视觉电生理信号检测的方法研究与实现
作者：邓亲恺 郭云波 冯前进
单位：邓亲恺(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))；郭云波(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))；冯前进(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))
关键词：视觉电生理；眼电图；视网膜电流图；视诱发电位
中国医疗器械杂志000201 提 要：根据视觉解剖与电生理特征，采用沿视觉通路提取信号的检测方法，把握视觉生理功能的全面信息。研制的MET01系统，实现了EOG、ERG、VEP等信号的检测与分析，对视觉早期病变的诊断具有一定的临床价值。
分类号：TH786 文献标识码：A
文章编号：1000-6974(2000)02-0063-04
, http://www.100md.com
Detecting Method of the Clinical Visual Electrophysiological Signals
DENG Qin-kai GUO Yun-bo FENG Qian-jin
(Dept of BME，First Military Medical University)
Abstract：According to the characteristics of anatomy and electrophysiology of vision，this paper describes the method of sampling along the visual path to obtain the integrated information of electrophysilolgy of vision.The developed system MET01 can detect and analyze EOG、ERG and VEP singnals as a whole，and has a clinical value.
, 百拇医药
Key words：Visual electrophysiology；Electroretinogram(ERG)；Electro-oculogram(EOG)；Visual evoked potential(VEP)▲
人类获取的信息60%是通过视觉获取的。视觉系统疾患直接威胁着人类的正常生活。不少病变是渐近的，早期发现和治疗，是临床眼科学、预防医学、流行病学的重要课题。目前我国眼科临床主要是倚靠形态学诊断类的仪器，难于胜任早期诊断。为满足临床诊断的需要，通过数年的努力，我们研制了MET01仪(已通过国家鉴定)，它从电生理的角度，实现了对视觉通路的全面诊断，为视觉早期病变的检测提供了一种可选择的手段。
1 视觉通路的解剖生理基础
视觉系统中起感光作用的组织是视网膜(retina)，外界光线成像于视网膜上的组织有角膜、晶状体和玻璃体等。视觉通路始于视网膜，光波在视杆细胞和视锥细胞内进行能量转换，在这里迅速产生电的兴奋，作为神经冲动沿着视神经纤维，即视网膜神经节细胞的轴突向大脑枕叶传递(图1)[1]。
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图1 视觉通路
用电生理的理论和方法，跟踪视觉路径上神经传导的电活动，从而对可能出现的病变(特别是早期病变作出判断)。研制的MET01系统包含了眼电图(EOG)，视网膜电流图(ERG)和视诱发电位(VEP)的综合测量。在图2右侧沿着自上而下的路径：EOG用于检测视网膜色素上皮—光感受器复合体的功能；ERG用于反映神经节细胞以前整个视网膜的状态：VEP以皮层VEP检测P100潜伏期为重点，可反映在中枢视通路上的病变[1]，[2]。
图2 视觉解剖与相关电生理信号2 系统设计与实现
对视觉通路的解剖生理分析表明，全面把握视觉通路上的病变，任何孤立的检测是难以胜任的。例如，为了解视觉通路的中枢传导时间，就必须同时检测VEP和ERG，即用VEP的代表成份P100的潜伏期减去ERG代表成份b波的潜伏期。又如，当出现视网膜中央动脉闭塞时，单用ERG检测不可能发现，而必须借助于VEP检测。临床常将上述三项检测分散在不同的科室，我们认为这对视觉电生理的全面诊断是不利的。MET01系统融合EOG、ERG、VEP检测于一体，为探索视觉电生理病变提供了一种较完整的手段。
, 百拇医药
本系统硬件系统框图如图3所示，图中有关外部刺激装置的设计，均参考ISCEV(国际临床视觉电生理学会)建议[3][4]，自行研制。
图3 系统设计总图
在图3中，1，2分别主施模式视觉诱发电位(P-VEP)和闪光视觉诱发电位(F-VEP)的光刺激控制。3，4，6主施视网膜电流图(ERG)的刺激与背景光控。5，6则主施眼电图(EOG)的刺激与背景光控。在系统实现中，1，2，3～6分别为三个独立实体，其中1采用普通黑白TV；由计算机控制产生不同视野的旗盘格或条纹(图4)；2采用2组4×4个红色发光二级管(LED)，分别嵌在两个封闭的护目镜框内。3～6则共同组织在积分球式刺激器(Ganzfeld Simulator)内，Ganzfeld刺激器(图5)，球体直为33cm，正面观察孔径为13.5cm；取图3相同标号，5是一组与观察窗口相对的与视觉水平张角为30°的红色发光管(共9个)；6是亮度可调的白炽灯光源(在球体内)投射后均匀反射到整个积分球的内球面，产生不同亮度背景光；3，4构成带衰减的闪光刺激器(详见图6)，闪光灯一般置于最大亮度，步进电机带动滤光盘，可在计算机控制下置于不同的位置，盘分四部分；分别为：白色、红色、蓝色和黄色，其中每部分为8格对应8级衰减。
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图4 METO1中的P-VEP刺激器
图5 GANZFELD刺激器简析图
图6 闪光灯刺激器简析图
本系统主要技术指标如下：
(1) VEP：
P-VEP：黑白旗盘格(或纵横条纹)刺激
大小：4×4，8×8，16×16，32×32，64×64；
视野：全，1/2，1/4；
