視覺誘發(fā)電位視力客觀檢查技術(shù)的研究進(jìn)展

1、視覺誘發(fā)電位視力客觀檢查技術(shù)的研究進(jìn)展摘要:視覺誘發(fā)電位（VEP）是視覺受刺激后，在大腦視覺皮質(zhì)所產(chǎn)生的電信號，可通過在頭皮上 的電極進(jìn)行采集并進(jìn)行信號分析。VEP為視力檢查，尤其是不能說話的嬰兒、智力低下或裝病的 成年人以及患有各種視覺障礙的患者的視力檢查，提供了客觀且定量的方法&針對VEP視力檢查 技術(shù)，從腦電設(shè)備平臺、視覺刺激范式、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、視力閾值判定算法和臨床應(yīng)用等方面對相關(guān) 文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述比較，并且發(fā)現(xiàn)：在腦電設(shè)備平臺方面，目前研究幾乎全部采用只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 下使用的專用腦機(jī)接口系統(tǒng)，缺失可面向廣泛用戶使用的臨床設(shè)備；在刺激范式方面，相對于傳統(tǒng) 的光柵和棋盤格圖案，振蕩收縮擴(kuò)

2、張的同心環(huán)刺激范式顯示了優(yōu)異的抗疲勞性和低對比敏感性；在 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方面，7.5 Hz和1 Hz的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)VEP時(shí)間頻率、中度數(shù)值的亮度和對比度、3 30周/（）的空間頻率范圍更多地被采用（在視力閾值判定算法方面，最常用的是線性外推法和最 小尺寸法；在臨床應(yīng)用方面,VEP技術(shù)主要應(yīng)用于兒童視力發(fā)育評估和多種視覺疾病的視力客觀 檢查&文獻(xiàn)綜述表明:VEP視力檢測技術(shù)急需制定一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使其能有更廣泛、更快速 的應(yīng)用，使VEP乃至電生理學(xué)在視覺功能檢測與診斷方面的研究更加深入& 關(guān)鍵詞:腦機(jī)接口（視覺誘發(fā)電位；視力檢查；刺激范式；閾值判定Research Progress in Obj

3、ect i ve Visual Acuity Examination TechnologyBased on Visual Evoked PotentialAbstract: Visual evoked potent i al (VEP) is electr i cal signal indued by v i sual st i mulat i on and generated in the visual cortex of the brain, which can be collected and analyzed by electrodes on the scalp. VEP provid

4、es an objective and quantitative method for visual acuity estimation, especially in non-verba l infants, adults with low intellectual abllities or malingering, and patients w i th var i ous v i sua l i mpa i rments. A i m i ng at the VEP v i sual acu i ty exam i nat i on technology, th i s paper rev

5、ewed and compared the relevant lterature from the aspects of electroencephalogram (EEG) equipment platform, visual st imulation paradigm, exper imental parameter setting, visual acurty threshold determination algorithm and clincal application. It is found that in the EEG equpment platform, the curre

6、nt researches almost depend on the dedcated bran-computer interface (BCI) systems , lacking commercial equipment. In terms of stimulation paradigm , compared with the traditional grating and checkerboard patterns $ the concentribring stimulation paradigm of oscillating contraction and expansion show

7、s its excellent anti-fatigue performance and low contrast sensitivity. According to the experimental parameter setting , the temporal frequencies of 7. 5 Hz and 3 Hz of steady-state and transient VEP, medium-value of luminance and contrast, and the spatial frequency range of 3 30 cycles/() are mostl

8、y adopted. In threshoEd determination aEgorithm , the most common y used strategies are Einear extrapoation method and minimum size method.In cinica appication , VEP technoEogy is mainy used in the assessment of children & s visual acuity development and the object i ve v i sua! acu i ty evaluation

9、i n various visual diseases. This review shows that VEP visual acuity assessment technology urgently needs a unfed standard , so that Pt can be expected to have wder and faster applcatons and exctes the research on VEP and even electrophysology Pn vson functon detecton and dagnoss at hgher level.Key

