Summary
Amblyopi er en udviklingsforstyrrelse af den visuelle cortex, der ofte ledsages af en kraftig undertrykkelse af det ene øje. Vi præsenterer en ny teknik til at måle og behandle interocular undertrykkelse hos patienter med amblyopi, som kan implementeres ved hjælp af virtual reality briller eller en bærbar iPod Touch enhed.
Abstract
Amblyopi, en udviklingsforstyrrelse af den visuelle cortex, er en af de førende årsager til visuel dysfunktion i den arbejdsdygtige alder. Aktuelle skøn sætter forekomsten af amblyopi på cirka 1-3% 1-3, de fleste tilfælde er monokulært 2. Amblyopi er oftest forårsaget af okulær forskydning (skelen), sløre induceret af ulige brydningsfejl (anisometropia), og i nogle tilfælde ved formular afsavn.
Selvom amblyopi oprindeligt er forårsaget af unormal visuelle input i barndom først er etableret, den visuelle underskud forbliver ofte når normal visuel indgang er blevet restaureret med kirurgi og / eller refraktive korrektion. Dette skyldes, at amblyopi er et resultat af unormal visuelle cortex udvikling frem for et problem med amblyopic øjet selv 4,5. Amblyopi er kendetegnet ved både monokulare og kikkert underskud 6,7 som omfatter nedsat visuel skarphed og dårlig eller manglende stereopsis hhv. Den visuelle dysfunktion i amblyopi er ofte forbundet med en stærk undertrykkelse af input fra amblyopic øje under binokulære visningsforhold 8. Nyligt arbejde har vist, at suppression kan spille en central rolle i både monokulære og binokulære deficit i forbindelse med amblyopi 9,10.
Aktuelle kliniske tests for suppression tendens til at verificere tilstedeværelse eller fravær af suppression stedet for at give en kvantitativ måling af graden af undertrykkelse. Her beskriver vi en teknik til måling amblyopic undertrykkelse med en kompakt, bærbar enhed 11,12. Anordningen består af en bærbar computer forbundet til et par virtual reality beskyttelsesbriller. Det nye i teknikken ligger i den måde, vi præsenterer visuelle stimuli til at måle undertrykkelse. Stimuli vist til amblyopic øjet ved høj kontrast mens kontrasten af stimuli vist med den ikke-amblyopic øjet varieres. Patienter udføre en simple signal / støj-opgave, der giver mulighed for en præcis måling af styrken af excitatoriske binokulære interaktioner. Forskydningen kontrast, som hverken øjet har en ydelse fordel er et mål for "balance point", og er et direkte mål for suppression. Denne teknik er blevet valideret psychophysically både i kontrol 13,14 og patient 6,9,11 populationer.
Ud over at måle suppression denne teknik også danner basis for en hidtil ukendt form for behandling for at reducere suppression over tid og forbedrer kikkert og ofte monokulære funktion hos voksne patienter med amblyopi 12,15,16. Denne nye behandlingsmetode kan installeres enten på goggle system beskrevet ovenfor eller på en specielt modificeret iPod touch-enhed 15.
Protocol
1. Målingen af Suppression
- Inden du begynder målingen af undertrykkelse, give patienten detaljerede instruktioner (se 1,8) og vise de visuelle stimuli i forbindelse med trin 1,2-1,8 nedenfor på den bærbare computer skærmen. Alle patienter skal bære fuld brydningskorrektion (briller / kontaktlinser) under hele proceduren, passende korrigeret for arbejdstiden afstand.
- De beskyttelsesbriller (eMagin 8700) skal monteres på patienten (over toppen af briller / kontaktlinser) og korrekt justeret. Sikre, at skærmene sidder parallelt med øjenoverfladen. Skærmene kan justeres for at tegne sig for hver enkelt patients pupilafstand. Instruktioner for tilslutning og kalibrering af beskyttelsesbriller kan findes her: http://www.3dvisor.com/wpcontent/uploads/2010/08/UserGuide10.7.pdf .
