CN110367982A - 基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法 - Google Patents

基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法 Download PDF

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Abstract

基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，先设计红绿翻转刺激范式，再设计刺激范式红绿亮度比梯度，然后进行脑‑机接口平台搭建，再进行刺激范式呈现，通过SSVEP色觉定量方法进行检查，最后进行色觉检查结果反馈；本发明通过设计一系列不同红绿亮度对比值的稳态视觉诱发电位(SSVEP)范式，并提出相应的色觉定性及定量判定指标，为眼科检查中色觉功能的检查提供一种客观且定量的测量方法。

Description

基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法
技术领域
本发明涉及脑-机接口与色觉功能检查技术领域，具体涉及基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法。
背景技术
人类的颜色视觉主要由视网膜上的三种视锥细胞而决定，三种视锥细胞吸收峰分别为长波长(L)、中波长(M)以及短波长(S)。视锥细胞的异常会导致色觉缺陷，色觉缺陷发病率在男性中为8％，在女性中为0.5％。一般情况下，色觉异常分为异常三色觉(色弱)、二色觉(色盲)及全色盲三种。其中，色弱可细分为红色弱、绿色弱和蓝色弱。色盲可细分为红色盲、绿色盲和蓝色盲。
传统的色觉检测主要有色盲检测本(假同色图)、FM100色棋检测等心理物理学方法，这些方法多依赖于主观判断且不能对色觉缺陷进行量化。在小儿色觉检测、临床定量色觉检测方面并不适用。
脑-机接口(BCI)和脑电图(EEG)，尤其是头皮脑电，如扫描视觉诱发电位(sVEP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、模式视觉诱发电位(PVEP)为色觉功能检查提供了一种更客观、更直接地评估视觉功能的新方法，目前还尚未有关于视觉诱发电位在色觉检查方面的相关文献公开。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，通过设计一系列不同红绿亮度对比值的稳态视觉诱发电位(SSVEP)范式，并提出相应的色觉定性及定量判定指标，为眼科检查中色觉功能的检查提供一种客观且定量的测量方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，包括以下步骤：
1)红绿翻转刺激范式：采用脑-机接口中的模式翻转SSVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性翻转呈现，能够稳定刺激诱发SSVEP；运动刺激目标表现为相间的红绿方格，红色方格和绿色方格大小相等，数量相同，交替排列；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；范式的翻转频率定义为刺激频率，范式图案在一个周期内改变两次；
2)刺激范式红绿亮度比梯度：保证红绿色的色度信息及总亮度不变，改变刺激范式红绿色的亮度比，使得红绿中红色占总亮度的比值分别为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.42，0.43，0.44，0.45，0.46，0.47，0.48，0.49，0.50，0.52，0.54，0.56，0.58，0.60，0.62，0.64，0.66，0.68，0.7，0.8，0.9和1.0共27个梯度；
3)脑-机接口平台搭建：实验前将参考电极放置于受试者左耳垂，地电极放置于受试者前额，测量电极布置在头部枕区；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在实验室中，每次进行双眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)SSVEP色觉定量方法：对27个梯度分别诱发SSVEP并进行CCA响应值，绘制CCA值-亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点；通过色觉的严重程度ICVD客观指标评判色觉脑电检查结果；
6)色觉检查结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，使用者的客观脑电色觉检查结果通过屏幕输出。
所述的步骤5)SSVEP色觉定量方法，具体为：
红绿色CIE XYZ颜色色度信息转化为视锥细胞LMS颜色空间：红色(L红、M红、S红)和绿色(L绿、M绿、S绿)，因S型视锥细胞对亮度贡献很小，故忽略掉；则红绿色客观等亮度点表示为：
——红色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——红色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
通过计算，正常色觉理论客观等亮度点T正常为0.50；若色觉为红色盲，则忽略L型视锥细胞产生的亮度信息值，则T红色盲为0.68；同理，若色觉为绿色盲，则忽略M型视锥细胞产生的亮度信息值，则T绿色盲为0.43；红色弱的等亮度点T红色弱和绿色弱的等亮度点T绿色弱分别介于正常与红色盲和绿色盲等亮度点之间：
T红色盲＞T红色弱＞T正常＞T绿色弱＞T绿色盲 (2)
将SSVEP测试出的使用者的等亮度点T使用者与理论正常人等亮度点T正常的差异表示为色觉偏差D使用者：
D使用者＝|T使用者-T正常| (3)
将红、绿色盲等亮度点T红色盲与T绿色盲与T正常的差值表示为色盲偏差D色盲：
那么，色觉的严重程度ICVD用色觉偏差D使用者与色盲偏差D色盲来表示：
对27个梯度分别诱发SSVEP并进行CCA响应值，绘制CCA值-亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点；通过上述计算出色觉严重程度ICVD，并与等亮度点T使用者结合，依据下表得出色觉程度与类型，
I<sub>CVD</sub> T<sub>使用者</sub> 色觉程度
<20％ —— 正常
20％—40％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 轻度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 轻度绿色弱
40％—60％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 中度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 中度绿色弱
60％—80％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 重度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 重度绿色弱
80％—100％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 红色盲
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 绿色盲
本发明的有益效果为：
本发明提出了基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，操作简单快捷，解决了传统色觉检查不够客观且定量困难，不适用于沟通困难患者以及法医鉴定的问题，显示了如下优越性：
(1)本发明设计基于红绿翻转SSVEP范式，将亮度比梯度与色觉检查相结合，从人眼视觉信息处理的颜色机制和亮度机制出发，不依赖主观判断，具有客观性。
(2)本发明提出色觉程度指数ICVD值与等亮度点T值，可定量分析色觉程度，判定色弱色盲缺陷程度。
附图说明
图1为典型红绿亮度对比梯度刺激范式图案(亮度比T＝0.0，0.43，0.50，0.68，1.0)。
图2为本发明脑-机接口平台。
图3为本发明脑电电极布置图。
图4为正常色觉的脑电响应CCA值—红绿亮度对比梯度曲线。
图5为红色盲的脑电响应CCA值—红绿亮度对比梯度曲线。
图6为绿色盲的脑电响应CCA值—红绿亮度对比梯度曲线。
图7为红色弱的脑电响应CCA值—红绿亮度对比梯度曲线。
图8为绿色弱的脑电响应CCA值—红绿亮度对比梯度曲线。
图9为Icvd值与FM100色棋检测结果TES的相关关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，包括以下步骤：
1)红绿翻转刺激范式：采用脑-机接口中的模式翻转SSVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性翻转呈现，能够稳定刺激诱发SSVEP；参照图1，运动刺激目标表现为相间的红绿方格，红色方格和绿色方格大小相等，数量相同，交替排列；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；范式的翻转频率定义为刺激频率，范式图案在一个周期内改变两次；
2)刺激范式红绿亮度比梯度：保证红绿色的色度信息(CIE XYZ颜色空间：x红＝0.628，y红＝0.337；x绿＝0.349，y绿＝0.590)及总亮度不变，改变刺激范式红绿色的亮度比T，T为红色亮度与总亮度的比值：
Lu红——红色方格亮度；
Lu绿——绿色方格亮度；
参照图1，使得红绿中红色占总亮度的比值分别为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.42,0.43,0.44,0.45,0.46,0.47,0.48,0.49,0.50,0.52,0.54,0.56,0.58,0.60,0.62,0.64,0.66,0.68,0.7,0.8,0.9和1.0等27个梯度；
3)脑-机接口平台搭建：参照图2和图3，实验前按照10/20系统法布置电极，实验前将参考电极放置于受试者左耳垂A1，地电极放置于受试者前额Fpz，测量电极布置在头部枕区(PO3、PO4、POz、O1、O2、Oz)，给各测量电极注入导电膏，保证电极与头皮的良好接触；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在安静的不被干扰的实验室中，每次进行双眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)SSVEP色觉定量方法：红绿色CIE XYZ颜色色度信息转化为视锥细胞LMS颜色空间：红色(L红、M红、S红)和绿色(L绿、M绿、S绿)，因S型视锥细胞对亮度贡献很小，故忽略掉；则红绿色客观等亮度点可表示为：
——红色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——红色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
通过计算，正常色觉理论客观等亮度点T正常为0.50；若色觉为红色盲，则忽略L型视锥细胞产生的亮度信息值，则T红色盲为0.68；同理，若色觉为绿色盲，则忽略M型视锥细胞产生的亮度信息值，则T绿色盲为0.43；红色弱的等亮度点T红色弱和绿色弱的等亮度点T绿色弱分别介于正常与红色盲和绿色盲等亮度点之间：
T红色盲＞T红色弱＞T正常＞T绿色弱＞T绿色盲 (3)
将SSVEP测试出的使用者的等亮度点T使用者与理论正常人等亮度点T正常的差异表示为色觉偏差D使用者：
D使用者＝|T使用者-T正常| (4)
将红、绿色盲等亮度点T红色盲与T绿色盲与T正常的差值表示为色盲偏差D色盲：
那么，色觉的严重程度ICVD可以用色觉偏差D使用者与色盲偏差D色盲来表示：
参照图4-图8，对27个梯度分别诱发SSVEP并进行CCA响应值，绘制CCA值—亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点。通过上述计算出色觉严重程度ICVD，并与等亮度点T使用者结合，依据下表得出色觉程度与类型，
I<sub>CVD</sub> T<sub>使用者</sub> 色觉程度
<20％ —— 正常
20％—40％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 轻度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 轻度绿色弱
40％—60％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 中度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 中度绿色弱
60％—80％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 重度红色弱
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 重度绿色弱
80％—100％ T<sub>使用者</sub>&gt;0.50 红色盲
T<sub>使用者</sub>&lt;0.50 绿色盲
6)色觉检查结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，经过CCA特征提取与SSVEP色觉定量方法计算，使用者的客观脑电色觉检查结果通过屏幕输出。
下面结合实施例对本发明进行说明。
对17名被试者(7名色觉正常、2名红色弱、4名绿色弱、1名红色盲和3名绿色盲)进行了上述实验，按照上述步骤3)对被试安放电极并搭建脑-机接口平台，按照上述步骤4)进行范式呈现、脑电信号采集及特征提取。按照上述步骤5)，参考图4-8，绘制CCA值—亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点。进行脑电信号分析与客观脑电色觉检查结果判定，发现脑电客观色觉检查结果与被试者色觉情况吻合。并通过FM100色棋系统对以上被试进行主观心理物理学色觉定量检查，FM100总体误差TES与ICVD进行线性拟合分析，参照图9，发现效果良好(r＝0.870)。
本发明能够客观、定量地检测使用者的色觉功能，与主观心理物理学检查之间建立很好的相关关系，实现了对幼儿、语前儿童、法医被鉴定人等特殊使用者色觉功能的客观检测手段。基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法方便快捷，客观定量，具有良好的实用化前景。

Claims (2)

1.基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)红绿翻转刺激范式：采用脑-机接口中的模式翻转SSVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性翻转呈现，能够稳定刺激诱发SSVEP；运动刺激目标表现为相间的红绿方格，红色方格和绿色方格大小相等，数量相同，交替排列；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；范式的翻转频率定义为刺激频率，范式图案在一个周期内改变两次；
2)刺激范式红绿亮度比梯度：保证红绿色的色度信息及总亮度不变，改变刺激范式红绿色的亮度比，使得红绿中红色占总亮度的比值分别为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.42,0.43,0.44,0.45,0.46,0.47,0.48,0.49,0.50,0.52,0.54,0.56,0.58,0.60,0.62,0.64,0.66,0.68,0.7,0.8,0.9和1.0共27个梯度；
3)脑-机接口平台搭建：实验前将参考电极放置于受试者左耳垂，地电极放置于受试者前额，测量电极布置在头部枕区；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在实验室中，每次进行双眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)SSVEP色觉定量方法：对27个梯度分别诱发SSVEP并进行CCA响应值，绘制CCA值—亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点；通过色觉的严重程度ICVD客观指标评判色觉脑电检查结果；
6)色觉检查结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，使用者的客观脑电色觉检查结果通过屏幕输出。
2.根据权利要求1所述的基于视觉诱发电位的色觉功能检查方法，其特征在于：所述的步骤5)SSVEP色觉定量方法，具体为：
红绿色CIE XYZ颜色色度信息转化为视锥细胞LMS颜色空间：红色(L红、M红、S红)和绿色(L绿、M绿、S绿)，因S型视锥细胞对亮度贡献很小，故忽略掉；则红绿色客观等亮度点表示为：
——红色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——红色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对L型视锥细胞产生的亮度信息值；
——绿色方格对M型视锥细胞产生的亮度信息值；
通过计算，正常色觉理论客观等亮度点T正常为0.50；若色觉为红色盲，则忽略L型视锥细胞产生的亮度信息值，则T红色盲为0.68；同理，若色觉为绿色盲，则忽略M型视锥细胞产生的亮度信息值，则T绿色盲为0.43；红色弱的等亮度点T红色弱和绿色弱的等亮度点T绿色弱分别介于正常与红色盲和绿色盲等亮度点之间：
T红色盲＞T红色弱＞T正常＞T绿色弱＞T绿色盲 (3)
将SSVEP测试出的使用者的等亮度点T使用者与理论正常人等亮度点T正常的差异表示为色觉偏差D使用者：
D使用者＝|T使用者-T正常| (4)
将红、绿色盲等亮度点T红色盲与T绿色盲与T正常的差值表示为色盲偏差D色盲：
那么，色觉的严重程度ICVD用色觉偏差D使用者与色盲偏差D色盲来表示：
对27个梯度分别诱发SSVEP并进行CCA响应值，绘制CCA值—亮度比曲线，得出CCA值最低值所对应的亮度比，即为等亮度点；通过上述计算出色觉严重程度ICVD，并与等亮度点T使用者结合，依据以下标准得出色觉程度与类型：若ICVD值小于20％，则表示色觉正常；若ICVD值大于20％但小于40％，则表示轻度色弱；若ICVD值大于40％但小于60％，则表示中度色弱；若ICVD值大于60％但小于80％，则表示重度色弱；若ICVD值大于80％，则表示色盲；同时，色觉缺陷患者的类型通过T使用者来判断，若T使用者大于0.50，表示红色色觉缺陷；若T使用者小于0.50，则表示绿色色觉缺陷。
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CN113331780B (zh) * 2021-06-01 2024-03-15 极智视觉科技(合肥)有限公司 一种定量检测色觉感知及辨识能力的系统及其使用方法

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