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F-VEP：红色发光二级管(4×4)闪光刺激
视野：单眼、双眼
大小：固定
带宽：1～100Hz
灵敏度：5μV
(2) ERG：
刺激强度：在Ganzfeld球凹面上产生不小于1.5～3.0cd.m-2.s的亮度(SF)，检测中SF至少可衰减3log单位。
背景照度：在全视野内产生17～34cd.m-2稳定、均匀的背景照度。
带宽：0.3～300Hz
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灵敏度：10μV
(3) EOG
背景照度：由白炽灯调控，从绝对暗室直至大于1500LX的亮度，在球上产生均匀的漫反射。
固视点：在球内壁正对观察窗成水平排列的9个红色发光二极管LED，成30度扇角，按0.2～0.5Hz的速度依次点亮一个LED，每分钟扫视周期数大于10。
带宽：0.1～30Hz
灵敏度：0.1mV
在上述信号采集中，除EOG较大为1mV左右，可直接放大获取外，VEP、ERG均为μV级信号，淹没在强背景噪声中，本系统主要针对高斯噪声采用相干平均法获取VEP和ERG信号。算法如下：
设实际记录信号(量化后)为xi(n)，真实信号为s(n)，背景噪声为ni(n)则：
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xi(n)=s(n)+ni(n) i=1，2...M
n=1，2...N (1)
式中下标i表示第i个记录，变量n表示该记录中的第n个样本，每次记录取N个样本，经过相干平均，s(n)的估计值为：
(2)
如果假定ni(n)为平稳过程，其均值为0，方差为σ2n，则M次相干平均后，信噪比可提高
倍。
采用此方法，对于三种信号中最微弱的VEP仅需100次刺激，即可获得十分清晰、光滑的波形。相对于后验维纳滤波、小波分析等算法，此方法所耗CPU时间少，出波质量较高，且能满足临床实时运用的要求。
, 百拇医药
放大电路设计为多级程控，前置部分为光隔浮地电路，放大器采用集成仪用运放AD624，经过光电隔离后，先后经过高通、增益控制、低通、放大驱动等电路，其中各部分参数均用程序控制，从而调节方便，可适应不同带宽，不同增益的选择要求。
在安全设计中，采用了光电隔离，它具有体积小，绝缘强度高(可提供高达5000V的隔离电压)的优点，但传统的光耦电路设计方法[5]，即直接耦合方法，所获传输特性较差，动态线性范围狭小且调试难度大。本设计中采用对信号进行调制(PWM)后再经光电耦合、解调还原信号的方法，达到了较高的线性度，且调试简便满足了设计要求。
3 临床效果
两年多的临床实验表明，系统抗干扰性能强；在非屏蔽条件下，对视觉信号的采集和处理效果是令人满意的(图7、图8)。需指出的是：在EOG设计中，考虑到检测时间长(一般在1小时左右)，病人在注视“运动”的LED亮点时极易出现疲劳而闭上双眼，而病人面部始终朝向Ganzfeld积分球视窗，医生无法监视病人状况。故在屏幕右侧设计了“监视窗口”用以观察左右眼的EOG动态波形。固视点按每分钟扫视十次以上，凡病人左右眼随固视点运动时，均会产生EOG波形，在屏幕右边即可观察到其动态显示；反之若未出现，则说明病人处于非配合状态。该措施的采用，有效地提高了临床检测的质量和效率。■
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图7 双眼P-VEP重复实验效果图(屏显)
图8 双眼ERG实验报告(打印)
作者简介：邓亲恺，男(1948～)，教授。
参考文献：
[1]潘映辐.临床诱发电位学.1988.人民卫生出版社
[2]张明岛.脑诱发电位学.1995.上海科教出版社
[3]ISCEV.standard for clinical electroculoraphy.27may 1992
[4]张杰泽.临床视网膜电图(ERG)标准.国际标准化委员会.1991
[5]张唯真.生物医学电子学.1990.电子工业出版社
收稿日期：1999-9-24, 百拇医药
单位：邓亲恺(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))；郭云波(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))；冯前进(第一军医大学生物医学工程系 (广东，广州，510515))
关键词：视觉电生理；眼电图；视网膜电流图；视诱发电位
中国医疗器械杂志000201 提 要：根据视觉解剖与电生理特征，采用沿视觉通路提取信号的检测方法，把握视觉生理功能的全面信息。研制的MET01系统，实现了EOG、ERG、VEP等信号的检测与分析，对视觉早期病变的诊断具有一定的临床价值。
分类号：TH786 文献标识码：A
文章编号：1000-6974(2000)02-0063-04
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Detecting Method of the Clinical Visual Electrophysiological Signals
DENG Qin-kai GUO Yun-bo FENG Qian-jin
(Dept of BME，First Military Medical University)
Abstract：According to the characteristics of anatomy and electrophysiology of vision，this paper describes the method of sampling along the visual path to obtain the integrated information of electrophysilolgy of vision.The developed system MET01 can detect and analyze EOG、ERG and VEP singnals as a whole，and has a clinical value.
