القياس الكمي للاستجابات الحركية للعين والتكيف من خلال مجموعات أدوات الأجهزة والتحليل
Summary
VisualEyes2020 (VE2020) هي لغة برمجة نصية مخصصة تقدم وتسجل وتزامن محفزات حركة العين البصرية. يوفر VE2020 محفزات لحركات العين المترافقة (الأكياس والسعي السلس) ، وحركات العين غير المترافقة (التقارب) ، والإقامة ، ومجموعات من كل منها. يعمل برنامجان للتحليل على توحيد معالجة البيانات من أنظمة تتبع العين وتسجيل الإقامة.
Abstract
من خلال التحفيز الهادف وتسجيل حركات العين ، يمكن ملاحظة الخصائص الأساسية للآليات العصبية الأساسية لحركات العين. تم تطوير VisualEyes2020 (VE2020) بناء على عدم وجود تحفيز بصري قائم على البرامج قابل للتخصيص متاح للباحثين الذين لا يعتمدون على المحركات أو المحركات داخل منظار الفردوسكوب التقليدي. تم تطوير هذه الأداة والمنهجية الجديدة لتكوين منظار الفردوسيوم الجديد باستخدام كل من أنظمة تتبع العين والانكسار الذاتي. يوفر برنامج التحليل الذي يتيح التحليل المتزامن لحركة العين والاستجابات التكيفية للباحثين والأطباء السريريين بيئة قابلة للتكرار وأداة قابلة للمشاركة. تم إنشاء برنامج تحليل حركة العين (VEMAP) التابع لمختبر الرؤية والهندسة العصبية (VNEL) لمعالجة التسجيلات التي تنتجها أجهزة تتبع العين في VE2020 ، بينما تم إنشاء برنامج تحليل الحركة التكيفي (AMAP) لمعالجة مخرجات التسجيل من نظام الانكسار الذاتي المقابل. يدرس VNEL ثلاثة محفزات أساسية: التكيف (التغيرات المدفوعة بالضبابية في تحدب العدسة داخل العين) ، والتقارب (الداخل ، الدوران المتقارب والخارج ، الدوران المتباعد للعينين) ، والأكياس (حركات العين المترافقة). يستخدم VEMAP و AMAP عمليات تدفق بيانات مماثلة ، وتفاعلات المشغل اليدوية ، والتدخلات عند الضرورة ؛ ومع ذلك ، فإن منصات التحليل هذه تعزز إنشاء مجموعة برامج موضوعية تقلل من اعتماد المشغل. تسمح فائدة الواجهة الرسومية والخوارزميات المقابلة لها بإجراء مجموعة واسعة من التجارب المرئية مع الحد الأدنى من خبرة الترميز السابقة المطلوبة من مشغلها (مشغليها).
Introduction
يعد التنسيق المنسق بين مجهر والاستجابات التكيفية والحركية المناسبة للمنبهات البصرية من الجوانب الحاسمة في الحياة اليومية. عندما يكون الفرد قد قلل من سرعة استجابة حركة العين المتقاربة ، والتي يتم قياسها من خلال تسجيل حركة العين ، يمكن إدراك الرؤية المزدوجة (شفع) 1,2. علاوة على ذلك ، أفاد التحليل التلوي لأدبيات كوكرين أن المرضى الذين يعانون من اختلالات وظيفية حركية للعين ، في محاولة للحفاظ على رؤية مجهر طبيعية ، يعانون من أعراض بصرية مشتركة بشكل شائع ، بما في ذلك عدم وضوح الرؤية / ازدواجها ، والصداع ، وإجهاد / إجهاد العين ، وصعوبة القراءة بشكل مريح3. حركات العين المترافقة السريعة (saccades) ، عندما تكون ناقصة ، يمكن أن تقلل من الاستجابة أو الإفراط في الاستجابة للأهداف البصرية ، مما يعني أن هناك حاجة إلى مزيد من الأكياس المتسلسلة لتصحيح هذا الخطأ4. يمكن أيضا الخلط بين هذه الاستجابات الحركية للعين من خلال النظام التكيفي ، حيث يؤدي التركيز غير الصحيح للضوء من العدسة إلى حدوث ضبابية5.
تتطلب مهام مثل القراءة أو العمل على الأجهزة الإلكترونية تنسيق الأنظمة الحركية والإيوائية. بالنسبة للأفراد الذين يعانون من حركة العين مجهر أو اختلالات التكيف ، فإن عدم القدرة على الحفاظ على الانصهار مجهر (واحد) والرؤية الحادة (الواضحة) يقلل من نوعية حياتهم وإنتاجيتهم الإجمالية. من خلال إنشاء منهجية إجرائية لتسجيل هذه الأنظمة كميا بشكل مستقل ومتضافر من خلال تشكيلات الأجهزة القابلة للتكرار والتحليل الموضوعي ، يمكن فهم الخصائص المميزة حول التأقلم مع أوجه القصور المحددة. يمكن أن تؤدي القياسات الكمية لحركات العين إلى تشخيصات أكثر شمولا6 مقارنة بالطرق التقليدية ، مع إمكانية التنبؤ باحتمال العلاج من خلال التدخلات العلاجية. توفر مجموعة تحليل الأجهزة والبيانات هذه نظرة ثاقبة لفهم الآليات الكامنة وراء معايير الرعاية الحالية ، مثل علاج الرؤية ، والتأثير طويل المدى الذي قد يحدثه التدخل (التدخلات) العلاجية على المرضى. قد يوفر تحديد هذه الاختلافات الكمية بين الأفراد الذين يعانون من رؤية مجهر طبيعية أو بدونها استراتيجيات علاجية شخصية جديدة ويزيد من فعالية العلاج بناء على قياسات النتائج الموضوعية.
حتى الآن ، لا توجد منصة واحدة متاحة تجاريا يمكنها تحفيز بيانات حركة العين وتسجيلها كميا في وقت واحد مع استجابات موضعية وسرعة ملائمة مقابلة يمكن معالجتها بشكل أكبر كتدفقات بيانات منفصلة (حركة العين واستيعابها). حددت تحليلات معالجة الإشارات للاستجابات الموضعية والسرعة التكيفية والحركية للعين على التوالي الحد الأدنى لمتطلبات أخذ العينات بحوالي 10 هرتز7 ومعدل أخذ العينات المقترح بين 240 هرتز و 250 هرتز لحركات العين الساكدية 8,9. ومع ذلك ، فإن معدل Nyquist لحركات العين التقارب لم يتم تحديده بعد ، على الرغم من أن التقارب أقل من حيث الحجم في سرعة الذروة من حركات العين الصخرية. ومع ذلك ، هناك فجوة في الأدبيات الحالية المتعلقة بتسجيل حركة العين وتكامل منصة أجهزة الانكسار التلقائي. علاوة على ذلك ، فإن القدرة على تحليل استجابات حركة العين الموضوعية مع استجابات الإقامة المتزامنة لم تكن مفتوحة المصدر بعد. ومن ثم ، تناول مختبر الرؤية والهندسة العصبية (VNEL) الحاجة إلى الأجهزة والتحليل المتزامن من خلال إنشاء VE2020 ومجموعتين من برامج معالجة الإشارات غير المتصلة بالإنترنت لتحليل حركات العين والاستجابات التكيفية. VE2020 قابل للتخصيص عبر إجراءات المعايرة وبروتوكولات التحفيز للتكيف مع مجموعة متنوعة من التطبيقات من العلوم الأساسية إلى السريرية ، بما في ذلك مشاريع أبحاث الرؤية ثنائية العينين حول قصور / زيادة التقارب ، وقصور / زيادة التباعد ، والقصور / الفائض التكيفي ، والاختلالات ثنائية العينين المرتبطة بالارتجاج ، والحول ، والحول ، والرأرأة. يتم استكمال VE2020 ب VEMAP و AMAP ، والتي توفر لاحقا قدرات تحليل البيانات لهذه العيون المحفزة والحركات التكيفية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تطبيقات المنهج في البحث
تتضمن الابتكارات من برنامج VisualEyes2020 الأولي (VE2020) قابلية توسيع VE2020 للعرض على شاشات متعددة مع محفز مرئي واحد أو عدة محفزات ، مما يسمح بالتحقيق في الأسئلة العلمية التي تتراوح من القياس الكمي لمكونات مادوكس للتقارب18 إلى تأثير تشتيت الأهداف على ا?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة منحة R01EY023261 إلى TLA ومنحة Barry Goldwater وجائزة الدكتوراه NJIT Provost إلى SNF
Materials
| Analog Terminal Breakout Box | National Instruments | 2090A | |
| Convex-Sphere Trial Lens Set | Reichert | Portable Precision Lenses | Utilized for autorefractor calibration |
| Graphics Cards | – | – | Minimum performance requirement of GTX980 in SLI configuration |
| ISCAN Eye Tracker | ISCAN | ETL200 | |
| MATLAB | MathWorks | v2022a | AMAP software rquirement |
| MATLAB | MathWorks | v2015a | VEMAP software requirement |
| Microsoft Windows 10 | Microsoft | Windows 10 | Required OS for VE2020 |
| Plusoptix PowerRef3 Autorefractor | Plusoptix | PowerRef3 | |
| Stimuli Monitors (Quantity: 4+) | Dell | Resolution 1920×1080 | Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations |
References
- Alvarez, T. L., et al. Disparity vergence differences between typically occurring and concussion-related convergence insufficiency pediatric patients. Vision Research. 185, 58-67 (2021).
- Alvarez, T. L., et al. Underlying neurological mechanisms associated with symptomatic convergence insufficiency. Scientific Reports. 11, 6545 (2021).
- Scheiman, M., Kulp, M. T., Cotter, S. A., Lawrenson, J. G., Wang, L., Li, T. Interventions for convergence insufficiency: A network meta-analysis. The Cochrane Database of Systematic Reviews. 12 (12), (2020).
- Semmlow, J. L., Chen, Y. F., Granger-Donnetti, B., Alvarez, T. L. Correction of saccade-induced midline errors in responses to pure disparity vergence stimuli. Journal of Eye Movement Research. 2 (5), (2009).
- Scheiman, M., Wick, B. . Clinical Management of Binocular Vision., 5th Edition. , (2019).
- Kim, E. H., Vicci, V. R., Granger-Donetti, B., Alvarez, T. L. Short-term adaptations of the dynamic disparity vergence and phoria systems. Experimental Brain Research. 212 (2), 267-278 (2011).
- Labhishetty, V., Bobier, W. R., Lakshminarayanan, V. Is 25Hz enough to accurately measure a dynamic change in the ocular accommodation. Journal of Optometry. 12 (1), 22-29 (2019).
- Juhola, M., et al. Detection of saccadic eye movements using a non-recursive adaptive digital filter. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 21 (2), 81-88 (1985).
- Mack, D. J., Belfanti, S., Schwarz, U. The effect of sampling rate and lowpass filters on saccades – A modeling approach. Behavior Research Methods. 49 (6), 2146-2162 (2017).
- Ghahghaei, S., Reed, O., Candy, T. R., Chandna, A. Calibration of the PlusOptix PowerRef 3 with change in viewing distance, adult age and refractive error. Ophthalmic & Physiological Optics. 39 (4), 253-259 (2019).
- Guo, Y., Kim, E. L., Alvarez, T. L. VisualEyes: A modular software system for oculomotor experimentation. Journal of Visualized Experiments. (49), e2530 (2011).
- Convergence Insufficiency Treatment Trial Study Group. Randomized clinical trial of treatments for symptomatic convergence insufficiency in children. Archives of Ophthalmology. 126 (10), 1336-1349 (2008).
- Borsting, E., et al. Association of symptoms and convergence and accommodative insufficiency in school-age children. Optometry. 74 (1), 25-34 (2003).
- Sheard, C. Zones of ocular comfort. American Journal of Optometry. 7 (1), 9-25 (1930).
- Hofstetter, H. W. A longitudinal study of amplitude changes in presbyopia. American Journal of Optometry and Archives of American Academy of Optometry. 42, 3-8 (1965).
- Donders, F. C. . On the Anomalies of Accommodation and Refraction of the Eye. , (1972).
- Sravani, N. G., Nilagiri, V. K., Bharadwaj, S. R. Photorefraction estimates of refractive power varies with the ethnic origin of human eyes. Scientific Reports. 5, 7976 (2015).
- Maddox, E. E. . The Clinical Use of Prisms and the Decentering of Lenses. , (1893).
- Yaramothu, C., Santos, E. M., Alvarez, T. L. Effects of visual distractors on vergence eye movements. Journal of Vision. 18 (6), 2 (2018).
- Borsting, E., Rouse, M. W., De Land, P. N. Prospective comparison of convergence insufficiency and normal binocular children on CIRS symptom surveys. Convergence Insufficiency and Reading Study (CIRS) group. Optometry and Vision Science. 76 (4), 221-228 (1999).
- Maxwell, J., Tong, J., Schor, C. The first and second order dynamics of accommodative convergence and disparity convergence. Vision Research. 50 (17), 1728-1739 (2010).
- Alvarez, T. L., et al. The Convergence Insufficiency Neuro-mechanism in Adult Population Study (CINAPS) randomized clinical trial: Design, methods, and clinical data. Ophthalmic Epidemiology. 27 (1), 52-72 (2020).
- Leigh, R. J., Zee, D. S. . The Neurology of Eye Movements. , (2015).
- Alvarez, T. L., et al. Clinical and functional imaging changes induced from vision therapy in patients with convergence insufficiency. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, 104-109 (2019).
- Scheiman, M. M., Talasan, H., Mitchell, G. L., Alvarez, T. L. Objective assessment of vergence after treatment of concussion-related CI: A pilot study. Optometry and Vision Science. 94 (1), 74-88 (2017).
- Yaramothu, C., Greenspan, L. D., Scheiman, M., Alvarez, T. L. Vergence endurance test: A pilot study for a concussion biomarker. Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2200-2212 (2019).