- De stimuli består af to populationer af bevægelse prikker, en population moving i en fælles retning (de "signal" prikker), og den anden bevæger sig i tilfældige retninger (de 'støj' prikker). Observatøren har til opgave at rapportere signal retning. Opgaven vanskelighed manipuleres ved at variere det relative forhold af signal til støj prikker i stimulus.
- Den brugerdefinerede Matlab-programmer, der styrer disse målinger anvender en 3-down 1-op trappe procedure. Der er to separate målingsresidualer faser. Den første indeholder et binokulært tærskelværdi, dvs tærskelantal af signal prikker påkrævet, når både signal og støj prikker præsenteres i begge øjne med høj kontrast. Det andet program måler kontrasten ubalance nødvendig for at opnå den samme tærskelværdi, når dot befolkninger præsenteres for forskellige øjne.
- Forskellige billeder vises på beskyttelsesbriller skærme ved brug af en Matrox DualHead2Go, (Montreal, Canada) enhed.
- Til at begynde undertrykkelsen vurdering dels måle et binokulært tærskel. Her den samme visuelle stimuli are vist i begge øjne, og det mindste antal af signal prikker er nødvendige for at præcist bedømme retningen af dot bevægelsen måles.
- Sådan justeres øjnene, vil skærmene vise en sort halv kryds i hvert øje mod en hvid skærm. Ved hjælp af tastaturet, er patienten bedt om at flytte halvdelen af korset ses af det amblyopic øjet indtil det flugter med den halve set af stipendiaten øje. Det er vigtigt, at patienten tilrådes at billedet ses af amblyopic øjet kan blive sløret, men det er den justering, der er vigtig. Hvis det bevægende billede forsvinder ud af syne bede patienten om at blinke oftere, da dette kan forbedre synligheden af billedet. Præcis okulær tilpasning (pixelværdier) kan udvindes efter hver måling for at fastslå repeterbarhed af denne opgave.
- Når patienten rapporterer, at de halve krydser ligger på linie, kan målingen påbegyndes. Hver måling tager omkring tre minutter at gennemføre. Fem korte trappe målinger completed for hver af de to dele af målingen. Følgende vejledning bør gives før målingen begynder:
- Instruktioner til observatøren:
"Under denne test vil du blive bedt om at foretage en dom om retningen af levende billeder."
"Du vil se en gruppe af hvide / grå prikker mod en grå baggrund. Efter hver præsentation vil jeg bede dig at beslutte, om prikkerne meste er på vej til venstre eller højre ved hjælp af venstre og højre piletaster på tastaturet foran dig . "
"Der er to grupper af prikker, hvoraf nogle bevæger sig jævnt til venstre eller højre (signal prikker), den anden gruppe synes at bevæge sig i tilfældige retninger."
"Prøv at afgøre, hvilken retning signalet prikker bevæger sig i (højre eller venstre) blandt forvirring af de tilfældige prikker." "Som du fortsætter med at træffe beslutninger antallet af tilfældige prikker vil stige, hvilket gør det sværere at se signalet prikker, når det bliver så svært du ikke kan fortælle retningen, skal du bare tageDeres bedste gæt ". - Den første måling kan nu begynde. En god "sidste minut" instruktion er at minde deltageren at blinke regelmæssigt ("et godt tidspunkt at blinke er, når du trykker på knappen").
- Fem målinger med kikkerten trappe paradigme er nu gjort. Okulær tilpasning gentages før hver måling startes.
- Det opnåede resultat fra hver måling er den tærskel antal signal punkter (ud af 100 punkter i alt) er nødvendige for korrekt bedømme retningen, når begge øjne se de samme stimuli. Programmet rapporterer også række reaktioner som en standard error for målingen.
- For den næste måling, kontrasten trappe, er de fem resultaterne fra de binokulære trapper gennemsnit og den resulterende tærskelværdien definerer antallet af signalet prikker præsenteres for amblyopic øjet. De resterende støj prikker præsenteres for ikke-amblyopic øje med varierende kontraster til at vurdere undertrykkelse.
