基于皮膚電極的ERG檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐禮勝，劉文彥，錢偉，王璐，郝麗玲

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110167；2.東北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

基于皮膚電極的ERG檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐禮勝1，劉文彥1，錢偉1，王璐2，郝麗玲1

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110167；2.東北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

視覺電生理已有國際電生理臨床檢查標(biāo)準(zhǔn)。其中，視網(wǎng)膜電圖（Electroretinography，ERG）檢查有著更為廣泛的應(yīng)用。為了減輕傳統(tǒng)ERG采集方法對人眼造成的危害以及克服該方法的一些不足。本文設(shè)計了一種基于皮膚電極的ERG檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括視網(wǎng)膜刺激器、模擬濾波和放大電路、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字信號處理模塊，并選擇了10名志愿者來接受視網(wǎng)膜電圖檢測。最后將得到的視網(wǎng)膜電圖與標(biāo)準(zhǔn)的視網(wǎng)膜電圖比較，試驗結(jié)果表明通過外表皮膚電極采集到的ERG信號和臨床實踐的角膜ERG電極采集到的ERG信號有著基本相同的特征信息。

視網(wǎng)膜電圖；眼電圖；皮膚電極；眼科疾病

引言

現(xiàn)代的眼科疾病種類繁多，同時它的發(fā)病率很高，在一定程度上降低了人們的生活質(zhì)量?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的同時，眼科疾病的診療手段也在不斷進(jìn)步。目前在眼科疾病的檢測中，主要方法有兩種：第一種是視覺心理物理檢查，比如視力檢查和色覺檢查等；第二種就是視覺電生理檢查[1]。視網(wǎng)膜電圖（Electroretinography，ERG）檢查就是利用視覺電生理檢查技術(shù)來檢測患者視覺產(chǎn)生過程中的生物電信號，并分析其產(chǎn)生的生物電信號。通過觀察電信號波形特征中體現(xiàn)眼睛在不同條件下的功能狀態(tài)，就可有效地診斷出病癥?，F(xiàn)在，視覺電生理檢查技術(shù)已經(jīng)成為眼科疾病中系統(tǒng)、全面檢查的重要手段[2]。

ERG是指用一個簡單的光刺激記錄眼睛的生物反應(yīng)。其中在臨床上最常用的3種是全視野ERG、圖形視網(wǎng)膜電圖（Pattern Electroretinogram，PERG），以及多焦視網(wǎng)膜電圖（multi-focal Electroretinogram，mfERG）[3]。

傳統(tǒng)的ERG檢測方法主要是靠角膜接觸鏡電極[4]。20世紀(jì)40年代初，Riggs與Karpe分別成功的研制了角膜接觸電極并且運用到了臨床中，這為ERG在臨床應(yīng)用中的普及做出了重要貢獻(xiàn)[5]。下面介紹一些常見的角膜接觸電極。窺器結(jié)構(gòu)電極能使眼皮保持張開，這樣佩戴更加舒適，也可以有效避免采集過程中被采集者不由自主地眨眼。其中通過一個線圈與角膜接觸，這樣便能夠有效提取出施加刺激時產(chǎn)生的ERG，然而角膜接觸鏡電極雖然結(jié)構(gòu)簡單，使用成本較低，但是在使用過程中會給患者帶來較大的疼痛感和不適感[6]。此外，還有一種LED角膜接觸鏡電極，這種電極將LED刺激光源與電極巧妙地結(jié)合在一起，使得進(jìn)行全視野ERG檢查時，不需要再使用額外的刺激器，使得檢查過程更加便利，易于操作；同時也便于我們采集到更理想穩(wěn)定的ERG信號。

角膜接觸鏡電極并沒有進(jìn)行有效地擴(kuò)張眼瞼，在患者不由自主眨眼的情況下，會產(chǎn)生較大的疼痛感。有些受測者不習(xí)慣角膜接觸鏡電極佩戴在眼睛上，會因此產(chǎn)生不適感。所以本文中，我們將討論如何利用皮膚電極來采集ERG。

