（测试计量技术及仪器专业论文）基于颜色视觉诱发电位的色觉缺陷研究.pdf

塑坚查兰堕主塑堑：芏墨茎1 5 6 摘要 人类接收的外界信息绝大部分来自视觉，而彩色信息又在其中占主导地位。 因此，色觉是视功能中一个非常重要而基础的组成部分。正常的色觉来源于视网 膜内锥体细胞的三种不同类型的光接收器对色光的不同吸收能力的比较。由于先 天遗传或后天病变或药物影响，从而使视网膜内的锥体细胞上的某种( 或几种) 类型的光接收器的功能发生变异或完全丧失。这样的现象称为色觉缺陷。 色觉研究是一个迅速发展的多学科交互渗透的前沿研究领域，而色觉缺陷研 究又是其中最为基础和核心的内容。如何准确地对色觉缺陷人群进行科学的检测 评价，乃至进一步对其进行治疗达到部分校正，是一项非常紧迫而棘手的工作， 同时也是具有非常重要的学术意义和社会意义的科研课题。现有的色觉缺陷研究 方法大多属于心理物理学范畴，一直以来很难以一个非常客观的标准来界定色觉 缺陷的程度。针对这一问题，本文综合分析了国内外色觉研究的发展方向，特别 是色觉评价的研究发展现状，根据相关检测手段的发展趋势，以及面临的主要问 题，结合色觉研究在色度学、眼科学、电生理学及其他技术领域的发展水平，确 立了本研究的主要目标及课题的理论、实验与应用性研究内容，对色觉缺陷检测 评价方法进行了深入研究，提出了一种“基于颜色视觉诱发电位的色觉缺陷检测 评价系统”的研究方案。本文的主要开创性工作和独到的研究结论具体归纳如下： l 、完善了基于颜色视觉诱发电位的色觉缺陷检测评价方法，设计了用测量 等亮度反转曲线来进行色觉检测的技术路线，首次提出了用等亮度点来表征色觉 缺陷类型及程度的论断。在此基础上，设计了基于数字信号处理技术的色觉缺陷 检测系统及评价分析软件。并通过理论计算及大量的临床实验数据，验证了设计 思路的正确性及可行性。 2 、对视觉诱发电位的噪声进行研究分析，在对多种去噪方法比较的基础上， 提出了将小波去噪的方法引入到视觉诱发电位去噪领域的思想。通过多尺度小波 分解及重构算法和小波变换模极大值重建算法的设计，成功地在保证测量精度的 前提下，提高了测量速度，并能很好地反映诱发电位的动态特性。 3 、创造性地提出了色觉评价体系的概念。通过对色觉评价概念的分析与评 价指标的设计分解及计算，建立了一个进行色觉评价分析的流程步骤，并通过测 并y 薯：浙江大学博士论文 量系统和软件分析，对色觉系统进行评价和分级，最后给出相应的从事专业( 或 职业) 的建议，使得整个工作得以形成为一个有机而严谨的科学体系。 本文的研究成果为色觉及色觉缺陷研究开辟了新的方向和路线，对进一步开 展色觉研究提供了重要的技术支持，具有十分重要的理论意义和实践价值。同时 还探索了像色觉研究这样的多学科多领域交叉边缘科学的研究方法，提出了相应 的研究思想脉络，设计了相应的技术路线。为后继的相关学科研究做出了自己的 贡献。 关键词：色觉，色觉缺陷，l m s 颜色空间，等亮度点，等亮度反转曲线，视觉 诱发电位，小波变换去噪，色觉评价 i i 浙江大学博士论文 a b s t r a c t m o s to ft h ei n f o r m a t i o nw eh u m a nb e i n gr e c e i v ec o m e sf r o mv i s i o n ，a m o n g w h i c ht h ec h r o m a t i ci n f o r m a t i o no c c u p yad o m i n a n t p o s i t i o n ，s ot h ec o l o rv i s i o ni s t h em o s t i m p o r t a n tp a r to f v i s i o n n o r m a lc o l o r p e r c e p t i o nd e p e n d s o nt h ea b s o r p t i o n o fl i 咖b yt h et h i e ec l a s s e so fc o n e p h o t o r e c e p t o r i nh u m a n sr e t i n a b u t a n y m a l f u n c t i o no ft h ec o n e sc a nl e a dt oa b n o r m a lc o l o ra p p r e c i a t i o n i t sc a l l e dc o l o r v i s i o nd e f i c i e n c i e s m a n yf o r m so fw h i c ha r ec o n g e n i t a li no r i g i n ，a l t h o u g hi tc a nb e a c q u i r e da sa r e s u l to f e y e d i s e a s e ，o r a sas i d ee f f e c to f m e d i c a t i o n c o l o rv i s i o nr e s e a r c hi sar a p i dd e v e l o p i n gi n t e r d i s c i p l i n a r ys t u d yf i e l d ，a n dt h e r e s e a r c ho fc o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e si st h ec e n t r a la n db a s i cp a r to fi t t h ew o r ko f e v a l u a t ee x a c t l ya n dc o r r e c tp a r t l yt ot h ec o l o r - d e f i c i e n tp e o p l ei sv e r yi m p o r t a n ta n d i n t r a c t a b i l i t y i naw o r d ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n to ns c i e n c ea n ds o c i e t y b u tc l i n i c a lc o l o r v i s i o nt e s t i n gi s b e l o n g st ot h ep s y c h o p h y s i c s ，a n dd i f f i c u l t yt of i n da no b j e c t i v e s t a n d a r di nt h e d i a g n o s i so fc o l o rd e f i c i e n c y f o rt h ep r o b l e m ，t h ed e v e l o p m e n t o r i e n t a t i o no fc o l o rv i s i o nr e s e a r c ha n de v a l u a t i o ni sa n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e a i ma n dc o n t e n to f r e s e a r c hw e r e g r o u n d e do n t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t o f c o l o r i m e t r y , o p h t h a l m o l o g y , e l e c t r o p h y s i o l o g y , a n ds oo n as y s t e mo fc o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e s m e a s u r e m e n ta n de v a l u a t i o nb a s e do nc h r o m a t i cv i s u a l e v o k e d p o t e n t i a l w a s p r o p o s e d t of u l f i l lt h eo b j e c t i v e r e q u i r e m e n t i nc o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e sr e s e a r c h t h em a i nc o n c l u s i o na n d o r i g i n a l i t ya r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h et e s t i n gm e t h o do f c o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e sb a s e do n c h r o m a t i cv i s u a l e v o k e dp o t e n t i a lw a s d e v e l o p e d ，a n dt h et e c h n i c a ls c h e m ew a sf r a m e da sm e a s u r i n g t h e e q u i - l u m i n a n c et u r n i n gc u r v e s a u t h o ru s e dt h ee q u i 1 u m i n a n c ep o i n ta st h e p a r a m e t e ro fc o l o r v i s i o nd e f i c i e n c i e s c r e a t i v e l y t h em e a s u r e m e n ts y s t e mw a s d e s i g n e db a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ee v a l u a t i o np r o g r a mw a sc o d i n g t h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fd i s s e r t a t i o nw a sp r o v e d b yt h e o r yc a l c u l a t ea n d c l i n i ce x p e r i m e n t s e c o n d l y , t h en o i s eo ft h ev i s u a le v o k e dp o t e n t i a lw a sa n a l y t i c a ls t u d i e d t h e 1 1 1 浙江大学博士论文 i d e at h m u s i n g t h ew a v e l e tt r a n s f o r mf o rv e p d e n o i s i n gw a sp r e s e n t e db yc o m p a r i n g t h ed e n o i s e dw a y s t h ea l g o r i t h mo fw a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o na n dw a v e l e tt r a n s f o r m m o d u l u sm a x i m ar e c o n s t r u c t i o nw a sd e s c r i b e d n e wm e t h o dw a sp r o v e dn o to n l y g o o d f o rd e n o i s e db u ta l s or e f l e c t e dt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fe v o k e d p o t e n t i a l f i n a l l y , t h ei d e ao f c o l o rv i s i o ne v a l u a t i o ns y s t e mw a s p r e s e n t e do r i g i n a l i t y b y t h ee x p l a n a t i o na n a l y s i sf o rt h ec o n c e p to fc o l o rv i s i o ne v a l u a t i o na n dt h ed e s i g no f e v a l u a t ei n d i c a t o rs y s t e m ，t h ep r o c e s so fc o l o rv i s i o ne v a l u a t i o nw a se s t a b l i s h e d u s i n gt h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n da n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ec o l o rv i s i o no fs u b j e c tc a n b ee v a l u a t e da n dg r a d e d s ot h ed i s s e r t a t i o nf o r m e da n o r g a n i ca n d s c i e n t i f i cs y s t e m t h er e s e a r c hf m d i n g so f t h ed i s s e r t a t i o ni n a u g u r a t e dt h en e wd i r e c t i o na n dr o u t e o fc o l o rv i s i o na n dc o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e sr e s e a r c h ，a n ds u p p f i e dt h et e c h n o l o g y s u p p o r to fc o l o rv i s i o nr e s e a r c h i t sh a dc o n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c eo ft h e o r ya n d p r a c t i c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h em u l t i d i s c i p l i n a r ya p p r o a c h t or e s e a r c hw a s e x p l o r e d t h e c o r r e s p o n d i n g i d e a sa n dm e t h o d sm a d ed i s t i n c t i v e c o n t r i b u t i o n st ot h e s u b s e q u e n c es t u d y k c y w o r d s ：c o l o rv i s i o n ，c o l o rv i s i o nd e f i c i e n c i e s ，l m s c o l o r - s p a c e ， e u q i l u m i n a n c e ，e q u i - l u m i n a n c et u r n i n gc u r v e ，v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ， w a v e l e t d e n o i s i n g ，c o l o rv i s i o ne v a l u a t i o n i v 浙江大学博士论文 第1 章绪论 1 1 引言 色觉( c o l o rv i s i o n ) 是眼功能的一个基本而重要的组成部分。正常的色觉来 源于视网膜内锥体细胞的三种不同类型的光接收器对色光的不同吸收能力的比 较。由于先天遗传或后天病变或药物影响，从而使视网膜内的锥体细胞上的某种 ( 或几种) 类型的光接收器的功能发生变异或完全丧失。这样的现象称为色觉缺 陷( c o l o rv i s i o nd e f i c i e n c y ) 【1 1 0 人类获取的外界信息，绝大部分来自视觉，其中彩色信息又占据主导地位【2 】。 在一般的照明条件下，正常色觉的人眼可分辨3 0 4 0 个灰度等级，而可分辨的 颜色多达几十万种，特别是对4 9 5 n m 到5 9 5 n m 之间的单色光，可分辨l n m 的波 长差。在实际经验中，颜色是人们借以分辨物体的一个重要手段，尤其是在明视 觉条件下【3 1 。因此，人们的生活离不开色觉，凡从事交通运输、美术、医学、化 学等工作者，必须具备正常的色觉。而具有色觉缺陷的人群除了影响生活质量之 外，还会在从事某些活动时给自己和他人带来巨大风险。例如目前国内私家车市 场蓬勃发展，色觉缺陷人群能否正确辨识交通标识就是个非常重要的问题。在 我国，男性人1 2 1 的5 1 4 ，女性人口的0 7 3 具有不同程度的色觉缺陷【4 】。如何 准确地对这些庞大的色觉缺陷人群进行科学的检测评价，乃至进一步对其进行治 疗达到部分校正，是一项非常紧迫而棘手的工作，同时也是具有非常重要的学术 意义和社会意义的科研课题。 由于色觉缺陷研究的复杂性，涉及到光度学、色度学、眼科学、心理物理学、 眼视光学等等多门学科，所以一直以来很难以一个非常客观的标准来界定色觉缺 陷的程度。人们在开始的时候是利用一些定性的研究，为了避免定性研究中主观 评价的不确定性，学者们开始寻求能够对色觉缺陷做定量、客观测量的方法，通 过对大量实验的总结和归纳，找到普遍适用的色觉缺陷评价规律，并在具体检测 时加以应用，以期得到一个客观的检测评价结果。 在本课题中，拟采用基于颜色视觉诱发电位的电生理学研究手段，结合多门 交叉学科，通过对色觉缺陷的理论研究和实验研究，探讨色觉缺陷的模拟显示， 客观定量检测及色觉评价方式。目的在于揭示色觉缺陷现象在色度学、神经科学、 浙江大学博士论文 眼视光学等方面的种种特性和规律，提出新型的色觉缺陷检测评价方法及体系， 为色觉研究和色觉缺陷研究开辟探索新型的复合研究路线。 1 2 色觉缺陷及其研究发展概况 1 2 1 色觉缺陷的概念及其分类 色觉缺陷是一种非常态的视觉现象，一般在日常生活中被简称为色盲。然而， 这并不是一个很确切的定义。因为，色觉缺陷其实是一个比较复杂的视觉症候群 的总称。 正如我们所知道的，正常的人类视网膜上包含两种感光细胞：视杆细胞和视 锥细胞。根据目前的研究认识水平，可以肯定视锥细胞上包含着三种类型的光接 收器。这三种光接收器的光谱灵敏曲线图如图1 1 所示，可以看到三条曲线的 峰值分别位于光谱的紫色波段( 4 2 0 n m ) 、绿色波段( 5 3 0 n m ) 和黄绿色波段 ( 5 6 0 n m ) 。相应地把这三种光接收器简称为短波类型( s - c o n e ) 、中波类型 ( m c o n e ) 和长波类型( l - c o n e ) 5 6 1 。 图1 1 三种类型视锥细胞光谱灵敏曲线图 当外界的光线通过眼球的屈光系统成像于视网膜之上的时候，颜色的感觉来 源于上述的三种类型的视锥细胞在不同波段对色光的吸收能力的比较。只有三种 光接收器都正常工作的时候才能得到正确的颜色视觉。当其中任何一种( 或几种) 光接收器功能发生变异的时候，就产生了色觉缺陷的现象。根据发生变异的视锥 细胞的类型及变异程度，我们可以对色觉缺陷进行分类。 浙江大学博士论文 1 三色异常( a n o m a l o i l s t r i c h r o m a t i s m ) 三种光接收器都能发挥作用，不过个别的存在功能上的差异，也就是通常所 说的色弱现象。虽然能够区分光谱上的各种主要颜色，但和正常人比较，表现在 对颜色的感受性降低。特别在光线较暗的时候，很难辨别颜色。根据发生减弱的 视锥细胞的类型，又可以分为甲型异常( p r o t a n o m a l y ) 、乙型异常( d e u t e r a n o m a l y ) 和丙型异常( t r o i t a n o m a l y ) 。相应的变异的细胞类型分别属于l 型、m 型和s 型光接收器。 2 二色视觉( d i c h r o m a t i s m ) 但当某种类型的光接收器的功能完全丧失的时候，则会表现出二色视觉的现 象。即通常所说的色盲。同样的，根据丧失功能的细胞类型，可以把二色视觉又 分为甲型色盲( p r o t a n o p i a ) 、乙型色盲( d e u t e r a n o p i a ) 和丙型色盲( t r i t a n o p i a ) 。 二色视觉者不能很好地区分光谱上的某些主要色调。 3 单色视觉( m o n o c h r o m a t i s m ) 当所有类型的视锥细胞的功能全部丧失的时候，就完全丧失了色调的辨别 力。这样的现象就是单色视觉，一般极为少见。患者对外界的视觉主要依赖于视 杆细胞。因此，只有明暗感觉而没有颜色感觉，一切物体都被看成灰度变化的结 果。 综上所述，可以将色觉缺陷分类归纳如表l 一1 所示【7 】a 1 2 2 色觉缺陷的来源 由于色觉的遗传基因片段是在人体细胞内的性染色体上，所以色觉缺陷的主 要来源是遗传因烈8 一。人体细胞中的染色体一共有2 3 对。第1 2 2 对染色体是 男女共有的，称为常染色体( a u t o s o m e ) ，另一对称为性染色体( s e xc h r o m o s o m e ) 。 两个性染色体分别称为“性染色体x ”和“性染色体y ”。这一对性染色体男、 女两性是不同的。在男性，性染色体是x 和y ；在女性，性染色体是x 和x 。 因此，如果在男性的x 染色体上，缺乏正常色觉所必需的基因，因为他只有 个x 染色体，所以没有第二次机会得到正常色觉所需的基因。而女性则不同， 由于有两个x 染色体，如果其中一个缺乏所需的基因，还有从另一个x 染色体 上得到的机会。因此，色盲患者的男性比例大大高于女性。 除了遗传带来的先天色觉缺陷之外，还有一些病变会带来后天的色觉缺陷。 浙江大学博士论文 表1 1 色觉缺陷分类表 理论性命人口百分比 变数非理论性命名 可以分辨名 ( ) 杨赫林男女 甲型异常黄蓝 红 反 1 o0 0 2 ( p r o t a n o m a l y ) 红绿( 弱) 常 三色异常 乙型异常黄蓝 绿 红绿 ( a n o m a l o u s反 4 90 3 8 t r i c h r o m a t i s m ) ( d e u t e r a n o m a l y ) 红绿( 弱)色弱 常 丙型异常黄蓝( 弱) 紫 黄蓝 反0 0 0 0 10 0 0 0 0 ( t r o i t a n o m a t y ) 红绿色弱 常 红 甲型色盲 黄蓝色 1 oo 。0 2 ( p r o t a n o p i a ) 目 绿 红绿二色视觉乙型色盲 黄蓝色 1 10 0 1 ( d i c h r o m a t i s m ) ( d e u t e r a a o p i a ) 色盲 盲 紫 丙型色盲 红绿色 黄蓝 0 0 0 0 10 ，0 0 0 0 ( t r i t a n o p i a ) 色盲 盲 单色视觉全色 ( m o r l o c h r o m a t i s m ) 全色盲明暗0 0 0 30 0 0 2 盲 譬如某些视网膜疾病，视神经障碍，脑损伤，糖尿病等等【协1 2 】。另外还有某些药 物或毒素会造成色觉缺陷，特别是容易造成蓝色色觉异常【1 3 】。归根结蒂这些来 源都是因为伤害到了视网膜上的视色素或视觉通路【14 】。 1 2 3 色觉缺陷研究的意义与发展概述 色觉缺陷研究是一个迅速发展的多学科交叉渗透的研究领域。它即具有科学 理论的一方面，同时又具有临床实践的一面。从1 7 7 4 年英国科学家道尔顿首次 发现色盲现象以来，色觉缺陷的研究很快成为了色觉研究的主要领域之一。在 ( ( v i s i o nr e s e a r c h ) ) 、j o s a ) ) 、c o l o rr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n ) ) 等等颇具影响的 国际权威刊物上，每年都有相当数量的各类色觉缺陷研究的论文发表。一方面， 视觉科学的发展要求人类全面认识自身视觉系统的结构和功能，并对各种视觉特 别是色觉现象做出正确的解释。而色觉缺陷现象正是一种比较典型的色觉现象， 4 浙江丈学博士论文 通过对其的彻底研究，能更好地检验各种色觉假设理论，为最终完善地解决人类 视觉系统问题打下坚实的基础。在另一方面，色觉缺陷的检测评价过程本身对人 身及社会的安全性有着重大的意义。同时，在临床上也有着对色觉缺陷病症实现 部分校正的指导性意义。 最早的色觉缺陷研究开始于发现色盲的道尔顿。作为色觉缺陷患者本身，他 于1 7 9 4 年发表了世界上第一篇色觉缺陷研究论文“e x t r a o r d i n a r yf a c t s r e l a t i n g t o t h ev i s i o no fc o l o r s ”，提出了眼球介质变色导致色盲的假设【l ”。随着1 9 世纪杨 一赫姆霍兹( y o u n g - h e l m h o l t z ) 的三色理论及赫林( h e f i n g ) 的四色颉抗学说的 出现，色觉理论开始了漫长的对抗年代1 1 7 1 。2 0 世纪6 0 年代后，逐渐发展起若 干研究视色素的新技术，用眼底反射密度术和显微分光光度术在人类视网膜的中 央凹测得了三种不同光谱吸收特性的视锥色素 1 8 - 2 1 】。随着2 0 世纪8 0 年代分子生 物学的急剧发展，编码人类的视色素的基因己得到分离和克隆，经过基因定位分 析后，确认了红敏、绿敏视色素基因位于x 染色体上，蓝敏视锥基因位于第7 号染色体上【2 2 五4 】。n a t l l a n s 等又建立了红敏和绿敏色素基因在x 染色体上的排布 以及色觉缺陷基因的分子模型口”。a s e n j o 于1 9 9 4 年确定了红绿色素各自的氨基 酸组成及异同点，进一步的变异基因研究，发现这两个视色素吸收光谱不同是由 7 个氨基酸残基决定【2 6 】。至此，三色理论得到近代科学充分的证明和发展。而随 着对视觉通路中的颉抗性水平细胞的研究可以证明四色理论的正确性。这些感色 细胞感受野中心对红光呈o n 反应，对绿光则呈o f f 反应，而感受野周围的反 应模式正好相反1 2 7 。所以，现代研究充分表明，在光感受器这一个层面，颜色 信息是以三个独立的变量接收的。但在视觉通路的传递中却是以色颉抗的形式编 码的【2 ”。所以，在一个更高的水平上，这两种理论得到了辨证的统一。 伴随着色觉理论的发展，色觉缺陷检测评价的方法也得到了长足的发展。 s t i l l i n g 提出了假同色表测试方法，后来经过i s h i h a r a 的改进使得这种简单易行的 方法一直到现在仍然在临床应用中【2 9 1 。在上世纪中叶，f r a n s w o r t h 等人提出了 f r a n s w o r t h - m u n s e l l 测试方法。试图通过孟赛尔颜色立体来严格标定色觉缺陷的 类型【3 0 ，3 ”。特别的，n a g e l 研制了色盲镜，通过对红绿色匹配黄色的比例来对红 绿色觉缺陷进行检测评价。虽然后来经过各种方式的改进，但基本原理及结构大 致没有改变1 3 2 1 。进入2 1 世纪，m o l l o n 等人提出了比较成熟的c a m b r i d g e c o l o r t e s t 浙江大学博士论文 方法。通过对随机产生的不定亮度的假同色“c ”状标志进行判断的结果，用 c i e l 9 7 6 系统中的色差椭圆来表征色觉缺陷的种类及程度3 3 ，3 4 1 。该方法目前已经 成功地应用于商业用途。另外，还有一些关于用检测色觉缺陷基因的方法来进行 色觉缺陷评价的报道1 3 5 - 3 7 】。 1 3 视觉诱发电位在色觉缺陷研究中的应用 1 3 1 当前色觉缺陷研究存在的问题 从上面介绍的来看，目前的主流色觉缺陷检、狈5 评价方法主要仍停留在心理物 理学的途径上。这些方法一般都是通过被测试者的主观感受来进行表达。一是不 能很清楚地带来确切结果：二是容易使被测试者进行某些作弊的行为。譬如在撮 普通使用的假同色表的检测方法中，被测试者就有可能记住哪几种表格是什么图 形或者是某些数字等。而对于色盲镜之类的检测，目前有某种滤色片可以帮助被 测试者通过考核。另外，还有色度学本身的原因决定了不能用非线性的色差来表 征色觉缺陷的程度。所以，需要有一种t e 较客观的，定量的新型色觉缺陷检测评 价方式。这样，就必须通过眼电生理学的途径来进行色觉缺陷的研究。 1 3 2 视觉诱发电位概述 眼电生理学的研究始于1 9 世纪中叶。d ub o i s - r e y m o n d 于1 8 4 9 年在动物实 验中发现，离体眼球的前后极间存在电位差，角膜侧相对后极部为正，有数毫伏， 从而开创了眼电生理研究的新纪元【3 8 1 。但由于客观科研条件的限制，直到2 0 世 纪5 0 年代左右，随着各种电极的成功研制和采集记录技术的开发，眼电生理的 研究才开始走上科学发展的道路【3 9 - 4 2 。眼电生理的研究实验认为：人眼视觉系统 在感受亮度变化或颜色变化的时候，将产生比较显著的电生理活动信号。而这种 电生理信号是能够通过客观测量来加以证实的。当前i 临床上对视觉电生理的测量 一般包括三个部分：眼电图( e l e c t r o o c u l o g r a m ，e o g ) 、视网膜电图 ( e l e c t r o r e t i n o g r a r a ，e r g ) 和视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l v e p ) i 4 3 1 。 眼睛及视觉神经系统接收到颜色刺激时，色光光谱的能量分布决定了刺激水 平。大脑皮层对该颜色刺激做出反应并以脑电波的形式表现出来，即神经元群的 兴奋和抑制性触突电位发生变化。这部分脑电活动可以穿透皮层组织，在人体头 皮表面的相应位置产生电场。人的感觉系统在受到刺激后产生的脑电活动在临床 浙江大学博士论文 医学中称为诱发电位。受到刺激后，最先诱发出来的脑电只与刺激的物理性质有 关，不受人的意识的控制，属于外源性诱发电位，一般发生在刺激产生后的1 0 0 毫秒左右；随后，由于受刺激者对刺激加以注意、识别、比较和反应后，诱发出 来的脑电就与心理活动有关，受到人的意识的影响，属于内源性诱发电位，一般 发生在刺激产生后的3 0 0 毫秒左右。前者可以用于对人的神经系统的工作状态进 行检查和对外界刺激的影响进行评定：后者可以用于人的认知能力和心理活动的 判断以及外界刺激对人的心理影响的分析。 1 3 3 基于颜色视觉诱发电位的色觉缺陷研究 早期的基于眼电生理的色觉缺陷研究主要集中于视网膜电图( e r g ) 方向。 d o d t 等人在1 9 5 8 年记录了红绿色盲的高频闪光e r g 结果【44 1 ，随后陆续有相应 的研究结果出来 4 5 , 4 6 。1 9 7 3 年y o k o y a m a 等人将研究的重点放在e r g 的b 波记 录上，发现了红绿色盲者的记录结果的异常现象【4 7 】。 随着人类对自身的色觉神经中枢的深入认识，基于眼电生理的色觉缺陷研究 重点慢慢开始转向了视觉诱发电位( v e p ) 方向。r e g a n 在2 0 世纪7 0 年代发表 了一系歹l j 文章，认为感受光亮的同时颜色信号是不被集中的，人类的视觉系统的 颜色通路是平行的。各有来自图形视力红敏、绿敏通道的特殊感觉曲线，脑电活 动的客观测量可以加以证实。并认为红一绿等亮度棋盘格产生的v e p ，在红绿 信号到达图形敏感神经元时一定有某种程度的分离，或者时完全分离。亮度变化 刺激激活大细胞通路，颜色刺激激活小细胞通路4 9 1 。f l e t c h e r 等在1 9 8 5 年的 论文中指出，当对红绿色盲应用等亮度红、绿棋盘格进行翻转刺激时候，绿色色 盲的v e p 将发生消逝垆。其后，t a u k a n o t o 等人用等亮度颜色图形刺激测量了9 名正常人，6 名绿色色弱者和6 名绿色色盲的颜色视觉诱发电位( c v e p ) 。他们 通过比较正常人和色觉缺陷人群的p 1 。o 成份的差异断定有可能通过颜色图形 v e p 来客观地检测色觉缺陷者【5 l 】。从近1 0 年开始，g e r l i n g 等人开始把基于颜色 视觉诱发电位的色觉缺陷研究的重点放到了对等亮度反转点的研究，发表了一系 列论文，指出了当今基于视觉诱发电位的色觉缺陷研究的发展方向【5 2 5 4 1 。2 0 0 2 年，c r o g n a l e 将v e p 的色觉缺陷检测方法应用于新生儿的早期色觉评价中，取 得了意想之中的效果口”。但遗憾的是，在我国基于颜色视觉诱发电位的色觉缺 陷研究开展的并不是很充分，只有北京大学附属医院、南京医科大学等有零星的 浙江大学博士论文 研究报导【5 6 | ”】。 1 4 本文的主要研究内容与研究方法 根据国际色觉科学的发展方向，特别是色觉缺陷研究的发展现状和所面临的 主要问题，结合色度学、眼视光学、计算机图像处理、测试计量技术等学科的理 论和技术，本文主要进行以下几个方面的理论、实验及临床应用性工作。 第一章：绪论。综述色觉缺陷及研究发展概况，讨论多种色觉缺陷检测评价 的方法途径，对其进行初步的分析比较，指出其中存在的主要问题。并对利用视 觉诱发电位来进行色觉缺陷研究的途径进行了概况性描述。提出本课题的主要研 究内容和主要方法，阐述本文研究的理论意义和实践意义。 第二章：介绍视觉光学系统与视觉神经网络系统的结构与颜色信息处理功 能。着重探讨人类视觉通路从视网膜水平到大脑视皮层的各级颜色信息处理单 元。此章为色觉缺陷研究的神经生理学及解剖学基础。 第三章：首先从光度学和色度学的角度提出色觉和色觉缺陷研究的概念，介 绍了用于色觉研究的l m s 颜色空间。在此基础上，提出了一种新型的色觉缺陷 模拟显示及模拟部分校正的数字图像处理方法。最后，引出下文所要介绍的基于 颜色视觉诱发电位的色觉缺陷检测评价研究。 第四章：详细介绍基于颜色视觉诱发电位的色觉缺陷研究的系统设计。在现 有的视觉诱发电位检测的基础上，创造性地提出用等亮度反转曲线来表征色觉缺 陷的种类及程度的检测思想。同时，设计了相应的色刺激图案及实现设计思想的 软硬件系统。最后，从光度色度学的角度给出了系统定标的方法。 第五章：阐述对视觉诱发电位检测的去噪研究，以此来提高色觉缺陷检测系 统的各项性能。在小波变换的基础上，提出了新型的视觉诱发电位的实时去噪算 法。最后，通过m a t l a b 系统仿真计算结果及检测系统的实际应用数据结果来验 证分析该去噪算法的优缺点。 第六章：详细描述该研究的临床实验过程，对实验结果进行多角度的分析处 理。在大量临床数据的基础上，对该色觉缺陷检测评价方法的影响因素进行分析， 对最终结果进行评价。 第七章：综合前几章的研究工作结果，探索性地提出色觉评价体系的概念。 通过对色觉评价指标体系的建立及总体流程的设计，使得全部研究工作得以形成 浙江大学博士论文 一个有机的整体。最后，展示了该评价体系的尝试性应用实例，取得了初步的研 究成果。 第八章：全文的总结与展望。再次勾勒出研究工作的方法路线，归纳自己的 开创性工作及独到的研究结论。同时，对其中的不足提出改进的方法，指出该研 究工作的前景方向。 针对色觉研究的复杂性，本课题尝试采用多学科交叉复合研究的方法。以眼 视光学理论为核心，通过眼电生理学和神经科学的理论方法设计检测评价方法。 发挥数字图像处理技术和数字信号处理技术的作用，实现色觉缺陷的模拟显示和 视觉诱发电位检测信号的采集处理。最后，再辅予色度学和心理学的研究方法， 对整个评价系统进行总结，以期实现对新型定量客观色觉缺陷研究方法的探索研 究。 9 浙江大学博士论文 第2 章色觉缺陷研究的生理学基础 要对色觉缺陷现象进行研究，首先要考虑人眼的一些光度色度特性，只有掌 握了人眼是如何对颜色刺激做出反应的基础上，才可能对色觉缺陷现象给出适当 的评价结果。因此有必要在进行色觉缺陷研究之前对人眼的视觉系统，特别是关 于颜色信息处理功能相关的生理学基础进行介绍。 2 1 视觉系统概述 人类的视觉系统包括从角膜到视网膜的眼球光学系统和从视网膜到大脑视 皮层的视觉神经网络系统两大部分。眼球光学系统的功能较为单一，只是把客观 景物真实地成像于视网膜；视觉信息的处理，实际完成于从视网膜到大脑皮层的 各级神经元。 2 1 1 眼球的光学系统 图2 1 所示的即为人眼水平剖面图口8 ，5 9 1 。眼球里球状，直径约为2 0 m m 。 眼球的最前面是透明的角膜，里面依次为房水液、虹膜、晶状体、玻璃体与视网 膜。虹膜构成一直径可交的圆孔，即瞳孔。晶状体是个双凸的光学透镜，其前后 面的曲率半径可调。光线从外界进入眼球，通过眼球光学系统成像于视网膜，由 图2 一】入眼水平剖面图 浙江大学博士论文 视网膜接收光信号并转换成电信号。为了使外界的物体正好在视网膜上成清晰 像，需不断改变晶状体的曲率，特别是晶状体前面的曲率，以调节整个眼球光学 系统的屈光能力。瞳孔的直径随着入射光强度、观察距离、情绪等因素而改变。 白天光线充足时，瞳孔直径平均为2 m m ，夜晚黑暗中瞳孔直径扩大至8 n m 】。但 是，人眼可以接收小到几个光子，大至斜射太阳光的光强刺激，动态范围超过一 亿倍，而瞳孔直径最多只能扩大四五倍。因此瞳孔对光强度的适应能力无论如何 是不充分的。从这种意义上来说，敏感度的调节主要是由视网膜的适应能力来承 担【6 0 _ 6 2 1 。 2 1 2 视觉系统的神经网络结构 人类的视觉系统的神经网络起始于视网膜，终止于大脑视皮层。按纵向排列， 视觉神经网络通路依次为：视网膜一 视神经一 视神经交叉 视束一 外侧膝 状体一 视辐射线一 视皮层之圆形对称型皮层细胞一 简单型皮层细胞一 复杂 性皮层细胞一 超复杂性皮层细胞一 高级神经元。视知觉是总合这些神经元响 应的最终结果f 翻。 当眼球光学系统将外界景物成像于视网膜上，视网膜随即将随着空间和时间 变化的光分布转换成生物电信号。视网膜上的视细胞接收到的信息，经过双极细 胞传递到神经节细胞。神经节细胞的轴突即视神经在神经乳头处汇集成束后穿出 眼球，此处即为盲点。两眼的视神经纤维，在视神经交叉处部分交叉，分别将信 息传递至位于问脑的左右两个外侧膝状体。然后再通过从外侧膝状体发出的视辐 射线，最终将信息传递到大脑视皮层 6 4 6 6 1 。 2 2 视细胞及感光 2 2 1 视网膜的结构 由于绝大部分的色觉缺陷是由视网膜上的视细胞的感光变异所致，所以需要 重点来对其进行生理学方面的介绍。首先来看看视网膜的结构。 视网膜的厚度只有o 1 0 5 m m ，但结构十分复杂。它的主要部分属于神经性 结构，其中细胞通过突触相互联系。一般按主要的细胞层次将视网膜分为四层进 行描述，如图2 2 所示。从靠近脉络膜的侧算起，视网膜最外层是色素细胞 层，含有黑色素和维生素a ，对相邻的感光细胞起着营养和保护作用。此层内侧 浙江大学博士论文 图2 2 视网膜结构示意图 为感光细胞层。此层包含丰富的视锥细胞和视杆细胞，起着感光成像的决定性作 用。再接下来就是双极细胞层和神经节细胞层。都是视觉信息传导的初级阶段。 各级细胞之间存在着复杂的联系，视觉信息最初在感光细胞层中变为生物电信号 后，将在视网膜复杂的神经元网络中进行初步加工和处理。 2 2 2 视细胞的结梅 视细胞在形态上可分为四部分，由外向内依次称为外段、内段、核部和终足， 如图2 3 所示。外段是感受光的部分，含有视色素，视色素规则排列在圆盘状 的多层膜上。严格的说，在视网膜内，视细胞超越外界膜突出到外侧的部分，即 视细胞的外段和内段部分，被称为杆状体或者锥状体。把具有杆状体的视细胞称 为视杆细胞，而具有锥状体的视细胞称为视锥细胞。 图2 3 视细胞结构示意图 1 2 浙江大学博士论文 人类视网膜上大约有十多亿个视锥细胞，七百万个视杆细胞。前者分布于视 网膜中央凹部位，在明视觉时起作用，具有分辨颜色与空间细节的功能；后者分 布于视网膜周边部位，在赌视觉时起作用，不具有分辨颜色能 6 7 , 6 8 。 2 2 3 视色素和感光反应 在视细胞内包含着视色素，当它吸收光量子时，引起光化反应，由于光化反 应所产生的某种化学物质的作用，使细胞膜离子通透性改变，在细胞内产生负电 位( 超极化) ，从而产生神经兴奋。在视杆细胞中所包含的是视紫红素类的光 敏色素。而在视锥细胞中包含视紫蓝素和视蓝素等类色素 6 9 】。 当视网膜受到光照时，在视细胞外段的视色素，经过若干阶段反应过程而漂 白，分解为视黄醛和视蛋白。另一方面，在黑暗中，视蛋白又和视黄醛结合，再 合成视色素【7 m7 ”。即可以认为视色素通过上述两个过程同时进行分解与合成， 而根据两者的动态平衡来决定视色素的含量。由此可以建立阻下简单的假说：即 视色素漂白是和吸收光量子的数目成正比，再合成的速度是和处于漂白状态视蛋 白的含量成正比。因此，可以得到以下的视色素感光方程： 一生：鱼生( 2 1 ) 斑o 。t o 其中，i 为入射光强，p 为在时刻r 余下没有漂白的视色素的比例，g 。和屯为 常数。即表示了视色素的漂白是与i p 成正比，而再合成是和( 1 一p ) 成正比。虽 然该式是在太大简化的情况下得到的，但大致地表明了视色素的感光反应的状态 【7 2 ，7 3