CN105708411B - 一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属视觉认知及检测技术领域，涉及一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法及其装置，该方法包括：使用拮抗颜色持续激活小细胞视觉通路的同时，给予较弱的亮度信息，由于小细胞通路主要被颜色信息激活，其对较弱的附加亮度信息改变的分辨力较小，亮度信息主要依赖大细胞视觉通路介导，由此选择性的测定大细胞视觉通路功能；通过检测实验显示，本发明中提取的对比敏感度结果主要为大细胞视觉通路所介导的反应；对测定大细胞视觉通路功能具有选择性，且敏感性效能高。本发明操作简单易行，结果清晰明确，使用者接受性强，可用于制备与大细胞通路相关的视觉功能评估标准。

Description

一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法及其装置

技术领域

本发明属视觉认知及检测技术领域，涉及一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法及其装置，尤其涉及一种基于活体大细胞视觉通路功能的视觉心理物理学检测方法。该方法可以利用视觉心理物理学技术选择性提取并量化所述大细胞视觉通路功能，进一步用于制备与大细胞通路相关的视觉功能评估标准。

背景技术

现有技术公开了有关平行信号传导通路是哺乳动物感觉系统的重要特征之一，作为感觉系统中最为重要的视觉感知系统中同样存在着相对平行的大、小细胞通路。研究显示，大、小细胞通路在结构上保持相对分离：即小细胞通路主要建立在视网膜侏儒型神经节细胞基础上，投射至外侧膝状体背侧小细胞层；大细胞通路主要建立为由视网膜阳伞型神经节细胞投射至外侧膝状体腹侧大细胞层；两类通路除解剖上相对分离外，其生理学特性也存在差异：大细胞通路对低空间频率信息敏感而小细胞通路侧重传导高空间频率信息；在时间频率上，大细胞通路处理高时间频率信息而小细胞通路对低时间频率敏感；两者最明显的差异是小细胞通路可介导颜色信息而大细胞仅能处理亮度信息。

目前，研究实践中尚无直接手段对大细胞视觉通路功能进行检测，多采用视觉心理物理学方法。已报道的可能方法有倍频视野与运动视野，但是业界对两类方法的大细胞通路选择性均存有争议。Kelly等首次报道倍频现象：当低空间频率黑白竖条栅呈高时间频率交替闪烁时，被试可以观察到条栅空间频率加倍。研究者认为此种现象产生的原因是由于激活细胞对空间信息呈非线性反应，而猫类视网膜中大细胞视觉通路中的一小部分(My细胞)被证实有此种特性，故学者推断倍频现象由大细胞视觉通路介导。但是近期有研究对倍频现象提出诸多质疑：一方面是关于倍频现象产生的机制，如White等收集灵长类视网膜大神经节细胞对倍频刺激反应的电信号，结果显示灵长类并不存在特异性的My细胞，单一神经节细胞的非线性信号中亦无空间调制信号，因此推断倍频现象的产生机制并不是由大细胞通路神经元的非线性反应所引起。Zeppieri等使用不同空间、时间频率的组合检测倍频现象，发现不同被试间存在较大的个体差异性，部分被试始终观察不到倍频现象而部分被试在所有空间、时间频率条件下均可以观察到倍频现象，说明倍频反应并不是某一类神经节细胞特有的。另外倍频视野在操作时被试多被告知对是否看到条栅作出反应，而不是对是否看到倍频现象作出判断，较多被试反映在临近阈值时仅观察到闪烁而无空间信息，学者推测此操作时被试所做出的反映未必是针对倍频线性而是针对刺激的对比度信息或闪烁信息。上述结果中除产生机制不明外，倍频刺激对大细胞视觉通路的选择性也遭到质疑，如Swanson等分别纪录灵长类动物视网膜尚大、小神经节细胞对标准视野计短暂呈现(200ms)的Goldmann III纯光点刺激和倍频刺激的电反应，发现大神经节细胞对两类刺激的反应均强于小神经节细胞，但大、小神经节细胞对短暂呈现的纯光亮度点刺激反应间的差异较倍频刺激引起的差异更大，与原先认为的倍频刺激优于纯亮度刺激选择激活大细胞视觉通路的理论相悖，提示高时间频率刺激较倍频刺激对大细胞通路的特异性更强。除倍频视野外，运动视野是另外一种被认为是检测大细胞视觉通路功能的检测方法，最常采用的为随意点运动图测试，但是学者指出该种对随意点运动一致性方向的判断依赖对视野中较大区域内的空间整合，这一整合区域范围明显大于大神经节细胞的感受野，更接近高级视皮层神经元的感受野(如MT/V5区)，说明此功能检测较高级运动皮层功能，而此区域并无大、小细胞特异性。

综上所述，现有的针对大细胞视觉通路行为学测试方法的选择性机制仍存在诸多质疑，鉴于现状，本申请的发明人拟提供一种选择性机制明确、敏感性高的基于大细胞视觉通路功能的检测方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法及其装置。尤其涉及一种针对活体大细胞视觉通路功能的视觉心理物理学检测方法。该方法可以利用视觉心理物理学技术选择性提取并量化所述大细胞视觉通路功能，进一步用于制备与大细胞通路相关的视觉功能评估标准。

该方法的提出是基于拮抗色学说和韦伯定律。拮抗色学说是指色觉(拮抗通道)主要是由小细胞视觉通路介导，而亮度(非拮抗通道)通路是由大细胞视觉通路和小细胞通路共同介导。韦伯学说是指心理量和物理量之间呈现一定规律，即感觉的差别域跟原来的刺激量的变化而变化，即当某群神经元被强刺激持续性激活时再给予较弱的刺激后，该群神经元对附加刺激无明显反应。

具体而言，本发明提出了一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法，其包括：使用拮抗颜色持续激活小细胞视觉通路的同时，给予较弱的亮度信息，由于小细胞通路主要被颜色信息激活，其对较弱的附加亮度信息改变的分辨力较小，此时亮度信息主要依赖大细胞视觉通路介导，由此选择性的测定大细胞视觉通路功能。

更具体的，本发明的一种基于大细胞视觉通路功能的检测方法，其特征在于，其包括，通过视觉呈现系统给予被试视觉刺激，获得被试反馈的相应测试数据；并分析获得本方法及装置对测定大细胞视觉通路功能具有选择性，且敏感性效能高。

其中，所述的视觉刺激采用红－绿心理亮度方波条栅(如图1所示)；

所述的红－绿条栅空间频率为2.5周期/度，红绿条栅的相位在每500ms发生交替以防止发生适应现象；

所述的红绿条栅同一位置的光亮度呈空间频率为0.5周期/度正弦波竖条栅以15赫兹或25赫兹频率水平向左或向右运动(如[公式一]所示)，刺激每呈现1000ms后消失，获得被试判断的光亮度正弦波运动方向；

[公式一]：

L(x,t)＝Lm+Asin[2π(fsx+frt)]g(t)

g(t)＝1+cos(2π/T)

其中：L(x,t)为光亮度值，Lm为平均亮度值，A为光亮度条栅的亮度振幅，fs为空间频率(0.5周期/度)，fr为亮度改变的时间频率(15赫兹或25赫兹)，T为刺激呈现时间(1000ms)。

获得的相应测试数据包括：

(1)最小闪烁法确定红色、绿色的心理等亮度值；

(2)对比度阈值，

(3)获得最终结果为：对比敏感度为对比度阈值的倒数。

本发明中，每次测试取最后六个对比度平均值作为该次测试的对比度阈值，其采用 Michelson Contrasts[(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)]计算获得。

本发明通过检测30名标准视野损害前原发性开角型青光眼患者及30正常对照的实验，结果表明，本发明中小细胞视觉通路发生了饱和，提取的对比敏感度结果主要为大细胞视觉通路所介导的反应；用倍频刺激验证本发明的敏感性，显示在时间频率为15赫兹或25赫兹条件下，本方法对大细胞视觉通路损害性疾病测定的敏感性效能高于倍频刺激法；证实本发明对测定大细胞视觉通路功能具有选择性。

本发明提供了一种基于大细胞视觉通路功能的检测装置包括视觉呈现系统和被试反馈获得相应测试数据的硬件设备；

所述的测试硬件系统由Macbook Pro连接高精度显示屏(CRT)和外置键盘构成；计算机操作系统中加载计算机语言Matlab和psychotoolbox工具包；显示屏分辨率不低于1024×768，刷新率为60；试验前显示屏需使用光亮度仪进行gamma矫正。

本发明的检测装置的测试过程主要通过视觉呈现系统给予被试视觉刺激，观察被试反馈获得相应结果；

其中的视觉刺激主要为红－绿心理等亮度方波条栅；

红－绿条栅空间频率为2.5周期/度，红绿条栅的相位在每500ms发生交替以防止发生适应现象；

红绿条栅同一位置的光亮度呈空间频率为0.5周期/度，正弦波竖条栅以15赫兹或25 赫兹频率水平向左或向右运动[如公式一所示]，刺激每呈现1000ms后消失，获得被试判断光亮度正弦波的运动方向；

[公式一]：

L(x,t)＝Lm+Asin[2π(fsx+frt)]g(t)

g(t)＝1+cos(2π/T)

