CN113576497B - 一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测*** - Google Patents

一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，包括刺激***与采集与分析***，所述刺激***包括虚拟现实头戴式显示器，采集与分析***包括脑电提取装置、脑电信号放大器、脑电信号采集器、脑电信息号分析模块和结果输出装置；所述显示屏用于显示图像以预定频率交替变化的闪烁块，对被试者施加视觉刺激；用脑电装置提取被试者接收视觉刺激之后的脑电信号，提取的脑电信号经脑电信号放大器放大后传输给脑电信号采集器，采集脑电信号后传输给脑电信号分析模块，经过分析处理后由结果输出装置输出。设备简单、操作方便，可以有效提高检测的精度，是一种很有应用潜力的方案。

Description

一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***
技术领域
本发明涉及视觉稳态诱发电位领域，提出了一种面向双眼竞争检测的视觉稳态诱发电位检测方法。
背景技术
双眼竞争是一种由于双眼所呈现的图像不一致而无法形成单一、稳定的知觉动态交替变化的现象。双眼竞争在临床、医学以及心理学等检测范围都具有重要的意义。
目前对于双眼竞争的研究方法与测量指标包括：持续时间、交替速率等。目前对于双眼竞争的测量使用的方式为屏幕中显示不同难易程度、包含信息不同的刺激图片，通过偏振眼镜使双眼感受不同图片刺激的形式，同时辅助以行为学按键设计用于测试者反馈当前呈现主导地位的知觉信息。目前对于双眼竞争研究的实验***使用主动式快门照相机、偏振显示器进行检测[Gu L,Deng S,Feng L,et al.Effects of Monocular PerceptualLearning on Binocular Visual Processing in Adolescent andAdultAmblyopia[J].iScience,2020,23(2):100875]，这对于设备的操作、左右眼光路的单一性、画面选择的帧数、颜色等都有限制，无法满足独立处理双眼融合复杂信息的需求，也无法满足对于同时视、融合视等三层视功能检测的需求。同时，由于偏振显示器设备存在漏光、频率干扰等缺陷，容易造成双眼竞争检测时错误数据的采集，影响实验结果。
而视觉稳态诱发电位是一种大脑皮层的电位，通常诱发后在大脑皮层枕叶区域有脑电信号，诱发刺激为以恒定、稳定的频率运动的刺激形式。研究认为视觉诱发电位的变化与被试的知觉状态吻合，及当某刺激处于知觉状态时脑电波幅增强，当其被抑制时，脑电波幅减弱[Brown R J,Norcia A M J V R.A method for investigating binocularrivalry in real-time with the steady-state VEP[J].1997,37(17):2401-8.]。稳态诱发视觉电位是一种与视觉感官刺激相关的电位，当受试者收到一个固定频率或固定组合频率的视觉刺激的时候，在人体大脑的视觉皮层相关区域能记录到一个连续、并且与刺激频率相关的相应电信号，这个诱发电位被称为稳态视觉诱发电位(Steady State VisualEvoked Potential,SSVEP)。它具有诱发电位的共同特征，一般出现在枕部区域、枕叶等范围，在波形分布上与正弦波相似，与视觉刺激之间的潜伏期存在比较严格的锁时关系，SSVEP在频率上通常与刺激闪烁的基频或倍频相关[Brown R J,Norcia A M J V R.Amethod for investigating binocular rivalry in real-time with the steady-stateVEP[J].1997,37(17):2401-8.]。通过视觉稳态诱发电位刺激源的交叉刺激，可以对于双眼竞争现象信号进行分离，从大脑皮层视觉稳态诱发电位信号的强弱程度与持续时间间接判断双眼竞争程度。视觉稳态诱发电位在普通人群里广泛存在，常用于客观标记被识别或感知的目标。
视觉稳态诱发电位这种产生于大脑初级皮层的反应，通过刺激画面的显示频率不同引起脑皮层中相应谐振频率的不同，能够用于检测初级视觉皮层的反应，不通过行为学实验的方式便可以感知双眼竞争的知觉状态。相比于以往对于双眼竞争的检测的***使用的是实验目标与行为学检测控制器相结合的方式存在主观判断与反应延迟的缺陷，视觉稳态诱发电位是一种不需要人体做出反应便可诱发的生理电信号，可以客观显示当前双眼竞争下大脑皮层的激活状态[Yang D,Nguyen T H,Chung W Y.A Bipolar-Channel HybridBrain-Computer Interface System for Home Automation Control Utilizing Steady-State Visually Evoked Potential and Eye-Blink Signals[J].Sensors(Basel),2020,20(19)]。