- Til denne måling amblyopic øjealtid ser høj kontrast prikker mens kontrasten af støj prikker vist sig at den ikke-amblyopic øje varieres ved hjælp af en trappe procedure. Ved starten af trappen et fast antal signal prikker (opnået fra trin 1,11) er vist til amblyopic øjet på 100% kontrast og det resterende antal støj prikker vises til stipendiaten øjet ved 0% kontrast (dvs. ingen støj dots er synlige resulterer i minimal undertrykkelse). Korrekte identifikation af signal-dot retning resulterer i en forøgelse i kontrasten af støj prikker vises til stipendiaten øjet ifølge den 3-down 1-up trappe algoritme. Gennem målingen er kontrasten af støj prikker vist sig at stipendiaten øje varieres ved trappen indtil opgaveløsningen konvergerer på 79% korrekt. Dette indikerer, at signalet og støj prikker bliver kombineret mellem de to øjne til at producere det samme niveau af opgaveløsningen, der blev observeret under binokulære visningsforholdene (trin 1.11). Forholdet mellem kontrastsignalet prikker forelagt for amblyopic øje (altid 100%) i forhold til kontrasten af støj prikker vist sig at stipendiaten øje på tærsklen er et mål for balance punkt. Forøges kontrasten på de støj prikker vist sig at stipendiaten øje over dette punkt ville resultere i undertrykkelse af signal prikker vises til amblyopic øje og nedskrivninger i opgaveløsningen.
- Fem målinger af kontrasten ubalance og en gennemsnitlig resultat beregnes. Resultatet informerer undersøgeren om kontrastniveauet ubalance, der er nødvendigt for at overvinde suppression og tillade amblyopic øjet og kolleger øje at se prikkerne samtidigt.
2. Træning hjælp af denne metode
- Kontrasten ubalance fundet i trin 1,14 ovenfor kan anvendes som udgangspunkt for et træningsprogram. Uddannelsen indebærer at integrere brugen af dichoptic billeder med kontrasten ubalance i et videospil format ("tetris"). Den video game kan implementeres påenten den virtuelle virkelighed beskyttelsesbriller eller på en iPod touch enhed.
- Videospil Tetris involverer en række faldende blokke, der er monteret sammen til dannelse af komplette anlæg. Den amblyopic øje ser fuld kontrast blokke, og stipendiaten øje ser reducerede kontrastrige billeder. Oplysninger, der forelægges til hvert øje skal opfattes samtidig for en vellykket spil.
- Tidens løb, når træningsprogram, fortsætter kontrasten ubalance reduceres ved at forøge kontrasten til stipendiaten øje, hvilket gør det vanskeligere for det visuelle system til at overvinde suppression forårsaget af flere lignende dichoptic billeder.
- Træning varighed bør være 1-2 timer om dagen og bør fortsættes indtil der ikke yderligere forbedring i kontrast ubalance (stigning i kontrast præsenteret for stipendiaten øje) overholdes. Under uddannelsen ordning bør kontrol af monokulær og binokulære funktion gøres regelmæssigt (bestemt efter alder af patienten og underliggende tilstand). Test af monokulær synsstyrke, stereopsisog standardtilfældighedstest undertrykkelse er særligt vigtige for indberetning af resultater.
Representative Results
Niveauet af suppression findes i den beskrevne metode er afhængig af den underliggende årsag til amblyopi, tidligere behandling, anvendelse af brydningskorrektion og synsskarphed. Fordi hver patient har en meget unik historie, er det vanskeligt at definere »normale« værdier for undertrykkelse eller foretage sammenligninger mellem mennesker. Generelt forventer vi, at dem med dårligere synsstyrke at have et dybere niveau af undertrykkelse 9. Under træningen, da vi reducerer kontrasten ubalance mellem øjnene dybden af undertrykkelse typisk reducerer, og dette forbedrer en række af binokulære og monokulært funktioner. Denne ændring i suppression er blevet påvist i flere patientpopulationer (se figur 3 og 4 i reference 12, tabel 3 og figur 9 i reference 15 og figur 2 i reference 16). Det er vigtigt at bemærke, at detaljerede målinger af suppression ved hjælp ther teknik har potentiale til at øge vores forståelse af amblyopi syndrom.
