CN100450429C - 用于探测和监测早期青光眼的自动化过程的装置与方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种利用响应呈现给患者的周期性刺激物测量的视觉诱发电位，对青光眼疑似和患者的视觉功能进行自动电生理学评估的系统和方法。该方法可包括的以下步骤：输入患者信息至计算机，为患者初始化视觉刺激物，记录从粘贴于患者头皮上的一个或多个电极上获得的多个视觉诱发电位信号，保存并处理与该视觉诱发电位信号相关的数字化数据，以及基于这些数据来确定青光眼的可能性是否为高或低。

Description

用于探测和监测早期青光眼的自动化过程的装置与方法

相关申请

本PCT专利申请要求2003年6月27日提出的美国专利申请序号为10/608,627的优先权。

技术领域

本发明涉及医学诊断和监测领域。

背景技术

青光眼(尤其，原发性开角型青光眼)在美国是一种最主要的导致失明的原因(防止失明美国和国家眼睛科学研究所，2002年；Prevent BlindnessAmerica and the National Eye Institute，2002)。它产生将视觉信息沿视神经传送至大脑的视网膜神经节细胞的一种逐渐累进的退化。不幸的是，在这种青光眼的神经病被发现的时候，一般地广泛的和永久的对视觉系统的损害和在视觉功能上深远的损失已经存在了。有证据表明，视觉系统的选择路径在该疾病的一个初期阶段受到了影响。尽管青光眼通常与升高的眼内压有关，但并不总是这种情况。现今，视力专家可以利用极少量的临床筛选和诊断工具，这些工具可以有助于这种疾病的早期发现以及神经保护目的的治疗监测。

眼睛的视网膜包括超过1亿3千万个感光细胞，这些细胞将光转换为神经信号，其被多种用于某些特征的神经元进行处理，并随后通过视神经被传送至大脑用于解释。出生缺陷、意外的创伤、多种疾病、以及年龄相关的眼睛元件的退化，都能造成视觉障碍。大脑中的信息处理在本质上是电化学的。诱发电位(evoked potentials)是被感觉刺激所激发的大脑的电响应。通过视觉刺激所产生的大脑的电响应是视觉诱发电位。在特征视觉诱发电位上的变化指示出沿视觉途径(visual pathways)上的异常(anomalies)。

典型地，该视觉诱发电位(VEP，visual evoked potential)是当视觉刺激物(stimuli)被显示在置于患者前面的一个视频监视器上时，通过表面电极从头皮上测量得到的。当刺激作用被应用于人类的一种特殊感觉时，一个相应的大脑电位被诱发于大脑的信息处理部分，此部分起作用来处理该特殊感觉。视觉诱发电位能被用于诊断的测试，以在脑损伤、中枢神经系统的疾病、以及特别在视觉系统疾病的诊断方面协助医生。

该视觉诱发电位是通过一种视觉刺激所激发的皮层活动的一种非侵害测量。它是传导至头表面的电信号的总和，并且它能够提供关于视觉系统动力学的定量信息。然而，该VEP被典型地激发的方式，阻碍了选择性视觉处理的探索，并且该VEP被典型地分析的方式，缺乏其作为一种实用且客观的工具的应用所需要的效率和精确。在通常的VEP波形描述中所引入的主观性，已经成为包括青光眼的评估在内的它的各种应用中的一种阻碍。因而，一种用于视觉途径的功能性分析的潜在的强大工具，已经在很大程度上被展望。在最近几年中，很多刺激和分析技术已经被引入到为消除这些问题的电生理学装置来提供基础的领域中。

Hartline(1938)发现了在视觉系统中“开”和“关”细胞的存在。“开”和“关”细胞产生在视网膜的第一突触(first synapse)，并且它们分别作为引起亮度(正反差)和暗度(负反差)的明显的外感受(perception)的媒介(Schiller，Sandell，&Maunsell，1986)。该“开”途径特别敏感于在先天性静止的夜盲症、肌肉萎缩症、以及青光眼中所涉及的疾病过程(Badr等，2003；Benoff等，2001；Fitzgerald等，1994；Greenstein等，1998)。

