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.
De prevalentie van hersenletsel gerelateerde visuele problemen bij kinderen is toegenomen. Omdat visuele problemen grote impact op de ontwikkeling van een kind kan hebben, vroegtijdige opsporing bij jonge baby's en kinderen in gevaar is van groot belang. Op dit moment is de visuele functie tests om visuele zintuiglijke functies zoals gezichtsscherpte en contrastgevoeligheid te beoordelen (bijv optotype tests) zijn van toepassing bij kinderen van 1-2 jaar 1. Bij jongere kinderen deze tests zijn gebaseerd op gestructureerde observaties van kijkgedrag van een kind om visuele informatie. De interpretatie van dergelijk gedrag, dat wil zeggen, door te kijken naar oogbewegingen van een kind, kan worden belemmerd door oculomotor of attentional disfuncties van het kind, of zelfs door het bekijken van het gedrag van de waarnemer. Cerebraal gemedieerde visuele functies, zoals visueel-ruimtelijke geheugen en erkenning object worden beoordeeld met visuele waarneming tests (bv DTVP 2). Deze testen vereisen verbale instructions en communicatie en kan gebruikt worden 4-5 jaar. Gezien de postnatale ontwikkeling van het visuele systeem en gebruik te maken van de hoge plasticiteit vroeg in het leven te nemen, is het wenselijk om de aanwezigheid en mate van stoornissen in visuele informatieverwerking zo snel mogelijk vast te stellen. Op die manier kunnen kinderen met (cerebrale) visuele beperking maximaal profiteren van vroegtijdige interventie, visuele stimulatie, of ondersteunende strategieën. Bijgevolg is er behoefte aan een beoordelingsmethode visuele informatieverwerking die zonder verbale communicatie bij kinderen kunnen worden gebruikt en dat is gebaseerd op kwantitatieve resultaten.
Oogbewegingen zijn een goed model om visueel begeleid oriënterende gedrag te bestuderen op prikkels 3,4 en gerelateerde perceptuele en cognitieve functies 5. Oogbewegingen geven de focus van visuele aandacht in scènes, en staan bekend om het gevolg hetzij van bottom-up (reflexieve, saillantie-aangedreven) of van boven naar beneden (intentional, cognitieve) werkwijzen 6. Oogbewegingen worden gebruikt om de fovea, dwz gezichtsscherpte, om nieuwe objecten te leiden. De visuele inhoud van een object of interest verwerkt via routes die lopen van de retina via de laterale geniculate nucleus primaire visuele cortex (V1), en die zich verdelen over cerebrale verwerkingsgebied (bijv betrokken aandachtsstoornis, ruimtelijke oriëntatie, herkenning, geheugen en emoties). Oogbewegingen zijn beide een voorwaarde voor, en een vervolg op visuele informatie verwerken.
De ontwikkelingen in het meten van oogbewegingen met infrarood oog trackers geven de mogelijkheid om kwantitatieve parameters van oculomotorische en visuele functie. Geautomatiseerde eye trackers zijn tegenwoordig alomtegenwoordig in medische en psychologische onderzoek met gezonde en klinische populaties. Het doel is niet alleen om oculomotorische functie en aandacht verdeling 7 bestuderen, maar ook te beantwoorden vragen about gedrags- en psychologische mechanismen 8,9. Met de opkomst van toegankelijke en commerciële eye tracking systemen, ze worden steeds meer gebruikt om kwetsbare bevolkingsgroepen van zuigelingen en kinderen 10-12 te testen, zonder beperkende voorwaarden, complexe instructies, of actieve medewerking 12,13. Door de directe koppeling tussen de oculomotorische en visuele systeem een oculaire en cerebrale niveau, eye-tracking-gebaseerde methoden zijn bij uitstek geschikt om visueel kunnen beoordelen. Tot nu toe, naast het meten van de gezichtsscherpte 14, het gebruik van de techniek voor de beoordeling van de visuele functie bij kinderen heeft relatief weinig aandacht gekregen.
Onze fractie heeft gecombineerd oogbeweging metingen met een preferentieel uitziende paradigma 13. Preferentiële kijken is de voorkeur te geven aan een patroon oppervlakken fixeren dan homogene degenen 15. Dit principe wordt toegepast door visuele stimuli met een doelgebied in vier kwadranten, die differ van de achtergrond op het gebied van een specifiek visueel element, bijvoorbeeld coherente vorm, coherente beweging, contrast en kleur. Deze veiligheidskenmerken zijn bekend te worden verwerkt door afzonderlijke perifere en centrale visuele pathways. Zo wordt informaties vorm verwerkt ventrale paden, V1 van de temporale cortex. Informatie over beweging wordt verwerkt door de dorsale trajecten, van V1 naar pariëtale cortex posterior 16. Vandaar dat specifieke stimuli gebruikt om visuele informatie triggeren in verschillende gebieden van het visuele systeem. Als een kind in staat is de specifieke visuele informatie gepresenteerd zien wordt die informatie visuele aandacht in de vorm van oogbewegingen. Deze reflexieve oogbeweging reacties op de visuele stimuli worden opgenomen met een verre infrarood eye tracker. Zo oogbeweging hiermee een communicatie-vrije beoordeling van de kwaliteit van de verschillende aspecten van visuele informatieverwerking 13.
Oogbewegingen bieden niet alleen waarnemingen kijk- gedrag van een kind 11, maar kan ook worden gebruikt voor meer objectieve uitkomstmaten. In combinatie met een zorgvuldig ontworpen test- paradigma, kan oogbewegingen nauwkeurige en objectieve informatie over de visuele informatieverwerking geven. Deze informatie wordt verkregen door berekening op basis van kwantitatieve parameters temporele en ruimtelijke eigenschappen van oogbeweging reacties. Voorbeelden van dergelijke parameters zijn reactietijd 13, fixatie tijd 17 saccade metrics 7 of cumulatieve aandacht toewijzing 18. De beschikbaarheid van deze parameters is nieuw op het gebied van visuele beoordeling bij kinderen op jonge ontwikkelingsstadium.
Het doel van dit artikel is een eye-tracking-gebaseerde methode om visuele informatieverwerking bij kinderen te meten vanaf de leeftijd van 6 maanden te presenteren. De meting set-up en de procedure (dwz non-verbale paradigma, post-kalibratie en mobility) specifiek van toepassing op het gebruik van deze methode bij kinderen in gevaar. Een belangrijk aspect is de analyse van kwantitatieve visuele responsie parameters, reactietijd, duur fixatie en nauwkeurigheid fixatie. Deze parameters worden gebruikt om referentiegebieden van visueel geleide reacties te bieden in normaal ontwikkelende kinderen, te karakteriseren visuele informatie verwerken in risicogroepen kinderen met een visuele handicap.
De gepresenteerde meting set-up in combinatie met kwantitatieve oogbeweging analyse geeft een duidelijke karakterisering van visuele verwerking functies in verschillende groepen kinderen met oculomotorische en een visuele beperking. Het belangrijkste kenmerk van dit paradigma is dat de prestaties is gebaseerd op oogbeweging reacties op visuele stimuli die worden geactiveerd in een reflexieve manier. Geen specifieke mondelinge instructies gegeven en er is geen noodzaak voor kinderen verbaal reageren. De parameters RTF, GFA en FD tonen significante verschillen tussen groepen van typisch nieuw te ontwikkelen en slechtzienden kinderen, ondanks de beperkte verspreiding van de parameter waarden die in elke groep bestaat (figuren 4-6). Dus, afhankelijk van de geëvalueerde parameter, wat normaal ontwikkelende kinderen kunnen afwijkende prestaties laten zien, terwijl sommige kinderen met een visuele handicap te tonen 'normale' performance. Uiteindelijk meerdere uitkomstmaten in reactie op meerdere visuelemodaliteiten moet worden beschouwd als op individueel niveau. Een overzicht van alle meetinstrumenten een unieke karakterisering van visuele informatie verwerkingscapaciteit, die kan worden omgezet in een visueel profiel bij kinderen van 6 maanden.
Verschillende studies hebben de waarde van remote eye tracking getoond in kwetsbare populaties van kinderen, om aandachtsproblemen of psychologische capaciteiten 9,12,18 afleiden. Terwijl de meeste studies rekenen op gedragsobservaties en het gebruik van instructies, een duidelijk kenmerk van de huidige paradigma is de non-verbale, kwantitatieve benadering. Kritische stappen in het protocol zijn onder andere daarom de stimuli die zijn gebaseerd op de preferentiële kijken, de mobiele meting set-up, en de aangepaste calibratie en analyse software. De gepresenteerde uitbreiding van observatie op basis van resultaten met uitgebreide analysemethoden biedt gestandaardiseerde en gedetailleerde resultaten op visuele verwerking functies. Dit is in lijn met de werkzaamheden aan de beoordeling van dezuigeling gezichtsscherpte met een oog tracker 14, en werken aan blik controle bij verschillende aandoeningen 7. De methode is flexibel en maakt het mogelijk mobiele assessment die onmisbaar is bij het uitvoeren van klinische tekenen bij jonge kinderen of kinderen met een meervoudige handicap. Daarom is het geschikt voor oculomotorische en visuele verwerkingscapaciteit meten vrijwel alle kinderen die in staat kijken naar een monitor.
De betekenis van deze methode ten opzichte van de bestaande visuele diagnostische methoden (dat wil zeggen, validiteit) is onderzocht als een eerste stap in de richting van klinische implementatie. De huidige paradigma werd gecombineerd met die momenteel worden gebruikt visuele functie assessment (VFA) bij kinderen. Reacties oculomotorische en visuele functies die gebaseerd zijn op oogbeweging opnames waren vergelijkbaar met standaard gedragsobservaties van deze functies. Bovendien, eye tracking parameters, bijvoorbeeld fixatie duur en saccadische richting, advullende waarde bij het karakteriseren oculomotorische en visuele prestaties bij kinderen tijdens VFA (Kooiker MJG et. al., 2015, ingediend). De belangrijkste winst van de gepresenteerde methode ligt in de mogelijkheid om meer visuele functies te beoordelen dan op dit moment gebeurt in de visuele functie assessments op jonge leeftijd, en om ze op een kwantitatieve manier 26 te beoordelen. Een beperking met betrekking tot bestaande methoden is dat zonder aanpassingen, is het nog niet mogelijk om grondig te beoordelen gezichtsscherpte of gezichtsveld met de huidige testbatterij 14.
Hoewel we ons beperkt tot de presentatie van de resultaten van de cartoon stimuli, in toekomstige toepassingen verschillende visuele modaliteiten kan worden getest met behulp van andere stimuli (bijvoorbeeld verschillende vormen, beweging, kleur en contrast informatie) 22,20,25. Op die manier specifieke visuele verwerking gebieden die buiten de primaire visuele trajecten zijn gericht, zoals visuele vereniging gebieden in de temporale en pariëtale cortex.Een beperking van deze methode is dat deze visuele stimuli alleen de detectie van visuele input veroorzaken en roep de beginfase van visuele verwerking. Deze stimuli niet richten op een hogere orde functies die relevant na stimulus detectie geworden en dat zijn doorgaans gemeten met een visuele waarneming testen. Hoewel de uitvoering zonder gebruik van communicatie is een uitdaging, een eye-tracking-gebaseerde paradigma is een veelbelovende toekomst formaat voor de detectie van waarneming gerelateerde informatie, bijvoorbeeld visueel zoeken, -Onderdelen of selectieve aandacht.
Kortom, gedetailleerde oogbeweging reacties op verschillende soorten visuele stimulatie een uitgebreide karakterisering van visuele informatie verwerkingsfuncties, vroeg in de ontwikkeling. Derhalve voor elk kind een afzonderlijk visueel profiel qua intacte en gestoorde werking kan worden gecreëerd. Een dergelijk profiel kan gedetailleerde informatie over de sterke en zwakke punten in oculomotorische en visuele biedenfunctie. Het kan worden gebruikt als uitgangspunt voor ondersteuning in het dagelijkse leven, en leraar en verzorger onderwijs. De kwantitatieve informatie die met deze methode beschikbaar is gekomen kan voordelig zijn voor volgende visuele ontwikkeling in de tijd en voor de controle visuele interventies en revalidatie programma's.
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 |