In diesem Artikel werden die Protokolle und klinischen Validierungsdaten für die Verwendung einer Smartphone-App zur subjektiven Messung des Brechungsfehlers vorgestellt.
Methodenartikel
In diesem Artikel werden die Protokolle und klinischen Validierungsdaten für die Verwendung einer Smartphone-App zur subjektiven Messung des Brechungsfehlers vorgestellt.
Um den Zugang zur Sehversorgung zu verbessern und ein massenhaftes Sehscreening zu ermöglichen, wurde eine Smartphone-App zur Messung von Brechungsfehlern entwickelt. Ohne dass ein externer Anschluss erforderlich ist, kann die App, die auf einem eigenständigen Telefon läuft, von Laien verwendet werden, um die subjektive Brechung zu messen. Seine Gültigkeit wurde in klinischen Umgebungen und unterversorgten Gemeinden pilotiert. Die App schätzt den Brechungsfehler, indem sie die Entfernungen von entfernten Punkten misst, um visuelle Reize zu erkennen. Die sphärische äquivalente Brechung und der Astigmatismus können mit den Buchstaben Tumbling E bzw. Gittermustern gemessen werden. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Messprotokolle für die Durchführung der subjektiven Refraktion mit der App zu beschreiben. Es werden experimentelle Ergebnisse mit 34 Probanden (30 Augen für das sphärische Äquivalent und 38 Augen für die Beurteilung des Astigmatismus) vorgestellt. Die Messung mit der App wurde mit klinischen Standardmethoden verglichen. Der durchschnittliche absolute Fehler der sphärischen äquivalenten Refraktion betrug 0,63 Dt und der durchschnittliche absolute Fehler der Astigmatismusmessung 0,28 D. Darüber hinaus wurden 22 Probanden aufgenommen, um die Messung des pupillenweiten Abstands (IPD) mit der App zu bewerten. Der durchschnittliche absolute Fehler bei der IPD-Messung mit der App lag bei 1,2 mm. Auch das Protokoll zur Messung der IPD mit der App wird beschrieben.
Der unkorrigierte Brechungsfehler (URE) ist eine der Hauptursachen für Blindheit und Sehbehinderung in der Welt und betrifft 861 bis 116 Millionen Menschen2, obwohl er mit einer Brille behandelt werden kann. Studien haben gezeigt, dass die Prävalenz von URE in abgelegenen Gebieten in erster Linie auf die geringe Anzahl von Augenärzten und das Fehlen einer angemessenen Gesundheitsinfrastruktur für die Abgabe von Brillen zurückzuführenist 3. So ist beispielsweise die Prävalenz von Sehbehinderungen aufgrund von URE bei Erwachsenen über 50 Jahren in Subsahara-Afrika 10-mal höher als in Ländern mit hohem Einkommen1.
Mit den aktuellen Fortschritten in der Branche sind die Kosten für Brillen auf nur wenige US-Dollar gesunken. Die Schulung von Augenärzten ist jedoch kostspielig und zeitaufwändig und erfordert jahrelange Schulungen4. Eine kürzlich durchgeführte Studie kam zu dem Schluss, dass niedrige Pro-Kopf-Ausgaben für Gesundheit nach wie vor eine sinnvolle Integration der augenärztlichen Versorgung in die breiteren Gesundheitssysteme einschränken, insbesondere in abgelegenen Gebieten5. Diese düsteren Realitäten weisen auf die große Notwendigkeit hin, die Diagnose von URE zugänglich zu machen.
Dank ihrer Erschwinglichkeit, Allgegenwart und Gültigkeit können Smartphone-basierte Sehscreening-Tools eine entscheidende Rolle bei den Bemühungen um Sehtests spielen 6,7,8,9,10,11,12,13. Diese innovativen Instrumente können sich auf die Augengesundheitsversorgung auswirken, indem sie eine kostengünstige und bequeme Lösung für das Screening, die Identifizierung und die Behandlung von Sehproblemen bieten, insbesondere in unterversorgten Gemeinden.
Ein Beispiel für eine solche Technologie ist die Peek Acuity-App, die auf dem Gebiet des mobilen Sehscreenings erhebliche Fortschritte gemacht hat. Diese App wurde eingesetzt, um Zehntausende von Personen in einigen Studien in Afrika zu untersuchen 14,15,16. Durch die effiziente Messung der Sehschärfe hat die Peek Acuity-App Gesundheitsdienstleister in die Lage versetzt, mehr Menschen zu erreichen, was sie zu einem nützlichen Instrument zur Behandlung von Sehbehinderungen macht. Neben der Sehschärfe wurden auch Smartphone-basierte Technologien zur Messung des Brechungsfehlers vorgeschlagen und evaluiert17,18. Salmerón-Campillo et al. verwendeten einen Smartphone-Bildschirm, um blaue visuelle Reize in einem Badal-Optometer zur Messung der Sehschärfe und Refraktion darzustellen17. Tousignant et al. testeten den Netra Smartphone-Refraktor, der aus einem tragbaren binokularen Viewer besteht, in den ein Smartphone eingesetzt ist18. Im Vergleich zu allgemeinen Smartphone-Apps können spezielle Komponenten oder Anbauteile in diesen Systemen die Zugänglichkeit der Technologie einschränken, da die Benutzer speziell angefertigte Geräte kaufen müssen.
Um das Problem der Zugänglichkeit von Massen-URE-Screenings zu lösen, haben wir eine Smartphone-basierte Refraktions-App entwickelt (Abbildung 1), die Computer Vision und psychophysische Methoden zur Messung des Brechungsfehlers einsetzt19. Die App misst die subjektive Refraktion, indem sie bei myopen Patienten die Fernpunkte für gegebene Reize (taumelndes E für sphärisches Äquivalent und Gitter für Astigmatismus) findet. Ein wesentliches Merkmal der App ist, dass kein speziell angefertigter Aufsatz benötigt wird. Die gesamte Verarbeitung, die für die Durchführung einer Messung erforderlich ist, erfolgt auf dem Gerät innerhalb der App, und es ist kein Cloud-Computing beteiligt. So kann die Refraktion gemessen werden, ohne dass die App mit dem Netzwerk verbunden werden muss. Mit minimalem Schulungsaufwand können Laien mit der App die Refraktion von Patienten messen, wenn ihre Smartphones kompatibel sind. Die Genauigkeit der App wurde zuvor anhand klinischer Standardtestmethodenbewertet 8. Die App kann zwar nicht direkt für die Verschreibung von Brillen verwendet werden, hat aber das Potenzial, beim Myopie-Screening eingesetzt zu werden. Kürzlich wurde es erfolgreich bei einem Sehscreening bei Schülern in einer ländlichen Gegend eingesetzt9. In diesem Artikel werden die Protokolle für die Verwendung der App zur Messung der subjektiven Brechung vorgestellt.
Die Studie wurde in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Deklaration von Helsinki an der Mass Eye and Ear Infirmary (Boston, MA) durchgeführt. Von allen Teilnehmern wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. Die Studie wurde von den lokalen institutionellen Prüfungsausschüssen von Mass Eye and Ear (Boston, MA) genehmigt. Die Einschlusskriterien der Probanden waren die Diagnose von Kurzsichtigkeit und keine anderen Augenerkrankungen wie Katarakte und Netzhauterkrankungen, so ein Optometristen.
1. Messung des sphärischen Äquivalents
2. Messung des Astigmatismus
3. Messung des pupillenweiten Abstands (IPD)
Für diese Studie ist die Schnittstelle des Refraktionstests in Abbildung 2 dargestellt. Abhängig von den ausgewählten Reizen führt die App einen sphärischen Äquivalent- oder Vollrefraktionstest durch. Wenn Tumbling E ausgewählt ist, misst die App das sphärische Äquivalent (Abbildung 2). Wenn die Gitterstimuli Astigma 1 oder 2 ausgewählt sind, misst die App den Brechungsfehler, einschließlich des Astigmatismus (Abbildung 3).
Um die Wirksamkeit der App zu demonstrieren, wurden 66 Probanden (25 Frauen) in 3 Gruppen aufgeteilt und nahmen an sphärischen Äquivalent-, Astigmatismus- bzw. IPD-Tests teil. Die Altersspanne der Probanden reichte von 8 Jahren bis 74 Jahren (mittlere ± SD: 33,7 Jahre ± 13,9 Jahre).
Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der sphärischen Äquivalentmessung aus einer Studie (30 Augen), in der die App-Messung mit der klinischen Standardmessung mit einem Autorefraktor verglichen wurde. Der höchste Brechungsfehler lag bei bis zu -8D. Die Regressionsanalyse deutet darauf hin, dass die beiden Methoden sehr konsistent waren, da die lineare Regressionssteigung fast 1 und das R-Quadrat der Regression 0,965 beträgt. Die mittlere absolute Differenz zwischen den beiden Methoden betrug 0,63 dpt und in 80 % der Fälle < 1 dpt. Das Bland-Altman-Diagramm in Abbildung 5B zeigt, dass die 95%-Grenzen der Übereinstimmung [-1,81D, 1,58D] lagen.
Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der Studie zur Astigmatismusmessung (38 Augen), in der die App-Messungen mit der standardmäßigen subjektiven Refraktionsmessung verglichen wurden. Der höchste Astigmatismus betrug -2,25 dpt und die durchschnittliche Zylinderleistung dieser Patienten betrug -0,63 dpt ± 0,59 dpt. Die Differenz (Mittelwert ± SD) zwischen den Messungen der App und des Autorefraktors betrug 0,08 D ± 0,41 D, und der Mittelwert des absoluten Fehlers betrug 0,28 D. Das Bland-Altman-Diagramm in Abbildung 6B zeigt, dass die 95%-Grenzen der Übereinstimmung [-0,89D, 0,73D] lagen. Des Weiteren wurde die Zylinderleistung der beiden Messungen auf zwei Vektoren, J0 und J45, zerlegt, bezogen auf die Zylinderachse20, die Fehler der App wurden analysiert. Der J0-Fehler (Mittelwert des Fehlers und Standardabweichung der Fehlerstreuung) betrug -0,15 dpt ± 0,56 dpt und der J45-Fehler 0,07 dpt ± 0,21 dpt.
In Abbildung 4 sind zwei IPD-Messfälle dargestellt. Das Bild auf der linken Seite zeigt einen erfolgreichen Versuch, und das Bild auf der rechten Seite zeigt einen gescheiterten Versuch, da das Fadenkreuz des linken Auges nicht mittig ist. Abbildung 7 zeigt den Fehler der IPD-Messungen mit der App (n=22) im Vergleich zu den klinischen Messungen eines Optikers mit einem IPD-Lineal. Der Bereich der IPD lag je nach Linealmessung zwischen 58 und 69 mm (mittlere ± SD: 63,6 mm ± 3,2 mm). Der Fehler der App betrug (-0,55 mm ± 1,4 mm) und der Mittelwert des absoluten Fehlers betrug 1,2 mm.

Abbildung 1: Startseite der Sehscreening-App. Benutzer können Patientenakten erstellen und den durchzuführenden Test auswählen, einschließlich Refraktion, Augenabstand und Sehschärfe (hier nicht vorgestellt). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Schnittstelle der Refraktionsmessung. Dieser Screenshot zeigt eine sphärische äquivalente Testsitzung. Der Patient bedeckt sein linkes Auge mit zwei Fingern. Die Okklusion ist minimal, da Augenbraue, Nase und Mund sichtbar sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Messung des Astigmatismus. In diesem Fall berichtete der Patient, dass die Ein-Uhr-Richtung von Astigm 1 (oberer rechter Einschub) am schärfsten war. Daher musste das Telefon beim Umschalten auf den Astigm 2-Stimulus (unterer Einschub rechts) geneigt werden, um den besten Platz in der Ein-Uhr-Richtung zu suchen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Zwei Fälle von IPD-Messung. Links: Die beiden Fadenkreuze sind gut mit den Augenzentren ausgerichtet. Die Messung kann akzeptiert werden. Rechts: Das Fadenkreuz auf dem linken Auge befindet sich anscheinend nicht in der Augenmitte. Diese Messung sollte verworfen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Auswertung der Ergebnisse der sphärischen Äquivalentmessung. In dieser Studie wurden 30 Augen mit der App und auch einem Autorefraktor vermessen. (A) Die lineare Regression zeigt, dass die beiden Messungen sehr konsistent sind (Steigung=1,02, R2=0,965). (B) Bland-Altman-Komplott. Die 95%-Grenze der Übereinstimmung lag bei [1,81,1,58]. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Auswertung der Ergebnisse der Astigmatismusmessung. (A) Boxplot des Fehlers der Astigmatismusmessung durch die App für 38 Augen. Die durchschnittliche Zylinderleistung dieser Patienten betrug -0,63 dpt ± 0,59 dpt. Das Feld stellt den Interquartilsbereich dar, und die Whisker geben den Bereich des Fehlers an. Das Kreuz zeigt den Durchschnitt des Fehlers an. Es gab zwei Ausreißer, die durch die Kreise markiert sind. (B) Bland-Altman-Komplott. Die 95%-Grenzwerte für die Übereinstimmung lagen bei [-0,89; 0,73]. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Boxplot des Fehlers der IPD-Messung durch die App für 22 Probanden. Beim Vergleich der klinischen Messungen mit einem IPD-Lineal betrug der Fehler (-0,55 mm ± 1,4 mm). Das Feld stellt den Interquartilsbereich dar, und die Whisker geben den Bereich des Fehlers an. Das Kreuz zeigt den Durchschnitt des Fehlers an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Mit der App ist es für eine Person ohne professionelle Optometrie-Ausbildung möglich, subjektive Brechungsfehlertests durchzuführen. Seine Anwendung beim Sehscreening wurde in einer kürzlich durchgeführten Augenscreening-Studie bei Schülern im schulpflichtigen Alter in einer ländlichen Gegend nachgewiesen9. Im Vergleich zu den anderen Massen-Sehscreening-Methoden, die ausschließlich auf Sehschärfetestsbasieren 21, kann diese App die Messung der Refraktion in Form von sphärischen und zylindrischen Fehlerwerten ermöglichen, die typischerweise in Kliniken verwendet werden. Da die App nach der Installation auf Smartphones einsatzbereit ist, ist diese Lösung für unterversorgte Gemeinden leicht zugänglich. Smartphones mit einer Bildschirmauflösung von mehr als 400 Pixeln pro Zoll und einer Selfie-Kameraauflösung von mehr als 1920 x 1080 Pixeln eignen sich zum Ausführen der Refraktions-App. Viele Smartphones auf dem heutigen Markt können die Spezifikationen erfüllen.
