VisualEyes: Um sistema de software modular para Experimentação Oculomotor

Summary

Controle Neural e processos cognitivos podem ser estudados por meio de movimentos oculares. O software VisualEyes permite que um operador para programar estímulos em duas telas de computador usando de forma independente uma linguagem simples, scripts personalizados. O sistema pode estimular os movimentos oculares em tandem (saccades e exercício suave) ou movimentos oculares opostas (vergence) ou qualquer combinação.

Abstract

Estudos do Movimento Eye forneceram uma base sólida formação de uma compreensão de como o cérebro adquire informação visual, tanto no cérebro normal e disfuncional. ¹ No entanto, o desenvolvimento de uma plataforma para estimular e movimentos oculares loja pode exigir programação substancial, tempo e custos. Muitos sistemas não oferecem a flexibilidade para programar vários estímulos para uma variedade de necessidades experimentais. No entanto, o Sistema VisualEyes tem uma arquitetura flexível, permitindo que o operador escolher qualquer fundo e estímulo primeiro plano, programa de uma ou duas telas para tandem ou opondo-se os movimentos dos olhos e estimular o olho esquerdo e direito de forma independente. Este sistema pode reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento de programação necessários para realizar um estudo oculomotor. O Sistema VisualEyes será discutido em três partes: 1) o dispositivo de gravação oculomotor para adquirir respostas de movimento do olho, 2) o software VisualEyes escrito em LabView, para gerar uma variedade de estímulose as respostas de loja como arquivos de texto e 3) análise de dados offline. Os movimentos oculares podem ser gravadas por vários tipos de instrumentos, tais como: um sistema de rastreamento limbo, uma bobina de pesquisa esclera, ou um sistema de imagem de vídeo. Estímulos dos movimentos oculares típicos, tais como etapas sacádicos, rampas convergentes e passos convergentes com as respostas correspondentes serão mostrados. Neste relatório de vídeo, que demonstram a flexibilidade de um sistema para criar numerosos estímulos visuais e movimentos oculares ficha que podem ser utilizadas por cientistas básicos e clínicos para estudar saudável, bem como populações clínicas.

Protocol

Uma visão geral dos elementos chave necessários para realizar uma experiência oculomotor é mostrado na figura 1. Cada bloco no diagrama de fluxo serão discutidos em detalhe abaixo.

1. INSTRUMENTOS SET-UP:

1. Qualquer tipo de controlo de movimento do olho pode ser utilizado para este sistema. Vamos demonstrar um acompanhamento limbo infravermelho e um sistema de monitoramento de vídeo.
2. Para os movimentos de rastreamento em tandem, tais como a perseguição sacade ou liso, um computador único pode ser utilizado para a exibição visual. Para estudar os movimentos dos olhos opostas, como convergência ou a interação de convergência com movimentos versão em tandem (ie, vergent com estímulos saccadic) um haploscope é necessária com dois monitores de computador para exibição visual, ver figura 2.

2. Calibração:

1. A calibração é necessária para converter um conjunto de métricas para outro. Os movimentos oculares são geralmente indicadas em graus (°) de rotação mostrados na figura 3. Contudo, m computadoronitors usar valores de pixels em comparação com pesquisadores de visão que muitas vezes denotam os estímulos visuais em graus. Daí, a conversão é necessária para converter os valores de pixel para graus. Pode-se usar a trigonometria para calcular onde colocar as metas físicas para calibrar os displays visuais. Por exemplo, se o estímulo no ecrã do computador alinha com um alvo física ° 2 (ver figura 2) que, em seguida, o valor de pixel corresponde a um 2 ° estímulo.
2. Para calibrar o sistema, o operador precisa abrir Pixel2Deg.vei dentro do diretório VisualEyes. Primeiro, defina o monitor para calibrar usando o campo de modo stretch. Digite o número 1 para o monitor olho esquerdo e número 2 para o monitor olho direito. Em seguida, execute o programa e mover a linha de estímulo verde até que a linha verde é exibida na parte superior da meta física. Introduza a posição conhecida da meta física em graus e pressione o botão salvar. Em seguida, clique na linha verde. O valor de grau e pixel será mostrado no visor em tele parte inferior esquerda canto. O operador deve coletar um mínimo de três pontos de calibração.
3. Depois de salvar todos os pontos de calibração, abra o arquivo de saída D2P no diretório VisualEyes para obter os pontos de calibração. Traçar os pontos de calibração para obter uma equação de regressão linear. Utilizar a equação para calcular a posição inicial e final do estímulo visual do operador desejar programar em valores de pixel. Um exemplo do olho esquerdo e olho direito curva de calibração obtida utilizando-se cinco pontos de calibração para um estímulo de vergência é mostrado na figura 4.
4. Repita os passos 2.2 e 2.3 para o outro monitor se o estímulo requer um monitor adicional.

