對比敏感度檢測方法的研究進展

曹 寧，盧秀珍，畢愛玲，畢宏生,3

0引言

臨床上最常采用視敏度檢查評估和監(jiān)測視覺系統(tǒng)整體性能變化，而現(xiàn)實生活中，視覺系統(tǒng)要處理的光水平和對比度范圍很廣，若將視覺功能的評估限制在20/20或更高的分辨率，則會忽略約90%的視覺世界[1-2]。臨床中也發(fā)現(xiàn)20/20視力的患者在空間頻率6c/d的對比敏感度閾值存在顯著差異[3]，這表明某些眼部疾病檢查及預(yù)后評價若僅依靠單一的傳統(tǒng)標(biāo)準視力表，即便裸眼或最佳矯正視力≥1.0，也未必代表視覺質(zhì)量良好，其視功能或許存在著不同程度的缺陷，相比之下，CS可為早期診斷及鑒別診斷提供重要參考依據(jù)[4]。而面對多種CS測量方法的選擇，檢查者需了解各方法之間的優(yōu)勢差異，并結(jié)合臨床不同眼部疾病及眼科科研領(lǐng)域中因需求、目的和測量人群的不同，從而選擇最適合的CS檢測方法。

1主觀心理物理學(xué)檢查

1.1正弦波條紋顯示器檢測法1956年，Schade[5]研究采用電子示波器顯示其設(shè)計的正弦條柵，用光度計計算屏幕照度，并用光電管測定對比度，首次測量了以空間頻率為自變量的人眼對比敏感度函數(shù)(contrast sensitivity function，CSF)。1968年，Campbell等[6]基于Schade的設(shè)計，采用陰極射線管按一定速度的幀頻在屏幕上產(chǎn)生光柵。該研究通過不同的調(diào)制波形產(chǎn)生光柵視標(biāo)，射束強度在通過同步波形發(fā)生器信號調(diào)制后在屏幕上顯示出固定空間頻率的光柵。光柵的對比度通過調(diào)整調(diào)制電壓進行改變。此后，研究者設(shè)計了計算機操控的正弦波條紋顯示儀，由于價格昂貴，故近年來改進為用電視屏來顯示正弦波條紋[7]。

1.2圖表檢查法圖表法是采用本身并不發(fā)光，而須通過對外界環(huán)境光線的反射率的不同產(chǎn)生對比度差異的印刷圖表來完成的。此類產(chǎn)品成本低，易攜帶，有利于野外作業(yè)和偏遠地區(qū)的檢查。但因受到制版、印刷、沖印等諸多條件的限制，且易受外界環(huán)境亮度影響，故該檢查準確性相對較低。

1.2.1 Arden光柵圖片法1978年，Arden[8]將采用不同頻率、不同對比度設(shè)計的正弦光柵圖冊首次應(yīng)用于臨床CS的檢測，該套圖冊共有7張光柵卡片，大小為305×280mm2，一側(cè)邊有測量對比度的對數(shù)尺。第1張用于示范，其余6張用于測試，以空間頻率為 0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4c/d依次遞增，且在各個空間頻率下的對比度又細分為 9 個梯度，檢查者距離圖冊57cm，可左右眼單獨檢查。該檢查方法由于只設(shè)計了低、中空間頻率的視標(biāo)，故無法檢測高頻CS。

1982年，Vaegan對Arden的光柵條紋圖冊法進行了改進[9]，將Arden的光柵圖冊分放在一組試驗?zāi)０迳?，其中?～5塊圓盤直徑為7cm，第6、7塊直徑為3cm，條柵的方向分別為垂直、水平和斜向，從高對比度到低對比度，依次測量左右眼，受檢者只需回答是否看見即可。相比Arden光柵圖冊法，該檢查方法更簡單有效，但改進后的檢查時間也隨之延長至原來的2倍。

