（生物医学工程专业论文）多焦视网膜电图检测系统研究与设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 abs tract t h e m u l t i f o c a l e l e c t r o r e t i n o g r a m ( m e r g ) c a n b e u s e d t o r e c o r d m a n y f o c a l e l e c t r o r e t i n o g r a m r e s p o n s e s a c r o s s t h e t e s t f i e l d i n a r e l a t i v e l y s h o r t p e r i o d o f t i m e . a l t h o u g h t h i s t e c h n i q u e i s r e l a t i v e l y n e w , i t h a s a l r e a d y p r o v i d e d i n s i g h t s i n t o t h e m e c h a n i s m s o f r e t i n a l d i s e a s e . i t c a n b e u s e d i n t h e e a r l y d i a g n o s i s a n d p r o g n o s i s o f s o m e r e t i n a l d i s e a s e s , a n d c a n b e u s e d t o o b j e c t i v e l y a n d s e n s i t i v e l y o b s e r v e t h e c u r a t i v e e f f e c t o f m e d i c i n e o r s u r g e r y . w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s o c i e t y a n d t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s c i e n c e t e c h n o l o g y , m e r g m e a s u r e i n s t r u m e n t a r e w i d e l y d e m a n d e d a n d t h e i r c a p a b i l i t i e s a r e r e q u i r e d b e t t e r . t h e a u t h o r o f t h e p a p e r d e s i g n a n i n t e g r a t e d m e a s u r e s y s t e m b a s e d o n c o m p u t e r . t h e f i r s t p a r t d e s c r i b e s t h e b i o m e d i c a l s i g n a l d e t e c t i o n a n d h o w t h e m e r g i s r e c o r d e d . i n t h e s e c o n d p a r t , s i g n a l - p r o c e s s i n g m e t h o d i n a n a l o g t e c h n o l o g y a r e i l l u s t r a t e d a n d i t s c i r c u i t r y a r e d e s i g n e d w h i c h i n c l u d e s i g n a l p r e a m p l i f i e r , s h i e l d i n g a n d i n t e r f e r e n c e r e s t r a i n t . i n t h e s t u d y o f w e a k s i g n a l d e t e c t i o n , s o m e k e y t e c h n i q u e s a b o u t m e r g h a v e b e e n d i s c u s s e d . t h e d i g i t i z e d t e c h n i q u e s , a b o u t s i g n a l p r o c e s s i n g , r e a l i z a t i o n a r e a l s o d e s c r i b e d i n t h e t h i r d p a r t . d i g i t a l f i l t e r i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t s o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g . t h e i n f i n i t e r e s p o n s e d i g i t a l f i l t e r ( i i r ) c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h t h r e e s t e p s : t h e d e s i g n o f p r o t o t y p e o f a n a l o g l o w - p a s s f i l t e r , a n a l o g - t o d i g i t a l f i l t e r c o n v e r s i o n a n d t h e c o n v e r s i o n o f f i l t e r f r e q u e n c y b a n d . t o e x t r a c t t h e l o c a l r e s p o n s e s i s t h e k e y p a r t i n m e r g . t h e h e x a g o n a l a r r a y s t i m u l a t e d d i f f e r e n t r e g i o n s o f r e t i n a s i m u l t a n e o u s l y . t h e f a s t w a l s h t r a n s f o r m a l g o r i t h m a n d t h e c r o s s - c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e , w h i c h u t i l i z e d t h e p s e u d o r a n d o m f e a t u r e s o f m - s e q u e n c e , e x t r a c t e d t h e s i n g l e l o c a l r e s p o n s e f r o m e a c h e l e m e n t . t h i s p a p e r w i l l h e l p t o t h e t e a c h i n g , r e s e a r c h i n g a n d p r o d u c i n g p r o c e s s . i t i s f r e s h a i r t o t h e b i o m e d i c a l e l e c t r o n i c s , m e d i c a l i n s t r um e n t . k e y w o r d s : m u l t i f o c a l e l e c t r o r e t i n o g r a m , s i g n a l d e t e c t i o n , p r e a m p l i f i e r , d i g i t a l f i l t e r , m -o r d e r i n g , w a l s h t r a n s f o r m 西北工业大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 本章论述了 视觉电生理的概念和多焦视网膜电图的 发展历程，以 及国内 外 生物医学工程领域对视觉电信号检测技术的研究现状。 进而阐明本论文的研究 意义、主要研究工作及内容安排。 视觉电生理概述 视觉系统是人类感知客观世界的重要途径之一， 据估计人类从外界获得信 息的总量中来自 视觉系统的达7 0 %以 上。 视觉信息在视觉系统中以生物电的 形 式进行传递，它来自 视网膜的 视杆细胞和视锥细胞，并 通过神经结细胞的 轴突 传入大脑，达到大脑皮质，最后在大脑形成视觉。 视觉电生理学就是 通过电 生理研究， 阐明生物电 在视觉系统各级神经元产 生的机理，研究如何测定和验证这些生物电的科学。 视觉电生理检测法因 其客 观、 无创伤、易于重复和定量的 特点对临床的诊断、鉴 别诊断、 指导治疗和估 计愈后均有莫大的帮助，它揭示视觉系统受到疾病侵害时生物电改变的规律， 为眼底、视路及视觉中枢疾病的 诊断 和鉴别提供客观依 据。 现在广为临床应用的视觉电生理检测方法有眼电图 ( e o g)检测、视网膜 电图 ( e r g ) 检测、视诱发电 位 ( v e p ) 检测三种，它 们分别从视觉通路的不 同方面反映视功能状态和病变。由于在视电 生理检查时，仅选用一种检查得到 的信息是有限的，并且分析时 很困难，通常临床上是这几项检查联合应用， 互 相补充，相互比较，综合分析，从而提高正确诊断率。 1 . 1 . 1 眼电图 眼电 图 ( e le c tro -o c u lo g r a p h y , e o g ) 是 一 种 非 侵入 性记 录 眼 睛静 息电 位 来 间 接反映视网膜和眼外 肌运动功能的方法。记 录和视觉 功能有关的 e o g技术 称为 视觉 e o g法 ( v i s u a l e l e c t r o - o c u l o g r a p h y . v - e o g ) ，检测与眼外肌运动有 关的e o g技术称为眼动e o g法 ( m o t i v e e l e c t r o - o c u l o g r a p h y , m - e o g ) o 视觉 e o g 法主要反映了视网膜色素上皮一光感受器复合体的功能。它检 西北工业大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 本章论述了 视觉电生理的概念和多焦视网膜电图的 发展历程，以 及国内 外 生物医学工程领域对视觉电信号检测技术的研究现状。 进而阐明本论文的研究 意义、主要研究工作及内容安排。 视觉电生理概述 视觉系统是人类感知客观世界的重要途径之一， 据估计人类从外界获得信 息的总量中来自 视觉系统的达7 0 %以 上。 视觉信息在视觉系统中以生物电的 形 式进行传递，它来自 视网膜的 视杆细胞和视锥细胞，并 通过神经结细胞的 轴突 传入大脑，达到大脑皮质，最后在大脑形成视觉。 视觉电生理学就是 通过电 生理研究， 阐明生物电 在视觉系统各级神经元产 生的机理，研究如何测定和验证这些生物电的科学。 视觉电生理检测法因 其客 观、 无创伤、易于重复和定量的 特点对临床的诊断、鉴 别诊断、 指导治疗和估 计愈后均有莫大的帮助，它揭示视觉系统受到疾病侵害时生物电改变的规律， 为眼底、视路及视觉中枢疾病的 诊断 和鉴别提供客观依 据。 现在广为临床应用的视觉电生理检测方法有眼电图 ( e o g)检测、视网膜 电图 ( e r g ) 检测、视诱发电 位 ( v e p ) 检测三种，它 们分别从视觉通路的不 同方面反映视功能状态和病变。由于在视电 生理检查时，仅选用一种检查得到 的信息是有限的，并且分析时 很困难，通常临床上是这几项检查联合应用， 互 相补充，相互比较，综合分析，从而提高正确诊断率。 1 . 1 . 1 眼电图 眼电 图 ( e le c tro -o c u lo g r a p h y , e o g ) 是 一 种 非 侵入 性记 录 眼 睛静 息电 位 来 间 接反映视网膜和眼外 肌运动功能的方法。记 录和视觉 功能有关的 e o g技术 称为 视觉 e o g法 ( v i s u a l e l e c t r o - o c u l o g r a p h y . v - e o g ) ，检测与眼外肌运动有 关的e o g技术称为眼动e o g法 ( m o t i v e e l e c t r o - o c u l o g r a p h y , m - e o g ) o 视觉 e o g 法主要反映了视网膜色素上皮一光感受器复合体的功能。它检 西北工业大学硕士学位论文 测眼静息电位随光适应改变 而产生缓慢变化的生理或病理生理反映，是一种客 观定量的视网膜功能 检查方法。 它通过眼球的 水平 运动改变眼球与电 极的关系， 把连续变化的电 位记录下来。 现已 有效用于视网膜脱离、 视网膜色 素变性、 某 些黄斑病变、 青光眼等病变的临床诊断中。 眼动e o g可用于测定眼的跳动速度 ( s a c c a d i c v e l o c i t y , s v ) ， 用于评定眼 外肌的功能，是一种非创伤性检查方法。在规定眼跳动角 ( 间 接代 表了 眼静息 电 位) 内 用去的时间 越短跳动就越快， 肌力也就越大。 通常用于诊断d u a n e 症， 估计麻痹性斜视的程度， 评价手术后眼肌的恢复情况等。 眼球具有静息电 位，主要起源于视网 膜的 色素上皮及光感受器。其变化范 围在毫伏级的范围。 它随外界光照度的 变化而出 现有节律的波动: 照度强，电 位渐升高;照度低，电位渐降低。 长期的临床应用发现， 常规 e o g对某些病变的检查结果并 不敏感，于是 人们又在此基础上进行了改进，先后出现了局部眼电图、色光眼电图、快振荡 记录、眨眼眼电图等。 它们针对具体的部位， 具体的 功能 进行测试。局部眼电 图主要测定视网膜色素上 皮一光感受器复合体的 功能; 色光眼电图 用以 测试色 觉异常眼， 这些在一定程度上弥补了 常规e o g测定的某些不足之处。 1 . 1 . 2 视网膜 电图 在 传统 的 临床 视觉 电生 理的 主要 检查项 目中，视 网膜 电图 ( e l e c tr o - r e t in o g r a p h y , e r g ) 是 一 种 最 早 被 应 用的 方 法。 它 是 视网 膜 受 光 刺激 后， 在视网膜上节细胞电 冲动之前记 录到的一簇电反 应， 代表了 视感受 器到无 长突细胞的视网膜各层的电活动。 视网膜电图法出现最早的是全视野 e r g。全视野 e r g记录全视网膜的生 物电活动。 其全视野刺激器， 发出的闪光几乎照射到了 全部的视网膜。它的测 试过程按暗视 e r g检测 ( 反映了视杆细胞的功能)和明视 e r g ( 反应视锥细 胞的 功能)来进行。临床上为了了 解视网膜的功能可应用不同的记 录技术分别 记录明视e r g和暗视e r g ， 根据所记录的e r g特征来确定视网 膜功能有无损 害，若有是属于视锥细胞损害、视杆细胞损害还是全视网膜功能损害。 1 9 6 0 年以来，在全视野 e r g的基础上，先后又出现了局部 e r g ( 1 9 6 7 ) . 图像 e r g ( 1 9 6 4 . 1 9 6 7 )和多焦 e r g ( 1 9 9 2 ) ，他们对眼底病的诊断、眼底病 西北工业大学硕士学位论文 测眼静息电位随光适应改变 而产生缓慢变化的生理或病理生理反映，是一种客 观定量的视网膜功能 检查方法。 它通过眼球的 水平 运动改变眼球与电 极的关系， 把连续变化的电 位记录下来。 现已 有效用于视网膜脱离、 视网膜色 素变性、 某 些黄斑病变、 青光眼等病变的临床诊断中。 眼动e o g可用于测定眼的跳动速度 ( s a c c a d i c v e l o c i t y , s v ) ， 用于评定眼 外肌的功能，是一种非创伤性检查方法。在规定眼跳动角 ( 间 接代 表了 眼静息 电 位) 内 用去的时间 越短跳动就越快， 肌力也就越大。 通常用于诊断d u a n e 症， 估计麻痹性斜视的程度， 评价手术后眼肌的恢复情况等。 眼球具有静息电 位，主要起源于视网 膜的 色素上皮及光感受器。其变化范 围在毫伏级的范围。 它随外界光照度的 变化而出 现有节律的波动: 照度强，电 位渐升高;照度低，电位渐降低。 长期的临床应用发现， 常规 e o g对某些病变的检查结果并 不敏感，于是 人们又在此基础上进行了改进，先后出现了局部眼电图、色光眼电图、快振荡 记录、眨眼眼电图等。 它们针对具体的部位， 具体的 功能 进行测试。局部眼电 图主要测定视网膜色素上 皮一光感受器复合体的 功能; 色光眼电图 用以 测试色 觉异常眼， 这些在一定程度上弥补了 常规e o g测定的某些不足之处。 1 . 1 . 2 视网膜 电图 在 传统 的 临床 视觉 电生 理的 主要 检查项 目中，视 网膜 电图 ( e l e c tr o - r e t in o g r a p h y , e r g ) 是 一 种 最 早 被 应 用的 方 法。 它 是 视网 膜 受 光 刺激 后， 在视网膜上节细胞电 冲动之前记 录到的一簇电反 应， 代表了 视感受 器到无 长突细胞的视网膜各层的电活动。 视网膜电图法出现最早的是全视野 e r g。全视野 e r g记录全视网膜的生 物电活动。 其全视野刺激器， 发出的闪光几乎照射到了 全部的视网膜。它的测 试过程按暗视 e r g检测 ( 反映了视杆细胞的功能)和明视 e r g ( 反应视锥细 胞的 功能)来进行。临床上为了了 解视网膜的功能可应用不同的记 录技术分别 记录明视e r g和暗视e r g ， 根据所记录的e r g特征来确定视网 膜功能有无损 害，若有是属于视锥细胞损害、视杆细胞损害还是全视网膜功能损害。 1 9 6 0 年以来，在全视野 e r g的基础上，先后又出现了局部 e r g ( 1 9 6 7 ) . 图像 e r g ( 1 9 6 4 . 1 9 6 7 )和多焦 e r g ( 1 9 9 2 ) ，他们对眼底病的诊断、眼底病 西北工业大学硕士学位论文 发病机理的 研究都有重大的意义。 另外， e r g 检测结合电子 计算机、 光学知识， 出现了平均 e r g 、光谱 e r g等。 局部 e r g是专为记录黄斑区的电反应而设计的。 其刺激光斑不应超过 5 0 . 它能有效地将来自 黄斑区的视锥细胞的反应记录下来。 通过此法，可对黄斑区 病变做出解剖学的分层诊断，即确定病变的位置是 位于视网膜的外层、内 层或 全层。 图 象e r g ( p a tt e r n e le c t ro r e tin o g r a p h y p - e r g ) 是 一 种通 过 观看 明 暗 交 替 改变、 总亮度不变的光栅或棋盘格图像 刺激视网 膜，诱发 视网膜生物电反应并 对此电反 应进行记录的检测方法。它能提供有关视网 膜内 层细胞的 信息， 在黄 斑区和视网 膜内层的功能发生故障时，它可发生选择性的 变化， 而这在全视野 e r g中是不可观测到的。 然而，图像e r g的信号较小， 通常它的振幅在 0 . 5 - 8 ,u v ，并且此项技术较常 规的闪光e r g复杂。 2 0世纪 9 0年代出现的多焦视网 膜电图 ( m u l t i f o c a l e le c t r o r e t i n o g r a m , m e r g ) ， 是一 项建立在应用数学和当 今高 度发展的电 子学和计算机技术基础上 的视网膜功能 检查法。 此项技术需要受检者的密切配合， 对于保持良 好注视的 受检者来说， 它具有人们所期望的重复性和较高的分辨力。 多焦e r g是从多道输入的e r g视野地形图 衍生而来的一种视觉电 生理检 查法。它同时 刺激视网膜多个不同的部位，并 用一个通道记录这些多个不同 部 位的混合反应信号，然后再很好的将各部分信号还原出来，从而确定各部位的 视功能。 1 . 1 . 3 视诱发电位 凡对感觉器官、 感觉神经、 感觉通路或与感觉系 统的任 何有关结构进行特 定刺激， 而在脑中 任何部位产生可测出的电位变化， 都被称为诱发电 位。例如 光刺激视网 膜， 可以记 录到视觉中枢的电 位变化， 即为视诱发电位。 具体来说， 视诱发电 位 ( v i s u a l e v o k e d p o t e n t i a l , v e p ) 是用光或图形刺激视网 膜后， 通过 视路传递， 在枕叶视皮层诱发出的电 活动。 当和其它的电 生理技术一起应用时， 它可提供反映从视网膜神经节细胞到视皮层 ( 即视觉通路的最末段)的功能状 态信息和完整的诊断信息，是对视路功能的客观检测。 西北工业大学硕士学位论文 发病机理的 研究都有重大的意义。 另外， e r g 检测结合电子 计算机、 光学知识， 出现了平均 e r g 、光谱 e r g等。 局部 e r g是专为记录黄斑区的电反应而设计的。 其刺激光斑不应超过 5 0 . 它能有效地将来自 黄斑区的视锥细胞的反应记录下来。 通过此法，可对黄斑区 病变做出解剖学的分层诊断，即确定病变的位置是 位于视网膜的外层、内 层或 全层。 图 象e r g ( p a tt e r n e le c t ro r e tin o g r a p h y p - e r g ) 是 一 种通 过 观看 明 暗 交 替 改变、 总亮度不变的光栅或棋盘格图像 刺激视网 膜，诱发 视网膜生物电反应并 对此电反 应进行记录的检测方法。它能提供有关视网 膜内 层细胞的 信息， 在黄 斑区和视网 膜内层的功能发生故障时，它可发生选择性的 变化， 而这在全视野 e r g中是不可观测到的。 然而，图像e r g的信号较小， 通常它的振幅在 0 . 5 - 8 ,u v ，并且此项技术较常 规的闪光e r g复杂。 2 0世纪 9 0年代出现的多焦视网 膜电图 ( m u l t i f o c a l e le c t r o r e t i n o g r a m , m e r g ) ， 是一 项建立在应用数学和当 今高 度发展的电 子学和计算机技术基础上 的视网膜功能 检查法。 此项技术需要受检者的密切配合， 对于保持良 好注视的 受检者来说， 它具有人们所期望的重复性和较高的分辨力。 多焦e r g是从多道输入的e r g视野地形图 衍生而来的一种视觉电 生理检 查法。它同时 刺激视网膜多个不同的部位，并 用一个通道记录这些多个不同 部 位的混合反应信号，然后再很好的将各部分信号还原出来，从而确定各部位的 视功能。 1 . 1 . 3 视诱发电位 凡对感觉器官、 感觉神经、 感觉通路或与感觉系 统的任 何有关结构进行特 定刺激， 而在脑中 任何部位产生可测出的电位变化， 都被称为诱发电 位。例如 光刺激视网 膜， 可以记 录到视觉中枢的电 位变化， 即为视诱发电位。 具体来说， 视诱发电 位 ( v i s u a l e v o k e d p o t e n t i a l , v e p ) 是用光或图形刺激视网 膜后， 通过 视路传递， 在枕叶视皮层诱发出的电 活动。 当和其它的电 生理技术一起应用时， 它可提供反映从视网膜神经节细胞到视皮层 ( 即视觉通路的最末段)的功能状 态信息和完整的诊断信息，是对视路功能的客观检测。 西北工业大学硕士学位论文 自 6 0年代电子技术进入医学领域开始，v e p逐步进入临床，至今它在眼 科临 床上的 应用己比较广泛。 此后它经历了 几个阶段的发展。根据刺激方式的 不同，有闪光v e p 、图 像v e p . v e p 测定可用于视力检查、弱视的诊断、视神经炎和黄斑变性等疾病的诊 断。实践证明，在确定外伤性视神经病变中，闪 光v e p 是一种有效的诊断法口 而图像 v e p可以获得较闪光v e p更多的信息。随 着多焦 e r g的出 现，多焦 v e p也得以测定。 1 .2 视觉生理电信号检测技术的发展及国内外研究现状 多 焦 视网 膜电 图 ( m e r g ) 是 现 代 眼 科 学的 重 要 的 组 成 部 分， 称 为 现 代眼 科 学 的临 床常规检查项目 和视功能鉴定的重要方法。 它也属于现今国际眼科学最活 跃的学术交流领域之一。 1 9 世纪开始的对眼电 位的 探索， 是在很简单的条 件下进行， 只是用非极性 电 极，加一个电流计和固定 动物的装置而己。 从在体的眼到离体的蛙眼可看到 光照下电 流计 有小的偏移， 即电反应。 g o t c h ( 1 9 0 3 ) 用毛细管电 流计终于可以 观察到e r g有图形细节， 给光时在角 膜侧先有瞬间的负电 位， 再有正电 位。 用 记纹鼓记录 “ 撤光”时又有电位偏转。到 1 9 2 4年 c h a ff e e等用热电子放大器 ( t h e r m i o n i c a m p l i f i e r ) 可以 分析e r g图形。 3 0 年代g r a n i t 采用电 子放大器， 可以记 录到很好的人e r g曲 线。 在记 录条 件不断改进的同时，引导电极变革也是 重要一环。2 0 世纪 3 0 年 代前用细金属电极， 棉心电 极等，到 r i g g s ( 1 9 4 1 ) 采用巩 膜接触镜内 附加一 银质电极，开创了记录 e r g诱导电 位的新纪元。以后，k a r p e ( 1 9 4 5 ) , h e n k e s ( 1 9 5 1 ) 和b u r ia n - a ll e n ( 1 9 5 4 ) 等 不断 改 进 和创 制 不 同 类 型 的 接 触 镜电 极，一直沿用至今，它是临床和实验研究的一大进步。 刺激范围、 刺激效应直接关系到视觉生物电活动的表达。 r i g g s ( 1 9 6 4 ) 从 直接闪光的刺激，改用黑白条的图形刺激，可抑制散射光的干扰。以后发展为 图形e r g ( p a t t e rn e r g ) . 刺激条件的变换，从单纯闪光， 单次到多次闪光、 间歇到连续闪 光、 颜色改变、频 率函数条件、图 像表 现等，都发挥各自 特有的 优势 。 西北工业大学硕士学位论文 自 6 0年代电子技术进入医学领域开始，v e p逐步进入临床，至今它在眼 科临 床上的 应用己比较广泛。 此后它经历了 几个阶段的发展。根据刺激方式的 不同，有闪光v e p 、图 像v e p . v e p 测定可用于视力检查、弱视的诊断、视神经炎和黄斑变性等疾病的诊 断。实践证明，在确定外伤性视神经病变中，闪 光v e p 是一种有效的诊断法口 而图像 v e p可以获得较闪光v e p更多的信息。随 着多焦 e r g的出 现，多焦 v e p也得以测定。 1 .2 视觉生理电信号检测技术的发展及国内外研究现状 多 焦 视网 膜电 图 ( m e r g ) 是 现 代 眼 科 学的 重 要 的 组 成 部 分， 称 为 现 代眼 科 学 的临 床常规检查项目 和视功能鉴定的重要方法。 它也属于现今国际眼科学最活 跃的学术交流领域之一。 1 9 世纪开始的对眼电 位的 探索， 是在很简单的条 件下进行， 只是用非极性 电 极，加一个电流计和固定 动物的装置而己。 从在体的眼到离体的蛙眼可看到 光照下电 流计 有小的偏移， 即电反应。 g o t c h ( 1 9 0 3 ) 用毛细管电 流计终于可以 观察到e r g有图形细节， 给光时在角 膜侧先有瞬间的负电 位， 再有正电 位。 用 记纹鼓记录 “ 撤光”时又有电位偏转。到 1 9 2 4年 c h a ff e e等用热电子放大器 ( t h e r m i o n i c a m p l i f i e r ) 可以 分析e r g图形。 3 0 年代g r a n i t 采用电 子放大器， 可以记 录到很好的人e r g曲 线。 在记 录条 件不断改进的同时，引导电极变革也是 重要一环。2 0 世纪 3 0 年 代前用细金属电极， 棉心电 极等，到 r i g g s ( 1 9 4 1 ) 采用巩 膜接触镜内 附加一 银质电极，开创了记录 e r g诱导电 位的新纪元。以后，k a r p e ( 1 9 4 5 ) , h e n k e s ( 1 9 5 1 ) 和b u r ia n - a ll e n ( 1 9 5 4 ) 等 不断 改 进 和创 制 不 同 类 型 的 接 触 镜电 极，一直沿用至今，它是临床和实验研究的一大进步。 刺激范围、 刺激效应直接关系到视觉生物电活动的表达。 r i g g s ( 1 9 6 4 ) 从 直接闪光的刺激，改用黑白条的图形刺激，可抑制散射光的干扰。以后发展为 图形e r g ( p a t t e rn e r g ) . 刺激条件的变换，从单纯闪光， 单次到多次闪光、 间歇到连续闪 光、 颜色改变、频 率函数条件、图 像表 现等，都发挥各自 特有的 优势 。 西北工业大学硕士学位论文 国外在 2 0世纪 6 0 , 7 0年代就己成功地将视网膜电图检测应用于临床，并 先后出 现了 全视野e r g 、 局部e r g 。 它们是临 床和基础研究中常用的 检查方法， 发挥着非常重要的作用，目前仍是眼科的主要检测手段之一，但是也存在着一 些局限性。 一 方面， 全视野e r g不能对病灶定位， 且对局部功能异常不敏感， 对于局 部e r g ，信噪比比 较低， 若需 提取多部位的 信号，就必须在各部位进行刺激、 累加，记录时间长，且变异大，不易对各部位信号进行比较:另一方面，人眼 的视功能在视野各部 位的分布非常不均匀，色觉功能在视野各部位的分 布也不 尽相同， 这些在全视野 e r g 、局部 e r g等检测中很难分辨出 来的。因 此，就 要求出 现一种能够同时记录许多局部 e r g便于辨识各不同部位功能的 检测方 法。 计算机时代的到来， 为视觉电 生理检测带来极大的 活力。 用微处理机控制， 可以对信号经多次采样后叠加， 提高 信噪比，也可作数字滤波， 伪迹剔除和消 除小的接点电 位等，同时对记录波作数据处理。 这样可更好地透视视觉生物电 活动的各种成分和各种各样条件变化下的 影响， 并促使近 1 0 年发展起来的多焦 视觉电生理技术得以 实现，通过应用数学转换和计算机技术结合， 提取成百个 部 位的局部反映作同 条件下 对比和描画出 三维功能图。多焦 视觉电生理技术是 通过计算机控制的刺激器，以多个六边形模式来刺激视网 膜，刺激单元明暗变 化由 m序列来决定，得到的连续 e r g混合反应信号，经计算机分析，得出与 每个刺激单元相关的局部 e r g信号， 使用一个角膜电极来记录， 同时可以用地 形图列成三维图 显示，因而可对不同区域的 局部视网 膜功能，作同一刺激条件 下，同时记 录到的生 物电 反应分析。这是临床视觉电 生理又一颇具特色发展的 新阶段。目 前国际上己出 现了 成型的多焦 检测仪器， 主要应用的 有德国r o l a n d 公司生产的r e t i s c a n 及美国e d i 公司生产的v e r i s 视觉检测系统。 我国在这方面的研究起步较晚，于 1 9 5 8 年首次引入了视网膜电图的知识。 到 7 0年代初我国才开始对其进行基础研究。1 9 8 0年以来，多次举办学习班， 普及视觉电生理检查法。我国卫生部己把此列为三级甲等眼科必备条件之一。 随着它的发展，它有从三级医院向基层迅速发展的趋势。目前我国己实现眼电 图、图像视网膜电图、视诱发电位的临床应用。虽然多焦视网膜电图技术至今 西北工业大学硕士学位论文 还只有 1 0 多年时间， 我国眼科医生及视觉生理工作者己作了不少的临床应用探 索。 但对多焦视网膜电图 这方面的 研究，目 前尚 无成功的仪 器推出。由 于进口 设 备每套系统的价格都非常昂 贵，这在很大程度上限 制了这 种新技术在我国这 种发展中国家临床上的应用，同时也极不利于我国视觉电生理研究的发展。 1 . 3 研 究意义及本文的主要工作 多焦视网 膜电图的研究对视觉的生理特征和临床应用都 有着及其重要的作 用。 它不仅以客观的无损伤的方法了解视功能， 而且获得很多重要的视觉信息。 研究人员正在进一步研究多 焦视网 膜电 图各种刺激条 件下各 种反应成分的 提取 方法和生理意义， 希望能确定多焦视网膜电 图各成分与各 类视网膜细胞的关系， 更准确的分析视网膜各层的 功能和诊断疾病。 视网 膜电生理信号是一种及其微 弱的信号，它 与视觉疾病有着密切的联系。因 此，多 焦视网 膜电图的检测有着 重要的临床价值。目 前， 视觉电生理的临床应用主要 有糖尿 病性视网膜病变、 青光眼、高眼 压症、 高度近视、黄斑病、 视网 膜营养不良 、 视网膜色素变性、 视网膜分支动脉阻塞、视网膜病变、术后随访等。 随着我国 视觉电 生理检测的全面展开， 对精密医 疗仪器的需求也在不断增 加。 目 前， 多焦视网膜电图 代表着视觉电 生理检测的国际最高水平和发展趋势， 因此，对多焦视网膜电图检测设备的研究也势在必行。 由 于多焦视网膜电图信号非常微弱( 为微伏级 ) ， 且淹没在强大的背景噪声 之中， 因此检测多焦视网膜电图是一项非常困难的工作，就目 前广泛应用于临 床的基于信号叠加平均技术的时域和频域检测法也还存在着许多不足。 不断的 改进多 焦视网膜电图的 检测技术， 提高 多焦视网膜电 图的检测准确率、实 现多 焦视网膜电图的准确检测是一件有意义的工作。 本文详细介绍了多 焦视网膜电图的 研究方 法和检测系统的研制情况，具体 安排如下: 第 1 章 本章介绍了多焦视网 膜电图的 概念、 产生机理、 记录方法和临 床意 义，从而表明我们研究工作的目的和意义。 第2 章 本章介绍了生物医学信号的 特点及其检测原理， 并对多 焦视网 膜电 图检测系统组成及检测方法做了分析。 西北工业大学硕士学位论文 还只有 1 0 多年时间， 我国眼科医生及视觉生理工作者己作了不少的临床应用探 索。 但对多焦视网膜电图 这方面的 研究，目 前尚 无成功的仪 器推出。由 于进口 设 备每套系统的价格都非常昂 贵，这在很大程度上限 制了这 种新技术在我国这 种发展中国家临床上的应用，同时也极不利于我国视觉电生理研究的发展。 1 . 3 研 究意义及本文的主要工作 多焦视网 膜电图的研究对视觉的生理特征和临床应用都 有着及其重要的作 用。 它不仅以客观的无损伤的方法了解视功能， 而且获得很多重要的视觉信息。 研究人员正在进一步研究多 焦视网 膜电 图各种刺激条 件下各 种反应成分的 提取 方法和生理意义， 希望能确定多焦视网膜电 图各成分与各 类视网膜细胞的关系， 更准确的分析视网膜各层的 功能和诊断疾病。 视网 膜电生理信号是一种及其微 弱的信号，它 与视觉疾病有着密切的联系。因 此，多 焦视网 膜电图的检测有着 重要的临床价值。目 前， 视觉电生理的临床应用主要 有糖尿 病性视网膜病变、 青光眼、高眼 压症、 高度近视、黄斑病、 视网 膜营养不良 、 视网膜色素变性、 视网膜分支动脉阻塞、视网膜病变、术后随访等。 随着我国 视觉电 生理检测的全面展开， 对精密医 疗仪器的需求也在不断增 加。 目 前， 多焦视网膜电图 代表着视觉电 生理检测的国际最高水平和发展趋势， 因此，对多焦视网膜电图检测设备的研究也势在必行。 由 于多焦视网膜电图信号非常微弱( 为微伏级 ) ， 且淹没在强大的背景噪声 之中， 因此检测多焦视网膜电图是一项非常困难的工作，就目 前广泛应用于临 床的基于信号叠加平均技术的时域和频域检测法也还存在着许多不足。 不断的 改进多 焦视网膜电图的 检测技术， 提高 多焦视网膜电 图的检测准确率、实 现多 焦视网膜电图的准确检测是一件有意义的工作。 本文详细介绍了多 焦视网膜电图的 研究方 法和检测系统的研制情况，具体 安排如下: 第 1 章 本章介绍了多焦视网 膜电图的 概念、 产生机理、 记录方法和临 床意 义，从而表明我们研究工作的目的和意义。 第2 章 本章介绍了生物医学信号的 特点及其检测原理， 并对多 焦视网 膜电 图检测系统组成及检测方法做了分析。 西北工业大学硕士学位论文 第 3 章 本章详细分析了多焦视网膜电信号的特点， 并根据其特点设计出信 号检测处理电路， 有效的消除信号中的各种干扰， 达到了 放大信号提高信噪比 的目的。 第4 章 本章采用数字信号 处理方法， 对多焦 视网膜电 信号 进一步处理。 包 括数字滤波器设计、抑制干扰方法应用和从混合反 应信号中分离各局部反应信 号算法。 第5 章 本章介绍多焦视网 膜电图系统软件功能， 并对系统运行控制软件进 行了论述。 第6 章 总结与讨论。 西北工业大学硕士学位论文 第2章 医学信号检测系统结构及原理 随着现代科学技术的飞速发展， 一些新型的 临床诊断治疗系统和设备相继 出现，极大地促进了医学的诊断、治疗、护理和基础研究工作。借助医用传感 器， 人们利用电 子技术可以把各种生理参数， 通过放大、 滤波、a / d转换后进 行显示和记录。 这样就能比较方便地研究和观察 生命过程的各种微妙变化，使 得生命现象能够客观的显示和计算。 本章介绍了常用的临床医学信号检测系统和设备的原理及相应的技术指标 和多焦视网膜电图的特点及其检测系统原理。 2 . 1 医学信号检测系统结构与设计 2 . 1 . 1 医学信号检测系统的一般结构及原理 图2 -1 为医学信号检测系统的结构框图。 传感器把人体生 理量转换成电 学 量， 然后经信号处理单元， 最后把所测的参数以 人们可察觉的 形式由 显示器显 示。医学信号检 测系统和一般信号检 测系统结构上基本相同，主要区别在于 信 号源。医学信号 检测系统的 信号源是 人体上或加在人体上的 能量。下面就系统 部件的功能作些简单介绍。 图2 一1医学信号检测系统结构框图 1 .被测对象 系统中所测量物理量的特性和状态称为被测对象。这主要是人体的生理参 数， 如生物电位、血压、血流量、通气量、流阻、 心音、血液和气体的成分等。 对被测对象来说，有些参数可以进行直接的测量;但有些参数则不可能。这时 西北工业大学硕士学位论文 第2章 医学信号检测系统结构及原理 随着现代科学技术的飞速发展， 一些新型的 临床诊断治疗系统和设备相继 出现，极大地促进了医学的诊断、治疗、护理和基础研究工作。借助医用传感 器， 人们利用电 子技术可以把各种生理参数， 通过放大、 滤波、a / d转换后进 行显示和记录。 这样就能比较方便地研究和观察 生命过程的各种微妙变化，使 得生命现象能够客观的显示和计算。 本章介绍了常用的临床医学信号检测系统和设备的原理及相应的技术指标 和多焦视网膜电图的特点及其检测系统原理。 2 . 1 医学信号检测系统结构与设计 2 . 1 . 1 医学信号检测系统的一般结构及原理 图2 -1 为医学信号检测系统的结构框图。 传感器把人体生 理量转换成电 学 量， 然后经信号处理单元， 最后把所测的参数以 人们可察觉的 形式由 显示器显 示。医学信号检 测系统和一般信号检 测系统结构上基本相同，主要区别在于 信 号源。医学信号 检测系统的 信号源是 人体上或加在人体上的 能量。下面就系统 部件的功能作些简单介绍。 图2 一1医学信号检测系统结构框图 1 .被测对象 系统中所测量物理量的特性和状态称为被测对象。这主要是人体的生理参 数， 如生物电位、血压、血流量、通气量、流阻、 心音、血液和气体的成分等。 对被测对象来说，有些参数可以进行直接的测量;但有些参数则不可能。这时 西北工业大学硕士学位论文 可以通过间接方法进行测量，即用某些能量或物质与被测量相结合，形成一个 可测量的、并与被测量有已 知关系的新的物理量，因 此，测出了 新的物理量就 间接的求出被测量。例如，心输出是一个难以直接测量的物理量，它可根据呼 吸和血气或染料稀释法、阻抗法等来测定。间接测量大多是无创伤的方法，它 不会引起病人的太大痛苦和不舒适， 所以 无创伤的间接测量也是医学信号检测 系统发展的方向。 2 传感器 把能量从某一种形式转换成电能量形式的器件称为传感器。传感器由敏感 元件和变换元件两部分组成。前 者把非电的生理量首先转换成另外形式的 物理 量，该物理量再通过二次变换， 转换为所需的电学量形式。 如压力传感器， 所 测的压力使膜片产生位移， 贴在膜片上的应变片则把位移再转换 成电 压。有些 传感器不需要做二次变换，如压电晶 体可直接把力变成电 学量。在医学信号检 测系统中， 传感器用以 产生与被测生理参量成比例的电 模拟信号。临 床上可以 同时使用两个以上的传感器进行测量，以便在各个现象间 进行比 较，了解各现 象间的相互关系。 3 . 信号处理机 系统中的放大器、滤波器、 抑制干扰及计算分析的装置称为信号处理机。 信号处理机的功能是处理来自 传感器的信号，以满足医学信号 检测系统功能的 需要，使其输出适应于显示器或记录设备的 要求。有些情况下，它把传感器的 输出 变换成数字形式， 然后通 过微机或通用电子计算机进行数据处理。 信号处 理机可以 补偿传感器的 非线性:也可对微弱的周期性信号求平均值，从大量的 噪声中取得有用信号: 或者把信息从时 域变换到频域， 以 得到所需形式的信息。 4 .输出显示器 被测数据处理结果的输出 必须转换成操作人员能看到或察觉得到的形式。 显示的 方式可以 是数字的或图 形的:离散的或连续的; 永久的 或暂时的; 这应 取决于特定的被测对象和使用者所采用的操作方法。 显示器的 输入信号来自 信 号处理机的输出。 5 .记 录器 和数据传输装置 有些场合要求将所得到的生理量数据做短暂的保存，以备检查 或处理。有 西北工业大