描述了一种方法,用于量化基于响应特定视觉模式的反射性眼球运动的视觉信息处理质量。反应时间和注视输出参数用于表征 6 个月大以上有和无视力障碍的儿童的视觉表现。
Method Article
描述了一种方法,用于量化基于响应特定视觉模式的反射性眼球运动的视觉信息处理质量。反应时间和注视输出参数用于表征 6 个月大以上有和无视力障碍的儿童的视觉表现。
在生命早期出现的视觉问题会对孩子的发展产生重大影响。如果没有口头交流,仅基于观察方法,就很难对孩子的视觉问题进行定量评估。这限制了对 4 岁以下儿童和智障儿童的准确诊断。在这里,我们描述了一种克服这些问题的定量方法。该方法使用远程眼动仪和四选优视范式来测量眼球运动对不同视觉刺激的反应。孩子坐在带有集成红外摄像头的显示器前,没有头部支撑。在四个监视器象限之一中,呈现视觉刺激。每个刺激物都有相对于背景的特定视觉模式,例如,形式、运动、对比度或颜色。根据对这些特定视觉模式的反射性眼球运动反应,计算出反应时间、注视精度和注视持续时间等输出参数,以量化儿童的观看行为。使用这种方法,可以在不使用通信的情况下评估视觉信息处理的质量。通过将结果与 0-12 岁正常发育儿童获得的参考值进行比较,该方法提供了视障儿童视觉信息处理的特征。该方法提供的定量信息可以以多种方式为临床视觉评估和康复领域带来优势。参数值为以下方面提供了良好的基础:(i) 描述早期视觉能力,从而实现早期干预;(ii) 比较风险组并跟踪视觉随时间的变化;(iii) 为每个孩子构建一个单独的视觉档案。
在儿童脑损伤有关的视觉问题的患病率增加了。因为视力问题可能对孩子的发展影响很大,及早发现婴幼儿和儿童的风险是非常重要的。目前,视功能测试,以评估视觉感官功能,如视力,对比敏感度(如视标测试)的儿童都适用,从1 - 2年的1岁。在年幼的儿童这些试验是基于孩子的收视行为的视觉信息的结构的观察。这样的行为, 即的解释,通过观察一个孩子的眼球运动,可以通过动眼神经或儿童的注意力机能障碍,或者甚至通过查看观察者的行为受到阻碍。 Cerebrally介导的视觉功能,如视觉空间记忆和识别物体进行评估与视觉感知测试( 例如,DTVP 2)。这些测试需要口头插件tructions和通信,并可以从4-5岁使用。鉴于视觉系统的出生后发育的,并利用高级别在生命早期可塑性的,理想的是尽早确立在视觉信息处理障碍的存在和程度。这样一来,用(脑)视觉障碍的孩子可能从最大早期干预,视觉上的刺激,或支持性策略中受益。因此,有必要为视觉信息的处理的评估方法,该方法可以在不儿童口头通信中使用,并且是基于定量结果。
眼球运动是一个很好的模型来研究视觉引导定向行为,以刺激3,4,以及相关的感知和认知功能5。眼球运动表明视觉注意场景中的焦点,并已知会导致无论是从下往上(反身,突显驱动)还是从顶向下(我ntentional,认知)处理6。眼睛运动被用于引导凹, 即 ,视觉的清晰度,向新的对象。感兴趣的对象的视觉内容经由从经由外侧膝状体到初级视觉皮层(V1)视网膜运行途径加工,并且分发自身在脑的处理区域( 例如,涉及在注意力,空间定向,识别,存储器,和情绪)。眼球运动都是对的先决条件,而续集视觉信息处理。
在用红外眼跟踪眼球运动的测定发展给予的可能性,以获得动眼神经和视觉功能的定量参数。自动眼跟踪器在涉及健康和临床人群的医疗和心理研究当今无所不在。他们的目的是不仅要研究眼球运动功能,注意力分配7,而且回答问题ABOUT行为和心理机制8,9。随着访问和商业眼球跟踪系统的崛起,他们越来越多地用于测试婴儿和儿童的10-12弱势群体,没有约束的条件下,复杂的指令,或积极合作12,13。由于对眼和脑水平动眼神经和视觉系统的紧密耦合,眼基于跟踪的方法是预先突出适合于评估视觉能力。到目前为止,除了视力14的测量,在评估儿童视觉功能的使用的技术的已接收相对很少关注。