3. VisualEyes SOFTWARE:

1. Definir um estímulo: O operador tem de definir a posição inicial e final de estímulo olho esquerdo e direito antes da experiência. Primeiro, abra um novo arquivo de texto e na primeira linha, definir o tempo inicial e posição valoriza of o estímulo. Quatro parâmetros têm de ser definidas 1) Tempo (segundos), 2) a posição horizontal (pixel), 3) a posição vertical (pixel), e 4) a rotação (°), separadas por um separador. Da mesma forma, definir os quatro parâmetros do tempo final e posição do estímulo. Salve o estímulo no diretório VisualEyes como stimulus_name.vei arquivo (VEI = VisualEyes entrada) e repita este passo para o outro estímulo olho.
   1. O movimento do estímulo pode ser generalizado em dois tipos de movimento: um passo abrupto ou uma rampa contínua. Um passo permite que o estímulo para mover ou saltar abruptamente a partir da posição inicial para a posição final. O operador deve observar que a mudança no tempo é de 0,001 segundos para um estímulo etapa. Na linha seguinte, definir por quanto tempo você deseja que o estímulo a residir na posição inicial, bem como a posição final. Os estímulos são definidos usando quatro campos dentro de uma linha. Um exemplo de um passo sacade, rampa exercício suave, passo vergent e rampa vergent são mostrados naTabela 1.
   2. Para estímulos, você pode ter um único estímulo, como um passo ou uma seqüência de tarefas visuais tais como a várias etapas.
2. Salve Stimulus em Estímulos Library: Há várias configurações padrão no dc1.txt (olho esquerdo estímulo / monitor) e dc2.txt (olho direito estímulo / Monitor) arquivos dentro do diretório VisualEyes. A primeira linha é a percentagem do crivo, no interior da direcção horizontal. A segunda linha representa a percentagem da tela dentro do sentido vertical. A terceira é a imagem de fundo e a quarta é a imagem de primeiro plano ou de destino. A quinta linha indica que o computador para trabalhar em modo independente. O ^6º significa que monitor (1 é olho direito e 2 é deixado olho). A linha 7 ^th é a relação de aspecto dos monitores. O restante das linhas são os diferentes tipos de estímulos, o operador pode usar dentro de uma sessão experimental.
   1. Abra o dc1.txt e dc2.txt da direc VisualEyestory. Estes dois arquivos contêm os estímulos da biblioteca para o olho esquerdo e olho direito, respectivamente. Na última linha, escrever o nome do estímulo que foi gerado a partir do passo 3.1 arquivo. O número refere-se ao perfil m ^th linha correspondente ao nome do arquivo de estímulo. Por exemplo, na figura 1, o número do perfil do estímulo é 8.
3. Pode-se repetir os passos 3.1 a 3.2 para criar tantos estímulos que são necessários para uma experiência.
4. Escrever Script para o Protocolo Experimental: Abra um arquivo de texto para digitar os comandos Protocolo Experimental. Este arquivo é chamado o arquivo de script que significa que o Sistema VisualEyes irá ler e executar cada comando do script encontrado neste arquivo. A capacidade de criar um arquivo de script para um protocolo experimental permite ao usuário proceder a repetidas sessões experimentais utilizando o mesmo protocolo. Além disso, vários scripts podem ser escritos para variar o tipo ea seqüência de comandos experimentais. Este arquivopodem ser salvos no diretório VisualEyes como um arquivo script_name.ves. (VES = VisualEyes Script)
   1. As funções VisualEyes ter argumentos de entrada e saída. A Tabela 2 mostra todas as funções do software VisualEyes.
      1. ExpTrial: Esta função é usada para chamar o estímulo que foi guardado na biblioteca de estímulo a partir do passo 3.2. O comprimento dos dados é o tempo que permitirá que a função de executar o estímulo. O tempfile.lwf permite que o software VisualEyes para armazenar temporariamente os dados e saída dele de entrada em um buffer de saída. Quando o tempfile.lwf não está definido, durante a execução desta função, ele não irá armazenar todos os dados de entrada para a digitalização.
      2. LogFile: Esta função gera cordas ou o buffer de entrada definido a partir ExpTrial no arquivo out.txt no diretório VisualEyes. Quando a experiência estar completa, o operador tem de mudar o nome do ficheiro out.txt para outro nome. Caso contrário, os dados serão substituídos durante a próxima experiment.
      3. TriggerWait: Esta função aguarda o sujeito a apertar um botão disparador para iniciar o ExpTrial e digitalizar os dados. Este é um canal em no cartão de aquisição digital, que está à espera de um sinal para alterar a partir de um elevado digitais (5 V) para baixo (0 V).
      4. RandomDelay: Esta função gera um atraso aleatório para evitar predição ou antecipação do estímulo seguinte.
      5. WaveMSD: Esta função calcula a média e desvio padrão dos dados.

