國眼科醫學會會刊第29卷第1045~1051頁, 1990.
(這篇論文還曾得到桂山論文獎！)
當時為了將立體鏡兩邊的圖像配合斜視的角度投射在兩眼相對應的位置而設計了米字圖，原本以為校準的工作會很艱難，結果移動反射鏡的時候，居然很容易就將米字圖銜接在一起，兩個螢幕的框架也銜接成一體。
雙眼抑制的神經生理學機制即便到今天仍然是視覺科學(visual science)科研的熱點。最近蔡紫薰醫師和台大心理系陳建中教授合作研究心理物理學的visual
masking和filling-in兩個現象、看看鄰近神經元之間的交互作用是否造成斜視性弱視雙眼抑制的機理。
實驗的設置也應用到兩邊電腦螢幕、反射鏡一眼看右、一眼看左的立體鏡架構。校準螢幕和反射鏡的時候讓我想起了當年的米字圖。
當時覺得那是很簡單的動作，因此沒有將它寫出來，認為作雙眼視研究的科學家們應該很容易都會自己發現。但是在設計這次實驗的時候，才發現使用米字圖校準立體鏡的方法並沒有被很多人知道，因此寫下本文。
立體鏡的兩面鏡子，互相垂直90度
一般鏡子的金屬反射膜是鍍在玻璃板的背面，鏡子的前表面也會反射少許、非常不明顯的影像，和背面反射的主要影像有一個玻璃厚度的位移或說像差。我們之前作隨機點圖像的實驗，就發現干擾滿大的。因此高檔的立體鏡設置，反射鏡的反射膜都是鍍在玻璃板前表面的“單面鏡”。
以下三個例子是以兩邊螢幕上展示米字圖，調整螢幕和反射鏡的位置去校準立體鏡的設置。
圖一是針對正眼位，沒有斜視的受試者；圖二是針對內斜視6稜鏡度的受試者；圖三是針對(內斜視6稜鏡+右眼上斜視2稜鏡度)的受試者。
校準完畢，兩邊螢幕的影像會落在兩眼的相對應位置(corresponding area)。如果你的實驗是希望針對不同斜視角度的受試者，兩邊螢幕的影像都可以投射在他們兩眼的相對應位置，就像我們這次探討雙眼抑制機制的實驗，這樣校準之後，兩邊螢幕上的實驗圖像就不必再去作位移了。
圖一：
(a)
(b)
(c)
圖一 正眼位，沒有斜視的受試者的校正米字圖。
(a)兩個螢幕上的圖形完全相同，米字圖在螢幕正中。
(b)由偏左觀看，米字圖全在左邊的反射鏡，漸漸向右移動，米字圖一部分出現在右邊的反射鏡，到最右圖是偏右觀看，米字圖全在右邊的反射鏡，從頭到尾左右兩個螢幕上的米字圖都完美地銜接一起。
在此大家可以發現米字圖那兩條斜線在校正過程中的重要性。如果沒有斜線，用田字圖並不能校正得那樣精細。
米字圖之外，實體螢幕的外框也銜接得很完美。如果看到螢幕一邊大、一邊小，表示反射鏡和兩邊螢幕的距離不相等，左右移動反射鏡去調整兩邊螢幕成為一樣大小，也只有在左右螢幕一樣大小的情況下，米字圖才有辦法完美地銜接載一起。
因為這是給正視眼(沒有斜視)的受試者坐的笑正，兩面鏡子中所見的螢幕就是螢幕原本的大小。
(c)是整體立體鏡的設置，不只兩側的螢幕完美銜接，連螢幕的腳架也銜接得很完美。
高檔的立體鏡通常使用螺絲去微調反射鏡的角度，而使用本圖的設置，只依靠左右前後移動反射鏡、加上鏡子的某個方位以紙片稍微墊高，就可以達到完美的校準，堪稱是窮人的立體鏡。
圖二：
(a)
(b)
圖二 內斜視6稜鏡度受試者的校正米字圖。
(a)右眼的米字圖偏左；左眼的米字圖偏右。經過反射，鏡子裡右眼的米字圖偏右；左眼的米字圖偏左。
(b)依圖一同樣的方式將米字圖銜接對齊，由左圖到右圖，五張圖裡米字圖都銜接得很好。
