視覺誘發電位視力客觀檢查技術的研究進展

徐光華,鄭小偉,田沛源,杜成航,張四聰

(1.西安交通大學機械工程學院,710049,西安; 2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710054,西安)

人類在認識世界及感知事物時,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重要的角色。然而,世界上現有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加劇這個風險[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小或遙遠的物體及細微部分的能力。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用“E型”、Sloan字母等視力檢查表,視標大小按照對數級數增減,視力表可以遠近移動而不影響測量值,便于臨床應用和統計分析,且其簡單直觀,但不能應用于嬰幼兒、偽盲者和癔癥等患者[3-5]。

隨著研究技術的不斷發展,應用視覺誘發電位(VEP)等電生理方法客觀評估視覺功能成為視光學領域的研究熱點[6]。VEP反映了從視網膜到V1紋狀區視覺通路的生物電活動,眼球、視網膜、視神經、視路和視覺初級皮層的異常都可以通過VEP進行客觀檢查。VEP視覺功能檢查通過設置可表征不同視覺功能的視覺刺激參數,并誘發腦電響應,應用信號處理方法分析腦電信號,提取腦電特征指標,構建視覺刺激參數與視覺功能腦電特征指標關系模型,基本原理如圖1所示。從20世紀70年代至今,VEP視力的客觀檢查技術已發展成為研究范圍最廣、最成熟的眼科學電生理客觀檢查方法之一[6-9],VEP視力檢查技術已成為法醫學客觀視覺功能鑒定、嬰幼兒早期視覺評估等方面的重要手段[10]。基于此,本文首先對VEP視力檢查方法進行概述,進而從不同方面分析比較現有的研究發展,然后對未來的研究進行展望。

圖1 VEP視覺功能檢查原理示意

1 視覺誘發電位視力檢查概述

視覺誘發電位是視覺受刺激后,在大腦視覺皮質所產生的電信號,可通過在頭皮上的電極進行采集并進行信號分析[11]。因為VEP不僅反映視覺皮質的功能,也具有反映眼球、視網膜和視神經到視皮質的傳遞通道的功能,且信號記錄不依賴于人的主觀評斷,故而可應用于視力的客觀檢查[12]。

1.1 VEP視力檢查理論基礎

對應于視力檢查表不同視角間隔的“E型”“C型”或Sloan字母等視標,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的電位信號。當視覺刺激清晰可見時,會誘發產生信噪比高、幅值大的VEP信號;當視覺刺激模糊或眼睛對刺激變化不可見時,不能誘發出穩定且有規律的腦電信號[13]。VEP視力值可根據誘發的腦電信號進行判定,通過信號分析找出VEP產生與否的臨界情況,該臨界情況所對應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

根據視覺刺激時間頻率的不同,VEP可分為瞬態視覺誘發電位(TVEP)和穩態視覺誘發電位(SSVEP)。當視覺刺激時間頻率小于3 Hz時,前一個刺激誘發的腦電響應不會對當前刺激誘發的信號產生影響,故而每個刺激都會產生一個相似的包含正波和負波的波形,稱為TVEP。當視覺刺激時間頻率大于3 Hz時,刺激頻率足夠快,故上一個刺激誘發的腦電響應還未完全消失,下一個刺激引起的響應已經出現,最終形成具有節律性正弦波性質的SSVEP信號[4,14-17]。

對應地,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的腦電信號通過多次疊加平均,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長。研究發現,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在頻域進行分析,觀察不同空間頻率刺激對應的SSVEP幅值變化。研究發現,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視力檢測系統組成

VEP視力檢查系統包括硬件設備和軟件系統兩部分。硬件設備主要包括視覺刺激器、腦電采集平臺和計算機主控制器等,如圖2所示。軟件系統包括視覺刺激范式生成算法、腦電信號處理算法和視力閾值判定算法等。

圖2 VEP視力檢查系統組成

1.3.1 視覺刺激器 視覺刺激器是用來顯示刺激范式的設備,視覺誘發電位腦機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時刺激屏的平均亮度必須恒定的要求。但是,隨著技術的發展,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 腦電采集平臺一般由腦電采集電極、生物信號放大器與數據傳輸系統組成。其中,腦電電極多采用Ag、AgCl、Au等材料制作而成,依據國際10-20電極標準和國際臨床電生理和視覺學會(ISCEV)電極標準布置[18-19],記錄電極多放于枕區Oz處,參考電極多置于Fz、Cz和Fpz等頭部左右對稱的中線處,而接地電極多置于耳垂、前額等處。記錄到的信號經過信號放大器放大后傳輸至主控制器,由主控制器進行數據存儲與處理[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出現的周期數作為空間頻率,棋盤格以45°對角線的黑白方格在單位角度內出現的周期數作為空間頻率,通過刺激范式生成算法調節參數,可改變不同刺激范式的空間頻率,并通過模式翻轉的刺激方式進行范式呈現。此外,本課題組最近的研究設計了一種振蕩收縮擴張的同心環刺激范式,相對于上述的3種刺激范式,具有低視覺疲勞、低對比敏感性的特性[3,21-24],其刺激呈現過程如圖4所示。

圖3 常用的3種VEP視力檢查刺激范式

圖4 同心環收縮-擴張運動刺激范式

2.2 刺激范式參數

2.2.1 時間頻率 TVEP視力檢查的刺激時間頻率多為2 Hz[14,25]和1 Hz[26],有些研究也會有其他時間頻率,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],但也有其他時間頻率,例如17[33]、10[34]、6 Hz[35-36]。Almoqbel等對不同時間頻率的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,由亮度計測量得到。為了避免亮度偽跡(顯示器的液晶分子在一個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變時間上的差異導致的光脈沖)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推薦的亮度標準50 cd/m2相同[12,19]。