Figur 1. Udstyret der anvendes til måling af undertrykkelse, som omfatter 1) laptop 2) beskyttelsesbriller 3) signal splitter.
Figur 2. Brillerne monteret korrekt på en undersøgelse deltager.
Figur 3. En oversigt over de tilfældige dot kinetogram stimuli (trin 1.2/1.3). Toppanelet viser parallelopstillingen fase, hvor en halv kryds vises til hvert øje monocularly som et kriterium til Bino cular justering. Det midterste panel viser signal-støj-paradigme, hvor signal prikker præsenteres for amblyopic øje alene og støj prikker præsenteres til stipendiaten øjet under binokulære betingelser signal og støj kombineres til opnåelse af en bevægelse sammenhæng tærskel, som derefter anvendes i kontrasten varierende fase af målingen. Det nederste panel viser kontrasttærskel, denne procedure anvender motion sammenhæng tærskel på et fast niveau af signal til støj, og viser varierende kontrastniveauet mellem de to øjne. Det punkt, hvor de to øjne ser en afbalanceret binokulært input er kontrasten grænseværdi eller "balance point".
Figur 4. (Trin 1,7) Alignment skærme som set gennem de briller, horisontal og vertikal piletasterne bruges til at justere mål indtil en hel kors ses.
Figur 5. En oversigt over uddannelse protokollen.
Figur 6. Eksempel på kliniske og psykofysiske data fra en voksen deltager med strabismic amblyopi, der afsluttede uddannelsen (trin 2,1 til 2,4). 6A viser ændringen i synsstyrke (målt med en logaritmisk stil diagram i logMAR enheder løbet af fire uger af uddannelse for både amblyopic øje (AME) og kollega øjet (FFE)). Mindre LogMAR værdier indikerer bedre synsskarphed. Den kumulative antal timers spil er vist i parentes på x-aksen. Figur 6B viser ændringen i modsætning IMBAlanse over fire ugers træning. Y-aksen viser den kontrast, der kan tolereres i stipendiaten øjet derfor større værdier indikerer mindre suppression. Ved starten af uddannelsen kun 30% kontrast kan tolereres i stipendiaten øjet, før den amblyopic øje blev undertrykt. Men som træning skred frem, kan mere kontrast tolereres indikerer en reduktion af suppression. Figur 6C viser forbedringen i stereoacuity over træningsperioden (målt med Randot stereo test). Zero på y-aksen angiver ingen stereo vision og stigende værdier indikerer forbedring stereo følsomhed (enheder er den reciprokke værdi af stereo tærskel i buesekunder).
Figur 7. Standard kliniske test, der anvendes til at vurdere binokulære syn status før og efter træning, herunder Worth 4 dot test (øverst til venstre), Bagollini lenses (øverst til højre), Randot Stereopsis test (nederst til venstre) og TNO stereopsis test (nederst til højre).
Discussion
Undertrykkelsen måling og behandling teknikker beskrevet i dette dokument yderst afhængig af manipulation af kontrasten i billederne, som hvert øje. Specifikt den relative interocular kontrast ubalance, hvor kikkerten kombination forekommer, nemlig "i balance punkt kontrast", giver et mål for undertrykkelse 6,11,17. Desuden, ved gentagne gange at eksponere patienter med amblyopi og undertrykkelse til "balanceret" visuelle stimuli er det muligt at reducere suppression og potentielt forbedre både monokulære og binokulære visuel funktion 12,15,16. Disse teknikker udgør et fremskridt i undertrykkelse måling og en ny tilgang til amblyopi behandling hhv. I øjeblikket tilgængelige kliniske test til vurdering undertrykkelse, såsom den Worth 4 lys test og Bagolini riller linser vurdere, om suppression er til stede eller fraværende, og andre tests, såsom sbisa bar kvantificere niveauet af suppression ved anvendelse af neutraledensitetsfiltre. Vores teknik giver yderligere kliniske oplysninger ved at tillade styrken af undertrykkelse, der skal præcist. Amblyopi, som ofte er forbundet med suppression, er generelt behandlet ved at okkludere den ikke-amblyopic øje eller forringe billedet i den ikke-amblyopic øje for at fremme brugen af amblyopic øjet 18. Mens denne teknik er effektiv til at forbedre amblyopic øjet funktion 18, betyder det ikke direkte binokulære deficit i forbindelse med amblyopi. Vor teknik direkte målrettet binokulær visuel funktion, og vi har fundet, at denne fremgangsmåde kan forbedre både monokulære og binokulære funktion hos voksne patienter med amblyopi 12,15,16. De målte og behandling beskrevne metoder er egnede til brug hos voksne og børn, selv om de spil skal muligvis tilpasses til brug for yngre pædiatriske populationer. Vi er ved at udvikle flere spil til dette formål.
Voresteknikker har begrænsninger. Nogle patienter med en skelen og stærk undertrykkelse finder det udfordrende at tilpasse de billeder, der vises på hvert øje i begyndelsen af undertrykkelsen måleprotokollen. Mens det er muligt for sådanne patienter at bringe billederne 17, kan det være tidskrævende. Med hensyn til behandling er det vigtigt at arbejde sammen med en kvalificeret kliniker hele uddannelsen regime, og til at overveje risikoen for diplopi (dobbeltsyn), hvis undertrykkelse er reduceret. Vores tidligere arbejde på denne behandling tilgang har fokuseret på patienter med anisometropia eller små-vinkel skelen og ingen patienter har udviklet dobbeltsyn, men risikoen for diplopi bør nøje overvejes af en kvalificeret læge på en patient ved patient grundlag, inden behandling administreres .
Ved opsætning af de teknikker for første gang, er det vigtigt at sikre, at alle hardware-forbindelser er sikre, og at alle relevante drivere er igået i stå og opdateret på værtscomputeren. Det er også vigtigt at bruge en computer udstyret med et grafikkort, der er kompatibelt med et Matrox grafikkort beskrevet i protokollen, og som understøtter en skærmopløsning på 1600x600 (når Matrox drivere er installeret) for at sikre, at hver goggle skærm har en klar billede. Vi har fundet, at de fleste problemer opstår, når indførelsen af systemet forekomme på grund af forkerte skærmopløsning og fraværet af ajourført drivere til den nødvendige hardware. Det er også vigtigt at sikre, at begge goggle skærme lige luminans før måling suppression at sikre nøjagtige og stabile målinger.
De beskrevne teknikker giver et fundament for yderligere udvikling af undertrykkelse måling og behandling tilgange. Især skulle udviklingen af mere engagerende videospil baseret på det centrale princip i varierende kontrast mellem øjnene gøre denne tilgang mere effektiv og mere enppealing med yngre patienter. Bortset fra deres kliniske anvendelse, kan disse teknikker også anvendes i et forskningsmiljø til at undersøge de neurale mekanismer, der ligger suppression og den rolle, inhibitoriske vekselvirkninger mellem øjnene spiller i den normale visuelle system 13.
