一種新型的弱視診斷與治療方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)

【作 者】周天翊，李書印，陳星，張大龍，周秦武 長春理工大學生命科學技術學院，長春市，00 西安交通大學生命科學與技術學院，西安市，70048

一種新型的弱視診斷與治療方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)

【作 者】周天翊1，李書印2，陳星2，張大龍2，周秦武2
1 長春理工大學生命科學技術學院，長春市，120022 2 西安交通大學生命科學與技術學院，西安市，710048

弱視是兒童發(fā)育過程中的常見病，傳統(tǒng)的弱視治療方法存在依從性差、易導致健眼視力問題、雙眼視和立體視恢復效果差等弊端。該文提出了一種新型的個性化弱視診療系統(tǒng)，結合圖形視覺誘發(fā)電位和雙眼平衡視覺訓練模式，通過采集腦電信號和同步觸發(fā)信號，準確測量了圖形視覺誘發(fā)電位（P_VEP）潛伏期和波形，實現(xiàn)了弱視的輔助診斷和治療反饋，搜索得到了治療訓練圖形的最佳空間頻率，結合3D顯示技術，提出了一種雙眼平衡模式下的個性化弱視診療解決方案。

弱視診療；圖形視覺誘發(fā)電位（P_VEP）；雙眼平衡

0 引言

在臨床和視覺研究中，弱視是指眼部無明顯器質(zhì)性病變，單眼或雙眼的視功能減退，以功能性因素為主引起的遠視力≤0.8。據(jù)報道，中國兒童弱視發(fā)病率為0.81%～2.80%，在醫(yī)療條件缺乏地區(qū)可能更高[1]。弱視不僅嚴重影響了患者的生活質(zhì)量，學習和工作，還會影響患者的心理健康。因此，弱視已受到廣泛的重視，成為研究的熱點問題。

1 弱視治療方法

1.1 視覺誘發(fā)電位指導治療弱視

圖形視覺誘發(fā)電位（P_VEP）（圖1）是棋盤格翻轉，誘發(fā)視網(wǎng)膜進行刺激，經(jīng)過視路傳送到枕葉視皮層的電活動。臨床研究表明，弱視患者的P_ VEP的潛伏期要長于正常人，波峰要小于正常人。并且存在較優(yōu)空間頻率，使得在一定空間頻率的圖形刺激下，弱視眼有相對較好的P_VEP表現(xiàn)（潛伏期更短、波峰更明顯）。因而利用P_VEP可以診斷和指導弱視治療[2]。

圖1 正常人的P_VEP波形Fig.1 Normal P_VEP wave shape

浙江大學王麗萍等[3]研究了弱視治療參數(shù)閾值分析及療效評價。利用錯相疊加法和小波變換法，研制了基于P_VEP提取技術的弱視治療參數(shù)閾值分析子系統(tǒng)，并對患者進行個性化治療，取得良好效果。李恒健等[4]利用測量患者的視覺誘發(fā)電位，搜索及檢測選取最佳的空間頻率，制取相應的訓練光盤，在對4～11歲弱視兒童107例（177只眼）治療后，隨訪2～6個月，總有效率100%。

1.2 雙眼平衡視覺訓練模式治療弱視

傳統(tǒng)觀點認為，弱視是由于患者兩只眼睛接收到的信息沒有融合在一起的。然而，最新的研究表明，弱視患者的兩眼信息融合的神經(jīng)機制是完好的，雙眼視覺功能的缺失主要是由于在雙眼同時工作時兩只眼睛的輸入不平衡導致的，而不是缺乏雙眼視融合能力[5]。

HESS等[6]研究了弱視患者的雙眼運動信息融合能力，發(fā)現(xiàn)正常人主導眼存在輕微的不平衡，弱視眼能夠克服正常眼的抑制，感知相干運動方向。

研究表明，運用各種依從性和趣味性強的多媒體手段，如游戲，視頻等，也可以達到很好的治療弱視的目的[7]。Li R等[8]發(fā)現(xiàn)玩動作視頻游戲可以增強對比度敏感度，為視力改善提供了另一個思路。加拿大McGill大學研究團隊通過臨床實驗證明，俄羅斯方塊有助于雙眼聚焦于同一目標，進而矯正視力[9]。Gargantini A等[10]開發(fā)了一個使弱視雙眼平衡的3D治療系統(tǒng)，視頻流分別通過增強濾鏡和弱化濾鏡進入弱視眼和正常眼，治療效果顯著。

2 系統(tǒng)總體設計

本課題組研制的基于圖形視覺誘發(fā)電位的弱視治療系統(tǒng)由上位機、CRT刺激顯示器、皮膚電極、腦電采集卡（放大器）和IO卡組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 新型弱視治療系統(tǒng)功能框圖Fig.2 New amblyopia treatment system function chart

該系統(tǒng)是一個完整的具有反饋控制的弱視治療系統(tǒng)平臺，上位機軟件將翻轉的棋盤格輸出到CRT顯示器上，刺激弱視患者的視覺系統(tǒng)，從而誘發(fā)出視覺誘發(fā)電位。波形通過皮膚電極輸入到ADS1299腦電采集卡中。在上位機軟件輸出棋盤格的同時，觸發(fā)同步方波信號給采集卡，作為同步輸入信號一并采集，作為后續(xù)計算誘發(fā)電位潛伏期使用。

原始的VEP信號通過疊加和小波分析算法，提取出P_VEP波形。根據(jù)P100波的峰值和時延，一方面可以輔助診斷弱視，另一方面，可以搜尋出弱視患者最佳的刺激空間頻率，將此空間頻率作為患者治療的空間頻率，由上位機軟件產(chǎn)生相應的治療刺激波形。再結合3D顯示技術和雙眼分視的治療原理，對患者進行刺激治療。在不同的療程中，患者的P_VEP波形會有相應的改善，反饋系統(tǒng)能夠自動地搜尋出當前患者的新的刺激最佳空間頻率。從而達到個性化弱視加速治療的目的。

3 硬件電路部分的設計

系統(tǒng)采用TI公司的ADS1299為核心器件，該模塊是專門為腦電信號采集而設計的。內(nèi)部集成有差分輸入的8路PGA和ADC，內(nèi)部集成的偏置驅動放大器可以作為右腿驅動電路，信號控制和數(shù)據(jù)傳輸采用SPI接口實現(xiàn)。

由于該模塊在采樣頻率不超過8 kHz時ADC的轉換精度可以達到24位，即當VREF=4.5 V時其信號電壓的分辨率為：

因此，腦電信號（0.5 μV～100 μV）可以通過具有高共模抑制比的差分輸入PGA后，直接進入ADC采樣，而基線漂移、陷波等處理則根據(jù)實際需要由軟件完成。

4 系統(tǒng)軟件部分的設計

圖3 弱視診療系統(tǒng)軟件部分整體框架Fig.3 The framework of the software system

系統(tǒng)軟件部分的設計如圖3所示。其中包括弱視診斷系統(tǒng)、弱視治療系統(tǒng)、病人數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和專家輔助系統(tǒng)。

弱視診斷系統(tǒng)是用來檢測弱視患者視覺生理參數(shù)的部分，可以了解弱視患者當前的狀況，以方便接下來的視功能訓練。其中尤其重要的是，P_VEP的測量將為系統(tǒng)提供患者的最佳刺激空間頻率，這給P_VEP反饋訓練系統(tǒng)提供了必要的電生理參數(shù)。

視功能訓練系統(tǒng)是系統(tǒng)的主要部分。P_VEP反饋訓練系統(tǒng)通過測量P_VEP獲得患者的最佳空間刺激頻率來選擇最佳的刺激方案，達到療效的最大化。雙眼平衡訓練系統(tǒng)通過3D顯示技術將視頻和游戲處理后分送至弱視眼和正常眼，并且使得雙眼抑制平衡，讓兩只眼睛同時工作，從而達到比單眼更好的療效。

病人數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)：該部分主要完成患者的管理，對患者的基本信息和生理數(shù)據(jù)進行管理，方便隨時查詢和輸出。

專家輔助系統(tǒng)在弱視治療方案與效果的基礎上不斷總結、概括歸納而成，充分體現(xiàn)了弱視治療中有關眼科弱視專家和弱視治療醫(yī)生的知識和經(jīng)驗。

5 VEP處理算法部分

5.1 采集信號的數(shù)字濾波預處理

腦電信號非常微弱，為微伏量級的信號，會受到工頻干擾的嚴重影響。采用模擬陷波器會使模擬電路十分龐大，而數(shù)字帶阻濾波器可通過軟件配置靈活調(diào)整濾波器的截止頻率，這是模擬濾波器無法做到的。采集到的腦電原始信號和提供時間基礎的同步信號如圖4所示。

圖4 原始腦電信號以及同步方波信號Fig.4 The Raw EEG data and synchronous square signal

所以在系統(tǒng)中我們設計的14階Butterworth帶阻數(shù)字陷波器，特性如圖5，在50 Hz處的增益小于-80 dB?？梢杂行V除50 Hz工頻干擾。

5.2 VEP小波提取

利用小波分析算法提取出了誘發(fā)電位。采用的方法是選擇與能反映誘發(fā)電位主要特征的尺度上的細節(jié)或逼近信號，進行重建，以達到增強信號，抑制噪聲，提高信噪比的目的。研究中選用5階Daubechies小波db5。首先進行少量次的累加平均，初步抑制噪聲，然后進行小波8尺度分解和重建。實驗數(shù)據(jù)分析表明，誘發(fā)電位能量主要集中在小波d5、d6、d7細節(jié)上，該頻帶能較好地反映信號的主要特征。因此選擇這三個尺度上的小波系數(shù)重建信號，完成小波時頻濾波，所提取的波形如圖6所示。

圖5 濾波器幅頻特性和相頻特性Fig.5 Filter amplitude- frequency and phase-frequency characteristics

圖6 小波方法提取出的VEP波形Fig.6 Wavelet extraction of VEP waveforms

5.3 最佳空間頻率的選擇

得到完整的P_VEP波形之后，利用P_VEP的潛伏期和幅值就可以實現(xiàn)輔助診斷弱視。同時，還可以搜索到人眼視覺神經(jīng)系統(tǒng)最佳的空間刺激頻率。

圖7是該被試者右眼在時間頻率下第一次檢查時的空間頻率閾值搜索曲線。其中3條曲線分別表示在不同空間頻率的圖形刺激下P_VEP的P100的波峰延時、波峰振幅和波峰振幅/延時的變化曲線。

圖7 空間頻率閾值搜索曲線Fig.7 Space search frequency threshold curve

實驗通過改變刺激的空間頻率，也就是棋盤格方塊的大小，可以看出患者的P_VEP波形隨著空間頻率的變化，表現(xiàn)也不一樣，即存在最佳的空間頻率轉折點閾值30×24，在其兩端P_VEP表現(xiàn)不穩(wěn)定，但閾值處的P_VEP峰值最大，延時最小，即對患者的刺激最強，治療效果最好。選取此時的刺激空間頻率作為該患者的最佳刺激空間頻率參數(shù)，生成相應的刺激治療圖形，并結合3D顯示技術，利用雙眼分視原理，刺激患者神經(jīng)系統(tǒng)，治療弱視，可望取得最佳治療效果。

6 討論

本文在分析了國內(nèi)外對于弱視治療先進的綜合療法最新研究狀況的基礎上，針對傳統(tǒng)的治療方法的依從性差、易導致健眼的視力問題、雙眼視和立體視恢復效果差、缺乏客觀參數(shù)指導、兒童弱視患者機體的覺醒狀態(tài)處于較低水平等諸多弊端，提出了一種新型的結合了圖形視覺誘發(fā)電位（P_VEP）和雙眼平衡視覺訓練模式的弱視診療系統(tǒng)。系統(tǒng)使用ADS1299和IO卡采集得到原始EEG信號，利用疊加平均和小波算法提取出P_VEP波形，利用同步方波信號解決了誘發(fā)電位潛伏期測量問題。實現(xiàn)了弱視的輔助診斷功能。通過搜索最佳刺激空間頻率，對患者進行了個性化的治療，避免了治療刺激的盲目選擇。同時利用雙眼平衡原理和3D顯示技術，使用游戲和視頻對患者進行治療，治療過程豐富有趣，患者依從性高，治療效果顯著。

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Study of New Amblyopia Diagnostic and Treatment Method and System Implementation

【 Writers 】ZHOU Tianyi1, LI Shuyin2, CHEN Xing2, ZHANG Dalong2, ZHOU Qinwu2
1 School of Life Science and Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun, 120022 2 School of Life Science and Technology, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049

amblyopia diagnostic and treatment, pattern reversal visual evoked potential (P_VEP), dichoptic training model

R777.44

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.04.006

1671-7104(2017)04-0255-04

2016-10-08

周天翊，E-mail: 327445173@qq.com

周秦武，E-mail: zhaozm@mail. xjtu.edu.cn

【 Abstract 】Amblyopia is the common disease in the children’s growth. There are some disadvantages in traditional treatment to amblyopia, such as poor compliance, easily leading to the healthy eye eyesight problem, the poor recovery of binocular and stereoscopy vision, etc. This paper put forward a new individual amblyopia treatment system to solve these problems. It combined pattern reversal visual evoked potential (P_VEP) feedback and dichoptic training theory and then developed the EEG data acquisition and synchronized trigger circuit using and I/O data collecting card, realized the raw EEG signal real-time sampling, extracted VEP waveform from the raw EEG data by using digital filtering algorithm, average superposition algorithm and wavelet an lgorithm, finally，the latency and peak of P_VEP wave shape were accurately measured. This system also present an individual treatment solution based on dichoptic training model by searching and obtaining the best spatial frequency of the treatment training picture and combining with 3D display technology.