環境亮度及瞳孔直徑對人眼神經對比敏感度的影響

趙冠華，曹瑞丹，張 磊，嚴偉明，陳 濤，王 斌，丁一峰，王美艷，張作明

?

·臨床研究·

環境亮度及瞳孔直徑對人眼神經對比敏感度的影響

趙冠華1，曹瑞丹1，張 磊1，嚴偉明1，陳 濤1，王 斌1，丁一峰2，王美艷1，張作明1

Foundation items:The Military Logistics of Major Scientific Research Projects (No.AKJ11J002); the Military Logistics of Scientific Research Projects (No.BKJ14C008)

1Department of Clinical Aerospace Medicine, the Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China;2Cadet Brigade, the Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China

?METHODS: Ten healthy male volunteers (10 eyes) were recruited in this study, and the right eye was tested in this experiment. Different surround luminance levels and glare were set by Vision Monitor System to measure CSF curves of normal pupil, 3.0mm pupil and 5.0mm pupil. Modulation transfer function (MTF) curves of 3.0mm pupil and 5.0mm pupil were measured by Optical Quality Analysis System. NCSF was the ratio of CSF and MTF.

?RESULTS:NCSF and CSF curves went downward considerably and the curve waves shifted towards low spatial frequency as the surround luminance decreases. Compared with NCSF, the curve waves of CSF shifted towards lower spatial frequency. The change of CSF was affected by NCSF and MTF. When pupil diameter increases, MTF curve went downward. While the NCSF and CSF curves mounted up at low spatial frequency in the mesopic and photopic visual environment and showed downward trend at high spatial frequency in excessive bright environment or with glare. In the scotopic visual environment, the slight pupil diameter change cannot considerably affect CSF and NCSF curves.

?CONCLUSION:CSF is influenced by MTF and NCSF which reflects the function of the retina-brain neural system. The curve shape of CSF is similar to NCSF, but the curve wave is at lower spatial frequency. NCSF and CSF curves go downward as the surround luminance decreases. As the pupil diameter increases, NCSF and CSF curves mount up at low spatial frequency but show downward trend at high spatial frequency in excessive bright environment or with glare.

目的：研究環境亮度及瞳孔直徑對神經對比敏感度函數(NCSF)的影響，并與對比敏感度函數(CSF)相比較。

方法：招募健康男性志愿者10名10眼作為受試者，以右眼為測試眼，利用視覺監視系統設置不同環境亮度并附加眩光，測量自然、3.0mm和5.0mm瞳孔時的CSF；利用視覺質量分析儀測量3.0mm和5.0mm瞳孔時的調制傳遞函數(MTF)，根據CSF與MTF的比值求得NCSF。

結果：NCSF和CSF隨環境亮度降低曲線整體下移，波峰向低頻區移動，CSF更偏向低頻區。CSF變化受NCSF和MTF共同作用，瞳孔開大，MTF下降，在明視覺環境和中間視覺環境中，NCSF和CSF上升，主要上升區為中低頻區；當亮度較高或存在眩光源時，NCSF和CSF在中低頻區上升不明顯，在高頻區有下降的趨勢；在暗視覺環境中，小范圍的瞳孔波動對NCSF和CSF沒有顯著影響。

結論:NCSF能夠反映視覺神經系統的功能，與MTF共同決定CSF。CSF曲線形狀與NCSF相近，波峰更偏向低頻區。環境亮度降低會使NCSF下降，CSF隨之下降；瞳孔開大會使NCSF在中低頻區上升，CSF隨之上升，而環境較亮或存在眩光源時，NCSF和CSF在高頻區都有下降的趨勢。

對比敏感度；神經對比敏感度；亮度；瞳孔

引用：趙冠華，曹瑞丹，張磊，等.環境亮度及瞳孔直徑對人眼神經對比敏感度的影響.國際眼科雜志2016;16(12):2279-2284

0引言

對比敏感度函數(contrast sensitivity function，CSF)是檢查視覺功能的常用方法，反映了人眼在不同空間頻率上的對比敏感特征，與視敏度相比，能夠更好地反映視覺質量[1]。CSF受光學因素和神經因素共同影響，光學因素指屈光系統將外界物體成像于視網膜上的光學質量，可用調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)評價；神經因素指視網膜、視神經和大腦中樞構成的視覺神經系統處理圖像的能力，可用神經對比敏感度函數(neural contrast sensitivity function，NCSF)評價[2]。NCSF與CSF的關系為：

NCSF=CSF/MTF[3-4](1)