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Key words：Visual electrophysiology；Electroretinogram(ERG)；Electro-oculogram(EOG)；Visual evoked potential(VEP)▲
人类获取的信息60%是通过视觉获取的。视觉系统疾患直接威胁着人类的正常生活。不少病变是渐近的，早期发现和治疗，是临床眼科学、预防医学、流行病学的重要课题。目前我国眼科临床主要是倚靠形态学诊断类的仪器，难于胜任早期诊断。为满足临床诊断的需要，通过数年的努力，我们研制了MET01仪(已通过国家鉴定)，它从电生理的角度，实现了对视觉通路的全面诊断，为视觉早期病变的检测提供了一种可选择的手段。
1 视觉通路的解剖生理基础
视觉系统中起感光作用的组织是视网膜(retina)，外界光线成像于视网膜上的组织有角膜、晶状体和玻璃体等。视觉通路始于视网膜，光波在视杆细胞和视锥细胞内进行能量转换，在这里迅速产生电的兴奋，作为神经冲动沿着视神经纤维，即视网膜神经节细胞的轴突向大脑枕叶传递(图1)[1]。
, 百拇医药
图1 视觉通路
用电生理的理论和方法，跟踪视觉路径上神经传导的电活动，从而对可能出现的病变(特别是早期病变作出判断)。研制的MET01系统包含了眼电图(EOG)，视网膜电流图(ERG)和视诱发电位(VEP)的综合测量。在图2右侧沿着自上而下的路径：EOG用于检测视网膜色素上皮—光感受器复合体的功能；ERG用于反映神经节细胞以前整个视网膜的状态：VEP以皮层VEP检测P100潜伏期为重点，可反映在中枢视通路上的病变[1]，[2]。
图2 视觉解剖与相关电生理信号2 系统设计与实现
对视觉通路的解剖生理分析表明，全面把握视觉通路上的病变，任何孤立的检测是难以胜任的。例如，为了解视觉通路的中枢传导时间，就必须同时检测VEP和ERG，即用VEP的代表成份P100的潜伏期减去ERG代表成份b波的潜伏期。又如，当出现视网膜中央动脉闭塞时，单用ERG检测不可能发现，而必须借助于VEP检测。临床常将上述三项检测分散在不同的科室，我们认为这对视觉电生理的全面诊断是不利的。MET01系统融合EOG、ERG、VEP检测于一体，为探索视觉电生理病变提供了一种较完整的手段。
, 百拇医药
本系统硬件系统框图如图3所示，图中有关外部刺激装置的设计，均参考ISCEV(国际临床视觉电生理学会)建议[3][4]，自行研制。
图3 系统设计总图
在图3中，1，2分别主施模式视觉诱发电位(P-VEP)和闪光视觉诱发电位(F-VEP)的光刺激控制。3，4，6主施视网膜电流图(ERG)的刺激与背景光控。5，6则主施眼电图(EOG)的刺激与背景光控。在系统实现中，1，2，3～6分别为三个独立实体，其中1采用普通黑白TV；由计算机控制产生不同视野的旗盘格或条纹(图4)；2采用2组4×4个红色发光二级管(LED)，分别嵌在两个封闭的护目镜框内。3～6则共同组织在积分球式刺激器(Ganzfeld Simulator)内，Ganzfeld刺激器(图5)，球体直为33cm，正面观察孔径为13.5cm；取图3相同标号，5是一组与观察窗口相对的与视觉水平张角为30°的红色发光管(共9个)；6是亮度可调的白炽灯光源(在球体内)投射后均匀反射到整个积分球的内球面，产生不同亮度背景光；3，4构成带衰减的闪光刺激器(详见图6)，闪光灯一般置于最大亮度，步进电机带动滤光盘，可在计算机控制下置于不同的位置，盘分四部分；分别为：白色、红色、蓝色和黄色，其中每部分为8格对应8级衰减。
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图4 METO1中的P-VEP刺激器
图5 GANZFELD刺激器简析图
图6 闪光灯刺激器简析图
本系统主要技术指标如下：
(1) VEP：
P-VEP：黑白旗盘格(或纵横条纹)刺激
大小：4×4，8×8，16×16，32×32，64×64；
视野：全，1/2，1/4；
