（机械制造及其自动化专业论文）视觉电生理诊疗仪研制开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 临床视觉电生理学包括视网膜电图、眼电图、视觉诱发电位三个方面，是眼 科诊断的常规手段，视觉电生理诊断具有无损性、客观性和对病变从视网膜至视 皮层进行分层定位等特点。根据视觉电生理检测技术的发展过程，目前已能确切 定位记录从脉络膜、视网膜、视神经视路到中枢视皮质各级神经元的生物电表现。 m t 、，- 1 视觉电生理诊疗仪是上大科技园与上大明普医疗科技有限公司联合研 制开发的一种视觉电生理诊疗仪器。其利用图形刺激器分别刺激视网膜的多个不 同部位，用一个专用电极记录刺激反应的生物电信号，然后对该信号进行必要的 处理，通过数据采集卡输入常规计算机，最后通过m t v - 1 软件系统处理，把对应 于视网膜的波形提取出来，并用一图像直观地显示对应于视网膜的反应幅度与潜 时，这种技术可以分析视觉系统的线性成分和非线性成分，通过对p 1 0 0 ( 图像上的 一个特定点) 的反应幅度与潜时分析，反映眼底的视功能，从而可以判断视觉功能 的异常；通过对不同空间频率棋盘格搜索，确定最佳空间频率闽值，然后制成刺 激训练治疗光盘，形成特定的治疗方案。 该诊疗仪集成了诊断和治疗两部分， 本文先介绍了电生理诊断和治疗的理论， 实现了诊断、治疗及管理决策一体化。 分析了利用计算机技术处理电生理信号 的可行性，根据电生理信号特点及平均叠加算法的思想设计了相应的c 语言算法。 然后从硬件和软件两方面对该仪器进行系统设计，利用w i n d o w s2 0 0 0 多显示技术 实现了图形刺激功能，介绍该仪器诊断软件系统及治疗光盘软件系统的设计与实 现及相应的元器件选择，还有设计中的注意事项：最后，介绍了视觉电生理检查 结果及治疗表示方法。 研制开发完成后，该仪器在上海市两家甲医院进行了三个月的临床试验，确 定了该仪器的正常值范围和有效性。通过了药监局审核同时立项为国家科技部创 新基金项目。 关键词：视觉电生理平均叠加算法多显示技术软件系统 上海大学硕士学位论文 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 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：唆m 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：键埘导师签名：碴鳖嚣概： 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 眼病的诊断与治疗，最根本的是视功能的检测。对视功能的了解、判断和检 测基本可归为两大类，一类是视心理物理学方法，如视力、视野、暗适应、色觉 和对比敏感度等；另一类是电生理方法，如e r g ( 视网膜电图) 、e o g ( i i e 电图) 、 v e p ( 视诱发电位) 等的测定。后者是一种客观的、无损伤的检测方法，尤其对于婴 幼儿、老年人、智力低下、不合作者或伪盲者更为有效。 1 1 视觉电生理的发展 视觉电生理的研究已有1 0 0 多年的历史，最初仅限于动物试验，但目前已广 泛应用于人类的视觉研究和眼科临床应用。 视觉电生理的先驱者是德国的生理学家d ob o i s - r e y m o n d ，他于1 8 4 9 年在 欧洲进行鲤鱼眼的动物试验中，首先发现离体眼球存在电位差，称之为眼静息电 位差( s t a n dp o t e n t i a l ) ”。在这之后，视诱发电位( 、，e p ) 开始被人认识。其发展经过 了三个阶段： 动物试验阶段( 18 7 5 - 19 3 3 年) ； 人头皮记录阶段( 1 9 3 4 - 1 9 5 9 年) ； 临床应用阶段( 1 9 5 6 迄今) ： 1 9 7 2 年哈利迪( h a l l i d a y ) 首次把图像翻转视诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ， v e p ) 应用于临床视神经的检测，发现视诱发电位潜伏期的延迟在诊断中具有特异 性【2 】。