1.2.2 Pelli-Robson對比敏感度圖表法1988年，Pelli等[10]推出的Pelli-Robson CS圖現(xiàn)已成為用字母測量CS的標(biāo)準參考。該圖表的對比度測試范圍很廣(100%～0.56%)，由8行48個單一大小的Sloan字母組成(每行2組，每組3個字母)，同一組內(nèi)對比度相同，每3個一組的CS降低0.15Log單位。測量CS時，一般要求檢查距離為1m，受檢者從左到右、從上到下依次讀出每個字母，若能識別出一組中2個及以上的字母，則認為其達到該組的對比度水平，最終的取值為該受檢者能達到的最低對比度，此距離下測得的CS空間頻率接近1c/d。若增大檢查距離，對應(yīng)的空間頻率也將改變。如距離為3m時，反映的CS空間頻率接近3c/d。若受檢者不認識字母，則給其印有該表所有字母的卡片，讓其找出與檢查者指示相同的字母。該測試圖為臨床及科研中測量CS采用的最廣泛的方法之一。

1.2.3 Mars字母對比敏感度圖法2005年，Arditi[11]在Pelli-Robson CS圖基礎(chǔ)上對其進行了改進，采用與之類似的半色調(diào)篩選方法，設(shè)計出Mars CS圖。該圖中Sloan字母上下呈對數(shù)遞減，對比度衰減(0.04Log單位)比Pelli-Robson CS圖(0.15Log單位)小得多，故其測量結(jié)果更加精確。由于其打印在長寬分別為22.8、35.6cm的樹脂涂布紙上，體積小，從而易使圖表照亮一致，且易于儲存以保護其免受機械和光照等物理降解的損害，故進一步提高了CS測量的精度。測試時受檢者可手持或放在支架上，故檢測方便不需占太大空間。

1.2.4 Vistech圖表法1984年，Ginsburg[12]首次提出Vistech CS視力表。該表是基于Arden的光柵圖冊法研制的一套光柵圖片，并引入調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)的概念，根據(jù)灰度調(diào)制曲線的變化制成寬窄、明暗不同的條柵圖檢查表。條柵包括垂直、右斜和左斜3種方向。該表由6行直徑為3英寸的圓形光柵組成，每行有1、2、4、8、16、24c/d不同空間頻率，自左至右對比度依次下降，其中第1個為高對比度范例，中間8個為測試圖，第9個為無條柵空白圖。測量時，受檢者逐行測試，依次往下，檢查者將其所能看清的最大CS視標(biāo)標(biāo)定在記錄紙上。檢查完后，將記錄紙上不同空間頻率的CS等級連線即可得CSF曲線。

1986年和1990年，Ginsburg先后又報道了VCTS-6500[13]和MCT-8000[14]，與Vistech CS視力表不同的是，掛壁式VCTS-6500有5行，每行由1.5、3、6、12、18c/d不同空間頻率構(gòu)成。1996年，Ginsburg推出了第二代Vistech圖表，即功能性視力對比測試(functional acuity contrast test，F(xiàn).A.C.T)[15]，其空間頻率及光柵方向與第一代相同，不同的是采用了更小的步長(0.15Log)和自動頻率控制(automatic frequency control，AFC)方法，從而大大地提高了CS檢測的可重復(fù)性。

1.2.5 Cardiff對比敏感度檢測卡法該測試卡是由亮度不同的亮灰色和暗灰色輪廓圖形(寬度一致)構(gòu)成。其主要功能是運用“優(yōu)先注視”的方法。測量時，檢查者只需觀察受檢者眼睛，看其視線是否注視著卡片圖形所在的位置，無需語言交流，檢查者就可判斷受檢者是否可分辨出圖形[16]。該檢查法尤其適用于幼童(12mo～3歲)、腦卒中、智力障礙、腦部損傷及阿爾茲海默癥患者等配合度較差的人群使用。

