环境亮度及瞳孔直径对人眼神经对比敏感度的影响

赵冠华，曹瑞丹，张 磊，严伟明，陈 涛，王 斌，丁一峰，王美艳，张作明



·临床研究·

环境亮度及瞳孔直径对人眼神经对比敏感度的影响

赵冠华1，曹瑞丹1，张 磊1，严伟明1，陈 涛1，王 斌1，丁一峰2，王美艳1，张作明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：研究环境亮度及瞳孔直径对神经对比敏感度函数(NCSF)的影响，并与对比敏感度函数(CSF)相比较。

方法：招募健康男性志愿者10名10眼作为受试者，以右眼为测试眼，利用视觉监视系统设置不同环境亮度并附加眩光，测量自然、3.0mm和5.0mm瞳孔时的CSF；利用视觉质量分析仪测量3.0mm和5.0mm瞳孔时的调制传递函数(MTF)，根据CSF与MTF的比值求得NCSF。

结果：NCSF和CSF随环境亮度降低曲线整体下移，波峰向低频区移动，CSF更偏向低频区。CSF变化受NCSF和MTF共同作用，瞳孔开大，MTF下降，在明视觉环境和中间视觉环境中，NCSF和CSF上升，主要上升区为中低频区；当亮度较高或存在眩光源时，NCSF和CSF在中低频区上升不明显，在高频区有下降的趋势；在暗视觉环境中，小范围的瞳孔波动对NCSF和CSF没有显著影响。

结论:NCSF能够反映视觉神经系统的功能，与MTF共同决定CSF。CSF曲线形状与NCSF相近，波峰更偏向低频区。环境亮度降低会使NCSF下降，CSF随之下降；瞳孔开大会使NCSF在中低频区上升，CSF随之上升，而环境较亮或存在眩光源时，NCSF和CSF在高频区都有下降的趋势。

对比敏感度；神经对比敏感度；亮度；瞳孔

引用：赵冠华，曹瑞丹，张磊，等.环境亮度及瞳孔直径对人眼神经对比敏感度的影响.国际眼科杂志2016;16(12):2279-2284

0引言

对比敏感度函数(contrast sensitivity function，CSF)是检查视觉功能的常用方法，反映了人眼在不同空间频率上的对比敏感特征，与视敏度相比，能够更好地反映视觉质量[1]。CSF受光学因素和神经因素共同影响，光学因素指屈光系统将外界物体成像于视网膜上的光学质量，可用调制传递函数(modulation transfer function，MTF)评价；神经因素指视网膜、视神经和大脑中枢构成的视觉神经系统处理图像的能力，可用神经对比敏感度函数(neural contrast sensitivity function，NCSF)评价[2]。NCSF与CSF的关系为：

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

NCSF能够排除光学因素，对神经因素进行评价。可用以比较不同光学质量者的视觉神经系统功能，有望应用于多焦点人工晶状体的神经适应研究、青光眼患者的早期NCSF改变，以及多发性硬化等神经系统疾病的早期诊断等[2]。以往关于NCSF的研究所用亮度范围有一定的局限性[5-6]，对瞳孔的研究多集中于其对MTF的影响[7-10]。本研究测量的环境亮度10-4～102cd/m2，探讨了明视觉、中间视觉、暗视觉环境及存在眩光源时NCSF和CSF曲线的变化特性及瞳孔直径带来的影响。

1对象和方法

1.1对象 实验受试者为第四军医大学本科男性学员10名10眼,受试年龄为20.9±0.88岁，等效球镜度数为-1.2±0.93(-2.75～0D)D。所有受检者均排除眼科手术史、角膜接触镜配戴史、一切影响视功能的器质性疾病和活动性炎症及不能配合检查者,最佳矫正视力≥1.0。实验过程中被试者的左眼被遮挡,以右眼作为实验眼进行观察。

