ジコプティック視視条件における双眼中央視野と双眼運動の評価

黄斑変性症は、一般的に中心視力に影響を与える両側の状態であり、視覚喪失のパターンは異種であり得る。中央の視覚損失は、2つの目の間で対称または非対称である可能性があります¹.現在、黄斑変性症の中心視野を評価するために利用可能ないくつかの技術があります。Amsler グリッド・グラフには、中央のビジュアル・フィールドを手動で画面選択するために使用できるグリッド・パターンが含まれています。自動化された周囲(ハンフリーの視野分析装置)は、様々な明るさとサイズの光の点滅を標準化されたガンツフェルトボウルに表示し、視野を探査します。視線不測の微小ペリメトリーは、LCDディスプレイに視覚刺激を与えます。マイクロ周長は、眼の関心領域を追跡することによってマイクロアイの動きを補正することができます。マイクロペリメーターは、中央のレティナの局所領域で機能の変化を調査できますが、一度に1つの目しかテストできません。したがって、マイクロペリメトリック試験では、各眼の異種欠陥が双眼相互作用と実世界の機能にどのような影響を与えるかを説明できません。実際の表示に近い表示条件で、視覚フィールドを確実に評価する方法が必要です。このような評価は、片眼の視野欠損が双眼視野欠損に及ぼす影響/寄与する方法を理解するために必要である。我々は、ディコプティック視視条件下で中央視覚喪失を有する人々の中心視野を評価するための新しい方法を提案する(すなわち、視覚刺激がそれぞれの眼に提示される場合)。

視覚フィールドを確実に測定するには、所定の軌跡で固定を維持する必要があります。したがって、双眼鏡評価のためにアイトラッキングと二眼性の提示を組み合わせることが重要です。しかし、これら2つの技術を組み合わせることは、アイトラッカー(例えば、赤外線LED)の照明システムと、ジコプティック提示系の光学要素(例えば、ハプロスコープの鏡または立体鏡の鏡)との間の干渉のために困難である可能性がある。代替オプションは、視線を妨げないアイトラッキング技術(例えば、強膜コイル技術)または^{ゴーグル2}と統合されたアイトラッカーを使用する。各方法には独自の利点がありますが、欠点があります。前者の方法は侵襲的であると考えられ、かなりの不快感を引き起こす可能性^{があります 3}そして後者の方法は、低い時間分解能を有しています (60 Hz)⁴.これらの問題を克服するために、ブラスキャンプ&ナバー(2017)5とQian & Brascamp(2017)6は、冷たい鏡(赤外線を透過したが、可視光の95%を反射する)とコールドミラーの両側のモニターのペアを使用して、ディコプティックプレゼンテーションを作成しました。 赤外線ビデオベースのアイトラッカーは、ハプロスコープのセットアップ^7、8で目の動きを追跡するために使用されました。

しかし、ハプロスコープ型のディコプティックプレゼンテーションを使用すると、欠点があります。器械の回転の中心(ハプロスコープ)は眼の回転の中心とは異なる。したがって、眼球運動の適切かつ正確な測定には、追加の計算(付録 – RaveendranのA (2013)⁹⁾に記載されているとおりです。さらに、宿泊施設と面の平面を整列させる必要があります(すなわち、宿泊施設と面前の需要は同じでなければなりません)。例えば、作動距離(総光学距離)が40cmの場合、宿泊施設とvergenceの需要はそれぞれ2.5ディオプターと2.5メートル角です。鏡を完全に直交に合わせると、ハプロスコープは遠くの視聴のために整列しますが(つまり、必要な面はゼロです)、必要な宿泊施設はまだ2.5Dです。したがって、一対の凸レンズ(+2.50ダイオプター)は、ハプロスコープの目と鏡の配置の間に配置して、宿泊施設の平面を無限に押し上げる必要があります(すなわち、必要な宿泊はゼロです)。この配置は、目と鏡の配置の間のより多くのスペースが必要であり、回転の中心の差に戻ります。宿泊と面の平面を整列させる問題は、両方の平面が整列するようにハプロスコープを近視に合わせることで最小限に抑えることができます。しかし、これには、すべての参加者の瞳孔間距離の測定と、対応するハプロスコープミラー/刺激提示モニターのアライメントが必要です。

本稿では、無線3Dシャッターグラスと3D対応モニターを用いて、赤外線ビデオベースのアイトラッキングと二眼性刺激の提示を組み合わせる方法を紹介する。この方法では、ハプロスコピック法で使用されるような追加の計算や仮定は必要ありません。シャッターグラスは、両眼融合^10、サッカディック適応^11、および目と手の協調¹²を理解するためのアイトラッカーと組み合わせて使用されてきた。しかし、Maielloらの同僚^10、11、12が使用するステレオシャッターメガネは、モニターのリフレッシュレートと同期するためにワイヤーを介して接続された第1世代のシャッターグラスであったことに留意すべきです。また、第一世代のシャッターグラスは現在、商業的に利用できません。ここでは、市販の第二世代ワイヤレスシャッターグラス(材料表)を用いて、二眼性刺激を提示し、単眼および双眼球の眼球運動を確実に測定する方法を示す。さらに、中央視野喪失を有する被験者における単眼/双眼視野を評価する方法を示す。視覚刺激の二眼性の提示は視覚視野の単眼および双眼鏡の査定を可能にするが、ジコプティックの視野の下での双眼追跡は、視線制御パラダイムでの視野試験を容易にする。

以下に記載されているすべての手順とプロトコルは、ウィチタ州立大学、ウィチタ、カンザス州の機関審査委員会によって見直され、承認されました。インフォームド・コンセントは参加者全員から得られました。

1. 参加者の選択

1. 黄斑変性症(加齢/若年)による正常視力(n=5、4女性、平均SE±:39.8±2.6年)、中心視力低下(n=15、11人の女性、78.3±2.3年)を募集しました。2つのグループの大きく異なる年齢は、中心視力低下を有する被験者の人口統計に二次的であった(加齢黄斑変性症は高齢の被験者に影響を及ぼし、女性でより一般的である)。さらに、この研究の目的は、2つのコホートを比較しなかった。

2. 実験の準備

1. 任意の3D対応モニタと同期できるワイヤレス3Dアクティブシャッターグラス(表)を使用します。シャッターグラスをアクティブにするには、シャッターグラスの鼻橋の赤外線送信機(小さなピラミッド型のブラックボックス)と赤外線受信機(センサー)との間に干渉があってはならない。
2. 3Dモニター(1920 x 1080ピクセル、144Hz)上のすべての視覚刺激を表示します。モニターと 3D メガネがシームレスに動作するように、適切なドライバがインストールされていることを確認します。
3. このプロトコルでは、1000 Hzのサンプリングで目の動きを測定できるテーブルマウント赤外線ビデオベースのアイトラッカー(表)を使用します。アイトラッカーの赤外線照明とカメラを分離し、調整可能な高さと角度(材料表)を持つ任意の三脚を使用してしっかりと所定の位置に保持します。カメラを参加者から20~30cmの距離に置き、参加者から100cmの距離に画面を置きます。
4. 赤外線反射パッチ(表)を使用して、アイトラッカーの赤外線照明とシャッターグラスの赤外線システムとの干渉を避けます(図1、右)。
5. 市販のソフトウェア(材料の表)を使用して、シャッターグラスと3Dレディモニターを統合し、視覚刺激のジコプティックプレゼンテーションを行い、アイトラッカーを制御します。
6. 頭の動きを安定させるためには、背の高い広い顎と額の残り(材料表)を使用し、調整可能なテーブルにクランプします。あごと額の残りの広い次元はシャッターの眼鏡の付いた参加者の快適な位置を可能にする。
   注: 図1 は、3Dシャッターグラスと3D対応モニタを使用した二眼性刺激提示によるアイトラッキングの設定を示しています。赤外線反射パッチは、3Dシャッターグラスの鼻橋の赤外線センサーの下に戦略的に配置されました(図1、右)。
7. 3D対応モニタでライトブーストオプションを無効にすることで、輝度情報の漏れを最小限に抑えます。一方の眼から他方の眼への輝度情報の漏出は、輝度漏れまたはクロストーク¹³と呼ばれる。これは、高輝度条件で立体表示で発生する傾向があります。
8. シャッターのため、瞳孔に到達する赤外線照明(アイトラッキングシステムからの)の量は、平均して¹³ を大幅に減少させることができるが、約65%の輝度が減少した(補足表1)。これを解決するには、デフォルトのパワー設定から、アイトラッカーの赤外線LEDの強度を100%または(最大設定)に増やします。赤外線ビデオベースのアイトラッカー(材料表)を使用する場合、 図2に示すように、左下の画面の「照明パワー」設定でこの設定を変更します。