10、words: braincomputer interface； visual evoked potential； visual acuity examination； stimulation paradigm； threshold determination人類在認(rèn)識世界及感知事物時(shí)，約80%的信息 是通過視覺獲取的。由此可見，視覺在感知外界事 物的過程中一直扮演著至關(guān)重要的角色。然而，世 界上現(xiàn)有22億人患有某種形式的視覺損傷，而且人 口增長和老齡化更會加劇這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。視力檢查 作為視覺功能檢查最基本的測試之一，反映的是眼 睛分辨細(xì)小或遙遠(yuǎn)的物體及細(xì)微部分的能力。視力 檢查方法分為主觀方法和客

11、觀方法，主觀視力檢查 方法應(yīng)用+E型,-Sloan字母等視力檢查表，視標(biāo)大 小按照對數(shù)級數(shù)增減，視力表可以遠(yuǎn)近移動而不影 響測量值，便于臨床應(yīng)用和統(tǒng)計(jì)分析，且其簡單直 觀，但不能應(yīng)用于嬰幼兒、偽盲者和瘴癥等患者）3-5*。隨著研究技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用視覺誘發(fā)電位 （VEP）等電生理方法客觀評估視覺功能成為視光 學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。VEP反映了從視網(wǎng)膜到V3 紋狀區(qū)視覺通路的生物電活動，眼球、視網(wǎng)膜、視神 經(jīng)、視路和視覺初級皮層的異常都可以通過VEP進(jìn) 行客觀檢查。VEP視覺功能檢查通過設(shè)置可表征 不同視覺功能的視覺刺激參數(shù)，并誘發(fā)腦電響應(yīng)，應(yīng) 用信號處理方法分析腦電信號，提取腦電特征指標(biāo)， 構(gòu)建

12、視覺刺激參數(shù)與視覺功能腦電特征指標(biāo)關(guān)系模 型，基本原理如圖3所示。從20世紀(jì)70年代至今， VEP視力的客觀檢查技術(shù)已發(fā)展成為研究范圍最 廣、最成熟的眼科學(xué)電生理客觀檢查方法之一， VEP視力檢查技術(shù)已成為法醫(yī)學(xué)客觀視覺功能鑒 定、嬰幼兒早期視覺評估等方面的重要手段）30*。基 于此，本文首先對VEP視力檢查方法進(jìn)行概述，進(jìn) 而從不同方面分析比較現(xiàn)有的研究發(fā)展，然后對未來的研究進(jìn)行展望（視覺刺激參數(shù)與視覺功能腦電表征關(guān)系建立圖3 VEP視覺功能檢查原理示意3視覺誘發(fā)電位視力檢查概述視覺誘發(fā)電位是視覺受刺激后，在大腦視覺皮 質(zhì)所產(chǎn)生的電信號，可通過在頭皮上的電極進(jìn)行采 集并進(jìn)行信號分析）33*。

13、因?yàn)閂EP不僅反映視覺皮 質(zhì)的功能，也具有反映眼球、視網(wǎng)膜和視神經(jīng)到視皮 質(zhì)的傳遞通道的功能，且信號記錄不依賴于人的主 觀評斷，故而可應(yīng)用于視力的客觀檢查）32*（1. 1 VEP視力檢查理論基礎(chǔ)對應(yīng)于視力檢查表不同視角間隔的+E型”“C 型”或Sloan字母等視標(biāo)，VEP視力檢查通過改變 視覺刺激的空間頻率，分析不同的空間頻率刺激誘 發(fā)的電位信號。當(dāng)視覺刺激清晰可見時(shí)，會誘發(fā)產(chǎn) 生信噪比高、幅值大的VEP信號；當(dāng)視覺刺激模糊 或眼睛對刺激變化不可見時(shí)，不能誘發(fā)出穩(wěn)定且有 規(guī)律的腦電信號）33*。VEP視力值可根據(jù)誘發(fā)的腦 電信號進(jìn)行判定，通過信號分析找出VEP產(chǎn)生與否 的臨界情況，該臨界情況

14、所對應(yīng)刺激的空間頻率即為VEP檢查出的視力值。L2 VEP視力檢查分類根據(jù)視覺刺激時(shí)間頻率的不同，VEP可分為瞬 態(tài)視覺誘發(fā)電位(TVEP)和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SS- VEP)。當(dāng)視覺刺激時(shí)間頻率小于3 Hz時(shí)，前一個(gè) 刺激誘發(fā)的腦電響應(yīng)不會對當(dāng)前刺激誘發(fā)的信號產(chǎn) 生影響，故而每個(gè)刺激都會產(chǎn)生一個(gè)相似的包含正 波和負(fù)波的波形，稱為TVEP#當(dāng)視覺刺激時(shí)間頻 率大于3 Hz時(shí)，刺激頻率足夠快，故上一個(gè)刺激誘 發(fā)的腦電響應(yīng)還未完全消失，下一個(gè)刺激引起的響 應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)，最終形成具有節(jié)律性正弦波性質(zhì)的 SSVEP 信號：4，14-17： #對應(yīng)地，VEP視力檢查可分為TVEP視力檢查 和SSVEP視力

