Summary
In questo articolo, presentiamo un nuovo metodo automatizzato per valutare l'acuità visiva nei neonati e nei bambini utilizzando un sistema di tracciamento oculare.
Abstract
La misurazione dell'acuità visiva è un importante test di funzionalità visiva da eseguire nell'infanzia e nell'infanzia. Tuttavia, una misurazione accurata dell'acuità visiva nei neonati è difficile a causa delle carenze nella loro capacità di comunicazione. Questo documento presenta un nuovo metodo automatizzato per valutare l'acuità visiva nei bambini (5-36 mesi). Questo metodo, la procedura automatica della scheda di acuità (AACP), utilizza una webcam per il tracciamento oculare e riconosce automaticamente i comportamenti di osservazione dei bambini. Un test preferenziale a due scelte viene eseguito quando il bambino testato guarda gli stimoli visivi visualizzati su uno schermo digitale ad alta risoluzione. Quando il bambino testato guarda gli stimoli, le sue immagini facciali vengono registrate dalla webcam. Queste immagini vengono utilizzate dal programma per computer impostato per analizzare il loro comportamento di osservazione. Con questa procedura, vengono misurate le risposte del movimento oculare del bambino a stimoli diversi e la loro acuità visiva viene valutata senza comunicazione. Confrontando i risultati con l'acuità della griglia ottenuta dalle Teller Acuity Card (TAC), le prestazioni AACP sono considerate paragonabili a quelle dei TAC.
Introduction
Il periodo infantile è un periodo critico per lo sviluppo visivo. I problemi visivi che sorgono presto nella vita possono avere un impatto significativo sullo sviluppo di un bambino. È importante essere in grado di eseguire una valutazione visiva quantitativa nei neonati, che può aiutare a rilevare problemi di visione precoce. Tuttavia, poiché i bambini non sono cognitivamente sviluppati o abbastanza espressivi da riconoscere i simboli del grafico dell'acuità visiva, come lettere o grafici, misurare la loro acuità visiva è difficile. L'attuale gold standard per la valutazione della vista infantile è la procedura della scheda di acuità1 basatasul test preferenziale 2. Tuttavia, poiché questo metodo richiede tester esperti per giudicare l'acuità visiva osservando i movimenti oculari del bambino 3,4,5,6, è limitato dall'esperienza dei tester 4,5. Pertanto, le procedure delle carte di acuità, come le carte di acuità dello sportello (TAC)5,6, rimangono un metodo soggettivo. Pertanto, vi è la necessità di un metodo in grado di misurare quantitativamente l'acuità visiva nei neonati e nei bambini piccoli, che possa essere utilizzato senza la necessità di comunicazione verbale e che non sia limitato dalla richiesta di tester esperti.
L'invenzione e l'uso del tracker oculare remoto hanno permesso di sviluppare un sistema automatizzato di misurazione dell'acuità. In studi precedenti, i metodi di tracciamento oculare sono stati utilizzati come strumento per la valutazione della funzione visiva nei bambini 7,8,9,10. Un eye tracker remoto può essere utilizzato per il tracciamento dello sguardo ed è un sostituto per l'osservazione di un tester dei movimenti oculari di un bambino. La procedura ACTIVE7 e la procedura AVAT10 sono test di acuità visiva completamente automatizzati con un eye tracker remoto; hanno prodotto risultati di acuità visiva comparabili al test Keeler Acuity Cards in neonati sani e bambini piccoli. A differenza di altri studi recenti, abbiamo usato una webcam invece di un localizzatore oculare remoto per catturare lo sguardo del bambino. Abbiamo inventato un metodo di acquisizione automatica dei dati sul movimento oculare basato sulla visione artificiale. La procedura ha combinato il metodo di acquisizione del movimento oculare con la tecnica di aspetto preferenziale nella valutazione della funzione visiva nei bambini.