3. 実験の実行

注:この研究の主な実験は、二眼性刺激を用いた中央視野の双眼追跡とスクリーニングであった。中央視野スクリーニングは、市販の機器の視野試験に匹敵する(材料表)。目標の輝度(〜22cd/m^2)、背景の輝度(〜10 cd/m 2)、ターゲットのサイズ(ゴールドマンIII-4 mm^2)、視野グリッド(28点の極3グリッド、図3)、刺激持続時間(200ms)などの視覚刺激の物理的特性は、市販の楽器の視野試験と同じであった。なお、これらの輝度値は、シャッターがONのときにシャッターグラスを通して測定した(補足表1)。ここで説明した試験の目的のために、刺激の輝度は、検出閾値を得るために刺激の輝度が変化する視野試験とは異なり一定であった。言い換えれば、実験は閾値ではなく超閾値スクリーニングを採用した。したがって、スクリーニングの結果は、数値ではなく二項応答(刺激が見られるか見られないか)であった。

1. 実験前チェック
   1. 参加者がテストに到着する数分前に、アイトラッカーと(実験を実行する)の両方がオンになっていることを確認し、ホストコンピュータがアイトラッカーに接続されていることを確認します。
   2. 原則として、実験を開始する前に、ディスプレイの同期精度(プラットフォーム固有のコマンドを使用)を確認します。
2. 主な実験の実行
   注: 以下の手順はプラットフォーム固有であり、主な実験を実行するスクリプトに依存しています。実験の設計と実行に使用するコードのサンプルを含む 補足資料を参照してください。
   1. 適切なインターフェイスからメイン実験を実行するプログラムを開始します ( 補足資料 - 'ELスクリーニングBLR.m'を参照)。プログラムによってプロンプトが表示されたら、データ・フォルダーに出力データ・ファイルを固有のファイル名で保存するために必要な参加者情報 (参加者 ID、テスト距離など) を入力します。
   2. 「Enter キーを押してカメラを切り替える」などの指示が表示されたグレーの画面。Cキーを押してキャリブレーションを行い、Vを押して検証します」と画面に表示されます。この段階で、 図 2に示すように、アイトラッカーのカメラを調整して参加者の瞳孔に合わせて調整します。
3. アイトラッカーのキャリブレーションと検証
   1. アイトラッカーのキャリブレーションを開始します。参加者に、目を動かして (頭ではなく) ターゲットの中心を見てターゲットを追うように指示します。
   2. キャリブレーションが正常に完了したら、検証を開始します。キャリブレーションと同じ指示を提供します。
   3. 検証ステップの結果を読みます (通常は画面に表示されます)。「良い/公正」(アイトラッカーマニュアルで推奨)結果が得られるまで、キャリブレーションと検証を繰り返します。
4. ドリフト補正
   1. アイトラッカーのキャリブレーションと検証が完了したら、ドリフト補正を開始します。
   2. 参加者に「中央固定目標を見て、できるだけ目を安定させる」ように指示する。
      注: キャリブレーション、検証、およびドリフト補正後、アイトラッキングはメインの実験と同時に開始されます。
5. 視野スクリーニング
   1. 実験中に実行する必要があるタスクについて参加者に再指示/通知します。被験者に、テスト全体の間、両目を開いたままにしておいてください。
   2. この視野実験では、応答ボタンの「入力」ボタンを押して「見た任意の白色光」に応答しながら、中央固定ターゲットで固定を保持するように指示します(図1、材料表)。目を動かして新しい白いライトを探さないで下さるように指示します。また、短い白いライトが画面上の任意の場所に表示されることを思い出させてください。
      注意:視野スクリーニング中に、シャッターグラスの機能は、完全な知覚を形成するために融合することができる単眼的なターゲットを使用して調査することができます( 補足図2 - キャッチ試験を参照)。
   3. 実験全体を通して何度か「固定を保持する」という命令を繰り返し、固定が目的の領域内に収まるようにします。
      メモ:オーディオフィードバック(エラートーンなど)を使用して、固定の喪失を警告することができます(目が許容範囲の窓の外に移動したようなものなど)。固定が経過した場合は、クロスターゲットにのみ固定するように参加者に指示します。視覚刺激の表示は、参加者が(中央2°のような)許容範囲のウィンドウ内で固定を戻すまで一時的に停止することができます。
   4. 視野実験の最後に、見た場所と見えない場所を別々にハイライトしたテスト結果が画面に表示されます(例:図6)。
6. データ ファイルの保存
   1. すべての視野データ("として保存したと言う。マット"ファイル)と目の動きデータ(".edf"ファイルとして保存されたと言う)は、ポストホック分析のために自動的に保存されます。ただし、実験を実行しているプログラム/プラットフォームを終了する前に、ファイルが保存されていることを確認してください。

