Summary
VisualEyes2020(VE2020)は、視覚的眼球運動刺激を提示、記録、同期するカスタムスクリプト言語です。VE2020は、共役眼球運動(サッカードとスムーズな追跡)、共役眼球運動(バージェンス)、調節、およびそれぞれの組み合わせのための刺激を提供します。2つの分析プログラムは、アイトラッキングおよび調節記録システムからのデータ処理を統合します。
Abstract
眼球運動の意図的な刺激と記録を通じて、眼球運動の根底にある神経メカニズムの基本的な特徴を観察することができます。VisualEyes2020(VE2020)は、従来のハプロスコープ内のモーターやアクチュエーターに依存しない研究者が利用できるカスタマイズ可能なソフトウェアベースの視覚刺激がないことに基づいて開発されました。この新しい機器と方法論は、アイトラッキングと自動屈折システムの両方を利用する新しいハプロスコープ構成のために開発されました。眼球運動と調節反応の同期分析を可能にする分析ソフトウェアは、視覚研究者や臨床医に再現可能な環境と共有可能なツールを提供します。視覚神経工学研究所(VNEL)の眼球運動分析プログラム(VEMAP)は、VE2020のアイトラッカーによって生成された記録を処理するために設立され、調節運動分析プログラム(AMAP)は、対応する自動屈折器システムからの記録出力を処理するために作成されました。VONELは、調節(眼内レンズの凸面のぼかしによる変化)、収束(内向き、収束回転および外向き、眼の発散回転)、およびサッカード(共役眼球運動)の3つの主要な刺激を研究します。VEMAP と AMAP は、同様のデータ フロー プロセス、手動のオペレーター操作、および必要に応じて介入を利用します。ただし、これらの分析プラットフォームは、オペレーターの依存を最小限に抑える客観的なソフトウェアスイートの確立を進めます。グラフィカルインターフェイスとそれに対応するアルゴリズムの有用性により、オペレーターからの最小限の事前コーディング経験で幅広い視覚実験を行うことができます。
Introduction
協調的な両眼協調と視覚刺激に対する適切な調節および眼球運動反応は、日常生活の重要な側面です。眼球運動の記録を通じて定量化された収束眼球運動応答速度を個体が低下させた場合、視力の倍増(複視)が知覚され得る1,2。さらに、コクラン文献のメタアナリシスでは、正常な両眼視力を維持しようとする眼球運動機能障害の患者は、かすみ目/複視、頭痛、目のストレス/緊張、快適な読書の困難など、一般的に共有される視覚症状を経験することが報告されています3。急速な共役眼球運動(サッカード)は、不足すると、視覚ターゲットに過小反応または過剰反応する可能性があるため、このエラーを修正するにはさらに連続したサッカードが必要になります4。これらの眼球運動応答は、レンズからの光の不適切な焦点合わせがぼやけ5を生み出す調節システムによっても交絡する可能性があります。
電子機器の読み取りや作業などのタスクには、眼球運動システムと調節システムの調整が必要です。両眼球運動または調節機能障害のある個人の場合、両眼固定術(単回)および急性(クリア)視力を維持できないと、生活の質と全体的な生産性が低下します。再現性のある計装構成と客観的な分析を通じて、これらのシステムを独立して協調的に定量的に記録するための手続き的方法論を確立することにより、特定の欠陥への順応に関する区別特性を理解することができます。眼球運動の定量的測定は、従来の方法と比較してより包括的な診断6 につながる可能性があり、治療的介入 による 修復の可能性を予測する可能性があります。この機器およびデータ分析スイートは、ビジョン療法などの現在の標準治療の背後にあるメカニズム、および治療介入が患者に与える可能性のある長期的な影響を理解するための洞察を提供します。正常な両眼視のある人とない人のこれらの量的な違いを確立することは、新しい個別化された治療戦略を提供し、客観的な結果測定に基づく修復効果を高める可能性があります。
今日まで、別々の(眼球運動および調節)データストリームとしてさらに処理することができる対応する調節的な位置および速度応答を有する眼球運動データを同時に刺激し、定量的に記録することができる単一の市販のプラットフォームは存在しない。調節および眼球運動の位置および速度応答の信号処理分析により、それぞれ約10 Hz7の最小サンプリング要件と、サッカディック眼球運動の推奨サンプリングレートが240 Hz〜250 Hzが確立されました8,9。しかし、輻輳眼球運動のナイキスト速度はまだ確立されていないが、輻輳はサッカディック眼球運動よりもピーク速度が約1桁低い。それにもかかわらず、眼球運動の記録と自動屈折計装プラットフォームの統合に関する現在の文献にはギャップがあります。さらに、同期調節応答で客観的な眼球運動反応を分析する機能はまだオープンソース化されていません。したがって、ビジョンおよび神経工学研究所(VNEL)は、VE2020と、眼球運動と調節反応を分析するための2つのオフライン信号処理プログラムスイートを作成することにより、同期された機器と分析の必要性に対処しました。VE2020は、収束不全/過剰、発散不全/過剰、調節不全/過剰、脳震盪関連の両眼機能障害、斜視、弱視、眼振に関する両眼視研究プロジェクトを含む、基礎科学から臨床までのさまざまなアプリケーションに適応するためのキャリブレーション手順と刺激プロトコルを介してカスタマイズ可能です。VE2020はVEMAPとAMAPによって補完され、その後、これらの刺激された目と調節的な動きのデータ分析機能を提供します。
