一种基于eog的erg信号采集与处理系统及方法

一种基于eog的erg信号采集与处理系统及方法
【专利摘要】一种基于EOG的ERG信号采集与处理系统及方法，该系统包括控制单元、视网膜刺激器单元、视网膜电信号采集单元和视网膜电信号处理单元；该方法包括：调节刺激光源照度和刺激光源闪光频率；三个皮肤分别安置于受试者眼睛正上方额头处、眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处；进行20分钟以上的暗适应；受试者眼睛对准刺激光源；采集EOG信号；对受试者眼睛进行光刺激，同步采集受试者眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处ERG信号，经过信号调理和AD转换后存储；视网膜电信号处理与分析单元读取ERG信号，并对ERG信号进行处理与分析。本发明采用外置皮肤电极采集ERG信号，使得采集更为方便，更为安全，成本也更低；在对信号处理上，采用的方法运算量小，可行性高，能实现信号快速处理。
【专利说明】一种基于EOG的ERG信号采集与处理系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及视觉信号采集与处理【技术领域】，具体是一种基于EOG的ERG信号采集 与处理系统及方法。

【背景技术】
[0002] 视觉系统作为人类最重要的感知系统之一，视觉系统疾病严重威胁我们的正常生 活。视觉系统的很多病变是渐进的，早期发现和治疗是临床眼科学、预防医学、流行病学 的重要课题。相比于传统的心理物理检查,视觉电生理检查从电生理的角度，能够实现对 视觉通路的全面诊断，为视觉早期病变的检测提供了一种更适合的手段。传统视觉电生 理包括三个方面：视网膜电图（Electroretinography，ERG)、视诱发电位（Visual Evoked Potential, VEP)、眼电图（Electrooculography，E0G)。视觉电生理已有国际电生理临床检 查标准，相对而言，ERG检查有着更为广泛的应用。
[0003] 早期的视觉电信号检测通常进行动物实验，经过不断地发展、成熟，在人类的眼科 临床检查和视觉研究也已经得到了广泛地应用。对于眼部生物电信号的探索有着悠久的历 史，作为视觉电生理研究领域的先驱，德国的生理学家Emil du Bois-Reymond在1849年对 鲤鱼眼睛进行的动物实验中，首次发现了在鲤鱼眼球的前后极之间存在着电位差，并将这 个电势差称之为眼静息电位，眼睛角膜一侧相对后极部位有数毫伏的电势差，这个发现开 创了眼部生理研究的新纪元。此后，瑞典的生理学家Frithiof与Holmgren于1865年在对 脊椎动物眼睛进行实验时，发现当施加闪光刺激时会产生动作电位。Dewar与M' Kendrick 在1876年，以及Kuhne与Steiner在1881年分别证实了动作电位的主要位置位于视网膜 色素上皮之间。并在此后的研究工作中证明这个动作电位来源于视网膜，其波形称之为视 网膜电图。Canton于1875年在进行动物实验时发现一定频率的闪光刺激能够在动物的大 脑视觉皮层上引起反应性变化，从而开启了视觉诱发电位领域的研究。
[0004] Gotch在1903年应用精密仪器成功采集到ERG。此后，人们便开始对ERG的信号 成分进行更加深入的研究。20世纪40年代初期，Riggs与karpe各自独立研制成功了角膜 接触镜电极，并且能够满足临床应用的要求，这为ERG投入到实际的临床应用做出了重要 贡献[1]。1945年karpe首次发展了临床ERG的记录方法和描述视网膜色素性变的ERG，此 后又有许多研究人员相继发现了其它眼底病的ERG表现。1934年Adrian从大脑视觉皮层 上通过皮肤电极成功采集到闪光刺激的视觉诱发电位。1947年通过Dawson等人的探索， 叠加技术在视觉电信号检测中得到应用。1958年Clark研制成功了平均反应计算机，并将 其应用到视觉诱发电位的检测。I960年闪光VEP检查在临床中得到了广泛应用。Cobb在 1967年研制成功了图形VEP技术，此后，Holliday将图形VEP在眼科临床诊断进行应用推 广。在20世纪50年代初期，Marg和Monnier通过皮肤电极采集眼球转动时眼球前后电势 差，从而间接的采集到了眼睛静息电位，从而实现了对于EOG的无创伤检查。