Summary
Amblyopi är en störning i utvecklingen av den visuella cortex som ofta åtföljs av en stark undertryckande av ett öga. Vi presenterar en ny teknik för att mäta och behandla interocular undertryckande hos patienter med amblyopi som kan sättas med virtuell verklighet skyddsglasögon eller en bärbar iPod Touch enhet.
Abstract
Amblyopi, en störning i utvecklingen av den visuella cortex, är en av de främsta orsakerna till visuell dysfunktion hos befolkningen i arbetsför ålder. Aktuella uppskattningar förekomsten av amblyopi cirka 1-3% 1-3, de flesta fall är lupp 2. Amblyopi är oftast orsakas av okulär förskjutning (skelning), oskärpa inducerad av olika brytningsfel (anisometropia), och i vissa fall formdeprivation.
Även amblyopi initialt orsakas av onormal synintryck i barndomen, när detta upprättats, är den visuella underskottet ofta när normala synintryck har återställts med kirurgi och / eller refraktiv korrektion. Detta beror på att amblyopi är resultatet av onormal syncentrum utveckling snarare än ett problem med amblyopic ögat självt 4,5. Amblyopi kännetecknas av både lupp och kikare underskott 6,7 som omfattar försämrad synskärpa och dålig eller frånvarande stereopsis respektive. Den visuella dysfunktion i amblyopi förknippas ofta med en stark undertryckande av de inlägg som amblyopic ögat under kikare visningsförhållanden 8. Senaste arbete har visat att hämning kan spela en central roll i både lupp och kikare brister i samband med amblyopi 9,10.
Aktuella kliniska tester för undertryckande tenderar att verifiera närvaron eller frånvaron av undertryckande stället för att ge ett kvantitativt mått på graden av dämpning. Här beskriver vi en teknik för att mäta amblyopic undertryckande med en kompakt, bärbar enhet 11,12. Enheten består av en bärbar dator ansluten till ett par virtuell verklighet glasögon. Den nyhet tekniken ligger i det sätt vi presenterar visuella stimuli för att mäta dämpning. Stimuli visas för amblyopic ögat vid hög kontrast, medan kontrasten av stimuli som visas för den icke-amblyopic öga varieras. Patienterna utför en Simple signal / brus uppgift som möjliggör en exakt mätning av styrkan av excitatoriska kikare interaktioner. Kontrasten förskjutning vid vilken varken öga har en prestanda fördel är ett mått på "balanspunkten" och är ett direkt mått på undertryckande. Denna teknik har validerats psychophysically både i kontroll 13,14 och patientgrupper 6,9,11 populationer.
Förutom att mäta dämpning denna teknik utgör också grunden för en ny form av behandling för att minska förtryck över tid och förbättra kikare och ofta monokulär funktion hos vuxna patienter med amblyopi 12,15,16. Denna nya behandlingsform kan distribueras antingen på goggle system som beskrivs ovan eller på en speciellt modifierad iPod touch-enheten 15.
Protocol
1. Mätningen av undertryckande
- Innan mätningen av förtryck, ge patienten detaljerade instruktioner (se 1,8) och visa de visuella stimuli för steg 1,2-1,8 nedan på laptop skärm. Alla patienter bör bära hela refraktiv korrektion (glasögon / kontaktlinser) under hela förfarandet, lämpligt justerat för arbetsavståndet.
- Glasögonen (eMagin 8700) skall monteras på patienten (över toppen av glasögon / kontaktlinser) och rätt inställd. Säkerställ att skärmarna sitter parallellt med den okulära ytan. Skärmarna kan justeras för att ta hänsyn till varje patients pupillavstånd. Anvisningar för anslutning och kalibrering glasögon kan hittas här: http://www.3dvisor.com/wpcontent/uploads/2010/08/UserGuide10.7.pdf .
- De stimuli består av två populationer av rörliga prickar, en befolkning Moving i en gemensam riktning (de "signal" punkter) och den andra rörliga i slumpmässiga riktningar (de "brus" prickar). Observatören har till uppgift att rapportera signalen riktning. Svårighet manipuleras genom att variera de relativa proportionerna av signal till brus prickar i stimulus.
- De anpassade Matlab program som styr dessa mätningar använder en 3-ner 1-up trappa förfarande. Det finns två separata mätningar steg. Den första ger en binokulär tröskel, som är, att gränsvärdet för signal punkter som krävs när både signal och brus punkter presenteras för båda ögonen vid hög kontrast. Det andra programmet mäter kontrasten obalans som krävs för att uppnå samma tröskel när dot populationerna presenteras för olika ögon.
- Olika bilder visas på skyddsglasögon skärmarna genom användning av en Matrox DualHead2Go, (Montreal, Kanada) enhet.
- Till att börja undertryckandet bedömning först mäta en kikare tröskel. Här samma visuella stimuli are visas båda ögonen och det minsta antal signalpunker punkter som krävs för att korrekt bedöma riktningen för dot rörelsen mäts.
- Att anpassa ögonen kommer skärmarna visa en svart halv kors i varje öga mot en vit skärm. Använda tangentbordet är patienten uppmanas att flytta hälften av korset ses med amblyopic ögat tills den ställer upp med halv ses av stipendiaten ögat. Det är viktigt att patienten är medveten om att den bild som ses av amblyopic ögat kan bli suddig, men det är inriktningen som är viktig. Om den rörliga bilden försvinner ur sikte be patienten att blinka oftare eftersom detta kan förbättra synligheten av bilden. Exakt okulär justering (pixelvärden) kan extraheras efter varje mätning för att fastställa repeterbarheten för denna uppgift.
- När patienten rapporterar att halv korsar ligger i linje, kan mätproceduren börja. Varje mätning tar ca tre minuter. Fem korta trappa mätningar är completed för vardera av de två delarna av mätningen. Följande instruktioner bör ges innan mätningen påbörjas:
- Instruktioner för observatören:
"Under detta test kommer du att bli ombedd att göra en bedömning om inriktningen av rörliga bilder."
"Du kommer att se en grupp av vita / grå prickar mot en grå bakgrund. Efter varje presentation kommer jag att be dig att avgöra om prickarna är oftast att flytta till vänster eller höger med vänster och höger piltangenter på tangentbordet framför dig . "
"Det finns två grupper av punkter, en del rör sig mjukt åt vänster eller höger (signalen punkter), den andra gruppen tycks röra sig i slumpmässiga riktningar."
"Försök att avgöra vilken riktning signalen punkter rör sig i (höger eller vänster) bland förvirringen av de slumpmässiga prickar." "När du fortsätter att fatta beslut antalet slumpmässiga punkter kommer att öka, vilket gör det svårare att se signalen prickar, när det blir så svårt att du inte kan berätta riktning, snälla tadin bästa gissning ". - Den första mätningen kan nu börja. En bra "sista minuten" instruktion är att påminna deltagaren att blinka regelbundet ("en bra tid att blinka är när du trycker på knappen").
- Fem mätningar med kikare trappan paradigmet görs nu. Okulär inriktning upprepas innan varje mätning påbörjas.
- Resultatet erhållet från varje mätning är tröskelvärdet antalet signal punkter (av 100 punkter totalt) som krävs för att korrekt bedöma riktning när båda ögonen ser samma stimuli. Programmet rapporterar också olika svaren som ett standardfel av mätningen.
- För nästa mätning,, kontrasten trappan är de fem resultaten från de binokulära trappor medelvärdet och den resulterande tröskeln definierar antalet signalen prickar fram för amblyopic ögat. De återstående buller punkter presenteras för icke-amblyopic öga vid olika kontraster för att bedöma förtryck.
- För denna mätning amblyopic ögatalltid ser hög kontrast prickar, medan kontrasten i buller prickar visas till den icke-amblyopic öga varieras med hjälp av en trappa förfarande. I början av trappan ett fast antal signaler punkter (erhållen från steg 1,11) visas till amblyopic ögat vid 100% kontrast och det återstående antalet buller prickar visas till stipendiaten ögat vid 0% kontrast (dvs ingen buller prickar är synliga resulterar i minimal dämpning). Korrekt identifiering av riktningssignal dot resulterar i en ökning av kontrasten i buller prickar visas till stipendiaten ögat enligt 3-ner 1-up trappa algoritm. Under hela mätningen kontrasten av buller prickar visas till stipendiaten ögat varieras med trappan tills uppgiften prestanda konvergerar på 79% rätt. Detta tyder på att signal och brus punkter håller samman mellan de två ögonen för att producera samma uppgifter prestanda som observerades under kikare synförhållanden (steg 1,11). Förhållandet av kontrastensignalen prickar som lagts fram för amblyopic ögat (alltid 100%) i förhållande till kontrasten i buller prickar visas till stipendiaten öga på tröskeln är ett mått på balanspunkten. Öka kontrasten av buller prickar visas till stipendiaten ögat ovanför denna punkt skulle resultera i undertryckande av signalen prickar som visas till amblyopic ögat och nedskrivningar i uppgift prestanda.
- Fem mätningar görs av kontrasten obalans och ett genomsnittligt resultat beräknas. Resultatet informerar examinator om graden av kontrast obalans som är nödvändig för att övervinna förtryck och låta amblyopic ögat och kollega öga att se prickarna samtidigt.
2. Träning med denna metod
- Kontrasten obalans finns i steg 1,14 ovan kan användas som utgångspunkt för en träning. Utbildningen innebär att integrera användningen av dichoptic bilder med kontrast obalans i ett videospel format ("Tetris"). TV-spelet kan genomföras påantingen den virtuella verkligheten skyddsglasögon eller på en iPod touch-enheten.
- Videospelet tetris innebär en serie av fallande block som är utrustade för att bilda kompletta linjer. Den amblyopic ögat ser hela kontrast block och stipendiaten ögat ser minskad kontrast bilder. Information som presenteras för varje öga måste uppfattas samtidigt för framgångsrik lek.
- Under tiden som utbildningen regimen fortsätter kontrasten obalans reduceras genom att öka kontrasten till stipendiaten ögat, vilket gör det svårare för det visuella systemet att övervinna undertryckandet orsakas av mer likartade dichoptic bilder.
- Träning varaktighet bör vara 1-2 timmar om dagen och bör fortsätta tills ingen ytterligare förbättring i kontrast obalans (ökning i kontrast presenteras stipendiaten ögat) observeras. Under träning bör kontroller av lupp och kikare funktion göras regelbundet (bestäms av patientens ålder och underliggande sjukdom). Tester av lupp synskärpa, stereoseendeoch standardtest av förtryck är särskilt viktiga för rapportering framsteg.
Representative Results
Nivån av undertryckande finns i den beskrivna metoden är beroende av den underliggande orsaken till amblyopi, tidigare behandling, användning av refraktiv korrektion och synskärpa. Eftersom varje patient har en mycket unik historia, är det svårt att definiera "normal" värden av förtryck eller göra jämförelser mellan människor. Generellt räknar vi de med sämre synskärpa att ha en djupare nivå av förtryck 9. Under utbildningen, som vi minskar kontrasten obalansen mellan ögonen, reducerar djupet av förtryck normalt och detta förbättrar en rad kikare och lupp funktioner. Denna förändring i suppression har visats i flera patientgrupper (se figurerna 3 och 4 i referens 12, tabell 3 och figur 9 i referens 15 och figur 2 i referens 16). Det är viktigt att notera att detaljerade mätningar av dämpning med eär har tekniken potential att öka vår förståelse av amblyopi syndrom.
Figur 1. Den utrustning som används för att mäta undertryckande som omfattar 1) laptop 2) skyddsglasögon 3) signaldelare.
Figur 2. Glasögonen sitter korrekt på en studie deltagare.
Figur 3. En översikt över de slumpmässiga stimuli dot kinetogram (steg 1.2/1.3). Den övre panelen visar inriktningen fas där en halv kors visas för varje öga monocularly som en kö för Bino rör enskilda anpassning. Den mellersta panelen visar signal-brus-paradigm där signalen punkter presenteras för amblyopic ögat endast och buller prickar presenteras för stipendiaten ögat under kikare förhållanden signal och brus kombineras för att ge en tröskel rörelse samstämmighet som sedan utnyttjas i kontrasten varierande skede av mätningen. Den nedre panelen visar kontrasten tröskeln använder denna procedur tröskeln rörelse samstämmighet till en fast nivå av signal-brus och visar olika kontrastnivåer mellan de två ögonen. Den punkt vid vilken de två ögonen ser en balanserad kikare ingång är kontrasten tröskelvärdet eller "balanspunkten".
Figur 4. (Steg 1,7) Alignment skärmar som betraktas genom glasögon, horisontella och vertikala piltangenterna används för att justera målen fram en hel kors ses.
Figur 5. En översikt av utbildningen protokollet.
Figur 6. Exempel på kliniska och psykofysisk data från en vuxen deltagare med strabismic amblyopi som genomgått utbildning förfarandet (steg från 2,1 till 2,4). Figur 6A visar förändringen i synskärpa (mätt med en logaritmisk stil diagram i logMAR enheter under fyra veckor utbildning för både amblyopic ögat (AME) och kollega öga (FFE)). Mindre LogMAR värden indikerar bättre synskärpa. Den kumulativa antalet timmar av spelet visas inom parentes på x-axeln. Visar förändringen i kontrast IMBA Figur 6Blans över fyra veckors utbildning. Y-axeln visar kontrasten som kan tolereras i stipendiaten ögat, därför större värden indikerar mindre dämpning. I början av utbildningen endast 30% kontrast kan tolereras i stipendiaten ögat innan amblyopic ögat undertrycktes. Men som utbildning fortskred, skulle mer kontrast tolereras indikerar en minskning i suppression. Figur 6C visar förbättringen i stereoacuity under träningsperioden (mätt med Randot stereo testet). Noll på y-axeln indikerar ingen stereoseende och ökande värden indikerar bättre stereo känslighet (enheter är motsvarigheten till stereon tröskel i bågsekunder).
Figur 7. Standard kliniska tester för att bedöma Binokulärseende status före och efter träning, inklusive Worth 4 dot test (överst till vänster), Bagollini lenses (överst till höger), Randot stereoseende test (nederst till vänster) och TNO stereoseende test (nederst till höger).
Discussion
Undertryckandet mätning och behandling tekniker som beskrivs i detta dokument beror kritiskt på manipulering av kontrasten i bilderna ses av varje öga. Specifikt, den relativa interocular kontrast obalans vid vilken binokulär kombination uppträder, dvs "kontrast balanspunkten", ger ett mått på dämpning 6,11,17. Dessutom, genom att upprepade gånger utsätta patienter med amblyopi och förtryck till "balanserad" visuella stimuli, är det möjligt att minska förtryck och potentiellt förbättra både lupp och kikare synfunktionen 12,15,16. Dessa tekniker innebär ett framsteg i undertryckande mätning och en ny metod för amblyopi behandling respektive. För närvarande tillgängliga kliniska tester för att bedöma dämpning såsom Worth 4 lampor test och Bagolini tvärstrimmiga linserna bedöma om dämpning är närvarande eller frånvarande, och andra tester som Sbisa baren kvantifiera graden av förtryck genom användning av neutralatäthetsfilter. Vår teknik ger ytterligare klinisk information genom att för styrkan av förtryck som exakt kvantifieras. Amblyopi, som ofta förknippas med förtryck, i allmänhet behandlas genom tillsluta icke amblyopic öga eller förnedrande bilden i den icke-amblyopic öga för att uppmuntra användningen av amblyopic ögat 18. Även denna teknik är effektivt för att förbättra amblyopic ögon funktion 18, inte direkt ta itu med de kikare brister i samband med amblyopi. Vår teknik riktar direkt kikare synfunktion och vi har funnit att detta tillvägagångssätt kan förbättra både lupp och kikare funktion hos vuxna patienter med amblyopi 12,15,16. Mät och behandling beskrivs metoder är lämpliga för användning hos vuxna och barn, även om spelen kan behöva anpassas för användning i yngre pediatriska populationer. Vi håller på att utveckla ytterligare spel för detta ändamål.
Vårtekniker har begränsningar. Vissa patienter med skelning och stark dämpning tycker att det utmanande att anpassa bilderna som visas på varje öga vid början av undertryckande mätprotokoll. Även om det är möjligt för sådana patienter att anpassa bilderna 17, kan detta vara tidskrävande. När det gäller behandling är det viktigt att arbeta tillsammans med en kvalificerad läkare under utbildning regimen, och att överväga risken för diplopi (dubbelseende) om dämpning minskar. Vårt tidigare arbete på denna behandling strategi har fokuserat på patienter med anisometropia eller liten vinkel skelning och inga patienter har utvecklat dubbelseende, men risken för dubbelseende noga bör beaktas av en kvalificerad läkare på en patient genom patient innan behandlingen ges .
När du ställer in de tekniker för första gången är det viktigt att se till att alla hårdvara anslutningar är säkra och att alla relevanta förare iavstannat och uppdateras på värddatorn. Det är också viktigt att använda en dator som är utrustad med ett grafikkort som är kompatibelt med Matrox grafikkort som beskrivs i protokollet och som stödjer en skärmupplösning på 1600x600 (när Matrox-drivrutiner är installerade) för att säkerställa att varje goggle skärmen har en tydlig bild. Vi har funnit att de flesta problem som uppstår när du ställer in systemet uppstå på grund av felaktiga skärmupplösning inställningar och avsaknaden av aktuell drivrutiner för nödvändig hårdvara. Det är också viktigt att se till att båda goggle skärmarna har samma ljusstyrka före mätning förtryck för att säkerställa korrekta och stabila mätningar.
De tekniker som beskrivs ge en grund för vidare utveckling av förtryck mätning och behandlingsmetoder. Framför allt kan utvecklingen av mer engagerande videospel baserade på den centrala principen av varierande kontrast mellan ögonen gör detta tillvägagångssätt effektivare och mer enppealing med yngre patienter. Bortsett från deras kliniska användning kan dessa tekniker också användas i ett forskningsprojekt inställning att undersöka neurala mekanismerna bakom förtryck och den roll som hämmande interaktioner mellan ögonen spela i det normala visuella systemet 13.
Disclosures
De tekniker som beskrivs i detta manuskript utgör grunden för två patent som innehas av BT och RFH, varav en också innehas av JC och 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).