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Protocol
この機器およびデータ分析スイートが作成され、正常に実装された研究は、ニュージャージー工科大学機関審査委員会HHS FWA 00003246承認F182-13によって承認され、ClinicalTrials.gov に投稿されたランダム化臨床試験として承認されました識別子:NCT03593031はNIH EY023261を介して資金提供されました。すべての参加者は、大学の治験審査委員会によって承認されたインフォームドコンセントフォームを読み、署名しました。
1. インストルメンテーションのセットアップ
- 接続とハードウェアの監視
- VE2020システムは、時計回りの順序でモニターを空間的に割り当てます。1 次コントロール・モニターの索引付けが 0 であること、および後続のすべてのモニターが 1 以降の索引付けされていることを確認します。すべてのモニタが 1 台のコンピュータで管理されていることを確認します(「 材料表」を参照)。
- 刺激モニターの適切な空間構成を確認してください。コントローラーのデスクトップのホーム画面で、コントローラーモニターを右クリックし、[ 表示 ]設定を選択して、画面の解像度に移動します。[ 識別] を選択します。これにより、制御コンピュータに接続された各刺激ディスプレイに割り当てられたモニタインデックスを視覚化できます(図1)。
- 物理装置の構成
- 視線追跡システムが光学正中線上にあり、カメラ距離が 38 cm 以上であることを確認します。自動屈折器システムが光学正中線上にあり、目から1 m ± 0.05 mの位置にあることを確認します。
- 図 1 の寸法を参照して、ハードウェアと装置の構成を検証します。
- アイトラッキングシステム
- デスクトップと対応する視線追跡ハードウェアが、製造元の指示に従って構成および調整されていることを確認します( 材料表を参照)。
- デスクトップのアナログ出力からデータ集録(DAQ)ボードへのBNCケーブル配線を、アナログブレークアウト端子ボックス(NI 2090A) 経由で 確立します。VE2020 のデフォルトの BNC ポート設定については 、表 1 を参照してください。
メモ: デフォルトの配線から逸脱した場合は、Acquire.vi ファイルや TriggerListen.vi ファイルで説明されている割り当てられたポートを変更するか、標準.txtファイルのデフォルトのヘッダー順序を編集する必要があります。 - シングルエンド/差動(SE/DIFF)スイッチ( 図2を参照)を特定してアナログ端子ブレークアウトボックスリファレンススイッチを構成し、スイッチをSEに設定します。次に、グランド選択(RSE/NRSE)スイッチ( 図2を参照)を特定し、グランド基準をリファレンス・シングルエンド(RSE)に設定します。
- 調節的反応の獲得
- メーカーの推奨に従って、自動屈折器の向きを実行します( 材料表を参照)。オートリフラクタを直接位置合わせに構成し、オートリフラクタの手動オペレータベースのトリガーを実行して、オートリフラクタの記録データを保存します。
- 自動屈折器データの保存に外付けのリムーバブル記憶装置が使用されていることを確認します。自動屈折ソフトウェアを起動する前に外付けドライブを取り外し、ソフトウェアが実行されたらドライブを再挿入します。対応するストレージデバイス内に、参加者のプロファイル、セッションのタイミング、および刺激を識別するためのフォルダディレクトリを作成します。実験的なレコーディングセッションごとに、この練習に従ってください。
- 自動屈折器ソフトウェアのアクティブ化と外部ストレージデバイスの挿入に続いて、自動屈折器のキャリブレーションを開始します。
- 赤外線透過フィルター(IR Txフィルター)10で参加者の左目を単眼で覆います。IR Txフィルターの前に凸球トライアルレンズを配置します(「 材料表」を参照)。
- 物理的に近い刺激モニターから高い視力4°の刺激を両眼的に提示します。
注意: 参加者が刺激を視覚的に単一で明確(急性)として報告したら、参加者はハンドヘルドトリガーを使用してキャリブレーションを進める必要があります。 - 物理的に近い刺激モニターから高視力の16°刺激を両眼的に提示します。