1.3透射式光柵簡易裝置測量法Arden的光柵圖冊法不能測試更高空間頻率下的CS，透射式光柵設(shè)備的發(fā)明和利用彌補了Arden光柵圖冊法的不足。該裝置由視標(biāo)板、高演色熒光燈和擴散板等組成，用微機控制將正弦光柵感光在視標(biāo)底片上。視標(biāo)上對比度依次遞增，且各處的平均透光率均一致。由于此類儀器在檢測時不易受周圍環(huán)境亮度等的影響，具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，故廣泛應(yīng)用于眼科臨床及科研工作中。

1.3.1 CSV-1000ECSV-1000E是一種燈箱式CS檢測儀，具有極好的精確性，可早期發(fā)現(xiàn)很多疾病導(dǎo)致的細微視網(wǎng)膜功能變化，為臨床提供可靠、敏感的診斷依據(jù)[17-20]。除可測試CS外，該檢測儀還可進行眩光CS、低視銳度和低視力測試。由于其運用光控制技術(shù)，采用標(biāo)準的真實自然光，故可根據(jù)環(huán)境光的亮度，自動使背景光恒定保持在85cd/m2(明適應(yīng))或3cd/m2(暗適應(yīng))，從技術(shù)上保證了光亮度的標(biāo)準化和極好的重復(fù)性。該儀器除符合美國食品藥品管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)的標(biāo)準正弦曲線光柵空間頻率(3、6、12、18c/d)要求外，還可提供1.5、4.5、9、27c/d等其他空間頻率，其特殊檢查距離還包括1、1.25、3、4m等，故極大地拓展了應(yīng)用范圍。測量CSF時，其標(biāo)準測試距離為2.5m，通常有A、B、C、D四排視標(biāo)，每排由8對不同對比度的條柵圖(上下2個條柵圖為1對)組成，對比度順次降低，每對條柵圖中有1個為空白，受檢者需回答有條柵的圖在上還是下，根據(jù)測試結(jié)果即可繪制出CSF。

1.3.2 OPTEC-6500視功能測試系統(tǒng)該系統(tǒng)是一種接觸式(幻燈片模擬式)CS儀，其不僅可檢查視力、視野、色覺、立體式及CS等傳統(tǒng)意義上所講的視功能，還可檢查融合視、低視力、失能眩光[19-22]。其微處理器可持續(xù)控制目標(biāo)照明和眩光亮度，以確保可重復(fù)性及精確性。其測試的目標(biāo)照明為白天85cd/m2，夜晚3.0cd/m2；其遠距離的眩光亮度為夜晚眩光(28Lx)和白天眩光(135Lx)。儀器上部的透視系統(tǒng)用于遠距離測試(6m)，受檢者需直視前方；下部的透視系統(tǒng)用于近距離測試(45cm)，受檢者需保持垂直下看。測量CSF時，在F.A.C.T統(tǒng)計表格中選擇適當(dāng)?shù)臏y試條件，要求受檢者在室內(nèi)自然光線下適應(yīng)5min，測試窗將顯示不同的視標(biāo)圖片，每個空間頻率的測試圖均有9個線形正弦光柵，受檢者需依次回答光柵方向，測量結(jié)束后相應(yīng)軟件便會自動生成CSF。

1.4激光干涉條紋儀測量法該儀器采用氦—氖激光分束產(chǎn)生背景光和干涉光，這些光束同時匯聚到眼節(jié)點面上，再發(fā)散投射到視網(wǎng)膜上，從而形成可變對比度干涉視標(biāo)，作為特殊視標(biāo)來測定CS。此類儀器不受間質(zhì)混濁和屈光狀態(tài)的影響，可直接測定視網(wǎng)膜至大腦系統(tǒng)的視功能、激光視力和激光CSF[23-24]，故該儀器適用于角膜混濁、白內(nèi)障及高度屈光不正等特殊人群。

1.5基于計算機測量空間對比敏感度軟件隨著當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”熱潮的掀起，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)先后開發(fā)出此類基于計算機測量空間CS的軟件，為CS檢查提供了更為便捷的測量手段。