NCSF能夠排除光學因素，對神經因素進行評價。可用以比較不同光學質量者的視覺神經系統功能，有望應用于多焦點人工晶狀體的神經適應研究、青光眼患者的早期NCSF改變，以及多發性硬化等神經系統疾病的早期診斷等[2]。以往關于NCSF的研究所用亮度范圍有一定的局限性[5-6]，對瞳孔的研究多集中于其對MTF的影響[7-10]。本研究測量的環境亮度10-4～102cd/m2，探討了明視覺、中間視覺、暗視覺環境及存在眩光源時NCSF和CSF曲線的變化特性及瞳孔直徑帶來的影響。

1對象和方法

1.1對象 實驗受試者為第四軍醫大學本科男性學員10名10眼,受試年齡為20.9±0.88歲，等效球鏡度數為-1.2±0.93(-2.75～0D)D。所有受檢者均排除眼科手術史、角膜接觸鏡配戴史、一切影響視功能的器質性疾病和活動性炎癥及不能配合檢查者,最佳矯正視力≥1.0。實驗過程中被試者的左眼被遮擋,以右眼作為實驗眼進行觀察。

1.2方法 通過測量得出CSF與MTF，利用公式(1)計算得出NCSF。

1.2.1 CSF的測量 采用Monpack3視覺監視系統(Vision Monitor System)測量CSF。該儀器在測量CSF時，每個測量點至少測量3次，取后兩次的平均值為結果，若這兩次相差過大，則再次測量，直至得到兩次相近的測量結果，再將這兩次結果取均值。本實驗設定環境亮度依次為1.15×10-4、1.15×10-3、1.15×10-2、1.15×10-1、1.15、11.5、115cd/m27個亮度以及存在眩光源時的115、11.5、1.15cd/m23個環境亮度。設定x軸空間頻率為0.6、1.1、2.2、3.4、7.1、14.2、17.7、23.6、35.5c/d，以這9個測量點來繪制CSF曲線。為觀察瞳孔直徑對NCSF的影響，采用沒有度數的鏡片2片，分別貼上中心有直徑3mm和5mm圓孔的黑紙，作為限定瞳孔直徑的小孔片[9]。實驗環境為暗室條件，受試者進入實驗室之前，使用球柱鏡片將右眼視力矯正到≥1.0(從近眼第二個插片槽開始插片)，記錄球柱鏡片度數。之后進入實驗室，受試者坐于距刺激屏2.0m處，受試眼平視刺激屏，與刺激屏中心點位于同一水平線上，視線與刺激屏垂直。操作者坐于操作電腦前，電腦屏用紅色遮光板遮擋，電腦桌面背景設為黑色。受試者戴上配鏡框，左眼用黑片遮擋，從右眼第二個插片槽開始插入之前記錄的球柱鏡片。暗適應20min后，由暗至亮依此測量CSF，以及存在眩光源時的CSF，每個環境亮度下的CSF測量結束后，間隔1min后再開始下一個環境亮度下的測量，得出自然瞳孔時各個環境亮度下的CSF曲線。而后用復方托吡卡胺滴眼液將受試者右眼散瞳，待瞳孔散大到超過5.0mm后，在之前配鏡的基礎上，右眼近眼的第一個插片槽插入3.0mm小孔片,暗適應20mim，其他步驟同前，得出3.0mm瞳孔時不同環境亮度下的CSF曲線。而后再進行暗適應20mim，將3.0mm小孔片換成5.0mm小孔片，得出5.0mm瞳孔時不同環境亮度下的CSF曲線。

圖1 3.0mm和5.0mm瞳孔直徑時*P<0.05vs5.0mm MTF。

1.2.2 MTF的測量 采用視覺質量分析儀(OQASⅡ)測量MTF。在暗室條件下,待受試瞳孔自然散大到≥5.0mm，依據OQAS標準操作程序進行視覺質量測量操作，將測量的瞳孔直徑設置為3.0mm，得出3.0mm MTF曲線；之后將測量的瞳孔直徑設置為5.0mm，重復測量得出5.0mm MTF曲線。

1.2.3計算得出NCSF 將OQASⅡ測得的3.0mm和5.0mm MTF的數據導入繪圖軟件origin7.5中，從曲線上截取x軸空間頻率為0.6、1.1、2.2、3.4、7.1、14.2、17.7、23.6、35.5c/d時的MTF值，輸入到Excel中。將Monpack3測得的不同環境亮度下3.0mm和5.0mm CSF的數據導入Excel中，得出對應空間頻率下的CSF。利用公式(1)，得出相應的空間頻率下的NCSF。用origin7.5做出各個環境亮度下不同瞳孔時的CSF和NCSF曲線。

統計學分析：采用SPSS 19.0軟件進行統計學分析，采用重復測量方差分析法分析環境亮度對CSF、NCSF的影響，采用配對t檢驗法分析瞳孔直徑對不同環境亮度下CSF、NCSF以及MTF的影響。P<0.05為差異有統計學意義。

圖2 不同瞳孔直徑下各個環境亮度的CSF A：3.0mm瞳孔時不同環境亮度的CSF；B：5.0mm瞳孔時不同環境亮度的CSF；C：102cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；D：101cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；E：100cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；F：10-1cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；G：10-2cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；H：10-3cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF；I：10-4cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF。*P<0.05,**P<0.01vs5.0mm CSF。

2結果

2.1不同瞳孔直徑下的MTF曲線 利用OQASⅡ測量得出不同瞳孔時的MTF曲線(圖1)。3.0mm MTF在0.6、1.1、2.2、3.4c/d上顯著高于5.0mm MTF(P<0.05),說明屈光系統在3.0mm比5.0mm瞳孔時成像更清晰。從MTF走行趨勢來看，空間頻率越高，MTF越低，提示屈光系統不擅于分辨物體的細節。

2.2不同瞳孔直徑下各個環境亮度的CSF曲線 利用Monpack3測量得出各個環境亮度的CSF曲線(圖2A～B)。隨亮度降低，CSF曲線下移，波峰向低頻區移動，提示視覺質量越差，越難以識別物體細節，越擅長識別物體的輪廓。重復測量方差分析結果如下：在各個空間頻率下，不同環境亮度的CSF有顯著性差異(P<0.01)；在各個環境亮度下，不同空間頻率的CSF有顯著性統計學差異(P<0.01)，且存在交互作用(P<0.01)。由亮至暗，在各個環境亮度下比較自然、3.0mm和5.0mm瞳孔直徑的CSF(圖2C～I)。自然瞳孔CSF始終在3.0mm和5.0mm CSF上方；102、100、10-1、10-2、10-3cd/m2時，5.0mm CSF在中低頻區均顯著高于3.0mm CSF(P<0.05)；101、10-4cd/m2時，5.0mm和3.0mm CSF無統計性差異，這提示自然瞳孔能夠通過自身調節更好的適應不同的環境亮度，視物更加清晰。而瞳孔開大會提高中低頻區的視覺質量，這種現象在中間視覺(100～10-3cd/m2)下更明顯。

2.3不同瞳孔直徑下各個環境亮度的NCSF曲線 利用公式(1)計算得出各個環境亮度的NCSF曲線(圖3A～B)。隨亮度降低，NCSF曲線下移，波峰由向低頻區移動，提示視覺神經系統功能越差，越難以識別物體細節，越擅長識別物體的輪廓。重復測量方差分析結果如下：在各個空間頻率下，不同環境亮度的NCSF有顯著性統計學差異(P<0.01)；在各個環境亮度下，不同空間頻率的NCSF有顯著統計學差異(P<0.01)，且存在交互作用(P<0.01)。由亮至暗，在各個環境亮度下比較3.0mm和5.0mm瞳孔直徑的NCSF(圖3C～I)。102～10-3cd/m2時，5.0mm NCSF在中低頻區均顯著高于3.0mm NCSF，差異有統計學意義(P<0.05)；10-4cd/m2時，50mm和3.0mm NCSF無統計性差異，這提示瞳孔開大會提高中低頻區的視覺神經系統功能，這種現象在中間視覺下(100～10-3cd/m2)下更明顯。

2.4眩光對CSF和NCSF測量的影響 利用Monpack3測出3.0mm和5.0mm瞳孔下存在眩光源時的CSF曲線(圖4A～C)，并利用公式(1)計算得出相應NCSF曲線(圖4D～F)。存在眩光源時，隨亮度降低，CSF和NCSF均下移，波峰向低頻區移動，提示識別物體能力下降，越難以識別物體的細節，越擅長識別物體的輪廓。重復測量方差分析結果如下：眩光條件時，CSF、NCSF在不同環境亮度上有顯著統計學差異(P<0.01)；CSF、NCSF在不同空間頻率上有顯著統計學差異(P<0.01)，且CSF、NCSF在環境亮度和空間頻率上存在交互作用(P<0.01)。102～100cd/m2時，3.0mm和5.0mm CSF無統計性差異；102cd/m2時，5.0mm NCSF在3.4c/d上顯著高于3.0mm NCSF，差異有統計學意義(P<0.05)，而在23.6c/d上顯著低于3.0mm NCSF，差異有統計學意義(P<0.05)，101～100cd/m2時，3.0mm和5.0mm NCSF無統計性差異，這提示存在眩光時，瞳孔開大，中低頻區的視覺質量不會得到顯著提高(僅NCSF在102cd/m2時，3.4cpd上有統計性差異)，而從X軸截止頻率上看，5.0mm曲線反而低于3.0mm曲線，在高頻區也有低于3.0mm曲線的趨勢，說明瞳孔開大反而會降低高頻區的視覺質量，干擾對物體細節的識別。

