Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

En automatiseret metode til vurdering af synsstyrken hos spædbørn og småbørn ved hjælp af et øjensporingssystem

Published: March 17, 2023 doi: 10.3791/65274
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1
1Department of Pediatric Ophthalmology, Peking University First Hospital, Peking University Children Vison Institute, Peking University, 2School of Intelligence Science and Technology, Peking University, 3School of Psychological and Cognitive Sciences and Beijing Key Laboratory of Behavior and Mental Health, Peking University

Summary

I dette papir præsenterer vi en ny automatiseret metode til vurdering af synsstyrke hos spædbørn og småbørn ved hjælp af et øjensporingssystem.

Abstract

Måling af synsstyrke er en vigtig visuel funktionstest at udføre i barndommen og barndommen. Imidlertid er nøjagtig måling af synsstyrke hos spædbørn vanskelig på grund af mangler i deres kommunikationsevne. Dette papir præsenterer en ny automatiseret metode til vurdering af synsskarphed hos børn (5-36 måneder gamle). Denne metode, den automatiserede skarphedskortprocedure (AACP), bruger et webcam til øjensporing og genkender automatisk børns seeradfærd. En to-valgs foretrukken test udføres, når det testede barn ser de visuelle stimuli, der vises på en digital skærm med høj opløsning. Når det testede barn ser stimuli, optages deres ansigtsbilleder af webkameraet. Disse billeder bruges af det indstillede computerprogram til at analysere deres seeradfærd. Med denne procedure måles barnets øjenbevægelsesrespons på forskellige stimuli, og deres synsstyrke vurderes uden kommunikation. Ved at sammenligne resultaterne med gitterskarphed opnået med Teller Acuity Cards (TAC'er) anses AACP-ydeevnen for at være sammenlignelig med TAC'ernes.

Introduction

Den infantile periode er en kritisk periode for visuel udvikling. Visuelle problemer, der opstår tidligt i livet, kan have en betydelig indvirkning på et barns udvikling. Det er vigtigt at kunne udføre en kvantitativ visuel vurdering hos spædbørn, som kan hjælpe med at opdage tidlige synsproblemer. Men fordi spædbørn ikke er kognitivt udviklede eller udtryksfulde nok til at genkende synsstyrkediagramsymboler, såsom bogstaver eller grafer, er det vanskeligt at måle deres synsstyrke. Den nuværende guldstandard for vurdering af spædbarns syn er skarphedskortproceduren1 baseret på den foretrukne udseende test2. Men fordi denne metode kræver, at erfarne testere bedømmer synsstyrken ved at observere barnets øjenbevægelser 3,4,5,6, er den begrænset af testernes erfaring 4,5. Derfor forbliver akuitetskortprocedurer, såsom Teller Acuity Cards (TACs)5,6, en subjektiv metode. Der er således behov for en metode, der kvantitativt kan måle synsstyrken hos spædbørn og småbørn, som kan bruges uden behov for verbal kommunikation, og som ikke begrænses af at kræve erfarne testere.

Opfindelsen og brugen af den fjernbetjente øjentracker gjorde det muligt at udvikle et automatiseret skarphedsmålesystem. I tidligere undersøgelser er eye-tracking metoder blevet brugt som et værktøj til visuel funktionsevaluering hos børn 7,8,9,10. En fjernbetjent øjentracker kan bruges til bliksporing og er en erstatning for en testers observation af et barns øjenbevægelser. ACTIVE-procedure7 og AVAT-procedure10 er fuldautomatiske synsstyrketest med en fjernbetjent øjentracker; de har givet sammenlignelige synsskarphedsresultater med Keeler Acuity Cards-testen hos raske spædbørn og småbørn. I modsætning til andre nyere undersøgelser brugte vi et webcam i stedet for en fjernbetjent øjentracker til at fange barnets blik. Vi opfandt en metode til automatisk indsamling af øjenbevægelsesdata baseret på computersyn. Proceduren kombinerede øjenbevægelsesmetoden med den foretrukne udseendeteknik til vurdering af synsfunktion hos børn.

Dette papir har til formål at præsentere en ny automatiseret metode, som kan evaluere synsstyrken hos små børn, kaldet den automatiserede skarphedskortprocedure (AACP). Denne procedure er især nyttig for spædbørn og yngre børn, der endnu ikke har erhvervet tilstrækkelige kommunikationsevner. Det centrale aspekt er, at visuelle reaktioner kan kvantificeres for at give gitterskarphed hos spædbørn og småbørn. Måling af gitterskarphed muliggør påvisning af visuelle patologier og spiller en vigtig rolle i efterfølgende medicinsk behandling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokollen beskrevet her blev godkendt af det etiske udvalg for Peking University First Hospital (PKUFH 2018-223). Procedurerne fulgte principperne i Helsingfors-erklæringen for forskning, der involverer mennesker. Undersøgelsesformatet blev beskrevet, og informeret samtykke blev indhentet fra deltagernes forældre.

