Okülomotor yanıtların ve uyumun enstrümantasyon ve analiz araç kutuları aracılığıyla ölçülmesi
Summary
VisualEyes2020 (VE2020), görsel göz hareketi uyaranlarını sunan, kaydeden ve senkronize eden özel bir komut dosyası dilidir. VE2020, konjuge göz hareketleri (sakkadlar ve pürüzsüz takip), diskonjuge göz hareketleri (vergence), konaklama ve her birinin kombinasyonları için uyaranlar sağlar. İki analiz programı, göz izleme ve konaklama kayıt sistemlerinden veri işlemeyi birleştirir.
Abstract
Göz hareketlerinin amaca yönelik olarak uyarılması ve kaydedilmesi yoluyla, göz hareketlerinin altında yatan nöral mekanizmaların temel özellikleri gözlemlenebilir. VisualEyes2020 (VE2020), geleneksel bir haploskop içindeki motorlara veya aktüatörlere güvenmeyen araştırmacılar için özelleştirilebilir yazılım tabanlı görsel stimülasyon eksikliğine dayanarak geliştirilmiştir. Bu yeni cihaz ve metodoloji, hem göz izleme hem de otorefrakter sistemleri kullanan yeni bir haploskop konfigürasyonu için geliştirilmiştir. Göz hareketlerinin ve akomodatif tepkilerin senkronize analizini sağlayan analiz yazılımı, görme araştırmacılarına ve klinisyenlere tekrarlanabilir bir ortam ve paylaşılabilir bir araç sağlar. Görme ve Nöral Mühendislik Laboratuvarı’nın (VNEL) Göz Hareketi Analiz Programı (VEMAP), VE2020’nin göz izleyicileri tarafından üretilen kayıtları işlemek için kurulurken, ilgili otorefrakter sistemden kayıt çıktılarını işlemek için Akomodatif Hareket Analizi Programı (AMAP) oluşturuldu. VNEL üç ana uyaranı inceler: konaklama (göz içi lensin dışbükeyliğinde bulanıklığa bağlı değişiklikler), vergans (içe doğru, yakınsak rotasyon ve dışa doğru, gözlerin farklı dönüşü) ve sakkadlar (eşlenik göz hareketleri). VEMAP ve AMAP, benzer veri akışı süreçlerini, manuel operatör etkileşimlerini ve gerektiğinde müdahaleleri kullanır; Bununla birlikte, bu analiz platformları, operatör güvenini en aza indiren objektif bir yazılım paketinin kurulmasını ilerletmektedir. Bir grafik arayüzün ve buna karşılık gelen algoritmaların faydası, operatörlerinden minimum düzeyde gerekli olan önceden kodlama deneyimi ile çok çeşitli görsel deneylerin yapılmasına izin verir.
Introduction
Uyumlu dürbün koordinasyonu ve görsel uyaranlara uygun akomodatif ve okülomotor yanıtlar günlük yaşamın önemli yönleridir. Bir birey yakınsama göz hareketi tepki hızını azalttığında, göz hareketi kaydı ile ölçüldüğünde, iki katına çıkmış görme (diplopi) algılanabilir 1,2. Ayrıca, bir Cochrane literatür meta-analizi, okülomotor disfonksiyonu olan, normal binoküler görmeyi sürdürmeye çalışan hastaların, bulanık / çift görme, baş ağrısı, göz stresi / zorlanması ve rahatça okuma zorluğu gibi yaygın olarak paylaşılan görsel semptomlar yaşadıklarını bildirmiştir3. Hızlı eşlenik göz hareketleri (sakkadlar), eksik olduğunda, görsel hedeflere az tepki verebilir veya aşırı tepki verebilir, bu nedenle bu hatayı düzeltmek için daha fazla sıralı sakkad gerekir4. Bu okülomotor tepkiler, lensten gelen ışığın yanlış odaklanmasının bulanıklık yarattığı akomodatif sistem tarafından da karıştırılabilir5.
Elektronik cihazlarda okuma veya çalışma gibi görevler, okülomotor ve akomodatif sistemlerin koordinasyonunu gerektirir. Binoküler göz hareketi veya akomodatif disfonksiyonu olan bireyler için, binoküler füzyon (tekli) ve akut (net) görüşün sürdürülememesi, yaşam kalitelerini ve genel üretkenliklerini azaltır. Bu sistemlerin tekrarlanabilir enstrümantasyon konfigürasyonları ve objektif analizler yoluyla bağımsız ve uyumlu bir şekilde nicel olarak kaydedilmesi için prosedürel bir metodoloji oluşturularak, belirli eksikliklere alışma ile ilgili ayırt edici özellikler anlaşılabilir. Göz hareketlerinin kantitatif ölçümleri, terapötik müdahaleler yoluyla iyileşme olasılığını tahmin etme potansiyeli ile geleneksel yöntemlerekıyasla daha kapsamlı tanılara 6 yol açabilir. Bu enstrümantasyon ve veri analizi paketi, görme terapisi gibi mevcut bakım standartlarının arkasındaki mekanizmaları ve terapötik müdahalelerin hastalar üzerindeki uzun vadeli etkisini anlamaya yönelik içgörü sağlar. Normal binoküler görüşü olan ve olmayan bireyler arasındaki bu nicel farklılıkların belirlenmesi, yeni kişiselleştirilmiş terapötik stratejiler sağlayabilir ve objektif sonuç ölçümlerine dayanarak iyileştirme etkinliğini artırabilir.
Bugüne kadar, göz hareketi verilerini, ayrı (göz hareketi ve uyumlu) veri akışları olarak daha fazla işlenebilen karşılık gelen akomodatif konumsal ve hız tepkileriyle aynı anda uyarabilen ve niceliksel olarak kaydedebilen ticari olarak temin edilebilen tek bir platform yoktur. Akomodatif ve okülomotor konumsal ve hız yanıtları için sinyal işleme analizleri, sırasıyla yaklaşık 10 Hz7 minimum örnekleme gereksinimlerini ve sakkadik göz hareketleri için 240 Hz ile 250 Hz arasında önerilen örnekleme hızını belirlemiştir 8,9. Bununla birlikte, vergence göz hareketleri için Nyquist oranı henüz belirlenmemiştir, ancak vergence, sakkadik göz hareketlerinden en yüksek hızda daha düşük bir büyüklük sırasına sahiptir. Bununla birlikte, mevcut literatürde göz hareketi kaydı ve otomatik kırılma enstrümantasyon platformu entegrasyonu ile ilgili bir boşluk vardır. Ayrıca, objektif göz hareketi tepkilerini senkronize konaklama yanıtlarıyla analiz etme yeteneği henüz açık kaynaklı değildir. Bu nedenle, Görme ve Sinir Mühendisliği Laboratuvarı (VNEL), göz hareketlerini ve uyumlu yanıtları analiz etmek için VE2020 ve iki çevrimdışı sinyal işleme programı paketi oluşturarak senkronize enstrümantasyon ve analiz ihtiyacını ele aldı. VE2020, yakınsama yetersizliği / fazlalığı, sapma yetmezliği / fazlalığı, akomodatif yetmezlik / fazlalık, sarsıntıya bağlı binoküler disfonksiyonlar, şaşılık, ambliyopi ve nistagmus üzerine binoküler görme araştırma projeleri de dahil olmak üzere temel bilimlerden kliniğe kadar çeşitli uygulamalara adaptasyon için kalibrasyon prosedürleri ve stimülasyon protokolleri aracılığıyla özelleştirilebilir. VE2020, daha sonra bu uyarılmış gözler ve akomodatif hareketler için veri analizi yetenekleri sağlayan VEMAP ve AMAP ile tamamlanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yöntemin araştırmadaki uygulamaları
İlk VisualEyes2020 (VE2020) yazılımındaki yenilikler, VE2020’nin bir veya birkaç görsel uyaranla birden fazla monitöre yansıtmak için genişletilebilirliğini içerir; bu, vergence18’in Maddox bileşenlerinin nicelleştirilmesinden, dikkat dağıtıcı hedeflerin talimat verilen hedefler üzerindeki etkisine kadar değişen bilimsel soruların araştırılmasına olanak tanır19. VEMAP ve AMAP’ın tamamlay…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin T.L.A.’ya R01EY023261 hibesi ve S.N.F.’ye Barry Goldwater Bursu ve NJIT Provost Doktora Ödülü ile desteklenmiştir.
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).