在基于皮膚電極的ERG信號采集過程中，我們無法避免地會產(chǎn)生眼睛的轉(zhuǎn)動以及眨眼等情況。這種情況會產(chǎn)生一些對ERG信號有干擾的信號。我們則需要根據(jù)干擾信號和ERG信號的特征對兩者進(jìn)行識別，這樣才能有效提取出有用的ERG信號。在眼動時產(chǎn)生的干擾信號為眼電信號（Electrooculography，EOG），眨眼時產(chǎn)生的信號來源于眼部肌電信號。它記錄了通過視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞的電位變化[7]。

此外，還有一種視覺電生理信號為視誘發(fā)電信號（Visual Evoked Potential，VEP）。VEP是對視網(wǎng)膜施加刺激之后，在視覺中樞產(chǎn)生的特定生物電活動[8]。它所反映的視沖動從視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞到大腦枕葉視皮層的傳導(dǎo)功能狀態(tài)，對一些眼部功能評價有一定參考價值[9-11]。通過對VEP的產(chǎn)生機(jī)理、作用等的了解，我們可以知道在ERG信號的采集過程中，當(dāng)眼睛受來自刺激源的刺激時產(chǎn)生的VEP基本不會對ERG信號構(gòu)成干擾。因此，ERG采集過程中主要的人體干擾噪聲源為EOG信號及眨眼時產(chǎn)生的肌電信號。

全視野視網(wǎng)膜電圖的檢測方法是通過一個視網(wǎng)膜刺激器發(fā)出一定頻率的閃光來對眼球進(jìn)行刺激，然后通過特定的電極采集在刺激過程中產(chǎn)生的電位變化。全視野視網(wǎng)膜電圖一般有4個特征波，分別被命名為a波、b波、c波以及d波。視網(wǎng)膜電圖的基本波形，見圖1。其中a波是視網(wǎng)膜電圖的波谷，b波是視網(wǎng)膜電圖的波峰。如刺激強(qiáng)度較大，則在b波之后，還有一個上升較緩慢的正波（角膜為正），稱c波。在光刺激結(jié)束時，還會有一個角膜為正的向上突起，稱d波。

圖1 ERG的典型波形

本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)ERG采集系統(tǒng)的不足，避免電極進(jìn)入人眼從而對人眼造成危害，同時也大大減輕了受測者的痛苦，且操作簡單便捷。

2 視網(wǎng)膜電信號檢測系統(tǒng)

ERG信號作為一種微弱的人體信號，相比于其他的微弱信號更不易于采集。首先，它本身的幅值特別低[12]，通過角膜接觸鏡電極能夠提取到相對較大的ERG信號，其幅值約為200 μV，但在通過皮膚電極進(jìn)行采集時，因為人體皮膚存在阻抗，采集到的原始信號幅值為20 μV左右[13]。從人體中提取生理信號時，受到工頻噪聲等共模干擾的影響比較大，而且在采集過程中，人體難免會發(fā)生不自主移動，這也給數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。因此，我們需要設(shè)計一種高精度、低噪聲的ERG信號采集電路實現(xiàn)模擬信號的前端放大、濾波以及通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在這個過程中，需要選擇合理的芯片，優(yōu)化電路設(shè)計，并加入隔離器件避免數(shù)字控制電路對模擬信號的干擾，從而實現(xiàn)對ERG弱電信號的采集。

2.1 視網(wǎng)膜刺激器設(shè)計

全視野視網(wǎng)膜電生理的檢查中，因為ERG信號極其微弱，很容易受到身體活動的影響。因此，對于被采集者頭部的固定很重要。一般優(yōu)先選擇Ganzfeld刺激器，其下巴支架能夠有效地固定被采集者的頭部，使其保持穩(wěn)定[14]。刺激器閃光時長在原則上應(yīng)短于視網(wǎng)膜中光感受器整合光的時間，因此視覺電生理協(xié)會給出的閃光時長標(biāo)準(zhǔn)為小于5 ms。在檢測過程中，被檢測者只需要盡可能的保持專注，目視刺激器即可。本文中使用刺激器電路和STC89C52RC單片機(jī)構(gòu)成完成了視網(wǎng)膜刺激器的搭建?？蓪崿F(xiàn)兩個功能：亮度調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)。其中，刺激電路由LED、定值電阻以及滑動變阻器組成，滑動變阻器在電路里的主要作用是進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。該視網(wǎng)膜刺激器雖然很簡單，但已經(jīng)可以達(dá)到刺激視網(wǎng)膜產(chǎn)生ERG的效果，但仍舊有很多地方需要改進(jìn)，如可以做一個半密閉的空間防止其他非刺激光在檢測時照射到眼睛里進(jìn)而導(dǎo)致實驗結(jié)果不理想。