1.2方法 通过测量得出CSF与MTF，利用公式(1)计算得出NCSF。

1.2.1 CSF的测量 采用Monpack3视觉监视系统(Vision Monitor System)测量CSF。该仪器在测量CSF时，每个测量点至少测量3次，取后两次的平均值为结果，若这两次相差过大，则再次测量，直至得到两次相近的测量结果，再将这两次结果取均值。本实验设定环境亮度依次为1.15×10-4、1.15×10-3、1.15×10-2、1.15×10-1、1.15、11.5、115cd/m27个亮度以及存在眩光源时的115、11.5、1.15cd/m23个环境亮度。设定x轴空间频率为0.6、1.1、2.2、3.4、7.1、14.2、17.7、23.6、35.5c/d，以这9个测量点来绘制CSF曲线。为观察瞳孔直径对NCSF的影响，采用没有度数的镜片2片，分别贴上中心有直径3mm和5mm圆孔的黑纸，作为限定瞳孔直径的小孔片[9]。实验环境为暗室条件，受试者进入实验室之前，使用球柱镜片将右眼视力矫正到≥1.0(从近眼第二个插片槽开始插片)，记录球柱镜片度数。之后进入实验室，受试者坐于距刺激屏2.0m处，受试眼平视刺激屏，与刺激屏中心点位于同一水平线上，视线与刺激屏垂直。操作者坐于操作电脑前，电脑屏用红色遮光板遮挡，电脑桌面背景设为黑色。受试者戴上配镜框，左眼用黑片遮挡，从右眼第二个插片槽开始插入之前记录的球柱镜片。暗适应20min后，由暗至亮依此测量CSF，以及存在眩光源时的CSF，每个环境亮度下的CSF测量结束后，间隔1min后再开始下一个环境亮度下的测量，得出自然瞳孔时各个环境亮度下的CSF曲线。而后用复方托吡卡胺滴眼液将受试者右眼散瞳，待瞳孔散大到超过5.0mm后，在之前配镜的基础上，右眼近眼的第一个插片槽插入3.0mm小孔片,暗适应20mim，其他步骤同前，得出3.0mm瞳孔时不同环境亮度下的CSF曲线。而后再进行暗适应20mim，将3.0mm小孔片换成5.0mm小孔片，得出5.0mm瞳孔时不同环境亮度下的CSF曲线。

图1 3.0mm和5.0mm瞳孔直径时*P<0.05vs5.0mm MTF。

1.2.2 MTF的测量 采用视觉质量分析仪(OQASⅡ)测量MTF。在暗室条件下,待受试瞳孔自然散大到≥5.0mm，依据OQAS标准操作程序进行视觉质量测量操作，将测量的瞳孔直径设置为3.0mm，得出3.0mm MTF曲线；之后将测量的瞳孔直径设置为5.0mm，重复测量得出5.0mm MTF曲线。

1.2.3计算得出NCSF 将OQASⅡ测得的3.0mm和5.0mm MTF的数据导入绘图软件origin7.5中，从曲线上截取x轴空间频率为0.6、1.1、2.2、3.4、7.1、14.2、17.7、23.6、35.5c/d时的MTF值，输入到Excel中。将Monpack3测得的不同环境亮度下3.0mm和5.0mm CSF的数据导入Excel中，得出对应空间频率下的CSF。利用公式(1)，得出相应的空间频率下的NCSF。用origin7.5做出各个环境亮度下不同瞳孔时的CSF和NCSF曲线。

统计学分析：采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，采用重复测量方差分析法分析环境亮度对CSF、NCSF的影响，采用配对t检验法分析瞳孔直径对不同环境亮度下CSF、NCSF以及MTF的影响。P<0.05为差异有统计学意义。

图2 不同瞳孔直径下各个环境亮度的CSF A：3.0mm瞳孔时不同环境亮度的CSF；B：5.0mm瞳孔时不同环境亮度的CSF；C：102cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；D：101cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；E：100cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；F：10-1cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；G：10-2cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；H：10-3cd/m2时不同瞳孔直径的CSF；I：10-4cd/m2时不同瞳孔直径的CSF。*P<0.05,**P<0.01vs5.0mm CSF。

2结果

2.1不同瞳孔直径下的MTF曲线 利用OQASⅡ测量得出不同瞳孔时的MTF曲线(图1)。3.0mm MTF在0.6、1.1、2.2、3.4c/d上显著高于5.0mm MTF(P<0.05),说明屈光系统在3.0mm比5.0mm瞳孔时成像更清晰。从MTF走行趋势来看，空间频率越高，MTF越低，提示屈光系统不擅于分辨物体的细节。

2.2不同瞳孔直径下各个环境亮度的CSF曲线 利用Monpack3测量得出各个环境亮度的CSF曲线(图2A～B)。随亮度降低，CSF曲线下移，波峰向低频区移动，提示视觉质量越差，越难以识别物体细节，越擅长识别物体的轮廓。重复测量方差分析结果如下：在各个空间频率下，不同环境亮度的CSF有显著性差异(P<0.01)；在各个环境亮度下，不同空间频率的CSF有显著性统计学差异(P<0.01)，且存在交互作用(P<0.01)。由亮至暗，在各个环境亮度下比较自然、3.0mm和5.0mm瞳孔直径的CSF(图2C～I)。自然瞳孔CSF始终在3.0mm和5.0mm CSF上方；102、100、10-1、10-2、10-3cd/m2时，5.0mm CSF在中低频区均显著高于3.0mm CSF(P<0.05)；101、10-4cd/m2时，5.0mm和3.0mm CSF无统计性差异，这提示自然瞳孔能够通过自身调节更好的适应不同的环境亮度，视物更加清晰。而瞳孔开大会提高中低频区的视觉质量，这种现象在中间视觉(100～10-3cd/m2)下更明显。

2.3不同瞳孔直径下各个环境亮度的NCSF曲线 利用公式(1)计算得出各个环境亮度的NCSF曲线(图3A～B)。随亮度降低，NCSF曲线下移，波峰由向低频区移动，提示视觉神经系统功能越差，越难以识别物体细节，越擅长识别物体的轮廓。重复测量方差分析结果如下：在各个空间频率下，不同环境亮度的NCSF有显著性统计学差异(P<0.01)；在各个环境亮度下，不同空间频率的NCSF有显著统计学差异(P<0.01)，且存在交互作用(P<0.01)。由亮至暗，在各个环境亮度下比较3.0mm和5.0mm瞳孔直径的NCSF(图3C～I)。102～10-3cd/m2时，5.0mm NCSF在中低频区均显著高于3.0mm NCSF，差异有统计学意义(P<0.05)；10-4cd/m2时，50mm和3.0mm NCSF无统计性差异，这提示瞳孔开大会提高中低频区的视觉神经系统功能，这种现象在中间视觉下(100～10-3cd/m2)下更明显。

2.4眩光对CSF和NCSF测量的影响 利用Monpack3测出3.0mm和5.0mm瞳孔下存在眩光源时的CSF曲线(图4A～C)，并利用公式(1)计算得出相应NCSF曲线(图4D～F)。存在眩光源时，随亮度降低，CSF和NCSF均下移，波峰向低频区移动，提示识别物体能力下降，越难以识别物体的细节，越擅长识别物体的轮廓。重复测量方差分析结果如下：眩光条件时，CSF、NCSF在不同环境亮度上有显著统计学差异(P<0.01)；CSF、NCSF在不同空间频率上有显著统计学差异(P<0.01)，且CSF、NCSF在环境亮度和空间频率上存在交互作用(P<0.01)。102～100cd/m2时，3.0mm和5.0mm CSF无统计性差异；102cd/m2时，5.0mm NCSF在3.4c/d上显著高于3.0mm NCSF，差异有统计学意义(P<0.05)，而在23.6c/d上显著低于3.0mm NCSF，差异有统计学意义(P<0.05)，101～100cd/m2时，3.0mm和5.0mm NCSF无统计性差异，这提示存在眩光时，瞳孔开大，中低频区的视觉质量不会得到显著提高(仅NCSF在102cd/m2时，3.4cpd上有统计性差异)，而从X轴截止频率上看，5.0mm曲线反而低于3.0mm曲线，在高频区也有低于3.0mm曲线的趋势，说明瞳孔开大反而会降低高频区的视觉质量，干扰对物体细节的识别。

图3 不同瞳孔直径下各个环境亮度的NCSF A：3.0mm瞳孔时不同环境亮度的NCSF;B：5.0mm瞳孔时不同环境亮度的NCSF;C：102cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;D：101cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;E：100cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;F：10-1cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;G：10-2cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;H：10-3cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;I：10-4cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF。*P<0.05,**P<0.01vs5.0mm NCSF。

3讨论

早期测量NCSF的方法是利用激光干涉的原理，将很高空间频率的正弦光栅条带直接投射到视网膜上[4, 11]。这种方法虽然避开了屈光系统的影响，但激光的相干噪声和散斑[12]等现象会影响测量的精度，而且这种技术只能测量某种波长下的NCSF，具有一定的局限性[5]，目前在眼科临床与研究中多采用CSF和MTF的比值得到NCSF[2-3, 5, 13]。其中关键的技术问题是MTF的获得，OQASⅡ应用780nm 的近红外点光源，直接对点光源在视网膜上所成图像进行傅立叶变换，得到点扩散函数(point scatter function, PSF)，该函数反映了点光源投射到视网膜后发生的光强度以及其位置偏差，能够全面地反映眼内光学成像质量的信息，提供了光线在眼光学系统的散射和高阶像差的综合结果，其具有客观准确、操作简便等特点[14-15]。因此，应用OQASⅡ得出的NCSF更为准确、客观、便捷。MTF主要受瞳孔直径影响。当瞳孔小于1.5mm，衍射比球差对光学质量影响更大，2～3mm时，衍射和球差共同影响光学质量，直径达到4mm时，视觉分辨力相对稳定。以后随着瞳孔直径的增加，球差逐渐增大，此时屈光系统光学质量下降[7]。本实验瞳孔设置为3.0和5.0mm，经OQASⅡ检测，3.0mm MTF要高于5.0mm MTF，说明3.0mm瞳孔时的光学质量要高于5.0mm瞳孔。

图4 眩光对CSF和NCSF的影响 A：眩光影响下102cd/m2时不同瞳孔直径的CSF;B：眩光影响下101cd/m2时不同瞳孔直径的CSF;C：眩光影响下100cd/m2时不同瞳孔直径的CSF;D：眩光影响下102cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;E：眩光影响下101cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF;F：眩光影响下100cd/m2时不同瞳孔直径的NCSF。

皮层下的视觉加工通道主要分为两种，即大细胞通道和小细胞通道，它们在视网膜上出现结构上的分离。分布于视网膜外周部的视杆细胞接收视觉信息输入后通过视神经束传导至外侧膝状体的大细胞层，集中于视网膜中央凹附近的视锥细胞则将所接收的视觉信息传入小细胞层[16-17]。这两个通道是可以对不同空间频率的信息进行加工，大细胞通道对模糊的轮廓等低频信息敏感。小细胞通道对高空间频率信息敏感[18-19]。

环境亮度降低时，视网膜上感光细胞接受到的光信号变弱，视觉质量下降，NCSF下移；小细胞通道受到的影响更显著，识别物体细节的能力变的更差，相对更擅于识别低空间频率、大视角的物体，NCSF波峰左移，所以在漆黑的夜晚只能看到物体的轮廓。而瞳孔直径变大时，更多的视网膜周边细胞得到光信号刺激，大细胞通道功能提高，NCSF在中低频区上移，识别物体轮廓能力增强；而存在眩光源时，过强的光线会干扰小细胞通道的功能，NCSF在高频区下降，X轴截止频率也随之下降，识别物体细节能力减弱，所以夜间瞳孔会开大以更好地识别物体，而光线过亮时瞳孔会缩小，一方面保护视网膜免受光损伤，一方面也能提高分辨物体细节的能力。

