Количественная оценка глазодвигательных реакций и аккомодации с помощью приборов и наборов инструментов анализа
Summary
VisualEyes2020 (VE2020) — это пользовательский язык сценариев, который представляет, записывает и синхронизирует визуальные стимулы движения глаз. VE2020 предоставляет стимулы для сопряженных движений глаз (саккады и плавное преследование), дисконъюгированных движений глаз (vergence), аккомодации и комбинаций каждого из них. Две аналитические программы объединяют обработку данных из систем отслеживания движения глаз и регистрации аккомодации.
Abstract
Благодаря целенаправленной стимуляции и записи движений глаз можно наблюдать фундаментальные характеристики основных нервных механизмов движений глаз. VisualEyes2020 (VE2020) был разработан на основе отсутствия настраиваемой программной визуальной стимуляции, доступной для исследователей, которая не полагается на двигатели или приводы в традиционном гаплоскопе. Этот новый инструмент и методология были разработаны для новой конфигурации гаплоскопа с использованием как систем отслеживания взгляда, так и авторефракторных систем. Аналитическое программное обеспечение, которое позволяет синхронизировать анализ движения глаз и аккомодационных реакций, предоставляет исследователям зрения и клиницистам воспроизводимую среду и общий инструмент. Программа анализа движений глаз (VEMAP) Лаборатории зрения и нейронной инженерии (VNEL) была создана для обработки записей, произведенных айтрекерами VE2020, в то время как Программа анализа аккомодационных движений (AMAP) была создана для обработки выходных данных записи из соответствующей системы авторефрактора. VNEL изучает три основных стимула: аккомодацию (изменения выпуклости интраокулярной линзы, вызванные размытием), вергенцию (внутрь, конвергентное вращение и наружу, расходящееся вращение глаз) и саккады (сопряженные движения глаз). VEMAP и AMAP используют аналогичные процессы потока данных, ручное взаимодействие с оператором и вмешательство там, где это необходимо; Тем не менее, эти аналитические платформы способствуют созданию объективного программного пакета, который сводит к минимуму зависимость оператора. Полезность графического интерфейса и соответствующих ему алгоритмов позволяет проводить широкий спектр визуальных экспериментов с минимальным предварительным опытом программирования от оператора (операторов).
Introduction
Согласованная бинокулярная координация и соответствующие аккомодационные и глазодвигательные реакции на визуальные стимулы являются важнейшими аспектами повседневной жизни. Когда у человека снижается скорость реакции на конвергенцию движения глаз, количественно определяемая с помощью записи движения глаз, может быть воспринято двойное зрение (диплопия) 1,2. Кроме того, метаанализ Кокрейновской литературы показал, что пациенты с глазодвигательными дисфункциями, пытаясь поддерживать нормальное бинокулярное зрение, испытывают общие визуальные симптомы, включая помутнение/двоение в глазах, головные боли, напряжение глаз и трудности с комфортным чтением3. Быстрые сопряженные движения глаз (саккады), когда они недостаточны, могут недостаточно или чрезмерно реагировать на визуальные цели, что означает, что для исправления этой ошибки требуются дополнительные последовательные саккады4. Эти глазодвигательные реакции также могут быть нарушены аккомодационной системой, в которой неправильная фокусировка света от хрусталика создает размытие5.
Такие задачи, как чтение или работа с электронными устройствами, требуют координации глазодвигательной и аккомодационной систем. Для людей с бинокулярным движением глаз или аккомодационными дисфункциями неспособность поддерживать бинокулярный спондилодез (одиночный) и острое (ясное) зрение снижает качество их жизни и общую производительность. Установив процедурную методологию для количественной регистрации этих систем независимо и согласованно с помощью повторяемых конфигураций приборов и объективного анализа, можно понять отличительные характеристики акклиматизации к конкретным недостаткам. Количественные измерения движений глаз могут привести к более полному диагнозу6 по сравнению с традиционными методами, с потенциалом прогнозирования вероятности восстановления с помощью терапевтических вмешательств. Этот набор инструментов и анализа данных дает представление о механизмах, лежащих в основе современных стандартов медицинской помощи, таких как терапия зрения, и долгосрочного эффекта, который терапевтические вмешательства могут оказать на пациентов. Установление этих количественных различий между людьми с нормальным бинокулярным зрением и без него может обеспечить новые персонализированные терапевтические стратегии и повысить эффективность восстановления на основе объективных измерений результатов.
На сегодняшний день не существует единой коммерчески доступной платформы, которая могла бы одновременно стимулировать и количественно регистрировать данные о движении глаз с соответствующими аккомодационными позиционными и скоростными реакциями, которые в дальнейшем могут обрабатываться в виде отдельных (движения глаз и аккомодационных) потоков данных. Анализ обработки сигналов для аккомодационных и глазодвигательных позиционных и скоростных реакций соответственно установил минимальные требования к дискретизации примерно 10 Гц7 и рекомендуемую частоту дискретизации от 240 Гц до 250 Гц для саккадических движений глаз 8,9. Тем не менее, скорость Найквиста для движений глаз вергенции еще не установлена, хотя вергенция примерно на порядок ниже по пиковой скорости, чем саккадические движения глаз. Тем не менее, в современной литературе существует пробел в отношении регистрации движений глаз и интеграции платформы авторефракционных инструментов. Кроме того, возможность анализировать объективные реакции движения глаз с синхронными ответами на аккомодацию еще не была открыта. Таким образом, Лаборатория зрения и нейронной инженерии (VNEL) удовлетворила потребность в синхронизированных приборах и анализе, создав VE2020 и два пакета программ автономной обработки сигналов для анализа движений глаз и аккомодационных реакций. VE2020 настраивается с помощью процедур калибровки и протоколов стимуляции для адаптации к различным приложениям, от фундаментальных научных до клинических, включая исследовательские проекты бинокулярного зрения по недостаточности/избытку бинокулярного зрения по недостаточности/избытку конвергенции, недостаточности/избытку дивергенции, аккомодационной недостаточности/избытка, бинокулярным дисфункциям, связанным с сотрясением мозга, косоглазию, амблиопии и нистагму. VE2020 дополняется VEMAP и AMAP, которые впоследствии предоставляют возможности анализа данных для этих стимулированных глаз и аккомодационных движений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Применение метода в исследованиях
Инновации в первоначальном программном обеспечении VisualEyes2020 (VE2020) включают возможность расширения VE2020 для проецирования на несколько мониторов с одним или несколькими визуальными стимулами, что позволяет исследовать научные вопросы, начи?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано грантом Национального института здравоохранения R01EY023261 для T.L.A. и стипендией Барри Голдуотера и докторской премией проректора NJIT для 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 |
Referências
- 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).
