一种新型的弱视诊断与治疗方法研究及系统实现

【作 者】周天翊，李书印，陈星，张大龙，周秦武 长春理工大学生命科学技术学院，长春市，00 西安交通大学生命科学与技术学院，西安市，70048

一种新型的弱视诊断与治疗方法研究及系统实现

【作 者】周天翊1，李书印2，陈星2，张大龙2，周秦武2
1 长春理工大学生命科学技术学院，长春市，120022 2 西安交通大学生命科学与技术学院，西安市，710048

弱视是儿童发育过程中的常见病，传统的弱视治疗方法存在依从性差、易导致健眼视力问题、双眼视和立体视恢复效果差等弊端。该文提出了一种新型的个性化弱视诊疗系统，结合图形视觉诱发电位和双眼平衡视觉训练模式，通过采集脑电信号和同步触发信号，准确测量了图形视觉诱发电位（P_VEP）潜伏期和波形，实现了弱视的辅助诊断和治疗反馈，搜索得到了治疗训练图形的最佳空间频率，结合3D显示技术，提出了一种双眼平衡模式下的个性化弱视诊疗解决方案。

弱视诊疗；图形视觉诱发电位（P_VEP）；双眼平衡

0 引言

在临床和视觉研究中，弱视是指眼部无明显器质性病变，单眼或双眼的视功能减退，以功能性因素为主引起的远视力≤0.8。据报道，中国儿童弱视发病率为0.81%～2.80%，在医疗条件缺乏地区可能更高[1]。弱视不仅严重影响了患者的生活质量，学习和工作，还会影响患者的心理健康。因此，弱视已受到广泛的重视，成为研究的热点问题。

1 弱视治疗方法

1.1 视觉诱发电位指导治疗弱视

图形视觉诱发电位（P_VEP）（图1）是棋盘格翻转，诱发视网膜进行刺激，经过视路传送到枕叶视皮层的电活动。临床研究表明，弱视患者的P_ VEP的潜伏期要长于正常人，波峰要小于正常人。并且存在较优空间频率，使得在一定空间频率的图形刺激下，弱视眼有相对较好的P_VEP表现（潜伏期更短、波峰更明显）。因而利用P_VEP可以诊断和指导弱视治疗[2]。

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

浙江大学王丽萍等[3]研究了弱视治疗参数阈值分析及疗效评价。利用错相叠加法和小波变换法，研制了基于P_VEP提取技术的弱视治疗参数阈值分析子系统，并对患者进行个性化治疗，取得良好效果。李恒健等[4]利用测量患者的视觉诱发电位，搜索及检测选取最佳的空间频率，制取相应的训练光盘，在对4～11岁弱视儿童107例（177只眼）治疗后，随访2～6个月，总有效率100%。

1.2 双眼平衡视觉训练模式治疗弱视

传统观点认为，弱视是由于患者两只眼睛接收到的信息没有融合在一起的。然而，最新的研究表明，弱视患者的两眼信息融合的神经机制是完好的，双眼视觉功能的缺失主要是由于在双眼同时工作时两只眼睛的输入不平衡导致的，而不是缺乏双眼视融合能力[5]。

HESS等[6]研究了弱视患者的双眼运动信息融合能力，发现正常人主导眼存在轻微的不平衡，弱视眼能够克服正常眼的抑制，感知相干运动方向。

研究表明，运用各种依从性和趣味性强的多媒体手段，如游戏，视频等，也可以达到很好的治疗弱视的目的[7]。Li R等[8]发现玩动作视频游戏可以增强对比度敏感度，为视力改善提供了另一个思路。加拿大McGill大学研究团队通过临床实验证明，俄罗斯方块有助于双眼聚焦于同一目标，进而矫正视力[9]。Gargantini A等[10]开发了一个使弱视双眼平衡的3D治疗系统，视频流分别通过增强滤镜和弱化滤镜进入弱视眼和正常眼，治疗效果显著。

2 系统总体设计

本课题组研制的基于图形视觉诱发电位的弱视治疗系统由上位机、CRT刺激显示器、皮肤电极、脑电采集卡（放大器）和IO卡组成，系统组成如图2所示。

图2 新型弱视治疗系统功能框图Fig.2 New amblyopia treatment system function chart

该系统是一个完整的具有反馈控制的弱视治疗系统平台，上位机软件将翻转的棋盘格输出到CRT显示器上，刺激弱视患者的视觉系统，从而诱发出视觉诱发电位。波形通过皮肤电极输入到ADS1299脑电采集卡中。在上位机软件输出棋盘格的同时，触发同步方波信号给采集卡，作为同步输入信号一并采集，作为后续计算诱发电位潜伏期使用。

原始的VEP信号通过叠加和小波分析算法，提取出P_VEP波形。根据P100波的峰值和时延，一方面可以辅助诊断弱视，另一方面，可以搜寻出弱视患者最佳的刺激空间频率，将此空间频率作为患者治疗的空间频率，由上位机软件产生相应的治疗刺激波形。再结合3D显示技术和双眼分视的治疗原理，对患者进行刺激治疗。在不同的疗程中，患者的P_VEP波形会有相应的改善，反馈系统能够自动地搜寻出当前患者的新的刺激最佳空间频率。从而达到个性化弱视加速治疗的目的。

3 硬件电路部分的设计

系统采用TI公司的ADS1299为核心器件，该模块是专门为脑电信号采集而设计的。内部集成有差分输入的8路PGA和ADC，内部集成的偏置驱动放大器可以作为右腿驱动电路，信号控制和数据传输采用SPI接口实现。

由于该模块在采样频率不超过8 kHz时ADC的转换精度可以达到24位，即当VREF=4.5 V时其信号电压的分辨率为：

因此，脑电信号（0.5 μV～100 μV）可以通过具有高共模抑制比的差分输入PGA后，直接进入ADC采样，而基线漂移、陷波等处理则根据实际需要由软件完成。

4 系统软件部分的设计

图3 弱视诊疗系统软件部分整体框架Fig.3 The framework of the software system

系统软件部分的设计如图3所示。其中包括弱视诊断系统、弱视治疗系统、病人数据管理系统和专家辅助系统。

弱视诊断系统是用来检测弱视患者视觉生理参数的部分，可以了解弱视患者当前的状况，以方便接下来的视功能训练。其中尤其重要的是，P_VEP的测量将为系统提供患者的最佳刺激空间频率，这给P_VEP反馈训练系统提供了必要的电生理参数。

视功能训练系统是系统的主要部分。P_VEP反馈训练系统通过测量P_VEP获得患者的最佳空间刺激频率来选择最佳的刺激方案，达到疗效的最大化。双眼平衡训练系统通过3D显示技术将视频和游戏处理后分送至弱视眼和正常眼，并且使得双眼抑制平衡，让两只眼睛同时工作，从而达到比单眼更好的疗效。

病人数据存储系统：该部分主要完成患者的管理，对患者的基本信息和生理数据进行管理，方便随时查询和输出。

专家辅助系统在弱视治疗方案与效果的基础上不断总结、概括归纳而成，充分体现了弱视治疗中有关眼科弱视专家和弱视治疗医生的知识和经验。

5 VEP处理算法部分

5.1 采集信号的数字滤波预处理

脑电信号非常微弱，为微伏量级的信号，会受到工频干扰的严重影响。采用模拟陷波器会使模拟电路十分庞大，而数字带阻滤波器可通过软件配置灵活调整滤波器的截止频率，这是模拟滤波器无法做到的。采集到的脑电原始信号和提供时间基础的同步信号如图4所示。

图4 原始脑电信号以及同步方波信号Fig.4 The Raw EEG data and synchronous square signal

所以在系统中我们设计的14阶Butterworth带阻数字陷波器，特性如图5，在50 Hz处的增益小于-80 dB。可以有效滤除50 Hz工频干扰。

5.2 VEP小波提取

利用小波分析算法提取出了诱发电位。采用的方法是选择与能反映诱发电位主要特征的尺度上的细节或逼近信号，进行重建，以达到增强信号，抑制噪声，提高信噪比的目的。研究中选用5阶Daubechies小波db5。首先进行少量次的累加平均，初步抑制噪声，然后进行小波8尺度分解和重建。实验数据分析表明，诱发电位能量主要集中在小波d5、d6、d7细节上，该频带能较好地反映信号的主要特征。因此选择这三个尺度上的小波系数重建信号，完成小波时频滤波，所提取的波形如图6所示。

图5 滤波器幅频特性和相频特性Fig.5 Filter amplitude- frequency and phase-frequency characteristics

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

5.3 最佳空间频率的选择

得到完整的P_VEP波形之后，利用P_VEP的潜伏期和幅值就可以实现辅助诊断弱视。同时，还可以搜索到人眼视觉神经系统最佳的空间刺激频率。

图7是该被试者右眼在时间频率下第一次检查时的空间频率阈值搜索曲线。其中3条曲线分别表示在不同空间频率的图形刺激下P_VEP的P100的波峰延时、波峰振幅和波峰振幅/延时的变化曲线。

图7 空间频率阈值搜索曲线Fig.7 Space search frequency threshold curve

实验通过改变刺激的空间频率，也就是棋盘格方块的大小，可以看出患者的P_VEP波形随着空间频率的变化，表现也不一样，即存在最佳的空间频率转折点阈值30×24，在其两端P_VEP表现不稳定，但阈值处的P_VEP峰值最大，延时最小，即对患者的刺激最强，治疗效果最好。选取此时的刺激空间频率作为该患者的最佳刺激空间频率参数，生成相应的刺激治疗图形，并结合3D显示技术，利用双眼分视原理，刺激患者神经系统，治疗弱视，可望取得最佳治疗效果。

6 讨论

本文在分析了国内外对于弱视治疗先进的综合疗法最新研究状况的基础上，针对传统的治疗方法的依从性差、易导致健眼的视力问题、双眼视和立体视恢复效果差、缺乏客观参数指导、儿童弱视患者机体的觉醒状态处于较低水平等诸多弊端，提出了一种新型的结合了图形视觉诱发电位（P_VEP）和双眼平衡视觉训练模式的弱视诊疗系统。系统使用ADS1299和IO卡采集得到原始EEG信号，利用叠加平均和小波算法提取出P_VEP波形，利用同步方波信号解决了诱发电位潜伏期测量问题。实现了弱视的辅助诊断功能。通过搜索最佳刺激空间频率，对患者进行了个性化的治疗，避免了治疗刺激的盲目选择。同时利用双眼平衡原理和3D显示技术，使用游戏和视频对患者进行治疗，治疗过程丰富有趣，患者依从性高，治疗效果显著。

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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.