其中：L(x,t)为光亮度值，Lm为平均亮度值，A为光亮度条栅的亮度振幅，fs为空间频率(0.5周期/度)，fr为亮度改变的时间频率(15赫兹或25赫兹)，T为刺激呈现时间(1000ms)。

检测步骤：

1.选定被试，常规测前准备；

2.获得最小闪烁法确定红色、绿色的心理等亮度值：用于后续测试；

3.采用“三上一下”阶梯法，取最后六个对比度平均值作为该次测试的对比度阈值；

所述对比度阈值采用Michelson Contrasts[(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)]计算，最终结果为：对比敏感度为对比度阈值的倒数。

通过青光眼患者及对照的检测实验，结果显示，本发明中小细胞视觉通路发生了饱和，提取的对比敏感度结果主要为大细胞视觉通路所介导的反应；基于本发明方法的装置对测定大细胞视觉通路功能具有选择性，且敏感性效能高。

本发明操作简单易行，结果清晰明确，使用者接受性强，可进一步用于制备与大细胞通路相关的视觉功能评估标准。

本发明具有下述优点：

1)本发明基于认知科学领域中的经典原理，通过饱和小细胞视觉通路，活体选择性量化大细胞视觉通路功能，并已利用大细胞视觉通路选择损伤的疾病之一—青光眼验证了本发明的有效性。

2)本发明操作简单易行，结果清晰明确，使用者接受性强。

为了便于理解，以下通过具体的附图对本发明的检测方法进行解释。需要特别指出的是，操作说明和附图仅是为了说明，显然本领域的技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围内。

附图说明

图1：刺激模式图。

图2：两组被试在不同时间频率条件下的对比敏感度结果；

其中，横坐标为时间频率,纵坐标为对比敏感度,圆点标记为正常组均值,方形点标记为视野损害前青光眼组均值,误差条表示组内人群平均值的标准误。

图3：本发明不同时间频率条件及倍频刺激的ROC曲线图，

其中各线(绿线)代表3赫兹条件,(绿线)代表8赫兹条件,(红色)虚线代表15赫兹条件，(蓝线)代表25赫兹条件，(黄线)代表倍频刺激条件。

具体实施方式

实施例1

通过视觉呈现系统给予被试视觉刺激，观察被试反馈获得相应结果。

硬件设备：

本发明的测试硬件系统由Macbook Pro连接高精度显示屏(CRT)和外置键盘构成；计算机操作系统中加载计算机语言Matlab和psychotoolbox工具包；显示屏分辨率不低于1024×768，刷新率为60；试验前显示屏需使用光亮度仪进行gamma矫正。

视觉刺激：

视觉刺激主要为红－绿心理等亮度方波条栅(如图1所示)；红－绿条栅空间频率为2.5 周期/度，红绿条栅的相位在每500ms发生交替已防止发生适应现象，红绿条栅同一位置的光亮度呈空间频率为0.5周期/度，正弦波竖条栅以15赫兹或25赫兹频率水平向左或向右运动[如公式一]，刺激每呈现1000ms后消失，嘱被试判断光亮度正弦波运动方向；

[公式一]：

L(x,t)＝Lm+Asin[2π(fsx+frt)]g(t)

g(t)＝1+cos(2π/T)

其中：L(x,t)为光亮度值，Lm为平均亮度值，A为光亮度条栅的亮度振幅，fs为空间频率(0.5周期/度)，fr为亮度改变的时间频率(15赫兹或25赫兹)，T为刺激呈现时间(1000ms)；

检测步骤：

1)被试单眼测试，入组眼佩戴矫正眼镜，非测试眼戴上黑色不透光眼罩，头部由腮托辅助固定；

2)最小闪烁法确定红色、绿色的心理等亮度值：首先矫正显示器的gamma lookuptable 使得RGB index随显示器亮度线性变化，然后在周边视野处呈现一色块，色块的红色和绿色亮度以一定频率反相位波动(帧1:[R 0 0],帧2:[0 G 0],每帧时长33ms，即波动频率为15赫兹)。测试中固定红色帧的幅度，嘱被试调节绿色的波动幅度直至整个色块看上去无闪烁感(或闪烁感最小)，重复三次后得到最优的绿色幅值(G)，这时绿色幅值与红色幅值为该被试红、绿色的心理等亮度值，用于后续测试；

3)测试中，视觉刺激大小为4度视角，位于象限对角线上，刺激中心距离中心注视点约12度视角，屏幕背景为同亮度黄色，中心为黑色十字作为注视点，刺激每呈现1000ms后消失，嘱被试判断光亮度正弦波运动方向；本实例采用“三上一下”阶梯法，即被试者判断三次，光亮度运动条栅对比度下降10％，若判断错误一次，光亮度运动条栅对比度提高10％，十次判断错误一轮试验结束，取最后六个对比度平均值作为该次测试的对比度阈值；对比度阈值采用Michelson Contrasts[(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)]计算，最终结果为：对比敏感度为对比度阈值的倒数。

实施例2方法验证本发明对测定大细胞视觉通路功能的选择性

本实施例选用标准视野损害前青光眼患者作为验证对象，理论支持青光眼患者的大细胞通路功能最先损伤或损伤更为严重，即“大细胞通路选择性损伤假说”；纳入30名标准视野损害前原发性开角型青光眼患者及30名年龄、性别、屈光状态匹配的正常对照对本发明进行验证，该验证过程通过复旦大学附属眼耳鼻喉科医院伦理委员会审批，所有被试自愿参与，均签署知情同意书。

验证过程中再加入两种时间频率条件，即共用四种时间频率条件：3赫兹、8赫兹、15 赫兹、25赫兹，以时间频率为横坐标，对比敏感度为纵坐标，两组被试结果均为“倒V型”曲线(如图2所示)，在8赫兹条件下对比敏感度最高，而在其他频率条件下对比敏感度不同程度的降低，这与灵长类动物小细胞通路损伤模型后反应相一致，说明本发明中小细胞视觉通路发生了饱和，提取的对比敏感度结果主要为大细胞视觉通路所介导的反应；RMANOVA分析显示，组别间有统计学差异(F＝15.156,p<0.001)，时间频率有统计学差异(F＝9.225,p<0.005)，且与组别间有交互作用(F＝12.814,p<0.001)；

进一步使用倍频刺激验证本发明的敏感性，采用ROC曲线评估本发明及倍频刺激对视野损害前青光眼的判定效能(如图3所示)，结果显示，曲线下面积(AUC)为0.942(25赫兹)， 0.87(14赫兹)，0.758(8hz)，0.439(3赫兹)，0.733(倍频刺激)，说明本发明中时间频率采用15赫兹或25赫兹条件，其测定大细胞视觉通路损害性疾病的敏感性效能高于倍频刺激法。

Claims (4)

1.一种基于大细胞视觉通路功能的检测装置，其特征在于，该装置包括视觉呈现系统和获得被试反馈的相应测试数据的测试硬件系统；该检测装置通过视觉呈现系统给予被试视觉刺激，获得被试反馈的相应测试数据；并分析获得测定大细胞视觉通路功能的选择性，以及敏感性；

其中所述的检测装置通过使用拮抗颜色持续激活小细胞视觉通路的同时，给予较弱的亮度信息，基于亮度信息主要依赖大细胞视觉通路介导，选择性的测定大细胞视觉通路功能；

其中测试硬件系统由Macbook Pro连接高精度显示屏和外置键盘构成；计算机操作系统中加载计算机语言Matlab和psychotoolbox工具包；显示屏分辨率不低于1024×768，刷新率为60；试验前显示屏需使用光亮度仪进行gamma矫正；

所述的视觉刺激采用红－绿心理等亮度方波条栅；

其中的红－绿心理等亮度方波条栅空间频率为2.5周期/度，红－绿心理等亮度方波条栅的相位在每500ms发生交替以防止发生适应现象；

所述的红－绿心理等亮度方波条栅同一位置的光亮度呈空间频率为0.5周期/度，正弦波竖条栅以15赫兹或25赫兹频率水平向左或向右运动，刺激每呈现1000ms后消失，获得被试判断的光亮度正弦波运动方向；

所述的水平向左或向右运动按下述公式计算：

L(x,t)＝Lm+Asin[2π(fsx+frt)]g(t)

g(t)＝1+cos(2π/T)

其中：L(x,t)为光亮度值，Lm为平均亮度值，A为光亮度条栅的亮度振幅，fs为空间频率，fr为亮度改变的时间频率，T为刺激呈现时间。

2.按权利要求1所述的基于大细胞视觉通路功能的检测装置，其特征在于，获得的相应测试数据包括：

(1)最小闪烁法确定红色、绿色的心理等亮度值；

(2)对比度阈值；

(3)获得最终结果为：对比敏感度为对比度阈值的倒数。

3.按权利要求2所述的基于大细胞视觉通路功能的检测装置，其特征在于，所述的对比度阈值为，每次测试取最后六个对比度平均值作为该次测试的对比度阈值，其采用Michelson Contrasts[(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)]计算获得。

4.权利要求1的检测装置在用于制备与大细胞通路相关的视觉功能评估标准中的用途。