Disclosures
Teknikkerne beskrevet i dette manuskript danner grundlag af to patenter tilhørende BT og RFH, hvoraf den ene vedrører tillige JC og LT.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment for the measurement of suppression | |||
| Computer equipped with a graphics card compatible with a Matrox Duel Head to Go device (see below) and Psychtoolbox19,20 | Any Suitable Manufacturer | ||
| Matlab software of a version compatible with Psychtoolbox | Mathworks | ||
| Psychtoolbox and custom software for stimulus generation | Psychtoolbox | Psychtoolbox is available for download from psychtoolbox.org and the additional custom software is available from the corresponding author upon request. | |
| Matrox Duel Head to Go | Matrox | ||
| Z800 3D dual pro-HMD video goggles | eMagin Corporation | ||
| Equipment for the treatment of suppression | |||
| iPod Touch | Apple | ||
| Screen overlay to allow for dichopic viewing of the iPod | Spatial View | ||
| Custom software for the tetris treatment game | The software was built using Spatial View's proprietary SDK, full details have been published previously15 | ||
References
- Webber, A. L., Wood, J. Amblyopia: prevalence, natural history, functional effects and treatment. Clin. Exp. Optom. 88, 365-375 (2005).
- Dirani, M., et al. Prevalence of refractive error in Singaporean Chinese children: the strabismus, amblyopia, and refractive error in young Singaporean Children (STARS) study. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 51, 1348-1355 (2010).
- Group, M.-e. P.E.D.S. Prevalence of amblyopia and strabismus in African American and Hispanic children ages 6 to 72 months the multi-ethnic pediatric eye disease study. Ophthalmology. 115, 1229-1236 (2008).
- Hess, R. F., Li, X., Lu, G., Thompson, B., Hansen, B. C. The contrast dependence of the cortical fMRI deficit in amblyopia; a selective loss at higher contrasts. Hum. Brain Mapp. 31, 1233-1248 (2010).
- Li, X., Dumoulin, S. O., Mansouri, B., Hess, R. F. Cortical deficits in human amblyopia: their regional distribution and their relationship to the contrast detection deficit. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 48, 1575-1591 (2007).
- Mansouri, B., Thompson, B., Hess, R. F. Measurement of suprathreshold binocular interactions in amblyopia. Vision Res. 48, 2775-2784 (2008).
- Agrawal, R., Conner, I. P., Odom, J. V., Schwartz, T. L., Mendola, J. D. Relating binocular and monocular vision in strabismic and anisometropic amblyopia. Arch. Ophthalmol. 124, 844-850 (2006).
- Baker, D. H., Meese, T. S., Hess, R. F. Contrast masking in strabismic amblyopia: attenuation, noise, interocular suppression and binocular summation. Vision research. 48, 1625-1640 (2008).
- Li, J., et al.
- Rahi, J., Logan, S., Timms, C., Russell-Eggitt, I., Taylor, D. Risk, causes, and outcomes of visual impairment after loss of vision in the non-amblyopic eye: a population-based study. Lancet. 360, 597-602 (2002).
- Black, J. M., Thompson, B., Maehara, G., Hess, R. F. A compact clinical instrument for quantifying suppression. Optom. Vis. Sci. 88, 334-343 (2011).
- Hess, R. F., Mansouri, B., Thompson, B. A binocular approach to treating amblyopia: antisuppression therapy. Optom. Vis. Sci. 87, 697-704 (2010).
- Li, J., et al. Quantifying sensory eye dominance in the normal visual system: a new technique and insights into variation across traditional tests. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 51, 6875-6881 (2010).
- Zhang, P., Bobier, W., Thompson, B., Hess, R. F. Binocular Balance in Normal Vision and Its Modulation by Mean Luminance. Optom. Vis. Sci. , (2011).
- To, L., et al. A game platform for treatment of amblyopia. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 19, 280-289 (2011).
- Hess, R. F., Mansouri, B., Thompson, B. A new binocular approach to the treatment of amblyopia in adults well beyond the critical period of visual development. Restor. Neurol. Neurosci. 28, 793-802 (2010).
- Goodman, L. K., Black, J. M., Phillips, G., Hess, R. F., Thompson, B. Excitatory binocular interactions in two cases of alternating strabismus. J. Aapos. 15, 345-349 (2011).
- Holmes, J. M., Clarke, M. P.
- Brainard, D. H.
- Pelli, D. G. The VideoToolbox software for visual psychophysics: transforming numbers into movies. Spat. Vis. 10, 437-442 (1997).
