VisualEyes2020 (VE2020) 是一种自定义脚本语言,用于呈现、记录和同步视觉眼动刺激。VE2020 为共轭眼球运动(扫视和平滑追逐)、非共轭眼球运动(会聚)、调节和每种运动的组合提供刺激。两个分析程序统一了眼动追踪和住宿记录系统的数据处理。
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VisualEyes2020 (VE2020) 是一种自定义脚本语言,用于呈现、记录和同步视觉眼动刺激。VE2020 为共轭眼球运动(扫视和平滑追逐)、非共轭眼球运动(会聚)、调节和每种运动的组合提供刺激。两个分析程序统一了眼动追踪和住宿记录系统的数据处理。
通过有目的的刺激和记录眼球运动,可以观察到眼球运动的潜在神经机制的基本特征。VisualEyes2020 (VE2020) 的开发基于缺乏可定制的基于软件的视觉刺激,可供不依赖传统单倍镜中的电机或执行器的研究人员使用。这种新的仪器和方法是为利用眼动追踪和自动验光仪系统的新型单倍镜配置而开发的。能够同步分析眼球运动和调节反应的分析软件为视力研究人员和临床医生提供了可重复的环境和可共享的工具。视觉和神经工程实验室(VNEL)的眼动分析程序(VEMAP)的建立是为了处理VE2020眼动仪产生的记录,而调节运动分析程序(AMAP)是为了处理相应自动验光仪系统的记录输出。VNEL 研究三种主要刺激:调节(模糊驱动的人工晶状体凸起变化)、会聚(向内、收敛旋转和向外、发散的眼睛旋转)和扫视(共轭眼球运动)。VEMAP 和 AMAP 利用类似的数据流流程、手动操作员交互以及必要时的干预;然而,这些分析平台推进了客观软件套件的建立,最大限度地减少了对操作员的依赖。图形界面及其相应算法的实用性允许以最少的操作员先前编码经验进行广泛的视觉实验。
协调的双眼协调以及对视觉刺激的适当调节和眼动反应是日常生活的关键方面。当个体的收敛眼球运动反应速度降低时,通过眼动记录量化,可能会感知到双视力(复视)1,2。此外,一项 Cochrane 文献荟萃分析报告称,试图维持正常双眼视力的动眼神经功能障碍患者会出现常见的常见视觉症状,包括视力模糊/复视、头痛、眼压/劳损和舒适阅读困难3。快速共轭眼球运动(扫视)在缺乏时,可能对视觉目标反应不足或反应过度,因此这意味着需要进一步的连续扫视来纠正这个错误4。这些动眼反应也可能被调节系统混淆,其中来自镜头的光线聚焦不当会产生模糊5。
阅读或在电子设备上工作等任务需要协调动眼和调节系统。对于双眼眼动或调节功能障碍的个体,无法维持双眼融合(单眼)和锐利(清晰)视力会降低他们的生活质量和整体生产力。通过建立一种程序方法,通过可重复的仪器配置和客观分析,独立和协调地定量记录这些系统,可以理解有关适应特定缺陷的区别特征。与传统方法相比,眼球运动的定量测量可以导致更全面的诊断6 ,并有可能预测通过治疗干预 进行 补救的可能性。该仪器和数据分析套件为了解当前护理标准(如视觉治疗)背后的机制以及治疗干预可能对患者产生的长期影响提供了见解。在具有和没有正常双眼视力的个体之间建立这些定量差异可以提供新的个性化治疗策略,并根据客观结果测量提高补救效果。
迄今为止,还没有一个单一的商用平台可以同时刺激和定量记录眼动数据,并具有相应的调节位置和速度响应,这些数据可以作为单独的(眼动和调节)数据流进一步处理。调节和动眼神经位置和速度响应的信号处理分析分别确定了大约 10 Hz7 的最低采样要求和扫视眼球运动的建议采样率在 240 Hz 和 250 Hz 之间8,9。然而,眼球运动的奈奎斯特速率尚未确定,尽管会聚的峰值速度比扫视眼球运动低一个数量级。尽管如此,目前关于眼动记录和自动折射仪器平台集成的文献仍存在空白。此外,分析具有同步调节反应的客观眼动反应的能力尚未开源。因此,视觉和神经工程实验室 (VNEL) 通过创建 VE2020 和两个离线信号处理程序套件来分析眼球运动和适应反应,从而解决了同步仪器和分析的需求。VE2020可通过校准程序和刺激方案 进行 定制,以适应从基础科学到临床的各种应用,包括关于收敛不足/过量、发散不足/过量、调节不足/过量、脑震荡相关双眼功能障碍、斜视、弱视和眼球震颤的双眼视觉研究项目。VE2020由VEMAP和AMAP补充,随后为这些受刺激的眼睛和调节运动提供数据分析功能。
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该研究创建并成功实施了该仪器和数据分析套件,已获得新泽西理工学院机构审查委员会HHS FWA 00003246批准F182-13的批准,并被批准为随机临床试验,发布在 ClinicalTrials.gov 标识符:NCT03593031上,由NIH EY023261资助。所有参与者阅读并签署了由大学机构审查委员会批准的知情同意书。
1. 仪器设置