但是整體螢幕和圖一(b)比較，變得比較窄。原因是右邊的螢幕向左移位；左邊的螢幕向右移位，讓兩個螢幕落在內斜視病人的網膜的相對應位置(corrersponding
area)上。螢幕只有左右的位移，沒有上下的位移。
圖三：
(a)
(b)
(c)
圖三 (內斜視6稜鏡+右眼上斜視2稜鏡度)受試者的校正米字圖。
(a)右眼的米字圖偏左、偏下；左眼的米字圖偏右、偏上。經過反射，鏡子裡右眼的米字圖偏右、偏下；左眼的米字圖偏左、偏上。
(b)依圖一同樣的方式將米字圖銜接對齊。有一點不同的是，在這裡我們將左邊的螢幕降低了一些。由左圖到右圖，五張圖裡米字圖都銜接得很好。
但是整體螢幕和圖一(b)比較，除了變得比較窄，左右螢幕的高度也岔開了，讓兩個螢幕可以落在(內斜視+右眼上斜視)病人的網膜的相對應位置上。
(c)是整體立體鏡的設置，和圖一(c)比較，反射鏡中螢幕的腳架岔開了，不再銜接一起。
對斜視病人的立體鏡校正，我們建議依據斜視的角度移位兩個螢幕上的米字圖形，在兩面反射鏡上將之合併一起，之後的測試的畫面就不必移位，兩個螢幕都有全螢幕的空間放置測試用的畫面。
另一種做法是固定用圖一的米字圖校正螢幕和反射鏡的位置，之後將測試畫面依據斜視的角度去移位。這樣測試畫面可以使用的空間就受到壓縮，測試圖有時會移到螢幕的邊緣去。
對於斜視病人的立體鏡測試，我們建議使用第一種移位米字校正圖形的方式，不建議使用第二種移位測試畫面的方式。
後記 1
同視機(Troposcope，Synoptophor或Major amblyoscope)是眼科檢查斜視、診斷與治療雙眼視的工具，它基本上就是一個高檔的立體鏡，兩邊的圖片槽有背光照明，兩邊圖片槽的臂架可以水平、垂直和旋位地移動，並且知道三者移位個別的角度。
同視機 (Troposcope / Synoptophor / Major Amblyoscope)
同視機配備的圖片將雙眼視分為三個層級：雙眼同時視(Simultaneous perception)、融像(雙眼融合，Fusion)和立體視(Stereopsis)
北京海軍總醫院顏少明教授製作了同視機使用的隨機點立體圖。
我和青島大學醫學院胡聰教授長久以來都認為如果同視機兩側置放的不只是靜態的圖片，而是動態的電腦螢幕，對於雙眼視的臨床與科研將有極大的助力。我也曾試圖使用兩部手機插入兩邊的圖片槽製作動態的同視機畫面。目前手機螢幕的解析度已經高達500dpi以上，在同視機40cm的觀看距離，每一個像點(pixel)的視角已經小於26秒角(second-of-arc)！但是由一台電腦控制兩個手機的軟硬體無法完成，至今依然壯志未酬。
https://www.techrankup.com/zh-Hant/smartphones-screen-pixel-density/
(
同視機(Troposcope，Synoptophor或major amblyoscope)兩眼的反射鏡密封在機器裡，沒法單眼同時看兩面鏡子裡的影像，沒法單眼將兩面鏡子上的米字合在一起去作校準。因此建議大家千萬不要拆卸同視機的鏡子，它非常不容易校準，拆卸後就裝不回去了！鏡子的角度稍微偏差一點點，反射的影像的距離就相差很遠，有”差之毫釐，失之千里”的味道。
後記 2
分別投射個自的圖像給左眼和右眼觀看，專業上的名詞是雙眼分離(Binocular dissociation)。雙眼分離的方法有許多，有適合科研、臨床使用的，有娛樂、玩具使用的。
這是早期的立體鏡，中間的隔板讓左右眼看各自的圖片，不致互相干擾。
對斜視的病人沒有將左、右圖片置於兩眼相對應位置的作法。
戴偏光眼鏡來分離兩眼觀看的Titmus立體圖是全世界臨床使用最普遍的立體圖。
製作圖片的特殊工法叫作Vectograph，不是一般研究室可以自製使用的。
戴紅綠或紅藍眼鏡來分離兩眼觀看的TNO立體圖是臨床使用的隨機點立體圖的祖師爺。最小的雙眼視差作到15秒角，在上世紀七八十年代，那是很困難、難得的電腦技術。製作圖片的特殊工法叫作Anaglyph。因為使用顏色作兩眼分離，可呈現的立體圖只可能是單色的。
1990前後，我們製作了自己的Anaglyph隨機點立體圖”台灣大學 隨機點立體圖”(National Taiwan University Random-dot
Stereograms，NTU RDS)。左圖是相片印製的版本，林隆光醫師將之推廣作為全台灣學齡前幼兒和學齡兒童視覺篩檢之用。右圖則是電腦網路上的版本。
https://www.eyedoctor.com.tw/Stereopsis/
https://www.eyedoctor.com.tw/Stereopsis_Screening/
相對於Vectograph、Anaglyph要戴眼鏡才能觀看，臨床上對年紀太小的小兒並不適用，Lang立體圖則是不必戴眼鏡直接觀看。
工法是使用稜鏡條(Lenticular)作兩眼分離。好像文具店裡有些尺或墊板，上下搖擺會看到不同的圖像。
Lang立體圖是將稜鏡條直著放。看的時候左、右眼岔開一個角度，各自看到如尺或墊板兩個圖中的一個圖。
這兩個圖放置立體圖的左、右眼兩個半立體圖就完成了。
早期以兩台幻燈機作雙眼視科研的設置–兩台幻燈機鏡頭前放置線性偏光片(Linear polarizer)，受試者戴偏光眼鏡，一眼看到幻燈機1的圖像，一眼看到幻燈機2的圖像。
線性偏光鏡的缺點是受試者頭位稍微傾斜，右眼會看到左眼的圖像，左眼會看到右眼的圖像，工學的名詞叫作crosstalk，會影響雙眼視的實驗。圓偏光鏡(Circular Polaroid)沒有crosstalk的問題。現在的立體電影、立體螢幕多使用圓偏光鏡，頭位傾斜也不會crosstalk，產生殘影。
電腦3D立體螢幕。有時間作兩眼分離(Time-separation)和空間作兩眼分離(Space-separation)兩種。
時間分離是奇數的畫面(frame)給一眼觀看，偶數的畫面給另一眼觀看。受試者戴著和螢幕同步的開閉(shutter)眼鏡，奇數畫面時一眼開放、一眼遮蔽；偶數畫面時相反過來。
空間分離是同一畫面的奇數條掃描線給一眼觀看，偶數條掃瞄線給另一眼觀看。受試者戴圓偏光鏡眼鏡，眼鏡不必和螢幕連線同步。
曾經看過泌尿科靜脈注射泌尿系統攝影檢查(Intravenous pyelogram, IVP)，兩張X光片從稍微岔開的角度拍攝成為立體圖，之後以上圖的設置左、右眼各看其中一張X光片，樹狀的腎盂、輸尿管的立體結構都可以輕易看出來，前後的位置很容易分辨。
骨科腳踝的小骨頭在一般X光片上都重疊在一起，如果也如上述方法拍攝成立體圖，應該可以讓前後的位置很容易分辨。
心導管插入冠狀動脈，是一台X光機從病人前後方向拍攝，一台X光機從病人側面方向拍攝，靠著醫師熟悉冠狀動脈解剖學的構造，引導心導管轉彎前進。如果兩台X光機不是互相垂直的方向攝影，而是稍微岔開一點角度去拍攝，就成為立體電影，冠狀動脈的樹狀結構就可以很生動地直接呈現出來，這樣不知道是不是可以讓操作的醫師更容易控制心導管的角度和方向。
玩具立體鏡