1.5.1基于C/C++編寫的單機操作的空間對比敏感度測量程序這類軟件限定在一些特殊的實驗基礎(chǔ)及運行條件下方能測量，因不同平臺下部分C語言的語法特性不同，所以其無法兼容各平臺統(tǒng)一運行而限制了該測量軟件的應(yīng)用[7]。

1.5.2 Psychtoolbox/Vision Egg開發(fā)的空間對比敏感度檢查軟件該測量軟件具有不錯的測試效果，但操作者不僅需要安裝相應(yīng)的支持軟件，還需有一些裝載Matlab或Python方面的技術(shù)，對操作者的要求相對較高[7]。

1.5.3 Spaeth/Richman對比敏感度測試Spaeth/Richman對比敏感度測試(SPARCS)[25-26]是一種通過訪問https：//www.sparcscontrastcenter.com的測試方法，旨在確定受檢者中心視覺和周邊視覺的對比度閾值。其被設(shè)計用于1024×768分辨率、256灰度級和至少寬22cm、高26.5cm的顯示器上?；颊呔囡@示器50cm，水平視野約30°，垂直視野約23.5°，其中中心測試區(qū)水平視野為5°，垂直視野為3.5°。受檢者需注視中心區(qū)域，當(dāng)尋找出不一樣的區(qū)域(5個測試區(qū)域之一會出現(xiàn)0.3s空間頻率為0.4c/d的垂直方波光柵)時，暫時中斷固視，選擇區(qū)域，隨后再次注視中心區(qū)域，激活程序，顯示下一張圖像(帶有光柵的區(qū)域隨機出現(xiàn))。SPARCS測試的對比度范圍為100%～0.45%，在不同級別之間降低約0.15Log單位?；颊叱跏蓟卮鹫_會向前推進4個級別，直到回答錯誤時，呈現(xiàn)2個容易的級別，然后每次前進或后退1個級別，直到在某級別上2次回答錯誤，從而確定閾值。因SPARCS可測量中央和周邊區(qū)域的CS，且成本低，易執(zhí)行，不依賴于讀寫能力，也不受一般認知能力的影響，且具有較高的復(fù)測可靠性，故現(xiàn)被證明為評估鑒定青光眼、屈光不正及白內(nèi)障患者CS的可靠方法[27]。

1.5.4基于B/S的空間對比敏感度的測量方法基于B/S的空間對比敏感度的測量方法[7]為一款基于瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server，B/S)的CS測量軟件，該軟件只需通過瀏覽器訪問服務(wù)器網(wǎng)頁即可進行CSF測量，其分為通過鍵盤輸入和鼠標(biāo)輸入兩種不同方式的測量方法。研發(fā)者對空間頻率分別為 0.5、1、2、4、8、16c/d下的高斯模糊的正弦光柵的刺激源進行了伽馬校正處理，以使刺激源灰度更符合正弦分布變化效果。當(dāng)后臺程序?qū)y量結(jié)果處理后，便進行對比度提高10%、降低10%或維持不變的反饋調(diào)整，并對各空間頻率下對比度變化的拐點值進行平均值計算。該測量方法有效地降低了CS測量難度及費用。

1.5.5視覺靈敏度測試儀視覺靈敏度測試儀(MAV-Ⅲ)[28]視標(biāo)設(shè)計為不同偏光頻率和不同CS水平的圓形正弦光柵圖像，測試包括6個空間頻率(0.75、1.5、3、6、12、18c/d)和8個對比度水平，每個空間頻率包括9個條柵圖，各自對應(yīng)不同的CS值。受檢者需矯正視力，坐于距液晶屏3m處的位置，雙眼與液晶屏保持水平。雙眼分別測試，遮蓋一眼，按照從低頻到高頻，從高對比度到低對比度的順序，逐個分辨每個條柵圖里條紋的方向。系統(tǒng)自動變化圖片(垂直、向右傾斜或向左傾斜)，受檢者需盡可能多的分辨圖中條紋方向直至不能辨別，系統(tǒng)軟件自動記錄檢查結(jié)果。

