A method is described to quantify the quality of visual information processing based on reflexive eye movements in response to specific visual modalities. Reaction times and fixation output parameters are used to characterize visual performance in children with and without visual impairments from 6 months of age.
Visual problems that occur early in life can have major impact on a child’s development. Without verbal communication and only based on observational methods, it is difficult to make a quantitative assessment of a child’s visual problems. This limits accurate diagnostics in children under the age of 4 years and in children with intellectual disabilities. Here we describe a quantitative method that overcomes these problems. The method uses a remote eye tracker and a four choice preferential looking paradigm to measure eye movement responses to different visual stimuli. The child sits without head support in front of a monitor with integrated infrared cameras. In one of four monitor quadrants a visual stimulus is presented. Each stimulus has a specific visual modality with respect to the background, e.g., form, motion, contrast or color. From the reflexive eye movement responses to these specific visual modalities, output parameters such as reaction times, fixation accuracy and fixation duration are calculated to quantify a child’s viewing behavior. With this approach, the quality of visual information processing can be assessed without the use of communication. By comparing results with reference values obtained in typically developing children from 0-12 years, the method provides a characterization of visual information processing in visually impaired children. The quantitative information provided by this method can be advantageous for the field of clinical visual assessment and rehabilitation in multiple ways. The parameter values provide a good basis to: (i) characterize early visual capacities and consequently to enable early interventions; (ii) compare risk groups and follow visual development over time; and (iii), construct an individual visual profile for each child.
Forekomsten af Brain Damage-relaterede synsproblemer hos børn er steget. Fordi visuelle problemer kan have stor indflydelse på et barns udvikling, tidlig påvisning i unge spædbørn og børn i risiko er meget vigtigt. På nuværende tidspunkt visuelle funktionstest vurdere visuelle sensoriske funktioner såsom synsstyrke og kontrast følsomhed (f.eks optotype tests) er gældende hos børn fra 1-2 års alderen 1. I yngre børn disse tests er baseret på strukturerede observationer af et barns visning adfærd til visuel information. Fortolkningen af en sådan adfærd, dvs. ved at se på et barns øjenbevægelser, kan blive hæmmet af oculomotor eller koncentrationsproblemer dysfunktioner af barnet, eller endda ved at se adfærd på den observatør. Cerebrally medierede visuelle funktioner såsom visuospatial hukommelse og objekt anerkendelse vurderes med visuel perception tests (f.eks DTVP 2). Disse tests kræver verbale instructions og kommunikation og kan bruges fra 4-5 år. I betragtning af den postnatale udvikling af det visuelle system og til at drage fordel af den høje plasticitet tidligt i livet, er det ønskeligt at etablere tilstedeværelsen og omfanget af nedskrivninger i visuel informationsbehandling så tidligt som muligt. På den måde kan børn med (cerebrale) synshandicap maksimalt gavn af tidlig indgriben, visuel stimulation, eller støttende strategier. Der er derfor et behov for en metode til vurdering af visuel informationsbehandling, der kan anvendes uden verbal kommunikation hos børn og som er baseret på kvantitative resultater.
Bevægelser Eye er en god model til at studere visuelt guidet orienterende adfærd på stimuli 3,4 og beslægtede perceptuelle og kognitive funktioner 5. bevægelser Eye angiver fokus for visuel opmærksomhed i scener, og er kendt for at resultere enten fra bottom-up (refleksiv, prominens-drevet) eller fra top-down (intentional, kognitiv) fremgangsmåder 6. Bevægelser Eye bruges til at dirigere fovea, dvs skarphed af synet, at nye objekter. Den visuelle indhold af et objekt af interesse behandles via veje, der løber fra nethinden via den laterale geniculate nucleus til primære visuelle cortex (V1), og at distribuere sig selv over cerebrale forarbejdningsområder (fx involveret i opmærksomhed, rumlig orientering, anerkendelse, hukommelse, og følelser). bevægelser Eye er både en forudsætning for og en efterfølger til visuel informationsbehandling.
Udviklingen i målingen af øjenbevægelser med infrarøde øje trackers giver mulighed for at få kvantitative parametre for oculomotor og synsfunktion. Automatiserede øje trackers er i dag allestedsnærværende i medicinsk og psykologisk forskning med sunde og kliniske populationer. Deres formål er ikke kun at studere oculomotor funktion og tildeling opmærksomhed 7, men også at besvare spørgsmål ABOut adfærdsmæssige og psykologiske mekanismer 8,9. Med fremkomsten af tilgængelige og kommercielle eyetracking-systemer, er de i stigende grad bruges til at teste sårbare bestande af spædbørn og børn 10-12, uden begrænsende betingelser, komplekse instruktioner, eller aktivt samarbejde 12,13. På grund af den tætte kobling af oculomotor og visuelle system på en okulær og cerebral niveau, eye tracking-baserede metoder er i særlig grad egnet til at vurdere visuelle kapacitet. Hidtil foruden måling af synsskarphed 14 er anvendelsen af teknikken ved vurderingen synsfunktionen hos børn ofret megen opmærksomhed.
Vores gruppe har kombineret øjenbevægelser målinger med en privilegeret udseende paradigme 13. Differentieret leder er præference til fiksere mønstrede overflader i homogene dem 15. Dette princip anvendes ved hjælp af visuelle stimuli med et målområde i en af fire kvadranter, som diffis fra baggrunden i form af en bestemt visuel effekt, f.eks sammenhængende form sammenhængende bevægelse, kontrast og farve. Disse visuelle træk er kendt for at blive behandlet af separate perifere og centrale visuelle veje. For eksempel er information om form behandles af ventrale veje, fra V1 til den tidsmæssige cortex. Information om bevægelse behandles af dorsale veje, fra V1 til posterior parietal cortex 16. Derfor er specifikke stimuli anvendt til at udløse visuel informationsbehandling i forskellige områder af det visuelle system. Hvis et barn er i stand til at se den specifikke visuelle oplysninger, der præsenteres, vil disse oplysninger tiltrække visuel opmærksomhed i form af øjenbevægelser. Disse refleksive øjenbevægelser reaktioner på de visuelle stimuli registreres med en fjernbetjening infrarødt øje tracker. På den måde, øjenbevægelser foranstaltninger giver en meddelelse gratis vurdering af kvaliteten af forskellige aspekter af visuel informationsbehandling 13.
Bevægelser Eye giver ikke kun observationsdata af et barns visning adfærd 11, men kan også bruges til mere objektive resultatmål. I kombination med en omhyggeligt designet test paradigme, kan øjenbevægelser giver præcis og objektiv information om visuel informationsbehandling. Denne information fås ved at beregne kvantitative parametre baseret på temporale og rumlige egenskaber af øjenbevægelser svar. Eksempler på sådanne parametre er reaktionstid 13, fiksering tid 17, saccade målinger 7 eller kumulative opmærksomhed tildeling 18. Tilgængeligheden af disse parametre er ny i området for visuel bedømmelse hos børn i en ung udviklingsstadiet.
Målet med denne artikel er at præsentere en eyetracking-baserede metode til at måle visuel informationsbehandling hos børn i alderen fra 6 måneder. Målingen opsætning og procedure (dvs. nonverbal paradigme, post-kalibrering og Mobilty) specifikt gælder for at bruge denne metode i udsatte børn. Et afgørende aspekt er analysen af kvantitative visuelle respons parametre, dvs. reaktionstid, fiksering varighed og fiksering nøjagtighed. Disse parametre bruges til at give referenceområder for visuelt guidede reaktioner i typisk udviklede børn, til at karakterisere visuel informationsbehandling i risikogrupper grupper af børn med synshandicap.
Den præsenterede måling set-up kombineret med kvantitativ øjenbevægelser analyse giver en distinkt karakterisering af visuelle behandling funktioner i forskellige grupper af børn med oculomotor og synshandicap. Det centrale element i dette paradigme er, at ydeevnen er baseret på øjenbevægelser reaktioner på visuelle stimuli, der er udløst i en refleksiv måde. Ingen specifikke verbale instruktioner gives, og der er ikke behov for børn at verbalt reagere. Den parametre RTF, GFA og FD viser signifikante forskelle mellem grupper af typisk developing- og svagsynede børn, trods den begrænsede udbredelse af parameterværdier, der findes i hver gruppe (figur 4 – 6). Afhængig af den evaluerede parameter, kan nogle typisk udviklingslande børn viser afvigende ydelse, mens nogle børn med synshandicap viser 'normale' ydeevne. I sidste ende, flere effektmål som reaktion på flere visuellemodaliteter bør overvejes på et individuelt niveau. En oversigt over alle resultatmål giver en unik karakteristik af visuelle informationer forarbejdningskapacitet, som kan omdannes i en visuel profil hos børn fra 6 måneders alderen.
Flere undersøgelser har vist værdien af remote eye tracking i sårbare populationer af børn, for at udlede opmærksomhedsgraden eller psykologiske kapacitet 9,12,18. Mens de fleste undersøgelser er afhængige af adfærdsmæssige observationer og brug af instruktioner, et særligt træk ved den nuværende paradigme er den nonverbale, kvantitativ tilgang. Kritiske skridt i protokollen omfatter derfor de stimuli, der er baseret på fortrinsret leder, den mobile måling opsætning og den brugerdefinerede kalibrering og analyse software. Den præsenterede udvidelse af observation-baserede resultater med udførlige analysemetoder giver standardiserede og detaljerede resultater på visuelle databehandlingsfunktioner. Dette er i tråd med arbejdet om vurdering afspædbarn synsstyrke med øje tracker 14, og arbejde på blik kontrol i forskellige lidelser 7. Metoden er fleksibel og muliggør mobil vurdering, som er uundværlig, når du udfører kliniske vurderinger i små børn eller børn med multiple funktionsnedsættelser. Derfor er det velegnet til at måle oculomotor og visuelle forarbejdningskapacitet i stort set alle børn, der er i stand til at se en skærm.
Betydningen af denne metode i forhold til eksisterende visuelle diagnostiske metoder (dvs. validitet) er blevet undersøgt som et første skridt i retning af klinisk implementering. Den foreliggende paradigme blev kombineret med for tiden anvendte synsfunktion vurdering (VFA) hos børn. Observationer af oculomotor og visuelle funktioner, der er baseret på øjenbevægelser optagelser var sammenlignelige med standard adfærdsmæssige observationer af disse funktioner. Desuden øje sporingsparametre fx fiksering varighed og saccadiske retning, forudsat annoncenelle værdi i at karakterisere oculomotor og visuel præstation i børn under VFA (Kooikeren MJG et. al., 2015, indsendt). Den største gevinst af præsenterede metode ligger i muligheden for at vurdere flere visuelle funktioner, end der i øjeblikket sker i synsfunktionen vurderinger i en ung alder, og vurdere dem på en kvantitativ måde 26. En begrænsning med hensyn til de eksisterende metoder er, at uden tilpasninger, ikke er det endnu ikke muligt at foretage en grundig vurdering af visuel skarphed eller synsfelt med den nuværende test batteri 14.
Selvom vi begrænset os til præsentation af resultater fra tegneserie stimuli, i fremtidige applikationer forskellige visuelle modaliteter kan testes ved hjælp af andre stimuli (fx forskellige former, bevægelse, farve og kontrast information) 22,20,25. På den måde er specifikke visuelle forarbejdning områder uden de primære visuelle veje målrettet, såsom visuelle forening områder i tidsmæssig eller parietal cortex.En begrænsning ved metoden er, at de foreliggende visuelle stimuli blot udløse påvisning af visuelt input, og påberåbe den indledende fase af visuel forarbejdning. Disse stimuli ikke målrette højere orden funktioner, der bliver relevant efter stimulus afsløring og at der normalt måles med visuel perception tests. Selv om deres henrettelse uden brug af kommunikation er en udfordring, en eyetracking-baserede paradigme er en lovende fremtid format til påvisning af opfattelsen-relaterede oplysninger, f.eks visuel søgning, -Memory eller -selektiv opmærksomhed.
I summen, detaljerede øjenbevægelser reaktioner på forskellige former for visuel stimulation give en samlet karakteristik af visuelle databehandlingsfunktioner, tidligt i udviklingen. Derfor for hvert barn kan oprettes en individuel visuel profil i form af intakte og værdiforringede funktioner. En sådan profil kan give detaljerede oplysninger om styrker og svagheder i oculomotor og visuelfungere. Det kan anvendes som udgangspunkt for støtte i dagligdagen og til lærer og pårørende uddannelse. De kvantitative oplysninger, der er kommet frem med denne metode kan være fordelagtigt for følgende visuelle udvikling over tid, og til overvågning af visuelle interventioner og rehabiliteringsprogrammer.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank daycare centers (Wasko, Alblasserwaard) for their support in recruiting the control group, and Mark Vonk for his help in data collection in the control group. The authors also thank the children from the control group and the children who are clients from Royal Dutch Visio for participation in the study. The authors are grateful to the children and their parents for participation in the video.
The development of the method was supported by a grant from the Novum Foundation: a non-profit organization providing financial support to (research) projects that improve the quality of life of individuals with a visual impairment (www.stichtingnovum.org). Financial support for the current study was provided by ‘ZonMw Inzicht’ (Netherlands Organization for Health Research and Development-Insight Society), grant number: 60-00635-98-10.
Tobii T60 XL | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/ | remote infrared eye tracker |
Tobii Studio | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/ | eye tracker software |
MATLAB | MathWorks Inc | http://nl.mathworks.com/products/matlab/ | data analysis software |