圖3 不同瞳孔直徑下各個環境亮度的NCSF A：3.0mm瞳孔時不同環境亮度的NCSF;B：5.0mm瞳孔時不同環境亮度的NCSF;C：102cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;D：101cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;E：100cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;F：10-1cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;G：10-2cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;H：10-3cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;I：10-4cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF。*P<0.05,**P<0.01vs5.0mm NCSF。

3討論

早期測量NCSF的方法是利用激光干涉的原理，將很高空間頻率的正弦光柵條帶直接投射到視網膜上[4, 11]。這種方法雖然避開了屈光系統的影響，但激光的相干噪聲和散斑[12]等現象會影響測量的精度，而且這種技術只能測量某種波長下的NCSF，具有一定的局限性[5]，目前在眼科臨床與研究中多采用CSF和MTF的比值得到NCSF[2-3, 5, 13]。其中關鍵的技術問題是MTF的獲得，OQASⅡ應用780nm 的近紅外點光源，直接對點光源在視網膜上所成圖像進行傅立葉變換，得到點擴散函數(point scatter function, PSF)，該函數反映了點光源投射到視網膜后發生的光強度以及其位置偏差，能夠全面地反映眼內光學成像質量的信息，提供了光線在眼光學系統的散射和高階像差的綜合結果，其具有客觀準確、操作簡便等特點[14-15]。因此，應用OQASⅡ得出的NCSF更為準確、客觀、便捷。MTF主要受瞳孔直徑影響。當瞳孔小于1.5mm，衍射比球差對光學質量影響更大，2～3mm時，衍射和球差共同影響光學質量，直徑達到4mm時，視覺分辨力相對穩定。以后隨著瞳孔直徑的增加，球差逐漸增大，此時屈光系統光學質量下降[7]。本實驗瞳孔設置為3.0和5.0mm，經OQASⅡ檢測，3.0mm MTF要高于5.0mm MTF，說明3.0mm瞳孔時的光學質量要高于5.0mm瞳孔。

圖4 眩光對CSF和NCSF的影響 A：眩光影響下102cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF;B：眩光影響下101cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF;C：眩光影響下100cd/m2時不同瞳孔直徑的CSF;D：眩光影響下102cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;E：眩光影響下101cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF;F：眩光影響下100cd/m2時不同瞳孔直徑的NCSF。

皮層下的視覺加工通道主要分為兩種，即大細胞通道和小細胞通道，它們在視網膜上出現結構上的分離。分布于視網膜外周部的視桿細胞接收視覺信息輸入后通過視神經束傳導至外側膝狀體的大細胞層，集中于視網膜中央凹附近的視錐細胞則將所接收的視覺信息傳入小細胞層[16-17]。這兩個通道是可以對不同空間頻率的信息進行加工，大細胞通道對模糊的輪廓等低頻信息敏感。小細胞通道對高空間頻率信息敏感[18-19]。

環境亮度降低時，視網膜上感光細胞接受到的光信號變弱，視覺質量下降，NCSF下移；小細胞通道受到的影響更顯著，識別物體細節的能力變的更差，相對更擅于識別低空間頻率、大視角的物體，NCSF波峰左移，所以在漆黑的夜晚只能看到物體的輪廓。而瞳孔直徑變大時，更多的視網膜周邊細胞得到光信號刺激，大細胞通道功能提高，NCSF在中低頻區上移，識別物體輪廓能力增強；而存在眩光源時，過強的光線會干擾小細胞通道的功能，NCSF在高頻區下降，X軸截止頻率也隨之下降，識別物體細節能力減弱，所以夜間瞳孔會開大以更好地識別物體，而光線過亮時瞳孔會縮小，一方面保護視網膜免受光損傷，一方面也能提高分辨物體細節的能力。