1 9 7 9 年达夫( d u f f y ) 设计的地形图可在2 4 个头皮位置记录v e p ，并可显示 平均电位，从而该诊断方法得到了广泛接型3 1 。 传统视觉电生理包括三个方面：视网膜电图( e l e c t r o r e t i n g r a m ，e r g ) 、视诱发 电位( v e p ) 、眼电图( e l e c t r o o c u l o g r a m ，e o g ) 。而且这三种诊断方法现在已被 i s c e v 标准化。相对而言，视诱发电位( v e p ) i 临床应用范围最广：同时在视诱发电 位( v e p ) 中，图像视诱发电位( 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 临床应用的 范围最广。传统视觉电生理分类如下图1 1 所示： 上海大学硕士学位论文 一 一 一、 眼电图( e o g ) 隧 传统视觉电生理 一一l = = 茹纂黧黛 露圈霸矗曩目霸瞳 、 、一图像视诱发电位( p v e p ) 陵 、一 视诱发电位( 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 、骤藤瓣黥丽硬嘲嘲积燃j 闪光视诱发电位( f 垤p ) 陵 l 飘露孵羁嚣霹! 噩| l 藤灏翮蕊黼 图1 1 传统视觉电生理 视爵发电位( v e p ) 它是继肌电图( e m g ) 、脑电图( e e g ) 后临床神经生理学的第 三大进展。从1 9 5 1 年d o w s o n s 在国际生理学会上第一次证明这种现象，1 9 5 9 年中国著名生理学家张香桐教授给诱发电位下定义至今，在不到半个世纪的时间 中，诱发电位已成为感觉系统的电生理研究中一种经常采用且方便有效的方法【4 】。 1 2 临床视觉电生理检测技术的发展 视觉电生理主要目的是对视诱发电位进行分析，并且已经有了相应的国际标 准。视诱发电位( 、，e p ) 和脑电是由大脑皮质产生的生物电，v e p 是刺激视网膜时在 大脑视皮质内产生的生物电，而脑电是每时每刻在大脑皮质中产生的生物电。早 在十九世纪七十年代已在动物实验中发现视诱发电位( v e p ) 存在，但由于视诱发电 位( v e p ) 的反应较小，而且变异较大，所以很难应用于临床；直到二十世纪六十年 代计算机技术的发展，把平均叠加技术应用到临床记录上，视觉电生理的诊断和 治疗技术才被推广。其发展经历了两个阶段：第一阶段是对传统的e r g 和v e p ， 利用闪光或图形刺激整个或中央视网膜，因其测量总量和的反映，故不能对眼底 病变定位，并且对周边的微小病变不敏感。第二阶段是局部e r g n e p ，记录视网 膜对局部光或图形刺激的反应，分别提取各部位的信号，对各个部位分别进行叠 加【州。 随着电子计算机技术的发展，视觉电生理的研究和应用也有了很大的进步， 视觉电生理仪也日益完善，现在已经可以从视觉通路的不同水平记录出不同的生 物电反应。记录v e p 的主要设备包括：电极、差分放大器、通用计算机、滤波卡 等。较新的记录技术是使用由微处理机控制的仪器，主要可实现一下功能： 上海大学硕士学位论文 对信号进行采样，利用平均叠加技术使多次采样信号叠加，同时可以用软件控 制采样的频率及叠加次数，从而提高信噪比； 数字过滤，将无限的连续信号在一定条件下( 如信号宽度) 变成有限离散的数字信 号，再经过计算机把有用的信号和噪音信号分离，这种技术克服了普通滤波器的 脉冲响应函数不容易确定、结构元件难选以及精度低、不灵活的缺点。采用低通、 高通和带通数字滤波都是数字滤波中的具体方法； 可以通过自动伪迹剔除，消除因眼动或其他因素引起的电位偏转的干扰，计算 机技术能对这种伪迹进行识别和剔除； 消除小的节点电位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，视诱发电位的检测仪器可以在实验 室、床边、手术室使用而不需要屏蔽； 记录波的数据处理，目前主要使用平均叠加算法对记录波形进行数据处理。 1 3 视觉电生理的临床应用研究 诱发电位一般采用模式诱发方式。该诱发方式是一种无损伤、无痛苦的检测 视神经系统功能的手段，其检测方法简便、安全可靠、重复性好，可用来协助确 定中枢神经系统的可疑病变、帮助病损定位、监护视觉系统的功能状态。 1 3 1 模式诱发电位的特征 模式诱发有清晰的轮廓和锐利的边缘，这样可以使诱发更加有效；模式诱发 电位主要是通过光或图形对人的视网膜进行刺激，采集诱发的生物电信号，并对 其进行处理和分析；但人体生物电信号很微弱，许多生物电信号仅几微伏到几百 微伏。如v e p 仅几个微伏，因此生物电信号只有经过高增溢放大才可以观察、记 录和分析；同时，由于测量对象是人体和生物电信号，他们的源阻抗均很高，如 生物电信号的体表测量，信号源的阻抗一般为几千欧到几十千欧，所以信号往往 带有强噪音背景，这些噪音往往来自于人的一些组织器官，如测量v e p 时受自发 脑电的干扰，此外还受到环境中电磁场的干扰，最经常遇到的就是供电网工频 5 0 h z 的干扰，一般这种干扰达到几伏，往往超过生物电信号本身【1 0 1 。 1 3 2 视诱发电位的分类及波形特征 模式视诱发电位根据诱发方式可分为图形诱发电位( 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 光诱发电位( 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 ) 两种，而 图形诱发电位按刺方式的不同，可以分为图形”给”一“撤”视诱发电位和图形翻转视诱 发电位。并且图形诱发电位按图形翻转频率的不同又可以分为稳态v e p 和瞬态 v e p ，其中瞬态v e p 用于疗效评估及治疗棋盘格空间频率选取，而稳态v e p 主 要用于诊蝌”叫2 】。下面我们主要介绍这三种刺激方式及平均叠加后的波形。 图形”给”一“撤”视诱发电位。其工作方式：在空白的背景中，图形出现一段时 间后消失。图形的出现形成“给”( o n s e t ) 的视觉刺激，图形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大学硕上学位论文 对信弓进行采样，利用平均叠加技术使多次采样信号叠加，同时可以用软件控 制采样的频率及叠加次数，从而提高信噪比； 数字过滤，将无限的连续信号在一定条件下( 如信号宽度) 变成有限离散的数字信 号，再经过计算机把有用的信号和噪音信号分离，这种技术克服了普通滤波嚣的 脉冲响应函数不容易确定、结构元件难选以及精度低、不灵活的缺点。采用低通、 高通和带通数字滤波都是数字滤波中的具体方法； 可以通过自动伪迹剔除，消除因眼动或其他因素引起的电位偏转的干扰，计算 机技术能对这种伪迹进行识别和剔除； 消除小的节点电位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，视诱发电位的检测仪器可以在实验 室、床边、手术窒使用而不需要屏蔽； 记录波的数据处理，目前主要使用平均叠加算法对记录波形进行数据处理。 1 3 视觉电生理的临床应用研究 诱发电位一般采用模式诱发方式。该诱发方式是一种无损伤、无痛苦的检测 视神经系统功能的手段，其检测方法简便、安全可靠、重复性好，可用来协助确 定中枢神经系统的可疑病变、帮助病损定位、监护视觉系统的功能状态。 1 3 1 模式诱发电位的特征 模式诱发有清晰的轮廓和锐利的边缘，这样可以使诱发更加有效；模式诱发 电位主要是通过光或图形对人的视网膜进行刺激，采集诱发的生物电信号，并对 其进行处理和分析；但人体生物电信号很微弱，许多生物电信号仅几微伏到几百 微伏。如v e p 仅几个微伏，因此生物电信号只有经过高增溢放大才可以观察、记 录和分析；同时，由于测量对象是人体和生物电信号，他们的源阻抗均很高，如 生物电信号的体表测量，信号源的阻抗一般为几千欧到几十千欧。所以信号往往 带有强噪音背景，这些噪音往往来自于人的一些组织器官，如测量v e p 时受自发 脑电的干扰，此外还受到环境中电磁场的干扰，最经常遇到的就是供电网工频 5 0 h z 的干扰，一般这种干扰达到几伏，往往超过生物电信号本身 1 “。 1 3 2 视诱发电位的分类及波形特征 模式视诱发电位根据诱发方式可分为图形诱发电位( 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 ) 和闪光诱发电位( 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 ) 两种，而 图形诱发电位按刺方式的不同，可咀分为图形”给”一“撤”视诱发电位和图形翻转视诱 发电位。并且图形诱发电位按图形翻转频率的不同叉可以分为稳态v e p 和瞬态 v e p ，其中瞬态v e p 用于疗效评估披治疗棋盘格空间频率选取，而稳态v e p 主 要用于诊断【”“。下面我们主要介绍这三种刺激方式及平均叠加后的波形。 图形”给吖撤”视诱发电位。其工作方式：在空白的背景中，图形出现一段时 问后消失。图形的出现形成“给”( o n s e t ) 的视觉刺激，图形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 问后消失。图形的出现形成“给”( o n s e t ) 的视觉刺激，图形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大学硕士学位论文 对信号进行采样，利用平均叠加技术使多次采样信号叠加，同时可以用软件控 制采样的频率及叠加次数，从而提高信噪比； 数字过滤，将无限的连续信号在一定条件下( 如信号宽度) 变成有限离散的数字信 号，再经过计算机把有用的信号和噪音信号分离，这种技术克服了普通滤波器的 脉冲响应函数不容易确定、结构元件难选以及精度低、不灵活的缺点。采用低通、 高通和带通数字滤波都是数字滤波中的具体方法； 可以通过自动伪迹剔除，消除因眼动或其他因素引起的电位偏转的干扰，计算 机技术能对这种伪迹进行识别和剔除； 消除小的节点电位( j u n c t i o n a lp o t e n t i a l s ) ，视诱发电位的检测仪器可以在实验 室、床边、手术室使用而不需要屏蔽； 记录波的数据处理，目前主要使用平均叠加算法对记录波形进行数据处理。 1 3 视觉电生理的临床应用研究 诱发电位一般采用模式诱发方式。该诱发方式是一种无损伤、无痛苦的检测 视神经系统功能的手段，其检测方法简便、安全可靠、重复性好，可用来协助确 定中枢神经系统的可疑病变、帮助病损定位、监护视觉系统的功能状态。 1 3 1 模式诱发电位的特征 模式诱发有清晰的轮廓和锐利的边缘，这样可以使诱发更加有效；模式诱发 电位主要是通过光或图形对人的视网膜进行刺激，采集诱发的生物电信号，并对 其进行处理和分析；但人体生物电信号很微弱，许多生物电信号仅几微伏到几百 微伏。如v e p 仅几个微伏，因此生物电信号只有经过高增溢放大才可以观察、记 录和分析；同时，由于测量对象是人体和生物电信号，他们的源阻抗均很高，如 生物电信号的体表测量，信号源的阻抗一般为几千欧到几十千欧，所以信号往往 带有强噪音背景，这些噪音往往来自于人的一些组织器官，如测量v e p 时受自发 脑电的干扰，此外还受到环境中电磁场的干扰，最经常遇到的就是供电网工频 5 0 h z 的干扰，一般这种干扰达到几伏，往往超过生物电信号本身【1 0 1 。 1 3 2 视诱发电位的分类及波形特征 模式视诱发电位根据诱发方式可分为图形诱发电位( 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 光诱发电位( 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 ) 两种，而 图形诱发电位按刺方式的不同，可以分为图形”给”一“撤”视诱发电位和图形翻转视诱 发电位。并且图形诱发电位按图形翻转频率的不同又可以分为稳态v e p 和瞬态 v e p ，其中瞬态v e p 用于疗效评估及治疗棋盘格空间频率选取，而稳态v e p 主 要用于诊蝌”叫2 】。下面我们主要介绍这三种刺激方式及平均叠加后的波形。 图形”给”一“撤”视诱发电位。其工作方式：在空白的背景中，图形出现一段时 间后消失。图形的出现形成“给”( o n s e t ) 的视觉刺激，图形的消失形成“撤”( o f f s e t ) 上海大学硕十学位论文 的视觉刺激。此种刺激诱发的v e p 称图形“给”“撤”视诱发电位。这种记录 v e p 的方法主要用于研究工作，特别是有关图形v e p 的头皮电场分布的分析，但 在日常临床工作中很少使用。其刺激叠加后的波形图如下所示： 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 图1 - 2 图形“给”“撤”诱发电位叠加波形 图形翻转v e p 。其工作方式：图形中含有两种不同的图形元素，如黑白方 格或黑白条纹，这两种图形元素以一定频率交替转换，由此形成视觉刺激。此种 刺激诱发的v e p 称图形翻转视诱发电位。模式翻转v e p 可重复性高、疾病异常 发生率高、易记录、波形容易分析和解释，所以应用最广泛；另外，图形刺激中 最常用的图形是棋盘格；其方格的大小、视野的区域和视网膜的定位都能加以改 变，从而获得不同的视觉信息。由于不同类型的图形刺激诱发不同类型的v e p 波 形，而波形不同意味着不同类型的图形刺激诱发出的v e p 都各自有不同的视网膜 及视皮层起源。图像翻转刺激叠加后的波形圈如下： ”)一ploo 0 上海大学硕士学位论文 图1 - 3 图形翻转诱发电位叠加波形 闪光v e p 主要应用于患者视力c 0 1 的情况下，由于其叠加波形容易受环境 的变化，鲁棒性太差，在临床应用中不常应用，其叠加波形【1 3 】如下： 图1 4 闪光诱发电位叠加波形 1 3 3模式诱发电位的临床应用 模式诱发电位主要检查视网膜及视神经病变、脱髓鞘病变、神经系统变性疾 病及视觉功能的客观评估等。其主要应用于周围神经和中枢神经病损的诊断、神 经生理学及神经精神学领域，包括声道损伤、听觉检查( 包括判定诈瘸和癔病性 耳聋) 、婴儿感官检查、脑干检查、昏迷、外伤、脱髓鞘病变、神经病变、肌肉病 变、弱视、视神经炎等。模式视诱发电位在眼科临床应用主要体现在以下几个方 面： ( 1 眼病的早期诊断； 2 ) 眼病的鉴别诊断； 3 ) 眼病的定性分析； 4 ) 眼病的定量分析； ( 5 ) 眼病的疗效分析； 6 ) 不可解释的视觉损害； ( 7 ) 婴儿或儿童对视力不能明确表达者的视功能诊断，如诊断有无弱视及遗传性 眼病等【1 4 1 团。 下面我们介绍模式诱发电位在几种常见的眼病中的临床应用。 弱视：v e p 是一种常用而且有效检测弱视的方法。模式v e p 检查可以发现 上海大学硕士学位论文 弱视眼在空间时比及时间特征方面的改变，双眼总和v e p 、单眼v e p ，有助于发 现弱视或斜视时两眼间相互作用，以对双眼视觉功能进行判断，另外，v e p 也是 研究弱视眼发病机制的一个重要实验手段。但是，常规的图形v e p 是视觉系统对 一个较大视野刺激的总和反应，对于一些较轻度的弱视眼比局部视觉诱发电位的 敏感度低，而局部视觉诱发电位经过调整的叠加次数才能得到，因此临床上常用 图形v e p 记录局部反应，能测试少数几个分区，并能详细测量视野内各个微小区 域的视功能。 青光眼：用图形v e p 评价早期局部功能受损特别有意义，可发现与视野相 对应的反应振幅降低的弓形或鼻侧阶梯缺损区，而高眼压患者则显示分散性反应 振幅降低区。 视神经病变：采用较大的弯梯形块，视神经炎和缺血性视神经病变，将有病 变眼与正常眼对照，显示病变眼在局部区域反应振幅降低或伴延迟。 1 4 视觉电生理诊断原理 h o l m g r e n ( 1 8 6 5 ) 在瑞士进行的一次试验中，发现在给眼光照射时电流计的指 针会发生短暂和急促的偏移，这就表示眼球内曾发生一次与光刺激同步发生的电 位变化，即视网膜的给光反应【1 7 l 。随后d e w a r 和mk e n d r u c k ( 1 8 7 3 ) 在苏格兰做 实验中发现视网膜的撤光反应，同时视网膜光反应也具有光强特性。 诱发电位或诱发反应，是指神经系统接受内、外界“刺激”所产生的特定电活动。 人类在日常生活中不断接受外界刺激或信息，由于其性质、数量、强度、难度、 以及所涉及的时一空关系等均不恒定，对于这些自然刺激引起的诱发电信号尚无 法进行记录，更不能进行定量分析和研究。因此，科学工作者就应用人工刺激， 如脉冲电流、声、光、磁场来诱发相应神经系统产生各种诱发电位，以及在这些 外源性刺激基础上，以其中一种或多种刺激按一定规则编制刺激序列，将这些物 理性质刺激转换成心理信息。一般在受试者主动参与下，对这类信息进行不同程 度的加工，则可诱发出与大脑高级神经活动有关的多种诱发电位。人们通过这种 方式就可以对这些人工刺激的性质、数量、强度和任务加工的难度等参数进行严 格控制，从而对这些诱发电位做进一步定量分析。进而，在记录和分析方法标准 化之后，就可以达到相互交流和临床研究和应用的目的。虽然这种人工刺激和信 息加工所引起的诱发电位与人类自然刺激的诱发电位有所不同，但它可以从一个 侧面显示神经系统以及大脑的高级心理活动的功能状态。随着相关技术的不断发 展，刺激和提取诱发电位的方式已得到较理想的改进。 人类对v e p 产生的生物机理的认识是一个不断完善的过程。诱发电位就是大 脑皮层的生物电。生物电的产生机制主要是h o d g k i n 学派在b e r n s t e i n 膜学说 ( 1 9 0 2 ) 基础上发展的离子学说。视觉电生理检查是一种记录视路中电位改变的 上海大学硕士学位论文 先进检查方法，它能够客观地记录视觉系统内发生的光化和光电反应情况。视细 胞生物电位变化，经双极细胞传递，使神经节细胞产生脉冲信号，再经视神经传 至外侧膝状体，至视放射后传到大脑。由于光或图象刺激了视网膜，在视觉系统 的神经链中引起一系列的电位变化【1 “。( 如下图所示) v e p 来自视网膜不同的刺激 位置，产生于视皮质不同解析位置。视觉电生理检查能够记录各个神经链中电位 变化情况，从而对弱视早期诊断、视功能情况、疗效评估及预后提供了重要依据1 1 9 】。 图1 - 5 视觉通路解剖生理图 本仪器利用此原理通过人体视觉系统在不同空间频率( s p a t i a lf r e q u e n c y , s f ) 图形刺激下大脑皮层视诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l ，v e p ) 的自动搜索，测定 v e p 的幅值及潜时在空间频率坐标上的敏感点，即晟佳s f ( s p a t i a lf r e q u e n c y ) ， 然后采用时域时域分析法对采集的信号进行分析；以实现对弱视等某些视神经系 统眼科疾病的辅助定位诊断及弱视眼治疗效果的跟踪评估。该仪器的软件系统选 择最佳s f 实现界面如下： 童河赫晕嗣僵槛熏 岫 犍暑； 许 恬刚耳 i 畸1 1 - 两 静 声，掣白+ 噎怿 译暇强一主： 喜： 橙正强却芏： ；： 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 档 笋f f 啦2 。砰肺目日 j 卵。口挥3 和3 月；。e 打害p 图 图1 - 6 空间频率确定图 这种检测方法以测定视觉过程中生物电的变化为依据，它不仅有助于阐明视 觉形成的机理、视觉的发育，而且可用于研究引起视功能障碍的机理、评定视功 上海大学硕十学位论文 能障碍的过程、推测病变的位置以及对临床治疗方法的疗效鉴定。 1 5 视觉电生理治疗原理 本仪器可依据v e p 检测分析结果，提供弱视诊疗的空间频率( s p a t i a p o t e n t i a l ，s p ) 标准闽值图形的游戏光盘。该治疗原理流程如图1 7 所示： 图1 7 治疗原理流程图 本仪器刺激训练治疗光盘的治疗机理，即视觉生理基础疗法( c a m ) 的认识是一 个渐近的过程。科学家发现，动物和人的大脑对各种颜色的图案或条栅有不同的 8 上海大学硕上学位论文 反映，英国剑桥大学的学者根据这个原理，设计出了一种新型的弱视治疗仪，命 名为视刺激仪。刺激图案选择黑白相问、高对比度的棋盘格，棋盘格的宽窄不同， 根据弱视眼的视力高低，选择合适的棋盘格刺激视觉，使弱视眼在各个不同方位 上受到不同空间频率的刺激，使中枢细胞增强发育并提高视力【2 0 】。随着视力的变 化，要更换棋盘格的空间频率。 弱视是较为常见的儿童眼病，在学龄前与学龄儿童中，弱视的患病率为 1 3 - 3 【2 1 。弱视的治疗过程实际上就是促进视觉功能不断发育的过程，所以弱 视的疗程比较长。其中弱视的治疗现在一般采用c a m 疗法。 本仪器的刺激治疗光盘根据此原理，同时利用计算机多媒体技术对传统c a m 疗法进行必要的改进，让弱视患者得到更为有效的治疗，缩短了治疗周期。 1 6 我国医疗仪器发展状况 医疗仪器因其涉及人身安全，法规管制严格，且技术层次较高，故在我国发 展较迟。我国医疗仪器的发展早期系由少数代理商为维修各大医院所进口医疗仪 器，进行委托加工或自行研制部份零星配件，而后逐渐发展为专业制造厂，其产 品原以金属器械为限。医疗仪器的技术来自其他产业成熟技术的应用，因此十分 依赖其相关产业的带动与发展，特别是电子，机械产业，其产品设计与系统整合 是其主要且关键的工作，目前医疗仪器厂商的零组件制造多数均交给制造企业完 成与供应，其主要制造设备大部分来自日本、美国、德国的精密模拟检测仪器。 近几年国内的医疗器械生产发展较快，年增长率为6 左右。同时中围医疗机 构的装备水平，近年有了很大改善。从1 9 9 5 年起，平均每病床的专业设备占用颧 年净增长在5 0 0 0 元左右，增氏率在1 6 一2 0 之间瞄“。医疗仪器、保健、康复等 仪器也有了很大的发展，产品的质量不断提高，增加了技术含量，治疗仪器的产 品结构和内涵都有了更新，涌现了一批技术密集型的新产品，产品的工艺技术也 不断改进，基本可以满足中小型医院的使用要求，部分常规技术的治疗仪器在国 内外市场有了竞争力。 但在我国医疗器械的行业中，治疗仪器的产品结构还有待于进一步改进，生 产行业的运行机构需要进行必要的调整，要使我们的产品能真正适应医院临床的 需要，满足市场的需要，做到既有经济效益，又有社会效益，在国内外市具有竞 争力，就现在治疗仪器的行业状况来说，还存在许多问题和差距。主要原因有以 下几个方面： 产品的质量不过关，性能不稳定，与国外的同类产品相比，档次低，缺乏竞争 力； 市场上低水平产品的重复，形成了低水平产品过剩而适合需求的产品却较少： 国内中小型的治疗仪器的生产起步较晚，一些治疗仪器技术要求低，加上市场 上海大学硕士学位论文 信息滞后，出项了严重的低水平重复现象，因而有特色、优质适合市场需求的产 品却不多。 1 7 本章小结 电生理理沦从发现到临床应用是不断完善和发展的过程。目前，采用电生理 为理论支持的医疗仪器应用领域越来越广泛：医疗仪器采用的技术与相关产业技 术的发展联系也越发紧密，国际上医疗设备采用计算机控制技术、数字化技术等 高新技术，使产品向自动化、智能化、小型化发展，而产品结构模块化可使医疗 仪器按临床需求任意组合。另一方面，记录器、显示器和传感器等设备均采用高 新技术实现了突破性进展。随着科研的深入和检测技术的改进，v e p ( 视觉诱发电 位) 的应用范围、各实验室之间及国际问的交流也会越来越广泛和密切。 上海大学硕士学位论文 第二章电生理诊疗仪系统设计 系统设计方案是整个系统工程研制开发的基础。我们通过项目的调研及论证、 系统的基本原理分析、系统的硬件的选取、系统的软件设计，同时也考虑到电生 理理沦和计算机应用技术的发展，最后实现m t v 一1 视觉电生理诊疗仪系统设计方 案。 2 1系统工程总体特性 系统工程是描述、设计、实现、有效性验证、实施和维护等一系列活动，系 统设计过程中不仅仅要关心系统的硬件和软件，还要关心系统与周围环境间的关 系以及人机交互问题。一定要考虑到系统能提供什么样的服务、系统的建设和运 行受到什么样的限制、系统与周围的环境相互影响的关系等【2 3 】。系统特性有两种 类型功能性： 功能特性：当系统的所有部分一起工作以达到一些目标的时候表现出来。如 m 1 电生理诊疗仪器装备起来之后就具有了医疗仪器的功能特； 非功能特性：如可靠性、性能、安全和保密性。这些特性表现为在特定的操作 环境中系统的表现行为。系统的总体可靠性又与三个方面密切相关：硬件可靠性、 软件可靠性和操作员可靠性。 2 2 系统工程的过程 系统工程是一个具有交叉学科的活动，包括不同的背景中来的团队人员。需 要系统工程团队的原因在于做出系统决策需要广阔的知识，应此需要不同背景的 工程人员。系统工程的各个阶段如图所示： 上海大学硕士学位论文 2 3 系统及其环境 图2 - 1 系统工程过程 系统都是在一定的环境中存在的，这个环境影响系统的功能和特性。有时， 环境可能被作为一个独自的系统，更一般的情况是，环境包含一系列相互作用的 其他系统。如m t v - 1 电生理诊疗仪包括硬件系统、软件系统，其中软件系统又包 括诊断软件系统和治疗软件系统。该系统是在w i n d o w s2 0 0 0 系统下实现的，充分 利用w i n d o w s 系统的特性和功能。其系统层次图如下所示： 图2 - 2 系统结构层次 从影响系统设计的系统环境中得出人和组织的因素包括： 过程变更：系统需求要对环境中的工作过程做相应的变更； 工作变化：系统使用户的技能失效或引起用户工作方式改变： 机构变化：系统改变环境中机构配置。 理论上讲，所有关于系统环境的知识都应该包含在系统描述中以便于系统设 计实施。事实上，系统设计过程中一定是基于可比较的系统环境或是基于常识性 的知识。 上海大学硕士学位论文 2 4 系统建模 系统建模是系统需求和设计活动的一部分，系统必须被建模成一系列组件和 组件间的关系。通常，这些以图的形式描述在系统体系结构模型中，给出一个系 统设计的总体概念。该诊疗系统的整体结构设计如下： 医生操作平台图形刺激器 图2 - 3 整体结构示意图 m 1 v 一1 电生理诊疗仪的研制在分析电生理理论基础上，综合利用计算机技术 和信号处理技术，然后进行系统设计。研制涉及刺激系统、记录系统、信号处理 系统、软件处理系统( 采集模块、分析模块、统计模块、用户光盘制作) 。图形刺 激双显示功能的实现等。我们下面介绍该系统子系统的功能。 医生操作平台：主要目的是控制图形刺激器，根据不同的检测对象，设置不同 相应的刺激参数及发送控制命令、接收数据、完成处理、显示、运算、打印、诊 断数据的存储、查询、分析以及治疗光盘的制作等工作。 图形刺激器：主要目的是产生图形刺激信号，然后将产生的信号输入计算机。 同时可以根据需要可以变换空间频率，翻转频率等。 系统体系结构通常以方块图来描述，展现了一些主要的子系统以及这些子系 统之间关联。每个子系统在图中用一个矩形框表示。如该仪器的软件系统的主要 组件如下所示；一个系统体系结构应该以功能为单位划分成子系统，不必关心这 些予系统是硬件实现还是软件实现的。然而，在一个系统中每个功能组件又可以 分为一下几类： 执行机构组件：该组件的主要功能是引起一些系统环境的改变： 计算组件：给定输入，执行计算并输出结果； 通信组件：该组件的功能是实现与其他系统组件之间的彼此通信； 调度组件：其功能是要协调其他组件间的操作； 界面组件：将一个组件中的表示转换成另外一个组件的表示。 当然，在不同的组件类型之间并没有一个明显的界限。绝大多数的组件中将会包 括嵌入式软件，软件通常用来控制全部的系统，在设计该系统的时候，一般采用 w i n d o w s 系统常用韵组件，如a c t i v e x 、对话框等。本诊疗仪器的系统建模如下图 所示： 上海大学硕士学位论文 2 5 系统设计 图2 , 4 系统建模 系统设计要做的就是如何将不同的组件整合诚一个能提供所需功能的系统。 如下图所示： 图2 - 5 系统设计过程 分割系统：分析需求，进一步将其归结到相关的集合。通常有几种可能的分割 方法，并且这一阶段产生可选方案；m t v - 1 电生理诊疗仪器就是按功能把系统分 割成几个小的系统。 识别子系统：将独立地或联合地