无线视网膜电图记录系统的研制

　　

新型无线视网膜电图记录系统：技术突破与临床应用前景

香港中文大学眼科及视觉科学系的 Tony T. C. Man、Yolanda W. Y. Yip、Chi Pui Pang 和 M?rten Erik Brelén 在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Development of a wireless OPEN electroretinogram recording system” 的论文。该研究开发并验证了一种新型无线视网膜电图（ERG）记录系统，对推动临床 ERG 检测技术的发展具有重要意义，有望改善临床 ERG 记录的质量，提升患者检测体验，降低检测成本。

一、研究背景

ERG 作为一种记录光刺激时视网膜跨膜电位变化的技术，在眼科临床诊断中具有重要价值。当光刺激视网膜引发一系列化学反应，导致视网膜组织跨膜电荷改变，可通过眼表电极进行无创测量。然而，在角膜处远程记录 ERG 时，获取的信号往往较弱，易受干扰和噪声影响。在临床应用中，为获得清晰且可重复的结果，需使用特定设备和设置，国际临床视觉电生理学会（ISCEV）也发布了相关标准指南。

临床 ERG 记录面临诸多挑战，其中电磁噪声干扰较为突出，主要源于供电网络。这些电磁场会与电极电缆和记录设备相互作用，导致 ERG 波形失真。由于 50/60Hz 的供电频率与记录信号带宽重叠，通过事后滤波难以有效去除工频噪声。此外，记录过程中常见的偏移电位漂移现象，会改变 ERG 信号的幅度和峰值时间，影响检测结果的准确性。

为提升临床 ERG 信号质量，减少工频干扰影响，已有多种策略被提出，如使用被动屏蔽、主动屏蔽和信号预放大等方法。其中，信号预放大在降噪方面效果显著，凸显了源端信号放大的优势。基于此，研究人员推测，通过在源端对放大信号进行数字化处理并无线传输，去除传输线，进一步实现患者与设备的电气隔离，有望进一步提高系统的抗噪性能。

二、研究材料与方法

（一）系统概述

新型无线记录系统的结构与传统设置类似，需两根信号电极引线和一根接地电极引线获取差分信号，同时采用光传感模块使刺激闪光与记录信号同步。电极引线和模块的信号经重新路由和多路复用，转换为三个模拟数据通道，即基线信号、放大信号和光刺激信号。模拟信号首先通过仪表放大器（INA821）放大 100 倍，然后由 24 位模数转换器（ADS131M06）以每秒每通道 32k 样本的速度同步采样转换为数字数据。

为进行偏移校正，将数字化的基线信号偏移电位输入 16 位数字模拟转换器（DAC80502），为放大信号的仪表放大器创建参考电平，补偿放大信号的电位偏移，扩大动态范围，防止记录放大器饱和，提高信噪比和信号分辨率。系统特意避免使用模拟滤波电路，以保持信号波形的完整性。

信号数字化和偏移校正操作由微控制器（CC2642R）管理，为其开发了定制实时操作系统（RTOS）固件，利用固件的线程管理功能有效处理信号处理、临时数据存储和无线通信。该设备选用蓝牙低功耗（BLE）作为无线传输协议，因其在大多数移动设备中广泛支持且计算功耗低。同时，开发了 iOS 应用程序用于获取、显示记录信号，控制记录任务和设备配置。任务启动后，微控制器处理信号并将数据打包通过 BLE 传输，移动应用程序接收并重构数据，ERG 信号存储在设备中用于后续处理和可视化。

（二）动物实验设置

研究选用五只健康的野生型 C57BL/6J 小鼠评估新型 ERG 记录系统。实验方案经香港中文大学动物实验伦理委员会批准，严格遵循相关法规和 ARRIVE 指南进行。小鼠由香港中文大学实验动物服务中心提供，饲养环境温度控制在 19±3°C，相对湿度 55±10%，采用 12 小时光照、12 小时黑暗的循环，提供清洁标准饮食和水。

实验前，小鼠先进行暗适应过夜，完成暗视刺激后，再进行 10 分钟的明适应。ERG 记录开始时，通过腹腔注射氯胺酮 - 赛拉嗪混合物（氯胺酮剂量为 100mg/kg，赛拉嗪剂量为 10mg/kg）对小鼠进行麻醉。在角膜放置金丝作为记录电极，口腔放置参考电极，角膜表面涂抹凝胶增强导电性和电极附着力，皮下插入细银针作为接地电极。

（三）ERG 评估设置

将新型无线系统的信号记录性能与 Espion E3 记录系统进行对比，两种系统采用相同的光刺激和记录配置。暗适应设置下，使用 0.001Cd.s.m、0.1Cds.m?2 和 10Cd.s.m?2 的刺激强度；明适应设置下，刺激强度为 1Cd.s.m?2；此外，在明适应状态下进行额外的闪烁设置，刺激强度为 1Cds.m?2，频率为 10Hz。从 ERG 信号的 a 波和 b 波中识别幅度和峰值时间，并对两种系统进行比较。同时，设计特定算法评估 ERG 信号的偏移电位漂移和噪声功率。

（四）数据处理与分析

对两种系统采用相同的数据处理流程，每个光强度记录五个信号，导出至 MATLAB 进行后续处理和统计分析，信号采集过程未进行平均和滤波处理。从五个原始未处理信号中提取 a 波和 b 波的幅度、峰值时间等 ERG 信号属性，使用 MATLAB 算法测量并取中位数用于统计分析。

通过线性模型拟合信号估计偏移电位漂移，其定义为信号记录时间跨度内的电位变化，使用 MATLAB 线性模型拟合算法（最小均方误差准则）估计线性函数斜率，斜率大小用于两种系统的统计比较。通过对供电频率的功率谱密度估计来评估工频噪声，利用 MATLAB 离散快速傅里叶变换（nFFT）算法提取 50Hz 分量的功率谱密度，其高低反映记录信号中工频噪声的强弱，并用于系统间的统计比较。

使用描述性统计评估新型系统的信号属性，通过相关性分析识别混杂因素，在 SPSS 软件中进行统计分析时对其进行调整。对于动物实验中 ERG 信号属性的比较，采用信号属性的中位数进行统计分析以考虑个体差异；对于偏移电位漂移和工频噪声的比较，使用所有测量结果，因为这两个属性的变化源于研究系统本身。若结果呈正态分布，则使用参数检验（不假定方差相等），显著性水平设为 0.05。

三、研究结果

（一）描述性分析

通过正态性检验发现信号属性不满足齐次正态分布，因此在统计分析中采用稳健性稍弱的非参数检验。经相关性分析，未识别出影响信号属性的混杂因素。

（二）ERG 信号波形

新型系统和参考系统记录的动物 ERG 信号波形相似，a 波和 b 波清晰可辨，且新型系统记录的信号稳健、可重复性高。与参考系统相比，新型系统记录的信号有两个明显特征：一是偏移电位变化不明显；二是小波噪声强度较低，在明适应闪烁设置下尤为突出。

（三）信号属性比较

对比新型系统和参考系统的 ERG 信号属性（a 波和 b 波的幅度、峰值时间）发现，两种系统的信号属性分布大部分重叠。a 波幅度（P>0.43）、a 波峰值时间（P>0.61）和 b 波峰值时间（P>0.55）在统计上均无显著差异。仅在明适应 1Cd.s.m?2 设置下，b 波幅度存在显著差异（新型系统 97.44μV ± 11.98；参考系统 120.22 ± 14.76μV；P=0.03），进一步分析发现这是由于参考系统记录信号的偏移电位漂移较为突出所致。

（四）偏移电位漂移分析

利用线性模型拟合方法提取原始信号的偏移电位漂移（以线性函数斜率的绝对值表示），结果显示在暗适应 0.001Cd.s.m、0.1Cds.m?2 和明适应 1Cd.s.m?2 设置下，新型系统记录信号的偏移电位漂移显著小于参考系统（P 均为 0.01）。以明适应 1Cd.s.m?2 设置为例，偏移电位漂移的差异会导致 b 波幅度产生 13μV 的差异，表明之前观察到的 b 波幅度显著差异可能因偏移电位漂移的影响而无效。

（五）工频噪声分析

在实验环境中尽量去除工频干扰源后，两种系统的工频噪声功率谱密度均较小且无显著差异（P>0.19）。但在明适应闪烁设置下，新型系统的工频噪声功率谱密度（0.30 ± 0.14uV2Hz?1）显著低于参考系统（0.64 ± 0.24uV2Hz?1；P=0.00），参考系统信号受低幅度噪声污染更严重。

为进一步验证新型系统的抗工频噪声性能，对小鼠 M4 额外进行信号记录实验，将参考系统的计算机电源线靠近记录电极引入工频干扰。结果显示，正常情况下两种系统信号相似，功率谱密度重叠；引入干扰后，参考系统信号受周期性工频噪声严重污染，频谱图中出现明显噪声和谐波峰值，而新型系统信号受影响较小，证明了新型系统源端信号处理设计在降低工频噪声方面的可行性。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

本研究成功开发并验证了一种新型无线 ERG 记录系统。实验结果表明，该无线系统记录的 ERG 信号与商用 ERG 设备记录的信号在幅度和峰值时间上无统计学显著差异，具有可比性。通过源端放大和无线传输技术，有效降低了噪声干扰，提高了记录信号的质量；同时，利用源端信号处理减少了电位漂移，进一步提升了信号质量。这充分证明了使用简单硬件测量低幅度 ERG 信号并无线传输至智能手机的可行性，为增强 ERG 信号质量提供了概念验证。

（二）讨论

新型无线 ERG 记录模块在性能上与商用设备相当，且在噪声和漂移控制方面表现更优。该系统体积小巧（仅 50×30mm，重量不足 300g）、便于携带，集成蓝牙低功耗协议的微控制器实现了无线控制和数据传输，为技术人员操作和患者检测带来了极大便利。

从临床应用角度看，无线系统记录的信号质量与商用系统可比，诊断能力相当。其突出优势在于显著降低了偏移电位漂移，这得益于输入放大器的适当输入偏置电流补偿配置。同时，源端信号处理中的数字化和无线传输避免了电极传输线，进一步减少了工频噪声干扰。在噪声干扰较大的情况下，无线系统的抗噪性能优势明显，有效提高了 ERG 信号记录的性能和精度，增强了临床诊断的可靠性。

然而，本研究存在一定局限性，目前数据仅来源于动物实验，尚未在人体进行记录。虽然麻醉小鼠模型广泛应用于电生理学研究，能提供可控实验条件以获得稳定可重复的结果，对新型设备的初步性能评估至关重要，但麻醉剂可能改变动物生理反应，且不同物种存在差异。不过，以往研究表明不同物种（包括人类）的 ERG 波形结构、功能与组织学数据的相关性以及衰老效应具有一致性，为研究结果向人体应用转化提供了支持。

总体而言，新型 ERG 记录系统未来有望显著改善临床 ERG 记录。其不仅能提高信号质量，无线设备的便携性和智能手机应用程序的配合使用，还将增加患者检测时的活动自由度和舒适度，简化的系统设计也降低了硬件的制造和维护成本，提高了成本效益。后续研究计划在临床患者记录中进一步验证该系统，推动其在临床实践中的广泛应用。