CN113080840B

CN113080840B - 基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统

Info

Publication number: CN113080840B
Application number: CN202110306483.8A
Authority: CN
Inventors: 徐光华; 郑小伟; 田沛源; 杜成航
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN113080840A

Abstract

基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，包括刺激范式设计模块、SSVEP信号采集、处理与特征识别模块、基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块和视敏度判定与反馈模块，使用光栅、棋盘方格或同心环作为视觉刺激范式，并预设时间频率等参数，根据心理物理学视敏度测量函数，通过最大似然方法来自适应设置每次测试的刺激范式空间频率参数，使得在较短的测试时间内完成视敏度的精准评估，为眼科检查中视敏度提供客观快速精准的检查。

Description

基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统

技术领域

本发明涉及脑-机接口与眼视光学检查技术领域，具体涉及基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统。

背景技术

世界卫生组织的数据显示，全球有22亿人患有视力障碍，并且由于人口增长和老龄化，这一趋势可能还会增加。视敏度检查是眼科学最基本的研究任务之一，常见的视敏度测试主要依赖于被试的主观感受和配合，如字母视标视敏度表和翻滚E视敏度表等。对于有沟通问题的人，如语前儿童或幼儿，不适合利用这类方法进行视敏度评估；成年人也可能受到环境因素的影响产生误判；在法医学检验中不能排除被鉴定者的谎报与欺骗。

脑-机接口(BCI)和脑电图(EEG)，为视觉功能评估提供了更客观、更直接的新方法。近年来，不少学者利用扫描视觉诱发电位(sVEP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、模式视觉诱发电位(PVEP)等方法完成了对视敏度的客观检查。但目前的研究主要着眼于通过改变一些相关刺激参数以确定视敏度阈值，并与主观的心理物理学测试相结合，验证了视觉诱发电位视敏度检查的可行性。

但是，传统的视觉诱发电位视敏度评估所花费的时间较长，由于要呈现视觉刺激范式的所有空间频率梯度，单眼检查可能需要几分钟甚至十几分钟。长时间的视觉凝视会导致视觉疲劳，进而影响脑电反应，从而会对视敏度评估的结果产生影响，特别是面向婴幼儿检查时。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，使用光栅、棋盘方格或同心环作为视觉刺激范式，并预设时间频率等参数，根据心理物理学视敏度测量函数，通过最大似然方法来自适应设置每次测试的刺激范式空间频率参数，使得在较短的测试时间内完成视敏度的精准评估，为眼科检查中视敏度提供客观快速精准的检查。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，包括以下模块：

1)刺激范式设计模块：使用SSVEP脑机接口方法，以竖直正弦翻转光栅、竖直方波翻转光栅、水平正弦翻转光栅、翻转棋盘方格或运动收缩扩张同心环作为刺激范式，通过改变光栅、棋盘方格、同心环的黑白条纹间隔，调整刺激范式的空间频率；每单次刺激时其时间频率随机设置为7.5,8,8.57,9.23,10,10.91,12和13.33Hz其中之一；

2)SSVEP信号采集、处理与特征识别模块：在使用者头部视觉枕区PO3、PO4、POz、O1、O2和Oz安放测量电极，在其左耳垂A1位置安放参考电极，在其头部前额处位置FPz安放地电极，电极注入导电膏；电极与脑电采集设备的输入连接，经过放大、滤波与数模转化处理，输出脑电信号数据；使用典型相关分析(CCA)对脑电信号数据进行处理，提取刺激频率特征，若提取的刺激频率特征与刺激范式预设的频率相同，即说明刺激诱发了显著性的SSVEP；否则，则表示本次刺激SSVEP诱发不显著；

3)基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块：对应于标准对数视敏度检查表视标，设计一系列不同空间频率的SSVEP视敏度检查视标；最初的6个SSVEP视标空间频率为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.0logMAR；从第7个SSVEP视标开始，依据之前所有视标空间频率值与其CCA方法判定的诱发显著性，使用最大似然估计方法来自适应计算下次视标所需呈现的空间频率值，其公式为：