2.2.3 對比度 刺激范式的對比度是指Michelson對比度[19],由白色和黑色條紋的亮度所決定。最常用的對比度為80%[12,29,39-41],這與ISCEV推薦的對比度相一致[19]。Bach等推薦了一個比較低的對比度,只有40%[32,42-44]。他們認為由于VEP隨著對比度的變化函數在早期就已飽和,因此中等對比度就足以誘發全振幅的VEP[45],而且當對比度較低時,顯示器的伽瑪校正(即顯示器的RGB參數與顯示亮度之間的非線性關系)很容易實現[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。空間頻率通俗而言,是指刺激范式黑白條紋的疏密程度,以每度視角內出現的黑白周期數(周/(°))為單位。為了得到更好的VEP視力檢查結果,一般情況下,大多數的空間頻率對于被試應該設置為可見。依據前期研究,一般空間頻率范圍都在3～30周/(°)[34,36,48-50],與小數視力標準的1.0～0.1相對應,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,這是因為嬰幼兒的視覺功能是隨著時間的推移而不斷發育的[40-41,51-53]。對于視力損傷的被試,空間頻率范圍也會相應比正常值低[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響應來估計客觀視力閾值。表1總結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用[51,53,57-59],并且至今仍有應用[36,41,60-61]。線性外推法繪制VEP響應振幅和空間頻率散點圖,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對應的空間頻率即為VEP估計的視力值。當存在多個VEP幅值峰值時,選擇最后的峰值作為外推的起點。隨著空間頻率的增加,VEP相位一般是恒定的或逐漸滯后的,這是因為VEP潛伏期隨空間頻率的增加而增加[13,30,62]。一些研究對線性外推法進行了改進,例如,將VEP振幅峰值外推到平均噪聲水平對應的空間頻率作為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的VEP所對應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,當VEP響應對3個連續減小的檢查結果評分為“檢測到”“檢測到”“未檢測到”時,進行評分,從而定義視力閾值[69]。Hemptinne等定義視力閾值為最后一個有顯著性響應的視覺刺激所對應的空間頻率,并且在此之前的4次VEP響應中至少有3次響應是顯著的[34]。

Bach等提出了一種逐步啟發式算法,可以有效地避免中間檢查尺寸所出現的“下陷”[32]。該算法通過一系列VEP振幅和噪聲估計規則,找到噪聲校正VEP振幅與對數空間頻率回歸的最優范圍,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系圖,用二階多項式函數和手動設置游標的方法對數據點進行擬合,從與橫軸的截距計算出臨界空間頻率閾值[14]。Strasser等采用二階多項式的多元線性回歸方法和改進的Ricker模型非線性回歸方法擬合VEP峰值振幅和空間頻率,發現二階多項式模型和改進的Ricker模型在預測VEP視力方面都有很好的效果[27]。

最近,Bach等在108個案例上使用機器學習的算法將相應VEP信號轉化為視力值,總共測試了100多種不同的算法,發現基于規則和多元回歸的算法表現最好[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。當外推法由于中間檢查尺寸所出現的“下陷”而無法確定VEP視力閾值時,最小尺寸法或逐步啟發式算法可以作為替代算法。

4 臨床應用

4.1 兒童視力發育研究

VEP也被用于對嬰幼兒視力發育的研究。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月齡時的20/150發育到6月齡時的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等發現VEP和優先注視法(PL)視力差異由2月齡時的2.0行變為12月齡時的0.5行,VEP和PL視力以不同的速度發育,在12月齡時幾乎達到相同的水平[77-78]。Allen等發現VEP視力比PL視力稍高[52]。Riddell等對嬰兒的VEP和Teller檢查卡(TAC)視力進行測試,發現VEP視力普遍高于TAC視力,但TAC視力的發育速度比VEP視力更快,在14月齡時二者達到相同水平[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。經過40余年的發展,科學家已經應用VEP檢查技術對皮質性視損傷(CVI)[41,79-82]、弱視[7,43,61,66,71]、腦癱[83-85]、白內障[86-88]、青光眼[54,88]、白化病[59]、糖尿病[38]、唐氏綜合癥[89]等可對視覺功能造成影響的疾病以及其他黃斑病變[59,90-91]、視網膜病變[90,92-94]、視神經損傷[90,95-97]、眼球器質性變異[64,95]和眼科外傷[92,96,98]等病癥進行了臨床研究。通過這些研究:①驗證了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驗證了VEP可為眼科疾病(如白內障、青光眼等)術后的視力恢復提供預測手段[86,88];③VEP可為非器質性視覺損傷(如CVI、弱視等)的視力檢查和康復訓練視力監控提供客觀方法[7,61,66]。

5 總結與展望

VEP已被用作客觀評估視力的一種方法,尤其是在智力低下的非言語嬰兒、裝病或癔癥的成人中。本文從腦電設備平臺、視覺刺激范式、實驗參數設置、視力閾值判定算法和臨床應用等方面綜述了VEP視力檢查技術。對于研究者和臨床醫生,為VEP視力測試技術制定一個共同的標準是非常重要的,這是因為在測試系統的構建、實驗測試以及數據處理和分析的過程中,必須考慮到許多的參數設置。這一通用標準可以使該技術得到更廣泛和快速的應用,使VEP乃至電生理學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,進而進行早干預和早治療,從而緩解世界上近視和視力障礙日益嚴峻的境況。