15、檢查# TVEP視力檢查中，不同空 間頻率所誘發(fā)的腦電信號通過多次疊加平均，得到 P100波的振幅和潛伏期，觀察P100波的振幅大小 和潛伏期時(shí)長。研究發(fā)現(xiàn)，隨著視覺刺激空間頻率 的升高，P100波的潛伏期延長，幅值降低口七在 SSVEP視力檢查中，通過傅里葉變換將腦電信號在 頻域進(jìn)行分析，觀察不同空間頻率刺激對應(yīng)的SSVEP 幅值變化#研究發(fā)現(xiàn)，隨著視覺刺激空間頻率 升高，SSVEP振幅有降低的趨勢&1K #L3 VEP視力檢測系統(tǒng)組成VEP視力檢查系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng) 兩部分#硬件設(shè)備主要包括視覺刺激器、腦電采集 平臺和計(jì)算機(jī)主控制器等，如圖2所示#軟件系統(tǒng) 包括視覺刺激范式生成算法

16、、腦電信號處理算法和 視力閾值判定算法等。視覺刺激呈現(xiàn)時(shí)刺激屏的平均亮度必須恒定的要 求。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，低輻射、低功耗的LCD 和LED在市場上越來越普及。1. 3. 2腦電采集平臺 腦電采集平臺一般由腦電 采集電極、生物信號放大器與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。 其中，腦電電極多采用Ag、AgCl、Au等材料制作而 成，依據(jù)國際10-20電極標(biāo)準(zhǔn)和國際臨床電生理和 視覺學(xué)會(ISCEV)電極標(biāo)準(zhǔn)布置：18-19：，記錄電極多 放于枕區(qū)處，參考電極多置于Fz、#和等頭 部左右對稱的中線處，而接地電極多置于耳垂、前額 等處。記錄到的信號經(jīng)過信號放大器放大后傳輸至 主控制器，由主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與處

17、理&20。2視覺刺激范式2 1刺激范式類型常用于VEP視力檢測的刺激范式有3種：正弦 光柵、方波光柵以及棋盤格，如圖3所示。正弦光柵 與方波光柵以黑白條紋在單位角度內(nèi)出現(xiàn)的周期數(shù) 作為空間頻率，棋盤格以45。對角線的黑白方格在 單位角度內(nèi)出現(xiàn)的周期數(shù)作為空間頻率，通過刺激 范式生成算法調(diào)節(jié)參數(shù)，可改變不同刺激范式的空 間頻率，并通過模式翻轉(zhuǎn)的刺激方式進(jìn)行范式呈現(xiàn)。 此外，本課題組最近的研究設(shè)計(jì)了一種振蕩收縮擴(kuò) 張的同心環(huán)刺激范式，相對于上述的3種刺激范式， 具有低視覺疲勞、低對比敏感性的特性&3,21-24，其刺 激呈現(xiàn)過程如圖4所示。視覺刺激刺激范式圖3常用的3種VEP視力檢查刺激范式ifj

18、腦電信號放大器信號傳輸刺激生成叵g主控制系統(tǒng)圖2 VEP視力檢查系統(tǒng)組成1. 3. 1視覺刺激器 視覺刺激器是用來顯示刺激范式的設(shè)備，視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口中多使用性能較高的顯示器，常用的顯示器類型包括陰極射線顯像管(CRT)、液晶顯示器(LCD)和發(fā)光二極管顯示器(LED)。與LCD和LED相比，CRT很容易滿足圖4同心環(huán)收縮-擴(kuò)張運(yùn)動刺激范式2. 2刺激范式參數(shù)2. 2. 1 時(shí)間頻率 TVEP視力檢查的刺激時(shí)間頻 率多為2 Hz&14,25和1 Hz&2L，有些研究也會有其他時(shí)間頻率，例如0. 29 Hz（40 ms刺激，300 ms間 隔）27,1. 67 Hz（600 ms 刺激）例。

19、但是,1 Hz 的 刺激頻率在TVEP視力檢查中是最常用的。SS- VEP視力檢查的刺激時(shí)間頻率多位于420 Hz之 間，其中7. 5 Hz最為常見%2932&,但也有其他時(shí)間頻 率，例如 17%33&、10%34&、6 Hz35i36 0 Almoqbel 等對不 同時(shí)間頻率的VEP視力檢查做了類比分析，建議在 SSVEP視力檢查中，刺激的時(shí)間頻率使用7. 5 Hz 最佳京&。2. 2. 2亮度 亮度是指刺激范式顯示過程中的背 景亮度，由亮度計(jì)測量得到。為了避免亮度偽跡（顯 示器的液晶分子在一個(gè)方向上的速度變化與在相反 方向上的速度變化并不相同，這種從白色到黑色和 從黑色到白色的轉(zhuǎn)變時(shí)間上的

20、差異導(dǎo)致的光脈沖） 的影響，一般情況下，刺激范式的平均亮度與背景亮 度相同%19&。大多數(shù)的研究中，亮度集中于50%37i3U& 100 cd/m229,35,39之間，與ISCEV推薦的亮度標(biāo)準(zhǔn) 50 cd/m2 相同%12，19&。2. 2. 3 對比度 刺激范式的對比度是指Michel- son對比度%19&,由白色和黑色條紋的亮度所決定。 最常用的對比度為80%12,29,39-41，這與ISCEV推薦 的對比度相一致%19& Bach等推薦了一個(gè)比較低的 對比度，只有40 %32心也。他們認(rèn)為由于VEP隨 著對比度的變化函數(shù)在早期就已飽和，因此中等對 比度就足以誘發(fā)全振幅的VEP%4

21、5&，而且當(dāng)對比度較 低時(shí)，顯示器的伽瑪校正（即顯示器的RGB參數(shù)與 顯示亮度之間的非線性關(guān)系）很容易實(shí)現(xiàn)%46-47&。2. 2. 4空間頻率 刺激范式的空間頻率是VEP視 力檢測最重要的參數(shù)?？臻g頻率通俗而言，是指刺 激范式黑白條紋的疏密程度，以每度視角內(nèi)出現(xiàn)的 黑白周期數(shù)（周心）為單位。為了得到更好的VEP 視力檢查結(jié)果，一般情況下，大多數(shù)的空間頻率對于 被試應(yīng)該設(shè)置為可見。依據(jù)前期研究，一般空間頻 率范圍都在330周/（。）%34,36,48-5。&,與小數(shù)視力標(biāo) 準(zhǔn)的1. 00. 1相對應(yīng)，這也是通常的主觀檢查的視 力范圍。另外，在被試為嬰幼兒的研究中，空間頻率 范圍偏向于較低的空間

22、頻率，并且隨著嬰兒的年齡 增長而變大，這是因?yàn)閶胗變旱囊曈X功能是隨著時(shí) 間的推移而不斷發(fā)育的40-41，51-53。對于視力損傷的 被試,空間頻率范圍也會相應(yīng)比正常值低%32,41-42,54-55&。3視力閾值判定算法視力閾值判定算法通過不同空間頻率刺激范式 的VEP響應(yīng)來估計(jì)客觀視力閾值。表1總結(jié)了常用的幾種視力閾值判定算法。表1 常用的視力閾值判定算法算法相關(guān)描述線性外推法作VEP振幅-空間頻率直線回歸方程， 從VEP振幅峰值線性外推至0 V基 線，取空間頻率軸截距為VEP視力值最小尺寸法誘發(fā)顯著性響應(yīng)的VEP信號所對應(yīng) 刺激范式的最高空間頻率作為VEP 視力值逐步啟發(fā)式算法通過一系列V

23、EP振幅和噪聲估計(jì)規(guī) 貝L找到噪聲校正VEP振幅與對數(shù)空 間頻率回歸的最優(yōu)范圍其他算法最佳擬合二次曲線方程；二階多項(xiàng)式 函數(shù)；改進(jìn)的Ricker模型；機(jī)器學(xué)習(xí)線性外推法是VEP視力檢查最廣泛使用的閾 值判定算法。該算法由Tyler等提出%56& ,在很多研 究中得到了廣泛應(yīng)用%51，53,57-59&，并且至今仍有應(yīng) 用SEES。線性外推法繪制VEP響應(yīng)振幅和空 間頻率散點(diǎn)圖，線性外推VEP振幅峰值至0 V（空 間頻率軸），擬合線與空間頻率軸的交點(diǎn)對應(yīng)的空間 頻率即為VEP估計(jì)的視力值。當(dāng)存在多個(gè)VEP幅 值峰值時(shí)，選擇最后的峰值作為外推的起點(diǎn)。隨著 空間頻率的增加，VEP相位一般是恒定的或逐

24、漸滯 后的，這是因?yàn)閂EP潛伏期隨空間頻率的增加而增 加%13,3。，62&。一些研究對線性外推法進(jìn)行了改進(jìn)，例 如，將VEP振幅峰值外推到平均噪聲水平對應(yīng)的空 間頻率作為VEP視力值%29,31，57,63-64& 最小尺寸法是一種更為直接和快速的視力閾值 判定算法。該算法將引起顯著性響應(yīng)的VEP所對 應(yīng)刺激范式的最高空間頻率作為VEP視力值%65-68&。 Mackay等使用逐次逼近算法來控制刺激呈現(xiàn)，當(dāng) VEP響應(yīng)對3個(gè)連續(xù)減小的檢查結(jié)果評分為“檢測 到”“檢測到,“未檢測到,時(shí)，進(jìn)行評分，從而定義視 力閾值%69&。Hemptinne等定義視力閾值為最后一 個(gè)有顯著性響應(yīng)的視覺刺激所對

25、應(yīng)的空間頻率，并 且在此之前的4次VEP響應(yīng)中至少有3次響應(yīng)是 顯著的%34&。Bach等提出了一種逐步啟發(fā)式算法，可以有效 地避免中間檢查尺寸所出現(xiàn)的“下陷”%32&。該算法 通過一系列VEP振幅和噪聲估計(jì)規(guī)則，找到噪聲校 正VEP振幅與對數(shù)空間頻率回歸的最優(yōu)范圍，得出 VEP視力閾值%43-44,7。-71& Jenkins等將最佳擬合二 次方程的曲線函數(shù)外推到零振幅，定義外推截距的 視覺刺激空間頻率為VEP視力閾值7Z0 Kurtenbach 等繪制VEP振幅與空間頻率的關(guān)系圖，用二 階多項(xiàng)式函數(shù)和手動設(shè)置游標(biāo)的方法對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行 擬合，從與橫軸的截距計(jì)算出臨界空間頻率閾 值Strasse

26、r等采用二階多項(xiàng)式的多元線性回歸 方法和改進(jìn)的Ricker模型非線性回歸方法擬合 VEP峰值振幅和空間頻率，發(fā)現(xiàn)二階多項(xiàng)式模型和 改進(jìn)的Ricker模型在預(yù)測VEP視力方面都有很好 的效果由%最近，Bach等在10U個(gè)案例上使用機(jī)器學(xué)習(xí)的 算法將相應(yīng)VEP信號轉(zhuǎn)化為視力值，總共測試了 100多種不同的算法，發(fā)現(xiàn)基于規(guī)則和多元回歸的 算法表現(xiàn)最好綜上所述，VEP視力通常由線性外推VEP振 幅峰值至0 V來確定當(dāng)外推法由于中間檢查尺 寸所出現(xiàn)的“下陷”而無法確定VEP視力閾值時(shí)，最 小尺寸法或逐步啟發(fā)式算法可以作為替代算法 4臨床應(yīng)用F 1兒童視力發(fā)育研究VEP也被用于對嬰幼兒視力發(fā)育的研究 一 些研究給出了隨著年齡增長視力的增長值，例如，視 力從1月齡時(shí)的20/150發(fā)育到6月齡時(shí)的20/ 20#，從1月齡的平均4. 5周/（。）到U13月齡的 20周/（。）左右#62$ ,從210周齡的6周/（。）到20 30周齡的14周/（）#75,從4月齡的9. 61周/（。）到 8月齡的10. 39周/（）#760另外，一些研究比較了 嬰幼兒的VEP視力與主觀視力,Sokol等發(fā)現(xiàn)VEP 和優(yōu)先注視法（PL）視力差異由2月齡時(shí)的2. 0行 變?yōu)?2月齡時(shí)的0. 5行，VEP和PL視力以不同的