視覺誘發(fā)電位視力客觀檢查技術(shù)的研究進(jìn)展

徐光華,鄭小偉,田沛源,杜成航,張四聰

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安; 2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710054,西安)

人類在認(rèn)識(shí)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(huì)加劇這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。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(duì)數(shù)級(jí)數(shù)增減,視力表可以遠(yuǎn)近移動(dòng)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、偽盲者和癔癥等患者[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(píng)估視覺功能成為視光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。VEP反映了從視網(wǎng)膜到V1紋狀區(qū)視覺通路的生物電活動(dòng),眼球、視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視路和視覺初級(jí)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(hào)處理方法分析腦電信號(hào),提取腦電特征指標(biāo),構(gòu)建視覺刺激參數(shù)與視覺功能腦電特征指標(biāo)關(guān)系模型,基本原理如圖1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[6-9],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(píng)估等方面的重要手段[10]。基于此,本文首先對(duì)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(duì)未來的研究進(jìn)行展望。

圖1 VEP視覺功能檢查原理示意

1 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(hào),可通過在頭皮上的電極進(jìn)行采集并進(jìn)行信號(hào)分析[11]。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(hào)記錄不依賴于人的主觀評(píng)斷,故而可應(yīng)用于視力的客觀檢查[12]。

1.1 VEP視力檢查理論基礎(chǔ)

對(duì)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(hào)。當(dāng)視覺刺激清晰可見時(shí),會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生信噪比高、幅值大的VEP信號(hào);當(dāng)視覺刺激模糊或眼睛對(duì)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(hào)[13]。VEP視力值可根據(jù)誘發(fā)的腦電信號(hào)進(jìn)行判定,通過信號(hào)分析找出VEP產(chǎn)生與否的臨界情況,該臨界情況所對(duì)應(yīng)刺激的空間頻率即為VEP檢查出的視力值。

1.2 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(SSVEP)。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(huì)對(duì)當(dāng)前刺激誘發(fā)的信號(hào)產(chǎn)生影響,故而每個(gè)刺激都會(huì)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(hào)[4,14-17]。

對(duì)應(yīng)地,VEP視力檢查可分為TVEP視力檢查和SSVEP視力檢查。TVEP視力檢查中,不同空間頻率所誘發(fā)的腦電信號(hào)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[14]。在SSVEP視力檢查中,通過傅里葉變換將腦電信號(hào)在頻域進(jìn)行分析,觀察不同空間頻率刺激對(duì)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[14]。

1.3 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(tái)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、腦電信號(hào)處理算法和視力閾值判定算法等。

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(tái) 腦電采集平臺(tái)一般由腦電采集電極、生物信號(hào)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(huì)(ISCEV)電極標(biāo)準(zhǔn)布置[18-19],記錄電極多放于枕區(qū)Oz處,參考電極多置于Fz、Cz和Fpz等頭部左右對(duì)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(hào)經(jīng)過信號(hào)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(chǔ)與處理[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(duì)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(duì)于上述的3種刺激范式,具有低視覺疲勞、低對(duì)比敏感性的特性[3,21-24],其刺激呈現(xiàn)過程如圖4所示。

圖3 常用的3種VEP視力檢查刺激范式

圖4 同心環(huán)收縮-擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)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[26],有些研究也會(huì)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)[28]。但是,1 Hz的刺激頻率在TVEP視力檢查中是最常用的。SSVEP視力檢查的刺激時(shí)間頻率多位于4～20 Hz之間,其中7.5 Hz最為常見[29-32],但也有其他時(shí)間頻率,例如17[33]、10[34]、6 Hz[35-36]。Almoqbel等對(duì)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[30]。

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[37-38]～100 cd/m2[29,35,39]之間,與ISCEV推薦的亮度標(biāo)準(zhǔn)50 cd/m2相同[12,19]。

2.2.3 對(duì)比度 刺激范式的對(duì)比度是指Michelson對(duì)比度[19],由白色和黑色條紋的亮度所決定。最常用的對(duì)比度為80%[12,29,39-41],這與ISCEV推薦的對(duì)比度相一致[19]。Bach等推薦了一個(gè)比較低的對(duì)比度,只有40%[32,42-44]。他們認(rèn)為由于VEP隨著對(duì)比度的變化函數(shù)在早期就已飽和,因此中等對(duì)比度就足以誘發(fā)全振幅的VEP[45],而且當(dāng)對(duì)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/(°))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(duì)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3～30周/(°)[34,36,48-50],與小數(shù)視力標(biāo)準(zhǔn)的1.0～0.1相對(duì)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(duì)于視力損傷的被試,空間頻率范圍也會(huì)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

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[36,41,60-61]。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 μV(空間頻率軸),擬合線與空間頻率軸的交點(diǎn)對(duì)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[13,30,62]。一些研究對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)3個(gè)連續(xù)減小的檢查結(jié)果評(píng)分為“檢測到”“檢測到”“未檢測到”時(shí),進(jìn)行評(píng)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(duì)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(duì)數(shù)空間頻率回歸的最優(yōu)范圍,得出VEP視力閾值[43-44,70-71]。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[72]。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(dòng)設(shè)置游標(biāo)的方法對(duì)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[14]。Strasser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[27]。

最近,Bach等在108個(gè)案例上使用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法將相應(yīng)VEP信號(hào)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[73]。

綜上所述,VEP視力通常由線性外推VEP振幅峰值至0 μV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

4.1 兒童視力發(fā)育研究

VEP也被用于對(duì)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2月齡時(shí)的20/150發(fā)育到6月齡時(shí)的20/20[74],從1月齡的平均4.5周/(°)到8～13月齡的20周/(°)左右[62],從2～10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/(°)[76]。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視力以不同的速度發(fā)育,在12月齡時(shí)幾乎達(dá)到相同的水平[77-78]。Allen等發(fā)現(xiàn)VEP視力比PL視力稍高[52]。Riddell等對(duì)嬰兒的VEP和Teller檢查卡(TAC)視力進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)VEP視力普遍高于TAC視力,但TAC視力的發(fā)育速度比VEP視力更快,在14月齡時(shí)二者達(dá)到相同水平[57]。

4.2 視覺疾病中的視力檢查

VEP不僅可為正常視覺的視力檢查提供一種可替代的客觀方法,而且為視覺疾病中的視力檢查提供了有效途徑。經(jīng)過40余年的發(fā)展,科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用VEP檢查技術(shù)對(duì)皮質(zhì)性視損傷(CVI)[41,79-82]、弱視[7,43,61,66,71]、腦癱[83-85]、白內(nèi)障[86-88]、青光眼[54,88]、白化病[59]、糖尿病[38]、唐氏綜合癥[89]等可對(duì)視覺功能造成影響的疾病以及其他黃斑病變[59,90-91]、視網(wǎng)膜病變[90,92-94]、視神經(jīng)損傷[90,95-97]、眼球器質(zhì)性變異[64,95]和眼科外傷[92,96,98]等病癥進(jìn)行了臨床研究。通過這些研究:①驗(yàn)證了VEP視力檢查可作為一種客觀方法,為低智商人群(如腦癱、唐氏綜合征等)的視力檢測提供有效的手段[83-85];②驗(yàn)證了VEP可為眼科疾病(如白內(nèi)障、青光眼等)術(shù)后的視力恢復(fù)提供預(yù)測手段[86,88];③VEP可為非器質(zhì)性視覺損傷(如CVI、弱視等)的視力檢查和康復(fù)訓(xùn)練視力監(jiān)控提供客觀方法[7,61,66]。

5 總結(jié)與展望

VEP已被用作客觀評(píng)估視力的一種方法,尤其是在智力低下的非言語嬰兒、裝病或癔癥的成人中。本文從腦電設(shè)備平臺(tái)、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)用等方面綜述了VEP視力檢查技術(shù)。對(duì)于研究者和臨床醫(yī)生,為VEP視力測試技術(shù)制定一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的,這是因?yàn)樵跍y試系統(tǒng)的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)測試以及數(shù)據(jù)處理和分析的過程中,必須考慮到許多的參數(shù)設(shè)置。這一通用標(biāo)準(zhǔn)可以使該技術(shù)得到更廣泛和快速的應(yīng)用,使VEP乃至電生理學(xué)研究在視覺功能的檢測與診斷方面更加深入。VEP可為視力檢查提供早檢測的方法,進(jìn)而進(jìn)行早干預(yù)和早治療,從而緩解世界上近視和視力障礙日益嚴(yán)峻的境況。