一種基于eog的erg信號采集與處理系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括控制單元、視網(wǎng)膜刺激器單元、視網(wǎng)膜電信號采集單元和視網(wǎng)膜電信號處理單元；該方法包括：調節(jié)刺激光源照度和刺激光源閃光頻率；三個皮膚分別安置于受試者眼睛正上方額頭處、眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處；進行20分鐘以上的暗適應；受試者眼睛對準刺激光源；采集EOG信號；對受試者眼睛進行光刺激，同步采集受試者眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處ERG信號，經(jīng)過信號調理和AD轉換后存儲；視網(wǎng)膜電信號處理與分析單元讀取ERG信號，并對ERG信號進行處理與分析。本發(fā)明采用外置皮膚電極采集ERG信號，使得采集更為方便，更為安全，成本也更低；在對信號處理上，采用的方法運算量小，可行性高，能實現(xiàn)信號快速處理。
【專利說明】一種基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及視覺信號采集與處理【技術領域】，具體是一種基于EOG的ERG信號采集 與處理系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 視覺系統(tǒng)作為人類最重要的感知系統(tǒng)之一，視覺系統(tǒng)疾病嚴重威脅我們的正常生 活。視覺系統(tǒng)的很多病變是漸進的，早期發(fā)現(xiàn)和治療是臨床眼科學、預防醫(yī)學、流行病學 的重要課題。相比于傳統(tǒng)的心理物理檢查,視覺電生理檢查從電生理的角度，能夠實現(xiàn)對 視覺通路的全面診斷，為視覺早期病變的檢測提供了一種更適合的手段。傳統(tǒng)視覺電生 理包括三個方面：視網(wǎng)膜電圖（Electroretinography，ERG)、視誘發(fā)電位（Visual Evoked Potential, VEP)、眼電圖（Electrooculography，E0G)。視覺電生理已有國際電生理臨床檢 查標準，相對而言，ERG檢查有著更為廣泛的應用。
[0003] 早期的視覺電信號檢測通常進行動物實驗，經(jīng)過不斷地發(fā)展、成熟，在人類的眼科 臨床檢查和視覺研究也已經(jīng)得到了廣泛地應用。對于眼部生物電信號的探索有著悠久的歷 史，作為視覺電生理研究領域的先驅，德國的生理學家Emil du Bois-Reymond在1849年對 鯉魚眼睛進行的動物實驗中，首次發(fā)現(xiàn)了在鯉魚眼球的前后極之間存在著電位差，并將這 個電勢差稱之為眼靜息電位，眼睛角膜一側相對后極部位有數(shù)毫伏的電勢差，這個發(fā)現(xiàn)開 創(chuàng)了眼部生理研究的新紀元。此后，瑞典的生理學家Frithiof與Holmgren于1865年在對 脊椎動物眼睛進行實驗時，發(fā)現(xiàn)當施加閃光刺激時會產(chǎn)生動作電位。Dewar與M' Kendrick 在1876年，以及Kuhne與Steiner在1881年分別證實了動作電位的主要位置位于視網(wǎng)膜 色素上皮之間。并在此后的研究工作中證明這個動作電位來源于視網(wǎng)膜，其波形稱之為視 網(wǎng)膜電圖。Canton于1875年在進行動物實驗時發(fā)現(xiàn)一定頻率的閃光刺激能夠在動物的大 腦視覺皮層上引起反應性變化，從而開啟了視覺誘發(fā)電位領域的研究。
