Kwantificering van oculomotorische responsen en accommodatie door middel van instrumentatie- en analysetoolboxen
Summary
VisualEyes2020 (VE2020) is een aangepaste scripttaal die visuele oogbewegingsstimuli presenteert, registreert en synchroniseert. VE2020 biedt stimuli voor geconjugeerde oogbewegingen (saccades en soepele achtervolging), disconjugate oogbewegingen (vergence), accommodatie en combinaties van elk. Twee analyseprogramma’s verenigen de gegevensverwerking van de eye tracking- en accommodatieregistratiesystemen.
Abstract
Door het doelgericht stimuleren en registreren van oogbewegingen kunnen de fundamentele kenmerken van de onderliggende neurale mechanismen van oogbewegingen worden waargenomen. VisualEyes2020 (VE2020) is ontwikkeld op basis van het gebrek aan aanpasbare softwaregebaseerde visuele stimulatie die beschikbaar is voor onderzoekers die niet afhankelijk zijn van motoren of actuatoren binnen een traditionele haploscoop. Dit nieuwe instrument en deze nieuwe methodologie zijn ontwikkeld voor een nieuwe haploscoopconfiguratie die gebruik maakt van zowel eye tracking- als autorefractorsystemen. Analysesoftware die de gesynchroniseerde analyse van oogbewegingen en accommoderende reacties mogelijk maakt, biedt visieonderzoekers en clinici een reproduceerbare omgeving en een deelbaar hulpmiddel. Het Eye Movement Analysis Program (VEMAP) van het Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) is opgericht om opnames te verwerken die zijn geproduceerd door de eyetrackers van VE2020, terwijl het Accommodative Movement Analysis Program (AMAP) is gemaakt om de opname-uitgangen van het bijbehorende autorefractorsysteem te verwerken. De VNEL bestudeert drie primaire stimuli: accommodatie (door onscherpte gedreven veranderingen in de convexiteit van de intraoculaire lens), vergence (naar binnen, convergente rotatie en naar buiten, divergente rotatie van de ogen) en saccades (geconjugeerde oogbewegingen). De VEMAP en AMAP maken gebruik van vergelijkbare gegevensstroomprocessen, handmatige operatorinteracties en interventies waar nodig; Deze analyseplatforms bevorderen echter de oprichting van een objectieve softwaresuite die de afhankelijkheid van de operator minimaliseert. Het nut van een grafische interface en de bijbehorende algoritmen maken het mogelijk om een breed scala aan visuele experimenten uit te voeren met minimale vereiste voorafgaande codeerervaring van de operator (s).
Introduction
Gecoördineerde binoculaire coördinatie en passende accommoderende en oculomotorische reacties op visuele stimuli zijn cruciale aspecten van het dagelijks leven. Wanneer een persoon een verminderde convergentie oogbewegingsresponssnelheid heeft, gekwantificeerd door oogbewegingsregistratie, kan verdubbeld zicht (diplopie) worden waargenomen 1,2. Bovendien meldde een meta-analyse van de Cochrane-literatuur dat patiënten met oculomotorische disfuncties, die proberen een normaal binoculair zicht te behouden, vaak gedeelde visuele symptomen ervaren, waaronder wazig / dubbel zien, hoofdpijn, oogstress / spanning en moeite met comfortabel lezen3. Snelle geconjugeerde oogbewegingen (saccades), wanneer ze tekortschieten, kunnen te weinig of te veel reageren op visuele doelen, wat betekent dat verdere sequentiële saccades nodig zijn om deze fout te corrigeren4. Deze oculomotorische reacties kunnen ook worden verstoord door het accommoderende systeem, waarbij de onjuiste scherpstelling van licht van de lens onscherpte5 veroorzaakt.
Taken zoals het lezen of werken aan elektronische apparaten vereisen coördinatie van de oculomotorische en accommoderende systemen. Voor personen met binoculaire oogbewegingen of accommoderende disfuncties vermindert het onvermogen om binoculaire fusie (enkelvoudig) en acuut (helder) zicht te behouden hun kwaliteit van leven en algehele productiviteit. Door een procedurele methodologie vast te stellen voor het kwantitatief onafhankelijk en in onderling overleg registreren van deze systemen door middel van herhaalbare instrumentatieconfiguraties en objectieve analyse, kunnen onderscheidende kenmerken over de acclimatisatie aan specifieke tekortkomingen worden begrepen. Kwantitatieve metingen van oogbewegingen kunnen leiden tot uitgebreidere diagnoses6 in vergelijking met conventionele methoden, met het potentieel om de waarschijnlijkheid van remediëring via therapeutische interventies te voorspellen. Deze instrumentatie- en data-analysesuite biedt inzicht in het begrijpen van de mechanismen achter de huidige zorgstandaarden, zoals visietherapie, en het langetermijneffect dat therapeutische interventie(s) op patiënten kunnen hebben. Het vaststellen van deze kwantitatieve verschillen tussen personen met en zonder normaal binoculair zicht kan nieuwe gepersonaliseerde therapeutische strategieën opleveren en de effectiviteit van de remediëring verhogen op basis van objectieve uitkomstmetingen.
Tot op heden is er geen enkel commercieel beschikbaar platform dat tegelijkertijd oogbewegingsgegevens kan stimuleren en kwantitatief kan registreren met bijbehorende accommoderende positionele en snelheidsresponsen die verder kunnen worden verwerkt als afzonderlijke (oogbeweging en accommoderende) gegevensstromen. De signaalverwerkingsanalyses voor accommoderende en oculomotorische positionele en snelheidsresponsen hebben respectievelijk minimumbemonsteringsvereisten van ongeveer 10 Hz7 en een voorgestelde bemonsteringsfrequentie tussen 240 Hz en 250 Hz voor saccadische oogbewegingen 8,9 vastgesteld. De Nyquist-snelheid voor vergence-oogbewegingen moet echter nog worden vastgesteld, hoewel vergence ongeveer een orde van grootte lager is in pieksnelheid dan saccadische oogbewegingen. Niettemin is er een hiaat in de huidige literatuur met betrekking tot oogbewegingsregistratie en integratie van auto-refractieve instrumentatieplatforms. Bovendien is de mogelijkheid om objectieve oogbewegingsreacties te analyseren met synchrone accommodatiereacties nog niet open-source. Daarom heeft het Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) de behoefte aan gesynchroniseerde instrumentatie en analyse aangepakt door de creatie van VE2020 en twee offline signaalverwerkingsprogrammasuites om oogbewegingen en accommoderende reacties te analyseren. VE2020 is aanpasbaar via kalibratieprocedures en stimulatieprotocollen voor aanpassing aan een verscheidenheid aan toepassingen, van basiswetenschap tot klinisch, waaronder binoculaire visieonderzoeksprojecten over convergentie-insufficiëntie / overmaat, divergentie-insufficiëntie / overmaat, accommoderende insufficiëntie / overmaat, hersenschuddinggerelateerde binoculaire disfuncties, scheelzien, amblyopie en nystagmus. VE2020 wordt aangevuld met de VEMAP en AMAP, die vervolgens data-analysemogelijkheden bieden voor deze gestimuleerde ogen en accommoderende bewegingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toepassingen van de methode in onderzoek
Innovaties van de oorspronkelijke VisualEyes2020 (VE2020) software omvatten de uitbreidbaarheid van de VE2020 om te projecteren op meerdere monitoren met een of meerdere visuele stimuli, die het onderzoek van wetenschappelijke vragen mogelijk maken, variërend van de kwantificering van de Maddox-componenten van vergence18 tot de invloed van afleidende doelen op geïnstrueerde doelen19. De uitbreiding van het haplo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door National Institutes of Health grant R01EY023261 aan T.L.A. en een Barry Goldwater Scholarship en NJIT Provost Doctoral Award aan 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 |
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).