2.2 ERG采集系統(tǒng)硬件部分

采集系統(tǒng)硬件部分包括信號調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。其中信號調(diào)理模塊由皮膚電極、前置放大電路、低通濾波器、高通濾波器、后級放大電路、有源雙T陷波器組成。系統(tǒng)框圖，見圖2[15]。

圖2 系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)分為控制單元，視網(wǎng)膜刺激器單元，視網(wǎng)膜電信號采集單元，視網(wǎng)膜電信號處理單元。各個單元之間的關(guān)系以及系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，見圖3。

在進(jìn)行正式的ERG采集之前，需要對ERG采集系統(tǒng)的模擬電路部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行搭建。搭建后的實物圖，見圖4。

本文中模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是德州儀器的ADS1256，它是一種噪聲很低的24位ADC。ADS1256采用了四階的Sigma-delta調(diào)制器，其具有靈活的輸入復(fù)選，既可以采用差分輸入也可以采用單端輸入，并且ADS1256自帶了低噪聲可編程放大器，可以對信號進(jìn)行1～64倍的放大，在對放大器要求不高的場合可以通過內(nèi)置放大器實現(xiàn)信號的放大處理，可實現(xiàn)過采樣技術(shù)[16]。

圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

圖4 ERG采集系統(tǒng)檢測系統(tǒng)實物圖

3 視網(wǎng)膜電信號采集

為了驗證基于皮膚電極的ERG采集系統(tǒng)是具有準(zhǔn)確性，我們選擇了10名志愿者來接受視網(wǎng)膜電圖檢測。

由于實驗條件所限，在實驗中，我們將選擇暗適應(yīng)的全視野ERG的采集方法。視網(wǎng)膜刺激器的設(shè)計已在前文敘述過，我們選用頻率為2 Hz的白色LED進(jìn)行閃光刺激。這雖然還達(dá)不到國際視覺電生理協(xié)會規(guī)定的視網(wǎng)膜刺激器的標(biāo)準(zhǔn)，但是對于基本的ERG采集是沒有很大影響的。

一次完整的ERG采集的基本流程如下：

（1） 佩戴皮膚電極。ERG采集系統(tǒng)一共有3路皮膚電極，一個為信號輸入端、一個為信號參考端以及一個共模信號輸出端，分別放置在下眼瞼處，內(nèi)眥處以及額頭。

（2）暗適應(yīng)。受測者在接受到白色光刺激之前要進(jìn)行一個至少長達(dá)20 min的暗適應(yīng)。

（3）采集。當(dāng)受測者經(jīng)過暗適應(yīng)后，馬上將受測眼對準(zhǔn)視網(wǎng)膜刺激器，接受光刺激，同時測試者打開串口調(diào)試工具，接收數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，受測者要盡量維持身體穩(wěn)定，不隨意晃動。同時注意要至少保持10 s以上眼球靜止，防止由不經(jīng)意的身體晃動引起的噪聲混淆真正的ERG。

（4）恢復(fù)。接受光刺激后，受測者需要閉合雙眼進(jìn)行短暫的恢復(fù)，這樣有利于保護(hù)眼睛，也便于進(jìn)行下一輪測試。

4 結(jié)果分析

4.1 視網(wǎng)膜電信號處理

利用數(shù)字信號處理，可以將已經(jīng)通過模擬電路獲得的，經(jīng)過初步處理的ERG進(jìn)一步的優(yōu)化處理。在計算機(jī)通過串口接收到了ERG的數(shù)據(jù)后，通過Matlab可直接畫出測得的視網(wǎng)膜電圖。但是直接得到的視網(wǎng)膜電圖仍舊會存在一些噪聲，使視網(wǎng)膜電圖的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形存在一定的差距。根據(jù)頻譜分析可知，這些噪聲多存在于低頻區(qū)。所以要對采集到的ERG的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些數(shù)字信號處理，以便獲得更好的視網(wǎng)膜電圖。