[0004] Gotch在1903年應用精密儀器成功采集到ERG。此后，人們便開始對ERG的信號 成分進行更加深入的研究。20世紀40年代初期，Riggs與karpe各自獨立研制成功了角膜 接觸鏡電極，并且能夠滿足臨床應用的要求，這為ERG投入到實際的臨床應用做出了重要 貢獻[1]。1945年karpe首次發(fā)展了臨床ERG的記錄方法和描述視網(wǎng)膜色素性變的ERG，此 后又有許多研究人員相繼發(fā)現(xiàn)了其它眼底病的ERG表現(xiàn)。1934年Adrian從大腦視覺皮層 上通過皮膚電極成功采集到閃光刺激的視覺誘發(fā)電位。1947年通過Dawson等人的探索， 疊加技術在視覺電信號檢測中得到應用。1958年Clark研制成功了平均反應計算機，并將 其應用到視覺誘發(fā)電位的檢測。I960年閃光VEP檢查在臨床中得到了廣泛應用。Cobb在 1967年研制成功了圖形VEP技術，此后，Holliday將圖形VEP在眼科臨床診斷進行應用推 廣。在20世紀50年代初期，Marg和Monnier通過皮膚電極采集眼球轉動時眼球前后電勢 差，從而間接的采集到了眼睛靜息電位，從而實現(xiàn)了對于EOG的無創(chuàng)傷檢查。Arden在1962 年整理提供了較為完善的眼科EOG檢查與分析方法，使得EOG檢查能夠廣泛應用于眼科診 斷。Gotch在1903年應用精密儀器成功采集到ERG。此后，人們便開始對ERG的信號成分進 行更加深入的研究。20世紀40年代初期，Riggs與karpe各自獨立研制成功了角膜接觸鏡 電極，并且能夠滿足臨床應用的要求，這為ERG投入到實際的臨床應用做出了重要貢獻[1]。 1945年karpe首次發(fā)展了臨床ERG的記錄方法和描述視網(wǎng)膜色素性變的ERG，此后又有許 多研究人員相繼發(fā)現(xiàn)了其它眼底病的ERG表現(xiàn)。1934年Adrian從大腦視覺皮層上通過皮 膚電極成功采集到閃光刺激的視覺誘發(fā)電位。1947年通過Dawson等人的探索，疊加技術在 視覺電信號檢測中得到應用。1958年Clark研制成功了平均反應計算機，并將其應用到視 覺誘發(fā)電位的檢測。I960年閃光VEP檢查在臨床中得到了廣泛應用。Cobb在1967年研制 成功了圖形VEP技術，此后，HolIiday將圖形VEP在眼科臨床診斷進行應用推廣。在20世 紀50年代初期，Marg和Monnier通過皮膚電極采集眼球轉動時眼球前后電勢差，從而間接 的采集到了眼睛靜息電位，從而實現(xiàn)了對于EOG的無創(chuàng)傷檢查。Arden在1962年整理提供 了較為完善的眼科EOG檢查與分析方法，使得EOG檢查能夠廣泛應用于眼科診斷。
[0005] 隨著數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，視覺電生理檢測儀器也更加完善。利用現(xiàn)代 數(shù)字信號處理技術可以有效對采集得到的信號進行相關處理分析，得到診斷中需要的有效 信息。譬如可以對信號進行數(shù)字濾波，將模數(shù)轉換采集到的離散信號數(shù)據(jù)利用數(shù)字濾波器 提取出有效頻帶的信號，濾除掉無效的干擾信號。數(shù)字濾波器能夠有效克服了模擬濾波器 頻率響應不易確定，易引入新的干擾噪聲等缺陷。同時，為了避免由于眼動等因素引起的信 號基線漂移，可以通過數(shù)字信號處理來剔除偽跡。此外，目前對于視覺電信號的分析處理， 主要通過數(shù)學算法實現(xiàn)。譬如Naka-Rushton公式在分析視網(wǎng)膜電圖分析中的應用。1983 年吳樂正等人把Naka-Rushton公式成功應用于黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性和視錐細胞營 養(yǎng)不良的診斷過程。1993年Anastasi等人對Naka-Rushton函數(shù)進行了微分分析。并通過 提取惡性肥胖癥患者術后維生素A缺乏癥下的暗視b波，應用Naka-Rushton函數(shù)證實了因 為光感受器視紫紅質的減少導致了其捕獲光量子的減少。此外，還可以利用Fourier對閃 爍ERG、圖形ERG和振蕩電位進行分析，提取各次諧波，分析其特性。
