在双目分视条件下评估双眼中心视野和双眼眼动

摘要

本文介绍了一种用于评估中心视力丧失受试者双眼眼动及凝视控制的中心视野筛查的实验方案。

摘要

黄斑变性通常导致双眼中心视野出现异质性视觉缺损。目前用于评估中心视野的方法，如微视野检查，一次只能检测一只眼睛，因此无法解释每只眼的缺损如何影响双眼相互作用及真实世界的视觉功能。采用眼动控制系统的双目分视刺激呈现方法可为单眼/双眼视野提供可靠的测量手段。然而，双目分视刺激呈现与同步眼动追踪存在技术挑战，因为用于实现分视刺激呈现的光学设备（例如，haploscope）总会干扰眼动追踪装置（例如，基于红外视频的眼动仪）。因此，本研究的目标是：1）开发一种基于3D快门眼镜和3D-ready显示器的双目分视刺激呈现方法，实现不受干扰的同步眼动追踪；2）利用该方法建立一套用于评估中心视力丧失受试者中心视野的实验方案。结果表明，该装置能够在双目分视观察条件下可靠地测量眼动。此外，还证明了该方法可用于评估中心视力丧失受试者在眼动控制下的双眼中心视野功能。

引言

年龄相关性黄斑变性通常是一种影响双眼中心视力的双侧性疾病，其视力丧失模式具有异质性。双眼的中心视力丧失可能对称，也可能不对称¹。目前已有多种技术可用于评估黄斑变性患者的中心视野。Amsler方格图包含一个网格图案，可用于手动筛查中心视野。自动视野计（例如Humphrey视野分析仪）在标准化的全视野碗中呈现不同亮度和大小的光刺激，以探测视野范围。注视追踪微视野计则在液晶显示屏上呈现视觉刺激。微视野计可通过追踪视网膜上的感兴趣区域来补偿微小的眼球运动。这类设备能够检测中心视网膜局部区域的功能变化，但每次只能检测一只眼睛。因此，微视野检测无法解释每只眼的异质性缺损如何影响双眼相互作用及真实世界中的视觉功能。目前尚缺乏一种可在接近真实视觉条件下可靠评估视野的方法。此类评估对于理解单眼视野缺损如何影响或贡献于双眼视野缺损至关重要。我们提出一种新颖的方法，用于在双目分视条件下（即视觉刺激独立呈现于双眼）评估具有中心视力丧失个体的中心视野。

为了可靠地测量视野，必须在给定位置维持注视。因此，将眼动追踪与双目分视呈现相结合，对于双眼评估至关重要。然而，由于眼动追踪仪的照明系统（例如，红外LED）与分视呈现系统（例如，haploscope的反射镜或立体镜的棱镜）的光学元件之间可能存在干扰，将这两种技术结合使用具有挑战性。替代方案包括使用不影响视线的眼动追踪技术（例如，巩膜线圈技术），或使用与护目镜集成的眼动追踪仪²。尽管每种方法都有其优势，但也存在缺点：前者具有侵入性，可能引起明显不适³，而后者的时间分辨率较低（60 Hz）⁴。为克服这些问题，Brascamp & Naber（2017）⁵ 和 Qian & Brascamp（2017）⁶ 采用了一对冷反射镜（可透射红外光但反射95%的可见光）以及位于冷反射镜两侧的显示器，以实现分视呈现。在haploscope装置中，使用基于红外视频的眼动追踪仪来记录眼动^7,8。

然而，使用类似haploscope的双目分视呈现方式存在一个缺点：仪器（haploscope）的旋转中心与眼睛的旋转中心不一致。因此，为了准确测量眼动，需要进行额外的计算（如Raveendran（2013）附录A中所述）⁹。此外，调节平面和辐辏平面必须对齐（即调节需求与辐辏需求应相同）。例如，若工作距离（总光学距离）为40 cm，则调节需求和辐辏需求分别为2.5屈光度和2.5米角。如果我们将反射镜完全正交对齐，则haploscope适用于远距离观察（即所需辐辏为零），但所需的调节仍为2.5D。因此，必须在眼睛与haploscope的反射镜装置之间放置一对凸透镜（+2.50屈光度），以将调节平面推至无穷远（即所需调节为零）。这种设置要求眼睛与haploscope反射镜装置之间留出更大的空间，而这又会重新引发旋转中心不一致的问题。通过将haploscope调整为近距观察状态，使两个平面重合，可尽量减小调节平面与辐辏平面的对齐问题。然而，这需要对每位受试者测量瞳孔间距，并相应地调整haploscope反射镜或刺激呈现显示器的位置。

本文介绍了一种结合基于红外视频的眼动追踪与双目分视刺激呈现的方法，该方法使用无线3D快门眼镜和支持3D的显示器。此方法无需采用传统haploscopic方法中所需的额外计算或假设。快门眼镜此前已与眼动仪联合使用，用于研究双眼融合¹⁰、扫视适应¹¹以及眼手协调¹²。然而需要注意的是，Maiello及其同事^10,11,12所使用的立体快门眼镜属于第一代产品，需通过有线连接与显示器刷新率同步。此外，第一代快门眼镜目前在市场上已无法购得。本文展示了如何使用市面上可获得的第二代无线快门眼镜（材料表）来呈现双目分视刺激，并可靠地测量单眼和双眼的眼动。此外，我们还展示了一种用于评估中心视野缺损受试者单眼/双眼视野的方法。视觉刺激的双目分视呈现可实现对视野的单眼和双眼评估，而在双目分视观察条件下进行双眼眼动追踪，有助于在基于注视控制的范式下开展视野检测。

方案

以下所述的所有操作步骤和方案均经堪萨斯州威奇托市威奇托州立大学机构审查委员会审核并批准。所有参与者均签署了知情同意书。

1. 受试者选择

1. 招募了视力正常的参与者（n=5，4名女性，平均年龄 ± 标准误：39.8 ± 2.6岁）以及因黄斑变性（年龄相关性/青少年性）导致中心视力丧失的参与者（n=15，11名女性，78.3 ± 2.3岁）。需要注意的是，两组参与者年龄差异较大，这是由于中心视力丧失受试者的人口学特征所致（年龄相关性黄斑变性多发于年长人群，且女性发病率较高）。此外，本研究的目的并非比较这两组队列。

2. 实验准备

1. 使用无线3D主动快门眼镜（材料表) 可与任何支持3D的显示器同步。要使快门眼镜正常工作，红外发射器（一个小型金字塔形黑色盒子）与快门眼镜鼻托处的红外接收器（传感器）之间不应存在干扰。
2. 在一台3D显示器（1920 x 1080像素，144 Hz）上呈现所有视觉刺激。为确保显示器与3D眼镜无缝协作，需安装适当的驱动程序。
3. 使用安装在桌面上的基于红外视频的眼动仪（材料表) 能够以 1000 Hz 的采样率测量眼动。将眼动仪的红外光源和摄像头分别安装在可调节高度和角度的三脚架（材料表）上，以确保其稳固。将摄像头置于受试者前方 20–30 cm 处，屏幕置于受试者前方 100 cm 处。
4. 使用红外反射贴片（材料表) 以避免眼动仪的红外照明与快门眼镜的红外系统之间产生干扰（图1，右侧。
5. 使用市售软件（材料表使用快门眼镜和3D-ready显示器实现视觉刺激的双目分离呈现，以控制眼动仪。
6. 为稳定头部运动，请使用高而宽的下巴托和前额托材料表）并将其固定在可调节的桌面上。下巴和额头托架的宽幅设计允许 参与者佩戴快门眼镜后的舒适体位摆放。
   注意： 图1 展示了使用3D快门眼镜和3D-ready显示器进行分视刺激呈现的眼动追踪设置。红外反射贴片被战略性地放置在3D快门眼镜鼻托处的红外传感器正下方图1，右侧）。
7. 通过关闭3D就绪显示器中的亮度增强选项，以最大程度减少亮度信息的泄漏。亮度信息从一只眼睛泄漏到另一只眼睛的现象被称为亮度泄漏或串扰。¹³这种情况容易发生 在高亮度条件下使用立体显示器。
8. 由于快门的存在，到达瞳孔的红外照明（来自眼动追踪系统）的量可能会显著减少¹³ – 平均而言，亮度大约降低了65%（补充表1）。为克服此问题，可将眼动仪红外LED的强度从默认功率调至100%（即最高设置）。使用基于红外视频的眼动仪（材料表）时，如图所示，在屏幕左下方的“Illumination power”设置中进行此项调整 图2.

3. 运行实验

注意：本研究的主要实验为使用双目眼动追踪和双目分视刺激对中心视野进行筛查。该中心视野筛查方法与市售仪器的视野检测方法相当（材料表）。视觉刺激的物理特性，如目标亮度（约22 cd/m²）、背景亮度（约10 cd/m²）、目标大小（Goldmann III – 4 mm²）、视野网格（Polar 3 网格，共28个检测点，图3）以及刺激持续时间（200 ms），均与市售仪器的视野检测参数一致。需注意，这些亮度值是在快门眼镜开启状态下测得的（补充表1）。在本实验所讨论的检测中，刺激亮度保持恒定，而不同于常规视野检测中通过改变刺激亮度以确定察觉阈值的方法。换言之，本实验采用的是高于阈值的筛查（supra-threshold screening），而非阈值测定。因此，筛查结果为二元反应（刺激被看到或未被看到），而非数值型结果。

1. 实验前检查
   1. 在受试者到达测试前几分钟，确保眼动仪和运行实验的主机计算机均已开启，并确认主机计算机已连接到眼动仪。
   2. 通常情况下，在开始实验前，使用平台特定命令确认显示器的同步精度。
2. 启动主实验
   注意： 以下步骤高度依赖具体平台，且取决于运行主实验的脚本。参见包含用于设计和运行实验代码示例的补充材料 。
   1. 从适当界面启动运行主实验的程序（参见补充材料—‘ELScreeningBLR.m’）。当程序提示时，输入保存输出数据文件所需的信息（如受试者编号、测试距离），以便在数据文件夹中以唯一文件名保存数据文件。
   2. 屏幕上将显示带有“按 Enter 键切换摄像头；按 C 键进行校准；按 V 键进行验证”等指令的灰色屏幕。此时，调整眼动仪摄像头，使其与受试者的瞳孔对齐，如图2所示。
3. 眼动仪校准与验证
   1. 启动眼动仪的校准程序。指导受试者仅通过眼球（而非头部）移动来追踪目标，并注视目标中心。
   2. 成功完成校准后，启动验证程序。提供与校准阶段相同的指导说明。
   3. 读取验证步骤的结果（通常显示在屏幕上）。重复校准和验证过程，直至获得眼动仪手册推荐的“良好/可接受”结果。
4. 漂移校正
   1. 完成眼动仪的校准和验证后，启动漂移校正。
   2. 指导受试者“注视中央注视目标，并尽可能保持眼睛稳定”。
      注意：在校准、验证和漂移校正完成后，眼动追踪将与主实验同时启动。
5. 视野筛查
   1. 再次向受试者说明其在实验过程中需要完成的任务。要求受试者在整个测试期间保持双眼睁开。
   2. 在此项视野实验中，指导受试者在中央注视目标上保持注视，同时通过按下反应按钮上的“Enter”键来响应“看到的任何白光”（图1，材料表）。指导他们不要移动眼睛去搜寻新的白光。同时提醒他们，短暂出现的白光可能出现在屏幕上的任意位置。
      注意：在视野筛查过程中，可通过单眼目标探测快门眼镜的功能，这些目标可融合形成完整的知觉（参见补充图2—捕获试验）。
   3. 在整个实验过程中多次重复“保持注视”的指令，以确保注视点位于预期区域内。
      注意：可使用音频反馈（如错误提示音）来提醒注视丢失（例如眼睛移出容许范围）。当注视偏离时，应重新指导受试者仅注视十字目标。可暂时停止视觉刺激的呈现，直到受试者将注视重新带回容许范围内（例如中央2°）。
   4. 视野实验结束后，屏幕将显示测试结果，以不同方式标示出被看到和未被看到的位置（例如图6所示）。
6. 保存数据文件
   1. 所有视野数据（例如保存为“.mat”文件）和眼动数据（例如保存为“.edf”文件）将自动保存，用于后续分析。但需确保在退出运行实验的程序/平台之前，文件已成功保存。

4. 分析

注意：眼动和视野数据的分析可通过多种方式进行，具体取决于用于运行实验的软件以及眼动仪输出数据的格式。以下步骤针对特定的实验设置和程序（参见补充材料）。

1. 眼动分析（事后分析）
   注意：保存的眼动数据文件（EDF）是一种高度压缩的二进制格式，包含多种类型的数据，如眼动事件、消息、按钮按压以及注视位置采样。
   1. 使用转换程序（EDF2ASC）将EDF文件转换为ASC-II文件。
   2. 运行‘PipelineEyeMovementAnalysisERI.m’以初始化眼动分析，并按照代码中的说明进行操作（代码脚本见补充材料）。
   3. 运行‘EM_plots.m’，以提取水平和垂直眼动位置，并绘制如图4和图5所示的图表。
      注意：眼动数据可进一步用于计算注视稳定性、检测微扫视等分析，但这些内容超出本文范围。
2. 视野
   1. 为获取视野检查报告，请运行‘VF_plot.m’。
      注意：与视野实验相关的所有数据集（例如被看到/未被看到的点）将被绘制成如图6所示的视野图。若某点被看到，则以绿色实心方块表示；否则以红色实心方块表示。视野数据无需进行事后分析。

结果

一名具有正常双眼视觉的观察者在两种不同观察条件下的代表性双眼眼动轨迹如图所示（图4）。当双眼同时观察刺激时（图4A），以及当左眼观察刺激而右眼处于主动快门关闭状态时（图4B），均可实现连续的眼动追踪。从这些轨迹可以看出，所提出的方法不影响眼动测量的质量，并且能够对长时间实验中的眼动进行测量。随后，我们证明该方法即使在具有中心视野缺损的困难受试者中也能可靠地测量眼动（图5）。该方法的一个重要应用是在具有（图6）和不具有（补充图1）中心视野缺损的受试者中筛查中心视野。该方法提供了一种记录在双眼睁开状态下真实视觉环境中中心视野缺损影响的手段。在此代表性观察者（见补充表2中的S7）中观察到了双眼优势（即双眼看到的点数多于仅用右眼或左眼看到的点数）。对所有具有中心视野缺损受试者的视野测...

讨论

The proposed method of measuring eye movements in dichoptic viewing condition has many potential applications. Assessing binocular visual fields in participants with central vision loss that is demonstrated here is one such application. We used this method to assess binocular visual field in fifteen participants with central vision loss to study how binocular viewing influences the heterogeneous central visual field loss.

The most important step in the protocol is positioning (distance from ey...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 显示器	Benq	NA	大约成本（美元）：500 https://zowie.benq.com/en/product/monitor/xl/xl2720.html
3D 快门玻璃	NVIDIA	NA	大约成本（美元）：300 https://www.nvidia.com/object/product-geforce-3d-vision2-wireless-glasses-kit-us.html
下巴/前额托	UHCO	NA	大约成本（以美元为单位）：750 https://www.opt.uh.edu/research-at-uhco/uhcotech/headspot/
Eyetracker	SR Research	NA	大约成本（以美元为单位）：27,000 https://www.sr-research.com/eyelink-1000-plus/
IR 反光贴片	战术	NA	大约成本（以美元为单位）：10 https://www.empiretactical.org/infrared-reflective-patches/tactical-infrared-ir-square-patch-with-velcro-hook-fastener-1-inch-x-1-inch
MATLAB Software	Mathworks	NA	大约成本（美元）：2150 https://www.mathworks.com/pricing-licensing.html
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