图 1:单倍镜控制和记录设备配置。 VE2020 用于顺时针显示器排序和尺寸标注的显示分度示例。这里,1是控制监视器,2是近左显示监视器,3是最左边的显示监视器,6是校准板(CalBoard),4是极右显示监视器,5是近右显示监视器。 请点击此处查看此图的大图。
表 1:BNC 端口图。 BNC 连接的约定。 请按此下载此表格。

图 2:分线盒开关参考。 演示 正确 的 NI 2090A 开关 位置。 请点击此处查看此图的大图。
2. 利用VE2020视觉显示器和VE2020 LED目标进行视觉刺激

图 3:用于监控像素的受激发度。 用于校准 VE2020 的操作员视图的描述。从左到右,为给定的刺激监视器选择(拉伸模式ID)提供了对应于已知度值的记录像素值表,具有固定的纵横比,给定文件名,背景激励(BG)和前景激励(Line)。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:像素到度校准斜率。 已知度值和测量像素值的单目校准曲线。 请点击此处查看此图的大图。
3. 发光二极管校准

图 5:计算的旋转度数。 计算扫视眼球运动和会聚运动的角位移的方法,已知距离目标 (X) 和瞳孔间距离 (IPD)。 请点击此处查看此图的大图。
4. 软件编程
5. DC 文件
表 2:DC 文件配置。 下表概述了 DC 文本文件格式。 请按此下载此表格。
6. LED输入文件定义和激励库存储

图 6:刺激库。 利用文本编辑软件,显示用于识别端口通信、波特率、数据大小和奇偶校验的格式,以及激励文件库 (.vei),为 VE2020 提供了成功运行所需的激励文件名。 请点击此处查看此图的大图。
7. 实验方案的脚本创建
表 3:VE2020 函数语法。 VE2020 具有特定的语法,如调用嵌入式函数和注释的表中所示。 请按此下载此表格。
8. 参与者准备和实验启动
9. VNEL 眼动分析程序

图 7:单目校准和相关斜率。 从电压值到旋转度数的眼动数据校准示例。 请点击此处查看此图的大图。

图 8:眼动软件分类。 受刺激眼动反应的分类。 请点击此处查看此图的大图。

图 9:眼动响应软件分析。 由 4° 对称阶跃变化刺激的绘图收敛响应示例(右),单个眼动响应指标以表格形式显示(左),组级统计数据以表格形式显示在响应指标下方。 请点击此处查看此图的大图。
10. 调节运动分析程序

图 10:AMAP 软件前端。 该图显示了 AMAP 的主用户界面,突出显示了用于数据的图形表示(图形选项)和数据分析(指标修改)的部分。 请点击此处查看此图的大图。
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VE2020诱发的受刺激眼球运动的组级集合图如图 11 所示,具有相应的一阶速度特征。

图 11:眼动反应集合。 显示了使用 VE2020 刺激的会聚台阶(左)和扫视(右)的集合图。每个眼动位置轨迹(度)都绘制为一条唯一颜色的线,并以红色覆盖组级速度响应。 请点击此处查看此图的大图。
从 AMAP 导出的特征可以在可访问的电子表格中可视化...
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该方法在研究中的应用
最初的 VisualEyes2020 (VE2020) 软件的创新包括 VE2020 的可扩展性,可以通过一个或多个视觉刺激投影到多个显示器上,从而可以研究科学问题,从会聚18 的 Maddox 成分的量化到分散注意力的目标对指示目标的影响19.单倍镜系统扩展到VE2020以及VEMAP和AMAP的互补开发提供了一个独立的刺激和分析平台,与目前可用的眼动和住宿记录设备兼容。在成功创建VE2020刺激程序和随后的记录之后,将原始眼动位置和调节数据转换为有意义且可分析的数据子集,使研究人员能够使用必要的非侵入性工具全面研究普遍和潜在的视力功能障碍,例如通常发生或轻度创伤性脑损伤引起的功能障碍和收敛不足, 可以与双眼正常对照参与者的功能进行比较1,2,13,20
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作者没有利益冲突需要声明。
这项研究得到了美国国立卫生研究院对TLA的R01EY023261拨款以及向SNF提供的Barry Goldwater奖学金和NJIT教务长博士奖的支持。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 模拟端子分线盒 | National Instruments | 2090A | |
| 凸球试验镜头组 | Reichert | 便携式精密镜头 | 用于自动验光仪校准 |
| 显卡 | - | - | SLI 配置中 GTX980 的最低性能要求 |
| ISCAN 眼动仪 | ISCAN | ETL200 | |
| MATLAB | MathWorks | v2022a | AMAP 软件要求 |
| MATLAB | MathWorks | v2015a | VEMAP 软件要求 |
| Microsoft Windows 10 | Microsoft | Windows 10 | VE2020 |
| Plusoptix PowerRef3 Autorefractor | Plusoptix | PowerRef3 | |
| 刺激显示器(数量:4+) | 戴尔 | 分辨率 1920x1080 | 请注意,所有显示器都应为相同的型号和品牌,以避免分辨率差异和物理配置 |
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