注意: 参加者が刺激を視覚的に単一で明確(急性)として報告したら、参加者はハンドヘルドトリガーを使用して進行する必要があります。 - 各凸球レンズに対して、これらのキャリブレーション手順(ステップ1.4.4〜1.4.6)を次のように繰り返します(ジオプター単位):−4、−3、−2、−1、+1、+2、+3、および+4。
図1:ハプロスコープの制御および記録装置の構成。 時計回りのモニターの順序と寸法を決定するためのVE2020のディスプレイインデックスの例。ここで、1はコントロールモニター、2は左端ディスプレイモニター、3は左端ディスプレイモニター、6はキャリブレーションボード(CalBoard)、4は右端ディスプレイモニター、5は右端ディスプレイモニターです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表 1: BNC ポート マップ。 BNC 接続の規則。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
図2:ブレークアウトボックススイッチの参照。 NI 2090Aの適切なスイッチ位置のデモ この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. VE2020ビジュアルディスプレイとVE2020 LEDターゲットを用いた視覚刺激
- VisualEyes2020刺激ディスプレイのキャリブレーションを開始します。
- Pix2Deg2020.vi という名前の仮想計測器(VI)ファイルを開きます。ストレッチモードID入力フィールドとモニターの対応するディスプレイインデックスを使用して、キャリブレーションするモニターを選択します(図3)。
- ライン入力フィールドにスティミュラスファイル名を入力して、刺激画像(RedLine.bmpなど)を選択します。
注: Pix2Deg2020.vi は.dds ファイルではなく.bmpファイルを使用することに注意してください。 - Pix2Deg2020.vi を実行し、測定された物理的ターゲットに重ねるまで刺激位置を調整します。
- 仮想画像が物理的に測定されたターゲットと整列したら、指定された度値の画面上のピクセル値を記録します。さまざまな刺激度要求とそれに対応するピクセル値を持つ少なくとも3つのキャリブレーションポイントを記録します。
- 各キャリブレーションポイントを記録した後、VE2020がCals.xlsという名前の出力ファイルを生成することを確認します。Cal.xlsのキャリブレーションポイントを利用して、最適線形回帰を適用して、実験上必要な眼球運動刺激要求を回転度でピクセルにマッピングします。記録されたピクセルキャリブレーションへの5点度の例を 図4に示します。
- 異なる刺激画像(すなわち、必要に応じて背景または第2の視覚刺激)および利用されることが予想される各刺激モニタについて、この手順を繰り返す。
図3:ピクセルを監視するための刺激度。 VE2020を校正するためのオペレータービューの描写。左から右へ、既知の程度値に対応する記録されたピクセルの値のテーブルが、固定アスペクト比、所与のファイル名、バックグラウンド刺激(BG)、および前景刺激(ライン)を有する所与の刺激モニタ選択(ストレッチモードID)に対して提供される。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ピクセルから度へのキャリブレーションの傾き。 既知の度数と測定されたピクセル値の単眼検量線。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
3. LEDキャリブレーション
- 垂直面または水平面の三角恒等式を利用して、実験的な回転角度を決定します(図5)。LED数の関数として回転角度をプロットします。
- 回転度の関数としてLED数を直線的に回帰させます。得られた関係を使用して、実験中に視覚刺激として使用される初期および最終LED数を計算します。
図5:計算された回転角度。 ターゲットまでの距離(X)と瞳孔間距離(IPD)がわかっているサッカディック眼球運動と輻輳運動の両方の角変位を計算する方法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
4.ソフトウェアプログラミング
- VisualEyesディスプレイ入力ファイルを定義し、以下のように刺激ライブラリに保存します。
- 各刺激を定義するには、実験の前に新しいテキスト(.txt)ファイルを開きます。このテキストファイルの最初の行で、4つの必須タブ区切りパラメータの存在を確認します。Xポジション(ピクセル);Y 位置 (ピクセル);と回転(度)。さらに、2つのオプションの連続するパラメータの存在を確認します:スケーリングX(水平スケーリング)。スケーリングY(垂直スケーリング)。
- 較正から導出された線形回帰式を利用して、所望の刺激度ごとのピクセル値を計算する(ステップ2.1.5を参照)。