本集团已结合了优先注视范式13眼动测量。优先注视超过同质那些15注视图案表面的偏好。这一原则是由四种情况之一的象限,其中使用差异比较视觉刺激与目标应用领域呃从在一个特定的视觉特征方面的背景下, 例如相干形式,相干运动,对比度和颜色。这些视觉特征是已知的由单独的外周和中枢视觉通路进行处理。例如约形式信息由腹侧途径进行处理,从V1到颞叶皮层。关于运动的信息由背途径处理,从V1到后顶叶16。因此,具体的刺激被用于在视觉系统的不同的区域来触发视觉信息的处理。如果孩子是能够看到被呈现的特定的可视信息,该信息将吸引视觉注意的眼球运动的形式。对视觉刺激这些反射性眼球运动反应记录与远程红外眼动仪。这样一来,眼球运动的措施提供的视觉信息处理13各方面的质量的一个自由通信的评估。
眼球运动提供儿童的收视行为11不仅观测数据,但也可用于更客观结果的措施。在精心设计的测试模式相结合,眼球运动可以提供视觉信息处理的精确和客观的信息。这个信息是通过计算基于对眼球运动的反应时间和空间特性的量化参数而获得。这些参数的例子是反应时间13,固定时间17,扫视指标7或累积注意分配18。这些参数的可用性是一个新的儿童视觉评估领域在青少年发育阶段。
本文的目的是提出测量从6个月的年龄中的儿童的视觉信息处理的眼基于跟踪方法。测量设置和程序( 即非语言范式,校准后,和mobilitY)特别适用于处于危险中的儿童在使用此方法。一个重要方面是定量的视觉反应参数, 即反应时间,注视时间和固定的精度进行分析。这些参数用于提供视觉引导反应参照区的正常发育儿童,在视障儿童的高危人群表征视觉信息处理。
这里描述的协议是经Erasmus医学中心,鹿特丹医学伦理研究委员会,荷兰(MEC 2012-097)。该程序遵循赫尔辛基(2013年)对涉及人类受试者的研究宣言的原则。
1.视觉刺激

图1.卡通刺激。卡通刺激包含各种视觉方式(形式,动作,色彩和对比度)。这种刺激触发视觉注意,并在儿童提供最快的响应时间。叠加是一个眼动(灰色),从显示器的左下角进入在右上角的目标区域( 即反身应对刺激)。 请点击此处查看该图的放大版本。
基于跟踪 - 2.眼测试范式
3.运行眼动跟踪实验
4.眼动的定量分析
注:本协议是特定于一个自编写的软件程序。为了复制它,应该写这样的软件程序, 例如 ,在MATLAB或Python,量化孩子的视力定向行为。在软件程序中,以下步骤是为每个S进行timulus类型。本示例的重点是卡通;相同的协议也适用于其它的刺激的类型。

图2.眼球运动响应于从目标区域的中心的距离的刺激,一个眼球运动跟踪(水平和垂直方向相结合) 的目标区域 (以度,y轴)上刺激呈现时间(毫秒, x轴)。虚线表示的目标区域(6°半径)的边界。字母表示标准建立的刺激是否已经看出:(A)在第一个500毫秒的凝视信号; (B)的凝视是不是在目标区域befo重120毫秒; (C)在目标区域内凝视≥200毫秒。注意,在该图中,所描绘的显示时间是最高2000毫秒形象化第一,自反响应。在测试过程中,所有的刺激呈现的总时间为4000毫秒。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 绕圈( 图2) | 验证目光信号: | 理由: |
| 一个 | 已记录刺激后发病≥500毫秒 | 捕捉反射定向反应 |
| 乙 | 没有进入目标区域<刺激发病后120毫秒,是不是已经在目标内的刺激呈现的开始 | 排除基于机会纠正性能 |
| C | 是在目标区域为≥200毫秒 | 确保在目标定影 |
| ð | 输入的目标区域的1500毫秒的时间范围内,且低于4扫视作了 | 排除视觉搜索行为 |
表1:标准建立的刺激是否已经看到标准A,B和C的可视化在图2中。

图3.定量参数的RTF的可视化,在从目标区域的中心(以度,y轴)上刺激呈现时间距离FD和面积,其中一个眼球运动跟踪(在毫秒,x轴)。垂直红线代表在该凝视进入焦油时间获得区, 即,反应时间为固定(RTF)。水平红线表示总时 间注视于目标区域迷恋; 也就是,固定持续时间(FD)。垂直的红色箭头表示固定迹的宽度,以度视角, 也就是说 ,凝视固定面积(GFA)的。 请点击此处查看该图的放大版本。