[0006] 現(xiàn)在對于視網(wǎng)膜電生理的研究主要集中在多焦ERG中。其中多焦ERG是由Sutter 等人研究開發(fā)的，它通過預先設定m-序列來對刺激器的刺激矩陣以及閃光進行控制，應用 標準的刺激矩陣能夠使視網(wǎng)膜所有部位分別接受到刺激，這樣我們通過單個通道的電極采 集到視網(wǎng)膜各個部位在受到刺激器刺激后的一簇反應。然后應用處理器進行快速Walsh變 換，分離出視網(wǎng)膜相應部位的ERG波形，并且能夠通過3D圖像描繪視網(wǎng)膜不同部位信號的 振幅地形圖，從而可以清楚地知道其反應強度。利用多焦視網(wǎng)膜電圖，能夠直觀的觀察到病 變部位反應幅度的下降情況以及潛伏期延長。相比于局部視網(wǎng)膜電圖，多焦ERG能夠同時 完成多個部位的檢測從而有效縮短檢測的時間。隨著多焦ERG技術應用越來越廣泛，其在 局部視網(wǎng)膜病變診斷方面的優(yōu)勢日益凸顯。因而，多焦ERG仍將是視覺電生理研究的重要 方向。
[0007] 傳統(tǒng)的ERG測量采用的是角膜接觸鏡電極，需要將角膜接觸鏡電極放置于角膜表 面，由于檢測電極特殊的位置，檢測過程中患者眨眼和眼球運動都會使眼部產(chǎn)生嚴重的不 適，如果未能進行正確地佩戴很有可能對受試者的角膜產(chǎn)生一定的損傷。同時，對于兒童等 不便于配合者以及角膜有病患的患者都不宜于通過角膜接觸鏡進行ERG信號采集，并且為 了避免細菌感染，角膜接觸鏡電極不宜于重復使用，使得檢測成本增加。隨著視網(wǎng)膜電生理 在眼部疾病診斷中越來越廣泛的應用，傳統(tǒng)視網(wǎng)膜電信號采集方式的弊端顯得尤為突出。
【發(fā)明內容】
[0008] 針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng) 及方法。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0010] 一種基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，包括控制單元、視網(wǎng)膜刺激器單元、視 網(wǎng)膜電信號采集單元和視網(wǎng)膜電信號處理單元；
[0011] 所述的控制單元用于調節(jié)刺激光閃光頻率、控制視網(wǎng)膜電信號采集單元進行信號 采集、AD轉換及數(shù)據(jù)存儲；
[0012] 所述視網(wǎng)膜刺激器單元用于發(fā)出刺激光和控制刺激光照度；
[0013] 視網(wǎng)膜電信號采集單元用于采集受試者眼睛鼻梁內側的ERG信號、眼睛眼瞼處的 ERG信號，對ERG信號調理、AD轉換模塊和數(shù)據(jù)存儲；
[0014] 視網(wǎng)膜電信號處理單元用于讀取ERG信號，完成對ERG信號的去噪、去基線、去眼 動干擾、時域特征點提取和頻域特征點提取。
[0015] 所述視網(wǎng)膜刺激器單元包括刺激光光源、刺激光照度調節(jié)模塊與刺激光閃光頻率 控制t吳塊；
[0016] 刺激光光源的輸入端連接刺激光照度調節(jié)模塊的輸出端，刺激光照度調節(jié)模塊的 輸入端連接控制單元的輸出端，刺激光閃光頻率控制模塊連接控制單元，控制單元與刺激 光光源連接。
[0017] 所述視網(wǎng)膜電信號采集單元包括皮膚電極、信號調理模塊、AD轉換模塊和數(shù)據(jù)存 儲豐吳塊；
[0018] 皮膚電極有三個，分別安置于受試者眼睛正上方額頭處、眼睛鼻梁內側和眼睛眼 瞼處；
[0019] 三個皮膚電極分別連接信號調理模塊的輸入端，信號調理模塊的輸出端連接AD 轉換模塊的輸入端，AD轉換模塊的輸出端連接數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端。