Es ist zu erwarten, dass Smartphone-basierte Refraktionsmesslösungen die von Augenärzten und speziellen Screening-Geräten (z. B. iScreen, Spot Vision Screener)22 bereitgestellten Serviceprogramme ergänzen können und sich besonders für Länder und Situationen mit geringen Ressourcen eignen. Eine Einschränkung der App besteht jedoch darin, dass sie die Weitsichtigkeit nicht mit dem hier vorgestellten Protokoll misst. Wie man Weitsichtigkeit mit der App messen oder identifizieren kann, wird derzeit untersucht. Was die Strabismus-Beurteilung betrifft, die in einigen Augenscreening-Programmen erforderlich ist, haben wir eine weitere App entwickelt und validiert, die auch in unterversorgten Gemeinden beim Sehscreening eingesetzt werden kann 10,11,12.
Obwohl die Augenverschreibung nicht auf der App-Messung basieren sollte, wenn der Zugang zu Augenärzten verfügbar ist, kann sie dennoch bei Massen-Sehtests wertvoll sein, bei denen nicht-professionelles Personal in die Belegschaft aufgenommen werden kann. Patienten, bei denen ein signifikanter Brechungsfehler festgestellt wurde, können zur weiteren Untersuchung an Augenärzte überwiesen werden.
Die Messgenauigkeit ist entscheidend, um die Falsch-Positiv-Rate von Überweisungen zu minimieren. Im Folgenden finden Sie einige Tipps für erfolgreiche Messungen. Die Messung mit der App sollte in der Regel in gut beleuchteten Umgebungen (vorzugsweise mindestens 300 Lux) durchgeführt werden. Die Smartphone-App nutzt Computer-Vision-Technologien, um Gesichtszüge zu extrahieren, auf deren Grundlage der Betrachtungsabstand geschätzt wird. Es muss sichergestellt werden, dass nur das Gesicht des Patienten im Sichtfeld der Telefonkamera erscheint. Kein anderes Gesicht, einschließlich des Gesichts des Testadministrators, sollte in der Vorschau der Selfie-Kamera erscheinen, die während des Tests auf dem Bildschirm des Telefons angezeigt wird, da die App nicht erkennen kann, welcher Patient es ist. Da sich die App bei der Schätzung des Betrachtungsabstands auf Gesichtsmerkmale stützt, ist sie für die Schätzung des Betrachtungsabstands hilfreich, wenn während des Tests so viele Gesichtsmerkmale wie möglich sichtbar sind. Es wird empfohlen, einen kleinen Okkluder oder nur zwei Finger zu verwenden, um das ungetestete Auge so zu bedecken, dass die Augenbraue, die Nase und der Mundwinkel für die Kamera sichtbar sind (Abbildung 2). Bei kurzen Betrachtungsabständen kann das Gesicht des Patienten fast die gesamte Kameraansicht einnehmen. Tester sollten das Live-Bild auf dem Bildschirm überwachen und darauf achten, die Kamera richtig auszurichten, damit in der Kameraansicht immer das gesamte Gesicht zu sehen ist.
Die IPD ist ein wesentlicher Parameter für die app-gemessene Brechung. Sie kann manuell im Patientenprofil in der App eingetragen werden, wenn sie vorher bekannt war. Andernfalls kann der IPD über die App gemessen werden. Ohne eine individualisierte IPD verwendet die App einen Standardwert, der bis zu einem gewissen Grad zu Messfehlern führen kann. Es ist zu beachten, dass eine ungenaue Konvergenz die IPD-Messung beeinträchtigen kann. Zum Beispiel kann es sein, dass ein Patient mit Brechungsfehler und Phorie die Taschenlampe nicht richtig binokular fixiert, da ein Auge abweichen kann. In solchen Fällen sollte der Patient beim IPD-Test eine Brille tragen.
Die Tester müssen verstehen, dass es sich bei dem Test um ein subjektives Maß für die Brechung handelt, was bedeutet, dass das Ergebnis auf der Wahrnehmung des Patienten basiert und nicht auf der Analyse der Augenoptik, wie sie von Autorefraktoren durchgeführt wird. Die subjektive Refraktion ist der Goldstandard für die Verschreibung einer Brille. Die Herausforderung besteht jedoch darin, den Status der besten subjektiven Wahrnehmung zu finden. Für die sphärische Äquivalentmessung basiert das Kriterium auf dem Lesen von 3 Buchstaben. Es besteht die Möglichkeit, dass Patienten einige der Buchstaben richtig erraten, obwohl sie nicht wirklich alle Buchstaben klar sehen können. Mehrere Tests können helfen, das Problem zu entschärfen.
Darüber hinaus sind Patienten mit hohem Astigmatismus (in der Regel höher als 2D) möglicherweise nicht für sphärische Äquivalenttests mit der App geeignet, da das aktuelle Protokoll mit Tumbling E-Buchstaben die Buchstabenorientierung nicht berücksichtigt. Bei Patienten mit Verdacht auf starken Astigmatismus könnte eine grobe Abschätzung gefunden werden, indem der Zeigeruhr-Stimulus (Astigm 1) gezeigt und der Patient gefragt wird, ob eine Richtung viel schärfer ist als die anderen.
Die Astigmatismusmessung ist verfahrenstechnisch anspruchsvoller als die sphärische äquivalente Messung, da die Brechung für verschiedene Achsen bestimmt werden muss. Der Schlüssel zu einer genauen Messung liegt darin, die wahren Fernpunkte für verschiedene Achsen zu lokalisieren, während auch die genaue Richtung der Achse bestimmt werden muss. Eine gute Strategie besteht darin, die Ausrichtung des Gitters zu scannen, indem Sie den Bildschirm des Telefons relativ schnell drehen, während Sie das Telefon langsam in Richtung des Patienten bewegen. Wenn Sie sich zu schnell bewegen, kann dies zu einer Überschätzung führen, da das Telefon die entfernten Punkte überfliegen kann. Einige Patienten neigen dazu, zu berichten, dass sie das Gitter deutlich sehen können, obwohl sie tatsächlich besser sehen können als sehr verschwommene Bilder. Solche voreiligen Meldungen führen zu einer Unterschätzung. Es ist hilfreich, den Patienten vor dem Test zu zeigen, wie scharfe Reize aussehen, damit sie während des Tests konsistent berichten können. Wenn Sie nicht verstehen, wie die Wahrnehmung des Stimulus richtig berichtet wird, kann dies zu erheblichen Fehlern führen, wie z. B. die in Abbildung 6A gezeigten Ausreißer. Die beiden Ausreißer stammten von einem Probanden, der Punkt 1 zu früh meldete (die getrennten Linien des Gitters nicht wirklich klar sah), als sein rechtes Auge getestet wurde. Er meldete auch Punkt 2 zu spät (er hatte den klaren Punkt bereits überschritten), als sein linkes Auge getestet wurde. So führten die fehlerhaften Fernpunktberichte zu großen Fehlern.
Gang Luo hat ein Patent im Zusammenhang mit der Refraktionsmessung. Gang Luo und Shrinivas Pundlik sind zwei der Mitbegründer von EyeNexo LLC, einem Startup-Unternehmen, das Smartphone-Apps für Sehtests entwickelt. Kein finanzieller Interessenkonflikt für die anderen Autoren.
Die App für Refraktionstests wurde zum Teil mit Unterstützung des NIH Grant EY034345 und des Harvard Catalyst Award (National Center for Advancing Translational Sciences, NIH Award UL1 TR002541) entwickelt. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und gibt nicht unbedingt die offizielle Meinung von Harvard Catalyst, der Harvard University und den ihr angeschlossenen akademischen Gesundheitszentren oder den NIH wieder.
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