Den Måling og behandling av undertrykkelse i Amblyopi

Summary

Amblyopi er en utviklingsforstyrrelse av det visuelle cortex som er ofte ledsaget av sterk undertrykkelse av det ene øyet. Vi presenterer en ny teknikk for å måle og behandle interocular undertrykkelse hos pasienter med amblyopi som kan brukes gjennom virtuell virkelighet briller eller en bærbar iPod Touch enheten.

Abstract

Amblyopi, en utviklingsforstyrrelse av den visuelle cortex, er en av de viktigste årsakene til visuell dysfunksjon i befolkningen i arbeidsdyktig alder. Nåværende estimater setter utbredelsen av amblyopi på ca 1-3% ^1-3, de fleste tilfeller være monocular ^2. Amblyopi er oftest forårsaket av okulær forskyvning (skjeling), blur indusert av ulik refraksjonsfeil (anisometropi), og i noen tilfeller av skjemaet deprivasjon.

Selv amblyopi er i utgangspunktet forårsaket av unormal visuell inngang i spedbarnsalder, når etablert, forblir den visuelle underskudd ofte når normal visuell inngang har blitt restaurert ved hjelp av kirurgi og / eller refraktiv korreksjon. Dette er fordi amblyopi er resultat av unormal visuelle cortex utvikling heller enn et problem med amblyopic øyet selv ^4,5. Amblyopi er preget av både monocular og binokulært underskudd ^6,7 som inkluderer svekket synsskarphet og dårlig eller fraværende stereopsis hhv. Den visuelle dysfunksjon i amblyopi er ofte forbundet med en sterk undertrykkelse av inngangene fra amblyopic øyet under kikkerten visningsforhold ^8. Nyere arbeid har indikert at undertrykkelse kan spille en sentral rolle i både monocular og kikkerter underskudd forbundet med amblyopi ^9,10.

Gjeldende kliniske tester for undertrykking tendens å bekrefte tilstedeværelse eller fravær av undertrykkelse snarere enn å gi en kvantitativ måling av graden av undertrykkelse. Her beskriver vi en teknikk for å måle amblyopic undertrykkelse med en kompakt, bærbar enhet ^11,12. Enheten består av en bærbar datamaskin som er koblet til et par av virtuelle virkelighet briller. Nyheten av teknikken ligger i måten vi presenterer visuelle stimuli for å måle undertrykkelse. Stimuli er vist til det amblyope øye ved høy kontrast mens kontrasten av stimuli vist til ikke-amblyope øye er variert. Pasienter utføre en simple signal / støy oppgave som tillater en nøyaktig måling av styrken av eksitatoriske binokulær interaksjoner. Kontrasten i en offset som verken øyet har en ytelse fordel er et mål på "balanse point" og er et direkte mål på undertrykkelse. Denne teknikken har blitt validert psychophysically både i kontroll ^13,14 og pasientens ^6,9,11 populasjoner.

I tillegg til å måle suppresjon denne teknikken danner også grunnlag for en ny form for behandling for å redusere undertrykkelse over tid og forbedre binokulære og ofte monokulær funksjon i voksne pasienter med amblyopi ^12,15,16. Denne nye behandlingen tilnærming kan distribueres enten på goggle systemet beskrevet ovenfor, eller på et spesielt modifisert iPod touch-enheten ^15.

Protocol

1. Måling av Suppression

1. Før du begynner måling av undertrykkelse, gi pasienten detaljerte instruksjoner (se 1.8) og viser de visuelle stimuli knyttet til trinn 1.2 til 1.8 nedenfor på laptop skjermen. Alle pasienter må bruke full refraktiv korreksjon (briller / kontaktlinser) gjennom hele prosedyren, passende justert for arbeidsavstand.
2. Brillene (eMagin 8700) skal monteres til pasienten (over toppen av briller / kontaktlinser) og riktig justert. Kontroller at skjermene sitte parallelt til okulær overflate. Skjermene kan justeres for å redegjøre for hver enkelt pasients pupillavstand. Instruksjoner for tilkobling og kalibrering brillene kan bli funnet her: http://www.3dvisor.com/wpcontent/uploads/2010/08/UserGuide10.7.pdf .
3. Stimuli består av to populasjoner av bevegelige prikker, en befolkning moving i en felles retning (de "signal" prikker) og andre bevegelige i tilfeldige retninger ("støy" prikker). Observatørens oppgave er å rapportere signal retning. Oppgave problemer er manipulert ved å variere den relative andelen av signal til støy prikker i stimulans.
4. De egendefinerte Matlab programmer som kontrollerer disse målingene utnytte en 3-down 1-opp trappen prosedyre. Det er to separate måling etapper. Den første gir en kikkert terskel, som er, terskelen antall signal prikker kreves når både signal og støy prikker presenteres i begge øyne ved høy kontrast. Det andre programmet måler kontrasten ubalansen kreves for å oppnå den samme terskel når dot populasjoner presenteres til separate øyne.
5. Forskjellige bilder vises på beskyttelsesbriller skjermene gjennom bruk av en Matrox DualHead2Go, (Montreal, Canada) enhet.
6. For å begynne undertrykkelse vurdering, først måle en kikkert terskel. Her den samme visuelle stimuli are vist i begge øyne og minimumsantallet av signal prikker som kreves for å nøyaktig bedømme retningen av dot bevegelsen måles.
7. Å justere øynene, vil skjermbildene viser en svart halv kryss i hvert øye mot en hvit skjerm. Ved hjelp av tastaturet, er pasienten bedt om å flytte halvparten av korset sett av amblyopic øyet til den på linje med halv sett av stipendiat øyet. Det er viktig at pasienten er oppmerksom på at bildet sett av amblyope øye kan bli uklare, men det er den innretting som er viktig. Hvis det bevegelige bildet forsvinner fra visningen be pasienten å blinke oftere da dette kan øke synligheten av bildet. Nøyaktig okulær innretting (pikselverdier) kan utvinnes etter hver måling for å fastslå repeterbarheten av denne oppgaven.
8. Når pasienten rapporterer at de halve kors justert, kan målingen prosedyren begynne. Hver måling tar ca tre minutter å fullføre. Fem korte trapp målinger er completed for hver av de to delene av målingen. Følgende instruksjoner bør gis før målingen starter:
9. Instruksjoner for observatøren:
   "I løpet av denne testen vil du bli bedt om å gjøre en vurdering om retningen av bevegelige bilder."
   "Du vil se en gruppe hvite / grå prikker mot en grå bakgrunn. Etter hver presentasjon vil jeg be deg å avgjøre om prikkene er for det meste å flytte til venstre eller høyre med venstre og høyre piltaster på tastaturet foran deg . "
   "Det finnes to grupper av prikker, noen bevege seg jevnt mot venstre eller høyre (signalet prikker), den andre gruppen synes å bevege seg i tilfeldige retninger."
   "Prøv å bestemme hvilken retning signalet prikker går i (høyre eller venstre) blant forvirring av tilfeldige prikker." "Som du fortsetter å ta beslutninger antall tilfeldige prikker vil øke, noe som gjør det vanskeligere å se signalet prikker, når det blir så vanskelig at du ikke kan fortelle retning, kan du bare tadin beste gjetning ".
10. Den første målingen kan nå starte. En god "last minute" instruksjon er å minne deltakeren å blinke regelmessig ("en god tid til å blinke er når du trykker på knappen").
11. Fem målinger ved hjelp av kikkerten trapp paradigmet er nå gjort. Ocular justering gjentas før hver måling startes.
12. Resultatet hentet fra hver måling er terskelen antall signal prikker (av 100 punkter totalt) som kreves for å riktig bedømme retningen når begge øyne ser de samme stimuli. Programmet rapporterer også rekke tiltak som en standard feil av målingen.
13. For neste måling, kontrasten trapp, er de fem resultater fra den binokulære trapper gjennomsnitt og den resulterende terskelen definerer antall signal prikker forelagt amblyopic øyet. De gjenværende støy dots presenteres til den ikke-amblyope øye på varierende kontraster å vurdere undertrykkelsen.
14. For denne målingen amblyopic øyetalltid ser høy kontrast prikker mens kontrasten av støy prikker vist til ikke-amblyope øye er variert ved hjelp av en trapp prosedyre. Ved starten av trappen et fast antall av signal prikker (oppnådd fra trinn 1.11) er vist til det amblyope øye ved 100% kontrast og det resterende antall støy prikker er vist til fyren øyet ved 0% kontrast (dvs. ingen støy dots er synlig som resulterer i minimal undertrykkelse). Riktig identifikasjon av signalledningene dot retning resulterer i en økning i kontrasten av støy prikker vist til stipendiat øyet ifølge 3 ned 1-opp trapp algoritmen. Gjennom målingen, er kontrasten av støy prikker vist til stipendiat øyet varieres ved trappen til utførelsen av oppgaver konvergerer på 79% korrekt. Dette indikerer at signal-og støy dots blir kombinert mellom de to øynene for å produsere det samme nivået av oppgaver som ble observert under binokulær seerforhold (trinn 1.11). Forholdet av kontrastensignalet dots forelagt amblyope øye (alltid 100%) i forhold til kontrasten av støy prikker vist til stipendiat øye på terskel er et mål av balansepunkt. Økt kontrast av støy prikker vist til stipendiat øye over dette punktet vil resultere i undertrykkelse av signalet prikker vist til amblyopic øyet og nedskrivninger i utføring av oppgaver.
15. Fem målinger er laget av kontrasten ubalanse og en gjennomsnittlig resultat beregnes. Resultatet informerer sensor om kontrastnivået ubalanse som er nødvendig for å overvinne undertrykkelse og la amblyopic øyet og stipendiat øye å se prikkene samtidig.

2. Trening med denne metoden

1. Kontrasten ubalansen funnet i trinn 1.14 ovenfor kan brukes som et utgangspunkt for en treningsregime. Treningen innebærer å integrere bruk av dichoptic bilder med kontrasten ubalanse i et videospill format ("tetris"). Videospill kan implementeres påenten den virtuelle virkeligheten vernebriller eller på en iPod touch-enheten.
2. Videospillet tetris innebærer en rekke fallende blokker som er montert sammen for å danne komplette linjer. Amblyopic øye ser fulle kontrast blokker, og stipendiat øyet ser reduserte kontrast. Informasjon som presenteres til hvert øye må oppfattes samtidig for vellykket lek.
3. Over tid som treningsregime fortsetter kontrasten ubalansen reduseres ved å øke kontrast til fyren øyet, noe som gjør det vanskeligere for det visuelle systemet å overvinne undertrykkelsen skyldes flere lignende dichoptic bilder.
4. Trening varighet bør være 1-2 hr en dag og bør fortsettes inntil ingen ytterligere forbedring i kontrast ubalanse (økning i kontrast forelagt stipendiat øye) observeres. Under treningen, bør kontroll av monocular og binokulært funksjon gjøres regelmessig (bestemt etter alder på pasienten og underliggende tilstand). Tester av monocular synsskarphet, stereopsisog standard tester av undertrykkelse er spesielt viktig for rapportering fremgang.

