基于皮肤电极的ERG检测系统设计与实现

徐礼胜，刘文彦，钱伟，王璐，郝丽玲

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110167；2.东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819

基于皮肤电极的ERG检测系统设计与实现

徐礼胜1，刘文彦1，钱伟1，王璐2，郝丽玲1

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110167；2.东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819

视觉电生理已有国际电生理临床检查标准。其中，视网膜电图（Electroretinography，ERG）检查有着更为广泛的应用。为了减轻传统ERG采集方法对人眼造成的危害以及克服该方法的一些不足。本文设计了一种基于皮肤电极的ERG检测系统。该系统包括视网膜刺激器、模拟滤波和放大电路、24位模数转换模块和数字信号处理模块，并选择了10名志愿者来接受视网膜电图检测。最后将得到的视网膜电图与标准的视网膜电图比较，试验结果表明通过外表皮肤电极采集到的ERG信号和临床实践的角膜ERG电极采集到的ERG信号有着基本相同的特征信息。

视网膜电图；眼电图；皮肤电极；眼科疾病

引言

现代的眼科疾病种类繁多，同时它的发病率很高，在一定程度上降低了人们的生活质量。科学技术发展的同时，眼科疾病的诊疗手段也在不断进步。目前在眼科疾病的检测中，主要方法有两种：第一种是视觉心理物理检查，比如视力检查和色觉检查等；第二种就是视觉电生理检查[1]。视网膜电图（Electroretinography，ERG）检查就是利用视觉电生理检查技术来检测患者视觉产生过程中的生物电信号，并分析其产生的生物电信号。通过观察电信号波形特征中体现眼睛在不同条件下的功能状态，就可有效地诊断出病症。现在，视觉电生理检查技术已经成为眼科疾病中系统、全面检查的重要手段[2]。

ERG是指用一个简单的光刺激记录眼睛的生物反应。其中在临床上最常用的3种是全视野ERG、图形视网膜电图（Pattern Electroretinogram，PERG），以及多焦视网膜电图（multi-focal Electroretinogram，mfERG）[3]。

传统的ERG检测方法主要是靠角膜接触镜电极[4]。20世纪40年代初，Riggs与Karpe分别成功的研制了角膜接触电极并且运用到了临床中，这为ERG在临床应用中的普及做出了重要贡献[5]。下面介绍一些常见的角膜接触电极。窥器结构电极能使眼皮保持张开，这样佩戴更加舒适，也可以有效避免采集过程中被采集者不由自主地眨眼。其中通过一个线圈与角膜接触，这样便能够有效提取出施加刺激时产生的ERG，然而角膜接触镜电极虽然结构简单，使用成本较低，但是在使用过程中会给患者带来较大的疼痛感和不适感[6]。此外，还有一种LED角膜接触镜电极，这种电极将LED刺激光源与电极巧妙地结合在一起，使得进行全视野ERG检查时，不需要再使用额外的刺激器，使得检查过程更加便利，易于操作；同时也便于我们采集到更理想稳定的ERG信号。

角膜接触镜电极并没有进行有效地扩张眼睑，在患者不由自主眨眼的情况下，会产生较大的疼痛感。有些受测者不习惯角膜接触镜电极佩戴在眼睛上，会因此产生不适感。所以本文中，我们将讨论如何利用皮肤电极来采集ERG。

在基于皮肤电极的ERG信号采集过程中，我们无法避免地会产生眼睛的转动以及眨眼等情况。这种情况会产生一些对ERG信号有干扰的信号。我们则需要根据干扰信号和ERG信号的特征对两者进行识别，这样才能有效提取出有用的ERG信号。在眼动时产生的干扰信号为眼电信号（Electrooculography，EOG），眨眼时产生的信号来源于眼部肌电信号。它记录了通过视网膜色素上皮细胞的电位变化[7]。

此外，还有一种视觉电生理信号为视诱发电信号（Visual Evoked Potential，VEP）。VEP是对视网膜施加刺激之后，在视觉中枢产生的特定生物电活动[8]。它所反映的视冲动从视网膜神经节细胞到大脑枕叶视皮层的传导功能状态，对一些眼部功能评价有一定参考价值[9-11]。通过对VEP的产生机理、作用等的了解，我们可以知道在ERG信号的采集过程中，当眼睛受来自刺激源的刺激时产生的VEP基本不会对ERG信号构成干扰。因此，ERG采集过程中主要的人体干扰噪声源为EOG信号及眨眼时产生的肌电信号。

全视野视网膜电图的检测方法是通过一个视网膜刺激器发出一定频率的闪光来对眼球进行刺激，然后通过特定的电极采集在刺激过程中产生的电位变化。全视野视网膜电图一般有4个特征波，分别被命名为a波、b波、c波以及d波。视网膜电图的基本波形，见图1。其中a波是视网膜电图的波谷，b波是视网膜电图的波峰。如刺激强度较大，则在b波之后，还有一个上升较缓慢的正波（角膜为正），称c波。在光刺激结束时，还会有一个角膜为正的向上突起，称d波。

图1 ERG的典型波形

本系统克服了传统ERG采集系统的不足，避免电极进入人眼从而对人眼造成危害，同时也大大减轻了受测者的痛苦，且操作简单便捷。

2 视网膜电信号检测系统

ERG信号作为一种微弱的人体信号，相比于其他的微弱信号更不易于采集。首先，它本身的幅值特别低[12]，通过角膜接触镜电极能够提取到相对较大的ERG信号，其幅值约为200 μV，但在通过皮肤电极进行采集时，因为人体皮肤存在阻抗，采集到的原始信号幅值为20 μV左右[13]。从人体中提取生理信号时，受到工频噪声等共模干扰的影响比较大，而且在采集过程中，人体难免会发生不自主移动，这也给数据的稳定性产生一定影响。因此，我们需要设计一种高精度、低噪声的ERG信号采集电路实现模拟信号的前端放大、滤波以及通过模数转换器对数据进行A/D转换，然后对采集到的数据进行处理。在这个过程中，需要选择合理的芯片，优化电路设计，并加入隔离器件避免数字控制电路对模拟信号的干扰，从而实现对ERG弱电信号的采集。

2.1 视网膜刺激器设计

全视野视网膜电生理的检查中，因为ERG信号极其微弱，很容易受到身体活动的影响。因此，对于被采集者头部的固定很重要。一般优先选择Ganzfeld刺激器，其下巴支架能够有效地固定被采集者的头部，使其保持稳定[14]。刺激器闪光时长在原则上应短于视网膜中光感受器整合光的时间，因此视觉电生理协会给出的闪光时长标准为小于5 ms。在检测过程中，被检测者只需要尽可能的保持专注，目视刺激器即可。本文中使用刺激器电路和STC89C52RC单片机构成完成了视网膜刺激器的搭建。可实现两个功能：亮度调节和频率调节。其中，刺激电路由LED、定值电阻以及滑动变阻器组成，滑动变阻器在电路里的主要作用是进行亮度调节。该视网膜刺激器虽然很简单，但已经可以达到刺激视网膜产生ERG的效果，但仍旧有很多地方需要改进，如可以做一个半密闭的空间防止其他非刺激光在检测时照射到眼睛里进而导致实验结果不理想。

2.2 ERG采集系统硬件部分

采集系统硬件部分包括信号调理模块和A/D转换模块。其中信号调理模块由皮肤电极、前置放大电路、低通滤波器、高通滤波器、后级放大电路、有源双T陷波器组成。系统框图，见图2[15]。

图2 系统框图

整个系统分为控制单元，视网膜刺激器单元，视网膜电信号采集单元，视网膜电信号处理单元。各个单元之间的关系以及系统的实现过程，见图3。

在进行正式的ERG采集之前，需要对ERG采集系统的模拟电路部分和模数转换部分进行搭建。搭建后的实物图，见图4。

本文中模数转换器采用的是德州仪器的ADS1256，它是一种噪声很低的24位ADC。ADS1256采用了四阶的Sigma-delta调制器，其具有灵活的输入复选，既可以采用差分输入也可以采用单端输入，并且ADS1256自带了低噪声可编程放大器，可以对信号进行1～64倍的放大，在对放大器要求不高的场合可以通过内置放大器实现信号的放大处理，可实现过采样技术[16]。

图3 系统实现过程

图4 ERG采集系统检测系统实物图

3 视网膜电信号采集

为了验证基于皮肤电极的ERG采集系统是具有准确性，我们选择了10名志愿者来接受视网膜电图检测。

由于实验条件所限，在实验中，我们将选择暗适应的全视野ERG的采集方法。视网膜刺激器的设计已在前文叙述过，我们选用频率为2 Hz的白色LED进行闪光刺激。这虽然还达不到国际视觉电生理协会规定的视网膜刺激器的标准，但是对于基本的ERG采集是没有很大影响的。

