Quantificação das respostas oculomotoras e acomodação através de instrumentação e caixas de ferramentas de análise
Summary
VisualEyes2020 (VE2020) é uma linguagem de script personalizada que apresenta, registra e sincroniza estímulos de movimento visual dos olhos. O VE2020 fornece estímulos para movimentos oculares conjugados (sacadas e perseguição suave), movimentos oculares desconjugados (vergência), acomodação e combinações de cada um. Dois programas de análise unificam o processamento de dados dos sistemas de rastreamento ocular e registro de acomodação.
Abstract
Através da estimulação proposital e do registro dos movimentos oculares, as características fundamentais dos mecanismos neurais subjacentes aos movimentos oculares podem ser observadas. O VisualEyes2020 (VE2020) foi desenvolvido com base na falta de estimulação visual baseada em software personalizável disponível para pesquisadores que não dependem de motores ou atuadores dentro de um haploscópio tradicional. Este novo instrumento e metodologia foram desenvolvidos para uma nova configuração de haploscópio utilizando sistemas de rastreamento ocular e auto-refrator. O software de análise que permite a análise sincronizada do movimento ocular e das respostas acomodativas fornece aos pesquisadores e clínicos da visão um ambiente reprodutível e uma ferramenta compartilhável. O Programa de Análise de Movimento Ocular (VEMAP) do Laboratório de Engenharia Neural e Visão (VNEL) foi criado para processar gravações produzidas pelos rastreadores oculares do VE2020, enquanto o Programa de Análise de Movimento Acomodativo (AMAP) foi criado para processar as saídas de gravação do sistema autorefrator correspondente. O VNEL estuda três estímulos principais: acomodação (mudanças dirigidas por borrões na convexidade da lente intraocular), vergência (para dentro, rotação convergente e para fora, rotação divergente dos olhos) e sacádicos (movimentos oculares conjugados). O VEMAP e o AMAP utilizam processos de fluxo de dados semelhantes, interações manuais do operador e intervenções quando necessário; No entanto, essas plataformas de análise avançam no estabelecimento de um pacote de software objetivo que minimiza a confiança do operador. A utilidade de uma interface gráfica e seus algoritmos correspondentes permitem que uma ampla gama de experimentos visuais seja conduzida com o mínimo de experiência prévia de codificação necessária de seu(s) operador(es).
Introduction
A coordenação binocular concertada e as respostas acomodativas e oculomotoras adequadas aos estímulos visuais são aspectos cruciais da vida diária. Quando um indivíduo apresenta velocidade de resposta do movimento ocular de convergência reduzida, quantificada por meio do registro dos movimentos oculares, a visão duplicada (diplopia) pode ser percebida 1,2. Além disso, uma meta-análise da literatura Cochrane relatou que pacientes com disfunções oculomotoras, tentando manter a visão binocular normal, experimentam sintomas visuais comumente compartilhados, incluindo visão turva/dupla, cefaleias, estresse/esforço ocular e dificuldade de leitura confortável3. Os movimentos oculares conjugados rápidos (sacadas), quando deficientes, podem responder pouco ou sobre-responder aos alvos visuais, o que significa que mais sacádicos sequenciais são necessários para corrigir esse erro4. Essas respostas oculomotoras também podem ser confundidas pelo sistema acomodativo, no qual a focalização inadequada da luz do cristalino gera desfoque5.
Tarefas como ler ou trabalhar em dispositivos eletrônicos exigem coordenação dos sistemas oculomotor e acomodativo. Para indivíduos com movimento ocular binocular ou disfunções acomodativas, a incapacidade de manter a fusão binocular (única) e a visão aguda (clara) diminui sua qualidade de vida e produtividade geral. Ao estabelecer uma metodologia processual para o registro quantitativo desses sistemas de forma independente e concertada, por meio de configurações de instrumentação repetíveis e análise objetiva, características distintivas sobre a aclimatação a deficiências específicas podem ser compreendidas. Medidas quantitativas dos movimentos oculares podem levar a diagnósticos maisabrangentes6 em comparação aos métodos convencionais, com potencial para predizer a probabilidade de remediação por meio de intervenções terapêuticas. Este conjunto de instrumentação e análise de dados fornece informações para a compreensão dos mecanismos por trás dos padrões atuais de tratamento, como a terapia da visão, e o efeito de longo prazo que a(s) intervenção(ões) terapêutica(s) pode ter nos pacientes. Estabelecer essas diferenças quantitativas entre indivíduos com e sem visão binocular normal pode fornecer novas estratégias terapêuticas personalizadas e aumentar a eficácia da remediação com base em medidas objetivas de resultados.
Até o momento, não há uma única plataforma comercialmente disponível que possa estimular e registrar quantitativamente simultaneamente os dados do movimento ocular com respostas posicionais e de velocidade acomodacionais correspondentes que possam ser processadas como fluxos de dados separados (movimento ocular e acomodação). As análises do processamento do sinal para respostas posicionais e velocídicas acomodativas e oculomotoras estabeleceram, respectivamente, requisitos mínimos de amostragem de aproximadamente 10 Hz7 e uma taxa de amostragem sugerida entre 240 Hz e 250 Hz para movimentos oculares sacádicos 8,9. No entanto, a taxa de Nyquist para os movimentos oculares de vergência ainda não foi estabelecida, embora a vergência seja cerca de uma ordem de magnitude menor em velocidade de pico do que os movimentos oculares sacádicos. No entanto, existe uma lacuna na literatura atual no que diz respeito ao registro dos movimentos oculares e à integração da plataforma de instrumentação auto-refrativa. Além disso, a capacidade de analisar respostas objetivas do movimento ocular com respostas de acomodação síncronas ainda não foi aberta. Assim, o Laboratório de Engenharia Neural e de Visão (VNEL) abordou a necessidade de instrumentação e análise sincronizadas por meio da criação do VE2020 e de duas suítes de programas de processamento de sinais offline para analisar movimentos oculares e respostas acomodativas. O VE2020 é personalizável por meio de procedimentos de calibração e protocolos de estimulação para adaptação a uma variedade de aplicações, da ciência básica à clínica, incluindo projetos de pesquisa de visão binocular sobre insuficiência/excesso de convergência, insuficiência/excesso de divergência, insuficiência/excesso acomodativo, disfunções binoculares relacionadas à concussão, estrabismo, ambliopia e nistagmo. O VE2020 é complementado pelo VEMAP e AMAP, que posteriormente fornecem recursos de análise de dados para esses olhos estimulados e movimentos acomodativos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aplicações do método em pesquisa
As inovações do software inicial VisualEyes2020 (VE2020) incluem a expansibilidade do VE2020 para projetar em múltiplos monitores com um ou vários estímulos visuais, o que permite a investigação de questões científicas que vão desde a quantificação dos componentes Maddox de vergência18 até a influência de alvos distraídos em alvos instruídos19. A expansão do sistema de haploscópio para o VE2020, junt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pelo National Institutes of Health grant R01EY023261 para T.L.A. e uma bolsa Barry Goldwater e NJIT Provost Doctoral Award para S.N.F.
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 |
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