（機械制造及其自動化專業(yè)論文）視覺電生理診療儀研制開發(fā).pdf

上海大學碩士學位論文 摘要 臨床視覺電生理學包括視網(wǎng)膜電圖、眼電圖、視覺誘發(fā)電位三個方面，是眼 科診斷的常規(guī)手段，視覺電生理診斷具有無損性、客觀性和對病變從視網(wǎng)膜至視 皮層進行分層定位等特點。根據(jù)視覺電生理檢測技術(shù)的發(fā)展過程，目前已能確切 定位記錄從脈絡膜、視網(wǎng)膜、視神經(jīng)視路到中樞視皮質(zhì)各級神經(jīng)元的生物電表現(xiàn)。 m t 、，- 1 視覺電生理診療儀是上大科技園與上大明普醫(yī)療科技有限公司聯(lián)合研 制開發(fā)的一種視覺電生理診療儀器。其利用圖形刺激器分別刺激視網(wǎng)膜的多個不 同部位，用一個專用電極記錄刺激反應的生物電信號，然后對該信號進行必要的 處理，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入常規(guī)計算機，最后通過m t v - 1 軟件系統(tǒng)處理，把對應 于視網(wǎng)膜的波形提取出來，并用一圖像直觀地顯示對應于視網(wǎng)膜的反應幅度與潛 時，這種技術(shù)可以分析視覺系統(tǒng)的線性成分和非線性成分，通過對p 1 0 0 ( 圖像上的 一個特定點) 的反應幅度與潛時分析，反映眼底的視功能，從而可以判斷視覺功能 的異常；通過對不同空間頻率棋盤格搜索，確定最佳空間頻率閩值，然后制成刺 激訓練治療光盤，形成特定的治療方案。 該診療儀集成了診斷和治療兩部分， 本文先介紹了電生理診斷和治療的理論， 實現(xiàn)了診斷、治療及管理決策一體化。 分析了利用計算機技術(shù)處理電生理信號 的可行性，根據(jù)電生理信號特點及平均疊加算法的思想設計了相應的c 語言算法。 然后從硬件和軟件兩方面對該儀器進行系統(tǒng)設計，利用w i n d o w s2 0 0 0 多顯示技術(shù) 實現(xiàn)了圖形刺激功能，介紹該儀器診斷軟件系統(tǒng)及治療光盤軟件系統(tǒng)的設計與實 現(xiàn)及相應的元器件選擇，還有設計中的注意事項：最后，介紹了視覺電生理檢查 結(jié)果及治療表示方法。 研制開發(fā)完成后，該儀器在上海市兩家甲醫(yī)院進行了三個月的臨床試驗，確 定了該儀器的正常值范圍和有效性。通過了藥監(jiān)局審核同時立項為國家科技部創(chuàng) 新基金項目。 關鍵詞：視覺電生理平均疊加算法多顯示技術(shù)軟件系統(tǒng) 上海大學碩士學位論文 a b s t r a c t c l i n i c a iv i s u a i e l e c t r o p h y s i o l o g y i n c l u d e st h r e e a s p e c t s w h i c h a r e e l e c t r o r e t i n o g r a m ( e r g ) ，e l e c t r o - o c u l o g r a p h y ( e o g ) a n d v i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ( v e p ) t h o s ea r e ac o m m o nm e t h o dt oc h e c ke y e sf u n c t i o ni n o p h t h a l m o l o g y , t h e i rf e a t u r e sa r eo b j e c t i v ea n du n i n j u r e d t h e o c a l i t yo fi i l n e s s c a nb ef o u n d e di nt h ep a t h w a yf r o ma l i i a y e r so fr e t i n at oc e r e b r a ic o r t e xb yt h i s m e t h o d a c c o r d i n gt oi t sd e v e l o p m e n to fe x a m i n i n gt e c h n o l o g y , i tc a no r i e n ta n d r e c o r dt h eb i o e l e c t r i c i t yf r o mc h o r o i d r e t i n aa n do p t i cn e r v et oa l ll e v e l sn e r v eo f v i s u a ic e n t m m m t v 二1v i s u a i e l e c t r o p h y s i o l o g ye x a m i n i n gs y s t e m i s d e v e l o p e db y s h a n g h a iu n i v e r s i t ys c i e n c ep a r t sa n ds h a n g h a iu n i v e r s i t ym i n g t o pc o 。l t d 。 w h i c hr e c o r d sr e t i n a lb i o e l e c t d cr e s p o n s et ol i g h ts t i m u l u s i ts t i m u l a l e dd i f f e r e n t r e t i n a lr e g i o n sb yg r a p h i c sa n d ，a tt h es a m et i m ei tr e c o r d sm i x e ds i g n a l so f r e s p o n s eb yan o s o c o m i a le l e c t r o d e ac o m p u t e ra n ds i g n a l so fe v e r yr e t i n a i r e g i o nr e f l e c tl o c a ir e t i n a if u n c t i o na n da r ea b s t r a c t e da n dp r o c e s st h e s es i g n a l s t h ea m p l i t u d e so ft h e s es i g n a l sa r ed i s p l a y e db y3 dp l o t t h et e c h n o l o g yc a n a n a l y z ei i n e a ro rn o n l i n e a rc o m p o n e n t so ft h ev i s u a is y s t e m t h r o u g hw ec a n a c k n o w l e d g ed i f f e r e n tl a y e r so fv i s u a lf u n c t i o n s ( s u c ha ss e n s i t i v ec e l l so fr e t i n a a n dg a n g l i o nc e l l s ) o u rv i s u a le l e c t r o p h y s i o l o g ye x a m i n i n gs y s t e mi n c l u d e st w op a r t s o r ei s d i a g n o s ea n dt h eo t h e ri st r e a t m e n t w eh a v ea n a l y z e db a s i cp r i n c i p l e so f v i s u a ie l e c t r o p h y s i o l o g y w ea l s oh a v ed i v i d e dt h es y s t e mi n t os e v e r a lm o d u l e s a n dt h e nd e s i g n e de a c hp a r ts e p a r a t e l y f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ed e f t n i t i o no f a v e r a g ei t e r a t i v ea r i t h m e t i ct h e o r y ，w eh a v ec o m p i l e da r i t h m e t i co fcl a n g u a g e s e c o n d l y , w eh a v ei m p l e m e n t e dt h e f u n c t i o n o fg r a p h i cs t i m u l a t i n gt h r o u g h m u l t i d i s p l a yt e c h n o l o g y ，w h i c hi so w n e db yw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m t h e nw ei n t r o d u c et h es o f t w a r es y s t e mo fd i a g n o s ea n dt r e a t t n e n t ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g no fa m p l i f i e ra n dc h o i c eo fc o m p o n e n t si n o r d e rt om a k es t i m u l a t i o no fg r a p h ya n dc o l l e c t i o no fd a t as y n c h r o n i z e f i n a l l y , w eh a v ed i s p l a y e dt h ee x a m i n i n ge f f e c t so fv i s u a le l e c t r op h y s i o l o g ye x a m i n i n g s y s t e m a f t e rw ec o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，w eh a v ec a r r i e do nc l i n i c a l t e s t sf o ra b o u tt h r e em o n t h si nt w oh o s p i t a l sw h i c ha r e r a n ki ns h a n g h a ia n d h a v eo b t a i n e dt h er a n g eo fn o r m a iv a l u e so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l s ( v e p ) a v e r a g ei t e r a t i v ea r i t h m e t i c m u l t i - d i s p l a yt e c h n o l o g y s o f t w a r es y s t e m 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作。 除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：唆m 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留論文及送交 論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名：鍵塒導師簽名：碴鱉囂概： 上海大學碩上學位論文 第一章緒論 眼病的診斷與治療，最根本的是視功能的檢測。對視功能的了解、判斷和檢 測基本可歸為兩大類，一類是視心理物理學方法，如視力、視野、暗適應、色覺 和對比敏感度等；另一類是電生理方法，如e r g ( 視網(wǎng)膜電圖) 、e o g ( i i e 電圖) 、 v e p ( 視誘發(fā)電位) 等的測定。后者是一種客觀的、無損傷的檢測方法，尤其對于嬰 幼兒、老年人、智力低下、不合作者或偽盲者更為有效。 1 1 視覺電生理的發(fā)展 視覺電生理的研究已有1 0 0 多年的歷史，最初僅限于動物試驗，但目前已廣 泛應用于人類的視覺研究和眼科臨床應用。 視覺電生理的先驅(qū)者是德國的生理學家d ob o i s - r e y m o n d ，他于1 8 4 9 年在 歐洲進行鯉魚眼的動物試驗中，首先發(fā)現(xiàn)離體眼球存在電位差，稱之為眼靜息電 位差( s t a n dp o t e n t i a l ) ”。在這之后，視誘發(fā)電位( 、，e p ) 開始被人認識。其發(fā)展經(jīng)過 了三個階段： 動物試驗階段( 18 7 5 - 19 3 3 年) ； 人頭皮記錄階段( 1 9 3 4 - 1 9 5 9 年) ； 臨床應用階段( 1 9 5 6 迄今) ： 1 9 7 2 年哈利迪( h a l l i d a y ) 首次把圖像翻轉(zhuǎn)視誘發(fā)電位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ， v e p ) 應用于臨床視神經(jīng)的檢測，發(fā)現(xiàn)視誘發(fā)電位潛伏期的延遲在診斷中具有特異 性【2 】。1 9 7 9 年達夫( d u f f y ) 設計的地形圖可在2 4 個頭皮位置記錄v e p ，并可顯示 平均電位，從而該診斷方法得到了廣泛接型3 1 。 傳統(tǒng)視覺電生理包括三個方面：視網(wǎng)膜電圖( e l e c t r o r e t i n g r a m ，e r g ) 、視誘發(fā) 電位( v e p ) 、眼電圖( e l e c t r o o c u l o g r a m ，e o g ) 。而且這三種診斷方法現(xiàn)在已被 i s c e v 標準化。相對而言，視誘發(fā)電位( v e p ) i 臨床應用范圍最廣：同時在視誘發(fā)電 位( v e p ) 中，圖像視誘發(fā)電位( p a t t e r nv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l p v e p ) i 臨床應用的 范圍最廣。傳統(tǒng)視覺電生理分類如下圖1 1 所示： 上海大學碩士學位論文 一 一 一、 眼電圖( e o g ) 隧 傳統(tǒng)視覺電生理 一一l = = 茹纂黧黛 露圈霸矗曩目霸瞳 、 、一圖像視誘發(fā)電位( p v e p ) 陵 、一 視誘發(fā)電位( v e p ) p 7 7 瘸蕊嘲勰嬲孺疆瓣霹；| l ；l 瓣目蘑蘩l ! v i s u a le v o k e d p o t e n t i 8 饕卜、一，一 、驟藤瓣黥麗硬嘲嘲積燃j 閃光視誘發(fā)電位( f 垤p ) 陵 l 飄露孵羈囂霹! 噩| l 藤灝翮蕊黼 圖1 1 傳統(tǒng)視覺電生理 視爵發(fā)電位( v e p ) 它是繼肌電圖( e m g ) 、腦電圖( e e g ) 后臨床神經(jīng)生理學的第 三大進展。從1 9 5 1 年d o w s o n s 在國際生理學會上第一次證明這種現(xiàn)象，1 9 5 9 年中國著名生理學家張香桐教授給誘發(fā)電位下定義至今，在不到半個世紀的時間 中，誘發(fā)電位已成為感覺系統(tǒng)的電生理研究中一種經(jīng)常采用且方便有效的方法【4 】。 1 2 臨床視覺電生理檢測技術(shù)的發(fā)展 視覺電生理主要目的是對視誘發(fā)電位進行分析，并且已經(jīng)有了相應的國際標 準。視誘發(fā)電位( 、，e p ) 和腦電是由大腦皮質(zhì)產(chǎn)生的生物電，v e p 是刺激視網(wǎng)膜時在 大腦視皮質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的生物電，而腦電是每時每刻在大腦皮質(zhì)中產(chǎn)生的生物電。早 在十九世紀七十年代已在動物實驗中發(fā)現(xiàn)視誘發(fā)電位( v e p ) 存在，但由于視誘發(fā)電 位( v e p ) 的反應較小，而且變異較大，所以很難應用于臨床；直到二十世紀六十年 代計算機技術(shù)的發(fā)展，把平均疊加技術(shù)應用到臨床記錄上，視覺電生理的診斷和 治療技術(shù)才被推廣。其發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段：第一階段是對傳統(tǒng)的e r g 和v e p ， 利用閃光或圖形刺激整個或中央視網(wǎng)膜，因其測量總量和的反映，故不能對眼底 病變定位，并且對周邊的微小病變不敏感。第二階段是局部e r g n e p ，記錄視網(wǎng) 膜對局部光或圖形刺激的反應，分別提取各部位的信號，對各個部位分別進行疊 加【州。 隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，視覺電生理的研究和應用也有了很大的進步， 視覺電生理儀也日益完善，現(xiàn)在已經(jīng)可以從視覺通路的不同水平記錄出不同的生 物電反應。記錄v e p 的主要設備包括：電極、差分放大器、通用計算機、濾波卡 等。較新的記錄技術(shù)是使用由微處理機控制的儀器，主要可實現(xiàn)一下功能： 上海大學碩士學位論文 對信號進行采樣，利用平均疊加技術(shù)使多次采樣信號疊加，同時可以用軟件控 制采樣的頻率及疊加次數(shù)，從而提高信噪比； 數(shù)字過濾，將無限的連續(xù)信號在一定條件下( 如信號寬度) 變成有限離散的數(shù)字信 號，再經(jīng)過計算機把有用的信號和噪音信號分離，這種技術(shù)克服了普通濾波器的 脈沖響應函數(shù)不容易確定、結(jié)構(gòu)元件難選以及精度低、不靈活的缺點。采用低通、 高通和帶通數(shù)字濾波都是數(shù)字濾波中的具體方法； 可以通過自動偽跡剔除，消除因眼動或其他因素引起的電位偏轉(zhuǎn)的干擾，計算 機技術(shù)能對這種偽跡進行識別和剔除； 消除小的節(jié)點電位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，視誘發(fā)電位的檢測儀器可以在實驗 室、床邊、手術(shù)室使用而不需要屏蔽； 記錄波的數(shù)據(jù)處理，目前主要使用平均疊加算法對記錄波形進行數(shù)據(jù)處理。 1 3 視覺電生理的臨床應用研究 誘發(fā)電位一般采用模式誘發(fā)方式。該誘發(fā)方式是一種無損傷、無痛苦的檢測 視神經(jīng)系統(tǒng)功能的手段，其檢測方法簡便、安全可靠、重復性好，可用來協(xié)助確 定中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可疑病變、幫助病損定位、監(jiān)護視覺系統(tǒng)的功能狀態(tài)。 1 3 1 模式誘發(fā)電位的特征 模式誘發(fā)有清晰的輪廓和銳利的邊緣，這樣可以使誘發(fā)更加有效；模式誘發(fā) 電位主要是通過光或圖形對人的視網(wǎng)膜進行刺激，采集誘發(fā)的生物電信號，并對 其進行處理和分析；但人體生物電信號很微弱，許多生物電信號僅幾微伏到幾百 微伏。如v e p 僅幾個微伏，因此生物電信號只有經(jīng)過高增溢放大才可以觀察、記 錄和分析；同時，由于測量對象是人體和生物電信號，他們的源阻抗均很高，如 生物電信號的體表測量，信號源的阻抗一般為幾千歐到幾十千歐，所以信號往往 帶有強噪音背景，這些噪音往往來自于人的一些組織器官，如測量v e p 時受自發(fā) 腦電的干擾，此外還受到環(huán)境中電磁場的干擾，最經(jīng)常遇到的就是供電網(wǎng)工頻 5 0 h z 的干擾，一般這種干擾達到幾伏，往往超過生物電信號本身【1 0 1 。 1 3 2 視誘發(fā)電位的分類及波形特征 模式視誘發(fā)電位根據(jù)誘發(fā)方式可分為圖形誘發(fā)電位( p a t t e r nv i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ，p v e p ) 和c i ；j i 光誘發(fā)電位( f l a s hv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，f v e p ) 兩種，而 圖形誘發(fā)電位按刺方式的不同，可以分為圖形”給”一“撤”視誘發(fā)電位和圖形翻轉(zhuǎn)視誘 發(fā)電位。并且圖形誘發(fā)電位按圖形翻轉(zhuǎn)頻率的不同又可以分為穩(wěn)態(tài)v e p 和瞬態(tài) v e p ，其中瞬態(tài)v e p 用于療效評估及治療棋盤格空間頻率選取，而穩(wěn)態(tài)v e p 主 要用于診蝌”叫2 】。下面我們主要介紹這三種刺激方式及平均疊加后的波形。 圖形”給”一“撤”視誘發(fā)電位。其工作方式：在空白的背景中，圖形出現(xiàn)一段時 間后消失。圖形的出現(xiàn)形成“給”( o n s e t ) 的視覺刺激，圖形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大學碩上學位論文 對信弓進行采樣，利用平均疊加技術(shù)使多次采樣信號疊加，同時可以用軟件控 制采樣的頻率及疊加次數(shù)，從而提高信噪比； 數(shù)字過濾，將無限的連續(xù)信號在一定條件下( 如信號寬度) 變成有限離散的數(shù)字信 號，再經(jīng)過計算機把有用的信號和噪音信號分離，這種技術(shù)克服了普通濾波囂的 脈沖響應函數(shù)不容易確定、結(jié)構(gòu)元件難選以及精度低、不靈活的缺點。采用低通、 高通和帶通數(shù)字濾波都是數(shù)字濾波中的具體方法； 可以通過自動偽跡剔除，消除因眼動或其他因素引起的電位偏轉(zhuǎn)的干擾，計算 機技術(shù)能對這種偽跡進行識別和剔除； 消除小的節(jié)點電位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，視誘發(fā)電位的檢測儀器可以在實驗 室、床邊、手術(shù)窒使用而不需要屏蔽； 記錄波的數(shù)據(jù)處理，目前主要使用平均疊加算法對記錄波形進行數(shù)據(jù)處理。 1 3 視覺電生理的臨床應用研究 誘發(fā)電位一般采用模式誘發(fā)方式。該誘發(fā)方式是一種無損傷、無痛苦的檢測 視神經(jīng)系統(tǒng)功能的手段，其檢測方法簡便、安全可靠、重復性好，可用來協(xié)助確 定中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可疑病變、幫助病損定位、監(jiān)護視覺系統(tǒng)的功能狀態(tài)。 1 3 1 模式誘發(fā)電位的特征 模式誘發(fā)有清晰的輪廓和銳利的邊緣，這樣可以使誘發(fā)更加有效；模式誘發(fā) 電位主要是通過光或圖形對人的視網(wǎng)膜進行刺激，采集誘發(fā)的生物電信號，并對 其進行處理和分析；但人體生物電信號很微弱，許多生物電信號僅幾微伏到幾百 微伏。如v e p 僅幾個微伏，因此生物電信號只有經(jīng)過高增溢放大才可以觀察、記 錄和分析；同時，由于測量對象是人體和生物電信號，他們的源阻抗均很高，如 生物電信號的體表測量，信號源的阻抗一般為幾千歐到幾十千歐。所以信號往往 帶有強噪音背景，這些噪音往往來自于人的一些組織器官，如測量v e p 時受自發(fā) 腦電的干擾，此外還受到環(huán)境中電磁場的干擾，最經(jīng)常遇到的就是供電網(wǎng)工頻 5 0 h z 的干擾，一般這種干擾達到幾伏，往往超過生物電信號本身 1 “。 1 3 2 視誘發(fā)電位的分類及波形特征 模式視誘發(fā)電位根據(jù)誘發(fā)方式可分為圖形誘發(fā)電位( p a t t e r nv i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ，p v e p ) 和閃光誘發(fā)電位( f l a s hv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，f v e p ) 兩種，而 圖形誘發(fā)電位按刺方式的不同，可咀分為圖形”給”一“撤”視誘發(fā)電位和圖形翻轉(zhuǎn)視誘 發(fā)電位。并且圖形誘發(fā)電位按圖形翻轉(zhuǎn)頻率的不同叉可以分為穩(wěn)態(tài)v e p 和瞬態(tài) v e p ，其中瞬態(tài)v e p 用于療效評估披治療棋盤格空間頻率選取，而穩(wěn)態(tài)v e p 主 要用于診斷【”“。下面我們主要介紹這三種刺激方式及平均疊加后的波形。 圖形”給吖撤”視誘發(fā)電位。其工作方式：在空白的背景中，圖形出現(xiàn)一段時 問后消失。圖形的出現(xiàn)形成“給”( o n s e t ) 的視覺刺激，圖形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 問后消失。圖形的出現(xiàn)形成“給”( o n s e t ) 的視覺刺激，圖形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大學碩士學位論文 對信號進行采樣，利用平均疊加技術(shù)使多次采樣信號疊加，同時可以用軟件控 制采樣的頻率及疊加次數(shù)，從而提高信噪比； 數(shù)字過濾，將無限的連續(xù)信號在一定條件下( 如信號寬度) 變成有限離散的數(shù)字信 號，再經(jīng)過計算機把有用的信號和噪音信號分離，這種技術(shù)克服了普通濾波器的 脈沖響應函數(shù)不容易確定、結(jié)構(gòu)元件難選以及精度低、不靈活的缺點。采用低通、 高通和帶通數(shù)字濾波都是數(shù)字濾波中的具體方法； 可以通過自動偽跡剔除，消除因眼動或其他因素引起的電位偏轉(zhuǎn)的干擾，計算 機技術(shù)能對這種偽跡進行識別和剔除； 消除小的節(jié)點電位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，視誘發(fā)電位的檢測儀器可以在實驗 室、床邊、手術(shù)室使用而不需要屏蔽； 記錄波的數(shù)據(jù)處理，目前主要使用平均疊加算法對記錄波形進行數(shù)據(jù)處理。 1 3 視覺電生理的臨床應用研究 誘發(fā)電位一般采用模式誘發(fā)方式。該誘發(fā)方式是一種無損傷、無痛苦的檢測 視神經(jīng)系統(tǒng)功能的手段，其檢測方法簡便、安全可靠、重復性好，可用來協(xié)助確 定中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可疑病變、幫助病損定位、監(jiān)護視覺系統(tǒng)的功能狀態(tài)。 1 3 1 模式誘發(fā)電位的特征 模式誘發(fā)有清晰的輪廓和銳利的邊緣，這樣可以使誘發(fā)更加有效；模式誘發(fā) 電位主要是通過光或圖形對人的視網(wǎng)膜進行刺激，采集誘發(fā)的生物電信號，并對 其進行處理和分析；但人體生物電信號很微弱，許多生物電信號僅幾微伏到幾百 微伏。如v e p 僅幾個微伏，因此生物電信號只有經(jīng)過高增溢放大才可以觀察、記 錄和分析；同時，由于測量對象是人體和生物電信號，他們的源阻抗均很高，如 生物電信號的體表測量，信號源的阻抗一般為幾千歐到幾十千歐，所以信號往往 帶有強噪音背景，這些噪音往往來自于人的一些組織器官，如測量v e p 時受自發(fā) 腦電的干擾，此外還受到環(huán)境中電磁場的干擾，最經(jīng)常遇到的就是供電網(wǎng)工頻 5 0 h z 的干擾，一般這種干擾達到幾伏，往往超過生物電信號本身【1 0 1 。 1 3 2 視誘發(fā)電位的分類及波形特征 模式視誘發(fā)電位根據(jù)誘發(fā)方式可分為圖形誘發(fā)電位( p a t t e r nv i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ，p v e p ) 和c i ；j i 光誘發(fā)電位( f l a s hv i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，f v e p ) 兩種，而 圖形誘發(fā)電位按刺方式的不同，可以分為圖形”給”一“撤”視誘發(fā)電位和圖形翻轉(zhuǎn)視誘 發(fā)電位。并且圖形誘發(fā)電位按圖形翻轉(zhuǎn)頻率的不同又可以分為穩(wěn)態(tài)v e p 和瞬態(tài) v e p ，其中瞬態(tài)v e p 用于療效評估及治療棋盤格空間頻率選取，而穩(wěn)態(tài)v e p 主 要用于診蝌”叫2 】。下面我們主要介紹這三種刺激方式及平均疊加后的波形。 圖形”給”一“撤”視誘發(fā)電位。其工作方式：在空白的背景中，圖形出現(xiàn)一段時 間后消失。圖形的出現(xiàn)形成“給”( o n s e t ) 的視覺刺激，圖形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大學碩十學位論文 的視覺刺激。此種刺激誘發(fā)的v e p 稱圖形“給”“撤”視誘發(fā)電位。這種記錄 v e p 的方法主要用于研究工作，特別是有關圖形v e p 的頭皮電場分布的分析，但 在日常臨床工作中很少使用。其刺激疊加后的波形圖如下所示： 0 c 3 c 2 o 一一t 一一r r 一下t ，r 1 一一一r t 一1 0 t 0 0 2 0 03 0 0 圖1 - 2 圖形“給”“撤”誘發(fā)電位疊加波形 圖形翻轉(zhuǎn)v e p 。其工作方式：圖形中含有兩種不同的圖形元素，如黑白方 格或黑白條紋，這兩種圖形元素以一定頻率交替轉(zhuǎn)換，由此形成視覺刺激。此種 刺激誘發(fā)的v e p 稱圖形翻轉(zhuǎn)視誘發(fā)電位。模式翻轉(zhuǎn)v e p 可重復性高、疾病異常 發(fā)生率高、易記錄、波形容易分析和解釋，所以應用最廣泛；另外，圖形刺激中 最常用的圖形是棋盤格；其方格的大小、視野的區(qū)域和視網(wǎng)膜的定位都能加以改 變，從而獲得不同的視覺信息。由于不同類型的圖形刺激誘發(fā)不同類型的v e p 波 形，而波形不同意味著不同類型的圖形刺激誘發(fā)出的v e p 都各自有不同的視網(wǎng)膜 及視皮層起源。圖像翻轉(zhuǎn)刺激疊加后的波形圈如下： ”)一ploo 0 上海大學碩士學位論文 圖1 - 3 圖形翻轉(zhuǎn)誘發(fā)電位疊加波形 閃光v e p 主要應用于患者視力c 0 1 的情況下，由于其疊加波形容易受環(huán)境 的變化，魯棒性太差，在臨床應用中不常應用，其疊加波形【1 3 】如下： 圖1 4 閃光誘發(fā)電位疊加波形 1 3 3模式誘發(fā)電位的臨床應用 模式誘發(fā)電位主要檢查視網(wǎng)膜及視神經(jīng)病變、脫髓鞘病變、神經(jīng)系統(tǒng)變性疾 病及視覺功能的客觀評估等。其主要應用于周圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)病損的診斷、神 經(jīng)生理學及神經(jīng)精神學領域，包括聲道損傷、聽覺檢查( 包括判定詐瘸和癔病性 耳聾) 、嬰兒感官檢查、腦干檢查、昏迷、外傷、脫髓鞘病變、神經(jīng)病變、肌肉病 變、弱視、視神經(jīng)炎等。模式視誘發(fā)電位在眼科臨床應用主要體現(xiàn)在以下幾個方 面： ( 1 眼病的早期診斷； 2 ) 眼病的鑒別診斷； 3 ) 眼病的定性分析； 4 ) 眼病的定量分析； ( 5 ) 眼病的療效分析； 6 ) 不可解釋的視覺損害； ( 7 ) 嬰兒或兒童對視力不能明確表達者的視功能診斷，如診斷有無弱視及遺傳性 眼病等【1 4 1 團。 下面我們介紹模式誘發(fā)電位在幾種常見的眼病中的臨床應用。 弱視：v e p 是一種常用而且有效檢測弱視的方法。模式v e p 檢查可以發(fā)現(xiàn) 上海大學碩士學位論文 弱視眼在空間時比及時間特征方面的改變，雙眼總和v e p 、單眼v e p ，有助于發(fā) 現(xiàn)弱視或斜視時兩眼間相互作用，以對雙眼視覺功能進行判斷，另外，v e p 也是 研究弱視眼發(fā)病機制的一個重要實驗手段。但是，常規(guī)的圖形v e p 是視覺系統(tǒng)對 一個較大視野刺激的總和反應，對于一些較輕度的弱視眼比局部視覺誘發(fā)電位的 敏感度低，而局部視覺誘發(fā)電位經(jīng)過調(diào)整的疊加次數(shù)才能得到，因此臨床上常用 圖形v e p 記錄局部反應，能測試少數(shù)幾個分區(qū)，并能詳細測量視野內(nèi)各個微小區(qū) 域的視功能。 青光眼：用圖形v e p 評價早期局部功能受損特別有意義，可發(fā)現(xiàn)與視野相 對應的反應振幅降低的弓形或鼻側(cè)階梯缺損區(qū)，而高眼壓患者則顯示分散性反應 振幅降低區(qū)。 視神經(jīng)病變：采用較大的彎梯形塊，視神經(jīng)炎和缺血性視神經(jīng)病變，將有病 變眼與正常眼對照，顯示病變眼在局部區(qū)域反應振幅降低或伴延遲。 1 4 視覺電生理診斷原理 h o l m g r e n ( 1 8 6 5 ) 在瑞士進行的一次試驗中，發(fā)現(xiàn)在給眼光照射時電流計的指 針會發(fā)生短暫和急促的偏移，這就表示眼球內(nèi)曾發(fā)生一次與光刺激同步發(fā)生的電 位變化，即視網(wǎng)膜的給光反應【1 7 l 。隨后d e w a r 和mk e n d r u c k ( 1 8 7 3 ) 在蘇格蘭做 實驗中發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜的撤光反應，同時視網(wǎng)膜光反應也具有光強特性。 誘發(fā)電位或誘發(fā)反應，是指神經(jīng)系統(tǒng)接受內(nèi)、外界“刺激”所產(chǎn)生的特定電活動。 人類在日常生活中不斷接受外界刺激或信息，由于其性質(zhì)、數(shù)量、強度、難度、 以及所涉及的時一空關系等均不恒定，對于這些自然刺激引起的誘發(fā)電信號尚無 法進行記錄，更不能進行定量分析和研究。因此，科學工作者就應用人工刺激， 如脈沖電流、聲、光、磁場來誘發(fā)相應神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生各種誘發(fā)電位，以及在這些 外源性刺激基礎上，以其中一種或多種刺激按一定規(guī)則編制刺激序列，將這些物 理性質(zhì)刺激轉(zhuǎn)換成心理信息。一般在受試者主動參與下，對這類信息進行不同程 度的加工，則可誘發(fā)出與大腦高級神經(jīng)活動有關的多種誘發(fā)電位。人們通過這種 方式就可以對這些人工刺激的性質(zhì)、數(shù)量、強度和任務加工的難度等參數(shù)進行嚴 格控制，從而對這些誘發(fā)電位做進一步定量分析。進而，在記錄和分析方法標準 化之后，就可以達到相互交流和臨床研究和應用的目的。雖然這種人工刺激和信 息加工所引起的誘發(fā)電位與人類自然刺激的誘發(fā)電位有所不同，但它可以從一個 側(cè)面顯示神經(jīng)系統(tǒng)以及大腦的高級心理活動的功能狀態(tài)。隨著相關技術(shù)的不斷發(fā) 展，刺激和提取誘發(fā)電位的方式已得到較理想的改進。 人類對v e p 產(chǎn)生的生物機理的認識是一個不斷完善的過程。誘發(fā)電位就是大 腦皮層的生物電。生物電的產(chǎn)生機制主要是h o d g k i n 學派在b e r n s t e i n 膜學說 ( 1 9 0 2 ) 基礎上發(fā)展的離子學說。視覺電生理檢查是一種記錄視路中電位改變的 上海大學碩士學位論文 先進檢查方法，它能夠客觀地記錄視覺系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的光化和光電反應情況。視細 胞生物電位變化，經(jīng)雙極細胞傳遞，使神經(jīng)節(jié)細胞產(chǎn)生脈沖信號，再經(jīng)視神經(jīng)傳 至外側(cè)膝狀體，至視放射后傳到大腦。由于光或圖象刺激了視網(wǎng)膜，在視覺系統(tǒng) 的神經(jīng)鏈中引起一系列的電位變化【1 “。( 如下圖所示) v e p 來自視網(wǎng)膜不同的刺激 位置，產(chǎn)生于視皮質(zhì)不同解析位置。視覺電生理檢查能夠記錄各個神經(jīng)鏈中電位 變化情況，從而對弱視早期診斷、視功能情況、療效評估及預后提供了重要依據(jù)1 1 9 】。 圖1 - 5 視覺通路解剖生理圖 本儀器利用此原理通過人體視覺系統(tǒng)在不同空間頻率( s p a t i a lf r e q u e n c y , s f ) 圖形刺激下大腦皮層視誘發(fā)電位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 的自動搜索，測定 v e p 的幅值及潛時在空間頻率坐標上的敏感點，即晟佳s f ( s p a t i a lf r e q u e n c y ) ， 然后采用時域時域分析法對采集的信號進行分析；以實現(xiàn)對弱視等某些視神經(jīng)系 統(tǒng)眼科疾病的輔助定位診斷及弱視眼治療效果的跟蹤評估。該儀器的軟件系統(tǒng)選 擇最佳s f 實現(xiàn)界面如下： 童河赫暈嗣僵檻熏 岫 犍暑； 許 恬剛耳 i 畸1 1 - 兩 靜 聲，掣白+ 噎懌 譯暇強一主： 喜： 橙正強卻芏： ；： 篾t 岫 焉- 缸左幕 c j州；”，a 酬# ”q 聃h e l ”v 。w ：e m p tt 酬v ：1 l nt1 呷n 檔 筍f f 啦2 。砰肺目日 j 卵?？趽]3 和3 月；。e 打害p 圖 圖1 - 6 空間頻率確定圖 這種檢測方法以測定視覺過程中生物電的變化為依據(jù)，它不僅有助于闡明視 覺形成的機理、視覺的發(fā)育，而且可用于研究引起視功能障礙的機理、評定視功 上海大學碩十學位論文 能障礙的過程、推測病變的位置以及對臨床治療方法的療效鑒定。 1 5 視覺電生理治療原理 本儀器可依據(jù)v e p 檢測分析結(jié)果，提供弱視診療的空間頻率( s p a t i a p o t e n t i a l ，s p ) 標準閩值圖形的游戲光盤。該治療原理流程如圖1 7 所示： 圖1 7 治療原理流程圖 本儀器刺激訓練治療光盤的治療機理，即視覺生理基礎療法( c a m ) 的認識是一 個漸近的過程?？茖W家發(fā)現(xiàn)，動物和人的大腦對各種顏色的圖案或條柵有不同的 8 上海大學碩上學位論文 反映，英國劍橋大學的學者根據(jù)這個原理，設計出了一種新型的弱視治療儀，命 名為視刺激儀。刺激圖案選擇黑白相問、高對比度的棋盤格，棋盤格的寬窄不同， 根據(jù)弱視眼的視力高低，選擇合適的棋盤格刺激視覺，使弱視眼在各個不同方位 上受到不同空間頻率的刺激，使中樞細胞增強發(fā)育并提高視力【2 0 】。隨著視力的變 化，要更換棋盤格的空間頻率。 弱視是較為常見的兒童眼病，在學齡前與學齡兒童中，弱視的患病率為 1 3 - 3 【2 1 。弱視的治療過程實際上就是促進視覺功能不斷發(fā)育的過程，所以弱 視的療程比較長。其中弱視的治療現(xiàn)在一般采用c a m 療法。 本儀器的刺激治療光盤根據(jù)此原理，同時利用計算機多媒體技術(shù)對傳統(tǒng)c a m 療法進行必要的改進，讓弱視患者得到更為有效的治療，縮短了治療周期。 1 6 我國醫(yī)療儀器發(fā)展狀況 醫(yī)療儀器因其涉及人身安全，法規(guī)管制嚴格，且技術(shù)層次較高，故在我國發(fā) 展較遲。我國醫(yī)療儀器的發(fā)展早期系由少數(shù)代理商為維修各大醫(yī)院所進口醫(yī)療儀 器，進行委托加工或自行研制部份零星配件，而后逐漸發(fā)展為專業(yè)制造廠，其產(chǎn) 品原以金屬器械為限。醫(yī)療儀器的技術(shù)來自其他產(chǎn)業(yè)成熟技術(shù)的應用，因此十分 依賴其相關產(chǎn)業(yè)的帶動與發(fā)展，特別是電子，機械產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品設計與系統(tǒng)整合 是其主要且關鍵的工作，目前醫(yī)療儀器廠商的零組件制造多數(shù)均交給制造企業(yè)完 成與供應，其主要制造設備大部分來自日本、美國、德國的精密模擬檢測儀器。 近幾年國內(nèi)的醫(yī)療器械生產(chǎn)發(fā)展較快，年增長率為6 左右。同時中圍醫(yī)療機 構(gòu)的裝備水平，近年有了很大改善。從1 9 9 5 年起，平均每病床的專業(yè)設備占用顴 年凈增長在5 0 0 0 元左右，增氏率在1 6 一2 0 之間瞄“。醫(yī)療儀器、保健、康復等 儀器也有了很大的發(fā)展，產(chǎn)品的質(zhì)量不斷提高，增加了技術(shù)含量，治療儀器的產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵都有了更新，涌現(xiàn)了一批技術(shù)密集型的新產(chǎn)品，產(chǎn)品的工藝技術(shù)也 不斷改進，基本可以滿足中小型醫(yī)院的使用要求，部分常規(guī)技術(shù)的治療儀器在國 內(nèi)外市場有了競爭力。 但在我國醫(yī)療器械的行業(yè)中，治療儀器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)還有待于進一步改進，生 產(chǎn)行業(yè)的運行機構(gòu)需要進行必要的調(diào)整，要使我們的產(chǎn)品能真正適應醫(yī)院臨床的 需要，滿足市場的需要，做到既有經(jīng)濟效益，又有社會效益，在國內(nèi)外市具有競 爭力，就現(xiàn)在治療儀器的行業(yè)狀況來說，還存在許多問題和差距。主要原因有以 下幾個方面： 產(chǎn)品的質(zhì)量不過關，性能不穩(wěn)定，與國外的同類產(chǎn)品相比，檔次低，缺乏競爭 力； 市場上低水平產(chǎn)品的重復，形成了低水平產(chǎn)品過剩而適合需求的產(chǎn)品卻較少： 國內(nèi)中小型的治療儀器的生產(chǎn)起步較晚，一些治療儀器技術(shù)要求低，加上市場 上海大學碩士學位論文 信息滯后，出項了嚴重的低水平重復現(xiàn)象，因而有特色、優(yōu)質(zhì)適合市場需求的產(chǎn) 品卻不多。 1 7 本章小結(jié) 電生理理淪從發(fā)現(xiàn)到臨床應用是不斷完善和發(fā)展的過程。目前，采用電生理 為理論支持的醫(yī)療儀器應用領域越來越廣泛：醫(yī)療儀器采用的技術(shù)與相關產(chǎn)業(yè)技 術(shù)的發(fā)展聯(lián)系也越發(fā)緊密，國際上醫(yī)療設備采用計算機控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等 高新技術(shù)，使產(chǎn)品向自動化、智能化、小型化發(fā)展，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化可使醫(yī)療 儀器按臨床需求任意組合。另一方面，記錄器、顯示器和傳感器等設備均采用高 新技術(shù)實現(xiàn)了突破性進展。隨著科研的深入和檢測技術(shù)的改進，v e p ( 視覺誘發(fā)電 位) 的應用范圍、各實驗室之間及國際問的交流也會越來越廣泛和密切。 上海大學碩士學位論文 第二章電生理診療儀系統(tǒng)設計 系統(tǒng)設計方案是整個系統(tǒng)工程研制開發(fā)的基礎。我們通過項目的調(diào)研及論證、 系統(tǒng)的基本原理分析、系統(tǒng)的硬件的選取、系統(tǒng)的軟件設計，同時也考慮到電生 理理淪和計算機應用技術(shù)的發(fā)展，最后實現(xiàn)m t v 一1 視覺電生理診療儀系統(tǒng)設計方 案。 2 1系統(tǒng)工程總體特性 系統(tǒng)工程是描述、設計、實現(xiàn)、有效性驗證、實施和維護等一系列活動，系 統(tǒng)設計過程中不僅僅要關心系統(tǒng)的硬件和軟件，還要關心系統(tǒng)與周圍環(huán)境間的關 系以及人機交互問題。一定要考慮到系統(tǒng)能提供什么樣的服務、系統(tǒng)的建設和運 行受到什么樣的限制、系統(tǒng)與周圍的環(huán)境相互影響的關系等【2 3 】。系統(tǒng)特性有兩種 類型功能性： 功能特性：當系統(tǒng)的所有部分一起工作以達到一些目標的時候表現(xiàn)出來。如 m 1 電生理診療儀器裝備起來之后就具有了醫(yī)療儀器的功能特； 非功能特性：如可靠性、性能、安全和保密性。這些特性表現(xiàn)為在特定的操作 環(huán)境中系統(tǒng)的表現(xiàn)行為。系統(tǒng)的總體可靠性又與三個方面密切相關：硬件可靠性、 軟件可靠性和操作員可靠性。 2 2 系統(tǒng)工程的過程 系統(tǒng)工程是一個具有交叉學科的活動，包括不同的背景中來的團隊人員。需 要系統(tǒng)工程團隊的原因在于做出系統(tǒng)決策需要廣闊的知識，應此需要不同背景的 工程人員。系統(tǒng)工程的各個階段如圖所示： 上海大學碩士學位論文 2 3 系統(tǒng)及其環(huán)境 圖2 - 1 系統(tǒng)工程過程 系統(tǒng)都是在一定的環(huán)境中存在的，這個環(huán)境影響系統(tǒng)的功能和特性。有時， 環(huán)境可能被作為一個獨自的系統(tǒng)，更一般的情況是，環(huán)境包含一系列相互作用的 其他系統(tǒng)。如m t v - 1 電生理診療儀包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，其中軟件系統(tǒng)又包 括診斷軟件系統(tǒng)和治療軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在w i n d o w s2 0 0 0 系統(tǒng)下實現(xiàn)的，充分 利用w i n d o w s 系統(tǒng)的特性和功能。其系統(tǒng)層次圖如下所示： 圖2 - 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次 從影響系統(tǒng)設計的系統(tǒng)環(huán)境中得出人和組織的因素包括： 過程變更：系統(tǒng)需求要對環(huán)境中的工作過程做相應的變更； 工作變化：系統(tǒng)使用戶的技能失效或引起用戶工作方式改變： 機構(gòu)變化：系統(tǒng)改變環(huán)境中機構(gòu)配置。 理論上講，所有關于系統(tǒng)環(huán)境的知識都應該包含在系統(tǒng)描述中以便于系統(tǒng)設 計實施。事實上，系統(tǒng)設計過程中一定是基于可比較的系統(tǒng)環(huán)境或是基于常識性 的知識。 上海大學碩士學位論文 2 4 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)建模是系統(tǒng)需求和設計活動的一部分，系統(tǒng)必須被建模成一系列組件和 組件間的關系。通常，這些以圖的形式描述在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型中，給出一個系 統(tǒng)設計的總體概念。該診療系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計如下： 醫(yī)生操作平臺圖形刺激器 圖2 - 3 整體結(jié)構(gòu)示意圖 m 1 v 一1 電生理診療儀的研制在分析電生理理論基礎上，綜合利用計算機技術(shù) 和信號處理技術(shù)，然后進行系統(tǒng)設計。研制涉及刺激系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、信號處理 系統(tǒng)、軟件處理系統(tǒng)( 采集模塊、分析模塊、統(tǒng)計模塊、用戶光盤制作) 。圖形刺 激雙顯示功能的實現(xiàn)等。我們下面介紹該系統(tǒng)子系統(tǒng)的功能。 醫(yī)生操作平臺：主要目的是控制圖形刺激器，根據(jù)不同的檢測對象，設置不同 相應的刺激參數(shù)及發(fā)送控制命令、接收數(shù)據(jù)、完成處理、顯示、運算、打印、診 斷數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析以及治療光盤的制作等工作。 圖形刺激器：主要目的是產(chǎn)生圖形刺激信號，然后將產(chǎn)生的信號輸入計算機。 同時可以根據(jù)需要可以變換空間頻率，翻轉(zhuǎn)頻率等。 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)通常以方塊圖來描述，展現(xiàn)了一些主要的子系統(tǒng)以及這些子系 統(tǒng)之間關聯(lián)。每個子系統(tǒng)在圖中用一個矩形框表示。如該儀器的軟件系統(tǒng)的主要 組件如下所示；一個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應該以功能為單位劃分成子系統(tǒng)，不必關心這 些予系統(tǒng)是硬件實現(xiàn)還是軟件實現(xiàn)的。然而，在一個系統(tǒng)中每個功能組件又可以 分為一下幾類： 執(zhí)行機構(gòu)組件：該組件的主要功能是引起一些系統(tǒng)環(huán)境的改變： 計算組件：給定輸入，執(zhí)行計算并輸出結(jié)果； 通信組件：該組件的功能是實現(xiàn)與其他系統(tǒng)組件之間的彼此通信； 調(diào)度組件：其功能是要協(xié)調(diào)其他組件間的操作； 界面組件：將一個組件中的表示轉(zhuǎn)換成另外一個組件的表示。 當然，在不同的組件類型之間并沒有一個明顯的界限。絕大多數(shù)的組件中將會包 括嵌入式軟件，軟件通常用來控制全部的系統(tǒng)，在設計該系統(tǒng)的時候，一般采用 w i n d o w s 系統(tǒng)常用韻組件，如a c t i v e x 、對話框等。本診療儀器的系統(tǒng)建模如下圖 所示： 上海大學碩士學位論文 2 5 系統(tǒng)設計 圖2 , 4 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)設計要做的就是如何將不同的組件整合誠一個能提供所需功能的系統(tǒng)。 如下圖所示： 圖2 - 5 系統(tǒng)設計過程 分割系統(tǒng)：分析需求，進一步將其歸結(jié)到相關的集合。通常有幾種可能的分割 方法，并且這一階段產(chǎn)生可選方案；m t v - 1 電生理診療儀器就是按功能把系統(tǒng)分 割成幾個小的系統(tǒng)。 識別子系統(tǒng)：將獨立地或聯(lián)合地