Quantificazione delle risposte oculomotorie e dell'accomodazione attraverso strumenti di strumentazione e analisi
Summary
VisualEyes2020 (VE2020) è un linguaggio di scripting personalizzato che presenta, registra e sincronizza gli stimoli visivi del movimento oculare. VE2020 fornisce stimoli per movimenti oculari coniugati (saccadi e inseguimento regolare), movimenti oculari disconiugati (vergenza), accomodamento e combinazioni di ciascuno. Due programmi di analisi unificano l’elaborazione dei dati dai sistemi di tracciamento oculare e registrazione degli alloggi.
Abstract
Attraverso la stimolazione mirata e la registrazione dei movimenti oculari, è possibile osservare le caratteristiche fondamentali dei meccanismi neurali sottostanti ai movimenti oculari. VisualEyes2020 (VE2020) è stato sviluppato sulla base della mancanza di stimolazione visiva basata su software personalizzabile disponibile per i ricercatori che non si basa su motori o attuatori all’interno di un aploscopio tradizionale. Questo nuovo strumento e metodologia sono stati sviluppati per una nuova configurazione dell’aploscopio che utilizza sia sistemi di tracciamento oculare che di autorefrattore. Il software di analisi che consente l’analisi sincronizzata del movimento oculare e delle risposte accomodative fornisce ai ricercatori della visione e ai medici un ambiente riproducibile e uno strumento condivisibile. Il Vision and Neural Engineering Laboratory’s (VNEL) Eye Movement Analysis Program (VEMAP) è stato istituito per elaborare le registrazioni prodotte dagli eye tracker di VE2020, mentre l’Accommodative Movement Analysis Program (AMAP) è stato creato per elaborare le uscite di registrazione dal corrispondente sistema di autorefrattore. Il VNEL studia tre stimoli primari: accomodazione (cambiamenti guidati dalla sfocatura nella convessità della lente intraoculare), vergenza (rotazione convergente verso l’interno e verso l’esterno, rotazione divergente degli occhi) e saccadi (movimenti oculari coniugati). VEMAP e AMAP utilizzano processi di flusso di dati simili, interazioni manuali con l’operatore e interventi ove necessario; Tuttavia, queste piattaforme di analisi favoriscono la creazione di una suite software obiettiva che riduce al minimo la dipendenza dell’operatore. L’utilità di un’interfaccia grafica e dei suoi algoritmi corrispondenti consente di condurre un’ampia gamma di esperimenti visivi con una minima esperienza di codifica richiesta dai suoi operatori.
Introduction
La coordinazione binoculare concertata e le appropriate risposte accomodative e oculomotorie agli stimoli visivi sono aspetti cruciali della vita quotidiana. Quando un individuo ha una ridotta velocità di risposta del movimento oculare, quantificata attraverso la registrazione del movimento oculare, la visione raddoppiata (diplopia) può essere percepita 1,2. Inoltre, una meta-analisi della letteratura Cochrane ha riportato che i pazienti con disfunzioni oculomotorie, nel tentativo di mantenere una normale visione binoculare, sperimentano sintomi visivi comunemente condivisi, tra cui visione offuscata / doppia, mal di testa, stress / affaticamento degli occhi e difficoltà a leggere comodamente3. I movimenti oculari coniugati rapidi (saccadi), quando carenti, possono rispondere in modo insufficiente o eccessivo ai bersagli visivi, il che significa che sono necessarie ulteriori saccadi sequenziali per correggere questo errore4. Queste risposte oculomotorie possono anche essere confuse dal sistema accomodativo, in cui la messa a fuoco impropria della luce dalla lente crea sfocatura5.
Compiti come la lettura o il lavoro su dispositivi elettronici richiedono il coordinamento dei sistemi oculomotori e accomodativi. Per gli individui con movimento oculare binoculare o disfunzioni accomodanti, l’incapacità di mantenere la fusione binoculare (singola) e la visione acuta (chiara) diminuisce la qualità della vita e la produttività complessiva. Stabilendo una metodologia procedurale per la registrazione quantitativa di questi sistemi in modo indipendente e concertato attraverso configurazioni di strumentazione ripetibili e analisi obiettive, è possibile comprendere le caratteristiche distintive circa l’acclimatazione a carenze specifiche. Le misurazioni quantitative dei movimenti oculari possono portare a diagnosi più complete6 rispetto ai metodi convenzionali, con il potenziale di prevedere la probabilità di rimedio tramite interventi terapeutici. Questa suite di strumentazione e analisi dei dati fornisce informazioni per comprendere i meccanismi alla base degli attuali standard di cura, come la terapia della visione, e l’effetto a lungo termine che gli interventi terapeutici possono avere sui pazienti. Stabilire queste differenze quantitative tra individui con e senza visione binoculare normale può fornire nuove strategie terapeutiche personalizzate e aumentare l’efficacia della correzione sulla base di misurazioni oggettive dei risultati.
Ad oggi, non esiste una singola piattaforma disponibile in commercio in grado di stimolare e registrare quantitativamente simultaneamente i dati sul movimento oculare con corrispondenti risposte posizionali e veloci accomodative che possono essere ulteriormente elaborate come flussi di dati separati (movimento oculare e accomodativo). Le analisi di elaborazione del segnale per le risposte posizionali e veloci accomodative e oculomotorie hanno rispettivamente stabilito requisiti minimi di campionamento di circa 10 Hz7 e una frequenza di campionamento suggerita tra 240 Hz e 250 Hz per i movimenti oculari saccadici 8,9. Tuttavia, il tasso di Nyquist per i movimenti oculari di vergenza deve ancora essere stabilito, sebbene la vergenza sia circa un ordine di grandezza inferiore nella velocità di picco rispetto ai movimenti oculari saccadici. Tuttavia, c’è una lacuna nella letteratura attuale per quanto riguarda la registrazione del movimento oculare e l’integrazione della piattaforma di strumentazione auto-rifrattiva. Inoltre, la capacità di analizzare le risposte oggettive del movimento oculare con risposte di accomodazione sincrone non è stata ancora open-source. Pertanto, il Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) ha affrontato la necessità di strumentazione e analisi sincronizzate attraverso la creazione di VE2020 e due suite di programmi di elaborazione del segnale offline per analizzare i movimenti oculari e le risposte accomodanti. VE2020 è personalizzabile tramite procedure di calibrazione e protocolli di stimolazione per l’adattamento a una varietà di applicazioni dalla scienza di base alla clinica, inclusi progetti di ricerca sulla visione binoculare su insufficienza / eccesso di convergenza, insufficienza / eccesso di divergenza, insufficienza / eccesso accomodativo, disfunzioni binoculari correlate alla commozione cerebrale, strabismo, ambliopia e nistagmo. VE2020 è completato da VEMAP e AMAP, che successivamente forniscono capacità di analisi dei dati per questi occhi stimolati e movimenti accomodanti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Applicazioni del metodo nella ricerca
Le innovazioni del software iniziale VisualEyes2020 (VE2020) includono l’espandibilità del VE2020 per proiettare su più monitor con uno o più stimoli visivi, che consente l’indagine di questioni scientifiche che vanno dalla quantificazione delle componenti Maddox di vergence18 all’influenza di obiettivi che distraggono su obiettivi istruiti19. L’espansione del sistema aploscopico a VE2020 insieme allo sviluppo com…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata supportata dalla sovvenzione R01EY023261 del National Institutes of Health a T.L.A. e da una borsa di studio Barry Goldwater e dal NJIT Provost Doctoral Award a 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 |
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