主要视觉途径的另一个重要功能细分是在用于大脑中、外膝体细胞核(LGN，lateral geniculate nucleus)中视觉处理的主要中继点中被首次发现的，但是，它也有它在视网膜中的起源(Kaplan，Lee，和Shapley，1990)。该LGN的M细胞(magnocellular大细胞)和P细胞(parvocellular，小细胞)层分别从M和P视网膜神经节细胞的接收它们的输入。在这些两种类型细胞中的形态差异产生了相当不同的响应特征。M细胞是尺寸很大并且是高度敏感于亮度对比度(响应在亮度级上的小差异)的，然而，P细胞是尺寸很小并且是相对不敏感于亮度对比度的。M和P途径都包含“开”和“关”细胞。在LGN的M细胞和P细胞层中的细胞形成在主要视觉皮层(在大脑后区中的第一视觉处理中心)的不同子层中的突触(synapse，产生连接)，以及发生在在这个区域内的神经元部分上的突触活动是该VEP的主要来源。存在证据表明在M细胞途径中的该“开”细胞是特别敏感于并受影响于例如肌肉萎缩症(Benoff等，2001)、以及青光眼(Greenstein等，1998；Badr等，2003)的疾病过程。

现存在有利用视觉诱发响应用于青光眼探测的方法和系统(例如多焦点VEP，Hood&Greenstein，2003；利用传统视野计或倍频视野计的视界测试中获得的行为测量)。然而，在这些技术中的科学原理、所使用的刺激物以及数据处理方法，不同于在本发明中所涉及的对应内容。

在现有技术中，一个通用VEP记录系统被用于实验室中。利用这个机器用于视觉神经生理研究的过程是被图3中的流程图200来说明的。首先在步骤202，用户需要配置刺激物参数(例如，空间图样，时间频率，对比度，亮度，重复测试的次数等等)，并在系统计算机中保存刺激物配置。在步骤204，用户输入患者的信息。在步骤206中，在开始测试之前，用户需要选择预先配置的刺激物和VEP数据采集参数(例如，根据刺激物频率的采样速率和在感兴趣的VEP中被提取出来的频率组分)。在步骤208，计算机通过向病人显示刺激物并记录VEP信号来执行该测试。在步骤210，该计算机保存VEP原始数据至硬盘。在步骤212，用户必须决定该测试是否完成。如果答案为“否”，该过程回到步骤206。如果答案为“是”，那么在步骤214(不自动地跟随步骤212)，用户必须接收所存储的VEP原始数据并利用定制的软件来处理数据以执行视觉功能的评估。

发明概述

本发明提供一种系统和方法，其用于利用所测量的响应于呈现给病人的周期性刺激物的视觉诱发电位，进行青光眼疑似和病人的视觉功能的自动电生理学评估。

在当前系统和方法中，一种用于刺激和数据处理的创新方法被引入以快速和自动地来分开源自M细胞途径中“开”分支对VEP响应的贡献，该M细胞途径敏感于初期青光眼神经病(Greenstein等，1998)。在根据本发明的一个系统中，经处理的VEP结果被与预置关键值进行比较，以指示患者的青光眼状态的可能性-具有相当可信程度的高(正)或低(负)。

本发明旨在用于执行早期青光眼探测与监测的一种自动神经生理学测试的系统和方法的设计。它包括周期视觉刺激物的产生与显示，所呈现的几次，用于患者观察，以及响应于视觉刺激物的患者视觉诱发电位(VEP)的测量。由每一显示的刺激物所激发的该VEP数据，被记录并存储，并随后利用一个数字傅里叶变换(DFT)进行处理以及利用T²圆环统计方法(T²circle statistic methods)进行分析(Victor&Mast，1991)。该VEP(信号)的基频分量的平均幅度值与利用T²圆环统计被估计的噪音的比率，被计算出来并与临界值比较来产生一个结果-青光眼神经病的高(正测试结果)或低(负测试结果)的可能性。