1.5.6視覺監(jiān)視系統(tǒng)視覺監(jiān)視系統(tǒng)(Monpack3)[29]為法國Metrovision公司研發(fā)生產(chǎn)的一種全功能視覺生理學(xué)檢查系統(tǒng)，可提供全面的視覺電生理檢查和視覺心理物理學(xué)檢查。其針對不同的檢測對象，專門在軟硬件上進行了優(yōu)化設(shè)計以滿足不同需求，可完成多種視覺功能如視野、CS、VA、眩光測試等檢查，還可執(zhí)行視網(wǎng)膜電圖(electroretinaogram，ERG)及視覺誘發(fā)電位(visual evoked potentials，VEP)檢查。測量CSF時，每個測量點至少測量3次，取后2次的平均值為結(jié)果，若這2次相差過大，則再次測量，直至得到2次相近的測量結(jié)果，再求其均值。該檢查系統(tǒng)自帶正常人體數(shù)據(jù)庫，因此可同時提供統(tǒng)計學(xué)偏差圖以供臨床醫(yī)師判斷病情。

2客觀檢查法

心理物理的方法測定CS是在某一空間頻率下，逐漸變換條柵的對比度，直到受檢者辨認不出條柵為止，此時的對比度視為該空間頻率下的對比度閾值。而用電生理的方法測試，則是采集不同空間頻率、不同對比度時的穩(wěn)態(tài)VEP。

2.1視覺誘發(fā)電位VEP[30]是利用不同的對比度、空間頻率、色彩及視角的刺激模型，依照國際標(biāo)準電極系統(tǒng)，記錄下大腦視皮質(zhì)細胞的總合電反應(yīng)，以衡量從視神經(jīng)到視皮層之間的視覺通路的完整性。該電位非常小，表示視皮層對呈現(xiàn)在人眼視野中央的刺激的響應(yīng)，其振幅和延遲可用來評估視覺系統(tǒng)正常與否，但其亦會受到介質(zhì)混濁及視網(wǎng)膜疾病等影響。由于視皮層對中央視野的表征區(qū)域大于周邊視野，因此VEP被認為主要反應(yīng)的是中央?yún)^(qū)視覺活動。測試時受檢者需坐在舒適、安靜、具有電磁屏蔽的暗室內(nèi)，以最佳視力平視1m處屏幕中央“十”字，在耳后乳突、枕骨粗隆及前額正中處分別放置地電極、記錄電極及參考電極。先測視力較好眼，再測視力較差眼，同一對比度下，刺激光柵從低頻到高頻翻轉(zhuǎn)一定次數(shù)，然后進入下一對比度檢測，每只眼刺激光柵對比度按2.0、1.7、1.4、1.1、0.9、0.7、0.5、0.3、0.1、0從低到高依次測量，檢查后將各空間頻率對應(yīng)的振幅值輸入分析系統(tǒng)，從而確定每個空間頻率對應(yīng)的最小對比度值，作為其對比敏感度閾值，最終做出以空間頻率為橫坐標(biāo)，以對比度值為縱坐標(biāo)的CSF[31]。由于VEP能夠較為客觀地反映視覺功能情況，且測量時間短，不易受心理物理因素影響，故主要針對老人、嬰幼兒等不能進行準確主觀判斷而配合度較差的人群。

2.2視覺質(zhì)量分析儀光學(xué)技術(shù)在眼科領(lǐng)域中的應(yīng)用近些年備受關(guān)注，雙通道技術(shù)自1955年由Flamant提出后便一直得到廣泛應(yīng)用。客觀綜合評價視覺質(zhì)量變得越來越重要，各種新穎的視覺質(zhì)量分析儀[28]逐漸應(yīng)用于眼科臨床，如雙通道客觀視覺質(zhì)量分析系統(tǒng)(OQASTM Ⅱ)[32]、光線追蹤波陣面像差分析系統(tǒng)(iTrace visual function analyzer，iTrace)[33]等能夠更加快捷且準確地檢測人眼視覺質(zhì)量情況，為角膜塑形術(shù)、近視和老視等屈光手術(shù)、人工晶狀體植入術(shù)和白內(nèi)障診斷分級等臨床應(yīng)用提供綜合的視覺質(zhì)量評估[34]，且其各項指標(biāo)均有較好的重復(fù)性。