- テキストファイルの次の行内で、刺激が初期位置とその後の最終位置に提示される長さが存在し、タブ区切りされていることを確認します。
- 刺激ファイルをVisualEyes入力(VEI)ファイルとしてディレクトリに保存し、有益なファイル名(例:stimulus_name_movement_size.vei)を付けます。
注:各刺激ファイルは単眼に配置されているため、両眼の動きを呼び起こすには、補眼用に個別のファイルを生成する必要があります。
- 必要に応じて、所望の実験刺激、それぞれの運動タイプ、運動の大きさ、および目ごとにこれらの手順を繰り返します。
5. DC ファイル
- 各刺激モニタの刺激ライブラリを作成します。これらのライブラリーに「dc_1.txtからdc_7.txt」という名前を付けます。dc_1.txt ファイルおよび dc_2.txt ファイルに含まれる設定については、 表 2 を参照してください。
- 各刺激モニターの数値IDを検証するには 、[表示>画面解像度]をクリックして> [識別] をクリックします。デバイス ID がプライマリ GPU (開始インデックス 0) であり、ウィンドウ モードが 1 であることを確認します。
- left が画面の左の境界 (ピクセル単位)、top が画面の上の境界 (ピクセル単位)、幅が画面の縦方向の幅 (ピクセル単位)、高さが画面の垂直方向の高さ (ピクセル単位) を定義していることを確認します。
- 刺激ファイル名と場所(.dds)を関連付ける刺激番号(Stim#)を確立し、nostimulus.veiファイルが刺激番号0の場合は、それらを刺激インデックス番号に関連付けます。後続のstimulus_name.veiについては、実験セッション内で使用できるさまざまな刺激ファイルをリストします。
注:nostimulus.veiファイルは、nostimulus.veiが刺激を提示しない(空白の画面)ため、ExpTrialを使用する場合に役立ちます。
表 2: DC ファイルの構成。 次の表に、DC テキスト ファイル形式の概要を示します。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
6. LED入力ファイル定義とスティミュラスライブラリの保存
- 新しいテキスト (.txt) ファイルを開き、ファイル内でタブ区切りを使用します。テキスト ファイル内の各行は、タブ区切りの 2 つのゼロで終了します。
- 最初の行で、初期時間(秒)とLED(位置)の値を定義します。2 行目で、最終時刻と最終 LED 位置の値を定義します。stimulus_name.veiファイルをディレクトリに保存し、すべての刺激に対してこれらの手順を繰り返します。
- 完了したら、すべての刺激ファイルを刺激ライブラリに保存しますarray_config.txt。
- array_config.txtファイルの最初の行が、VisualEyes がデフォルトの入力値 COM1 で柔軟な視覚刺激装置と通信するために使用する通信 (COM) ポートであることを確認します。2 行目はボーレートで、デフォルトの入力値は 9,600 です。3 行目は、デフォルトの入力値が 8 ビットのデータビット容量です。4 行目はデータ パリティ インデックスで、既定の入力値は 0 です。ファイルの後続の行には、柔軟な視覚刺激装置の刺激ファイルが含まれています(図6)。
- 図 6 に示すように、プロファイル番号を確認します。これは、インデックスゼロから始まる任意の刺激ファイル名の対応する行インデックスを参照します。
図6:刺激ライブラリ。 テキスト編集ソフトウェア、ポート通信、ボーレート、データサイズ、パリティを識別するためのフォーマット、および刺激ファイル(.vei)のライブラリを利用して、VE2020に正常に実行するために必要な構成と刺激ファイル名を提供します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
7. 実験プロトコルのスクリプト作成
- 新しいテキスト(.txt)ファイルを開き、VE2020の実験プロトコルコマンドを読み取って実行します。実験プロトコルのコマンドとドキュメントの適切な構文を確認してください。 表 3 に、VE2020 の構文規則の概要を示します。
注:VE2020はこれらのコマンドを順番に読み取ります。 - ディレクトリ内のテキストファイルを script_name.ves などの VisualEyes スクリプト (VES) として保存します。以前のバージョンのVisualEyesマニュアル11から、入出力機能を持つソフトウェア機能の表を確認してください。 表 3 は、新しく実装された 3 つの更新された関数を示しています。
表 3: VE2020 関数の構文。 VE2020には、埋め込み関数の呼び出しとコメントの表に示すように、特定の構文があります。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