1. Klargøring af apparatet

BEMÆRK: AACP-komponenterne blev opstillet i et let oplyst testrum. Gardiner blev trukket i rummet for at undgå interferens fra sollys. Et displaysystem, et registreringssystem og et analysesystem var de tre komponenter i AACP (figur 1).

  1. Opsæt et displaysystem, en 28 tommer flydende krystalskærm (62.208 cm x 34.992 cm skærm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0.162 mm / pixel, 30 Hz billedhastighed). Placer skærmen på et bord, der kan hæves. Lineariser skærmens luminans ved hjælp af en 8-bit opslagstabel. Indstil luminansen til 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 og 400 cd/m2 for henholdsvis sort, mellemgrå og hvid.
  2. Placer to sidepaneler på hver side af skærmen for at reducere distraktioner for de børn, der testes.
  3. Opsæt et optagesystem, et high-definition pro webcam med en opløsning på 1080 pixels/30 fps.
    BEMÆRK: Webkameraet registrerer billedsekvenser af testernes adfærd, hver beskåret med 1280 pixels x 720 pixels. Under automatiseret skarphedstest opnås et tidsstemplet webcambillede hver 200 ms til synkronisering.
  4. Tilslut skærmen og webcam til en computer, analysesystemet. Sørg for, at webkameraet er placeret i midten, direkte under skærmen, og kan justeres efter behov.
    BEMÆRK: Skærmen og webkameraet er enten integreret med computeren (en bærbar eller stationær pc) eller er separate enheder, der derefter tilsluttes en computer.
  5. Installer AACP-proceduresoftwaren på computeren til præsentation af stimuli og analyse af øjenbevægelser. AACP-proceduresoftwaren (China National Invention Patents, nr. 201910865074.4 og nr. 201510919621.4) består af et stimulusvisningsmodul, et visionstestmodul og et testresultatbehandlingsmodul.
  6. Indstil de visuelle stimuli som et 12 cm x 12 cm firkantet bølgegitter med forskellige periode / grad (cpd) rumlige frekvenser og et kontrastforhold på 1,00. Sørg for, at stimulus vises tilfældigt i midten af venstre eller højre del af skærmen, og at resten af skærmen viser et luminansmatchet gråt område svarende til TACII.
    BEMÆRK: Ved detekteringsafstanden på 55 cm (hvilket er i overensstemmelse med TACII) var stimuli omtrent de samme (på grund af pixelstørrelsesbegrænsninger) som dem på trykte TACII-kort (16 kort, 1/2 oktav).

2. Kalibrering af øjensporing

  1. Få informeret samtykke fra forældrene, og beskriv undersøgelsesformatet for dem.
  2. Placer barnet i en afstand af 55 cm fra skærmen. Lad barnet sidde alene på en stol eller helst på forældrenes skød. Hvis barnet sidder alene, skal du lade forælderen sidde ved siden af barnet.
  3. Juster løftebordets position, og placer det med skærmen. Arranger skærmen vinkelret på barnets øjne.
  4. Juster webkameraets position for at sikre, at barnets ansigt er synligt i optagesystemet, og for at undgå at fange andre ansigter end barnets.
  5. Før du starter proceduren, skal du informere barnet om, at de vil se skærmen. Bed forælderen om at bede barnet om at se på skærmen, når barnet ikke er opmærksomt. Ingen specifikke instruktioner er nødvendige under testen.
  6. Åbn AACP-proceduresoftwaren. Indtast barnets oplysninger i softwaren (navn, køn, alder).
  7. Klik på Start-knappen . Softwaren starter kalibreringsproceduren. Et billede i grafikudvekslingsformat (GIF) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixel) vises mod den hvide baggrund midt på skærmen (Figur 2). Billedet og baggrundsmusikken vises samtidigt. Denne stimulus præsenteres i mindst 3 s. Analysesystemet bestemmer samtidig, om barnets synsfelt er fikseret på billedet. Hvis der ikke er nogen blikdata tilgængelige inden for 1 min under denne præsentation, præsenterer skærmen et andet tegneserie GIF-billede. Når blikkoordinater registreres inden for dette område, starter testproceduren uden testerens handlinger og kører automatisk.

3. Procedure for prøvning

  1. Præsenter det oprindelige gitter. Gitterets rumlige frekvenser varierer fra 0,33-30,0 cpd i 1/2 oktavtrin. Bestem det oprindelige gitter efter barnets alder, som i TACII-testen.
  2. Præsenter det oprindelige gitter for 1.000 ms, hvilket er længden af et forsøg. Præsenter derefter en tom skærm i 200 ms. Præsenter den samme stimulus igen, efterfulgt af en tom skærm igen. Præsenter gitteret for den samme rumlige frekvens, der er indstillet tre gange.
  3. Under udførelsen af proceduren skal du lade webkameraet optage barnets ansigtsbilleder. Softwaren bruger disse billeder til at analysere deres seeradfærd. Synstestprogrammet kontrollerer øjenbevægelsesresponserne med kriterierne i tabel 1 for at afgøre, om stimulus er set (figur 3).
  4. Lad testresultatbehandlingsprogrammet præsentere den efterfølgende stimulus i henhold til protokollen vist i figur 411.
  5. Efter hver tredje prøveperiode skal du præsentere et GIF-billede (med baggrundsmusik) som en visuel belønning for at bevare barnets interesse. Hvis ingen blikdata kan bruges (f.eks. hvis barnet vendte sig om eller havde lukkede øjne) inden for 1 minut efter GIF-billedpræsentationen, skal du stoppe testen. Denne test giver intet resultat.
  6. Når du har udført trin 3.4 og 3.5, skal du analysere gitterskarphedsresultaterne for barnet, der udsendes af softwareprogrammerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

AACP blev anvendt på en gruppe børn11: 155 normalt udviklende spædbørn og småbørn (5 til 36 måneder gamle, baseret på svangerskabsalder). I en tidligere offentliggjort undersøgelse blev gitterskarphedsresultaterne opnået af AACP sammenlignet med dem, der blev opnået af TACII. Resultaterne opnået ved disse to procedurer er signifikant korrelerede (r153 = 0, 83, p < 0, 001). Kun 10,32% (16 ud af 155) af børnenes resultater adskilte sig med mere end en oktav. Blandt dem var otte børn 5-7 måneder gamle. Af disse 16 børn havde tre synsskarphedsresultater opnået af AACP, der var 1,5-2 oktaver over dem, der blev opnået ved TACII. De øvrige 13 børn havde AACP synsstyrke 1,5-2 oktaver under TACII synsstyrke.

Gitterskarpheden målt af AACP steg gradvist, efterhånden som spædbarnsalderen steg. Figur 5 viser ændringen i riststyrken målt af AACP med ændringen i alder i måneder. Fra 6 til 12 måneder steg gitterstyrken med næsten 0,5 oktaver. Fra 12 til 24 måneder steg gitterstyrken med næsten en oktav. Fra 24 til 36 måneder steg gitterstyrken med næsten 1,5 oktaver. Udviklingen i skarphedsudviklingen i denne undersøgelse stemmer overens med resultaterne af skarphed målt ved TACII i tidligere undersøgelser12. Det er også i overensstemmelse med den skarphedsudvikling, der måles af TACII i samme gruppe spædbørn11.

Figure 1
Figur 1: AACP-apparater. AACP-komponenterne og det rumlige arrangement af deres opsætning i testrummet vises. Spædbarnet sad på en forælders skød og betragtede stimuli kikkert i en afstand af 55 cm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Tegneseriestimulus i kalibreringsproceduren. Tegneseriestimulansen er et GIF-billede med baggrundsmusik. Stimulansen tiltrækker visuel opmærksomhed. Når barnets blik falder inden for billedområdet, skifter prikken fra rød til grøn, og kalibreringsproceduren udføres. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Wen et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Gitterstimulus i testproceduren. Gitterstimulus er et gitter af lodrette sort-hvide striber præsenteret på en ensartet grå baggrund. Blikpunktet for deltageren, der bevæger sig fra midten til den grønne firkant, indikerer, at deltageren har set målet, hvilket betyder et "hit". Blikpunktet for deltageren, der bevæger sig fra midten til det tomme område, indikerer, at deltageren ikke så målet, hvilket betyder en "miss". Det grønne firkantede område har en halv sidelængde baseret på afstanden fra midten af stimulus til siden af skærmen (dvs. fra midten af stimulus til venstre kant af skærmen i denne figur). Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Wen et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Den protokol, der anvendes i AACP-proceduren. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Wen et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Kassediagrammer med gitterskarphed afbildet mod alder (N = 155). Hvide kasser med røde linjer og grå kasser med sorte linjer er gitterskarphed for henholdsvis AACP og TACII11 for hver 6 måneder. Klik her for at se en større version af denne figur.

Kriterium Kontroller, at blikket:
Slå forblev i målområdet kontinuerligt i mere end 400 ms af målpræsentationen på 1.000 ms.
Frøken (1) ikke kom ind i målområdet inden for et tidsvindue på 1.000 ms.   2) forblev i målområdet mindre end 400 ms.

Tabel 1: Kriterier for at fastslå, om der er set en stimulus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Flere undersøgelser 7,8,9,10 baseret på eye-tracking-metoden har vist værdien af denne metode til evaluering af spædbørn og småbørn, der har svært ved verbal kommunikation. Antallet af deltagere i tidligere undersøgelser er dog relativt lille. Kun 30 spædbørn under 12 måneder blev testet ved ACTIVE-proceduren, som blev udviklet af Jones et al.7. AVAT-proceduren, som blev udviklet af Vrabic et al.10, testede 35 spædbørn og småbørn på samme måde. I denne undersøgelse blev en stor stikprøve på 5 til 36 måneder gamle spædbørn og småbørn (N = 155) testet ved AACP-proceduren og viste høj testbarhed og sammenlignelig synsskarphedsevaluering med TAC'er. Derudover gør brugen af et webcam i stedet for en fjernbetjent øjentracker til at følge barnets blik AACP-udstyret billigere og mere bekvemt at få adgang til.

Når spædbørn vokser op, viser de stigende interesse for de forskellige stimuli i det omgivende miljø. Derfor er det en udfordring for dem at opretholde samarbejdet under testen. Visning af tegneseriebilleder i midten af skærmen var designet til at tiltrække deres opmærksomhed, hvilket ligner ACTIVE-proceduren7. Hvert tredje forsøg, før gitterfrekvensen blev ændret, blev et tegneseriebillede præsenteret som en visuel belønning for at bevare spædbarnets opmærksomhed og tiltrække deres blik mod midten af skærmen, hvilket reducerede fejlbedømmelsen af proceduren forårsaget af spædbarnets øjenblik, der skiftede til siden. Desuden blev to vedhæftede skærmsidepaneler brugt til at reducere distraktioner for spædbørn. I standard TAC-testen i laboratorieindstillinger13 vises skarphedskort gennem en rektangulær åbning på en grå skærm, der inkluderer vedhæftede sidepaneler. Vi indstiller skærmens sidepaneler for at reducere interferensen i det omgivende miljø, men sidepanelerne kan skilles ad for at tilpasse sig andre testmiljøer.

I denne undersøgelse var digitale stimuli for AACP og trykte stimuli for TAC'er kvadratbølgeriste, som har "kanteffekter". Kantartefakter ved krydset mellem højfrekvente gitter og isoluminant baggrund giver potentielt yderligere visuelle signaler til børn, som forekommer i AACP- og TACs14-testene . Sammenlignet med papirbaserede TAC'er er digitale stimuli imidlertid mere fleksible. Gabor-modulerede stimuli vil blive brugt i fremtiden for at undgå kanteffekter. Kontrasten, størrelsen, frekvensen og andre egenskaber ved digitale stimuli er lettere at justere. Ved detektionsafstanden på 55 cm i denne undersøgelse varierede gitterets rumlige frekvenser fra 0,33 til 30,0 cpd. Hvis et barn har meget dårlig synsstyrke, såsom under 0,33 cpd, kan deres faktiske synsstyrke ikke detekteres af AACP. I yderligere undersøgelser kan forskellige frekvensområder indstilles med forskellige detektionsafstande for at være gældende for børn med mere visuelle forhold.

En anden begrænsning ved den eksisterende metode er, at varigheden af et forsøg, som er 1 s, er for kort til, at nogle yngre spædbørn kan skelne gitteret. Blandt de børn, hvis visuelle resultater afveg med mere end en oktav i AACP og TAC'erne, var halvdelen børn i alderen 5-7 måneder. I fremtidige ansøgninger kan forskellige forsøgsvarigheder indstilles til at tilpasse sig forskellige deltageres alder. På nuværende tidspunkt kan forælderen observere spædbarnets præstationer under testen. Hvis spædbarnet ikke består testen på grund af bevægelse eller træthed, kan testen gentages.

AACP er en ny øjensporingsmetode baseret på webcam-data. Det kan bruges til at evaluere gitterskarphed hos spædbørn og småbørn, og resultaterne kan sammenlignes med guldstandardens synsstyrketest. Ved kun at kræve øjenbevægelser som åbenlyse indikatorer for reaktioner kan AACP bruges til at måle synsstyrken på en fuldautomatisk måde. I fremtiden, ved at ændre typerne af visuel stimulering, kan AACP bruges til at evaluere andre visuelle informationsbehandlingsfunktioner tidligt i børns udvikling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har offentliggjort følgende: BK.Y., XQ.L., JS.C. og L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and pupil localization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. og L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (nr. 201510919621.4).

Acknowledgments

Denne undersøgelse blev støttet af Capital's Fund for Health Improvement and Research (nr. 2018-2Z-4076) og Peking University First Hospital SEED Research Funds (2019SF31).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AACP procedure software In-house In-house The AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 and No. 201510919621.4) comprises a stimulus displaying module, a vision testing module, and a testing result processing module.
Computer processor Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA  Intel CORE i7-6500U processor Analysis system
Display monitor InnoLux Co., Ltd., China InnoLux M280DGJ-L30  Display system
Webcam Logitech International S.A., Lausanne, Switzerland  Logitech C920 high-definition pro webcam Recording system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Teller, D. Y., McDonald, M. A., Preston, K., Sebris, S. L., Dobson, V. Assessment of visual acuity in infants and children: the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 28 (6), 779-789 (1986).
  2. Teller, D. Y. The forced-choice preferential looking procedure: a psychophysical technique for use with human infants. Infant Behavior and Development. 2, 135-153 (1979).
  3. Preston, K. L., McDonald, M., Sebris, S. L., Dobson, V., Teller, D. Y. Validation of the acuity card procedure for assessment of infants with ocular disorders. Ophthalmology. 94 (6), 644-653 (1987).
  4. Mohn, G., vanHof-van Duin, J., Fetter, W. P., de Groot, L., Hage, M. Acuity assessment of non-verbal infants and children: clinical experience with the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 30 (2), 232-244 (1988).
  5. Cavallini, A., et al. Visual acuity in the first two years of life in healthy term newborns: an experience with the teller acuity cards. Functional Neurology. 17 (2), 87-92 (2002).
  6. Clifford, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Are norms based on the original teller acuity cards appropriate for use with the new teller acuity cards II. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. 9 (5), 475-479 (2005).
  7. Jones, P. R., Kalwarowsky, S., Atkinson, J., Braddick, O. J., Nardini, M. Automated measurement of resolution acuity in infants using remote eye-tracking. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (12), 8102-8110 (2014).
  8. Hathibelagal, A. R., Leat, S. J., Irving, E. L., Nandakumar, K., Eizenman, M. Measuring infant visual acuity with gaze tracker monitored visual fixation. Optometry and Vision Science. 92 (7), 823-833 (2015).
  9. Barsingerhorn, A. D., Boonstra, F. N., Goossens, J. Saccade latencies during a preferential looking task and objective scoring of grating acuity in children with and without visual impairments. Acta Ophthalmologica. 97 (6), 616-625 (2019).
  10. Vrabič, N., Juroš, B., Tekavčič Pompe, M. Automated visual acuity evaluation based on preferential looking technique and controlled with remote eye tracking. Ophthalmic Research. 64 (3), 389-397 (2021).
  11. Wen, J., Yang, B., Li, X., Cui, J., Wang, L. Automated assessment of grating acuity in infants and toddlers using an eye-tracking system. Journal of Vision. 22 (12), 8 (2022).
  12. Leone, J. F., Mitchell, P., Kifley, A., Rose, K. A. Normative visual acuity in infants and preschool-aged children in Sydney. Acta Ophthalmologica. 92 (7), e521-e529 (2014).
  13. Clifford-Donaldson, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Teller Acuity Card norms with and without use of a testing stage. Journal of AAPOS. 10 (6), 547-551 (2006).
  14. Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).

Tags

Adfærd udgave 193
En automatiseret metode til vurdering af synsstyrken hos spædbørn og småbørn ved hjælp af et øjensporingssystem
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wen, J., Yang, B., Cui, J., Wang,… More

Wen, J., Yang, B., Cui, J., Wang, L., Li, X. An Automated Method for Assessing Visual Acuity in Infants and Toddlers Using an Eye-Tracking System. J. Vis. Exp. (193), e65274, doi:10.3791/65274 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter