Summary
I dette papiret presenterer vi en ny automatisert metode for å vurdere synsstyrken hos spedbarn og småbarn ved hjelp av et øyesporingssystem.
Abstract
Visuell skarphetsmåling er en viktig visuell funksjonstest for å utføre i barndom og barndom. Imidlertid er nøyaktig synsskarphetsmåling hos spedbarn vanskelig på grunn av mangler i kommunikasjonsevnen. Dette papiret presenterer en ny automatisert metode for å vurdere synsstyrken hos barn (5-36 måneder gammel). Denne metoden, den automatiserte skarphetskortprosedyren (AACP), bruker et webkamera for øyesporing og gjenkjenner barns seeratferd automatisk. En to-valgs fortrinnstest utføres når det testede barnet ser på de visuelle stimuliene som vises på en høyoppløselig digital skjerm. Når det testede barnet ser på stimuliene, blir ansiktsbildene deres registrert av webkameraet. Disse bildene brukes av det angitte dataprogrammet til å analysere deres seeratferd. Med denne prosedyren måles barnets øyebevegelsesresponser på forskjellige stimuli, og deres synsstyrke vurderes uten kommunikasjon. Ved å sammenligne resultatene med gitterskarphet oppnådd av Teller Acuity Cards (TAC), anses AACP-ytelse som sammenlignbar med TAC.
Introduction
Den infantile perioden er en kritisk periode for visuell utvikling. Visuelle problemer som oppstår tidlig i livet kan ha en betydelig innvirkning på et barns utvikling. Det er viktig å kunne utføre en kvantitativ visuell vurdering hos spedbarn, noe som kan bidra til å oppdage tidlige synsproblemer. Men fordi spedbarn ikke er kognitivt utviklet eller uttrykksfulle nok til å gjenkjenne visuelle skarphetskartsymboler, for eksempel bokstaver eller grafer, er det vanskelig å måle synsstyrken. Den nåværende gullstandarden for spedbarnssynsvurdering er skarphetskortprosedyren1 basert på den foretrukne utseende testen2. Men fordi denne metoden krever erfarne testere til å bedømme synsstyrken ved å observere barnets øyebevegelser 3,4,5,6, er det begrenset av opplevelsen av testerne 4,5. Derfor forblir skarphetskortprosedyrer, for eksempel Teller Acuity Cards (TACs)5,6, en subjektiv metode. Det er derfor behov for en metode som kvantitativt kan måle synsskarphet hos spedbarn og små barn, som kan brukes uten behov for verbal kommunikasjon, og som ikke er begrenset ved å kreve erfarne testere.
Oppfinnelsen og bruken av den eksterne eye trackeren gjorde det mulig å utvikle et automatisert skarphetsmålesystem. I tidligere studier har øyesporingsmetoder blitt brukt som et verktøy for visuell funksjonsevaluering hos barn 7,8,9,10. En ekstern eye tracker kan brukes til blikksporing og er en erstatning for en testers observasjon av et barns øyebevegelser. ACTIVE prosedyre7 og AVAT prosedyre10 er helautomatiske synsskarphetstester med en ekstern øyesporing; de har gitt sammenlignbare synsskarphetsresultater til Keeler Acuity Cards-testen hos friske spedbarn og små barn. I motsetning til andre nyere studier brukte vi et webkamera i stedet for en ekstern øyesporing for å fange barnets blikk. Vi oppfant en automatisk innsamlingsmetode for øyebevegelsesdata basert på datasyn. Prosedyren kombinerte øyebevegelsesoppkjøpsmetoden med den foretrukne teknikken for å vurdere visuell funksjon hos barn.
Dette papiret tar sikte på å presentere en ny automatisert metode, som kan evaluere synsstyrken hos små barn, kalt den automatiserte skarphetskortprosedyren (AACP). Denne prosedyren er spesielt nyttig for spedbarn og yngre barn som ennå ikke har fått tilstrekkelige kommunikasjonsevner. Det viktigste aspektet er at visuelle responser kan kvantifiseres for å gi gitterskarphet hos spedbarn og små barn. Måling av gitterskarphet muliggjør påvisning av visuelle patologier og spiller en viktig rolle i etterfølgende medisinsk behandling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollen beskrevet her ble godkjent av den etiske komiteen ved Peking University First Hospital (PKUFH 2018-223). Prosedyrene fulgte prinsippene i Helsinkideklarasjonen for forskning som involverer mennesker. Studieformatet ble beskrevet, og informert samtykke ble innhentet fra foreldrene til deltakerne.