Arden在1962 年整理提供了较为完善的眼科EOG检查与分析方法，使得EOG检查能够广泛应用于眼科诊 断。Gotch在1903年应用精密仪器成功采集到ERG。此后，人们便开始对ERG的信号成分进 行更加深入的研究。20世纪40年代初期，Riggs与karpe各自独立研制成功了角膜接触镜 电极，并且能够满足临床应用的要求，这为ERG投入到实际的临床应用做出了重要贡献[1]。 1945年karpe首次发展了临床ERG的记录方法和描述视网膜色素性变的ERG，此后又有许 多研究人员相继发现了其它眼底病的ERG表现。1934年Adrian从大脑视觉皮层上通过皮 肤电极成功采集到闪光刺激的视觉诱发电位。1947年通过Dawson等人的探索，叠加技术在 视觉电信号检测中得到应用。1958年Clark研制成功了平均反应计算机，并将其应用到视 觉诱发电位的检测。I960年闪光VEP检查在临床中得到了广泛应用。Cobb在1967年研制 成功了图形VEP技术，此后，HolIiday将图形VEP在眼科临床诊断进行应用推广。在20世 纪50年代初期，Marg和Monnier通过皮肤电极采集眼球转动时眼球前后电势差，从而间接 的采集到了眼睛静息电位，从而实现了对于EOG的无创伤检查。Arden在1962年整理提供 了较为完善的眼科EOG检查与分析方法，使得EOG检查能够广泛应用于眼科诊断。
[0005] 随着数字信号处理技术的不断发展，视觉电生理检测仪器也更加完善。利用现代 数字信号处理技术可以有效对采集得到的信号进行相关处理分析，得到诊断中需要的有效 信息。譬如可以对信号进行数字滤波，将模数转换采集到的离散信号数据利用数字滤波器 提取出有效频带的信号，滤除掉无效的干扰信号。数字滤波器能够有效克服了模拟滤波器 频率响应不易确定，易引入新的干扰噪声等缺陷。同时，为了避免由于眼动等因素引起的信 号基线漂移，可以通过数字信号处理来剔除伪迹。此外，目前对于视觉电信号的分析处理， 主要通过数学算法实现。譬如Naka-Rushton公式在分析视网膜电图分析中的应用。1983 年吴乐正等人把Naka-Rushton公式成功应用于黄斑变性、视网膜色素变性和视锥细胞营 养不良的诊断过程。1993年Anastasi等人对Naka-Rushton函数进行了微分分析。并通过 提取恶性肥胖症患者术后维生素A缺乏症下的暗视b波，应用Naka-Rushton函数证实了因 为光感受器视紫红质的减少导致了其捕获光量子的减少。此外，还可以利用Fourier对闪 烁ERG、图形ERG和振荡电位进行分析，提取各次谐波，分析其特性。
[0006] 现在对于视网膜电生理的研究主要集中在多焦ERG中。其中多焦ERG是由Sutter 等人研究开发的，它通过预先设定m-序列来对刺激器的刺激矩阵以及闪光进行控制，应用 标准的刺激矩阵能够使视网膜所有部位分别接受到刺激，这样我们通过单个通道的电极采 集到视网膜各个部位在受到刺激器刺激后的一簇反应。然后应用处理器进行快速Walsh变 换，分离出视网膜相应部位的ERG波形，并且能够通过3D图像描绘视网膜不同部位信号的 振幅地形图，从而可以清楚地知道其反应强度。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。相比于局部视网膜电图，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。随着多焦ERG技术应用越来越广泛，其在 局部视网膜病变诊断方面的优势日益凸显。因而，多焦ERG仍将是视觉电生理研究的重要 方向。
[0007] 传统的ERG测量采用的是角膜接触镜电极，需要将角膜接触镜电极放置于角膜表 面，由于检测电极特殊的位置，检测过程中患者眨眼和眼球运动都会使眼部产生严重的不 适，如果未能进行正确地佩戴很有可能对受试者的角膜产生一定的损伤。同时，对于儿童等 不便于配合者以及角膜有病患的患者都不宜于通过角膜接触镜进行ERG信号采集，并且为 了避免细菌感染，角膜接触镜电极不宜于重复使用，使得检测成本增加。随着视网膜电生理 在眼部疾病诊断中越来越广泛的应用，传统视网膜电信号采集方式的弊端显得尤为突出。


【发明内容】

[0008] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于EOG的ERG信号采集与处理系统 及方法。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种基于EOG的ERG信号采集与处理系统，包括控制单元、视网膜刺激器单元、视 网膜电信号采集单元和视网膜电信号处理单元；
[0011] 所述的控制单元用于调节刺激光闪光频率、控制视网膜电信号采集单元进行信号 采集、AD转换及数据存储；
[0012] 所述视网膜刺激器单元用于发出刺激光和控制刺激光照度；
[0013] 视网膜电信号采集单元用于采集受试者眼睛鼻梁内侧的ERG信号、眼睛眼睑处的 ERG信号，对ERG信号调理、AD转换模块和数据存储；
[0014] 视网膜电信号处理单元用于读取ERG信号，完成对ERG信号的去噪、去基线、去眼 动干扰、时域特征点提取和频域特征点提取。
[0015] 所述视网膜刺激器单元包括刺激光光源、刺激光照度调节模块与刺激光闪光频率 控制t吴块；
[0016] 刺激光光源的输入端连接刺激光照度调节模块的输出端，刺激光照度调节模块的 输入端连接控制单元的输出端，刺激光闪光频率控制模块连接控制单元，控制单元与刺激 光光源连接。
[0017] 所述视网膜电信号采集单元包括皮肤电极、信号调理模块、AD转换模块和数据存 储丰吴块；
[0018] 皮肤电极有三个，分别安置于受试者眼睛正上方额头处、眼睛鼻梁内侧和眼睛眼 睑处；
[0019] 三个皮肤电极分别连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接AD 转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接数据存储模块的输入端。
[0020] 所述信号调理模块包括前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、后级放大电 路和工频陷波电路；前置放大电路输入端连接各皮肤电极的输出端，前置放大电路的输出 端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接高通滤波电路的输入端，高通 滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端，后级放大电路的输出端连接工频陷波电路 的输入端，工频陷波电路的输出端连接AD转换模块的输入端，前置放大电路的输出端还连 接安置于受试者眼睛正上方额头处的皮肤电极。
[0021 ] 所述AD转换模块包括数字隔离电路和AD转换电路；
[0022] 数字隔离电路用来隔离模拟电路与数字电路之间的电气联系，数字隔离电路的输 入端连接控制单元的IO 口，数字隔离电路的输出端连接AD转换模块的功能控制引脚。
[0023] 采用所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统的ERG信号采集与处理方法，包 括以下步骤：
[0024] 步骤1 :根据ISCEV规定的标准ERG的采集模式，调节所需的采集模式下的刺激光 源照度和刺激光源闪光频率；
[0025] 步骤2 :对受试者皮肤进行清洁，将三个皮肤分别安置于受试者眼睛正上方额头 处、眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处；
[0026] 步骤3 :受试者进行20分钟以上的暗适应；
[0027] 步骤4 :调整受试者体位，使受试者眼睛对准刺激光源；
[0028] 步骤5 :采集受试者眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处EOG信号，并将该两个EOG信号作 为标准EOG信号；
[0029] 步骤6 :对受试者眼睛进行光刺激，两个皮肤电极同步采集受试者眼睛鼻梁内侧 和眼睛眼睑处ERG信号，ERG信号中叠加有EOG信号，安置在受试者眼睛正上方额头处的皮 肤电极分别从受试者眼睛鼻梁内侧和眼睑处提取出人体共模电压即人体噪声，并将该噪声 反向加到人体；
[0030] 步骤7 :三个皮肤电极同步采集的信号经过信号调理和AD转换后存储；
[0031] 步骤8 :视网膜电信号处理与分析单元读取ERG信号，并对ERG信号进行处理与分 析；
[0032] 步骤8. 1 :对ERG信号去噪；
[0033] 步骤8. 2 :对ERG信号去基线；
[0034] 步骤8. 3 :采用模板匹配的方法对ERG信号去眼动干扰：将标准EOG信号作为模 板，计算出标准EOG信号长度、均值、方差和平方值，以标准EOG信号长度在ERG信号上进行 滑动，从ERG信号中截取出与标准EOG信号长度相同的ERG信号，若截取出的ERG信号的均 值、方差和平方值均与模板的均值、方差和平方值相匹配，则将ERG信号中减去标准EOG信 号，即可去除眼动干扰信号；
[0035] 步骤8. 4 :对ERG信号进行时域特征提取；
[0036] 步骤8. 5 :对ERG信号进行频域特征提取。
[0037] 所述步骤8. 1对ERG信号去噪是利用陷波器滤除ERG信号中的工频噪声，该陷波 器用以下常系数线性差分方程表示：
[0038]

【权利要求】
1. 一种基于EOG的ERG信号采集与处理系统，其特征在于：包括控制单元、视网膜刺激 器单元、视网膜电信号采集单元和视网膜电信号处理单元； 所述的控制单元用于调节刺激光闪光频率、控制视网膜电信号采集单元进行信号采 集、AD转换及数据存储； 所述视网膜刺激器单元用于发出刺激光和控制刺激光照度； 视网膜电信号采集单元用于采集受试者眼睛鼻梁内侧的ERG信号、眼睛眼睑处的ERG 信号，对ERG信号调理、AD转换模块和数据存储； 视网膜电信号处理单元用于读取ERG信号，完成对ERG信号的去噪、去基线、去眼动干 扰、时域特征点提取和频域特征点提取。
2. 根据权利要求1所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统，其特征在于：所述视 网膜刺激器单元包括刺激光光源、刺激光照度调节模块与刺激光闪光频率控制模块； 刺激光光源的输入端连接刺激光照度调节模块的输出端，刺激光照度调节模块的输入 端连接控制单元的输出端，刺激光闪光频率控制模块连接控制单元，控制单元与刺激光光 源连接。
3. 根据权利要求1所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统，其特征在于：所述视 网膜电信号采集单元包括皮肤电极、信号调理模块、AD转换模块和数据存储模块； 皮肤电极有三个，分别安置于受试者眼睛正上方额头处、眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑 处； 三个皮肤电极分别连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接AD转换 模块的输入端，AD转换模块的输出端连接数据存储模块的输入端。
4. 根据权利要求3所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统，其特征在于：所述信 号调理模块包括前置放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、后级放大电路和工频陷波电 路；前置放大电路输入端连接各皮肤电极的输出端，前置放大电路的输出端连接低通滤波 电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接高通滤波电路的输入端，高通滤波电路的输出 端连接后级放大电路的输入端，后级放大电路的输出端连接工频陷波电路的输入端，工频 陷波电路的输出端连接AD转换模块的输入端，前置放大电路的输出端还连接安置于受试 者眼睛正上方额头处的皮肤电极。
5. 根据权利要求3所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统，其特征在于：所述AD 转换模块包括数字隔离电路和AD转换电路； 数字隔离电路用来隔离模拟电路与数字电路之间的电气联系，数字隔离电路的输入端 连接控制单元的IO 口，数字隔离电路的输出端连接AD转换模块的功能控制引脚。
6. 采用权利要求1所述的基于EOG的ERG信号采集与处理系统的ERG信号采集与处理 方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1 :根据ISCEV规定的标准ERG的采集模式，调节所需的采集模式下的刺激光源照 度和刺激光源闪光频率； 步骤2 :对受试者皮肤进行清洁，将三个皮肤分别安置于受试者眼睛正上方额头处、眼 睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处； 步骤3 :受试者进行20分钟以上的暗适应； 步骤4 :调整受试者体位，使受试者眼睛对准刺激光源； 步骤5 :采集受试者眼睛鼻梁内侧和眼睛眼睑处EOG信号，并将该两个EOG信号作为标 准EOG信号； 步骤6 :对受试者眼睛进行光刺激，两个皮肤电极同步采集受试者眼睛鼻梁内侧和眼 睛眼睑处ERG信号，ERG信号中叠加有EOG信号，安置在受试者眼睛正上方额头处的皮肤电 极分别从受试者眼睛鼻梁内侧和眼睑处提取出人体共模电压即人体噪声，并将该噪声反向 加到人体； 步骤7 :三个皮肤电极同步采集的信号经过信号调理和AD转换后存储； 步骤8 :视网膜电信号处理与分析单元读取ERG信号，并对ERG信号进行处理与分析； 步骤8. 