[0020] 所述信號調理模塊包括前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、后級放大電 路和工頻陷波電路；前置放大電路輸入端連接各皮膚電極的輸出端，前置放大電路的輸出 端連接低通濾波電路的輸入端，低通濾波電路的輸出端連接高通濾波電路的輸入端，高通 濾波電路的輸出端連接后級放大電路的輸入端，后級放大電路的輸出端連接工頻陷波電路 的輸入端，工頻陷波電路的輸出端連接AD轉換模塊的輸入端，前置放大電路的輸出端還連 接安置于受試者眼睛正上方額頭處的皮膚電極。
[0021 ] 所述AD轉換模塊包括數(shù)字隔離電路和AD轉換電路；
[0022] 數(shù)字隔離電路用來隔離模擬電路與數(shù)字電路之間的電氣聯(lián)系，數(shù)字隔離電路的輸 入端連接控制單元的IO 口，數(shù)字隔離電路的輸出端連接AD轉換模塊的功能控制引腳。
[0023] 采用所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)的ERG信號采集與處理方法，包 括以下步驟：
[0024] 步驟1 :根據(jù)ISCEV規(guī)定的標準ERG的采集模式，調節(jié)所需的采集模式下的刺激光 源照度和刺激光源閃光頻率；
[0025] 步驟2 :對受試者皮膚進行清潔，將三個皮膚分別安置于受試者眼睛正上方額頭 處、眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處；
[0026] 步驟3 :受試者進行20分鐘以上的暗適應；
[0027] 步驟4 :調整受試者體位，使受試者眼睛對準刺激光源；
[0028] 步驟5 :采集受試者眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處EOG信號，并將該兩個EOG信號作 為標準EOG信號；
[0029] 步驟6 :對受試者眼睛進行光刺激，兩個皮膚電極同步采集受試者眼睛鼻梁內側 和眼睛眼瞼處ERG信號，ERG信號中疊加有EOG信號，安置在受試者眼睛正上方額頭處的皮 膚電極分別從受試者眼睛鼻梁內側和眼瞼處提取出人體共模電壓即人體噪聲，并將該噪聲 反向加到人體；
[0030] 步驟7 :三個皮膚電極同步采集的信號經(jīng)過信號調理和AD轉換后存儲；
[0031] 步驟8 :視網(wǎng)膜電信號處理與分析單元讀取ERG信號，并對ERG信號進行處理與分 析；
[0032] 步驟8. 1 :對ERG信號去噪；
[0033] 步驟8. 2 :對ERG信號去基線；
[0034] 步驟8. 3 :采用模板匹配的方法對ERG信號去眼動干擾：將標準EOG信號作為模 板，計算出標準EOG信號長度、均值、方差和平方值，以標準EOG信號長度在ERG信號上進行 滑動，從ERG信號中截取出與標準EOG信號長度相同的ERG信號，若截取出的ERG信號的均 值、方差和平方值均與模板的均值、方差和平方值相匹配，則將ERG信號中減去標準EOG信 號，即可去除眼動干擾信號；
[0035] 步驟8. 4 :對ERG信號進行時域特征提??；
[0036] 步驟8. 5 :對ERG信號進行頻域特征提取。
[0037] 所述步驟8. 1對ERG信號去噪是利用陷波器濾除ERG信號中的工頻噪聲，該陷波 器用以下常系數(shù)線性差分方程表示：
[0038]
【權利要求】
1. 一種基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：包括控制單元、視網(wǎng)膜刺激 器單元、視網(wǎng)膜電信號采集單元和視網(wǎng)膜電信號處理單元； 所述的控制單元用于調節(jié)刺激光閃光頻率、控制視網(wǎng)膜電信號采集單元進行信號采 集、AD轉換及數(shù)據(jù)存儲； 所述視網(wǎng)膜刺激器單元用于發(fā)出刺激光和控制刺激光照度； 視網(wǎng)膜電信號采集單元用于采集受試者眼睛鼻梁內側的ERG信號、眼睛眼瞼處的ERG 信號，對ERG信號調理、AD轉換模塊和數(shù)據(jù)存儲； 視網(wǎng)膜電信號處理單元用于讀取ERG信號，完成對ERG信號的去噪、去基線、去眼動干 擾、時域特征點提取和頻域特征點提取。