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.
Förekomsten av hjärnskador relaterade synproblem hos barn har ökat. Eftersom visuella problem kan ha stor inverkan på ett barns utveckling, är mycket viktigt tidig upptäckt hos unga spädbarn och barn i riskzonen. För närvarande visuella funktionstester bedömer visuella sensoriska funktioner såsom synskärpa och kontrastkänslighet (t.ex. optotype tester) är tillämpliga i barn från 1-2 år 1. Hos yngre barn dessa tester är baserade på strukturerade observationer av ett barns tittarbeteende till visuell information. Tolkningen av ett sådant beteende, det vill säga genom att titta på barnets ögonrörelser, kan hämmas av oculomotor eller uppmärksamhetsstörningar hos barn, eller till och med genom att visa beteendet hos betraktaren. Cerebrally medie visuella funktioner såsom visuospatial minne och objektdetektering bedöms med visuella perceptionstester (t.ex. DTVP 2). Dessa tester kräver verbala instructions och kommunikation och kan användas från 4-5 års ålder. Med tanke på den postnatala utvecklingen av det visuella systemet och att dra nytta av den höga plasticitet tidigt i livet, är det önskvärt att fastställa förekomst och omfattning av nedskrivningar i visuell informationsbehandling så tidigt som möjligt. På så sätt kan barn med (cerebrala) synskador maximalt dra nytta av tidigt ingripande, visuell stimulans, eller stödjande strategier. Följaktligen finns det ett behov av en metod för visuell informationsbearbetning bedömning som kan användas utan verbal kommunikation hos barn och som är baserat på kvantitativa resultat.
Ögonrörelser är en bra modell för att studera visuellt guidad orienterande beteende på stimuli 3,4, och tillhörande perceptuella och kognitiva funktioner 5. Ögonrörelser anger i fokus för visuell uppmärksamhet i scener, och är kända för att resultera antingen från bottom-up (reflexiv, salience drivna) eller uppifrån och ned (intentional, kognitiv) behandlar sex. Ögonrörelser används för att rikta fovea, dvs., synskärpa, till nya objekt. Det visuella innehållet av ett föremål av intresse bearbetas via vägar som går från näthinnan via laterala knäkroppen till primära syncentrum (V1), och att fördela sig över cerebrala behandlingsområden (t.ex. deltar i uppmärksamhet, rumslig orientering, erkännande, minne och känslor). Ögonrörelser är både en förutsättning för och en uppföljare till visuell informationsbearbetning.
Utvecklingen i mätningen av ögonrörelser med infraröda ögon trackers ger möjlighet att erhålla kvantitativa parametrarna för oculomotor och synfunktionen. Automatiserade ögon trackers är numera allestädes närvarande i medicinsk och psykologisk forskning med friska och kliniska populationer. Deras syfte är inte enbart att studera oculomotor funktion och uppmärksamhet fördelning 7, men också för att svara på frågor aboUT beteendemässiga och psykologiska mekanismer 8,9. Med anledning av tillgängliga och kommersiella eye-tracking system, är de allt vanligare att testa utsatta populationer av spädbarn och barn 10-12, utan begränsande villkor, komplexa instruktioner eller aktivt samarbete 12,13. På grund av den nära kopplingen av okulomotoriska och visuella systemet på en okulär och cerebral nivå, eye tracking-baserade metoder är i allra högsta grad lämpad att bedöma visuella kapacitet. Hittills, förutom mätning av synskärpa 14 har användningen av tekniken för att bedöma synfunktionen hos barn fick relativt lite uppmärksamhet.
Vår grupp har kombinerat mätningar ögonrörelse med företrädesrätt tittar paradigm 13. Förmåns ser är inställningen att fixera mönstrade ytor över homogena som 15. Denna princip tillämpas med hjälp av visuella stimuli med ett målområde i en av fyra kvadranter, som differ från bakgrunden när det gäller en specifik visuell funktion, t.ex. sammanhängande form, sammanhängande rörelse, kontrast och färg. Dessa visuella funktioner är kända för att behandlas av separata perifera och centrala visuella vägar. Till exempel information om formulär behandlas av ventrala vägar, från V1 till den temporala cortex. Information om rörelse behandlas av rygg vägar, från V1 till bakre parietal cortex 16. Därför är specifika stimuli som används för att utlösa visuell informationsbearbetning i olika delar av det visuella systemet. Om ett barn är i stånd att se den specifika visuell information som presenteras, kommer denna information att locka visuell uppmärksamhet i form av ögonrörelser. Dessa reflexiva ögonrörelser svar på de visuella stimuli registreras med en fjärrkontroll IR öga tracker. På så sätt, ögonrörelser åtgärderna är en kommunikations fri bedömning av kvaliteten på olika aspekter av visuell information bearbetning 13.
Ögonrörelser ger inte bara observationsdata av ett barns tittarbeteende 11, men kan också användas för mer objektiva utfallsmått. I kombination med en noggrant utformad prov paradigm, kan ögonrörelser ger exakt och objektiv information om visuell information bearbetning. Denna information erhålls genom att beräkna kvantitativa parametrar baserade på tidsmässiga och rumsliga egenskaper av svar ögonrörelser. Exempel på sådana parametrar är reaktionstiden 13, fixering tid 17 saccade statistik 7 eller kumulativa uppmärksamhet tilldelning 18. Tillgången på dessa parametrar är ny på området för visuell bedömning hos barn i unga utvecklingsstadium.
Målet med detta dokument är att presentera en eye tracking-baserad metod för att mäta visuell informationsbearbetning hos barn från 6 månaders ålder. Mätningen set-up och förfarandet (dvs. icke-verbal paradigm, post-kalibrering och mobility) särskilt gälla för att använda denna metod hos barn i riskzonen. En viktig aspekt är den analys av kvantitativa visuella svarsparametrar, det vill säga reaktionstid, fixering varaktighet och fixeringsnoggrannhet. Dessa parametrar används för att tillhandahålla referensområden visuellt styrda svaren i normalutvecklade barn, för att karakterisera visuell informationsbearbetning i riskgrupper av barn med nedsatt syn.
De presenterade mätning installation i kombination med kvantitativ ögonrörelseanalys ger en tydlig karaktärisering av visuella bearbetningsfunktioner i olika grupper av barn med oculomotor och synskadade. Det viktigaste inslaget i denna paradigm är att prestanda är baserad på ögonrörelse svar på visuella stimuli som utlöses i en reflexiv sätt. Inga specifika verbala instruktioner ges och det finns inget behov för barn att verbalt svara. Parametrarna RTF, GFA och FD visar signifikanta skillnader mellan grupper av typiskt developing- och synskadade barn, trots den begränsade spridningen av parametervärden som finns i varje grupp (figurerna 4 – 6). Beroende på den utvärderade parametern, kan vissa typiskt utvecklade barn visar avvikande resultat, medan en del barn med synskada visar "normala" prestanda. Ytterst flera utfallsmått som svar på flera visuellametoder bör övervägas på individuell nivå. En sammanfattning av alla utfallsmått ger en unik karakterisering av visuella kapacitet informationsbehandling, som kan omvandlas i en visuell profil hos barn från 6 månaders ålder.
Flera studier har visat värdet av fjärr eye tracking i utsatta befolkningsgrupper för barn, för att sluta uppmärksamhets eller psykiska kapacitet 9,12,18. De flesta studier är beroende av beteendeobservationer och användningen av instruktioner, är en distinkt egenskap hos den aktuella paradigmet den icke-verbal, kvantitativ metod. Kritiska steg i protokollet omfattar därför stimuli som är baserade på förmåns ser den mobila mätningen set-up, och anpassade kalibrering och analysprogram. De presenterade förlängning av observationsbaserade resultat med komplicerade analysmetoder ger standardiserade och detaljerade resultat på visuella behandlingsfunktioner. Detta är i linje med arbetet med bedömning avspädbarn synskärpa med ett öga tracker 14, och arbetet med blicken kontroll i olika sjukdomar 7. Metoden är flexibel och gör det möjligt för mobil bedömning som är oumbärlig när man utför kliniska bedömningar i småbarn eller barn med flera funktionshinder. Därför är det passade att mäta oculomotor och visuella bearbetningskapacitet i så gott som alla barn som är i stånd att titta på en bildskärm.
Betydelsen av denna metod med avseende på existerande visuella diagnostiska metoder (dvs giltighet) har studerats som ett första steg mot klinisk tillämpning. Föreliggande paradigmet kombinerades med för närvarande använda visuell bedömning funktion (VFA) hos barn. Observationer av oculomotor och visuella funktioner som är baserade på ögonrörelser inspelningar var jämförbara med standardbeteende observationer av dessa funktioner. Dessutom ögonspårningsparametrar, t ex fixering varaktighet och snabba ryckiga riktning, förutsatt annonsnella värde i karakterisera oculomotor och visuella prestanda hos barn under VFA (Kooiker MJG et. al., 2015, submitted). Den stora vinsten av den presenterade metoden ligger i möjligheten att bedöma mer visuella funktioner än vad som för närvarande sker i bedömningar synfunktion vid en ung ålder och bedöma dem på ett kvantitativt sätt 26. En begränsning med avseende på befintliga metoder är att, utan anpassningar är det ännu inte möjligt att grundligt bedöma synskärpa eller synfält med den nuvarande testbatteri 14.
Även om vi begränsat oss till presentationen av resultaten från serie stimuli, i framtida tillämpningar olika visuella former kan testas med hjälp av andra stimuli (t.ex. olika former rörelse, färg och kontrastinformation) 22,20,25. På så sätt är specifika visuell bearbetning områden utanför de primära visuella vägar riktade, såsom visuella föreningens områden i temporal eller parietal cortex.En begränsning hos metoden är att de nuvarande visuella stimuli endast utlösa detektering av synintryck, och anropa det inledande skedet av visuell bearbetning. Dessa stimuli inte rikta högre ordningens funktioner som blir relevant efter stimulans upptäckt och som normalt mäts med visuell perception tester. Även om deras genomförande utan användning av kommunikation är en utmaning, är en eye tracking-baserade paradigm en lovande framtid format för detektion av uppfattningen relaterad information, t.ex. visuell sökning, -Minne eller -selektiv uppmärksamhet.
Sammanfattningsvis detaljerade ögonrörelser svar på olika typer av visuell stimulans ge en omfattande karakterisering av visuella informationsbehandlingsfunktioner, tidigt i utvecklingen. Följaktligen för varje barn kan skapas en individuell visuell profil när det gäller intakta och nedsatt funktion. En sådan profil kan ge detaljerad information om styrkor och svagheter i oculomotor och visuellfungera. Den kan användas som en utgångspunkt för stöd i det dagliga livet, och för lärare och vårdgivare utbildning. Den kvantitativa information som har blivit tillgänglig med denna metod kan vara fördelaktigt för att följa visuella utveckling över tid, och för övervakning av visuella insatser och rehabiliteringsprogram.
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 |