1 :对ERG信号去噪； 步骤8. 2 :对ERG信号去基线； 步骤8. 3 :采用模板匹配的方法对ERG信号去眼动干扰：将标准EOG信号作为模板，计 算出标准EOG信号长度、均值、方差和平方值，以标准EOG信号长度在ERG信号上进行滑动， 从ERG信号中截取出与标准EOG信号长度相同的ERG信号，若截取出的ERG信号的均值、方 差和平方值均与模板的均值、方差和平方值相匹配，则将ERG信号中减去标准EOG信号，即 可去除眼动干扰信号； 步骤8. 4 :对ERG信号进行时域特征提取； 步骤8. 5 :对ERG信号进行频域特征提取。
7. 根据权利要求6所述的ERG信号采集与处理方法，其特征在于：所述步骤8. 1对ERG 信号去噪是利用陷波器滤除ERG信号中的工频噪声，该陷波器用以下常系数线性差分方程 表不：
式中：n表示信号序列的序号，i表示移序，x(n-i)和y(n)分别为陷波器输入信号序列 和陷波器输出信号序列；％和h均为陷波器系数，是和电源噪声频率fPOT"有关的函数，即 屮=fa (UJ，4 = fb (fPOTJ，对该常系数线性差分方程两边进行Z变换，得出陷波器 传递函数表达式，就能利用陷波器将ERG信号中的工频噪声去除。
8. 根据权利要求6所述的ERG信号采集与处理方法，其特征在于：所述步骤8. 2对ERG 信号去基线按以下步骤进行： 步骤8. 2. 1 :利用小波对ERG信号进行n层分解； 步骤8. 2. 2 :计算ERG信号的能量比ER值，当ERG信号的能量比ER值小于能量比阈值 Th时，选择离散Meyer小波滤波器去除基线漂移，若ERG信号的能量比ER值大于能量比阈 值Th时，则不对ERG信号进行滤波，记此时的信号为ERGl ;
其中，A1和An分别是小波分解得到的第一层的信号和第i层的信号，用A1代表ERG信 号，An代表基线漂移，层数i的取值和ERG信号频率fEK；有关，即n = f (fEK；)，I I I I是二范 数，mean (An)为An的平均值； 步骤8. 2. 3 :对ERGl信号进行起点检测得到起点Bl，对所有检测到的起点Bl进行样条 插值得到基线B2 ; 步骤8. 2. 4 :将ERGl信号减去基线B2,得到去除基线后的ERG2信号，即完成2对ERG 号去基线。
9. 根据权利要求6所述的ERG信号采集与处理方法，其特征在于：所述步骤8. 4对ERG 信号进行时域特征提取，具体方法是：在时域中，对ERG信号加窗后，确定出在窗宽内ERG信 号的最大值点、最小值点以及ERG信号求导后的极值点。
10. 根据权利要求6所述的ERG信号采集与处理方法，其特征在于：所述步骤8. 5对ERG 信号进行频域特征提取按如下步骤进行： 步骤8. 5. 1 :对ERG信号进行FFT变换，得出ERG信号频谱分布； 步骤8. 5. 2 :分别计算出ERG信号总能量Pt(rtal、10?40Hz范围内的ERG信号能量 60?IOOHz范围内的ERG信号能量P2、100?200Hz范围内的ERG信号能量P3 ; 步骤8. 5. 3 :分别计算10?40Hz范围内的ERG信号能量P1AO?IOOHz范围内 的ERG信号能量P2、100?200Hz范围内的ERG信号能量P3与总量值的比值R 2、R3,
步骤8. 5. 4 :分别计算出ERG信号在29 ±6Hz频率范围内的峰值V1、ERG信号在30 ± 7Hz 频率范围内的峰值V2、ERG信号在75±8Hz频率范围内的峰值V3、ERG信号在145±15Hz频 率范围内的峰值V4。
【文档编号】A61B5/0496GK104323773SQ201410606129
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】王璐, 李锡勇, 岳耀灿, 郝丽玲, 徐礼胜, 张福利, 康雁 申请人:东北大学