ERG采集過程中，由于不能控制受測者不自主的小運動，這樣會使皮膚電極采集到的信號產(chǎn)生基線漂移?；€漂移的產(chǎn)生會對后續(xù)的數(shù)字信號處理有一定的影響，所以在用Matlab畫出得到的原始ERG圖形后，需要對該圖形進(jìn)行去基線處理。因為基線漂移的主要成分為低頻成分，對ERG低頻區(qū)的信號有一定的影響。通常來說去除低頻干擾的方式是通過高通濾波器，但是高通濾波器的使用會使ERG失真。相對而言，小波變換是由加窗傅立葉變換發(fā)展起來的，具有時頻局域化的特性[17]。小波變換是空間和頻率的局部變換，通過伸縮和平移等運算可實現(xiàn)信號的多尺度分解，能使基線漂移這一低頻分量較大的尺度地直接顯現(xiàn)。綜合考慮，應(yīng)用小波變換來去除信號的基線漂移。

利用小波變換去除基線的步驟很簡單，首先要合適地選擇一個小波函數(shù)。根據(jù)函數(shù)響應(yīng)分解水平對原始信號進(jìn)行多尺度分解，由分解可以得到兩組信號：一個模擬的近似信號和一個細(xì)節(jié)信號。然后，計算模擬近似信號的平均值得到一個新的平均信號，通過這一步驟去除到ERG里的基線漂移信號。最后將細(xì)節(jié)信號和處理后得到的平均信號重構(gòu)，由此獲得了一個去除了基線漂移的ERG。對原始ERG做完去基線處理的對比圖，見圖5。

因為ERG主要頻率成分在低頻，所以我們選用巴特沃斯低通濾波器來對波形進(jìn)行數(shù)字濾波。濾波之后的會得到噪音少，信噪比更好的視網(wǎng)膜電圖。對原始的ERG做低通濾波處理的對比圖，見圖6。

4.2 頻譜分析

本文中我們應(yīng)用快速傅里葉變換來實現(xiàn)對信號的頻譜分析，并具有很高的運算效率。原始ERG信號的頻譜，見圖7。通過頻譜分析可以看出原始信號的主要頻率成分為低頻，信號主要受EOG信號、基線漂移、工頻噪聲等低頻信號干擾。

圖5 視網(wǎng)膜電圖的去基線處理

圖6 原始視網(wǎng)膜電圖（a）與濾波后（b）的視網(wǎng)膜電圖

圖7 ERG的頻譜分析

4.3 實驗結(jié)果對比分析

因為皮膚電極不同于角膜接觸鏡電極可以直接從視網(wǎng)膜上獲取到ERG，它所得到的幅值很小，僅僅幾十個微伏。這個微弱的ERG通過模擬電路的放大和濾波等模擬電路模塊之后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過單片機(jī)控制將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，最終通過數(shù)字信號處理得到近似的視網(wǎng)膜電圖。

在對原始視網(wǎng)膜電圖進(jìn)行數(shù)字信號處理之后，我們獲得了比較理想的視網(wǎng)膜電圖。將獲得的電圖與羅蘭公司生產(chǎn)的ERG采集裝備得到的視網(wǎng)膜電圖比較。羅蘭標(biāo)準(zhǔn)的視網(wǎng)膜電圖[13]，見圖8。

圖8 視網(wǎng)膜電圖對比圖

對2 Hz頻率下的ERG信號進(jìn)行濾波，去基線漂移等數(shù)字信號處理，提高信噪比。通過將羅蘭標(biāo)準(zhǔn)ERG與我們采集到的ERG信號對比發(fā)現(xiàn)，皮膚電極采集到的視網(wǎng)膜電信號能夠和臨床實踐的視網(wǎng)膜電信號采集系統(tǒng)采集到的視網(wǎng)膜電信號一樣，有著基本的特征信息?；谝暰W(wǎng)膜電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。在接下來的工作中，可以通過測得的視網(wǎng)膜電圖提取相應(yīng)的特征信息，以此來做更深入的分析研究。

5 討論

目前臨床視覺電生理已成為眼科臨床檢查的重要手段之一，視網(wǎng)膜電生理的研究主要集中在多焦ERG[18]。利用多焦視網(wǎng)膜電圖，能夠直觀的觀察到病變部位反應(yīng)幅度的下降情況以及潛伏期延長，多焦ERG能夠同時完成多個部位的檢測從而有效縮短檢測的時間[19]。基于皮膚電極的ERG采集系統(tǒng)是極具有發(fā)展前景的項目，但是目前為止，僅僅是簡單的完成了一個ERG采集系統(tǒng)的雛形。本文設(shè)計實現(xiàn)了通過皮膚電極對ERG信號的采集，皮膚電極通過貼附于皮膚表面來獲取ERG信號。

優(yōu)點：它不僅可以減輕患者在檢測過程中的痛苦，也可以大大減少檢測時間，同時也降低了檢測成本，有效地應(yīng)用到臨床檢測。

缺點：通過信號通過皮膚傳導(dǎo)后，其幅值很大程度的衰減，因此需要不斷尋找合適的皮膚電極部位。信號采集過程中，人體皮膚存在阻抗，人體轉(zhuǎn)動，工頻噪聲等共模干擾影響大。仍有許多地方需要進(jìn)一步的完善，才能獲得更好的視網(wǎng)膜電圖，對信號采集系統(tǒng)有以下幾個方面需要改進(jìn)：

（1）需要設(shè)計一個完全符合國際電生理協(xié)會對視網(wǎng)膜刺激器的標(biāo)準(zhǔn)的一個視網(wǎng)膜刺激器，同時，也要考慮到人體工學(xué)的基本原理，設(shè)計一個舒適的符合人體工學(xué)的視網(wǎng)膜刺激器。

（2）因ERG極微弱，所以電路整體的噪聲控制是非常必要的。未來可以繼續(xù)改進(jìn)電路的去噪功能，讓電路的整體噪聲降低，獲得信噪比更好的視網(wǎng)膜電圖。

（3）在實際電路測試中。受測者的基本情況多種多樣，并且在他們測試的過程中無法在測試過程中保持測試時需要的基本要求。所以需要對受測者進(jìn)行統(tǒng)一化的要求，需要在未來的ERG采集系統(tǒng)的設(shè)計中著重思考。

（4）為了對采集的波形做到實時監(jiān)視，需要SD卡對數(shù)據(jù)的儲存或無線實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)或移動設(shè)備上對采集的ERG波形顯示和數(shù)據(jù)處理。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于皮膚電極的ERG檢測系統(tǒng)，通過采用皮膚電極，大大減少了病人的痛苦，同時普及了ERG信號的采集方法，也降低了成本。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，通過皮膚電極采集到的ERG信號能夠和臨床實踐的ERG信號采集系統(tǒng)采集到的ERG一樣有著基本的特征信息，且該系統(tǒng)相對傳統(tǒng)ERG采集方法減輕了對人眼造成的危害。理論分析和實驗結(jié)果均證明了該方法的可行性和有效性。

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本文編輯 袁雋玲

Design and Implementation of ERG Detection System Based on Skin Electrodes

XU Li-sheng1, LIU Wen-yan1, QIAN Wei1, WANG Lu2, HAO Li-ling1

1.School of Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 2.School of Computer Science and Technology, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China

The clinical examination standard of visual electrophysiology already exists. The electroretinogram (ERG) has a more extensive application among them. In order to alleviate the harm caused by the traditional ERG acquisition method and overcome some shortcomings of traditional method. This paper designed and implemented an ERG detection system based on skin electrodes. The designed system includes a retinal stimulator, analog filter, analog amplifier, 24 bits analog-to-digital conversion module and digital signal processing module. Ten volunteers were selected to receive the detection of the retina. Finally, the obtained ERG and standard traditional ERG were compared. The experimental results showed that the ERG signal collected by the skin electrodes contained similar characteristic information of the traditional ERG signal.

electroretinogram; electrooculogram; skin electrode; eye diseases

R774.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.004

1674-1633(2017)08-0011-05

2017-05-18

2017-06-21

國家自然科學(xué)基金資助項目（61374015）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（N161904002）；遼寧省自然基金項目（20170540312）。

作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn