视觉诱发电位视力客观检查技术的研究进展

徐光华,郑小伟,田沛源,杜成航,张四聪

(1.西安交通大学机械工程学院,710049,西安; 2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710054,西安)

人类在认识世界及感知事物时,约80%的信息是通过视觉获取的。由此可见,视觉在感知外界事物的过程中一直扮演着至关重要的角色。然而,世界上现有22亿人患有某种形式的视觉损伤,而且人口增长和老龄化更会加剧这个风险[1-2]。视力检查作为视觉功能检查最基本的测试之一,反映的是眼睛分辨细小或遥远的物体及细微部分的能力。视力检查方法分为主观方法和客观方法,主观视力检查方法应用“E型”、Sloan字母等视力检查表,视标大小按照对数级数增减,视力表可以远近移动而不影响测量值,便于临床应用和统计分析,且其简单直观,但不能应用于婴幼儿、伪盲者和癔症等患者[3-5]。

随着研究技术的不断发展,应用视觉诱发电位(VEP)等电生理方法客观评估视觉功能成为视光学领域的研究热点[6]。VEP反映了从视网膜到V1纹状区视觉通路的生物电活动,眼球、视网膜、视神经、视路和视觉初级皮层的异常都可以通过VEP进行客观检查。VEP视觉功能检查通过设置可表征不同视觉功能的视觉刺激参数,并诱发脑电响应,应用信号处理方法分析脑电信号,提取脑电特征指标,构建视觉刺激参数与视觉功能脑电特征指标关系模型,基本原理如图1所示。从20世纪70年代至今,VEP视力的客观检查技术已发展成为研究范围最广、最成熟的眼科学电生理客观检查方法之一[6-9],VEP视力检查技术已成为法医学客观视觉功能鉴定、婴幼儿早期视觉评估等方面的重要手段[10]。基于此,本文首先对VEP视力检查方法进行概述,进而从不同方面分析比较现有的研究发展,然后对未来的研究进行展望。

图1 VEP视觉功能检查原理示意

1 视觉诱发电位视力检查概述

视觉诱发电位是视觉受刺激后,在大脑视觉皮质所产生的电信号,可通过在头皮上的电极进行采集并进行信号分析[11]。因为VEP不仅反映视觉皮质的功能,也具有反映眼球、视网膜和视神经到视皮质的传递通道的功能,且信号记录不依赖于人的主观评断,故而可应用于视力的客观检查[12]。

1.1 VEP视力检查理论基础

对应于视力检查表不同视角间隔的“E型”“C型”或Sloan字母等视标,VEP视力检查通过改变视觉刺激的空间频率,分析不同的空间频率刺激诱发的电位信号。当视觉刺激清晰可见时,会诱发产生信噪比高、幅值大的VEP信号;当视觉刺激模糊或眼睛对刺激变化不可见时,不能诱发出稳定且有规律的脑电信号[13]。VEP视力值可根据诱发的脑电信号进行判定,通过信号分析找出VEP产生与否的临界情况,该临界情况所对应刺激的空间频率即为VEP检查出的视力值。

1.2 VEP视力检查分类

根据视觉刺激时间频率的不同,VEP可分为瞬态视觉诱发电位(TVEP)和稳态视觉诱发电位(SSVEP)。当视觉刺激时间频率小于3 Hz时,前一个刺激诱发的脑电响应不会对当前刺激诱发的信号产生影响,故而每个刺激都会产生一个相似的包含正波和负波的波形,称为TVEP。当视觉刺激时间频率大于3 Hz时,刺激频率足够快,故上一个刺激诱发的脑电响应还未完全消失,下一个刺激引起的响应已经出现,最终形成具有节律性正弦波性质的SSVEP信号[4,14-17]。

对应地,VEP视力检查可分为TVEP视力检查和SSVEP视力检查。TVEP视力检查中,不同空间频率所诱发的脑电信号通过多次叠加平均,得到P100波的振幅和潜伏期,观察P100波的振幅大小和潜伏期时长。研究发现,随着视觉刺激空间频率的升高,P100波的潜伏期延长,幅值降低[14]。在SSVEP视力检查中,通过傅里叶变换将脑电信号在频域进行分析,观察不同空间频率刺激对应的SSVEP幅值变化。研究发现,随着视觉刺激空间频率升高,SSVEP振幅有降低的趋势[14]。

1.3 VEP视力检测系统组成

VEP视力检查系统包括硬件设备和软件系统两部分。硬件设备主要包括视觉刺激器、脑电采集平台和计算机主控制器等,如图2所示。软件系统包括视觉刺激范式生成算法、脑电信号处理算法和视力阈值判定算法等。

图2 VEP视力检查系统组成

1.3.1 视觉刺激器 视觉刺激器是用来显示刺激范式的设备,视觉诱发电位脑机接口中多使用性能较高的显示器,常用的显示器类型包括阴极射线显像管(CRT)、液晶显示器(LCD)和发光二极管显示器(LED)。与LCD和LED相比,CRT很容易满足视觉刺激呈现时刺激屏的平均亮度必须恒定的要求。但是,随着技术的发展,低辐射、低功耗的LCD和LED在市场上越来越普及。

1.3.2 脑电采集平台 脑电采集平台一般由脑电采集电极、生物信号放大器与数据传输系统组成。其中,脑电电极多采用Ag、AgCl、Au等材料制作而成,依据国际10-20电极标准和国际临床电生理和视觉学会(ISCEV)电极标准布置[18-19],记录电极多放于枕区Oz处,参考电极多置于Fz、Cz和Fpz等头部左右对称的中线处,而接地电极多置于耳垂、前额等处。记录到的信号经过信号放大器放大后传输至主控制器,由主控制器进行数据存储与处理[20]。

2 视觉刺激范式

2.1 刺激范式类型

常用于VEP视力检测的刺激范式有3种:正弦光栅、方波光栅以及棋盘格,如图3所示。正弦光栅与方波光栅以黑白条纹在单位角度内出现的周期数作为空间频率,棋盘格以45°对角线的黑白方格在单位角度内出现的周期数作为空间频率,通过刺激范式生成算法调节参数,可改变不同刺激范式的空间频率,并通过模式翻转的刺激方式进行范式呈现。此外,本课题组最近的研究设计了一种振荡收缩扩张的同心环刺激范式,相对于上述的3种刺激范式,具有低视觉疲劳、低对比敏感性的特性[3,21-24],其刺激呈现过程如图4所示。

图3 常用的3种VEP视力检查刺激范式

图4 同心环收缩-扩张运动刺激范式

2.2 刺激范式参数

2.2.1 时间频率 TVEP视力检查的刺激时间频率多为2 Hz[14,25]和1 Hz[26],有些研究也会有其他时间频率,例如0.29 Hz(40 ms刺激,300 ms间隔)[27],1.67 Hz(600 ms刺激)[28]。但是,1 Hz的刺激频率在TVEP视力检查中是最常用的。SSVEP视力检查的刺激时间频率多位于4～20 Hz之间,其中7.5 Hz最为常见[29-32],但也有其他时间频率,例如17[33]、10[34]、6 Hz[35-36]。Almoqbel等对不同时间频率的VEP视力检查做了类比分析,建议在SSVEP视力检查中,刺激的时间频率使用7.5 Hz最佳[30]。

2.2.2 亮度 亮度是指刺激范式显示过程中的背景亮度,由亮度计测量得到。为了避免亮度伪迹(显示器的液晶分子在一个方向上的速度变化与在相反方向上的速度变化并不相同,这种从白色到黑色和从黑色到白色的转变时间上的差异导致的光脉冲)的影响,一般情况下,刺激范式的平均亮度与背景亮度相同[19]。大多数的研究中,亮度集中于50[37-38]～100 cd/m2[29,35,39]之间,与ISCEV推荐的亮度标准50 cd/m2相同[12,19]。

2.2.3 对比度 刺激范式的对比度是指Michelson对比度[19],由白色和黑色条纹的亮度所决定。最常用的对比度为80%[12,29,39-41],这与ISCEV推荐的对比度相一致[19]。Bach等推荐了一个比较低的对比度,只有40%[32,42-44]。他们认为由于VEP随着对比度的变化函数在早期就已饱和,因此中等对比度就足以诱发全振幅的VEP[45],而且当对比度较低时,显示器的伽玛校正(即显示器的RGB参数与显示亮度之间的非线性关系)很容易实现[46-47]。

2.2.4 空间频率 刺激范式的空间频率是VEP视力检测最重要的参数。空间频率通俗而言,是指刺激范式黑白条纹的疏密程度,以每度视角内出现的黑白周期数(周/(°))为单位。为了得到更好的VEP视力检查结果,一般情况下,大多数的空间频率对于被试应该设置为可见。依据前期研究,一般空间频率范围都在3～30周/(°)[34,36,48-50],与小数视力标准的1.0～0.1相对应,这也是通常的主观检查的视力范围。另外,在被试为婴幼儿的研究中,空间频率范围偏向于较低的空间频率,并且随着婴儿的年龄增长而变大,这是因为婴幼儿的视觉功能是随着时间的推移而不断发育的[40-41,51-53]。对于视力损伤的被试,空间频率范围也会相应比正常值低[32,41-42,54-55]。

3 视力阈值判定算法

视力阈值判定算法通过不同空间频率刺激范式的VEP响应来估计客观视力阈值。表1总结了常用的几种视力阈值判定算法。

表1 常用的视力阈值判定算法

线性外推法是VEP视力检查最广泛使用的阈值判定算法。该算法由Tyler等提出[56],在很多研究中得到了广泛应用[51,53,57-59],并且至今仍有应用[36,41,60-61]。线性外推法绘制VEP响应振幅和空间频率散点图,线性外推VEP振幅峰值至0 μV(空间频率轴),拟合线与空间频率轴的交点对应的空间频率即为VEP估计的视力值。当存在多个VEP幅值峰值时,选择最后的峰值作为外推的起点。随着空间频率的增加,VEP相位一般是恒定的或逐渐滞后的,这是因为VEP潜伏期随空间频率的增加而增加[13,30,62]。一些研究对线性外推法进行了改进,例如,将VEP振幅峰值外推到平均噪声水平对应的空间频率作为VEP视力值[29,31,57,63-64]。

最小尺寸法是一种更为直接和快速的视力阈值判定算法。该算法将引起显著性响应的VEP所对应刺激范式的最高空间频率作为VEP视力值[65-68]。Mackay等使用逐次逼近算法来控制刺激呈现,当VEP响应对3个连续减小的检查结果评分为“检测到”“检测到”“未检测到”时,进行评分,从而定义视力阈值[69]。Hemptinne等定义视力阈值为最后一个有显著性响应的视觉刺激所对应的空间频率,并且在此之前的4次VEP响应中至少有3次响应是显著的[34]。

Bach等提出了一种逐步启发式算法,可以有效地避免中间检查尺寸所出现的“下陷”[32]。该算法通过一系列VEP振幅和噪声估计规则,找到噪声校正VEP振幅与对数空间频率回归的最优范围,得出VEP视力阈值[43-44,70-71]。Jenkins等将最佳拟合二次方程的曲线函数外推到零振幅,定义外推截距的视觉刺激空间频率为VEP视力阈值[72]。Kurtenbach等绘制VEP振幅与空间频率的关系图,用二阶多项式函数和手动设置游标的方法对数据点进行拟合,从与横轴的截距计算出临界空间频率阈值[14]。Strasser等采用二阶多项式的多元线性回归方法和改进的Ricker模型非线性回归方法拟合VEP峰值振幅和空间频率,发现二阶多项式模型和改进的Ricker模型在预测VEP视力方面都有很好的效果[27]。

最近,Bach等在108个案例上使用机器学习的算法将相应VEP信号转化为视力值,总共测试了100多种不同的算法,发现基于规则和多元回归的算法表现最好[73]。

综上所述,VEP视力通常由线性外推VEP振幅峰值至0 μV来确定。当外推法由于中间检查尺寸所出现的“下陷”而无法确定VEP视力阈值时,最小尺寸法或逐步启发式算法可以作为替代算法。

4 临床应用

4.1 儿童视力发育研究

VEP也被用于对婴幼儿视力发育的研究。一些研究给出了随着年龄增长视力的增长值,例如,视力从2月龄时的20/150发育到6月龄时的20/20[74],从1月龄的平均4.5周/(°)到8～13月龄的20周/(°)左右[62],从2～10周龄的6周/(°)到20～30周龄的14周/(°)[75],从4月龄的9.61周/(°)到8月龄的10.39周/(°)[76]。另外,一些研究比较了婴幼儿的VEP视力与主观视力,Sokol等发现VEP和优先注视法(PL)视力差异由2月龄时的2.0行变为12月龄时的0.5行,VEP和PL视力以不同的速度发育,在12月龄时几乎达到相同的水平[77-78]。Allen等发现VEP视力比PL视力稍高[52]。Riddell等对婴儿的VEP和Teller检查卡(TAC)视力进行测试,发现VEP视力普遍高于TAC视力,但TAC视力的发育速度比VEP视力更快,在14月龄时二者达到相同水平[57]。

4.2 视觉疾病中的视力检查

VEP不仅可为正常视觉的视力检查提供一种可替代的客观方法,而且为视觉疾病中的视力检查提供了有效途径。经过40余年的发展,科学家已经应用VEP检查技术对皮质性视损伤(CVI)[41,79-82]、弱视[7,43,61,66,71]、脑瘫[83-85]、白内障[86-88]、青光眼[54,88]、白化病[59]、糖尿病[38]、唐氏综合症[89]等可对视觉功能造成影响的疾病以及其他黄斑病变[59,90-91]、视网膜病变[90,92-94]、视神经损伤[90,95-97]、眼球器质性变异[64,95]和眼科外伤[92,96,98]等病症进行了临床研究。通过这些研究:①验证了VEP视力检查可作为一种客观方法,为低智商人群(如脑瘫、唐氏综合征等)的视力检测提供有效的手段[83-85];②验证了VEP可为眼科疾病(如白内障、青光眼等)术后的视力恢复提供预测手段[86,88];③VEP可为非器质性视觉损伤(如CVI、弱视等)的视力检查和康复训练视力监控提供客观方法[7,61,66]。

5 总结与展望

VEP已被用作客观评估视力的一种方法,尤其是在智力低下的非言语婴儿、装病或癔症的成人中。本文从脑电设备平台、视觉刺激范式、实验参数设置、视力阈值判定算法和临床应用等方面综述了VEP视力检查技术。对于研究者和临床医生,为VEP视力测试技术制定一个共同的标准是非常重要的,这是因为在测试系统的构建、实验测试以及数据处理和分析的过程中,必须考虑到许多的参数设置。这一通用标准可以使该技术得到更广泛和快速的应用,使VEP乃至电生理学研究在视觉功能的检测与诊断方面更加深入。VEP可为视力检查提供早检测的方法,进而进行早干预和早治疗,从而缓解世界上近视和视力障碍日益严峻的境况。