正弦光栅用于成人对比敏感度量测之研究

Hans Journal of Ophthalmology 眼科学, 2020, 9(2), 125-142

Published Online June 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjo https://doi.org/10.12677/hjo.2020.92016

A Study on the Measurement of Contrast Sensitivity in Adults with Sinusoidal Grating

Der-Chin Chen1*, Feng-Ming Yeh2, Yu-Chun Tseng3

12

Department of Electrical Engineering, Fen Chia University, Taichung Taiwan

Department of Optometry, Yuan Pei University of Medical Technology, Hsinchu Taiwan 3

Professional Master’s Program of Optometry Science and Technology, Feng Chia University, Taichung Taiwan

thstth

Received: Apr. 17, 2020; accepted: May 1, 2020; published: May 14, 2020

Abstract

In this study, the resolution and physiological function of the eye vision system were measured by using the sinusoidal grating eye charts with different spatial frequencies and contrasts, and the measurement technology of contrast sensitivity function was established. In general, the visual acuity of the macula of the subject is tested with high contrast eye charts, which cannot objectively obtain the real response of the subject to the contrast sensitivity of the gradient black and white and the detail part of the object. The complete curve distribution of contrast sensitivity function of normal vision people is inverted “U” higher than inverted “U” means better, lower than inverted “U” means worse. In this experiment, 16 elderly subjects with a vision of 1.0 were selected. The con-trast sensitivity test values of the subjects were low in the low, medium and high frequency areas of the inverted \optical characteristics of the refractive media of the eyes decreased, the ability of retinal resolu-tion weakened and the photoreceptor cells gradually withered, which made it impossible to obtain the normal inverted “U” response.

Keywords

Contrast Sensitivity Function, Spatial Frequency, Vision Examination

正弦光栅用于成人对比敏感度量测之研究

陈德请1*，叶丰铭2，曾于钧3

12

逢甲大学电机工程学系，台湾 台中 元培医事科技大学视光系，台湾 新竹 3

逢甲大学视光科技碩士在职学位学程，台湾 台中

*通讯作者。

文章引用: 陈德请, 叶丰铭, 曾于钧. 正弦光栅用于成人对比敏感度量测之研究[J]. 眼科学, 2020, 9(2): 125-142. DOI: 10.12677/hjo.2020.92016

陈德请 等

收稿日期：2020年4月17日；录用日期：2020年5月1日；发布日期：2020年5月14日

摘 要

本研究利用不同空间频率与对比度的正弦光栅视标，量测眼睛视觉系统的分辨力与生理功能，建立成人对比敏感度(Contrast Sensitivity Function)量测技术。一般视力检查采用较高对比度视标对受测者黄斑部做视力检查，无法客观获得受测者对物体的渐层黑白与微细部分的对比敏感度真实反应。正常视力对比敏感度函数完整曲线分布为倒“U”型，高于倒“U”型表示优，低于倒“U”型为不佳。本实验选用视力1.0的16位老年人进行测试，发现受测者对比敏感度测试值在倒“U”带区的低、中及高频区域都偏低。分析原因系老年人随着年龄增长，眼睛屈光介质光学特性下降、视网膜解析能力减弱及感光细胞逐渐凋零，致使无法获得正常倒“U”形反应。

关键词

对比敏感度，空间频率，视力检查

Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Open Access 1. 简介

人类眼睛获得讯息过程中有80%以上是靠视觉处理取得[1]，良好视觉功能不仅是中心视力达1.0，应还包括对不同空间频率的对比敏感度是否正常，一般正常视觉检查中对比敏感度常常被忽略。有些特殊职业工作上更需要做对比敏感度检测，例如飞行员、航海员[2] [3]。人们对事与物的察觉除了清晰外，只以视力表检查视觉功能是不够完备，还需包括不一样对比水平。随着科技进步人类寿命增长，良好视觉功能质量对老年人更是迫切需要，加上社会型态结构改变，生育率下降，未来多数老人即将面临独居生活，视觉功能质量差将影响生活起居上的不方便，如因视觉不良引起碰撞跌倒等因素，进而造成家庭及社会医疗负担。透过视觉功能评估提早预防视觉引起的疾病，提升身体与生活质量是未来急需目标，个人觉得视觉质量比视力1.0重要。视觉功能其实是很复杂的，近年来对比敏感度检查已被广泛用于评价视觉系统疾病上，在视觉检查中是属形觉功能检查的一种，它能快速地发现疾病引起的功能障碍，具有早期诊断的意义。老年人在空间频率相比较之下，中频率区域空间频率反应优于低频率区域与高频率区域，表示视觉对比度及视敏锐度下降。证明对比敏感度随年龄的增长，眼睛屈光介质功能减退，造成老年人对比敏感度下降。

2. 基本原理

眼睛接收外部影像信息，需经过屈光系统才能在视网膜上成像，并透过视网膜感光细胞使产生化学反应，经转化为电流，最后电流集结到神经节细胞，由视神经纤维汇集成束，形成视神经，再藉由视神经传导路径传到大脑皮质接收，解读最后转变成视觉。视神经传导路径(Visual Pathway)依照解剖其构造包含七个部分如图1所示，分别为视网膜(Retina)、视神经(Optic nerve)、视交叉(Optic chiasma)、视束(Optic

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tracts)、外侧膝状体(Lateral geniculate bodies)、视放射(Optic radiations)及大脑视觉皮质(Visual cortical areas) [4] [5]。

Figure 1. Visual neural pathway 图1. 视神经传导路径[4] [5]

2.1. 眼球构造

眼球是十分精密复杂构造，包括三大构造:最外侧是纤维层(fibrous tunic)，中间是血管层(vascular tunic)，内侧是神经层(nervous tunic)。除了眼球相关构造以及眼睛肌，还包括连接到大脑的视神经传导路径与视神经系统。视神经系统再将讯息向后面脑部传递，经过大脑整合处理最后产生视觉。如图2所示

Figure 2. Eye structure 图2. 眼球构造[4] [5]

眼球是由最外层角膜(cornea)、前房(anterior chamber)、后房(posterior chamber)、虹膜(iris)、晶状体(crystalline lens)、玻璃体(vitreous)到眼球最内层视网膜(retina) [4] [5]。角膜(cornea)是透明无血管薄膜，是有弹性而且坚韧的组织，具有保护眼球作用是眼球中最重要屈光结构。前房(anterior chamber)在晶状体前面介于角膜与虹膜之间的位置，前房里面充满了房水。后房(posterior chamber)在晶状体与睫状肌及虹膜所围成的空间位置。由睫状肌分泌房水出来后，再由后房经过瞳孔流到前房。虹膜(iris)中央为圆形瞳孔，是控制光线进入眼睛光量使瞳孔产生扩张与收缩。晶状体(crystalline lens)在瞳孔后面，是透明扁平的椭圆形状，

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由睫状肌控制晶体厚薄度使产生看远近对焦能力。玻璃体(vitreous)无色凝胶状，占总眼球80%容量，主要维持眼球的形状，使光线通过倒影在视网膜上成像。视网膜(retina)眼球最内层，视网膜上感光细胞利用光色素(photo pigment)吸收可见光提供清晰影像转换为神经冲动，刺激视神经(optic nerve)传导到脑部阐释为视觉讯息。视网膜最后面有一个小窝，没有血管称为黄斑部(macula)，这个小窝解剖学上称为黄斑中心窝( fovea central)是视神经最敏锐的部分。

2.2. 感光细胞功能与特性

感光细胞又分为杆状细胞(rod cells)和锥状细胞(cone cells)如图3所示[4] [5]。杆状细胞与锥状细胞各包含外段感旋光性化学物质与细胞核。表1所列为杆状细胞和锥状细胞的两种功能与特性比较表，相关特性简述如下：

1) 杆状细胞功能负责暗视觉(scotopic vision)。杆状细胞的光色素称为视紫质(rhodopsin)是负责夜晚及周边视觉功能。杆状细胞与锥状细胞相比，杆状细胞对光更加敏感对微弱亮光较容易看到，因此极低照明下人类的眼睛仅依赖杆状细胞称为暗视觉，对颜色无法辨别，只有灰阶明暗上的差异。人类眼睛存在约一亿两千五百万杆状细胞，在视网膜的周边无锥状细胞，对周边视野部分有辨色困难。杆状细胞损伤会产生夜盲。

2) 锥状细胞功能:负责明视觉(photopic vision)，人类眼睛视网膜内的锥状细胞约有七百万，多数集中在视网膜中央中心窝(fovea)位置，负责彩色视觉。锥状细胞分三种不同光色素接受器，接收来自光谱中的红、绿、蓝波长的色光带，吸收高峰值主要在440 nm、540 nm、570 nm处，人类眼睛所见物体颜色，由此三色组合成为视觉彩色范围。在明亮下出现色彩视觉称明视觉。锥状细胞功能下降或失去会产生色盲。

Figure 3. Types of photoreceptors 图3. 感光细胞种类[4] [5]

Table 1. Characteristics of photoreceptors 表1. 感光细胞特性

杆状细胞的特性 暗(夜晚)视觉 暗适应 视敏锐度不佳 暗视觉无色彩(黑白)

集中在视网膜周边(一亿两千五百万个)

锥状细胞的特性 亮(白天)视觉 亮适应 视敏锐度佳 明视觉有彩色 集中在中心窝(七百万个)

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2.3. 视力检查

视力检查是眼睛最基本的视觉功能检查项目，它是测量眼睛对二维物体形状的分辨能力，代表视网膜上黄斑部中心窝对最小物体的成像能力。

视力(Visual Acuity)定义为眼睛侦测物体的存在及辨识分析物体型态和细部构造的能力，称为视力。视力在临床上常用一个实际的数量来表示，表2所列为分数与小数表示法。

Table 2. Visual representations of fraction and decimal 表2. 分数与小数视力表示法

分数 20/20 20/40 20/200

小数 1.0 0.5 0.1

视力又分中心视力与周边视力简述如下：

1) 中心视力又称直接视力，是视觉机能最敏锐的视力，在视网膜黄斑部中心窝，视线方向之物体，眼睛能清晰辨识之视力。

2) 周边视力又称间接视力，视觉机能较差而且弱的视力，在黄斑部中心窝5度以外的视网膜部位。 眼睛判断物体影像清晰度，是受影像大小成像在视网膜上决定，物体大小与眼睛距离息息相关。眼睛与物体距离愈远，分辨率愈小，愈难分辨。在适当距离正常眼睛能辨识两点之间的最小解析角度称为视角。视力表中1.0视标就是以1分视角(1’)为单位进行设计有效的检测视力，整个E字为5分视角，线宽1分如图4所示[6]。

(https://webvision.med.utah.edu/book/part-viii-psychophysics-of-vision/visual-acuity/)

Figure 4. Visual angle 图4. 视角[6]

最小可解析视角计算方法，用5分角视角表示，20/40是指视标设计距离为40英尺，而测试距离在20英尺处，其对应为10分角。E字形状视标以一分视角制作，表3所列为最小视角与E字形状视标相关参数关系。

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