式中：

L_v0——似然估计；

i——本次之前的测试数目；

m——诱发SSVEP显著性的数目；

n——诱发SSVEP不显著性的数目；

vi——第i次视标的空间频率；

v0——空间频率阈值，也是下次视标所需呈现的空间频率值；

P_v0——心理物理学视敏度测量函数，其表达式为：

式中：

v——空间频率；

s——函数斜率，设置为2；

P_g——转折点对应的概率，为随机概率12.5％与最大概率100％的平均值，即56.25％；

4)视敏度判定与反馈模块：计算机通过在240Hz高刷新率显示器上呈现刺激范式；在检查过程中，使用者需要坐在显示器前，根据屏幕提示注视刺激范式，每次进行单眼测试；根据刺激范式设计模块选择刺激范式类型、刺激频率的参数，根据基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块确定刺激范式的空间频率，通过SSVEP信号采集、处理与特征识别模块进行信号处理；每次刺激范式呈现时长为4s，中间间隔2s呈现下一次刺激；在刺激次数达到18次时，呈现的空间频率梯度收敛至某值，该值即为最后的SSVEP视敏度检查结果；单眼测试2分钟；完成所有刺激范式刺激后，使用者的视敏度值通过屏幕反馈输出。

所述的刺激范式设计模块中刺激范式中竖直正弦翻转光栅、竖直方波翻转光栅、水平正弦翻转光栅、翻转棋盘方格和运动收缩扩张同心环5种类型，在检查中，根据实际需要选取刺激范式类型；刺激范式均由黑白色组成，其亮度为80cd/m²，黑白对比度为50％；其预设的8个刺激频率7.5,8,8.57,9.23,10,10.91,12和13.33Hz均可被显示器刷新率240Hz整除，以满足刺激范式显示的精确性。

所述的刺激范式设计模块通过MATLAB的PsychophysicsToolbox工具箱编程绘制刺激范式图案，保证刺激范式诱发SSVEP的稳定性。

所述的视敏度判定与反馈模块中2s的时间间隔不仅给用于被试短暂休息，也是最大似然估计算法确定下次刺激呈现的空间频率所需的最长计算时间；在第12次和第18次刺激显示时，其视标空间频率设置为最大似然估计所得值的1/4倍，保证使用者足够配合检查。

所述的视敏度判定与反馈模块中的检查结果精度为0.01logMAR/小数视力。

本发明的有益效果为：

本发明提出了基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，将SSVEP脑机接口技术、最大似然估计机器学习方法、心理物理学视敏度测量函数结合起来，为眼科检查中视敏度的检测提供客观快速精准的检查，显示了如下优越性：

(1)本发明设计的基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，使用眼视光学中的心理物理学视敏度测量函数作为方法理论依据，使得理论与实际相结合。

(2)本发明提出的基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块，其结合SSVEP的数据处理与特征提取方法，利用先验知识对函数参数进行估计，使得空间频率梯度尽快收敛，且结果精度更高。

附图说明

图1为视敏度阈值为0.6时心理物理学视敏度测量函数。

图2为使用本发明系统的整体检查流程图。

图3为某使用者(最后视敏度阈值为0.33小数视力)刺激范式空间频率随刺激次数变化示意图。

图4为客观SSVEP视敏度与主观视敏度检查结果线性回归关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

1)刺激范式设计模块：使用SSVEP脑机接口方法，以竖直正弦翻转光栅、竖直方波翻转光栅、水平正弦翻转光栅、翻转棋盘方格或运动收缩扩张同心环作为刺激范式，通过MATLAB的Psychophysics Toolbox工具箱编程绘制图案，保证刺激范式诱发SSVEP的稳定性；在检查中，根据实际需要选取刺激范式类型；刺激范式均由黑白色组成，其亮度为80cd/m²，黑白对比度为50％；通过改变光栅、棋盘方格、同心环的黑白条纹间隔，可调整刺激范式的空间频率；每次刺激其时间频率随机设置为7.5,8,8.57,9.23,10,10.91,12和13.33Hz其中之一，8个刺激频率7.5,8,8.57,9.23,10,10.91,12和13.33Hz均可被显示器刷新率240Hz整除，以满足刺激范式显示的精确性；