弱视是常见的儿童眼病之一，很多弱视儿童都是在婴幼儿时期，由于各种原因如知觉、运动、传导及视中枢等原因未能接受适宜的视刺激，使视觉发育受到影响而发生视觉功能减退状态，主要表现为视力低下及双眼单视功能障碍。弱视患者的弱视眼视觉皮层初级处理受到抑制，而立体视觉的测量主要需要高级视觉皮层的处理，在进行检测时需要独立区分，为达到康复效果需要进行单独进行立体与平面的训练与检测，这样就造成设备复杂、操作不便。
发明内容
为了弥补上述现有技术的不足，本发明提供了一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，设备简单、操作方便。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，包括***刺激***与采集与分析***，所述刺激***包括虚拟现实头戴式显示器，采集与分析***包括脑电提取装置、脑电信号放大器、脑电信号采集器、脑电信息号分析模块和结果输出装置；所述显示屏用于显示图像以预定频率交替变化的闪烁块，对被试者施加视觉刺激；用脑电装置提取被试者接收视觉刺激之后的脑电信号，提取的脑电信号经脑电信号放大器放大后传输给脑电信号采集器，采集脑电信号后传输给脑电信号分析模块，经过分析处理后由结果输出装置输出。
在一些实施例中，还包括如下进一步的技术特征：
所述虚拟现实头戴式显示器内置可独立运行设备或基于PC电脑运行显示。
所述预定频率根据不同设备以及被试的最优刺激频率进行设置。
所述虚拟现实头戴式显示器具有双独立渲染显示屏。
所述对被试者施加视觉刺激包括以预定形式编码，左右眼呈现不同刺激频率。
所述预定形式编码为：高、低频率交替。
所述刺激***包括使用三维立体建模软件进行开发的3D刺激源与2D刺激源，所述刺激的频率包括7.5Hz、6Hz。
还包括检测装置，通过3D与2D对照实验进行立体视觉检测。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：使用虚拟现实技术减少了现实场景中搭建复杂的光通路的工作，也降低了使用传统同视镜等设备仪器时的操作不便利等。利用头戴式显示器封闭式的光路环境，搭载虚拟现实***中的检测开发***使左右眼分开渲染图像进行检测，充分利用虚拟现实环境中的三维场景，可进一步通过3D与2D对照实验进检测立体视觉检测，可提高双眼检测的独立性，因此是一种更为先进的检测***，可以有效提高检测的精度，是一种很有应用潜力的方案。
附图说明
图1是本发明实施例的开发***流程图。
图2是本发明实施例的刺激范式流程图。
图3是本发明实施例的大脑中与视觉皮层有关的通道。
图4是本发明实施例的刺激显示频率与交叉验证。
图5是本发明实施例的显示2D刺激源与3D刺激源。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在介绍实施例之前，先对本发明实施例相关术语进行说明：
视功能：视功能分为三级：同时视、融合视、立体视。人眼看到的画面为二维信息，双眼一起进行有效的加工，神经兴奋沿着知觉***传入大脑，在大脑高级中枢把来自双眼的视觉信号分析，综合成一个完整的立体感知印象。
虚拟现实(Virtual Reality，VR)：虚拟现实是一类基于3D开发的虚拟场景及设备的总称。虚拟现实技术是一项可以创建和体验虚拟世界的计算机***，它由图形显示设备、集成计算设备、音频输出、动作与定位捕捉定位输入设备组成，为用户产生身临其境的感觉。图像显示设备经过多年的发展，从一代的单一渲染图形显示屏发展到独立渲染的显示设备，有了长足的进展。视觉显示器设备的属性包括观察区域和可视区域、空间分辨率、显示屏形状、光线传播、刷新率和功效学等。虚拟现实显示设备的设计根据一般包含静态线索、眼球的运动线索、运动视差、双眼视觉不一致性和立体成像等，在显示设备的终端上也从终端显示器、环屏显示器、工作台显示器、等发展为头盔式显示器。由于近年来头戴式显示器的发展，独立、便携的显示器设备成为了近年来虚拟现实开发的首选。头戴式虚拟现实内置折射透镜，将显示屏发射出的光线经过折射模拟真实光路的环境，营造其沉浸式普通的显示画面想要在虚拟现实***中进行显示，还需要经过二次开发，适配于虚拟现实头戴式显示器的显示屏幕。虚拟现实头戴式显示器通过封闭式、沉浸式、独立式双眼分屏显示器的方式对双眼的刺激画面进行显示，在显示丰富的画面同时，能够消除偏振显示器等漏光、漏频造成的干扰。
典型相关性分析(Canonical CorrelationAnalysis，CCA)：是利用综合变量对之间的相关关系来反应两组指标之间的整体相关性的多元统计方法。基本原理是：为了从总体上把握两组指标之间的相关关系，分别在两组变量中提取有代表性的两个综合变量。
本发明实施例旨在设计一个视觉稳态诱发电位检测***，应用虚拟现实***双屏独立渲染技术，实现独立成像、视觉稳态诱发电位刺激与采集分析的效果。该***要做到可独立控制双屏显示，不能让用户的某一只眼受到另一只眼睛光路的影响，使用头戴式显示器阻断可能的周围光线，营造沉浸式的真实环境，同时通过程序接口与脑电采集设备、放大器与分析电脑相连，以便后续通过模式识别算法、机器学习算法对数据进行处理与分析，并最终进行视功能检测的判定。
由于本发明下述实施例利用虚拟现实显示技术，可以独立渲染图形通路，为激发独立的双眼视觉稳态诱发电位提供双眼独立的光通路，同时利用视觉诱发电位这种大脑皮层视觉处理的反应，可将其用于检测弱视儿童双眼康复情况，特别是弱视视功能中双眼竞争和立体视觉的评估。
本发明下述实施例利用虚拟现实技术对显示光路进行还原，利用3D刺激源与2D刺激源形成对照对弱视的视功能进行检测。避免了使用偏振显示器导致的漏光、光污染、频率干扰等现象。
本发明实施例利用虚拟现实显示技术，可以独立渲染图形通路，为激发独立的双眼视觉稳态诱发电位提供双眼独立的光通路，同时利用视觉诱发电位是大脑皮层视觉处理的反应，用于检测弱视儿童双眼康复情况，特别是弱视视功能中双眼竞争和立体视觉的评估。由于弱视患者的弱视眼视觉皮层初级处理受到抑制，而立体视觉的测量主要需要高级视觉皮层的处理，在进行检测时需要独立区分，为达到康复效果需要进行单独进行立体与平面的训练与检测。
***组成包括：虚拟现实头戴式显示器(内置可独立运行设备或基于PC电脑运行显示)、脑电提取装置、脑电信号放大器、脑电信号采集器、脑电信息号分析模块和结果输出装置；所述显示屏用于显示图像以一定频率交替变化的闪烁块，对被试者施加视觉刺激；用脑电装置提取被试者接收视觉刺激之后的脑电信号，提取的脑电信号经脑电信号放大器放大后传输给脑电信号采集器，采集脑电信号后传输给脑电信号分析模块，经过分析处理后由结果输出装置输出。本实施例所记载的技术方案基于脑电诱发电位对于视觉皮层反应的显示，实现了弱视眼对于立体感知能力的客观检测，如附图1所示。
视觉稳态诱发电位(SSVEP)原理为在恒定的视觉刺激诱发下，大脑皮层上会产生周期性的脑电信号，其频率可包含刺激频率的半频、倍频和基频成分，频谱成份以基频为主，且相应主要分布在枕区视觉皮层，如附图3所示，该图为10-20国际电极标准***(网络搜索)。
当刺激以一定形式编码，左右眼呈现不同刺激频率时，双眼会因不同的刺激来源产生不同频率的振幅表现，交替测试高、低频率的刺激后，根据视觉稳态诱发电位的振幅相应强度可对弱视的眼睛康复效果进行检测评估。
***搭建上，依照流程图1所示，***由刺激***与采集与分析***组成，刺激***的构件上是使用3D开发引擎，如Unity3D，搭载C#语言进行编写，同时需要引入不同平台的VR开发插件，例如小鸟看看设备厂家有PICOVR SDK、在开发平台的基础上，使用C#语言编写用于弱视检测的程序如附图2，并使用头戴式显示器进行渲染显示，随后佩戴脑电帽及相关脑电提取装置，启动测试。随后信号进入大脑，并通过采集与分析***进行数据的处理与分析，例如使用典型相关性分析(CCA)、傅立叶变换等进行分析。性能指标评测时，本发明使用响应振幅作为衡量双眼视差功能的指标，由于弱视患者双眼视觉通路不相同，被动眼采集到脑电信号较主动眼弱，且立体视觉需高级皮层参与，能够从大脑视觉的根本性原因进行弱视情况的测量。测试的实验设计上，本专利将使用三维立体建模软件进行开发的3D刺激源与2D刺激源进行区分并分布同时刺激。刺激频率可选择7.5Hz与6Hz，根据不同设备以及被试的最优刺激频率进行区分，由于设备选型本发明所采用刺激范式如图4。根据由于虚拟现实眼镜采用镜面折射原理，可以将显示屏中的光路还原于真实场景中散播的位置，可营造3D沉浸感，与2D图片进行区分，从而对大脑高级视皮层的更精准地检测立体视觉。3D刺激源与2D刺激源区分如附图5。
试验频谱与功率谱密度若出现显著差异以及特征性区分，则判断该眼视功能弱于另一只眼，最终由输出装置输出检测结果，摘除被试者的脑电提取装置，完成测试。
***参数
使用Unity3D 2020.1.0f1c1版本搭载Pico VR Unity SDK插件，在Unity3D中进行了实验范式的设计，并通过APK可运行文件加载于Pico Neo Eye2型号虚拟现实头戴式显示器中，屏幕分辨率为3840×2160，视场角为101度，屏幕刷新率为75Hz，运行处理器为高通骁龙845，128G内部存储空间。脑电采集设备使用博睿康无线传输64导采集***，并连接一台配置为Intel Core i7，GPU6600，搭载Nurecle采集分析***。
本实施例的有效益处
使用虚拟现实技术减少了现实场景中搭建复杂的光通路的工作，也降低了使用传统同视镜等设备仪器时的操作不便利等。利用头戴式显示器封闭式的光路环境，搭载虚拟现实***中的检测开发***使左右眼分开渲染图像进行检测，充分利用虚拟现实环境中的三维场景，可进一步通过3D与2D对照实验进行立体视觉检测，可提高双眼检测的独立性，提供了一种更为先进的检测方式。
性能指标：
本发明使用典型相关性分析(CCA)用于检测并评判其效果，标准CCA也可以用以分析两个多维数据集之间的潜在相关性。对于SSVEP的检测，给定两个SSVEP信号变量X和Y，利用CCA寻求权重向量Wx与Wy，使得对应的线性投影有最大的互相关性。
除了输入的多导联的SSVEP信号，输入Y需要有刺激频率f的正弦信号拟合而成多维信号做参考信号，并分析其相关性。参考信号Y表达式如下所示：
Yf＝(sin(2πft)，cos(2πft)，…，sin(2πNft)，cos(2πNft)) (1)
N表示N次谐波信号。
在脑机接口***中，CCA的方法是研究X和Y的相关关系，考察两个整体特征之间的线性组合，通过寻找权重Wx与Wy使得典型相关变量u和v的相关值最大。通过将CCA方法中求最大相关性的问题转化，可以对输入的实际信号X与模拟参考信号Y进行比较，并求得最优解。整体过程可以简化为通过找到以下目标函数的解进行预测：
由于典型相关变量为：
即可化简为：
CCA输入的是两组多通道的信号X和Y，输出是权重向量量Wx与Wy以及典型相关变量u和v。找到典型相关变量u和v的以及权重向量便可以对输入的实际信号X与正确参考信号Y之间的相关性进行比较，得到识别的准确率。
本发明上述实施例开发的基于虚拟现实头戴式显示器的脑机接口协同检测***，结合视觉稳态诱发电位检测***，能够充分利用虚拟现实显示器光环境，给予更纯净、便携、更易得的双眼分视刺激。除了虚拟现实***显示更为丰富、具有深度信息的图像，也将充分利用现有的虚拟现实技术中双独立渲染显示屏的优势，对刺激画面进行独立处理，并使用虚拟现实场景还原显示生活中的光路，达到对于视功能、立体视觉等检测的效果。同时，利用相关性分析、傅立叶变换等算法，能够提取最直接表现皮层反应的信号，兼具高时间分辨率的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于包括刺激***与采集与分析***，所述刺激***包括虚拟现实头戴式显示器，采集与分析***包括脑电提取装置、脑电信号放大器、脑电信号采集器、脑电信号分析模块和结果输出装置；所述显示器用于显示图像以预定频率交替变化的闪烁块，对被试者施加视觉刺激；用脑电提取装置提取被试者接收视觉刺激之后的脑电信号，提取的脑电信号经脑电信号放大器放大后传输给脑电信号采集器，采集脑电信号后传输给脑电信号分析模块，经过分析处理后由结果输出装置输出；所述刺激***包括使用三维立体建模软件进行开发的3D刺激源与2D刺激源，进行区分并分布同时刺激，利用3D刺激源与2D刺激源形成对照对弱视的视功能进行检测；所述对被试者施加视觉刺激包括以预定形式编码，左右眼呈现不同刺激频率，所述预定形式编码为：高、低频率交替。
2.如权利要求1所述的面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于：所述虚拟现实头戴式显示器内置可独立运行设备或基于PC电脑运行显示。
3.如权利要求1所述的面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于：所述预定频率根据不同设备以及被试的最优刺激频率进行设置。
4.如权利要求1所述的面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于：所述虚拟现实头戴式显示器具有双独立渲染显示屏。
5.如权利要求1所述的面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于：所述刺激的频率包括7.5Hz、6Hz。
6.如权利要求5所述的面向双眼竞争的视觉稳态诱发电位检测***，其特征在于：还包括检测装置，通过3D与2D对照实验进行立体视觉检测。
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