視覺神經系統是對亮度的敏感部位，是識別物體的主要因素，而屈光系統會聚光線的同時，會一定程度降低視覺質量，對識別物體有一定干擾作用，這種作用越往高頻區越明顯。CSF受MTF和NCSF共同決定，與NCSF曲線形狀相近，都為倒“U”形，而MTF為“L”形遞減曲線，當NCSF在高頻區達到波峰時，MTF處于較低水平，此時CSF的波峰受NCSF和MTF共同影響，較NCSF更靠近低頻區。當環境亮度降低時，CSF和NCSF變化相近，曲線下移、波峰左移。當瞳孔開大時，MTF下降，若NCSF在中低頻區明顯上升(中間視覺環境下)，CSF將隨NCSF上升，若環境很亮或存在眩光時，NCSF在中低頻區上升不明顯，CSF將可能沒有變化。而在高頻區，NCSF幾乎不變或下降，CSF就很可能隨MTF下降。在暗視覺環境中，NCSF處于較低水平，從3.0mm到5.0mm這樣小幅度的瞳孔改變不足以對NCSF和CSF造成顯著影響，故在結果中兩條曲線沒有顯著差異。而此時自然瞳孔可以開到7mm甚至更大，所以自然瞳孔CSF仍舊在3.0mm、5.0mm CSF上方。

本研究探討了環境亮度和瞳孔直徑這兩個因素對NCSF的影響，并與CSF進行比較，結合MTF，采用雙通道技術分析光學因素和神經因素對視覺質量的影響。但本研究計算NCSF仍有一些不足，在測量固定瞳孔的CSF時，采用的是受試散瞳后用小孔片遮擋的方法，而測量MTF時，是在暗室環境下待受試瞳孔自然散到大于5.0mm，這其中可能有調節的因素對結果造成干擾。此外，測量NCSF時是用常規配鏡的方法對受試眼進行校正，而測量MTF時，是利用OQASⅡ自動校正。這兩種校正方法均能排除低階像差，但方式不同，也可能對結果造成影響，這些問題需要以后進一步研究。

人眼的視覺質量由光學因素和神經因素共同決定，光學因素可以用屈光系統MTF作為檢測指標，神經因素可以用NCSF作為檢測指標。白內障、圓錐角膜等屈光系統病變都會使MTF發生改變，而糖尿病視網膜病變、視網膜黃斑病變以及大腦神經中樞病變都會使NCSF改變。NCSF對視覺神經系統相關疾病的科學研究、早期診斷、功能測定以及預后隨訪都有重要意義。明確正常人NCSF受環境亮度、瞳孔直徑影響的曲線特性對深入認識NCSF、推動NCSF在科研、臨床上的應用都有著積極作用。

評價人眼視覺功能質量，從光學因素和神經因素兩方面評價更為科學，將NCSF、MTF以及CSF作為檢測指標要比單一CSF檢測更為全面、細致。對飛行員、駕駛員等一些視功能要求較高特殊行業從業者來說，檢測特定環境亮度的CSF能夠預示其在特定環境中識別不同對比、不同大小目標的能力，針對特定的工作環境，應用相應環境亮度下的CSF更能選拔出適合的從業者。如選拔夜航飛行員，應用暗環境的CSF檢測就更為合適。在CSF的基礎上，檢測MTF并得出NCSF，能夠更清晰地了解其視覺功能狀況。對于CSF異常者，MTF和NCSF能夠提示功能改變發生的位置，對疾病的診療更有幫助。

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Effects of surround luminance and pupil diameter on neural contrast sensitivity function

Guan-Hua Zhao1, Rui-Dan Cao1, Lei Zhang1, Wei-Ming Yan1, Tao Chen1, Bin Wang1, Yi-Feng Ding2, Mei-Yan Wang1, Zuo-Ming Zhang1

Zuo-Ming Zhang. Department of Clinical Aerospace Medicine, the Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China. zhangzm@fmmu.edu.cn

?AIM: To analysis and compare the influence of surround luminance and pupil diameter on neural contrast sensitivity function (NCSF) and contrast sensitivity function (CSF).

contrast sensitivity; neural contrast sensitivity; luminance; pupil

全軍后勤科研重大項目(No.AKJ11J002)；全軍后勤科研重點項目(No.BKJ14C008)

1(710032)中國陜西省西安市，第四軍醫大學航空航天醫學系；2(710032)中國陜西省西安市，第四軍醫大學學員一旅五營十七連

趙冠華，男，在讀碩士研究生，研究方向：視覺科學、眼視光學。

張作明，男，教授，副主任醫師，博士研究生導師，研究方向：視覺生理學、眼科醫學.zhangzm@fmmu.edu.cn

2016-08-07

2016-11-08

:Zhao GH,Cao RD, Zhang L,etal. Effects of surround luminance and pupil diameter on neural contrast sensitivity function.GuojiYankeZazhi(IntEyeSci) 2016;16(12):2279-2284

10.3980/j.issn.1672-5123.2016.12.28

Received：2016-08-07 Accepted：2016-11-08