2)SSVEP信号采集、处理与特征识别模块：在使用者头部视觉枕区(PO3、PO4、POz、O1、O2和Oz)安放测量电极，在其左耳垂(A1)位置安放参考电极，在其头部前额处位置(FPz)安放地电极，电极注入导电膏；电极与脑电采集设备的输入连接，经过放大、滤波与数模转化处理，输出脑电信号数据；使用典型相关分析(CCA)对脑电信号数据进行处理，提取刺激频率特征，若提取的频率特征与刺激范式预设的频率相同，即说明刺激诱发了显著性的SSVEP；否则，则表示本次刺激SSVEP诱发不显著；

3)基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块：对应于标准对数视敏度检查表视标，设计一系列不同空间频率的SSVEP视敏度检查视标；最初的6个SSVEP视标空间频率为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.0logMAR；从第7个SSVEP视标开始，依据之前所有视标空间频率值与其CCA方法判定的诱发显著性，使用最大似然估计方法来自适应计算视标所需呈现的空间频率值，其公式为：

式中：

L_v0——似然估计；

i——本次之前的测试数目；

m——诱发SSVEP显著性的数目；

n——诱发SSVEP不显著性的数目；

vi——第i次视标的空间频率；

v0——空间频率阈值，即下次视标所需呈现的空间频率值；

P_v0——心理物理学视敏度测量函数，参照图1，其表征视标空间频率与识别正确率的函数关系，其呈S型曲线，在空间频率小时，有着大的识别正确率；随着空间频率的变大，其识别准确率逐渐变低，最后收敛至随机概率12.5％；其表达式为：

式中：

v——空间频率；

s——函数斜率，设置为2；

4)视敏度判定与反馈模块：计算机通过在240Hz高刷新率显示器上呈现刺激范式；在检查过程中，使用者需要坐在显示器前，根据屏幕提示注视刺激范式，每次进行单眼测试；参照图2，根据刺激范式设计模块选择刺激范式类型、刺激频率等参数，根据基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块确定刺激范式的空间频率，通过SSVEP信号采集、处理与特征识别模块进行信号处理；每次刺激范式呈现时长为4s，中间间隔2s呈现下一次刺激；单次刺激时长4s根据实验预设得来，2s的时间间隔不仅可用于被试短暂休息，也是最大似然估计算法确定下次刺激呈现的空间频率所需的最长计算时间；此外，参照图3，在第12次和第18次刺激显示时，其视标空间频率设置为最大似然估计所得值的1/4倍，保证被试者足够配合检查；在刺激次数达到18次时，呈现的空间频率梯度收敛至某值，刺激次数也是根据实验所得；其精度为0.01logMAR/0.01小数视力；该值即为最后的SSVEP视敏度检查结果；单眼测试约2分钟；完成所有刺激范式刺激后，使用者的视敏度值通过屏幕反馈输出。

下面结合实施例对本发明进行说明。

对一名使用者(其主观视敏度为0.3小数视力)进行了上述实验，按照上述刺激范式设计模块进行刺激范式类型选择与参数设置；按照上述SSVEP信号采集、处理与特征识别模块进行电极安放、信号采集、处理与特征识别；参照图3，按照上述基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块和视敏度判定与反馈模块进行空间频率梯度设计与范式呈现，图3中Ο表示SSVEP信号识别结果显著，╳表示SSVEP信号识别结果不显著；最后，反馈输出SSVEP视敏度检查结果。

对17名使用者(共34只眼)使用该系统进行了SSVEP视敏度检查，并将其SSVEP客观检测结果与主观检查结果进行比较，参照图4，绘制客观SSVEP视敏度与主观视敏度线性回归关系图，相关系数r＝0.861，表明客观视敏度检测结果与主观测试结果显著相关。

本发明能够快速、实时、精准地实现视敏度的客观检查，且与主观心理物理学检查之间建立很好的相关关系；将SSVEP脑机接口技术、最大似然估计机器学习方法、心理物理学视敏度测量函数结合起来，为眼科检查中视敏度的检查提供快速精准的客观检查系统，具有良好的实用化前景。

Claims

1.基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，其特征在于：包括以下模块：

1）刺激范式设计模块：使用SSVEP脑机接口方法，以竖直正弦翻转光栅、竖直方波翻转光栅、水平正弦翻转光栅、翻转棋盘方格或运动收缩扩张同心环作为刺激范式；通过改变光栅、棋盘方格、同心环的黑白条纹间隔，可调整刺激范式的空间频率；每单次刺激时其时间频率随机设置为7.5, 8, 8.57, 9.23, 10, 10.91, 12和13.33 Hz其中之一；

2）SSVEP信号采集、处理与特征识别模块：在使用者视觉枕区PO3、PO4、POz、O1、O2和Oz安放测量电极，在其左耳垂A1位置安放参考电极，在其头部前额处位置FPz安放地电极，电极注入导电膏；电极与脑电采集设备的输入连接，经过放大、滤波与数模转化处理，输出脑电信号数据；使用典型相关分析（CCA）对脑电信号数据进行处理，提取刺激频率特征，若提取的频率特征与刺激范式预设的频率相同，即说明刺激诱发了显著性的SSVEP；否则，则表示本次刺激SSVEP诱发不显著；

3）基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块：对应于标准对数视敏度检查表视标，设计一系列不同空间频率的SSVEP视敏度检查视标；最初的6个SSVEP视标空间频率为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.0 logMAR；从第7个SSVEP视标开始，依据之前所有视标空间频率值与其CCA方法判定的诱发显著性，使用最大似然估计方法自适应计算下次视标所需呈现的空间频率值，其公式为：

式中：

L_v0——似然估计；

i——本次之前的测试数目；

m——诱发SSVEP显著性的数目；

n——诱发SSVEP不显著性的数目；

vi——第i次视标的空间频率；

P_v0——心理物理学视敏度测量函数，其表达式为：

式中：

v——空间频率；

s——函数斜率，设置为2；

P_g——转折点对应的概率，为随机概率12.5%与最大概率100%的平均值，即56.25%；

4）视敏度判定与反馈模块：计算机通过在240 Hz高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，被试者需要坐在显示器前，根据屏幕提示注视刺激范式，每次进行单眼测试；根据刺激范式设计模块选择刺激范式类型、刺激频率参数，根据基于最大似然估计的空间频率梯度呈现模块确定刺激范式的空间频率，通过SSVEP信号采集、处理与特征识别模块进行信号处理；每次刺激范式呈现时长为4 s，中间间隔2 s呈现下一次刺激；在刺激次数达到18次时，呈现的空间频率梯度收敛至某值，该值即为最后的SSVEP视敏度检查结果；单眼测试2分钟；完成所有刺激范式刺激后，使用者的视敏度值通过屏幕反馈输出。

2.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，其特征在于：所述的刺激范式设计模块中刺激范式中竖直正弦翻转光栅、竖直方波翻转光栅、水平正弦翻转光栅、翻转棋盘方格和运动收缩扩张同心环5种类型，在检查中，根据实际需要选取刺激范式类型；刺激范式均由黑白色组成，其亮度为80 cd/m²，黑白对比度为50%；其预设的8个刺激频率7.5, 8, 8.57, 9.23, 10, 10.91, 12和13.33 Hz均可被显示器刷新率240 Hz整除，以满足刺激范式显示的精确性。

3.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，其特征在于：所述的刺激范式设计模块通过MATLAB的Psychophysics Toolbox工具箱编程绘制刺激范式图案，保证刺激范式诱发SSVEP的稳定性。

4.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，其特征在于：所述的视敏度判定与反馈模块中2 s的时间间隔不仅用于被试短暂休息，也是最大似然估计算法确定下次刺激呈现的空间频率所需的最长计算时间；在第12和第18次刺激显示时，其视标空间频率设置为最大似然估计所得值的1/4倍，保证使用者足够配合检查。

5.根据权利要求1所述的基于稳态视觉诱发电位的视敏度客观快速精准检查系统，其特征在于：所述的视敏度判定与反馈模块中的检查结果精度为0.01 logMAR/小数视力。