1. Forberedelse av apparatet
MERK: AACP-komponentene ble satt opp i et mildt opplyst testrom. Gardiner ble trukket i rommet for å unngå forstyrrelser fra sollys. Et displaysystem, et registreringssystem og et analysesystem var de tre komponentene i AACP (figur 1).
- Sett opp et skjermsystem, en 28-tommers skjerm med flytende krystall (62,208 cm x 34,992 cm skjerm, 3840 piksler x 2160 piksler, 0,162 mm / piksel, 30 Hz bildefrekvens). Plasser skjermen på et bord som kan heves. Lineariser skjermens lystetthet med en 8-biters oppslagstabell. Sett luminansen til 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 og 400 cd/m2 for henholdsvis svart, mellomgrå og hvit.
- Plasser to sidepaneler på hver side av skjermen for å redusere distraksjoner for barna som testes.
- Sett opp et opptakssystem, et HD-pro-webkamera med en oppløsning på 1080 piksler / 30 fps.
MERK: Webkameraet registrerer bildesekvenser av testernes oppførsel, hver beskåret med 1280 piksler x 720 piksler. Under automatisk skarphetstesting oppnås ett tidsstemplet webkamerabilde hver 200 ms for synkronisering. - Koble skjermmonitoren og webkameraet til en datamaskin, analysesystemet. Forsikre deg om at webkameraet er plassert i midten, rett under skjermen, og kan justeres etter behov.
MERK: Skjermen og webkameraet er enten integrert med datamaskinen (en bærbar eller stasjonær PC) eller er separate enheter som deretter kobles til en datamaskin. - Installer AACP-prosedyreprogramvaren på datamaskinen for presentasjon av stimuli og analyse av øyebevegelser. AACP-prosedyreprogramvaren (China National Invention Patents, nr. 201910865074.4 og nr. 201510919621.4) består av en stimulusvisningsmodul, en visjonstestmodul og en testresultatbehandlingsmodul.
- Sett visuelle stimuli som et 12 cm x 12 cm firkantbølgegitter med forskjellige periodiske / grader (cpd) romlige frekvenser og et kontrastforhold på 1,00. Kontroller at stimulansen vises tilfeldig midt på venstre eller høyre del av skjermen, og at resten av skjermen viser et grått område som samsvarer med lystettheten, som ligner på TACII.
MERK: Ved deteksjonsavstanden på 55 cm (som er i samsvar med TACII), var stimuliene omtrent de samme (på grunn av pikselstørrelsesbegrensninger) som de på trykte TACII-kort (16 kort, 1/2 oktav).
2. Kalibrering av øyesporing
- Innhent informert samtykke fra foreldrene, og beskriv studieformatet for dem.
- Plasser barnet i en avstand på 55 cm fra skjermen. La barnet sitte alene på en stol eller helst på foreldrenes fang. Hvis barnet sitter alene, la foreldrene sitte ved siden av barnet.
- Juster posisjonen til løftebordet og plasser det med skjermen. Ordne skjermen vinkelrett på barnets øyne.
- Juster plasseringen av webkameraet for å sikre at barnets ansikt er synlig i opptakssystemet og for å unngå å fange andre ansikter enn barnas.
- Før du starter prosedyren, informer barnet om at de vil se på skjermen. Be forelderen om å be barnet om å se på skjermen når barnet ikke er oppmerksomt. Ingen spesifikke instruksjoner er nødvendige under testen.
- Åpne AACP-prosedyreprogramvaren. Skriv inn barnets informasjon i programvaren (navn, kjønn, alder).
- Klikk på Start-knappen . Programvaren starter kalibreringsprosedyren. Et GIF-bilde (graphics interchange format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 piksler) vises mot den hvite bakgrunnen midt på skjermen (figur 2). Bildet og bakgrunnsmusikken vises samtidig. Denne stimulansen presenteres i minst 3 s. Analysesystemet bestemmer samtidig om barnets synslinje er fiksert på bildet. Hvis ingen blikkdata er tilgjengelige innen 1 minutt under denne presentasjonen, presenterer skjermen et annet tegneserie GIF-bilde. Når blikkkoordinater oppdages i denne regionen, starter testprosedyren uten testerens handlinger og kjører automatisk.
3. Testprosedyre
- Presenter det første gitteret. De romlige frekvensene til gitterene varierer fra 0,33-30,0 cpd i 1/2 oktavtrinn. Bestem det første gitteret etter barnets alder, som i TACI-testen.
- Presenter det første ristet i 1000 ms, som er lengden på en prøveversjon. Deretter presenterer du en tom skjerm i 200 ms. Presenter den samme stimulansen igjen, etterfulgt av en tom skjerm igjen. Presenter gitteret med samme romlige frekvens satt tre ganger.
- Under utførelsen av prosedyren, la webkameraet ta opp barnets ansiktsbilder. Programvaren bruker disse bildene til å analysere deres seeratferd. Visjonstestprogrammet sjekker øyebevegelsesresponsene med kriteriene angitt i tabell 1 for å avgjøre om stimulansen er sett (figur 3).
- La testresultatbehandlingsprogrammet presentere den påfølgende stimulansen, i henhold til protokollen vist i figur 411.
- Etter hver tredje prøveperiode, presenter et GIF-bilde (med bakgrunnsmusikk) som en visuell belønning for å opprettholde barnets interesse. Hvis ingen blikkdata er brukbare (f.eks. hvis barnet snudde seg eller hadde øynene lukket) innen 1 minutt etter GIF-bildepresentasjonen, må du stoppe testen. Denne testen gir ikke noe resultat.
- Etter å ha utført trinn 3.4 og 3.5, analyserer du resultatene av gitterskarphet for barnet som sendes ut av programmene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
AACP ble brukt på en gruppe barn11: 155 normalt utviklende spedbarn og småbarn (5 til 36 måneder, basert på svangerskapsalder). I en tidligere publisert studie ble gitterskarphetsresultatene oppnådd av AACP sammenlignet med de som ble oppnådd av TACII. Resultatene oppnådd ved disse to prosedyrene er signifikant korrelert (r153 = 0, 83, p < 0, 001). Bare 10,32% (16 av 155) av barnas resultater varierte med mer enn en oktav. Blant dem var åtte barn 5-7 måneder gamle. Av disse 16 barna hadde tre synsskarphetsresultater oppnådd av AACP som var 1,5-2 oktaver over de som ble oppnådd av TACII. De andre 13 barna hadde AACP-synsstyrke 1,5-2 oktaver under TACII synsstyrke.
Ristskarpheten målt ved AACP økte gradvis etter hvert som spedbarnsalderen økte. Figur 5 viser endringen i risteskarphet målt ved AACP med endring i alder i måneder. Fra 6 til 12 måneder økte ristskarpheten med nesten 0,5 oktaver. Fra 12 til 24 måneder økte ristens skarphet med nesten en oktav. Fra 24 til 36 måneder økte ristskarpheten med nesten 1,5 oktaver. Trenden for skarphetsutvikling i denne studien samsvarer med resultatene av skarphet målt ved TACII i tidligere studier12. Det samsvarer også med skarphetsutviklingen målt ved TACII i samme gruppe spedbarn11.
Figur 1: AACP-apparat. AACP-komponentene og det romlige arrangementet av deres oppsett i testrommet vises. Spedbarnet satt på fanget til en forelder og så på stimuli kikkerten på 55 cm avstand. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Tegneseriestimulus i kalibreringsprosedyren. Tegneseriestimulansen er et GIF-bilde med bakgrunnsmusikk. Stimulansen tiltrekker seg visuell oppmerksomhet. Når barnets blikk faller innenfor bildeområdet, endres prikken fra rød til grønn, og kalibreringsprosedyren utføres. Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Wen et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Riststimulus i testprosedyren. Gitterstimulansen er et gitter av vertikale svart-hvite striper presentert på en jevn grå bakgrunn. Blikkpunktet til deltakeren som beveger seg fra midten til det grønne torget indikerer at deltakeren har sett målet, noe som betyr et "treff". Blikkpunktet til deltakeren som beveger seg fra sentrum til det tomme området indikerer at deltakeren ikke så på målet, noe som betyr en "glipp". Det grønne firkantede området har en halvsidelengde basert på avstanden fra midten av stimulansen til siden av skjermen (dvs. fra midten av stimulansen til venstre kant av skjermen i denne figuren). Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Wen et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Protokollen som brukes i AACP-prosedyren. Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Wen et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Boksplott av ristskarphet plottet mot alder (N = 155). Hvite bokser med røde linjer og grå bokser med svarte linjer er gitterskarpheter av henholdsvis AACP og TACII11 for hver 6 måneders alder. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Kriterium | Kontroller at blikksignalet: | |||
| Slå | forble i målområdet kontinuerlig i mer enn 400 ms av målpresentasjonen på 1000 ms. | |||
| Frøken | (1) ikke kom inn i målområdet innen et tidsvindu på 1000 ms. (2) forble i målområdet mindre enn 400 ms. | |||
Tabell 1: Kriterier for å fastslå om man har sett en stimulus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Flere studier 7,8,9,10 basert på øyesporingsmetoden har vist verdien av denne metoden i evaluering av spedbarn og små barn som har problemer med verbal kommunikasjon. Antall deltakere i tidligere studier er imidlertid relativt lite. Bare 30 spedbarn under 12 måneder ble testet av ACTIVE-prosedyren, som ble utviklet av Jones et al.7. AVAT-prosedyren, som ble utviklet av Vrabic et al.10, testet 35 spedbarn og små barn på samme måte. I denne studien ble et stort utvalg av 5 til 36 måneder gamle spedbarn og småbarn (N = 155) testet med AACP-prosedyren og viste høy testbarhet og sammenlignbar synsskarphetsevaluering med TAC. I tillegg gjør bruken av et webkamera i stedet for en ekstern øyesporing for å følge barnets blikk AACP-utstyret billigere og mer praktisk å få tilgang til.
