基于贝叶斯概率估计算法的多维度周边对比敏感度函数检测方法的建立及验证

陈志鹏 庄仪婧 徐梓萱 侯方 叶青青 贾玉 何蕴思 周榆松 张胜蓝 封檑 吕忠林 李劲嵘

1中山大学中山眼科中心 眼科学国家重点实验室，广州 510000；2温州医科大学附属眼视光医院 325000；3上海纽约大学文理学院 200122；4Center for Neural Science and Department of Psychology，New York University，New York，NY 10003；5华东师范大学-纽约大学脑与认知科学联合研究中心，上海 200062

视功能是指视网膜对应神经中枢区域的视觉感知功能，中央视功能和周边视功能分别为视网膜离心率2°以内和2°以外对应的视觉感知功能[1]。由于光感受器、神经节细胞密度以及屈光状态的差异，周边视功能敏感度比中央区低[2]，而周边视功能的评估对人们日常生活[3-4]、青光眼等疾病视功能损害的早期诊断和监测[5]、近视的发生与发展研究有着重要意义[6-8]，同时其对于中央视野缺损患者的视觉康复训练也有重要的意义[9]。周边视功能的评价主要包括周边光觉、视力、对比敏感度、运动觉、脑电图与功能性磁共振成像检查等的功能检测[10-11]。虽然光觉阈值检测作为青光眼早期诊断的金标准被广泛应用于临床，但其早期诊断的敏感度和疾病随访的精度仍然不足，因此还需要更加全面、完善的周边视功能检测手段[12]。对比敏感度函数(contrast sensitivity function，CSF)可反映视觉系统在同一空间频率下对不同黑白对比度的对比分辨能力以及不同空间频率下对细小物体的分辨能力，并广泛地应用于临床视功能检测[13-14]。因此检测周边CSF能够更全面和准确地反映周边的视功能质量。目前采用传统卡片法测量周边视功能，采样率低且稳定性差，无法有效地量化周边的视功能[15]；经典的计算机阈值检测方法存在检测时间长，检测周边CSF时容易出现注意力不集中，以及存在周边视网膜“拥挤现象”等问题，从而导致CSF检测结果不稳定[16]。随着心理物理学方法和算法模型的不断改进，2010年，Lesmes等[17]在贝叶斯概率估计算法和多通道实验信息采集技术的基础上建立了快速CSF(quick CSF，qCSF)检测方法，可快速描绘全空间频率的CSF曲线。基于qCSF模型，Rosén等[18]建立了一种较为快速的周边CSF检测方法，从而快速且准确地评估周边视觉功能。本研究对qCSF参数和取值范围进行了进一步的优化，形成周边qCSF(peripheral qCSF，pqCSF)检测方法，应用伽柏光栅进行二选一的强迫选择法(two-alternative forced choice，2-AFC)对12名正视眼受试者进行检测，评估其准确性及稳定性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

采用横断面研究，2017年9月至2018年3月于中山大学中山眼科中心非连续纳入健康正视眼受试者12名19眼(其中5例受试者5眼因屈光度不符合纳入标准，未纳入研究)，其中男6名10眼，女6名9眼；平均年龄(22.92±2.91)岁；平均球镜度和柱镜度分别为(-0.34±0.52)D和(-0.30±0.42)D，裸眼视力均≥1.0。纳入标准：(1)年龄18～35岁者；(2)裸眼视力≥1.0者；(3)非麻痹睫状肌状态下任一眼等效球镜在-0.50～+0.75 D内者；(4)瞳孔直径在3.00～5.00 mm内者；(5)依从性好，可以配合检查及完成全部检测者。排除标准：(1)有眼部及颅脑手术史者；(2)有除屈光不正以外其他眼部疾病史、颅脑神经系统疾病或可能影响视功能的全身疾病者；(3)无法理解或无法配合检查者；(4)试验过程中有任何不适或要求退出者。研究过程遵循《赫尔辛基宣言》，研究方案经中山大学中山眼科中心伦理委员会批准(批文号：2018KYPJ017)。在对受试者进行研究性质和目的的书面和口头解释后，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1眼部一般检查 所有受试者均进行裂隙灯显微镜(SL-1800，日本NIDEK公司)检查、直接检眼镜(YZ6H，苏州六六视觉公司)眼底检查以及非睫状肌麻痹状态下带状光检影镜(YZ24B，苏州六六视觉公司)检影，在带状光检影的基础上用综合验光仪(VT-10，日本Topcon公司)进行主觉验光测量屈光度。

1.2.2pqCSF检测方法的建立 (1)检测系统配置 显示器：伽马校正的46英寸LCD显示器(NEC LCD P463，日本NEC公司)，具有1 920×1 080像素分辨率，50 cd/m2平均亮度和60 Hz垂直刷新率。软件：通过Matlab软件编写的专利测量程序[17]。(2)刺激视标设计和测试范式的建立 应用静态经高斯窗处理过的正弦光栅视标进行2-AFC任务(左倾斜或右倾斜)(图1)。刺激视标的半径为4.50°视角，高斯模糊的半径为0.25°，用于将刺激视标边缘与背景融合；条栅刺激视标的对比度范围为0.00～1.00；空间频率的变化范围根据测试位置的不同进行调整，外周6°、12°、18°、24°空间频率范围分别为0.70～20.00、0.70～12.50、0.70～9.50、0.70～7.50 c/d，取值为在对数单位上等间隔分布的19个空间频率。刺激视标每次出现时间为50 ms。由于显示器屏幕大小的限制，难以通过调整光栅视标的呈现位置进行所有周边离心率的检测，本研究在保证视标大小所对应视角大小一致的情况下，通过改变检查距离来实现受试者所有周边离心率的CSF检测。利用CSF峰值γmax、空间频率峰值max、带宽β、低对比度截距δ参数来描述每个受试者不同的CSF曲线形态，并将这4个参数组合成一个四维概率密度函数，在每次受试者反应后都根据贝叶斯法则更新该密度函数的后验概率，从而通过最大化每次测试中获得的信息，从对比度和空间频率中选择下一次的最佳刺激。

1.2.3pqCSF检测流程 受试者在暗室内不进行任何光学矫正的条件下，均以单眼进行测试。在正式检查前受试者均先进行1～2次pqCSF预检测以熟悉检测流程，预检测过程中仔细观察受试者表现及合作程度，尽可能减少患者主观因素所导致的假阳性、假阴性及眼位固视丢失等情况。检测前设置实验相关软件参数，录入受试者的基本信息及检测方式，即姓名、测试眼别、刺激视标选择、测试周边视野离心率选择及测试次数(默认每个视野位置40次)；分别在距离视标3.08、1.96、1.43和1.12 m处对受试者进行检查，分别对应周边视野6°、12°、18°和24°的CSF检测。检测过程中，严格要求并反复提醒受试者水平注视十字注视点，通过周边视觉来观察周边呈现的光栅方向(图1)，受试者通过按键进行作答。光栅刺激以不同的空间频率和对比度呈现，每个周边视野位置测试之间时间间隔为1 min，测量单眼周边CSF耗时约50 min。每次检测结束后将原始数据以及CSF曲线图自动保存在指定的文件夹中，以方便提取原始数据进行分析和计算。检测结果包括16个周边视野位置所对应的CSF曲线下面积(the area under Log CSF，AULCSF)以及19个空间频率(以对数单位等间隔分布)所对应的CSF。

图1 pqCSF检测刺激视标示意图 嘱受试者水平注视十字注视点，通过周边视觉来观察周边呈现的光栅方向

1.3 统计学方法

采用SPSS 19.0统计学软件(美国SPSS公司)进行统计分析。周边各离心率的AULCSF及各空间频率对应的CSF经Shapiro-Wilk检验呈正态分布，以mean±SD表示。AULCSF协方差矩阵经Mauchly球形假设检验满足球形假设。各视野方向不同离心率下AULCSF差异比较采用重复测量两因素方差分析，组间多重比较采用Bonferonni检验。由于颞侧18°视野接近生理盲点，在组间多重比较中不对该位置进行分析讨论。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

不同离心率间AULCSF总体比较，差异有统计学意义(F离心率=319.55，P<0.001)，各离心率间AULCSF两两比较，差异均有统计学意义(均P<0.05)。不同方向间AULCSF总体比较，差异有统计学意义(F方向=21.43，P<0.001)；除下方与颞侧间AULCSF比较差异无统计学意义(P>0.05)外，其余各方位间比较差异均有统计学意义(均P<0.05)。方向和离心率的交互作用对AULCSF的影响无统计学意义(F交互作用=0.31，P>0.05)。其中由于周边18°的颞侧视野接近生理盲点，AULCSF数值普遍较低，对颞侧AULCSF的总体水平有影响。在周边6°、12°及24°的鼻侧与颞侧AULCSF比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)(表1)。周边6°、12°和24°水平方向AULCSF(鼻侧+颞侧)均较垂直方向AULCSF(上方+下方)大(t=4.89、5.60、6.21，均P<0.05/3)。

表1 19眼不同离心率下各方向AULCSF比较(mean±SD，Log unit)