8. 参加者の準備と実験の開始
- 同意と資格の取得
- 次の一般的な参加者の資格基準を使用してください:18〜35歳、20/25(またはそれ以上)の矯正単眼視力、500秒(またはそれ以上)の弧の実体視力、および適切な屈折矯正を利用した2週間(またはそれ以上)。
- 確立された慣行12に従って、次の収束不全(CI)参加者の適格基準を使用します:収束不全症状調査(CISS)13スコア21以上、シェアード基準14の失敗、6 cm(または破断時)の収束点(NPC)、および4Δ(またはそれ以上)の外偏差(遠いと比較して近い)。
- 次の対照参加者の適格基準を使用します:CISSスコアが21未満、近距離フォリアと遠距離フォリアの差が6Δ未満、NPCが6 cm未満(破断時)、シェアード基準に合格し、ホフステッターの式15で定義されている宿泊施設の十分な最小振幅。
- 次の一般的な参加者の不適格基準を使用してください:一定の斜視、以前の斜視、または屈折矯正手術、休眠または症状の眼振、脳症、調節性、両極性、または眼の運動性を損なう疾患、2Δ(またはそれ以上)垂直異動、および研究関連のテストを実行または理解できない。CI不適格基準には、ドンダーの腕立て伏せ法16による調節反応が5ジオプター未満の参加者がさらに含まれます。
- インフォームドコンセントが得られたら、参加者にハプロスコープに着席するように指示します。
- 頭の動きを最小限に抑えるために、参加者の額とあごを固定ヘッドレストに配置し、実験期間中、参加者の首が快適な位置になるように参加者の椅子の高さを調整します。
- 眼球運動記録カメラを調整して、参加者の目がカメラの視野内にキャプチャされるようにします。
- ハプロスコープとアイトラッカー/オート屈折器に適切に装着した後、参加者に視覚的に提示されたターゲットに視覚的に固定するように依頼します。このセットアップ中に、視覚的なターゲットが矢状面の中央に表示されるように、参加者の目が中央にあることを確認してください。
- 視覚正中線に両眼で提示された高視力ターゲットを持つことで、目のセンタリングを実現します。参加者は、固定対象を中心に生理的複視(複視)が発生した場合、視覚正中線に整列します。
- 次に、視線追跡ゲーティングと視線追跡信号ゲインを調整して、四肢(虹彩と強膜の境界)、瞳孔、角膜反射などの解剖学的特徴をキャプチャします。
- 参加者に繰り返しの発動および/またはサッカディック運動を実行するように依頼することにより、眼球運動データのキャプチャを検証します。
- 予備検証と物理モニターのキャリブレーションに続いて、ReadScript.vi を開きます。ReadScript.vi が開いたら、左上隅にファイル名を入力して実験プロトコルスクリプトを選択します。左上隅の白い矢印 を押して ReadScript.vi 経由で プロトコルを実行し、Acquire.vi を実行します。
- 参加者にハンドヘルドトリガーボタンを提供し、トリガーが押されるとデータ収集が開始されることを説明します。Acquire.vi コントロールモニター画面にファイルが自動的に表示され、記録された眼球運動データのプレビューがプロットされます。実験プロトコルが完了すると、ReadScript.vi は自動的に停止し、データ出力ファイルが自動的に生成されて保存されます。
9. 眼球運動解析プログラム(VEMAP)
- データの前処理
- [ データの前処理 ] ボタンを選択して分析を開始します。ファイルエクスプローラーウィンドウが表示されます。VE2020から1つまたは複数の記録データファイルを選択して前処理します。
- 20 次のバターワースフィルターでデータをフィルタリングします: 輻輳眼球運動の場合は 40 Hz、サッカディック眼球運動の場合は 120 Hz または 250Hz。完成した前処理されたデータファイルは、VEMAP 前処理済みフォルダー内に .mat ファイルとして保存されます。
注:VEMAPのフィルタリング周波数は、アプリケーションに応じて、ユーザーが希望するカットオフ周波数に調整できます。
- キャリブレーション
- VE2020スクリプトから呼び出された左右の目の位置に対してそれぞれ3つの刺激された単眼キャリブレーション動作を利用して、記録された電圧値の関数として度単位の眼球運動刺激の線形回帰を作成します。 図7の下のプロットに示すように、適合度の定量的評価には、それぞれのピアソン相関係数と回帰式を使用します。
- 各回帰の傾きをそれぞれの単眼キャリブレーションゲインとして利用して、記録された(生の)電圧を度(キャリブレーション済み)に変換します。
- 実験的なキャリブレーションから、左右の眼球運動応答の適切なゲイン値を特定します。記録された各眼球運動刺激セクションにキャリブレーションゲインを一貫して適用します。すべての移動サブセクションのキャリブレーションに続いて、確認ウィンドウが表示されます。