计算该T²圆环统计的方法，以前被描述作为本发明的一个实施例，并不是现有技术的多用途系统的一个部分。在现有技术中，VEP响应的傅立叶分量需要利用定制的标准程序表、商业软件被进一步处理，来获取噪声的估计值并计算信噪比。用于青光眼神经病的探测和监测的现有技术实验室机器是费力的并且不具实际价值。现有技术实验室设备与本发明的至少一个实施例的现今系统相比较的一下区别如下：

在现有技术中刺激物的配置，数据采集，以及数据处理参数是一个复杂过程。对于一个新用户，它要求一个相当长的学习周期，并且它严重依赖于用户以前对现有技术机器的经验和在VEP领域的专门技能。因而，测试结果很大程度上依赖于用户。

由于现有技术系统缺乏完全的数据处理工具，尽管系统已经内置并预配置了例如信号平均和傅立叶分析等方法，它不提供用于青光眼测试所要求的统计方法，该青光眼测试是产生用于区分正常和非正常响应的判据所必需的。通常，用户必须保存VEP数据以用于进一步的利用其它手段进行处理。所要求的多处理步骤明显地降低了方便性并增加了时间消耗。

现有技术系统不提供一种客观的测量。用户必须利用用户定制的软件对原始数据进行广泛地分析，以产生一种能够解释的产品。因而，现有技术系统是仅可服务于在本领域内具有高度专业知识的少数专家。

本发明在一个实施例中提供一种方法，包括输入患者信息至电脑中、初始化用于患者的视觉刺激物、记录从粘贴于患者头皮上的一个或多个电极上得到的多个视觉诱发电位信号、保存与视觉诱发电位信号相关的数据、以及基于数据决定青光眼的可能性是高或低等步骤。该方法可进一步包括对所保存的数据执行离散傅立叶变换，执行多元统计方法以为数据决定一个信噪比，决定临界信噪比数值，以及比较信噪比与该临界值并根据比较结果决定青光眼的可能性是高或低。该方法也可以包括显示一个在计算机监视器上是否有一个高或低的青光眼的可能性的一个指示。所应用的多变量方法可以是T²圆环方法。

在本发明的一个实施例中，所提供的一个装置包括一个计算机处理器和一个计算机存储器。该计算机处理器可被计算机软件编程以接收患者信息(例如，ID号，性别，出生日期等)，为患者初始化一个视觉刺激物，记录从一个或多个粘贴至患者头皮的电极上获得的多个视觉诱发电位信号，保存相关于视觉诱发电位信号的数据至计算机存储器中，并基于数据决定青光眼的可能性是高或低。

该计算机处理器可被编程以对所保存的数据，执行离散傅立叶变化，执行多元统计计算来决定该数据的信噪比，并比较该信噪比与一个预设的临界信噪比值，来基于比较结果决定青光眼可能性是高或低。

在至少一个实施例中的该装置可包括一个计算机监视器，其中该计算机处理器可被编程以在计算机监视器上显示是否具有高或低的青光眼可能性。

该装置也包括一个VEP记录和测量设备，其可放大通过表面电极得到的VEP信号并转换这些模拟信号为数字信号，其中数字信号接着被送入至计算机处理器。

附图说明

图1是说明本发明实施例的整体结构的方框图；

图2是说明了应用在本发明实施例中的一种隔离检测刺激物和一种统一场刺激物；

图3显示了用于进行关于早期青光眼研究的现有技术过程和方法的流程图；

图4显示了根据本发明实施例的用于对青光眼疑似和患者的神经缺陷评估的方法的流程图；以及

图5示范了本发明实施例的用于对一只眼睛进行青光眼评估的测试结果。

具体实施方式

图1是本发明一个实施例的整体结构的装置10的方框图。该装置10包括一个计算机处理器12，一个VEP记录和测量设备14，一个视觉刺激产生设备16，一个计算机监视器20，一个交互设备22，以及一个存储器24。该交互设备22可以是一个计算机鼠标和/或一个键盘或其它输入设备。该存储器24可以是任何类型的计算机存储器。该计算机监视器20可以是一个典型的计算机显示监视器。

该计算机处理器12是通过一个通信总线(例如，PCI(周边元件扩展接口))12b被电气连接至一个视觉刺激发生设备16，并且通过一个通信总线(例如，PCI，USB(通用串行总线))12a被电气连接至一个VEP记录和测量设备14。该VEP记录和测量设备14通过通信线14a、14b和14c被电气连接至电极15a、15b和15c。该电极15a、15b和15c被粘贴在一个人或病人17的头部18。该计算机处理器12通过通信线12c、12d和12e分别被电气连接至计算机监视器20、交互设备22和存储器24。

该计算机处理器12可以是用于典型个人计算机的一个计算机处理器。该计算机处理器12一般地控制该VEP记录和测量设备14用于数据采集和控制该视觉刺激发生设备16用于刺激物显示。

该VEP记录和测量设备14一般地包括一个放大器以增强所要求的经由通信线14a、14b或14c的VEP信号，和一个A/D(数/模)转换器以转换VEP模拟信号为通过通信总线12a被发送至该计算机处理器12的用于处理的数字信号。为了安全，该VEP记录和测量设备14的放大器是光学地隔离患者，比如患者17，与电源(比如，一个用于设备14的电源)。已经知道，设备14的放大器具有用于低VEP信号操作的高共模抑制比、低噪声和高稳定性。该放大器也具有一个带通滤波器以滤除超过带宽的低频漂移和高频噪声。

该视觉刺激发生设备16一般地包括一个视频显示监视器和一个图形卡，并且被连接到计算机处理器12和被计算机处理器12控制，以在显示屏16a上产生被患者，比如图1中的患者17观看的视觉刺激物。

如现有技术中已知，神经反应，例如来自头部18对刺激物的神经反应，被非侵害的粘贴到患者头皮18的感觉电极15a、15b和15c所获得，并在VEP记录和测量设备14中被放大、记录和数字化。这些电极被放置于患者头皮18上的视觉皮层上面(激活电极15a用于接收该VEP)、前额的中部(参考电极15c)、和前额的右侧(浮动地电极15b)。电极粘贴的这种设置在现有技术中是已知的。电极15a-15c通过一般为硬连线的通信线14a、14b和14c被连接至VEP记录和测量设备14。该交互设备22提供一种输入关于被测试患者17的信息(例如，ID号、性别、出生日期等等)至计算机12的方法。操作者的计算机监视器20显示通过交互设备22被输入的信息、一个用于指令选择的操作菜单、以及如图5中所示范的测试结果。

图2说明了一个隔离的检查图案100和一个统一场110。该图案100和该场110可以通过视觉刺激产生设备16以频率接近12赫兹的周期方式被两者择一地显示。典型地，有32×32个隔离的监测点(正方形)，例如检测点102a，其出现在一个稳定的背景102上。该背景亮度，比如分别对用于图案100和统一场110的背景102和背景112，一般是(现有技术中为已知的)100尼特(cd/m2)。例如检测点102a的检测点的亮度比例如背景102的背景的亮度高8％(108尼特)，其已被显示为用于青光眼损伤的探测的临界刺激条件。患者，比如图1中的患者17，一般地以115厘米的距离观察一个刺激物，例如图2中的100或110，物理图像尺寸为20厘米×20厘米。

图4显示了本发明的一个实施例的流程图300，其具有一个自动的过程和用于评估青光眼疑似或患者中神经缺陷的方法。

在步骤302中，用户通过交互设备22输入患者信息，例如患者17的信息至计算机处理器12。在步骤304，计算机处理器12通过加载特定图案图像100、110至刺激产生设备16初始化刺激物。在步骤306，计算机处理器12通过及时地控制刺激产生设备16和VEP记录和测量设备14来显示刺激物给患者17，并通过记录和测量设备14来记录VEP信号来进行测试。在步骤308，计算机处理器12保存VEP原始数据至存储器24。在步骤310，计算机处理器12决定该测试是否完成。如果答案为“否”，那么该过程返回至步骤306。如果答案为“是”，那么该过程向下执行步骤312。在步骤312，计算机处理器12对所保存的VEP原始数据执行离散傅立叶变换和T²圆环统计。在步骤314，计算机处理器12比较信噪比(SNR)与一个预设的临界值，并产生一个结果-青光眼的可能性：高或低。在步骤316，计算机处理器12显示该结果-青光眼的可能性高或低，例如通过一个文本消息，显示在计算机监视器20上。

本发明在一个或多个实施例中，合并了包含在计算机处理器12中的计算机软件，其用于在测试程序开始时在操作者的监视器20上显示图形用户界面(GUI)。该GUI允许操作者输入患者数据至计算机处理器12(通过交互设备22)，例如出生日期、身份证号等。在步骤302中在病人的日期被输入至系统中后，在步骤304中计算机处理器12将通过加载图案至刺激产生设备16来初始化刺激物图样。在步骤306，测试将开始于用于由患者17观察的刺激物显示屏16a上的视觉刺激物的出现，和通过记录和测量设备14的数据记录，此二者都及时地被计算机处理器12所控制。刺激物可包括以大约12赫兹的频率交替的图2中所述的两个视觉图像100和110。一般地刺激物将被显示大约5秒钟。一般地一组5至10个这些刺激物将被呈现给患者17用于被患者17的每只眼睛所观察。在步骤308，在每一刺激物呈现完毕后，记录设备14将传输所记录的数据至计算机处理器12用于保存这些数据至存储器24。在一组完整的刺激物被呈现给一只眼睛后，其将被再次呈现给另一只眼睛。在步骤310，所完成的刺激物呈现的数目/所搜集的数据出现时间被通过软件程序与预设的数目(5或10)进行比较以决定是否该测试已被完成。关于在每一刺激物显示期间所记录的电生理信号的信息将被呈现在操作者的监视器上以追踪患者17的神经活动。在步骤312，当通过刺激产生设备16完成视觉刺激物的显示和通过设备14完成VEP数据记录时，从VEP记录和测量设备14输入至计算机处理器12的已被数字化的VEP信号，将被立即通过计算机处理器12进行处理。

基频(刺激物的，大约12赫兹)的VEP(振幅和相位值)的傅立叶分量，将被计算机处理器12进行计算。从每只眼睛的刺激获得的5至10次重复采样中得到的平均傅立叶分量也将被计算。多元统计方法(T²圆环，Victor&Mast，1991)被用于估计在被驱动的基频处的噪声，即，围绕平均响应矢量确定一个圆形的95％的置信区。该圆形区域表示在95％的测试中所期望的包括对应所给出的刺激的真实响应的一组数值(余弦，正弦)对。因而，圆的半径被用于定量估计噪声级别，并且圆形区域被称为“误差圆”。

在此发明的至少一个实施例中，信噪比(SNR)被定义为基本傅立叶分量的平均幅度与噪声圆半径的比率。图5说明了用于一只眼睛的一个假想测试的例子。本发明的一个实施例的当前系统将根据来自青光眼探索研究(比如，Greenstein等，1998；Badr等，2003)的先前结果将SNR与临界SNR值进行比较，以产生一个决定-若SNR小于该临界值，则青光眼的可能性为高，或者若SNR等于或大于该临界值，则青光眼的可能性为低。该临界值在本发明的一个实施例中可以是一个固定值(比如，设置为1的一个值)。本发明的一个实施例的当前系统将在测试进行后立即在计算机监视器20上显示每一只被测试的眼睛的结果状态。

本发明的一个方面是提供一种用于早期青光眼损害的评估的客观的、非侵害性的以及自动的过程的装置。它集成了以下特点：1)新颖的刺激技术，描述在图2中，其被设计来可选择的驱动感兴趣(M细胞途径的“开”分支)的平行途径，该平行途径已知为在青光眼神经病的早期受到影响；2)在离散傅立叶变换后应用T²圆环统计方法；以及3)电脑化的技术。用于VEP测量和数字数据处理的自动过程，连同一个基于窗口的图形用户界面使得该机器易于由非专家用户进行操作。

图5示范了用于对一只眼睛的青光眼诊断的测试结果的图表400。y轴402表示通过傅立叶分析获得的VEP的基频分量的正弦系数，而x轴404表示该分量所对应的余弦系数。该“+”符号，比如406a，是从每一VEP时期(每只眼睛的每一测试，5至10个时间点)获取的基本分量的单独估计，点符号406b表示例如406a的所有基本分量估计的平均。圆408表示“误差圆”-一个利用T²圆环统计建立的95％的置信区。

尽管本发明已经参照特殊说明的实施例进行描述，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对本领域技术人员本发明的很多变化和修改可变得显而易见。因此本发明旨在在本专利中包括所有这种变化和修改，只要这些变化和修改可以合理地和合适地包括在本发明对现有技术的贡献的范围内。

Claims (6)

1、一种用于执行与青光眼相关的医学测试的装置，包括：

计算机处理器；

用于给患者呈现视觉刺激物的视觉刺激物产生设备；

视觉诱发电位记录和测量设备；

计算机监视器；以及

计算机存储器；其中，

所述计算机处理器被驻存在所述计算机存储器中的计算机软件编程为：

在所述视觉刺激物产生设备上显示用于由患者观察的一组视觉刺激物；

控制所述视觉诱发电位记录和测量设备来记录从附着于所述患者头皮的一个或更多个电极上探测的、响应于所述一组视觉刺激物的多个视觉诱发电位信号；

对所记录的视觉诱发电位数据执行数字信号处理；以及

基于所述数字信号处理，在所述计算机监视器上，显示青光眼的可能性是高还是低的指示；

其中，所述一组视觉刺激物由隔离检测图案和统一场图案的两种图案组成，所述两种图案以12赫兹的频率周期性两者择一地显示，所述刺激物的频率和显示每一刺激物的顺序是由所述计算机软件控制的。

2、根据权利要求1的装置，其中所述视觉刺激产生设备包括图形卡和视频监视器。

3、根据权利要求1的装置，其中所述隔离检测图案包括检测点，所述检测点的亮度比背景的亮度高8％。

4、根据权利要求1的装置，其中所述视觉诱发电位记录和测量设备包括：

放大器，其对从附着于所述患者头皮的一个或更多个电极上探测到的所述视觉诱发电位信号进行放大；

模/数转换器，其将放大的所述视觉诱发电位信号转换为数字信号，并将所述数字信号提供给所述计算机处理器，所述模/数转换器的数字采样速率是由所述计算机处理器控制的。

5、根据权利要求1的装置，进一步其中所述数字信号处理包括：

对所记录的多个数据执行离散傅立叶变换，以获得对应于周期性的所述视觉刺激物的多个数据项的多个基频分量；

执行多元统计方法，以为多个所述基频分量确定信噪比；

将所述信噪比与预设临界值进行比较；以及

基于所述比较，确定青光眼的可能性是高还是低。

6、根据权利要求5的装置，其中所述多元统计方法是T²循环方法。

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