此外，本研究中还通过CSF峰值γmax、空间频率峰值max、带宽β和低对比度截距δ这4个参数的平均值来拟合及描绘各个周边视野位置全空间频率下的CSF曲线图，其中颞侧18°的测量位置在视网膜上对应位置接近生理盲点，CSF曲线呈现较低水平，不纳入分析中。在同一个方向，距离中心凹越远的视野位置，CSF曲线高频截止频率会出现明显下降，而峰值敏感度也有所下降，这与光感受细胞的分布规律相一致。此外，距离中心凹越远的视野位置，CSF测量数据标准差也偏大，特别是在18°及24°离心率下(图2)。

图2 不同离心率下各个方位的pqCSF平均拟合曲线图 CS：对比敏感度

3 讨论

以往的周边CSF检测多采用传统心理物理学阶梯法阈值估计，其过程耗时长，难以应用于临床，同时由长时间的测试所带来的Troxler效应也会引起周边CSF测量的不稳定[19-20]。因此，快速、准确、稳定的测量方法对于周边CSF的评估有极为重要的意义。近年来，随着心理物理学自适应方法不断涌现，研究者们也尝试应用自适应对比度阈值估计的方法测量视标的时间频率对周边CSF的影响[6]。但是，上述阶梯法或者自适应方法仅在对比度这一维度上进行自适应变化，而难以描绘出全空间频率的CSF。相比而言，qCSF检测基于贝叶斯概率估计算法，在对比度和空间频率2个维度上进行自适应的参数选择，可以快速描绘全空间频率的CSF曲线，大大缩短检测时间。本课题组在先前与ψ方法的比较研究中，验证了qCSF方法的准确度和重测信度[21]。以往的周边CSF研究由于测量时间或研究设备受限，多进行周边单方向多个离心率[6]，或是多方向单离心率的测量[18]，而本研究通过变换受试者的座位，测量了多方向多离心率的周边对比敏感度，更全面地反映了正常受试者大部分视野的总体水平。基于中央qCSF检测算法及模型[16-17]，本研究建立了pqCSF检测方法，通过多次预实验，先后排除了数字及C字母视标刺激视标，选择了更易于检测的条栅刺激视标，同时在吕忠林等的技术支持下对pqCSF的测试距离等参数及算法进行优化，实现对周边视功能的多维度及大范围评估。

本研究应用pqCSF检测方法对正视眼受试者进行周边CSF测量，发现鼻、颞侧的AULCSF较上、下方大，与Rosén等[18]研究结果基本相符。这一现象可能与水平方向及垂直方向视网膜感光细胞、神经节细胞分布的不对称性及周边离焦的存在有关[22]。本研究结果显示视网膜同一离心率下4个不同方向的CSF曲线存在一定的差异，这种差异可能不仅与光感受器、神经节细胞分布及皮质放大率有关，同时还与鼻、颞侧视网膜所对应的皮质放大系数的差异随离心率增大而增大有关[23]。此外本研究结果显示，随着离心率的增加，AULCSF及每个空间频率下CSF的标准差也偏大，即距中心凹越远的视野位置，个体间差异可能越大，这可能与周边部的远视离焦及高阶像差有关[24]。

近年来，CSF检测对于视功能全面评估的重要性逐渐得到验证，如用于部分眼病的早期诊断和疗效监测[5]、研究周边视网膜与近视发生和进展过程的关系机制[7,25-27]、中央视野缺损患者的低视力康复研究等[8]。因此简便、快速且准确的周边CSF检测方法可更广泛地用于临床与研究。

在本研究中，受试者均进行2次预检测，且每次检测均有适当的休息时间，来保证pqCSF检测结果的稳定。然而本研究仍有一些不足，单次pqCSF检测时间为3～5 min，受试者可能出现注意力不集中、视疲劳等问题。因此在后续的检测中，我们希望用红外眼动追踪的方式进行眼位的监控，同时进一步优化算法，在保证测量的准确性及精密度前提下，尽量减少测量次数。此外，本实验通过变换受试者位置进行多方位的检测，为其临床应用带来了较大不便。在后续的研究中，可应用光学组件通过折射原理实现受试者在同一位置进行不同离心率的检测。此外，由于个体间周边屈光度及周边部高阶像差差异较大，在距离中心凹越远的视野位置，CSF测量差异越大，这种由个体间光学上差异所造成的功能差异假象，在今后的研究中也需通过一些光学上的矫正(例如自适应光学设备)进一步改进[28]。因此相较于较成熟的中央qCSF检测方法，pqCSF检测方法仍需要从算法、视标设计、标准建立等多方面入手进行完善，以建立一个更适应临床的标准检测方法。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突