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：所述視 網(wǎng)膜刺激器單元包括刺激光光源、刺激光照度調節(jié)模塊與刺激光閃光頻率控制模塊； 刺激光光源的輸入端連接刺激光照度調節(jié)模塊的輸出端，刺激光照度調節(jié)模塊的輸入 端連接控制單元的輸出端，刺激光閃光頻率控制模塊連接控制單元，控制單元與刺激光光 源連接。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：所述視 網(wǎng)膜電信號采集單元包括皮膚電極、信號調理模塊、AD轉換模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊； 皮膚電極有三個，分別安置于受試者眼睛正上方額頭處、眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼 處； 三個皮膚電極分別連接信號調理模塊的輸入端，信號調理模塊的輸出端連接AD轉換 模塊的輸入端，AD轉換模塊的輸出端連接數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端。
4. 根據(jù)權利要求3所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：所述信 號調理模塊包括前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路、后級放大電路和工頻陷波電 路；前置放大電路輸入端連接各皮膚電極的輸出端，前置放大電路的輸出端連接低通濾波 電路的輸入端，低通濾波電路的輸出端連接高通濾波電路的輸入端，高通濾波電路的輸出 端連接后級放大電路的輸入端，后級放大電路的輸出端連接工頻陷波電路的輸入端，工頻 陷波電路的輸出端連接AD轉換模塊的輸入端，前置放大電路的輸出端還連接安置于受試 者眼睛正上方額頭處的皮膚電極。
5. 根據(jù)權利要求3所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)，其特征在于：所述AD 轉換模塊包括數(shù)字隔離電路和AD轉換電路； 數(shù)字隔離電路用來隔離模擬電路與數(shù)字電路之間的電氣聯(lián)系，數(shù)字隔離電路的輸入端 連接控制單元的IO 口，數(shù)字隔離電路的輸出端連接AD轉換模塊的功能控制引腳。
6. 采用權利要求1所述的基于EOG的ERG信號采集與處理系統(tǒng)的ERG信號采集與處理 方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟1 :根據(jù)ISCEV規(guī)定的標準ERG的采集模式，調節(jié)所需的采集模式下的刺激光源照 度和刺激光源閃光頻率； 步驟2 :對受試者皮膚進行清潔，將三個皮膚分別安置于受試者眼睛正上方額頭處、眼 睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處； 步驟3 :受試者進行20分鐘以上的暗適應； 步驟4 :調整受試者體位，使受試者眼睛對準刺激光源； 步驟5 :采集受試者眼睛鼻梁內側和眼睛眼瞼處EOG信號，并將該兩個EOG信號作為標 準EOG信號； 步驟6 :對受試者眼睛進行光刺激，兩個皮膚電極同步采集受試者眼睛鼻梁內側和眼 睛眼瞼處ERG信號，ERG信號中疊加有EOG信號，安置在受試者眼睛正上方額頭處的皮膚電 極分別從受試者眼睛鼻梁內側和眼瞼處提取出人體共模電壓即人體噪聲，并將該噪聲反向 加到人體； 步驟7 :三個皮膚電極同步采集的信號經(jīng)過信號調理和AD轉換后存儲； 步驟8 :視網(wǎng)膜電信號處理與分析單元讀取ERG信號，并對ERG信號進行處理與分析； 步驟8. 