注:単眼眼球運動キャリブレーションが選択されるのは、収束不全の患者ができない可能性があるためです 私たちの研究室で調査された主要な眼球運動機能障害は、両眼キャリブレーションを単一の知覚として認識することはできません。記録されたキャリブレーション信号が飽和しているか、線形に相関していない場合(刺激、まばたき、サッカディック運動、目の裂傷、または目の閉鎖に関与していないため)、左右の眼球運動応答に標準化されたキャリブレーションゲインを適用します。これは控えめに行う必要があり、これらのキャリブレーションゲイン値は、それぞれ左眼球運動と右眼球運動の反応ゲインに関する以前の参加者の大きなグループレベルの平均から導き出す必要があります。
- 分類
- キャリブレーションに続いて、各眼球運動応答を手動で検査し、過渡的点滅、対称、非対称、融合喪失、運動なし(応答なし)、飽和眼球運動など、さまざまな分類ラベルを使用して分類します。
- 参考までに図8を確認してください。上の(位置データ)プロットは、4°対称の収束ステップ刺激からの応答です。複合収束運動は緑色で示され、右眼球運動は赤色で示されます。左目の動きは青で表示されます。バージョン トレースは黒で表示されます。下のプロットは、眼球運動位置応答の一次微分速度を示しており、上記と同じ色パターンである。
- データ分析
- データ分析の VEMAP 処理データフローの最後のステップを実行します。このステップは、VEMAP ユーザー インターフェイス (UI) 内でボタンとしてアクセスでき、 図 9 でプレビューされます。 図9の右側に示すように、特定の刺激タイプと分類ラベル内の眼球運動をアンサンブルプロットとして一緒にプロットします。
- 分類ラベルを使用して眼球運動のサブセットを選択的に分析するか、[クラスの選択]ボタンを使用して分類フィルターを適用せずに全体的に分析します。
- プライマリ眼球運動メトリックが、遅延、ピーク速度、応答振幅、最終振幅など、記録された各眼球運動に対応していることを確認します。
- 各眼球運動反応を調べて、記録された各メトリックが有効であることを確認します。メトリックが適切でないと思われる場合は、適切な値が各動きを正確に反映するまで、記録されたメトリックを適宜再測定します。さらに、記録されたメトリックが記録された眼球運動を適切に説明できない場合は、眼球運動を省略するか、[再分類] ボタンを使用して提供された分類ラベルを再分類します。
図7:単眼キャリブレーションと相関スロープ。 電圧値から回転度までの眼球運動データの較正の一例。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:眼球運動ソフトウェアの分類。 刺激された眼球運動反応の分類。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9:眼球運動反応ソフトウェア分析。 4°対称のステップ変化によって刺激されたプロットされた収束応答の例(右)、個々の眼球運動応答メトリックが表形式で表示され(左)、グループレベルの統計が応答メトリックの下に表形式で表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
10.調節運動分析プログラム(AMAP)
- データ構成
- オートリフラクタデータを含む外部ストレージデバイスを使用して、AMAPがインストールされているデバイスにデータをエクスポートします。AMAPは、スタンドアロンの実行可能ファイルとして、およびMATLABアプリケーションのインストール を介して ローカルアプリケーションとして利用できます。
- AMAP アプリケーションを起動します。AMAP から、[ ファイル プリプロセッサ] または [バッチ プリプロセッサ] を選択します。ファイル プリプロセッサは個々のデータ フォルダを処理し、バッチ プリプロセッサは選択したデータ フォルダ ディレクトリを処理します。
- 選択したデータが前処理されたときにシステムが提供するため、AMAPのプログレスバーと通知を確認します。フォルダー ディレクトリは、AMAP_Output の下でコンピューターのローカル ドライブ を介して 、データ処理の透過性とアクセシビリティのために、AMAP の前処理から生成されます。
- 事前のデータ処理なしで AMAP 機能が選択されている場合は、ユーザーがデータ ディレクトリを選択するために表示されるエクスプローラー ウィンドウを確認します。
- 以下に説明するようにAMAPデータ分析を実行します。
- 前処理に続いて、[データのロード]ボタンを使用して分析するデータファイルを選択します。これにより、使用可能なファイルが、生成されたAMAP_Outputフォルダにデフォルト設定された現在のファイルディレクトリにロードされます。選択したデータファイル名が現在のファイルフィールドに表示されます。
- アイセレクターの下で、記録された調節屈折の両眼平均データを表示するデフォルトの選択をオンにします。
