طراحي و پياده سازي نرم افزار و سخت افزار الگو هاي برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي

طراحي و پياده سازي نرم افزار و سخت افزار الگو هاي برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي

Software and hardware design and installation of pattern visual evoked potential


دکترابراهيم جعفرزاده پور1،
دكتر محمد فيروز آبادي2،
دكتر بيژن هاشمي ملايري2،
دكتر سيد مسعود شوشتريان3 ،
دكتر انوشيروان كاظم نژاد4،
ناصر اسعدي5.



*Ebrahim Jafarzadehpur: academic staff of Iran University of Medical Science, Tarbiat Modares PhD student of medical physics (Tel. 8011001 a_Jafarzadehpur@hotmail.com)
Dr. Mohammad Firuzabadi: Assistant professor of Tarbiat Modares University medical physics Dep.
Dr. Bijan Hashemi malayeri: Assistant professor of Tarbiat Modares University medical physics Dep.
Dr. Saied Masud Shushtarian: Associated professor of Azadeh Eslmi University medical physics Dep.
Dr. Anushirvan Kazemnejad: Associated professor of Tarbiat Modares University biostatics Dep.
Naser Asadi: Medical Engineering MSc student Tehran University



-----------------------------------------------
1 استادیار گروه بینایی سنجی ایران
2 استاديار گروه فيزيك پزشكي دانشگاه تربيت مدرس
3 دانشيار گروه فيزيك پزشكي دانشگاه آزاد اسلامي
4 دانشيار گروه آمار زيستي دانشگاه تربيت مدرس
5 دانشجو كارشناسي ارشد مهندسي پزشكي تهران






طراحي و پياده سازي نرم افزار و سخت افزار الگو هاي برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي

چكيده:
سابقه وهدف :يكي از روشهاي كارآمد در بررسي سيستم بينايي بهره گيري از آزمون VEP و ارزيابي پتانسيل هاي برانگيخته بينايي است .مدولاسيون والقائ پارامترهاي اپتيكي مانند رنگ . فركانس فضايي و كنتراست كمتر مورد توجه بوده است كه اين امر عمدتا ناشي از محدوديت هاي تكنولوژيك و ابزاري بوده است. توسعه نرم افزاري وسخت افزاري كامپيوتر اين امكان را فراهم نموده است كه بتوان تنوع وانعطاف چشمگيري در طراحي و پياده سازي الگوهاي برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي داشت.
مواد و روشها: با استفاده از بسته نرم افزاري Delphi5 و بهره گيري از اصول سايكوفيزيك بينايي در حوزه رنگ ، فركانس فضايي و كنتراست الگوهايي طراحي و پياده سازي شد. همچنين براي هماهنگي و همزماني تغيير الگوها وسيستم ثبات مجموعه نرم افزاي و سخت افزاري مكملي به نرم افزار اصلي اضافه گرديد. بدين ترتيب با بهره گيري از يك مدار A/D ,Extension Board و مدار Monostable امكان تغيير الگوها از نظر شاخص هاي اپتيكي بر اساس الگوريتم از قبل طراحي شده اي توسط Trigger يك سيستم VEP فعال و راه اندازي شد.
يافته ها و نتيجه گيري: با استفاده از پنجره هاي متعدد با روال منطقي كه براي كاربر حداكثر سهولت را فراهم سازد اين امكان در اختيار كاربر قرار گرفت كه بتواند تمامي متغيرهاي اپتيكي مهم در برانگيزش پتانسيل هاي بينايي شامل : رنگ ، كنتراست و فركانس فضايي را به طور مستقل و نيز به طور متعامل با ساير پارامترهاي اپتيكي تغيير دهد.به اين ترتيب امكان القاء و مدولاسيون عوامل اپتيكي ميسر خواهد شد . مدولاسيون زماني ،فضايي و كانتراست الگو ها به صورت مستقل و وابسته به سيگنال Trigger دستگاه VEP فراهم شد. تعامل ديناميك عوامل اپتيكي افقهاي جديدي را در بررسي هاي VEP مطرح خواهد كرد.
واژه هاي كليدي: پتانسيل هاي برانگيخته بينايي ، فركانس فضايي ، كنتراست ، القائ رنگي ، مدولاسيون اپتيكي


Software and hardware design and installation of pattern visual evoked potential

Abstract:

Background and objective:
VEP is a powerful method in study of visual system by means of evaluation of evoked potentials. There are a few studies on optical modulation and induction such as color, spatial frequency and contrast. Because of technologic and instrumental problems. Developments of computer software and hardware lead to increase flexibility of pattern design.
Material and methods:
On the basis of visual psychophysical principles in the field of color, spatial frequency and contrast, the patterns have been design and established by Delphi 5 package. Recording system and pattern reversing are synchronized by the software and hardware such as A/D, Monostable and Extension Board. Trigger signal changes Optical properties of patterns according to definite algorithm.
Results and conclusion:
All of optical parameters such as color, spatial frequency and contrast that are influence on visual evoked potentials can be changed independently or in a interactive manner by means of user friendly multiple windows and logical methods. Therefore optical modulation and induction are possible. Temporal, spatial and contrast modulation can be carried out independently or dependently with trigger signal of VEP system. Dynamic interaction of optical parameters shows new horizons on VEP study.

Key words: Visual evoked potential, spatial frequency, contrast, color induction and optical modulation.




مقدمه:
سيستم بينايي انسان يكي از پيچيده ترين حواس محسوب مي شود. زيرا عوامل گوناگون فيزيكي و زيستي با هماهنگي و نظم خاصي در يك تعامل پويا و دقيق عمل نموده و نهايتا ادراك بينايي را بوجود خواهد آورد. آشنايي با اين حس از طرق گوناگون با نگرش هاي متفاوتي انجام شده است. يكي از مؤثرترين و جديدترين روشهاي ارزيابي اين سيسنم بررسي فعاليت الكتريكي آن است . تحريك سيستم بينايي انسان باعث ايجاد پتانسيل هاي قابل ثبتي در سطح جمجمه در مقابل كورتكس بينايي مي شود [1].با توجه به تنوع وتعدد سلولهاي گيرنده نوري به نظر مي رسد حساسيت سيستم بينايي انسان در مقابل محركهاي بينايي گوناگون متفاوت باشد[2].لذا به نظر مي رسد پاسخهاي برانگيخته سيستم بينايي انسان در مقابل محركهاي گوناگون متفاوت باشد.در روشهاي باليني متداول براي ثبت پتانسيل هاي برانگيخته بينايي از دو روش نوري (VEP Flash) و الگوهاي غالبا سياه و سفيد استفاده مي شود .
روش ثبت پتانسيل هاي برانگيخته بينايي توسط تحريك نوري از متقدم ترين روشهاي برانگيزش پتانسيل هاي بينايي است . ولي اين روش به خاطر فقدان پارامترهاي كنتراست ، فركانس فضايي و قدرت تفكيك ، روشي كمي نخواهد بود و امروزه در استفاده از اين روش نگرشي كيفي بر VEP Flash حاكم است .
در سال 1966 Blakemore و Campbell اولين افرادي بودند كه از الگوهاي تحريكي بجاي فلاش استفاده كردند.اما بعلت محدوديتهاي تكنولوژيك در ده 60 ميلادي و حتي سالهاي متمادي پس از آن ،امكان استفاده وتحليل نتايج بدست آمده از الگوهاي معكوس شونده چندان متداول نبود . در سالهاي اخير استفاده از الگوهاي سياه و سفيد با كنتراست ثابت و ابعاد مشخص به عنوان يك روش باليني ثابت براي برانگيزش پتانسيل هاي برانگيخته بينايي (VEP ) استفاده مي شود .اين آزمون ها قابليت مدولاسيون و القاء اپتيكي را (كانتراست،فركانس فضايي و رنگ) ندارد.و طبعا با توجه به تغييرات حساسيت و عملكرد سيستم بينايي نسبت به محركهاي گوناگون [2] به نظر مي رسد لازم باشد تا امكان ثبت پتانسيل هاي برانگيخته بينايي با تغييرات ديناميك كانتراست ، فركانس فضايي و رنگ وجود داشته باشد. از اين رو بر آن شديم كه نرم افزاري را طراحي وپياده سازي نمائيم كه اين امكانات را به نحو انعطاف پذيري داشته باشد و اجراي آن در روي سيستم هاي گوناگون VEP به سادگي امكان پذير باشد.
مواد و روشها:
با توجه به انتظاراتي كه از اين نرم افزار و الگوهاي ايجاد شده براي برانگيزش پتانسيل هاي بينايي وجود داشت ، لازم بود براي طراحي اين الگوها از مباني سايكو اپتيكي تحريكات بينايي استفاده شود تا تنوع مناسبي براي تحريكات بينايي فراهم آيد . براين اساس لازم بود مختصات رنگي در فضاي RGB و HLS براي هر رنگ براساس معيار C.I.E. تعريف و تبيين گردد . بر مبناي اين معيارها هر رنگ داراي مختصات منحصر به فردي است كه براساس اين مختصات امكان توليد و بازسازي هر رنگ فراهم خواهد شد . براي طراحي كانتراست هاي گوناگون بر اساس دو معيار Weber و Michelson تغييرات مختصات رنگي يا لومينانس نسبت به مجموع مختصات لومينانس يا نسبت به نقطه خنثي رنگي محاسبه شده است . مبناي سايكوفيزيكي طراحي فركانسهاي فضايي نيز M.A.R. (Minimum Angle of Resolution) بوده است .در واقع ابعاد محركهاي بينايي با توجه به فاصله اي كه از ناظر دارند زاويه اي را نسبت به نقطه گرهي (Nodal point) چشم تشكيل مي دهند .در اين حالت تعداد مجموعه هاي قابل تكرار مكمل (يك سيكل) كه در واحد زاويه نسبت به نقطه گرهي قرار مي گيرند را فركانس فضايي گويند.
اما براي پياده سازي تنوع گسترده اي از تحريكات بينايي، به يك نرم افزار توانمند ومناسب از نظر امكانات نرم افزاري و هماهنگ و سازگار با مجموعه وسيعي از سخت افزارها احتياج بوده است. اين نرم افزار بايستي امكاناتي داشته باشد كه بتواند با پورتهاي كامپيوتر ارتباط برقرار كند و قادر باشد از طريق آنها و ساير سخت افزارهاي كامپيوتر به مبادله اطلاعات بپردازد . با در نظر گرفتن توانمندي هاي گرافيكي ، سادگي ارتباط با كاربر وساير نكات ذكر شده ؛ بسته نرم افزاري Delphi5 به عنوان نرم افزار مبنا براي طراحي و پياده سازي نرم افزار توليد كننده الگوهاي برانگيزاننده پتانسيل بينايي در نظر گرفته شد.
نرم افزار طراحي شده امكانات تغيير رنگ ، كنتراست ، فركانس فضايي و فركانس زماني را داشت. اما نكته قابل تأمل اين است كه تغييرات ايجاد شده در صفحه نمايش و ايجاد الگوهاي متفاوت از نظر رنگ ، كنتراست ، فركانس فضايي بايستي با سيستم ثبات هماهنگ باشد. در واقع همزماني شروع تغييرات و شروع ثبت پتانسيل هاي برانگيخته بايستي دقيقا رعايت شود . در غير اين صورت سيگنال ثبت شده هيچ ارزشي نخواهد داشت . زيرا يكي از پارامترهاي مهم در بررسي هاي VEP ميزان زمان تاخير است كه در صورت عدم هماهنگي تحريكات و ثبت ، ممكن است از هر نقطه اي از سيگنال برانگيخته ثبت انجام شود ، لذا در ميانگين سيگنالهاي بدست آمده زمان تاخير غير واقعي ثبت شود. بنابراين ايجاد يك سيستم همزمان ساز در اين زمينه بسيار ضروري است .از سوي ديگر با توجه به اينكه غالب سيستم هاي ثبات VEP داراي يك سيگنال راه انداز (Trigger) براي فعال سازي سيستم نمايشي وابسته به خود هستند و عموما اين سيگنال از نظر خصوصيات زماني و فضايي كه دارند براي همان سيستم اختصاصي است . در نتيجه لازم است سيستم نمايش دهنده الگوها با استفاده از مجموعه اي سخت افزاري مناسب نسبت به سيگنال هاي (Trigger) فعال شده وعمل نمايد .بنابراين يك سيستم Monostable طراحي و پياده سازي گرديد .اين سيستم سيگنال هاي (Trigger) دستگاه ثبات را دريافت نموده و با ايجاد پليداري زماني و فضايي در اين سيگنالها ، امكان انتقال و استفاده از آنها را فراهم مي سازد. سپس اين سيگنالهاي تعديل شده از طريق يك مدار Extension Board به يك مدار A/D منتقل مي شود. با قرار دادن اين سيگنال در آدرس خاص و پيش بيني كنترل و خواندن محتوي اين آدرس در نرم افزار اصلي سيستم برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي ، اين امكان فراهم خواهد شد كه تغيير الگوهاي نمايش داده شده تنها با فرمان سيستم ثبات و هماهنگ با آن انجام شود.
بدين ترتيب با بهره گيري از يك مدار A/D ,Extension Board و مدار Monostable امكان تغيير الگوها از نظر شاخص هاي اپتيكي بر اساس الگوريتم از قبل طراحي شده اي توسط Trigger يك سيستم VEP فعال وراه اندازي شد. از سوي ديگر مدولاسين زماني ،فضايي وكانتراست الگو ها به صورت مستقل و وابسته به سيگنال Trigger دستگاه VEP فراهم شد . به دو صورت استاتيك وديناميك فراهم شد. در واقع انتخاب مدولاسيون يا القاء ويژه اي به طور ثابت امكان پذير شد .علاوه بر اين مي توان از مختصات اپتيكي خاصي با مدولاسيون و القاء خاص به مختصات اپتيكي ديگر با مدولاسين والقاء متفاوت ديگري در طي فريم هاي معين وقابل تنظيم دسترسي يافت.
عملكرد نرم افزار با دو دستگاه Nicolet Pathfinder و Dantech در رابطه با شاخصهاي زماني ،فضايي و اپتيكي آن مورد ارزيابي قرار گرفت.

نتليج :
نتايج بدست آمده از عملكرد اين نرم افزار حاكي از قابليت هاي متعدد و گسترده آن به شرح زير در زمينه ارائه محركهاي بينايي مناسب ، دقيق و متنوع جهت ثبت پتانسيل هاي برانگيخته بينايي است:
1- فركانس فضايي:
يكي از جنبه هاي مهم اساسي ارائه تحريكات برانگيزاننده پتانسيل هاي بينايي تغييرات فركانس فضايي است .اين پارامتر در سيستم هاي متداول ثبت VEP بسيار محدود است و تنها چند فركانس فضايي با فاصله هاي نسبتا زياد در هر سيستم قابل ايجاد است .در حاليكه در سيستم طراحي شده امكان تغيير فركانس فضايي از تحريكات تحت آستانه اي 32 cpd تا الگو هاي بسيار بزرگ با فركانس فضايي بسيار كم در حد 0.1 cpd قابل دسترس خواهد بود.كه به هر دو شكل استاتيك و ديناميك قابل تغيير و برنامه ريزي خواهد بود (شكل 1 ).همانطور كه در شكل 1 مشخص شده است با تعيين كردن ابعاد خطوط در ابتدا و انتها مي توان ابعاد آنرا از يك مقدار معين به مقدار مشخص ديگري تغيير داد . با توجه به شكل 1 ملاحظه مي شود كه اين تغيير در غالب تعداد فريم معيني كه توسط كاربر قابل تنظيم است انجام مي شود . در نتيجه در يك سيستم ثبات بسيار ساده و اوليه VEP مي توان از تكنيك ثبت پيشرفته اي همچون آزمونهاي Sweep VEP بهره گرفت .

[شكل 1 ]

2- كنتراست :
برخي از سيستم هاي تحقيقاتيVEP درجات محدودي از كانتراست لومينانس را براي الگوهاي سياه وسفيد در اختيار مي گذارندكه حتي براي ارزيابي بسيار محدود C.S.F. (Contrast Sensitivity Function ) ناكارآمد است. اين نرم افزار گستره پيوسته اي از تغييرات كنتراست لومينانس ،كنتراست رنگي و كنتراست Opponent را فراهم مي سازد كه وضعيتها و محركهاي مختلفي را براي ارائه به بيمار و ثبت VEP مطرح خواهد نمود. اين تنوع تحريك، روشهاي جديد و تركيبي را در آزمون هاي VEP مطرح خواهد كرد.همانطور كه در شكل 2 نمايش داده شده است با انتخاب رنگهاي گوناگون و لومينانس هاي متفاوت بر اساس مختصات سايكوفيزيكي مشخص شده و نيز بر مبناي معيارهاي Weber و Michelson امكان طراحي مختصات مختلف لومينانس و رنگ در كنار يكديگر وجود دارد كه اين امر تنوع گسترده اي از كنتراست را از 4/0% تا 100 % در فضاهاي گوناگون لومينانس ، رنگي و Opponent فراهم خواهد كرد . اين تنوع تحريك ، روشهاي جديد و تركيبي را در آزمون هاي VEP مطرح خواهد كرد.

[شكل 2 ]


3- رنگ :
مدولاسيون و القاء رنگي پديده اي كارآمد ومؤثر در آزمونهاي سايكواپتيكي به شمار مي آيد. اما از اين تكنيكها تا كنون در آزمونهاي VEP استفاده بسيار اندكي شده است.علت اين امر غالبا ناشي از محدوديتهايي بوده است كه در ايجاد مختصات رنگي خاص در فضاي H.L.S. و RGB بطور همزمان براساس استانداردهاي CIE وجود داشته است. اين نرم افزار با قابليت تعريف هر مختصات رنگي در استاندارد بين المللي CIE امكان مدولاسيون و القاء رنگي را كه غالبا در VEP مورد استفاده نبوده است فراهم خواهد كرد. به اين ترتيب افق هاي جديدي در تكنيك هاي معمول در آزمونهاي VEP مطرح خواهد شد.
در شكل 3 تنوع ديگري از امكانات اين نرم افزار را مشاهده مي كنيم . علاوه بر تعيين مختصات رنگي امكان نمايش تمام صفحه (Full screen) الگوها ميسر است .همچنين امكان راه اندازي توسط سيگنال Trigger يا بدون آن ممكن است .در حالي كه سيستم مستقل از سيگنال Trigger الگوها را تغيير مي دهد ، مي توان تعداد فريم ها و زمان بين آنها را از طريق منوي مربوطه كه در شكل مشخص شده است تغيير داد.

[شكل 3 ]


بحث و نتيجه گيري: نتايج بدست آمده حاكي از آن است كه با استفاده از اين نرم افزار قابليتهاي يك سيستم ساده VEP را مي توان به نحو چشمگيري افزايش داد . در واقع حتي اگر سيستم VEP مورد نظر يك سيستم ساده اوليه و از نوع Flash باشد با بهره گيري از اين نرم افزار همراه با يك سيستم كامپيوتري پنتيوم ، مي توان قابليتهاي آنرا در حد جديدترين و پيشرفته ترين سيستم هاي نمايش و تحريك و برانگيزاننده پتانسيل هاي سيستم بينايي ارتقاء داد. نكته قابل توجه در مورد اين نرم افزار اين است كه اين نرم افزار با هر سيستم VEP قابل ارتباط است كه بر گستردگي عملكرد و كاربرد آن مي افزايد. زيرا هر سيستم VEP از يك سيگنال Trigger براي راه اندازي محركهاي بينايي استفاده مي كند[3]. اين سيگنال باعث روشن شدن يك فلاش ، ماتريس LED و يا نمايش الگو هاي از پيش تعيين شده اي مي شود. با توجه به حساسيت سيستم طراحي شده به انواع سيگنالهاي Trigger واستفاده از Signal Conditioner براي حفظ اين سيگنال در زمان معين و تطبيق سيگنالهاي دريافت شده با تغيير مناسب الگو ها توسط سخت افزارهاي مناسب ، شرايطي مهيا شده است كه به نظر نمي رسد اين نرم افزار در ارتباط با سيستم هاي مختلف VEP مشكلي داشته باشد.
تنوع روشهاي آزموني براساس پروتكل هاي موجود [4،5،6،7 ] ونيز امكان تلفيق روشها وايجاد تكنيكهاي جديد براي برانگيختن سيگنال هاي بينايي توسط اين نرم افزار ، افقهاي جديدي را در آزمون VEP مطرح خواهد نمود. اين تنوع و گستردگي شرايط ، آزمونهاي VEP ومحركهاي آنرا به آزمونهاي سايكو اپتيكي نزديكتر نموده و امكان تفسير ،همانندسازي و ارزيابي متناظر اين روشها را با آزمونهاي VEP فراهم خواهد ساخت.
در نتيجه اطلاعات گسترده تري از عملكرد دقيق سيستم بينايي و ارزيابي پاسخ هاي آن در مواجهه با محركهاي گوناگون بدست خواهد آمد.اين اطلاعات شناخت بيشتري را از سيستم بينايي فراهم خواهد نمود و طبعا اين اطلاعات در بسياري از علوم همچون Robotics وبينايي ماشين [8]، اپتومتري وچشم پزشكي [9]،فيزيولوژي [10] و حتي ساخت برخي اسباب بازيها و سرگرمي ها كاربرد خواهد داشت.






Reference:
1- Arden G.; Principles and practice of clinical Electro physiology of vision. New York: , Mosby presses; p 17, 1991
2- Parry NR.;Spatio-temporal tuning of VEPs; Vision Res. 1999 ;39(21): 3491-7.
3- Diprose GK.; Computer controllable variable intensity; Med. Biol. Eng. Computer. 1985; 23:496-497.
4- Peterzell DH.; Spatial frequency masking with sweep VEP; Vision Res. 1997; 37(17): 2349-59.
5- Plant GT.; Transient visually evoked potentials; Electroencephalogram. Clin. Neurophysiol.1983; 56(2): 147-58.
6- Kulikowski JJ.; Selective Stimulation of color mechanism; Spat. Vis. 1997; 10(4): 379-402.
7- Tobimatsu S.; Effect of spatial frequency on transient and steady state VEPs; J. Neurol. Sci. 1993 ; 118(1): 17-24.
8- Mc Cafferty JD.; Human and Machine Vision. London: Ellis horwood LTD. ; pp 22-29,1990.
9- Bobak P.; Cortical contrast gain control in human spatial vision; J. Physiol. 1999;Nov; 525:521-37.
10- Blake A.; Artificial intelligence and the eye .London: John wiley&sons Ltd. :pp21-40, 1990.