Representative Results

Nivået av undertrykkelsen funnet i den beskrevne metoden er avhengig av den underliggende årsaken til amblyopi, tidligere behandling, bruk av refraktiv korreksjon og synsskarphet. Fordi hver pasient har en veldig unik historie, er det vanskelig å definere "normale" verdier av undertrykkelse eller foreta sammenligninger mellom mennesker. Vanligvis forventer vi de med dårligere synsskarphet å ha et dypere nivå av undertrykkelse ^9. Under trening, som vi reduserer kontrasten ubalanse mellom øynene, reduserer dybden av undertrykkelse typisk og dette forbedrer en rekke kikkerten og monocular funksjoner. Denne endringen i undertrykkelse har blitt demonstrert i flere pasientpopulasjoner (se figurene 3 og 4 i ¹² referanse, Tabell 3 og figur 9 i referanse ¹⁵ og figur 2 i referanse ^16). Det er viktig å merke seg at detaljerte målinger av undertrykkelse rukeer har teknikk potensial til å forbedre vår forståelse av amblyopi syndrom.

Figur 1. Utstyret brukes til å måle undertrykkelse som inkluderer 1) laptop 2) beskyttelsesbriller 3) signal splitter.

Figur 2. Brillene riktig montert på en studie deltaker.

Figur 3. En oversikt over de tilfeldige dot kinetogram stimuli (trinn 1.2/1.3). Topplaten demonstrerer justeringen fase der en halv kryss vises til hvert øye monocularly som et signal for Bino kretsløp justering. Den midtre panelet viser signal til støy paradigme der signal prikker blir presentert for amblyopic øyet bare og støy prikker presenteres for fyren øyet, under binokulære forhold signalet og støy er kombinert for å gi en bevegelse sammenheng terskel som deretter benyttes i kontrasten varierende fasen av målingen. Bunnpanelet demonstrerer kontrasten terskelen, bruker denne fremgangsmåten bevegelsen koherens terskelen ved et fast nivå av signal til støy, og viser varierende kontrast mellom de to øyne. Punktet der de to øynene ser en balansert binocular inngang er kontrasten terskel eller "balanse punkt".

Figur 4. (Trinn 1.7) Justering skjermer som sett gjennom brillene, horisontale og vertikale piltastene brukes til å justere målene til en hel kors er sett.

e_content "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figur 5. En oversikt over treningen protokollen.

Figur 6. Eksempel på kliniske og psychophysical data fra en voksen deltaker med strabismic amblyopi som fullførte treningen prosedyren (trinn 2.1 til 2.4). Figur 6A viser endring i synsskarphet (målt med en logaritmisk stil diagram i logMAR enheter over fire uker trening for både amblyopic øyet (AME) og stipendiat øye (ffe)). Mindre LogMAR verdier indikerer bedre synsskarphet. Den kumulative antall timers spillet er vist i parentes på x-aksen. Figur 6B viser endringen i kontrast imbalanse over fire uker med trening. Y-aksen viser kontrasten som kan tolereres i fyren øyet, derfor større verdier indikerer mindre undertrykkelse. Ved starten av treningen bare 30% kontrast kan bli tolerert i fyren øyet før amblyopic øyet ble undertrykt. Men som trening kommet, kunne mer kontrast bli tolerert indikerer en reduksjon i undertrykkelse. Figur 6C viser bedring i stereoacuity over praksisperioden (målt med Randot stereo test). Null på y-aksen viser ingen stereo visjon og økende verdier indikerer bedre stereo følsomhet (enheter er det omvendte av den stereo terskelen i sekunder på buen).

Figur 7. Standard kliniske testene som brukes for å vurdere binokulært syn status før og etter trening, inkludert Worth 4 dot test (øverst til venstre), Bagollini lenses (øverst til høyre), Randot Stereopsis test (nederst til venstre) og TNO stereopsis test (nederst til høyre).

Discussion

Undertrykkelsen måling og behandling teknikker beskrevet i dette papiret kritisk avhenger manipulering av kontrasten av bildene sett av hvert øye. Spesifikt, den relative interocular kontrast ubalanse der binokulær kombinasjon oppstår, dvs. "balansepunkt kontrast", gir et mål på undertrykkelse ^6,11,17. I tillegg, ved gjentatte ganger å utsette pasienter med amblyopi og undertrykkelse til "balansert" visuelle stimuli, er det mulig å redusere undertrykking og potensielt forbedre både monocular og binokulært synsfunksjon ^12,15,16. Disse teknikkene representerer et fremskritt i undertrykkelse måling og en ny tilnærming til amblyopi behandling hhv. For tiden tilgjengelige kliniske tester for vurdering suppresjon som Worth 4 lysene test og Bagolini striated linser vurdere om undertrykking er tilstede eller fraværende, og andre tester som sbisa baren kvantifisere nivået av undertrykking med bruk av nøytraletetthet filtre. Vår teknikk gir ytterligere klinisk informasjon ved at for styrken av undertrykkelse blir nøyaktig kvantifisert. Amblyopi, som ofte forbindes med undertrykkelse, behandles vanligvis ved å tilstoppes ikke-amblyopic øye eller nedverdigende bildet i den ikke-amblyopic øye for å oppmuntre til bruk av amblyopic øyet ^18. Mens denne teknikken er effektive i å forbedre amblyopic øye funksjon ^18, betyr det ikke direkte møte de binokulære underskudd forbundet med amblyopi. Vår teknikk mål direkte binocular visuell funksjon, og vi har funnet at denne tilnærmingen kan forbedre både monocular og binokulært funksjon hos voksne pasienter med amblyopi ^12,15,16. Måling og behandling tilnærminger beskrevet er egnet for bruk hos voksne og barn, selv spillene kan måtte tilpasses for bruk i yngre pediatriske populasjoner. Vi utvikler for tiden flere spill for dette formålet.

Vårteknikker har begrensninger. Noen pasienter med skjeling og sterk undertrykkelse synes det er vanskelig å justere bildene som vises til hvert øye ved starten av undertrykkelsen måling protokollen. Mens det er mulig for slike pasienter for å justere bildene ^17, kan dette være tidkrevende. Med hensyn til behandlingen er det viktig å arbeide sammen med en kvalifisert kliniker hele treningsregime, og for å vurdere risikoen for dobbeltsyn (dobbelt syn) hvis undertrykking reduseres. Vårt tidligere arbeid på denne behandlingen tilnærming har fokus på pasienter med anisometropi eller liten vinkel skjeling og ingen pasienter har utviklet dobbeltsyn, men risikoen for dobbeltsyn bør vurderes nøye av fagfolk kliniker på en pasient ved pasient før behandlingen administreres .

Når du setter opp teknikker for første gang er det viktig å sikre at all maskinvare er riktig tilkoblet og at alle relevante drivere er ifastlåste og oppdatert på vertsmaskinen. Det er også viktig å bruke en datamaskin utstyrt med et grafikkort som er kompatibelt med Matrox grafikkort beskrevet i protokollen og som støtter en skjermoppløsning på 1600x600 (når Matrox-driverne er installert) for å sikre at hver goggle skjermen har en distinkt bilde. Vi har funnet ut at de fleste problemer oppstått når du setter opp systemet oppstå på grunn av feil skjermoppløsningsinnstillingene og fravær av oppdatert drivere for nødvendig maskinvare. Det er også viktig å sikre at begge goggle skjermer har lik luminans før måling undertrykking å sikre nøyaktige og stabile målinger.

Teknikkene som beskrives gi et grunnlag for videre utvikling av undertrykkelse måling og behandling tilnærminger. Spesielt kan utviklingen av mer engasjerende videospill basert på kjernen prinsippet varierende kontrast mellom øynene gjør denne tilnærmingen mer effektiv og mer enppealing til yngre pasienter. Bortsett fra deres klinisk bruk, kan disse teknikkene også brukes i et forsknings innstilling å utforske Nervemekanismene underliggende undertrykkelse og den rolle som inhiberende interaksjoner mellom øynene spille i normale visuelle systemet ^13.

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