Når spedbarn vokser opp, viser de økende interesse for de ulike stimuli i omgivelsene. Derfor er det en utfordring for dem å opprettholde samarbeidet under testen. Visning av tegneseriebilder i midten av skjermen ble designet for å tiltrekke seg oppmerksomheten, noe som ligner på ACTIVE-prosedyren7. Hvert tredje forsøk, før ristfrekvensen ble endret, ble et tegneseriebilde presentert som en visuell belønning for å opprettholde spedbarnets oppmerksomhet og tiltrekke blikket mot midten av skjermen, og dermed redusere feilvurderingen av prosedyren forårsaket av spedbarnets øyeblikk som skiftet til siden. Videre ble to vedlagte skjermpaneler brukt til å redusere distraksjoner for spedbarn. I standard TAC-test i laboratorieinnstillinger13 vises skarphetskort gjennom en rektangulær åpning på en grå skjerm som inkluderer festede sidepaneler. Vi stiller inn skjermens sidepaneler for å redusere forstyrrelser i omgivelsene, men sidepanelene kan demonteres for å tilpasse seg andre testmiljøer.
I denne studien var digitale stimuli for AACP og trykte stimuli for TAC firkantbølgegitter, som har "kanteffekter". Kantartefakter ved krysset mellom høyfrekvente gitter og isoluminantbakgrunn gir potensielt ekstra visuelle signaler for barn, som forekommer i AACP- og TACs14-testene . Sammenlignet med papirbaserte TAC-er er imidlertid digitale stimuli mer fleksible. Gabor-modulerte stimuli vil bli brukt i fremtiden for å unngå kanteffekter. Kontrasten, størrelsen, frekvensen og andre egenskaper ved digitale stimuli er lettere å justere. Ved deteksjonsavstanden på 55 cm i denne studien varierte de romlige frekvensene til gitterene fra 0, 33 til 30, 0 cpd. Hvis et barn har svært dårlig synsstyrke, for eksempel under 0,33 cpd, kan deres faktiske synsstyrke ikke oppdages av AACP. I videre studier kan forskjellige frekvensområder settes med forskjellige deteksjonsavstander for å gjelde for barn med mer visuelle forhold.
En annen begrensning ved den eksisterende metoden er at varigheten av et forsøk, som er 1 s, er for kort til at noen yngre spedbarn kan skille gitteret. Blant barna hvis visuelle resultater varierte med mer enn en oktav i AACP og TAC, var halvparten barn i alderen 5-7 måneder. I fremtidige søknader kan forskjellige prøvevarigheter settes for å tilpasse seg ulike deltakeres alder. I dag kan foreldrene observere spedbarnets ytelse under testen. Hvis spedbarnet mislykkes i testen på grunn av bevegelse eller tretthet, kan testen gjentas.
AACP er en ny øyesporingsmetode basert på webkameradata. Den kan brukes til å evaluere gitterskarphet hos spedbarn og småbarn, og resultatene er sammenlignbare med gullstandardens synsskarphetstest. Ved å kreve bare øyebevegelser som åpenbare indikatorer på svar, kan AACP brukes til å måle synsstyrken på en helautomatisk måte. I fremtiden, ved å endre typer visuell stimulering, kan AACP brukes til å evaluere andre visuelle informasjonsbehandlingsfunksjoner tidlig i barns utvikling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har gjort følgende avsløringer: BK.Y., XQ.L., JS.C. og LW: China National Invention Patent "En metode og et system for ansiktsgjenkjenning og elevlokalisering i kontinuerlige videorammer" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. og L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (nr. 201510919621.4).
Acknowledgments
Denne studien ble støttet av 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).