- タイプセレクターを使用して、調節屈折と眼球運動収束(注視)の間でデータ型を切り替えます。データメトリックと1次および2次の特性を表示するために利用可能なその他のグラフィカルなカスタマイズを確認してください。図 10 で、オペレーターが視覚化するために選択できるグラフィカル・オプションの組み合わせを確認してください。
- AMAP の既定のメトリックを確認します。ピーク速度 (度/秒)。応答振幅(度)最終振幅(度)応答開始インデックス(S);ピーク速度指数(S);応答終了インデックス(S);視線(発順)速度(度/秒);視線応答振幅(度);視線の最終振幅(度);視線応答開始指数(S);視線速度指数(S);視線応答終了インデックス(S);および分類(バイナリ0 - 悪い、1 - 良い)。
- メトリック変更スピナーを使用して、応答開始インデックス、応答終了インデックス、およびピーク速度インデックスの変更を実行します(図10)。
- 表示されたすべての記録された動きの分析に続いて、各データファイルの分析されたメトリックを移動IDフィールドに保存するか、左向きと右向きのナビゲーション矢印 を使用して 保存します。
- [ 保存 ] ボタンを選択して、分析したデータをアクセス可能なスプレッドシートにエクスポートします。未分析の動きは、デフォルトで番号なし(NaN)の分類を持ち、保存またはエクスポートされません。
- 各動作に対して手動分類(良品/不良品)を実行して、任意のオペレータによる完全な分析を保証します。
図10:AMAPソフトウェアフロントエンド。 この図は、AMAPのメインユーザーインターフェイスと、データのグラフィカル表示(グラフィカルオプション)およびデータ分析(メトリックの変更)の強調表示されたセクションを示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Representative Results
VE2020によって誘発された刺激眼球運動のグループレベルのアンサンブルプロットは、対応する1次速度特性とともに 図11 に示されています。
図11:眼球運動反応アンサンブル。 VE2020を用いて刺激した輻輳ステップ(左)とサッカード(右)のアンサンブルプロットを示す。各眼球運動位置トレース(度)は、一意の色の線としてプロットされ、グループレベルの速度応答が赤でオーバーレイされます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
AMAPからエクスポートされた特徴により、参加者レベルとグループレベルの両方の移動プロット(アンサンブル)と対応するメトリック(エクスポート)をアクセス可能なスプレッドシートで視覚化できます(表4)。エクスポートされたデータテーブルは、参加者のパフォーマンスの定量的な概要を提供し、外れ値の削除基準を確立できます。
表 4: AMAP ソフトウェア分析のエクスポート。 AMAPエクスポート機能の例で、個々の眼球運動反応が、対応する被験者と運動タイプの識別とともに行方向にエクスポートされます。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
参加者のパフォーマンスの視覚化は、 図12に示すようにAMAP内でも達成でき、データ処理の結果である5°収束応答と対応する1.5ジオプター調節応答のアンサンブルを示しています。
図12:調節的な運動反応アンサンブル。 この図は、個々の動きの応答トレース(灰色)と平均応答(緑)のオーバーレイを作成するAMAPアンサンブル機能を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図11と図12は、両眼球運動とサッカディック眼球運動の両方の刺激と記録、および調節反応の成功を示しています。VEMAPのキャリブレーション手順で予想される4°のバージェンスと5°のサッカディックターゲットが得られた場合、図11は、これらの視覚タスクを受けている両眼的に正常な参加者の場合、予想される刺激が満たされることを示しています。AMAP内で処理された調節反応について、図12は、1.5ジオプターの調節需要を有する1ジオプターの近似的な調節応答を示しており、これは、参加者の人口統計の変化に対する自屈折システムの変動性と一致している17。これらの結果は、表4に見られるエクスポート機能を備えたさまざまな実験参加者グループのグループレベルの統計に従って、一定のゲインを利用してさらに較正することができます。したがって、VE2020、VEMAP、およびAMAPの確立と成功した実装は、刺激された眼球運動と調節反応メトリックの違いを定量的に理解することができます。
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Discussion
研究におけるこの方法の応用
初期のVisualEyes2020(VE2020)ソフトウェアの革新には、1つまたは複数の視覚刺激を備えた複数のモニターに投影するVE2020の拡張性が含まれ、バージェンスのマドックス成分の定量化から指示されたターゲットに対する気を散らすターゲットの影響19に至るまでの科学的問題の調査が可能になります19.VEMAPとAMAPの補完的な開発と並行して、触視システムのVE2020への拡張は、現在アクセス可能な眼球運動および調節記録機器と互換性のある自己完結型の刺激および分析プラットフォームを提供します。VE2020刺激ルーチンの作成とその後の記録に成功した後、生の眼球運動の位置と調節データを意味のある分析可能なデータのサブセットに変換することで、研究者は必要な非侵襲的ツールを使用して、典型的に発生するまたは軽度の外傷性脳損傷誘発機能障害や収束不全など、一般的で根本的な視覚障害を総合的に調査できます。 これは、両眼正常対照参加者1、2、13、20における機能と比較することができる。対応する調節反応を伴う眼球運動分析を提供することで、健康な参加者と眼球運動機能障害のある参加者の両方における両方向システムと調節系の間の未知の相互作用の科学的理解が強化されます21。
実証されたように、VE2020、VEMAP、およびAMAPを共同で構成することで、機能障害の根底にある神経制御メカニズムをよりよく理解することができます22,23。VE2020の再現性のある視覚刺激により、異常な調節反応、両輦反応、またはバージョン応答によって発現する可能性のある初期のバイオマーカーを持つ可能性のある潜在的な神経機能障害を、AMAPおよびVEMAPによって定量的に評価できるようになりました。調節反応分析を、以前に分離された視覚実験からの結合眼球運動記録と統合することで、研究がより完全で定量化可能な分析結果を得るのに役立ちます。客観的な分析と刺激の方法は、現在の標準治療の有効性とその治療結果を比較する機能を提供します24,25。これらの定量化は、主観的な参加者の症状調査と相まって、結果を改善するパーソナライズされた修復戦略を特定するのに役立ちます。さらに、症状を誘発する可能性のあるこれらの主成分を評価することにより、傷害26および重症度評価を検出するための早期の方法を確立し、有効性を高めることができる。
プロトコルの重要なステップ
眼球運動は通常、目の回転の大きさ(度単位)によって測定されます。 図5に示すように、刺激の並進運動を度数に変換するには、既知の瞳孔間距離(IPD)とターゲットまでの測定距離が必要です。IPDの既知の平均を利用することで、VE2020刺激シーケンスをスクリプティングするための一般化された近似を提供できます。ただし、これらは適切なキャリブレーションに依存しています。移動方向の符号規則は変更できます。ただし、これによりVEMAPのゲイン値の適用が変更されます。VEMAPの現在の運動規則は、サッカディック運動について次のようになっている:右向きは正であり、左向きは負である。さらに、収束運動の場合、収束(内向きの回転)は正であり、発散(外向きの回転)は負です。
図7に示すように、刺激ターゲットは1°、3°、および5°に配置され、光学無限遠から内向きの単眼角回転を表しています。左下のプロットは、左目の位置データの3点線形回帰を示しており、5°の刺激では平均記録電圧は−1 V、3°の刺激では平均記録電圧は約0.4 V、1°の刺激では平均記録電圧は約1.25 Vでした。同様に、右下のプロットの右目の位置では、1°の刺激の対応する電圧は−1.25 V、3°の刺激の平均電圧は約0 V、5°の刺激の平均電圧は1.1 Vでした。
メソッドの制限
この方法の現在の制限には、AMAPとVEMAPがこれらのデータ形式を処理するようにプログラムされているため、オートリフラクターとアイトラッカーデータの標準化された出力が含まれます。別の制限には、実験が魅力的でない場合、参加者が頻繁にまばたき(目を閉じる)可能性があり、データ記録品質が低下するという事実が含まれます。斜視、弱視、眼振、抑制などの他の眼球運動機能障害はVE2020、VEMAP、およびAMAPを活用できますが、これらの特定の眼球運動機能障害のそれぞれに対して変更を実装する必要があります。
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Disclosures
著者は宣言する利益相反はありません。
Acknowledgments
この研究は、国立衛生研究所の助成金R01EY023261をTLAに、バリーゴールドウォーター奨学金とNJITプロボスト博士賞をSNFに支援しました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 1920x1080 | Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations |
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