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F-VEP：红色发光二级管(4×4)闪光刺激
视野：单眼、双眼
大小：固定
带宽：1～100Hz
灵敏度：5μV
(2) ERG：
刺激强度：在Ganzfeld球凹面上产生不小于1.5～3.0cd.m-2.s的亮度(SF)，检测中SF至少可衰减3log单位。
背景照度：在全视野内产生17～34cd.m-2稳定、均匀的背景照度。
带宽：0.3～300Hz
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灵敏度：10μV
(3) EOG
背景照度：由白炽灯调控，从绝对暗室直至大于1500LX的亮度，在球上产生均匀的漫反射。
固视点：在球内壁正对观察窗成水平排列的9个红色发光二极管LED，成30度扇角，按0.2～0.5Hz的速度依次点亮一个LED，每分钟扫视周期数大于10。
带宽：0.1～30Hz
灵敏度：0.1mV
在上述信号采集中，除EOG较大为1mV左右，可直接放大获取外，VEP、ERG均为μV级信号，淹没在强背景噪声中，本系统主要针对高斯噪声采用相干平均法获取VEP和ERG信号。算法如下：
设实际记录信号(量化后)为xi(n)，真实信号为s(n)，背景噪声为ni(n)则：
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xi(n)=s(n)+ni(n) i=1，2...M
n=1，2...N (1)
式中下标i表示第i个记录，变量n表示该记录中的第n个样本，每次记录取N个样本，经过相干平均，s(n)的估计值为：
(2)如果假定ni(n)为平稳过程，其均值为0，方差为σ2n，则M次相干平均后，信噪比可提高
倍。采用此方法，对于三种信号中最微弱的VEP仅需100次刺激，即可获得十分清晰、光滑的波形。相对于后验维纳滤波、小波分析等算法，此方法所耗CPU时间少，出波质量较高，且能满足临床实时运用的要求。
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放大电路设计为多级程控，前置部分为光隔浮地电路，放大器采用集成仪用运放AD624，经过光电隔离后，先后经过高通、增益控制、低通、放大驱动等电路，其中各部分参数均用程序控制，从而调节方便，可适应不同带宽，不同增益的选择要求。
在安全设计中，采用了光电隔离，它具有体积小，绝缘强度高(可提供高达5000V的隔离电压)的优点，但传统的光耦电路设计方法[5]，即直接耦合方法，所获传输特性较差，动态线性范围狭小且调试难度大。本设计中采用对信号进行调制(PWM)后再经光电耦合、解调还原信号的方法，达到了较高的线性度，且调试简便满足了设计要求。
3 临床效果
两年多的临床实验表明，系统抗干扰性能强；在非屏蔽条件下，对视觉信号的采集和处理效果是令人满意的(图7、图8)。需指出的是：在EOG设计中，考虑到检测时间长(一般在1小时左右)，病人在注视“运动”的LED亮点时极易出现疲劳而闭上双眼，而病人面部始终朝向Ganzfeld积分球视窗，医生无法监视病人状况。故在屏幕右侧设计了“监视窗口”用以观察左右眼的EOG动态波形。固视点按每分钟扫视十次以上，凡病人左右眼随固视点运动时，均会产生EOG波形，在屏幕右边即可观察到其动态显示；反之若未出现，则说明病人处于非配合状态。该措施的采用，有效地提高了临床检测的质量和效率。■
, 百拇医药
图7 双眼P-VEP重复实验效果图(屏显)
图8 双眼ERG实验报告(打印)
作者简介：邓亲恺，男(1948～)，教授。
参考文献：
[1]潘映辐.临床诱发电位学.1988.人民卫生出版社
[2]张明岛.脑诱发电位学.1995.上海科教出版社
[3]ISCEV.standard for clinical electroculoraphy.27may 1992
[4]张杰泽.临床视网膜电图(ERG)标准.国际标准化委员会.1991
[5]张唯真.生物医学电子学.1990.电子工业出版社
收稿日期：1999-9-24, 百拇医药