Questo documento si propone di presentare un nuovo metodo automatizzato, in grado di valutare l'acuità visiva nei bambini piccoli, chiamato procedura automatizzata della scheda di acuità (AACP). Questa procedura è particolarmente utile per neonati e bambini più piccoli che non hanno ancora acquisito sufficienti capacità comunicative. L'aspetto chiave è che le risposte visive possono essere quantificate per produrre acuità della griglia nei neonati e nei bambini piccoli. La misurazione dell'acuità del reticolo consente di rilevare patologie visive e svolge un ruolo importante nella successiva gestione medica.
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Protocol
Il protocollo qui descritto è stato approvato dal Comitato Etico del Primo Ospedale dell'Università di Pechino (PKUFH 2018-223). Le procedure hanno aderito ai principi della Dichiarazione di Helsinki per la ricerca che coinvolge soggetti umani. È stato descritto il formato dello studio e il consenso informato è stato ottenuto dai genitori dei partecipanti.
1. Preparazione dell'apparecchio
NOTA: I componenti AACP sono stati installati in una sala prove leggermente illuminata. Le tende sono state tirate nella stanza per evitare interferenze dalla luce solare. Un sistema di visualizzazione, un sistema di registrazione e un sistema di analisi erano i tre componenti dell'AACP (Figura 1).
- Impostare un sistema di visualizzazione, un monitor a cristalli liquidi da 28 pollici (schermo 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pixel x 2160 pixel, 0,162 mm/pixel, frame rate 30 Hz). Posizionare il monitor su un tavolo che può essere sollevato. Linearizza la luminanza dello schermo mediante una tabella di ricerca a 8 bit. Impostare la luminanza su 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 e 400 cd/m2 rispettivamente per nero, grigio medio e bianco.
- Posiziona due pannelli laterali su entrambi i lati dello schermo per ridurre le distrazioni per i bambini sottoposti a test.
- Configura un sistema di registrazione, una webcam professionale ad alta definizione con una risoluzione di 1080 pixel / 30 fps.
NOTA: la webcam registra sequenze di immagini dei comportamenti dei tester, ciascuna ritagliata a 1280 pixel x 720 pixel. Durante i test di acuità automatizzati, viene ottenuta un'immagine webcam con timestamp ogni 200 ms per la sincronizzazione. - Collegare il monitor e la webcam a un computer, il sistema di analisi. Assicurati che la webcam si trovi al centro, direttamente sotto lo schermo, e che possa essere regolata secondo necessità.
NOTA: il monitor e la webcam sono integrati con il computer (un laptop o un PC desktop) o sono dispositivi separati che vengono quindi collegati a un computer. - Installare il software di procedura AACP sul computer per la presentazione degli stimoli e l'analisi dei movimenti oculari. Il software di procedura AACP (China National Invention Patents, n. 201910865074.4 e n. 201510919621.4) comprende un modulo di visualizzazione dello stimolo, un modulo di test di visione e un modulo di elaborazione dei risultati dei test.
- Imposta gli stimoli visivi come un reticolo a onde quadrate di 12 cm x 12 cm con diverse frequenze spaziali periodo/grado (cpd) e un rapporto di contrasto di 1,00. Assicurarsi che lo stimolo venga visualizzato in modo casuale al centro della parte sinistra o destra dello schermo e che il resto dello schermo mostri un'area grigia corrispondente alla luminanza simile al TACII.
NOTA: Alla distanza di rilevamento di 55 cm (che è coerente con quella di TACII), gli stimoli erano approssimativamente gli stessi (a causa delle limitazioni delle dimensioni dei pixel) di quelli sulle carte TACII stampate (16 carte, 1/2 ottava).
2. Calibrazione eye-tracking
- Ottenere il consenso informato dai genitori e descrivere loro il formato dello studio.
- Posizionare il bambino a una distanza di 55 cm dal monitor. Lascia che il bambino si sieda da solo su una sedia o, preferibilmente, sulle ginocchia del genitore. Se il bambino si siede da solo, lascia che il genitore si sieda accanto al bambino.
- Regolare la posizione del tavolo elevatore e posizionarlo con il monitor. Disporre lo schermo perpendicolarmente agli occhi del bambino.
- Regolare la posizione della webcam per garantire che il volto del bambino sia visibile nel sistema di registrazione ed evitare di catturare volti diversi da quelli del bambino.
- Prima di iniziare la procedura, informare il bambino che guarderà lo schermo. Chiedi al genitore di chiedere al bambino di guardare lo schermo quando non presta attenzione. Non sono necessarie istruzioni specifiche durante il test.
- Aprire il software di procedura AACP. Digitare le informazioni del bambino nel software (nome, sesso, età).
- Fare clic sul pulsante Start . Il software avvia la procedura di calibrazione. Un'immagine GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixel) viene visualizzata sullo sfondo bianco al centro dello schermo (Figura 2). L'immagine e la musica di sottofondo appaiono contemporaneamente. Questo stimolo è presentato per almeno 3 s. Il sistema di analisi determina simultaneamente se la linea di vista del bambino è fissata sull'immagine. Se non sono disponibili dati sullo sguardo entro 1 minuto durante questa presentazione, lo schermo presenta un'altra immagine GIF dei cartoni animati. Quando vengono rilevate le coordinate dello sguardo all'interno di questa regione, la procedura di test inizia senza le azioni del tester e viene eseguita automaticamente.
3. Procedura di prova
- Presentare la griglia iniziale. Le frequenze spaziali dei reticoli vanno da 0,33-30,0 cpd in incrementi di 1/2 ottava. Determinare la griglia iniziale in base all'età del bambino, come nel test TACII.
- Presentare la griglia iniziale per 1.000 ms, che è la durata di una prova. Quindi, presentare una schermata vuota per 200 ms. Presenta di nuovo lo stesso stimolo, seguito da una schermata vuota di nuovo. Presentare il reticolo della stessa frequenza spaziale impostata tre volte.
- Durante l'esecuzione della procedura, lasciare che la webcam registri le immagini facciali del bambino. Il software utilizza queste immagini per analizzare il loro comportamento di osservazione. Il programma di test della vista controlla le risposte al movimento oculare con i criteri indicati nella Tabella 1 per determinare se lo stimolo è stato visto (Figura 3).
- Lasciare che il programma di elaborazione dei risultati del test presenti lo stimolo successivo, secondo il protocollo mostrato nella Figura 411.
- Dopo ogni tre prove, presenta un'immagine GIF (con musica di sottofondo) come ricompensa visiva per mantenere l'interesse del bambino. Se non sono utilizzabili dati sullo sguardo (ad esempio, se il bambino si gira o ha gli occhi chiusi) entro 1 minuto dalla presentazione dell'immagine GIF, interrompere il test. Questo test non produce alcun risultato.
- Dopo aver eseguito i passaggi 3.4 e 3.5, analizzare i risultati dell'acuità del reticolo per il figlio generato dai programmi software.
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Representative Results
L'AACP è stato applicato a un gruppo di bambini11: 155 neonati e bambini in via di sviluppo normale (da 5 a 36 mesi, in base all'età gestazionale). In uno studio pubblicato in precedenza, i risultati di acuità del reticolo ottenuti dall'AACP sono stati confrontati con quelli ottenuti da TACII. I risultati ottenuti da queste due procedure sono significativamente correlati (r153 = 0,83, p < 0,001). Solo il 10,32% (16 su 155) dei risultati dei bambini differiva di più di un'ottava. Tra questi, otto bambini avevano 5-7 mesi. Di questi 16 bambini, tre avevano risultati di acuità visiva ottenuti dall'AACP che erano 1,5-2 ottave rispetto a quelli ottenuti da TACII. Gli altri 13 bambini avevano un'acuità visiva AACP di 1,5-2 ottave al di sotto dell'acuità visiva TACII.
L'acuità della griglia misurata dall'AACP è aumentata gradualmente con l'aumentare dell'età infantile. La figura 5 mostra la variazione dell'acuità della griglia misurata dall'AACP con la variazione dell'età in mesi. Da 6 a 12 mesi, l'acuità della griglia è aumentata di quasi 0,5 ottave. Da 12 a 24 mesi, l'acuità della griglia è aumentata di quasi un'ottava. Da 24 a 36 mesi, l'acuità della griglia è aumentata di quasi 1,5 ottave. La tendenza dello sviluppo dell'acuità in questo studio è coerente con i risultati dell'acuità misurati da TACII negli studi precedenti12. È anche coerente con lo sviluppo dell'acuità misurato da TACII nello stesso gruppo di neonati11.
Figura 1: Apparato AACP. Vengono mostrati i componenti AACP e la disposizione spaziale della loro configurazione nella sala prove. Il bambino era seduto sulle ginocchia di un genitore e guardava gli stimoli con un binocolo a una distanza di 55 cm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Stimolo del fumetto nella procedura di calibrazione. Lo stimolo del cartone animato è un'immagine GIF con musica di sottofondo. Lo stimolo attira l'attenzione visiva. Quando lo sguardo del bambino cade all'interno dell'area dell'immagine, il punto cambia da rosso a verde e viene eseguita la procedura di calibrazione. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Wen et al.11. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Stimolo del reticolo nella procedura di test. Lo stimolo della griglia è una griglia di strisce verticali bianche e nere presentate su uno sfondo grigio uniforme. Il punto di sguardo del partecipante che si sposta dal centro al quadrato verde indica che il partecipante ha osservato il bersaglio, il che significa un "colpo". Il punto di sguardo del partecipante che si sposta dal centro all'area vuota indica che il partecipante non ha guardato il bersaglio, il che significa un "miss". L'area quadrata verde ha una lunghezza di mezzo lato in base alla distanza dal centro dello stimolo al lato dello schermo (cioè, dal centro dello stimolo al bordo sinistro dello schermo in questa figura). Questa cifra è stata modificata con il permesso di Wen et al.11. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Il protocollo utilizzato nella procedura AACP. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Wen et al.11. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Grafici a scatola delle acuità della griglia tracciati rispetto all'età (N = 155). Le scatole bianche con linee rosse e le scatole grigie con linee nere sono acuità di griglia dell'AACP e TACII11, rispettivamente, per ogni 6 mesi di età. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Criterio | Verificare che il segnale dello sguardo: | |||
| Colpire | è rimasto nell'area target ininterrottamente per più di 400 ms della presentazione target di 1.000 ms. | |||
| Signorina | (1) non è entrato nell'area target entro una finestra temporale di 1.000 ms. (2) sono rimasti nell'area bersaglio a meno di 400 ms. | |||
Tabella 1: Criteri per stabilire se è stato osservato uno stimolo.
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Discussion
Diversi studi 7,8,9,10 basati sul metodo eye-tracking hanno dimostrato il valore di questo metodo nella valutazione di neonati e bambini piccoli che hanno difficoltà nella comunicazione verbale. Tuttavia, il numero di partecipanti agli studi precedenti è relativamente piccolo. Solo 30 bambini sotto i 12 mesi di età sono stati testati dalla procedura ACTIVE, sviluppata da Jones et al.7. La procedura AVAT, sviluppata da Vrabic et al.10, ha testato 35 neonati e bambini piccoli in modo simile. Nel presente studio, un ampio campione di neonati e bambini di età compresa tra 5 e 36 mesi (N = 155) è stato testato con la procedura AACP e ha mostrato un'elevata testabilità e una valutazione dell'acuità visiva comparabile ai TAC. Inoltre, l'uso di una webcam invece di un localizzatore oculare remoto per seguire lo sguardo del bambino rende l'apparecchiatura AACP meno costosa e più comoda da accedere.
Quando i bambini crescono, mostrano un crescente interesse per i vari stimoli nell'ambiente circostante. Pertanto, è una sfida per loro mantenere la cooperazione durante il test. La visualizzazione di immagini di cartoni animati al centro dello schermo è stata progettata per attirare la loro attenzione, che è simile alla procedura ATTIVA7. Ogni tre prove, prima di cambiare la frequenza della griglia, un'immagine del cartone animato è stata presentata come ricompensa visiva per mantenere l'attenzione del bambino e attirare il suo sguardo verso il centro dello schermo, riducendo così l'errore di valutazione della procedura causato dallo spostamento dello sguardo dell'occhio del bambino di lato. Inoltre, sono stati utilizzati due pannelli laterali dello schermo collegati per ridurre le distrazioni per i bambini. Nel test TAC standard nelle impostazioni di laboratorio13, le schede di acuità vengono mostrate attraverso un'apertura rettangolare su uno schermo grigio che include pannelli laterali collegati. Abbiamo impostato i pannelli laterali dello schermo per ridurre l'interferenza dell'ambiente circostante, ma i pannelli laterali possono essere smontati per adattarsi ad altri ambienti di test.
Nel presente studio, gli stimoli digitali per l'AACP e gli stimoli stampati per i TAC erano grigliati ad onda quadra, che hanno "effetti bordo". Gli artefatti del bordo alla giunzione di reticoli ad alta frequenza e sfondo isoluminante forniscono potenzialmente ulteriori segnali visivi per i bambini, che si verificano nei test AACP e TACs14 . Tuttavia, rispetto ai TAC cartacei, gli stimoli digitali sono più flessibili. Gli stimoli modulati dal Gabor saranno utilizzati in futuro per evitare effetti di bordo. Il contrasto, le dimensioni, la frequenza e altre caratteristiche degli stimoli digitali sono più facili da regolare. Alla distanza di rilevamento di 55 cm in questo studio, le frequenze spaziali dei reticoli variavano da 0,33 a 30,0 cpd. Se un bambino ha un'acuità visiva molto scarsa, ad esempio inferiore a 0,33 cpd, la sua effettiva acuità visiva non può essere rilevata dall'AACP. In ulteriori studi, diverse gamme di frequenze possono essere impostate con diverse distanze di rilevamento per essere applicabili ai bambini con più condizioni visive.
Un'altra limitazione del metodo esistente è che la durata di una prova, che è di 1 s, è troppo breve per alcuni bambini più piccoli per distinguere la griglia. Tra i bambini i cui risultati visivi differivano di più di un'ottava nell'AACP e nei TAC, la metà erano bambini di età compresa tra 5 e 7 mesi. Nelle applicazioni future, potrebbero essere impostate durate di prova diverse per adattarsi all'età dei diversi partecipanti. Allo stato attuale, il genitore può osservare le prestazioni del bambino durante il test. Se il bambino fallisce il test a causa del movimento o della fatica, il test può essere ripetuto.
L'AACP è un nuovo metodo di tracciamento oculare basato sui dati della webcam. Può essere utilizzato per valutare l'acuità della griglia nei neonati e nei bambini piccoli e i risultati sono paragonabili al test di acuità visiva gold standard. Richiedendo solo i movimenti oculari come indicatori evidenti delle risposte, l'AACP può essere utilizzato per misurare l'acuità visiva in modo completamente automatizzato. In futuro, modificando i tipi di stimolazione visiva, l'AACP può essere utilizzato per valutare altre funzioni di elaborazione delle informazioni visive all'inizio dello sviluppo dei bambini.
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Disclosures
Gli autori hanno fatto le seguenti divulgazioni: BK.Y., XQ.L., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and pupil localization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (n. 201510919621.4).
Acknowledgments
Questo studio è stato supportato dal Fondo di capitale per il miglioramento della salute e la ricerca (n. 2018-2Z-4076) e dai fondi di ricerca SEED del primo ospedale dell'Università di Pechino (2019SF31).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AACP procedure software | In-house | In-house | The AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 and No. 201510919621.4) comprises a stimulus displaying module, a vision testing module, and a testing result processing module. |
| Computer processor | Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA | Intel CORE i7-6500U processor | Analysis system |
| Display monitor | InnoLux Co., Ltd., China | InnoLux M280DGJ-L30 | Display system |
| Webcam | Logitech International S.A., Lausanne, Switzerland | Logitech C920 high-definition pro webcam | Recording system |
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