一次完整的ERG采集的基本流程如下：

（1） 佩戴皮肤电极。ERG采集系统一共有3路皮肤电极，一个为信号输入端、一个为信号参考端以及一个共模信号输出端，分别放置在下眼睑处，内眦处以及额头。

（2）暗适应。受测者在接受到白色光刺激之前要进行一个至少长达20 min的暗适应。

（3）采集。当受测者经过暗适应后，马上将受测眼对准视网膜刺激器，接受光刺激，同时测试者打开串口调试工具，接收数据。在数据采集过程中，受测者要尽量维持身体稳定，不随意晃动。同时注意要至少保持10 s以上眼球静止，防止由不经意的身体晃动引起的噪声混淆真正的ERG。

（4）恢复。接受光刺激后，受测者需要闭合双眼进行短暂的恢复，这样有利于保护眼睛，也便于进行下一轮测试。

4 结果分析

4.1 视网膜电信号处理

利用数字信号处理，可以将已经通过模拟电路获得的，经过初步处理的ERG进一步的优化处理。在计算机通过串口接收到了ERG的数据后，通过Matlab可直接画出测得的视网膜电图。但是直接得到的视网膜电图仍旧会存在一些噪声，使视网膜电图的波形与标准波形存在一定的差距。根据频谱分析可知，这些噪声多存在于低频区。所以要对采集到的ERG的数据进行一些数字信号处理，以便获得更好的视网膜电图。

ERG采集过程中，由于不能控制受测者不自主的小运动，这样会使皮肤电极采集到的信号产生基线漂移。基线漂移的产生会对后续的数字信号处理有一定的影响，所以在用Matlab画出得到的原始ERG图形后，需要对该图形进行去基线处理。因为基线漂移的主要成分为低频成分，对ERG低频区的信号有一定的影响。通常来说去除低频干扰的方式是通过高通滤波器，但是高通滤波器的使用会使ERG失真。相对而言，小波变换是由加窗傅立叶变换发展起来的，具有时频局域化的特性[17]。小波变换是空间和频率的局部变换，通过伸缩和平移等运算可实现信号的多尺度分解，能使基线漂移这一低频分量较大的尺度地直接显现。综合考虑，应用小波变换来去除信号的基线漂移。

利用小波变换去除基线的步骤很简单，首先要合适地选择一个小波函数。根据函数响应分解水平对原始信号进行多尺度分解，由分解可以得到两组信号：一个模拟的近似信号和一个细节信号。然后，计算模拟近似信号的平均值得到一个新的平均信号，通过这一步骤去除到ERG里的基线漂移信号。最后将细节信号和处理后得到的平均信号重构，由此获得了一个去除了基线漂移的ERG。对原始ERG做完去基线处理的对比图，见图5。

因为ERG主要频率成分在低频，所以我们选用巴特沃斯低通滤波器来对波形进行数字滤波。滤波之后的会得到噪音少，信噪比更好的视网膜电图。对原始的ERG做低通滤波处理的对比图，见图6。

4.2 频谱分析

本文中我们应用快速傅里叶变换来实现对信号的频谱分析，并具有很高的运算效率。原始ERG信号的频谱，见图7。通过频谱分析可以看出原始信号的主要频率成分为低频，信号主要受EOG信号、基线漂移、工频噪声等低频信号干扰。

图5 视网膜电图的去基线处理

图6 原始视网膜电图（a）与滤波后（b）的视网膜电图

图7 ERG的频谱分析

4.3 实验结果对比分析

因为皮肤电极不同于角膜接触镜电极可以直接从视网膜上获取到ERG，它所得到的幅值很小，仅仅几十个微伏。这个微弱的ERG通过模拟电路的放大和滤波等模拟电路模块之后输出到模数转换模块进行模数转换，然后通过单片机控制将模数转换后的数据传输到计算机中，最终通过数字信号处理得到近似的视网膜电图。

在对原始视网膜电图进行数字信号处理之后，我们获得了比较理想的视网膜电图。将获得的电图与罗兰公司生产的ERG采集装备得到的视网膜电图比较。罗兰标准的视网膜电图[13]，见图8。

图8 视网膜电图对比图

对2 Hz频率下的ERG信号进行滤波，去基线漂移等数字信号处理，提高信噪比。通过将罗兰标准ERG与我们采集到的ERG信号对比发现，皮肤电极采集到的视网膜电信号能够和临床实践的视网膜电信号采集系统采集到的视网膜电信号一样，有着基本的特征信息。基于视网膜电信号采集系统的设计是成功的。在接下来的工作中，可以通过测得的视网膜电图提取相应的特征信息，以此来做更深入的分析研究。

5 讨论

目前临床视觉电生理已成为眼科临床检查的重要手段之一，视网膜电生理的研究主要集中在多焦ERG[18]。利用多焦视网膜电图，能够直观的观察到病变部位反应幅度的下降情况以及潜伏期延长，多焦ERG能够同时完成多个部位的检测从而有效缩短检测的时间[19]。基于皮肤电极的ERG采集系统是极具有发展前景的项目，但是目前为止，仅仅是简单的完成了一个ERG采集系统的雏形。本文设计实现了通过皮肤电极对ERG信号的采集，皮肤电极通过贴附于皮肤表面来获取ERG信号。

优点：它不仅可以减轻患者在检测过程中的痛苦，也可以大大减少检测时间，同时也降低了检测成本，有效地应用到临床检测。

缺点：通过信号通过皮肤传导后，其幅值很大程度的衰减，因此需要不断寻找合适的皮肤电极部位。信号采集过程中，人体皮肤存在阻抗，人体转动，工频噪声等共模干扰影响大。仍有许多地方需要进一步的完善，才能获得更好的视网膜电图，对信号采集系统有以下几个方面需要改进：

（1）需要设计一个完全符合国际电生理协会对视网膜刺激器的标准的一个视网膜刺激器，同时，也要考虑到人体工学的基本原理，设计一个舒适的符合人体工学的视网膜刺激器。

（2）因ERG极微弱，所以电路整体的噪声控制是非常必要的。未来可以继续改进电路的去噪功能，让电路的整体噪声降低，获得信噪比更好的视网膜电图。

（3）在实际电路测试中。受测者的基本情况多种多样，并且在他们测试的过程中无法在测试过程中保持测试时需要的基本要求。所以需要对受测者进行统一化的要求，需要在未来的ERG采集系统的设计中着重思考。

（4）为了对采集的波形做到实时监视，需要SD卡对数据的储存或无线实时传输到计算机或移动设备上对采集的ERG波形显示和数据处理。

6 结语

本文设计了一种基于皮肤电极的ERG检测系统，通过采用皮肤电极，大大减少了病人的痛苦，同时普及了ERG信号的采集方法，也降低了成本。经过对比发现，通过皮肤电极采集到的ERG信号能够和临床实践的ERG信号采集系统采集到的ERG一样有着基本的特征信息，且该系统相对传统ERG采集方法减轻了对人眼造成的危害。理论分析和实验结果均证明了该方法的可行性和有效性。

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本文编辑 袁隽玲

Design and Implementation of ERG Detection System Based on Skin Electrodes

XU Li-sheng1, LIU Wen-yan1, QIAN Wei1, WANG Lu2, HAO Li-ling1

1.School of Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 2.School of Computer Science and Technology, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China

The clinical examination standard of visual electrophysiology already exists. The electroretinogram (ERG) has a more extensive application among them. In order to alleviate the harm caused by the traditional ERG acquisition method and overcome some shortcomings of traditional method. This paper designed and implemented an ERG detection system based on skin electrodes. The designed system includes a retinal stimulator, analog filter, analog amplifier, 24 bits analog-to-digital conversion module and digital signal processing module. Ten volunteers were selected to receive the detection of the retina. Finally, the obtained ERG and standard traditional ERG were compared. The experimental results showed that the ERG signal collected by the skin electrodes contained similar characteristic information of the traditional ERG signal.

electroretinogram; electrooculogram; skin electrode; eye diseases

R774.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.004

1674-1633(2017)08-0011-05

2017-05-18

2017-06-21

国家自然科学基金资助项目（61374015）；中央高校基本科研业务费项目（N161904002）；辽宁省自然基金项目（20170540312）。

作者邮箱：xuls@bmie.neu.edu.cn