该方法已在儿童两个群体得到应用:337儿童的对照组无视觉障碍(平均年龄(SD)= 4.8(3.3)岁),一组119儿童有视觉障碍(平均年龄(SD) =谁是在视觉康复中心(荷兰皇家Visio中,荷兰)招募8.10(2.96)岁)。这些儿童中,有74眼视力障碍45例脑视觉障碍。所有控制儿童的结果可视化在图4 - 6,分别为反应时间,注视时间,和视线固定区域。参考范围(由黑线表示)通过拟合的对数函数,以基于年龄的控制数据构成。这些数字作为与视力障碍儿童视觉特性处理功能受损或完整功能方面的基础。
13)中的时间的量度。越低,RTF值,更快的眼球运动反应。 RTF重复性好了一组正常发育儿童的研究显示,从0-12年的13,21,22,并与各种类型的视力障碍21的孩子。 图4显示了平均RTF的动态卡通刺激超龄,为控制儿童,脑视力障碍(CVI)和眼视力障碍(OVI)的儿童。在儿童游乐;与-相对于没有视力障碍的儿童(T = -13.91,P <0.001,科恩的D = 1.32平均差= 85毫秒),RTF值是孩子显著高ñ与CVI相比,OVI(平均差= 99毫秒; T = -6.90,P <0.001,科恩的D = 1.25)。这些结果证实了先前在目前数据20,24,25的分组发表了RTF发现。

图4.儿童与-和无视觉障碍的平均RTF,以毫秒为每名儿童平均RTF值(Y轴),岁以上(X轴)。值是控制儿童(空心圆),儿童OVI(黑圈),和儿童CVI(十字)单独列出。黑线代表对照组中RTF的参考值上限。这条线之上RTF值被视为离经叛道, 即较长的反应时间。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5显示了平均FD岁以上,独立控制的儿童,CVI,并与孩子们OVI。 FD是儿童显著缩短与-比儿童无视力障碍(平均差= 850毫秒; T = 11.72,P <0.001,科恩的D = -1.12),并与CVI不是与OVI儿儿显著短(平均差值= 325毫秒; T = 2.44,p <0.05,科恩的D = -0.50)。这证实了在儿童与-先前的结果,相对于儿童没有视觉障碍(Kooiker MJG 等人 ,提交)。
参数目光注视面积(GFA)是敏感检测骚乱动眼神经的控制,特别是眼球震颤。面积表示以度固定的区域的大小,并且为测量固定精度(对计算见以往的研究13,23)。固定的小范围表示高度固定的精度。面积取决于刺激的大小和相应的目标区域( 即 ,在本实施例中一个6º半径)。建筑面积重复性好了一组正常发育儿童的研究显示,从0-12年13,21,并与各种类型的视力障碍21的孩子。 图6显示面积平均响应卡通刺激岁以上,分 别为控制孩子,孩子与动眼神经损伤眼球震颤,并有视觉障碍,但无眼球震颤的孩子。与-相比于没有孩子视力障碍的面积值是显著更大, 即较低的固定的准确性,儿童(平均差=1.34º; T = -25.09,P <0.001,科恩的D = 2.37)。此外,眼球震颤的孩子有更低的固定精度比孩子的Wi thout眼球震颤,但与其他类型的视力障碍(平均差=0.71º; T = 5.03,P <0.001,科恩的D = 1.04)。这与目前数据20,24,25的亚建筑面积计算先前公布的调查结果一致。

图6.平均建筑面积在有和无视觉障碍的孩子。每个孩子的平均度值面积(Y轴),岁以上(X轴)。值分别显示了控制儿童(空心圆),小儿视力障碍及眼球震颤(星号),并视障儿童无眼球震颤(黑钻)。黑线代表对照组总建筑面积的参考值上限。 GFA值高于这条线被认为是离经叛道, 即低精度固定。T ="_空白">点击此处查看该图的放大版本。
所提出的测量设置定量眼动分析相结合提供了与动眼神经和视觉障碍的各种儿童群体视觉处理功能有显着特征。这种模式的主要特点是性能是基于眼球运动反应到在反身的方式引发的视觉刺激。没有具体的口头指示中给出并且没有必要为儿童口头响应。参数RTF,GFA和FD显示,典型的发展中和视障儿童群体之间的差异显著尽管存在各组参数值( 图4 - 6)的有限传播。因此,根据所评估的参数,一些正常发育儿童可以显示不正常的表现,而有些孩子有视力障碍的表现"正常"的表现。最终,响应于多个可视的多个结果的措施模式应当在个人层面来考虑。所有成果的措施汇总提供的视觉信息处理能力,它可以在视觉形象从6月龄转换儿童独特的特征。
一些研究儿童的脆弱人群中所示的远程眼动追踪的价值,来推断注意力或心理能力9,12,18。而大多数研究依靠行为观察和使用说明,目前的模式的显着特点就是非语言的,定量的方法。因此在协议中的关键步骤包括基于优先注视,移动式量测的建立的刺激,以及自定义的校准和分析软件。的基于观察的结果所提出的延长精心分析的方法提供了视觉处理功能规范,详细的结果。这与工作线路上的评估婴幼儿视力与眼球跟踪14,并在凝视防治工作中的各种疾病7。该方法是灵活的,使移动评估执行幼儿或多个残疾儿童临床评估时,这是必不可少的。因此,它适合于测量在几乎是能够观看显示器的所有子动眼神经和可视处理能力。
这种方法相对于现有的Visual诊断方法( 即有效期)的重要性已经被研究作为走向临床实施的第一步。本范式与儿童目前使用的视觉功能评估(VFA)相结合。是基于眼球运动记录的动眼神经和视觉功能的观察结果与这些功能中的标准行为观察媲美。此外,眼动追踪参数, 例如 ,注视时间和扫视方向,提供广告在VFA期间检定动眼神经与儿童的视觉表现ditional值(Kooiker MJG 等人 ,2015年,提交)。该方法的主要收益在于评估更多的视觉功能比视觉功能评估在年轻的时候正在做的,并评估他们在一个定量的方式26的可能性。相对于现有方法的局限性在于,没有修改,所以无法全面评估视力或视野与本试验电池14。
虽然我们自己的限制,从动画片的刺激结果的呈现,在未来的应用不同的视觉模式可以使用其他的刺激( 如不同的形式,运动,色彩和对比度信息)22,20,25进行测试。这样一来,除了初级视觉通路特定可视处理区域被定位的,例如在时间或顶叶皮质视觉关联的区域。该方法的一个限制是本视觉刺激仅仅触发视觉输入的检测,并调用可视处理的初始阶段。这些刺激不针对高阶函数,成为刺激检测之后相关和通常与视觉感知测试测量。虽然他们没有使用通信的执行是具有挑战性的,一个基于眼球追踪模式是用于检测的感知相关信息的前途格式, 如可视化搜索,-Memory或选择性关注。
总之,详细的眼球运动反应,各类视觉刺激提供视觉信息加工功能的综合表征,在开发早期。因此,对于每个孩子的完整和功能损伤方面的个人视觉形象可以被创建。这样的配置文件可以提供关于在动眼神经和视觉的长处和弱点的详细信息功能。它可以作为一个起点,在日常生活中的支持,并为教师和照顾者的教育。这已成为可用这种方法的定量信息可以是以下可视随着时间的发展,以及监测视觉干预和康复方案有利。
提交人声明,他们没有竞争的经济利益。
作者感谢日托中心(Wasko、Alblasserwaard)在招募对照组方面的支持,以及 Mark Vonk 在对照组数据收集方面的帮助。作者还感谢对照组的孩子和荷兰皇家 Visio 的客户参与这项研究。作者感谢孩子们和他们的父母参与视频。
该方法的开发得到了 Novum 基金会的资助,该基金会是一个非营利组织,为改善视力障碍者生活质量 (www.stichtingnovum.org) 的(研究)项目提供财政支持。当前研究的财政支持由"ZonMw Inzicht"(荷兰卫生研究与发展组织-Insight Society)提供,资助号:60-00635-98-10。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Tobii T60 XL | Tobii 技术: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/ | 远程红外眼动仪 |
| Tobii 工作室 | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/ | 眼动仪软件 |
| MATLAB | MathWorks Inc | http://nl.mathworks.com/products/matlab/ | 数据分析软件 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission