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 可提供共轭眼动(扫视和平滑追踪)、非共轭眼动(辐辏)、调节以及这些眼动形式组合的刺激。两个分析程序整合了眼动追踪系统和调节记录系统的数据处理。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
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 可提供共轭眼动(扫视和平滑追踪)、非共轭眼动(辐辏)、调节以及这些眼动形式组合的刺激。两个分析程序整合了眼动追踪系统和调节记录系统的数据处理。
通过有目的地刺激并记录眼动,可以观察到眼动背后神经机制的基本特征。VisualEyes2020(VE2020)的开发是由于目前缺乏可定制的、不依赖传统haploscope中电机或执行器的基于软件的视觉刺激系统供研究人员使用。该新型仪器与方法采用了一种新颖的haploscope配置,结合了眼动追踪与自动验光仪系统。配套的分析软件可实现对眼动与调节反应的同步分析,为视觉研究人员和临床医生提供了一个可重复且可共享的研究工具。视觉与神经工程实验室(VNEL)开发了眼动分析程序(VEMAP),用于处理VE2020眼动追踪器所产生的记录数据;同时开发了调节运动分析程序(AMAP),用于处理相应自动验光仪系统的记录输出。VNEL主要研究三种基本刺激:调节(由模糊驱动的晶状体曲率变化)、辐辏(双眼向内会聚旋转与向外发散旋转)以及扫视(共轭性眼动)。VEMAP与AMAP采用相似的数据处理流程,在必要时也包含人工操作干预,但这些分析平台推动了客观软件套件的建立,从而最大限度减少对操作者的依赖。图形化界面及其相应算法的实用性使得操作者即使缺乏编程经验,也能开展广泛多样的视觉实验。
双眼协调运动以及对视觉刺激产生适当的调节和眼动反应是日常生活中至关重要的方面。当个体的集合性眼动反应速度降低时,通过眼动记录可量化该异常,并可能出现复视(diplopia)1,2。此外,一项Cochrane文献荟萃分析指出,患有眼动功能障碍的患者在试图维持正常双眼视觉时,常出现一系列共有的视觉症状,包括视物模糊或复视、头痛、眼部疲劳或紧张感,以及难以舒适地阅读3。快速共轭眼动(扫视)若存在缺陷,可能对视觉目标反应不足或过度,因而需要额外的连续扫视来纠正这种误差4。这些眼动反应还可能受到调节系统的影响,当晶状体对光线的聚焦不当时,会导致视物模糊5。
诸如阅读或操作电子设备等任务需要眼球运动系统与调节系统的协调配合。对于存在双眼运动功能障碍或调节功能障碍的个体而言,无法维持双眼融合(单视)和清晰视觉会降低其生活质量及整体工作效率。通过建立可重复的仪器配置和客观分析方法,对这两个系统进行独立且协同的定量记录,有助于深入理解个体对特定功能缺陷的适应特征。眼动的定量测量可为临床诊断提供更全面的依据。6 与传统方法相比,具有预测修复概率的潜力 通过 治疗干预。该仪器与数据分析套件有助于理解当前临床护理标准(如视觉训练)背后的机制,以及治疗干预对患者可能产生的长期影响。明确具有正常双眼视觉与不具正常双眼视觉个体之间的定量差异,可能为基于客观结果测量的个性化治疗策略提供新思路,并提高康复干预的有效性。
迄今为止,尚无任何一种商业化的平台能够同时刺激并定量记录眼动数据以及相应的调节位置和速度反应,且这些数据无法进一步处理为独立的(眼动和调节)数据流。针对调节和眼动的位置及速度反应的信号处理分析,分别确立了约10 Hz的最低采样频率要求。7 以及建议的扫视眼动采样率为 240 Hz 至 250 Hz8,9然而,辐辏性眼动的奈奎斯特采样率尚未确立,尽管其峰值速度比扫视眼动低约一个数量级。尽管如此,当前文献中仍存在眼动记录与自动验光仪器平台整合方面的空白。此外,对客观眼动反应与同步调节反应进行联合分析的能力尚未实现开源。因此,视觉与神经工程实验室(VNEL)通过开发VE2020系统及两套离线信号处理程序,解决了仪器同步与数据分析的需求,用于分析眼动和调节反应。VE2020具有可定制性 通过 校准程序和刺激方案,适用于从基础科学到临床的多种应用,包括针对会聚不足/过度、散开不足/过度、调节不足/过度、与脑震荡相关的双眼视觉功能障碍、斜视、弱视和眼球震颤等双眼视觉研究项目。VE2020 配合 VEMAP 和 AMAP 使用,可进一步实现对这些刺激条件下眼动及调节运动的数据分析功能。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究已获得新泽西理工学院机构审查委员会(HHS FWA 00003246,批准号:F182-13)的批准,并作为一项随机临床试验在 ClinicalTrials.gov 上注册(注册号:NCT03593031),由 NIH EY023261 项目资助。所有参与者均阅读并签署了经大学机构审查委员会批准的知情同意书。
1. 仪器设置

图1:Haploscope 控制与记录设备配置。 VE2020 显示索引示例,按顺时针方向对显示器进行排序和尺寸标注。其中,1 为控制显示器,2 为近左侧显示显示器,3 为远左侧显示显示器,6 为校准板(CalBoard),4 为远右侧显示显示器,5 为近右侧显示显示器。 请点击此处查看该图的放大版本。
表1:BNC端口映射。 BNC连接的规范。请点击此处下载该表格。

图2:分线盒开关参考图。 NI 2090A 开关正确位置的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。
2. 利用 VE2020 视觉显示器和 VE2020 LED 目标进行视觉刺激

图3:用于监测像素的刺激角度。 显示用于校准 VE2020 的操作界面视图。从左至右,针对选定的刺激显示器(拉伸模式 ID),在固定宽高比、指定文件名、背景刺激(BG)和前景刺激(Line)条件下,提供与已知角度值相对应的记录像素值表格。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:像素与角度校准斜率。 已知角度值与测量得到的像素值之间的单眼校准曲线。请点击此处查看该图的放大版本。
3. LED 校准

图5:计算得到的旋转角度。在已知目标距离(X)和瞳孔间距(IPD)的情况下,计算扫视眼动和集合眼动角位移的方法。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 软件编程
5. DC 文件
表2: DC文件配置。该表格概述了DC文本文件的格式。请点击此处下载此表格。
6. LED 输入文件定义与刺激库的存储

图6:刺激文件库。 使用文本编辑软件,按照所示格式确定端口通信、波特率、数据大小和奇偶校验,以及刺激文件库(.vei 文件),可为 VE2020 提供成功运行所需的配置信息和刺激文件名称。 请点击此处查看该图的放大版本。
7. 实验方案脚本的创建
表3: VE2020 函数语法。 VE2020 具有特定的语法,表中展示了调用内置函数和添加注释的语法示例。 请点击此处下载该表格。
8. 受试者准备与实验启动
9. VNEL 眼动分析程序(VEMAP)

图7:单眼校准与相关斜率。 将眼动数据从电压值校准为旋转角度的示例。请点击此处查看此图的放大版本。

图8:眼动软件分类。刺激诱发的眼动反应分类。请点击此处查看该图的放大版本。

图9:眼动反应软件分析。 由4°对称阶跃变化(右侧)诱发的集合反应绘图示例,左侧以表格形式展示个体眼动反应参数,反应参数下方以表格形式显示组水平统计结果。请点击此处查看该图的放大版本。
10. 调节运动分析程序(AMAP)

图10:AMAP 软件前端界面。该图展示了 AMAP 的主要用户界面,其中高亮标注了用于数据图形化展示(图形选项)和数据分析(度量修改)的功能区域。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
VE2020诱导的刺激性眼动的组水平集合图及其相应的一阶速度特征如图11所示。

图11:眼动反应集合图。 展示了使用VE2020刺激产生的辐辏步进(左侧)和扫视运动(右侧)的集合图。每条眼动位置轨迹(度)以不同颜色的线条表示,并与红色的群体水平速度反应叠加显示。请点击此处查看该图的放大版本。
AMAP 导出的特征可在一个易于访问的电子表格中...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
该方法在研究中的应用
相较于最初的 VisualEyes2020(VE2020)软件,其创新之处在于 VE2020 可扩展至多个显示器,呈现一个或多个视觉刺激,从而支持从集合的 Maddox 组分量化18到干扰性目标对指令性目标影响19等一系列科学问题的研究。将 haploscope 系统扩展至 VE2020,并结合 VEMAP 与 AMAP 的配套开发,构建了一个自成体系的刺激呈现与分析平台,可兼容当前可获取的眼动与调节记录设备。在成功创建 VE2020 刺激程序并完成后续记录后,将原始的眼动位置和调节数据转换为有意义且可分析的数据子集,使研究人员能够利用必要的无创工具,全面探究常见及潜在的视觉功能障碍,例如正常发生或轻度创伤性脑损伤引发的功能障碍以及集合不足,并可与双眼视觉正常的对照参与者功能进行比较1,2,13
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无利益冲突。
本研究由美国国立卫生研究院资助项目R01EY023261(T.L.A. 负责)以及巴里·戈德华特奖学金和新泽西理工学院教务长博士生奖(S.N.F. 获得)支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 模拟终端转接盒 | National Instruments | 2090A | |
| 凸球面试镜片组 | Reichert | Portable Precision Lenses | 用于自动验光仪校准 |
| 显卡 | - | - | 最低性能要求为SLI配置的GTX980 |
| 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所需的运行操作系统 |
| Plusoptix PowerRef3 自动验光仪 | Plusoptix | PowerRef3 | |
| 刺激显示屏幕(数量:4台及以上) | Dell | 分辨率 1920x1080 | 注意所有显示器应为相同品牌和型号,以避免分辨率及物理配置上的差异 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。