CN101019760A - 一种用于分离双眼视觉诱发电位的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗电子领域，涉及一种用于分离双眼视觉诱发电位的系统和方法。系统包括双眼分视装置和带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统。多焦视觉电生理系统的双图形刺激器通过双眼分视装置分别对左右两眼同时进行刺激，产生的混合电生理信号由电极提取出来，经生物信号放大器放大后由数据采集装置转换为数字信号，送入计算机进行分析处理，经过快速M变换，实现各个区域的视觉诱发电位的分离和两眼各自视觉诱发电位的分离，最后利用视觉诱发电位的特征值点设计出竞争抑制比指标，用于单眼性弱视的诊断。本发明的检测结果可作为客观、无创、敏感、量化的指标反映形成单眼性弱视的倾向及弱视的严重程度，用于单眼性弱视的早期诊断和疗效评估。

Description

一种用于分离双眼视觉诱发电位的系统及其方法

技术领域

本发明属于医疗电子领域。具体涉及一种用于分离双眼视觉诱发电位(VEP)的系统，该系统可用于单眼性弱视的诊断。

背景技术

弱视是一种常见的眼科疾病，国外有学者统计，弱视的患病率为学龄前儿童及学龄期儿童的1.3％--3％，一般人群中2％--2.5％患者有弱视。我国1985年普查结果，儿童弱视的发病率为2.83％。弱视不仅会引起视力低下，无立体视觉，严重的还会引起生活困难。

目前检查弱视常用的方法是视力表检查，但视力表检查主观性较大，需要受检者配合，无法对年龄过小的患者进行检查，孩子往往错过最佳治疗时期。

根据双眼竞争理论，两个单眼通道相互争夺感知优势时，相互作用，相互抑制，造成双眼竞争。竞争的结果是人的双眼存在着主导眼和非主导眼。Lechky在实验中发现，双眼竞争条件下主导眼(优势眼)视觉敏感性低于正常单眼，表明主导眼受到了抑制，但非主导眼受到更大的抑制。不同的单眼性弱视可能具有不同的致病机制，但它们基本都是由于视觉通道的异常，造成主导眼对另一只眼进行抑制，影响大脑视皮层的发育，造成非主导眼弱视。而且这种作用走向两个极端，主导眼对非主导眼的抑制作用越来越大，非主导眼对主导眼的抑制作用越来越小，造成非主导眼弱视的程度越来越严重。

因此，可以用主导眼对非主导眼的抑制程度与非主导眼对主导眼的抑制程度之比来反映两眼之间的相互作用、相互抑制，相互竞争。比值越大，说明主导眼对非主导眼的抑制作用越大，反映了非主导眼的一种弱视的趋势，或者说明了非主导眼弱视的程度。这个比值在这里我们把它定义为两眼的竞争抑制比，并可作为弱视诊断的一个指标。此处我们就是要设计一种可以提取两眼竞争抑制比指标的系统，用于单眼性弱视的检查。

作为客观评估视功能的检查方法，视觉电生理广泛用于弱视的辅助诊断。临床视觉电生理判断弱视的依据是视觉诱发电位(VEP)潜伏期延长、波幅下降。根据临床视觉电生理特征参数所具有的客观、无创、敏感、可量化的特点，可将其用于设计竞争抑制比指标。但关键是能在双眼同时受到等量刺激的情况下，分离出双眼各自的VEP波形，才能用于设计竞争抑制比指标。

但VEP的检查一般都是遮盖一只眼睛，对另一只眼睛进行检查，无法反映双眼同时受到等量刺激时动态的相互作用、相互竞争、相互抑制。如果采用双眼同视法，记录下来的是双眼VEP“和”的反应，无法分离出双眼各自的VEP。多焦视觉诱发电位(mfVEP)可以分离出单眼视野各区域的波形，但双眼若同时注视同一刺激图形，也无法分离、得到双眼各自的mfVEP。因此，现有的临床视觉电生理的特征参数还不能用来设计、量化竞争抑制比指标。

研究表明，两眼受到相同图像的刺激，双眼相互抑制最强，随着两眼所看图形的差异越大，抑制减弱。因此，如果有一种办法，在双眼同时受到等量刺激时，可以分离出双眼各自的VEP波形，则双眼VEP特征值(波幅、潜伏期)的比值可以最佳反映两眼之间的相互作用、相互竞争、相互抑制。该比值可作为衡量竞争抑制比的指标。但目前国内外还没有看到能把双眼VEP波形分离开来的报道。

我们认为可把双眼分视装置和多焦视觉电生理检查系统结合起来，研制出一种新的系统，利用快速M变换(参见文献《基于快速M变换的多焦视觉电生理检查系统的设计》.张思杰、郭兴明、彭承琳等.生物医学工程学杂志.2005，5)，实现双眼VEP波形的分离。在此基础上进行竞争抑制比的提取，可用于单眼性弱视的诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种分离双眼视觉诱发电位的系统和一种分离双眼视觉诱发电位的方法，可以用于单眼性弱视的诊断。

用于分离双眼视觉诱发电位(VEP)的系统包括双眼分视装置、带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统。双眼分视装置是一种光学系统，包括目镜、物镜、设置在目镜和物镜光路上折射光线的棱镜等，目的在于实现双眼的分视。带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统，包括双图形刺激器、提取信号的电极、生物信号放大器、数据采集卡和数据分析处理计算机系统。在计算机系统的控制下，可以在双图形刺激器上产生飞镖状的棋盘格图像，分别对两只眼睛进行刺激，然后用电极将两眼产生的混合电生理信号提取出来，通过生物信号放大器放大，由数据采集卡将数据采集存入计算机，再由计算机进行分析处理，利用快速M变换实现两眼视觉诱发电位的分离。

本发明同时提供一种利用分离双眼视觉诱发电位的系统分离双眼视觉诱发电位的方法，步骤如下：

(1)在计算机系统的控制下，在双图形刺激器上产生飞镖状的棋盘格图像，同时分别对两只眼睛进行刺激；

(2)用电极将两眼产生的混合电生理信号提取出来，通过生物信号放大器放大，由数据采集卡将数据采集存入计算机，再由计算机进行分析处理，方法如下：

A、利用多焦视觉电生理中所用分离各个区域波形的m序列和互相关算法或快速M变换，分离出两个刺激图形中每个区域对应的VEP波形；

B、左右两眼相应区域的VEP波形按一眼的全部区域、上下半视野、左右视野、四个象限或圆环状将相应区域的波形进行叠加，得到左右眼相应区域的VEP波形之和，并找到其VEP波形的特征值点；

C、利用视觉诱发电位的特征值点来设计竞争抑制比指标；VEP的特征值点有N1、P1、N2，用于衡量弱视最典型的指标为P1的潜伏期和P1、N1幅值的差值的绝对值PN1。可以用两眼的潜伏期或两眼P1、N1幅值的差值的绝对值PN1来设计竞争抑制比K。

D、利用竞争抑制比指标来判断是否有弱视。竞争抑制比K反映了主导眼和非主导眼的对外界等量刺激响应程度的不同，K越大，则说明主导眼对非主导眼的竞争更有优势，对非主导眼的抑制更深，非主导眼发生弱视的可能性越大或弱视的程度越严重。

利用本发明提出的分离双眼视觉诱发电位的系统，在双眼受到等量刺激的情况下，可以实现双眼视觉诱发电位的分离；在双眼VEP得到分离的前提下，用双眼VEP的特征值点和特征参数设计竞争抑制比指标，用于单眼性弱视的诊断和疗效的评估。其优点有：

(1)可以作为一种客观、无创、敏感、量化的指标，反映形成单眼性弱视的倾向及弱视的严重程度；

(2)可用于单眼性弱视的早期诊断，当竞争抑制比大于某个阈值时，视为单眼性弱视的形成；

(3)可以反映单眼性弱视治疗的效果；

(4)可以用于掌握弱视治疗的火候。弱视治疗常用遮盖疗法，抑制健眼，让弱视眼发育，遮盖健眼时间的长短，由医生根据经验掌握，常担心的一个问题是是否对健眼过度遮盖，抑制过度，引起健眼的弱视，这可以通过竞争抑制比K、Ka、Kb来测定；

(5)本发明的检查方法具有客观、无创性，不需受检者的主观应答，因而可用于婴幼儿的弱视检查。

附图说明

图1A是一种分离双眼视觉诱发电位系统的示意图。

图1B是分离双眼视觉诱发电位系统的另一种示意图。

图2A是双眼分视装置的结构示意图，镜筒方向指向左右两侧。

图2B是双眼分视装置的结构示意图，镜筒方向指向正前方。

图3是图形刺激器所产生的飞镖盘棋盘格图形。

图3A是黑白翻转的区域14。图3B是黑白翻转的区域15。

具体实施方式

图1A、图1B是可分离双眼视觉诱发电位系统的示意图。包括双眼分视装置1、带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统。双眼分视装置1是一种光学系统，目的在于实现双眼的分视。带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统包括双图形刺激器2、提取信号的电极3、生物信号放大器4、数据采集卡5和数据分析处理的计算机系统6和7。在计算机系统的控制下，可以在双图形刺激器上产生棋盘格图像，通过双眼分视装置分别对两只眼睛进行刺激，然后用电极将两眼产生的混合电生理信号提取出来，通过生物信号放大器放大，由数据采集卡将数据采集存入计算机，再由计算机进行分析处理，利用快速M变换实现两眼视觉诱发电位的分离。最后利用视觉诱发电位的特征值点，设计出竞争抑制比指标，用于单眼性弱视的诊断。

图1A、图1B中所用的双眼分视装置1，其具体结构可见图2A、图2B示意图。双眼分视装置包括物镜8、目镜9、棱镜10以及镜筒11。图2A左右镜筒的物镜8正对着左右两侧的图形刺激器产生的飞镖盘图像，进入物镜8的光线经过棱镜10的折射，再穿过目镜9进入人的眼睛，最后在人的视网膜上成像。图2B双眼分视装置的两个镜筒11的方向指向正前方，装置类似于双筒望远镜。与图2A的光路相比，图2B的光线要多折射一次。双眼分视装置的功能是实现双眼视野的分隔，保证两眼各自看各自的图像。

图1A采用了两个显示器作为图形刺激器2，显示器里的图形由多焦视觉电生理检查系统产生。普通多焦电生理检查系统只有一个图形刺激器，我们在原来的基础上增加一个图形刺激器，由一台主机控制两台图形刺激器的刺激图形的产生，加上计算机主机本身所用的主显示器，共控制三台显示器。该问题的解决可利用微软Windows98以上操作系统所具有虚拟屏幕多显示技术，一台计算机最多可以带9台显示器。在双眼分视装置1左右两侧，正对双眼分视装置镜筒的方向放置两台显示器，屏幕中心对着双眼分视设备的物镜镜筒。人的眼睛就通过双眼分视设备看到左右两侧显示器里的图形。要确保两台显示器的亮度、对比度一致。两台图形刺激器2所采用的刺激图形是进行mfVEP检查所用的飞镖盘刺激图形。飞镖盘的大小、形状完全一致，两台图形刺激器的亮度、对比度也一致，保证双眼受到等量的刺激。

图1B采用了一个显示器作为图形刺激器2，双眼分视装置1的镜筒指向正前方，该显示器屏幕上左右对称地产生两个大小相等的飞镖状棋盘格图形，两个图形的中心各自正对着双眼分视装置1的两个镜筒，受检者的两眼通过双眼分视装置1只能看到各自一侧的飞镖棋盘格图形，左右两眼在视野上没有重叠。由于图形刺激器只采用了一个显示器，两个刺激图形的亮度和对比度可以做到非常一致。

图1中的图形刺激器2产生的飞镖盘棋盘格图形如图3，飞镖盘被划分为多个区域，数目可是12、24、36、48、60等。每个区域有16个黑白相间的棋盘格。每个区域的棋盘格可以黑白翻转，13是飞镖盘图形12的一个区域，图3A和图3B的14、15是区域13黑白翻转的一个例子。飞镖盘图形12的各个区域的翻转是独立的，但受同一m序列控制。

在双眼同时受到等量刺激时，双眼视觉诱发电位的分离方法如下：

在多焦视觉电生理检查系统中，图形刺激器的飞镖盘刺激图形可分为N个区域(N是一个可选参数，可为12、24、36、48、60等，由图形的空间频率决定)。一个区域棋盘格的黑白翻转受m序列控制，随着m序列0、1状态的变换，每个区域的黑白棋盘格的状态也发生相应变化。其它区域的黑白棋盘格的翻转，也由同一m序列进行控制，只是起始时间依次滞后相等的时间间隔。本发明中由同一m序列控制两台图形刺激器的刺激图形的方法也类似。如果一个图形可分为N个区域，则两个图形就可分为2*N个区域，由同一m序列控制两个刺激图形中每个区域黑白棋盘格的翻转，同样，各个区域的m序列的控制也依次滞后相等的时间间隔。如下所示：

11010…010011100…111101…1010101…0100001…11000001…1010111…00000001………

↓    ↓………   ↓      ↓     ↓      ↓ ………↓      ↓

T_1，1 T_1，2      T_1，N-1 T_1，N  T_2，1    T_2，2    T_2，N-1 T_2，N

T_i，k中下标i＝1或2，k＝1…N中的一个数，T_i，k表示控制第i幅图形中的第k个区域所用m序列的起始点。

按上述方法就可以实现对两个刺激图形各个区域的棋盘格图形翻转的按序控制。

图形刺激器2产生的刺激图形通过双眼分视装置1对受检者的两眼分别产生刺激，其中图形的各个区域的棋盘格翻转会对视网膜的相应区域产生刺激，然后这些混合的视觉电生理信号可以通过视神经通路传递给视皮层。皮肤电极3可以把这些混合的视觉电生理信号提取出来，送入生物信号放大器，经过生物信号放大器4的放大，由数字信号采集装置5把模拟信号转换为数字信号，然后送入计算机主机6中，由计算机进行分析处理。最终的结果可以通过主显示器7显示出来。

在普通的多焦视觉电生理检查系统中，利用m序列和互相关算法或快速M变换，可以分离出单眼各个区域对应的视觉诱发电位(VEP)波形(参见文献《基于快速M变换的多焦视觉电生理检查系统的设计》.张思杰、郭兴明、彭承琳等.生物医学工程学杂志.2005，5)。同理，利用m序列和互相关算法或快速M变换，可以分离出双眼各个区域对应的视觉诱发电位(VEP)波形。关键是把两个刺激图形视为一个图形，各个区域的棋盘格的黑白翻转由同一m序列进行控制，然后用m序列和互相关算法或快速M变换，可以实现实现双眼各个区域对应的视觉诱发电位(VEP)波形的分离。

如果把每眼所有区域的波形相加，可以得到相应各眼的VEP，这样就实现了左右眼VEP波形的分离。需注意的是，多焦视觉诱发电位(mfVEP)电极安置的方法有多种，如果采用双电极法，得到的上、下两半视野区域中的波形是相反的，应把其中一半波形反向，确保上、下两半视野的波形方向一致。

也可以把左右眼相应区域的波形按一定的方式叠加起来。一定的方式指按一眼的全部区域、上下半视野、左右视野、四个象限、圆环状等将相应区域的波形进行叠加，得到左右眼相应区域的VEP波形。

在前面我们提到了竞争抑制比可用来衡量反映两眼之间的相互作用、相互抑制，相互竞争的程度。竞争抑制比的计算可采用视觉诱发电位(VEP)的特征值点来设计，VEP的特征值点有N1、P1、N2，用于衡量弱视最典型的指标为P1的潜伏期和P1、N1幅值的差值的绝对值PN1。

在前面假定分离出双眼各自的VEP波形的情况下，假设主导眼为a，特征值点P1、N1幅值的差值的绝对值为PN1a，非主导眼为b，特征值点P1、N1幅值的差值的绝对值为PN1b，竞争抑制比指标为K，则

K＝PN1a/PN1b

K反映了主导眼和非主导眼的对外界等量刺激响应程度的不同，K越大，则说明主导眼对非主导眼的竞争更有优势，对非主导眼的抑制更深，非主导眼发生弱视的可能性越大。

指标K还可有两个变化。用常规的VEP方式，遮盖一只眼，对另一只眼进行检查，得到没有双眼相互作用情况下的单眼的VEP。设单眼情况下，主导眼a的特征值点P1、N1幅值的差值的绝对值为PN1as(s表示single eye)，非主导眼a的特征值点P1、N1幅值的差值的绝对值为PN1bs，则

Ka＝(PN1as-PN1a)/PN1as，Kb＝(PN1bs-PN1b)/PN1bs

可以这么理解，PN1as、PN1bs反映了在没有竞争条件下，单眼的VEP；PN1a、PN1b反映了在双眼竞争最激烈，双眼抑制最厉害情况下单眼的VEP。

Ka直接反映主导眼在双眼竞争中受抑制的程度，Ka越大，主导眼受抑制越深。

Kb直接反映非主导眼在双眼竞争中受抑制的程度，Kb越大，非主导眼受抑制越深。

若用VEP的其它特征值点的特征参数来衡量双眼的竞争抑制比，可以参照上面的方法来进行研究，用类似的公式来进行表示。

最后，可以按前面介绍的计算双眼竞争抑制比的方法计算两眼的竞争抑制比，也可以计算出双眼相应区域的竞争抑制比。

最终，可以利用竞争抑制比来作为一个定量的指标，用以衡量单眼性弱视的程度，弱视治疗的效果等。

Claims (3)

1.一种用于分离双眼视觉诱发电位的系统，包括双眼分视装置、带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统；

所述的双眼分视装置是一种光学系统，包括目镜、物镜和设置在目镜和物镜光路上折射光线的棱镜，镜筒的方向指向左右两侧或正前方，分别正对两个图形刺激器；

所述的带有双图形刺激器的多焦视觉电生理系统包括双图形刺激器、提取信号的电极、生物信号放大器、数据采集卡和数据分析处理的计算机系统；电极按照多焦视觉诱发电位的检查方式在人的头部进行放置，其输出端连接生物信号放大器，生物信号放大器连接数据采集卡，数据采集卡再与计算机系统连接。

2.如权利要求1所述的用于分离双眼视觉诱发电位的系统，其特征在于：双图形刺激器的每个刺激器都产生形状相似的飞镖状棋盘格图形，飞镖状棋盘格图形划分为多个区域，每个区域的黑白棋盘格的翻转由同一m序列控制，但翻转的起始时间依次滞后相等的时间间隔，两个飞镖状棋盘格图形的各个区域都由同一m序列控制。

3.采用权利要求1和2所述的分离双眼视觉诱发电位系统分离双眼视觉诱发电位的方法，方法包括：

(1)在计算机系统的控制下，在双图形刺激器上产生飞镖状的棋盘格图像，或在单图形刺激器上产生两个飞镖状的棋盘格图像，分别对两只眼睛进行刺激；

(2)用电极将两眼产生的混合电生理信号提取出来，通过生物信号放大器放大，由数据采集卡将数据采集存入计算机，再由计算机进行分析处理，方法如下：

A、利用多焦视觉电生理中所用分离各个区域波形的m序列和互相关算法或快速M变换，分离出两个刺激图形中每个区域对应的VEP波形；

B、左右两眼相应区域的VEP波形按一眼的全部区域、上下半视野、左右视野、四个象限或圆环状将相应区域的波形进行叠加，得到左右眼相应区域的VEP波形之和，并找到其VEP波形的特征值点；

C、利用视觉诱发电位的特征值点的特征参数来设计竞争抑制比指标；

D、利用竞争抑制比指标来判断是否有弱视。

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