1 :對ERG信號去噪； 步驟8. 2 :對ERG信號去基線； 步驟8. 3 :采用模板匹配的方法對ERG信號去眼動干擾：將標準EOG信號作為模板，計 算出標準EOG信號長度、均值、方差和平方值，以標準EOG信號長度在ERG信號上進行滑動， 從ERG信號中截取出與標準EOG信號長度相同的ERG信號，若截取出的ERG信號的均值、方 差和平方值均與模板的均值、方差和平方值相匹配，則將ERG信號中減去標準EOG信號，即 可去除眼動干擾信號； 步驟8. 4 :對ERG信號進行時域特征提?。? 步驟8. 5 :對ERG信號進行頻域特征提取。
7. 根據(jù)權利要求6所述的ERG信號采集與處理方法，其特征在于：所述步驟8. 1對ERG 信號去噪是利用陷波器濾除ERG信號中的工頻噪聲，該陷波器用以下常系數(shù)線性差分方程 表不：
式中：n表示信號序列的序號，i表示移序，x(n-i)和y(n)分別為陷波器輸入信號序列 和陷波器輸出信號序列；％和h均為陷波器系數(shù)，是和電源噪聲頻率fPOT"有關的函數(shù)，即 屮=fa (UJ，4 = fb (fPOTJ，對該常系數(shù)線性差分方程兩邊進行Z變換，得出陷波器 傳遞函數(shù)表達式，就能利用陷波器將ERG信號中的工頻噪聲去除。
8. 根據(jù)權利要求6所述的ERG信號采集與處理方法，其特征在于：所述步驟8. 2對ERG 信號去基線按以下步驟進行： 步驟8. 2. 1 :利用小波對ERG信號進行n層分解； 步驟8. 2. 2 :計算ERG信號的能量比ER值，當ERG信號的能量比ER值小于能量比閾值 Th時，選擇離散Meyer小波濾波器去除基線漂移，若ERG信號的能量比ER值大于能量比閾 值Th時，則不對ERG信號進行濾波，記此時的信號為ERGl ;
其中，A1和An分別是小波分解得到的第一層的信號和第i層的信號，用A1代表ERG信 號，An代表基線漂移，層數(shù)i的取值和ERG信號頻率fEK；有關，即n = f (fEK；)，I I I I是二范 數(shù)，mean (An)為An的平均值； 步驟8. 2. 3 :對ERGl信號進行起點檢測得到起點Bl，對所有檢測到的起點Bl進行樣條 插值得到基線B2 ; 步驟8. 2. 4 :將ERGl信號減去基線B2,得到去除基線后的ERG2信號，即完成2對ERG 號去基線。
9. 根據(jù)權利要求6所述的ERG信號采集與處理方法，其特征在于：所述步驟8. 4對ERG 信號進行時域特征提取，具體方法是：在時域中，對ERG信號加窗后，確定出在窗寬內ERG信 號的最大值點、最小值點以及ERG信號求導后的極值點。
10. 根據(jù)權利要求6所述的ERG信號采集與處理方法，其特征在于：所述步驟8. 5對ERG 信號進行頻域特征提取按如下步驟進行： 步驟8. 5. 1 :對ERG信號進行FFT變換，得出ERG信號頻譜分布； 步驟8. 5. 2 :分別計算出ERG信號總能量Pt(rtal、10?40Hz范圍內的ERG信號能量 60?IOOHz范圍內的ERG信號能量P2、100?200Hz范圍內的ERG信號能量P3 ; 步驟8. 5. 3 :分別計算10?40Hz范圍內的ERG信號能量P1AO?IOOHz范圍內 的ERG信號能量P2、100?200Hz范圍內的ERG信號能量P3與總量值的比值R 2、R3,
步驟8. 5. 4 :分別計算出ERG信號在29 ±6Hz頻率范圍內的峰值V1、ERG信號在30 ± 7Hz 頻率范圍內的峰值V2、ERG信號在75±8Hz頻率范圍內的峰值V3、ERG信號在145±15Hz頻 率范圍內的峰值V4。
【文檔編號】A61B5/0496GK104323773SQ201410606129
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】王璐, 李錫勇, 岳耀燦, 郝麗玲, 徐禮勝, 張福利, 康雁 申請人:東北大學