视觉神经系统是对亮度的敏感部位，是识别物体的主要因素，而屈光系统会聚光线的同时，会一定程度降低视觉质量，对识别物体有一定干扰作用，这种作用越往高频区越明显。CSF受MTF和NCSF共同决定，与NCSF曲线形状相近，都为倒“U”形，而MTF为“L”形递减曲线，当NCSF在高频区达到波峰时，MTF处于较低水平，此时CSF的波峰受NCSF和MTF共同影响，较NCSF更靠近低频区。当环境亮度降低时，CSF和NCSF变化相近，曲线下移、波峰左移。当瞳孔开大时，MTF下降，若NCSF在中低频区明显上升(中间视觉环境下)，CSF将随NCSF上升，若环境很亮或存在眩光时，NCSF在中低频区上升不明显，CSF将可能没有变化。而在高频区，NCSF几乎不变或下降，CSF就很可能随MTF下降。在暗视觉环境中，NCSF处于较低水平，从3.0mm到5.0mm这样小幅度的瞳孔改变不足以对NCSF和CSF造成显著影响，故在结果中两条曲线没有显著差异。而此时自然瞳孔可以开到7mm甚至更大，所以自然瞳孔CSF仍旧在3.0mm、5.0mm CSF上方。

本研究探讨了环境亮度和瞳孔直径这两个因素对NCSF的影响，并与CSF进行比较，结合MTF，采用双通道技术分析光学因素和神经因素对视觉质量的影响。但本研究计算NCSF仍有一些不足，在测量固定瞳孔的CSF时，采用的是受试散瞳后用小孔片遮挡的方法，而测量MTF时，是在暗室环境下待受试瞳孔自然散到大于5.0mm，这其中可能有调节的因素对结果造成干扰。此外，测量NCSF时是用常规配镜的方法对受试眼进行校正，而测量MTF时，是利用OQASⅡ自动校正。这两种校正方法均能排除低阶像差，但方式不同，也可能对结果造成影响，这些问题需要以后进一步研究。

人眼的视觉质量由光学因素和神经因素共同决定，光学因素可以用屈光系统MTF作为检测指标，神经因素可以用NCSF作为检测指标。白内障、圆锥角膜等屈光系统病变都会使MTF发生改变，而糖尿病视网膜病变、视网膜黄斑病变以及大脑神经中枢病变都会使NCSF改变。NCSF对视觉神经系统相关疾病的科学研究、早期诊断、功能测定以及预后随访都有重要意义。明确正常人NCSF受环境亮度、瞳孔直径影响的曲线特性对深入认识NCSF、推动NCSF在科研、临床上的应用都有着积极作用。

评价人眼视觉功能质量，从光学因素和神经因素两方面评价更为科学，将NCSF、MTF以及CSF作为检测指标要比单一CSF检测更为全面、细致。对飞行员、驾驶员等一些视功能要求较高特殊行业从业者来说，检测特定环境亮度的CSF能够预示其在特定环境中识别不同对比、不同大小目标的能力，针对特定的工作环境，应用相应环境亮度下的CSF更能选拔出适合的从业者。如选拔夜航飞行员，应用暗环境的CSF检测就更为合适。在CSF的基础上，检测MTF并得出NCSF，能够更清晰地了解其视觉功能状况。对于CSF异常者，MTF和NCSF能够提示功能改变发生的位置，对疾病的诊疗更有帮助。

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17 任丽坤.空间频率与视野位置在面孔识别中的作用.河北大学 2014

18 Livingstone MS, Hubel DH. Do the relative mapping densities of the magno- and parvocellular systems vary with eccentricity?JNeurosci1988；8(11)：4334-4339

19 Bullier J.Integrated model of visual processing.BrainResBrainResRev2001；36(2-3):96-107

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

全军后勤科研重大项目(No.AKJ11J002)；全军后勤科研重点项目(No.BKJ14C008)

1(710032)中国陕西省西安市，第四军医大学航空航天医学系；2(710032)中国陕西省西安市，第四军医大学学员一旅五营十七连

赵冠华，男，在读硕士研究生，研究方向：视觉科学、眼视光学。

张作明，男，教授，副主任医师，博士研究生导师，研究方向：视觉生理学、眼科医学.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