4. Coloque o EYE MOVEMENT MONITOR & RUN EXPERIÊNCIA:

1. Os monitores diferentes movimentos oculares, tais como o sistema de córnea reflexão vídeo de imagem, sistema de rastreamento de limbo ou esclera bobina pode ser usado para coletar e movimentos registro de olho.
2. Antes de um assunto pode participar, o experimento deve ser explicado e o assunto deve ler e assinar um termo de consentimento aprovado pelo Comitê de Ética.
3. O operador de must ajustar o monitor movimento dos olhos sobre o assunto. Primeiro, o sujeito é solicitado a se fixar em um alvo. O operador ajusta o monitor movimento dos olhos para capturar os atributos anatômicas do olho, como o limbo (fronteira entre a íris e esclera) ou o aluno e reflexão da córnea, dependendo do monitor de movimento dos olhos usada.
4. Uma vez que o monitor de movimento dos olhos está devidamente ajustado sobre o assunto, o operador deve validar que o monitor de movimento dos olhos está capturando os movimentos dos olhos, pedindo o assunto para fazer vergent ou movimentos sacádicos.
5. Abra o programa ReadScript.vei no diretório VisualEyes. No canto superior direito, digite o nome do arquivo de script protocolo experimental criado a partir do passo 3.4 arquivo. Em seguida, execute o programa ReadScript.vei empurrando a seta vermelha no canto superior esquerdo.
6. Dê o assunto no botão disparador e explicar que quando o sujeito aperta o botão, a coleta de dados começará. Outro arquivo Acquire.vei será automático do ly aparecer na tela que irá desenhar os dados recebidos. Os dados são amostrados a 500Hz.
7. Quando a experiência estar completa, o ReadScript.vei irá parar automaticamente. Neste momento, vá para o diretório VisualEyes e localize o arquivo Out1.txt. Renomeie o arquivo de outro modo da próxima vez que o operador corre o experimento, o arquivo de dados serão substituídos.

5. OFF-LINE ANÁLISE DE DADOS:

1. O operador pode analisar os dados por meio de diferentes pacotes de software (ou seja, MATLAB ou o Excel). A latência, velocidade de pico, ou a amplitude de interesse pode ser, dependendo do estudo.
   1. Um exemplo de um código de análise Matlab é fornecido no diretório VisualEyes para traçar saccades, degraus e rampas vergence vergence. Exemplos dos sacádicos conjunto, passo vergence e rampa vergence vestígios de posição com as respostas de velocidade correspondentes são mostrados na figura 5.

6. Resultados representativos:

t "> Exemplos do conjunto de movimentos oculares registados utilizando o Sistema de VisualEyes é mostrado na Figura 5. 10 ° saccadic movimentos típicos são mostrados no gráfico 4A. Antisaccades são respostas saccadic quando o sujeito é dito para fazer uma sacada na direcção oposta de . o estímulo visual e são mostrados na trama 4B Esta é uma tarefa mais exigente cognitivamente, daí pode-se observar que a latência ou a hora de começar o movimento é mais para antisaccades (enredo 4B) em comparação com saccades para um estímulo visual também chamado prosaccades (lote 4A). respostas Vergence a 4 ° etapas são mostradas na trama 4C e vergence respostas para 5 ° / s rampas estímulos são mostrados na trama 4D. Cada traço é um movimento do olho indivíduo, onde a linha superior é a posição indicada em graus como um função do tempo. Os movimentos oculares são calibrados em unidades de graus, ângulos de metros, ou dioptrias. A nossa pesquisa utiliza grau de rotação. A linha inferior representa a velocidade traçada em graus / s, como uma função do tempo de umd é a velocidade do movimento. A escala para cada conjunto de dados difere dependendo do movimento.

Figura 1. Fluxograma de elementos-chave para realizar um experimento oculomotor. Exemplos de medidas necessárias para gerar um estímulo usando o software VisualEyes e realizar um experimento para análise de dados offline são apresentados. A parte A mostra a janela de Pixel2Deg.vei. Parte B demonstra quatro parâmetros necessários para definir um estímulo. Parte C é a biblioteca de estímulos onde as linhas de texto em preto dentro da biblioteca de estímulo são exemplo estímulos arquivos eo texto vermelho define cada linha. Parte D é um exemplo de um protocolo experimental roteiro.

Figura 2. VisualEyes Sistema Haploscope Experimental Set-Up. Três monitores CRT são utilizados: 1) Um painel de controle é necessário para visualizar uma estímulosrespostas d 2) um monitor CRT para o olho direito (RE) estímulos visuais e 3) a CRT monitorar o olho esquerdo (OE) estímulos visuais. Um espelho semi-prateado é colocado 30 centímetros de distância dos dois monitores CRT estímulos visuais. Isto é para garantir que os estímulos nos monitores CRT são projetadas no espelho metade prateada (transmissão de 50% e 50% espelho reflectância). O espelho permite que o sujeito para ver estímulos a partir das telas de computador sobrepostas em alvos localizados a distâncias medido a partir do tema que é necessário para a calibração. Com um haploscope, a procura de alojamento para ambos os olhos é mantida constante. A distância entre os olhos da pessoa e do espelho é de 10 cm. O sistema pode ser ajustado para acomodar diferentes distâncias inter-pupilar (IPD), mas para esta demonstração vamos assumir a IPD em 6 cm.

Figura 3. Os cálculos do sacádicos (esquerda) e Vergent (à direita) movimento de metas A para B são mostrados. IPD é a distância inter-pupilar.

Figura 4. A calibração curva do olho esquerdo (top parcela) e olho direito (gráfico inferior) estímulo. Um procedimento semelhante deverá ser conduzido por estímulos perseguição sacádicos ou lisas.

Figura 5. Exemplos de saccades (A) antisaccades (B), etapas vergence (C) e rampas vergence (D) que utilizam o sistema VisualEyes e analisados ​​usando um programa MATLAB costume. Vestígios de posição Ensemble (° em função do tempo em segundo) são plotados na fileira superior, onde cada linha colorida representa um movimento diferente do olho. Os traços correspondentes velocidade (° / s em função do tempo em segundos).

0,5

Tipo de estímulo	Estímulo_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tempo (s)	x-position (pixel)	y-posição (pixel)	Rotação (°)	Tempo (s)	x-position (pixel)	y-posição (pixel)	Rotação (°)
Suave perseguição Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Passo Sacada	0	100	0	0	0	100	0	0
	100	0	0	0,5	100	0	0
	0,501	200	0	0	0,501	200	0	0
	3	200	0	0	3	200	0	0
Vergence Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Vergence Passo	0	452	0	0	0	973	0
	0,5	452	0	0	0,5	973	0	0
	0,501	416	0	0	0,501	1002	0	0
	3	416	0	0	3	1002	0	0

Tabela 1. Um exemplo de Suave perseguição Rampa, Etapa sacádicos, Vergence Ramp e Vergence Passo Estímulos

Função	Sintaxe
ExpTrial	Buffer de saída # = ExpTrial ("Corpo de dados: LE Perfil: RE Perfil"); Exemplo: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Tampão # = Exo Trial ("Corpo de dados: LE Perfil: RE Perfil:. tempfile FLM"); Exemplo: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Buffer de saída # = LogFile ("TEXT"); Exemplo: 0 = LogFile ("Experimento 1");
	0 = LogFile (Buffer entrada #); Exemplo: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Número Tampão); Exemplo: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Exemplo: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Buffer de saída # = WaveMSD (Buffer entrada #);

Tabela 2. Funções usado para escrever o Protocolo Experimental do Programa VisualEyes

Discussion

Passos críticos:

Monitores de movimento dos olhos deve ser ajustado adequadamente sobre o assunto. Por exemplo, monitores de gravação de movimento ocular trabalhar dentro de uma gama e tem de ser ajustada para o objecto. Se o movimento dos olhos do sujeito vai além do alcance, em seguida, o sistema torna-se saturado. Após a saturação, o sinal de movimento dos olhos não é válido. A calibração é também fundamental na gravação de movimento dos olhos. Todos os monitores do movimento ocular medir um sinal analógico que é digitalizado e precisa de ser convertidas para unidades normalmente utilizadas na pesquisa de movimento dos olhos, tais como o grau de rotação. A linearidade do sistema avaliada através de três ou mais pontos de calibração é também importante para determinar se a transformação do sinal em graus pode ser feito utilizando uma transformação linear simples ou necessita de uma transformação mais complexa. É também importante notar que o posicionamento adequado dos monitores de computador e os alvos físicas é necessária para alinhar os estímulos visuais no computadortela quando utilizado num contexto haploscope.

Além disso, as instruções para os sujeitos também são imperativos. Por exemplo, para sistemas de vídeo ou de rastreamento limbo um piscar irá resultar em perda de sinal; no entanto, o operador não pode pedir um assunto para não piscar para uma longa duração. Instruções ao assunto pode facilitar quando os operadores gostaria que o assunto de olhar para um novo alvo para evitar pisca durante a coleta de dados. Um outro exemplo da importância de instruções está representada numa prosaccade versus um experimento antisaccade. Para prosaccades a pessoa olha para o alvo em comparação com um experimento antisaccade onde o sujeito olha na direção oposta da meta de estímulo.

Possíveis Modificações:

A resistência do sistema VisualEyess é a sua flexibilidade. Vários estudos têm publicaram seu software personalizado para estimular estímulos sacádicos. ^2,3,4,5 No entanto, existem muitos outros types de estudos oculomotores que se pode querer investigar tais como movimentos de perseguição ou vergence lisas. O Sistema VisualEyes permite programar cada monitor independente para que o operador pode programar saccadic, exercício suave ou estímulos convergentes ou qualquer combinação dos três (saccadic com estímulos convergentes por exemplo). O fundo é uma imagem estática que, atualmente, não se move, mas a próxima geração do software VisualEyes permitirá que a imagem de fundo para mover. A imagem de primeiro plano pode ser movido horizontalmente, verticalmente ou rodar. A imagem padrão é uma linha, mas pode ser alterado para uma distribuição de função Gaussian (DOG) estímulo utilizado para reduzir ainda mais um estímulo acomodatícia ou qualquer outra imagem. Além disso, a capacidade de programar telas de computador permite uma maior flexibilidade de forma independente. Por exemplo, phoria é medida rotineiramente como um parâmetro clínico, mas um pode querer gravá-la com um monitor de movimento dos olhos. Phoria é a posição de descanso de um whil olho ocluídoe o outro olho tem um estímulo. Nós validamos este método de medição phoria usando o Sistema VisualEyes ^6,7,8.

Aplicações e significado:

Pesquisa dos movimentos oculares podem fornecer informações importantes para cientistas básicos e clínicos. Ele também pode ser uma ferramenta para monitorar doenças neurológicas de traumatismo crânio-encefálico ⁹ a distrofia muscular ^{de 10} a doença de Alzheimer ¹¹ a esquizofrenia. ¹² Ele pode fornecer uma visão para a aprendizagem motora, ¹³ mecanismos de atenção, memória ^{de 14} ou ¹⁵ para citar algumas aplicações. Além disso, beneficia de uma forte base neurofisiologia a partir de gravações de células individuais em primates1 não-humano e pode ser acoplado com ressonância magnética funcional para analisar simultaneamente o funcionamento do cérebro para entender redes visual, conectividade e interação ^16.