CN110251065A - 基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法 - Google Patents

基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法 Download PDF

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Abstract

基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，先设计同心圆环刺激范式即刺激范式对比度扫描梯度，进行脑‑机接口平台搭建，再进行刺激范式呈现；对脑电数据进行特征提取，并通过计算典型相关分析频谱的信噪比(SNR)进行范式响应值的判定，提高SSMVEP对比敏感度检测的准确性；最后将对比敏感度脑电客观检测结果通过屏幕反馈出来；本发明通过设计一组用于对比敏感度检查的同心圆环扫描稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)范式，并提出相应的阈值判定标准，得出脑电客观对比敏感度值，为眼科检查中对比敏感度的检测提供一种客观且定量的测量方法。

Description

基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法
技术领域
本发明涉及脑-机接口与眼视光学检查技术领域，具体涉及基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法。
背景技术
对比敏感度是测定视觉***辨认不同大小物体空间频率(周/度)时，所需的物体表面的黑白反差(对比度)，用以评价视觉***对不同大小物体的分辨能力，因此它是一种新的视觉功能定量检查法。常见的视光学检查比较依赖于被试的主观感受和配合，例如对比敏感的检查需要用对比敏感度差异视力表、CSV-1000灯箱等方法。这些方法都需要以被试的主观判断作为检查的终点，对于有沟通问题的人，如语前儿童或幼儿，不适合利用这类方法进行视功能的评估；成年人也可能受到环境因素的影响产生误判；在法医学检验中不能排除被鉴定者的谎报与欺骗。
脑-机接口(BCI)和脑电图(EEG)，尤其是头皮脑电图，是一种更客观、更直接地评估视觉功能的新方法。近年来，不少学者利用扫描视觉诱发电位(sVEP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、模式视觉诱发电位(PVEP)等方法完成了对视力以及对比敏感度的检测。但目前的研究主要着眼于通过改变一些相关刺激参数以确定视觉功能阈值以及观察脑电图反应。此外，传统的棋盘格和光栅的SSVEP或PVEP范式，更可能导致视觉疲劳，从而导致信号质量下降。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，通过设计一系列用于对比敏感度检查的同心圆环稳态运动视觉诱发电位(SSMVEP)范式，并提出相应的阈值判定标准，得出脑电客观对比敏感度值，为眼科检查中对比敏感度的检测提供一种客观且定量的测量方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，包括以下步骤：
1)同心圆环刺激范式：采用脑-机接口中的SSMVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性收缩扩张运动，能够稳定刺激诱发SSMVEP；运动刺激目标表现为明暗相间同心圆环，明亮区域和暗区域间距相等；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；圆环相位按正弦方式进行调制，在收缩和扩张两个方向上形成周期往复振荡运动，收缩和扩张运动的翻转频率定义为刺激频率，运动方向在一个周期内改变两次；
2)刺激范式对比度扫描梯度：对应于CSV-1000灯箱，设计一系列同心圆环范式，作为SSMVEP对比敏感度检测的视标；通过调整屏幕距离与范式整体尺寸，使范式对人眼视角为2°；对应CSV-1000灯箱，范式设计包含4种空间频率3cpd、6cpd、12cpd、18cpd，空间频率通过调整黑白圆环间隔确定；对应于CSV-1000灯箱对比度0.85log和2.20log，通过调整黑色圆环的灰度值，使得对比度与其相同；在空间保持不变的情况下，对比度从0.85log以每秒0.15log向2.20log线性递增，扫描时长为9秒；依次进行4种空间频率的范式扫描；
3)脑-机接口平台搭建：实验前将参考电极放置于受试者左耳垂，地电极放置于受试者前额，测量电极布置在头部枕区；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在实验室中，每次进行单眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)对比敏感度阈值判定：通过窗长2秒、滑移时长1秒的矩形窗对每个空间频率下9秒SSMVEP信号进行分析，得出典型相关系数随时间变化曲线及对应的信噪比SNR，从而进行范式响应值的判定；采用SNR值对CCA谱进行响应值判定，当SNR大于1.5时，说明视觉诱发电位显著，响应值为1；信噪比不高于1.5时，视觉诱发电位不显著，响应值为0；SSMVEP对比敏感度值定义为最后脑电响应值为1时对应的刺激范式的对比度；
6)对比敏感度检测结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，使用者的客观脑电对比敏感度通过屏幕输出。
所述的步骤5)对比敏感度阈值判定，具体为：实验得到CCA值与信噪比SNR值随范式对比度变低的变化趋势，其中CCA值与SNR值都随范式对比度log值变大而变小；采用SNR值对CCA频谱进行响应值判定，信噪比定义为目标刺激频率8Hz相关系数的平方值与CCA频谱上10个相邻点相关系数平方的平均值之比；当SNR大于1.5时，说明视觉诱发电位显著，响应值为1；信噪比不高于1.5时，视觉诱发电位不显著，响应值为0；选取最后响应值为1所对应的对比度值为该空间频率下的对比度。
本发明的有益效果为：
本发明提出了基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，操作简单快捷，解决了传统主观对比敏感度测试不够客观，不适用于幼儿、语前儿童、沟通困难患者以及法医鉴定的问题，显示了如下优越性：
(1)本发明设计基于同心圆环SSMVEP范式，图案整个运动过程中保持亮度恒定，降低了使用者的视觉疲劳，提升了脑-机接口的交互性能。
(2)本发明提出对比敏感度阈值判定方法，分析方法准确率高、可重复性好。
附图说明
图1为某对比度下4种空间频率3cpd、6cpd、12cpd、18cpd。
图2为刺激范式空间频率3cpd时对比度梯度扫描示意图。
图3为脑-机接口平台。
图4为典型相关系数值与信噪比值随范式对比度梯度(3cpd)变化示意图。
图5为某被试(主观对比敏感度1.75log/3cpd)的CCA谱图。
图6为客观脑电对比敏感度检测值与主观对比敏感度值(3cpd)的比较散点图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，包括以下步骤：
1)同心圆环刺激范式：采用脑-机接口中最有实用意义的SSMVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性收缩扩张运动，能够稳定刺激诱发SSMVEP；参照图1，运动刺激目标表现为明暗相间同心圆环，明亮区域和暗区域间距相等；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；圆环相位按正弦方式进行收缩-扩张运动，其中：
式中：
fc——运动频率，即同心圆环收缩-扩张一次所需时间的倒数；
φ(t)为棋盘格收缩-扩张的相位值函数；
通过改变相位函数φ(t)由0到π时，同心圆环收缩，相位函数φ(t)由π到0时，同心圆环扩张，在一个周期中，发生两次运动方向的改变，运动方向改变的频率为运动翻转频率f，为运动频率fc的2倍；由于SSMVEP主要来源于方向改变激发的大脑活动，能量主要集中在运动反转频率上，因此，采用运动反转频率作为视觉刺激的基频；
2)刺激范式对比度扫描梯度：对应于CSV-1000灯箱，设计一系列同心圆环范式，作为SSMVEP对比敏感度检测的视标；通过调整屏幕距离与范式整体尺寸，使范式对人眼视角为2°；参照图1，对应CSV-1000灯箱，范式设计包含4种空间频率3cpd、6cpd、12cpd、18cpd，空间频率通过调整黑白圆环间隔确定；对应于CSV-1000灯箱对比度0.85log和2.20log，通过调整黑色圆环的灰度值，使得对比度与其相同；参照图2，在空间保持不变的情况下，对比度从0.85log以每秒0.15log向2.20log线性递增，扫描时长为9秒；依次进行4种空间频率的范式扫描；
3)脑-机接口平台搭建：参照图3，实验前按照10/20***法布置电极，将参考电极放置于受试者左耳垂A1，地电极放置于受试者前额Fpz，六块测量电极布置在头部枕区(PO3,PO4,POz,O1,O2,Oz)，给各个测量电极注入导电膏，保证电极与头皮的良好接触；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在安静的不被干扰的实验室中，每次进行单眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)对比敏感度阈值判定：通过矩形窗(窗长2秒，滑移时长1秒)对每个空间频率下9秒SSMVEP信号进行分析，参照图4，得出典型相关系数随时间变化曲线及对应的信噪比(SNR)，从而进行范式响应值的判定；采用SNR值对CCA谱进行响应值判定，当SNR大于1.5时，说明视觉诱发电位显著，响应值为1；信噪比不高于1.5时，视觉诱发电位不显著，响应值为0；SSMVEP对比敏感度值定义为最后脑电响应值为1时对应的刺激范式的对比度；
6)对比敏感度检测结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，使用者的客观脑电对比敏感度值通过屏幕输出。
下面结合实施例对本发明进行说明。
对一名被试者(其主观对比敏感度为1.75log/3cpd)进行了上述实验，按照上述步骤3)对被试安放电极并搭建脑-机接口平台，按照上述步骤4)进行范式呈现与脑电信号采集。按照上述步骤5)进行脑电信号分析与客观脑电对比敏感度阈值判定，参照图5，得到范式响应值：1，1，1，1，1，1，1，0，0，得到SSMVEP对比敏感度检测结果：1.75log/3cpd。
对样本中10名使用者的脑电数据进行分析判断，并将其客观检测结果与主观测试结果比较，参照图6，绘制散点图并计算线性相关性，可以证明客观对比敏感度检测结果与主观测试结果显著相关(P<0.001)。
本发明应用脑-机接口方法，无需被试主观辨别并表达，即能够客观、定量地检测使用者的对比敏感度，与主观心理物理学检查之间建立很好的相关关系，实现了对幼儿、语前儿童、法医被鉴定人等特殊使用者对比敏感度的客观检测手段。

Claims (2)

1.基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)同心圆环刺激范式：采用脑-机接口中的SSMVEP方法，通过MATLAB使用Psychophysics Toolbox编程绘制范式图案纹理的周期性收缩扩张运动，能够稳定刺激诱发SSMVEP；运动刺激目标表现为明暗相间同心圆环，明亮区域和暗区域间距相等；在刺激呈现过程中，范式整体亮度与整体尺寸保持不变；圆环相位按正弦方式进行调制，在收缩和扩张两个方向上形成周期往复振荡运动，收缩和扩张运动的翻转频率定义为刺激频率，运动方向在一个周期内改变两次；
2)刺激范式对比度扫描梯度：对应于CSV-1000灯箱，设计一系列同心圆环范式，作为SSMVEP对比敏感度检测的视标；通过调整屏幕距离与范式整体尺寸，使范式对人眼视角为2°；对应CSV-1000灯箱，范式设计包含4种空间频率3cpd、6cpd、12cpd、18cpd，空间频率通过调整黑白圆环间隔确定；对应于CSV-1000灯箱对比度0.85log和2.20log，通过调整黑色圆环的灰度值，使得对比度与其相同；在空间保持不变的情况下，对比度从0.85log以每秒0.15log向2.20log线性递增，扫描时长为9秒；依次进行4种空间频率的范式扫描；
3)脑-机接口平台搭建：实验前将参考电极放置于受试者左耳垂，地电极放置于受试者前额，测量电极布置在头部枕区；电极与脑电采集模块连接，经放大、滤波、数模转换后输出脑电信号到计算机，进一步数据处理；
4)刺激范式呈现：计算机通过显示器扩展使高刷新率显示器上呈现刺激范式；在实验过程中，使用者需要根据屏幕提示注视刺激范式；实验过程中，被试者需要坐在实验室中，每次进行单眼测试；通过脑电采集设备采集使用者注视范式时产生的脑电信号，经放大、滤波与A/D转换后，将处理后的脑电信号输入计算机利用典型相关分析(CCA)进行特征提取；
5)对比敏感度阈值判定：通过窗长2秒，滑移时长1秒的矩形窗对每个空间频率下9秒SSMVEP信号进行分析，得出典型相关系数随时间变化曲线及对应的信噪比SNR，从而进行范式响应值的判定；采用SNR值对CCA谱进行响应值判定，当SNR大于1.5时，说明视觉诱发电位显著，响应值为1；信噪比不高于1.5时，视觉诱发电位不显著，响应值为0；SSMVEP对比敏感度值定义为最后脑电响应值为1时对应的刺激范式的对比度；
6)对比敏感度检测结果反馈：完成所有刺激范式刺激后，使用者的客观脑电对比敏感度通过屏幕输出。
2.根据权利要求1所述的基于运动视觉诱发电位的对比敏感度检测方法，其特征在于：所述的步骤5)对比敏感度阈值判定，具体为：实验得到CCA值与信噪比SNR值随范式对比度变低的变化趋势，其中CCA值与SNR值都随范式对比度log值变大而变小；采用SNR值对CCA频谱进行响应值判定，信噪比定义为目标刺激频率8 Hz相关系数的平方值与CCA频谱上10个相邻点相关系数平方的平均值之比；当SNR大于1.5时，说明视觉诱发电位显著，响应值为1；信噪比不高于1.5时，视觉诱发电位不显著，响应值为0；选取最后响应值为1所对应的对比度值为该空间频率下的对比敏感度。
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