2.2.1雙通道視覺質(zhì)量分析系統(tǒng)OQAS[35-36]是一種采用雙通道技術(shù)的視覺質(zhì)量分析儀，用于評估視網(wǎng)膜成像質(zhì)量，自2002年開始應(yīng)用于眼科視覺功能的檢測。OQASTMⅡ[37]為OQAS的最新版本，與第一代OQAS相比，OQASTMⅡ在設(shè)計、軟件及硬件等方面均有提升，能更快測得結(jié)果并作出更全面的視覺質(zhì)量分析。該分析儀使用激光二極管發(fā)射的近紅外光線(波長780nm)通過人眼屈光介質(zhì)后成像于視網(wǎng)膜上，光線經(jīng)原通路返回后被接收，收集到的圖像能夠反映眼內(nèi)光學(xué)成像質(zhì)量的更多信息。其可通過測量散射指數(shù)(objective scatter index，OSI)、MTF、截止頻率(MTF cut off)、斯特列爾比(strehl ratio，SR)、模擬對比度視力(OV100%、OV20%、OV9%)等參數(shù)對視覺質(zhì)量進行更加全面且客觀的評價。其中MTF是指不同空間頻率的成像與物對比度之間的差異，反映影響CS的光學(xué)因素，最佳矯正視力則為MTF曲線上的一點，一般來說MTF值隨著空間頻率的增加而逐漸降低，MTF值越大，證明成像質(zhì)量越好。

測試時，受檢者需在暗室環(huán)境下，瞳孔直徑需≥4mm，屈光不正給予矯正，光標(biāo)對準瞳孔中央，顯示屏上清晰成像，檢查一只眼時，遮蓋對側(cè)眼，要求受檢者始終保持頭部固定不動，以保證測量的準確性和可重復(fù)性。測量時快速捕捉6次點擴散函數(shù)圖像，計算出各項指標(biāo)。測量前囑受檢者眨眼以保持淚膜的完整，進行MTF測量，并記錄5、10、15、20、25、30c/d空間頻率的平均值。連續(xù)測量至少3次，每次間隔30s。

2.2.2光線追蹤波陣面像差分析系統(tǒng)iTrace系統(tǒng)[33]測量MTF方法與OQASTMⅡ相同，同樣需在暗室環(huán)境下，瞳孔直徑≥4mm，囑咐受檢者注視像差儀的紅色光標(biāo)，測量受試眼的波陣面像差。經(jīng)iTrace 3.1軟件去除低階像差后模擬受檢者僅受高階像差影響的MTF曲線，記錄5、10、15、20、25、30c/d空間頻率的MTF值，連續(xù)測量至少3次，每次間隔30s。評價人眼MTF的目的是客觀評價和預(yù)測受檢者真實的視力和CS的表現(xiàn)。OQASTMⅡ檢測的MTF值與最佳矯正視力和CS所有空間頻率均呈正相關(guān)，而iTrace檢測的MTF值與最佳矯正視力和CS的部分空間頻率相關(guān)。

3展望

CS已然被視為是衡量人類空間視覺最全面的單一指標(biāo)[4]，其在眼科疾病預(yù)測、診斷、病情進展及療效評價中的應(yīng)用得到了學(xué)者們的一致認可。相信未來在科研工作者的努力下，更完善的CS檢測方法將會廣泛地應(yīng)用于眼科臨床及基礎(chǔ)科研等諸多領(lǐng)域中，為人類視覺質(zhì)量的改善提供更為有效的檢測手段。