4. 分析

注:眼球運動と視野データの分析は、いくつかの方法で実行することができ、アイトラッカーの出力の実験とデータ形式を実行するために使用されるソフトウェアに依存しています。以下の手順は、セットアップとプログラムに固有のものです (「 補足資料」を参照)。

1. 眼球運動解析(ポストホック)
   注: 保存された目の動きデータ ファイル (EDF) は高度に圧縮されたバイナリ形式で、目の動きイベント、メッセージ、ボタン押下、視線位置サンプルなど、さまざまな種類のデータが含まれています。
   1. 変換プログラム (EDF2ASC) を使用して EDF を ASC-II ファイルに変換します。
   2. 「PipelineEyeMovementAnalysisERI.m」を実行して眼球運動分析を初期化し、コードに記載されている指示に従います(コードスクリプトについては 補足資料 を参照してください)。
   3. 図 4 および 図 5に示すように、水平および垂直の目の位置を抽出し、プロットするには、「EM_plots.m」を実行します。
      注:眼球運動データをさらに解析して固定安定性の計算、マイクロサッカデの検出などを行うことができます。しかし、これは現在の論文の範囲を超えています。
2. ビジュアルフィールド
   1. 視野テストのレポートを取得するには、「VF_plot.m」を実行します。
      注: 図 6に示すように、見た点/見ていない点など、視野実験に関連するすべてのデータセットが、ビジュアル フィールド マップとしてプロットされます。ポイントが見られた場合、そのポイントは「緑」で塗りつぶされた正方形としてプロットされ、それ以外の場合は赤で塗りつぶされた正方形がプロットされます。視野データの後処理分析は不要です。

2つの異なる視聴条件の間に正常な双眼視力を有する1人の観察者の代表的な双眼動跡を示す(図4)。両眼が刺激(図4A)を見たとき、そして左目が右目をアクティブなシャッターの下で見たとき(図4B)、眼球運動の連続追跡が可能であった。これらのトレースから明らかなように、提案された方法は、眼球運動測定の質に影響を与えないし、長時間実験のために眼球運動を測定することができます。次に、この方法を使用して、中心視力低下を伴う挑戦的な参加者でも眼球の動きを確実に測定できることを実証しました(図5)。この方法の重要な応用は、対象の中央視野(図6)をスクリーニングし、(補足図1)中心視力低下を伴わない。この方法は、両方の目を開いた後に見ている現実世界における中央視力喪失の影響を文書化する方法を提供する。この代表的観察者( 補足表2のS7)では、両眼優位性が認められた(すなわち、右/左目に比べて両眼でより多くの点数を見た)。中心視力喪失を有するすべての参加者の視野試験結果の予備分析(補足表2)は、双眼視の利点を示す(非支配的な眼球観察状態と比較する)。一方向のANOVAは、表示条件[F (2,28) =6.51, p=0.004]の重要な主な効果があることを明らかにしました。ポストホック(Tukey HSD)は、中心視力低下を有する参加者が非支配的な視視条件(p<0.01)と比較して双眼視状態の点数が多いが、支配的な眼球観察状態(p=0.43)ではないことを示した。

図1:アイトラッキングとディコプティックプレゼンテーションのセットアップ。
左 -(a)3D対応モニター、(b)あご/額の休息、(c&d)アイリンクのアイリンクのアイトラッカーカメラと赤外線照明源(テーブルマウント)、(e&f)3DシャッターメガネとそのIRトランスミッタと(g)応答ボタンを示す機器のセットアップ。右 -3D シャッター グラス(h)赤外線センサーを備えたノーズブリッジと(i)赤外線反射パッチは、戦略的にセンサーの下に配置され、細いワイヤーで所定の位置に保持されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:アイトラッカー設定のスクリーングラブ。
図は、赤外線照明の電源設定(左下隅)を 50%、75%、100%の間で切り替えることができることを示しています。この図は、瞳孔の適切な配置も示しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3: ビジュアル フィールド テスト グリッドの図。
極3グリッド(N = 28、直径2.3°、6.6°、直径11°の3つの同心円状のリング)を示す絵画表現) 視野試験設計。テストパラメータは市販の機器と同様でした。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:正常視力を有する被験者における双眼追跡
対照参加者の代表双眼動痕:(A)視覚刺激が両眼に眼光学的に提示されたときの左目(上)と右目(下)の水平および垂直の目の位置。そして(B)左目と右目の水平および垂直の目の位置は、視覚刺激が左目にのみ眼光学的に提示されたとき。x 軸と y 軸の各単位は、それぞれ 1 秒と 1 度を表します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:中心視力低下を有する対象における双眼追跡
黄斑変性のある参加者の代表的な双眼運動の痕跡:(A)視覚刺激が両眼に明視的に提示されたときの左目(上)と右目(下)の水平および垂直の目の位置、および(B)視覚刺激が左目にのみ光学的に提示されたときの左目と右目の水平および垂直の目の位置。x 軸と y 軸の各単位は、それぞれ 1 秒と 1 度を表します。中心視力低下を有する患者の固定眼球運動が大きいにもかかわらず( 図4と比較して)、信頼性の高いアイトラッキングが可能であった。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6:中心視力低下を伴う被験者の視野スクリーニング検査結果
中心視力低下を有する代表的な参加者における視野スクリーニング(N=28)の結果( 補足表2のS7)。両眼(左)、左目のみ(中央)、右目のみ(右)に提示された視覚刺激。固定十字は中央に示され、短い白い刺激が見られた視野の位置は緑色で塗りつぶされた正方形として示される。刺激を見なかった場所は、赤く塗りつぶされた正方形として示されています。3つの視聴条件で見られる割合は0.50(14/28、両方の目の視聴、左)でした。0.29 (8/28, LE視聴, 中央);0.14(4/28、RE表示、右)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

補足図1:対照被験者の視野スクリーニング検査結果 代表的なコントロール参加者における視野スクリーニング(N=28)の結果。両眼(上)、左目のみ(中央)、右目のみ(下)に提示された視覚刺激。固定十字は中央に示され、短い白い刺激が見られた視野の位置は緑色で塗りつぶされた正方形として示される。刺激を見なかった場所は、赤く塗りつぶされた正方形として示されています。3つの視聴条件で見られる割合は1.00(28/28、両方の目の視聴、上)でした。1.00 (28/28, LE視聴, 中央);0.93(26/28、RE表示、下部)。 こちらをダウンロードしてください。

補足図2:キャッチトライアル - シャッターグラスの機能を調査する。 キャッチ試験は、IRエミッタとステレオディスプレイとの同期と立体眼鏡の途切れない通信を確認しました。中央の画像は、同期が機能する場合に、対象物 (赤い十字と赤/緑/黄色の四角形) によって報告される認識を示しています。クロスターゲット(および個々のバー)の寸法は、視野スクリーニングに使用される固定クロスと同じであり、外側の正方形の境界線は4°許容範囲ウィンドウに対応しています。視力がひどく異なる被験者の方が見る悪い目の抑制は、主観的知覚的な報告を混乱させる可能性があることに注意してください。キャッチ試験(10回の試行)では、左目だけで見られる赤い正方形に囲まれた赤い水平バーと、右目(2°x 0.4°)だけが見た緑色の正方形に囲まれた赤い垂直バーが使用されました。単眼ターゲットは、立体モードが全体でONであり、シャッターグラスが正常に機能している場合、赤い中央十字を知覚するために融合することができます。このステップでは、2つの赤外線光源が干渉せず、シャッターグラスが3D対応のモニタと同期していることを確認しました。 こちらをダウンロードしてください。

補足表1:背景と刺激の輝度。 グレー背景の輝度と白色刺激は、被写体の目の高さでシャッターグラスの有無を測定した。シャッターグラスは輝度を約65%低減します。設定された輝度とコントラストの視覚刺激を提示する際の透過損失を考慮することが重要です。なお、アイトラッカーの赤外線照明パワー(テストでは常に100%に設定)は、これらの測定には何の役割も持たないことに注意してください。 こちらの表をダウンロードしてください。

補足表 2: 中央フィールド損失参加者における視野テストの概要 支配的な目、非支配的な目、および双眼の観察条件における中心視力喪失を有する参加者による視野のパフォーマンス。略語: DE – 支配的な目;NDE – 非支配的な目;BE - 両目。DEの双眼鏡比は、BEとDEの表示条件の間に見られたポイントの割合の比率を求めることによって計算した。同様に、NDEに対する双眼鏡比も計算した。>1 の比率は、双眼の利点を示唆しています (つまり、両眼表示条件下でのパフォーマンスが向上します)。全体として、NDE表示条件と比較して、BE表示条件ではポイント数が多かった。 こちらの表をダウンロードしてください。

補足材料。これらの資料をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

著者らは開示するものは何もない。ここで発表された研究の一部は、米国検眼学アカデミー2019の年次総会で「黄斑変性症における双眼中央視覚機能」と題する要約として提示された。