成人向けの定量的双眼鏡視力検査の一連中:検査プロトコル

サマリー

ここでは、両眼視を評価するための包括的な課題を紹介します。課題には末梢立体視力や深部運動が含まれ、これらは現在の臨床検査では評価されていません。これらの課題を取り入れることで、個人の双眼視力を深く評価することができます。

要約

感覚融合と立体視は、両眼の奥行き知覚において重要な要素です。現在の臨床試験では感覚融合の定量的測定は提供できず、立体視の限られた側面しか評価していません。さらに重要なのは、標準的な臨床検査で両眼融合が認められない患者でも、両眼の統合や両眼の差や運動の手がかりから深さを認識できることであり、現在の検査では両眼性のすべての側面を検証するには不十分であることを示唆しています。ここでは、両眼視の包括的な評価を提供するために8つのテストを紹介します。これらのテストは、両眼処理の異なる要素を対象に、既存の評価を洗練・拡張することを目的としています。具体的には、文字眼優位とプレード運動統合は感覚融合の定量的測定を提供します。周辺視野における両眼統合は、細かいおよび粗末端の立体視検査、動的局所立体視、運動視差を用いて評価されます。動きの深さは動的局所立体視、プルフリーヒ課題、運動視差によって評価されます。追加のダ・ヴィンチ立体視検査は、両眼間の閉塞差を測定することで両眼統合の質的洞察を提供します。正常視力の参加者からは模範的な結果が示されます。現在のプロトコルは、特定のニーズに対応し、より広範な集団でのアプリケーションを支援するために修正を加えることができます。

概要

双眼視は三つの階層的なプロセスを通じて正確な奥行き知覚を可能にします。最初のステップは同時知覚で、観察者は両目から情報を知覚します。その後、両目が合わせられ空間的に相関した画像を受け取ると、運動と感覚の融合が起こります。立体視は感覚融合の最高レベルであり、両眼差の処理に依存します^1,2。同時知覚と運動融合を評価するための臨床検査が多数用意されており、例えばシノトフォア、プリズムを用いた融合収斂、Worth 4-Dot(W4D)テスト^3,4,5などがあります。しかし、中心視野外での感覚融合や立体視の定量的評価は限られています。このテストバッテリーの目的は、現在評価されていない両眼処理の側面を評価することです。

感覚融合はW4D検査やバゴリニ条紋レンズ^3,4,5などのツールを用いて臨床的に評価されます。これらの方法は、患者が両眼融合を達成するか、片目からの入力を抑制するかを効果的に判断します。しかし、彼らは質的であり、感覚融合能力の異なる患者を区別することができません。ここで提案された一連の検査は、文字眼優位テストとplaid^{運動積分7,8,9に基づく感覚}融合および眼間抑制の定量的な指標を提供します。

立体視は、TNO、Randot、Frisbyステレ^{オテストなど}、さまざまな臨床検査で評価^{できます。}これらの機器は立体視力の定量的測定を提供しますが、いくつかの面で限界を残しています(^10,11)。まず、これらの印刷テストは離散的なステップで区切られた固定された差レベルのみを提供します。次に、立体視は中心視野内のみ評価され、視覚解像度が最も高い^12、13、14です。第三に、印刷されたフォーマットは静的な立体視のみを測定します。両眼差と動き情報の処理は神経レベル¹⁵で関連していることはよく知られています。したがって、動きの手がかりを取り入れたテストを開発することが重要です。

提案されたすべての課題は、適応的手法や一定刺激法を含む厳密な心理物理学的手法を適用することで、これらの制限に対処することを目的としています。バッテリーは8つのテスト(表1)で構成され、深度知覚の異なる要素を対象としています。これらの課題は、感覚融合、周辺視野の立体視16,17,18、そして運動の深部感知19,20,21,22の個々の閾値を正確に推定することを目的としています。

このプロトコルは最小限の機器で済み、ほとんどの部品は標準的な市販材料で簡単に交換するか、ミラーステレオスコープ用の専門ベンダーから購入できます。応答ボックスはオプションで、3Dプリント可能です。フルテストバッテリーは、より長い試験時間(約85分、説明書、模擬試験、休憩を含む)が可能な研究環境に最適です。それでも、これらの検査のサブセットは、研究者や臨床医にとって、特に臨床現場で現在試験されていない末梢立体視や深部運動領域に関する、両眼視覚の特定の側面について迅速かつ有益な洞察をもたらすことがあります(表1)。心理物理学の原理を基本に理解し、最小限のPythonプログラミングを行うことで、これらのタスクは異なる研究や臨床ニーズに合わせて調整可能です。

任務	特徴	刺激の離心率	方法論	正式試験時間(min)
文字優位	感覚融合	3.75°	2つの1上1下階段と一定刺激の方法	7
Plaid モーションインテグレーション	感覚融合	0°	3つの1分間トライアル	3
細かい末梢立体視	中枢および末梢立体視	0° & 10°	2区間強制選択;1段上り2段下り階段	20人(各場所4分)
粗末梢立体視	末梢立体視	5°	1つの疾患ごとに15件の試験	5
動的局所立体視	モーション・イン・デプス;中枢および末梢立体視	6°	2区間強制選択;1段上り2段下り階段	25分(各場所5分)
プルフリーヒ課題	時間的不均一による立体視	フルスクリーン	一定刺激の方法	12
運動視差	閉鎖;モーション・イン・デプス	4°	1段上り2段下り階段	10
ダ・ヴィンチ・ステレオスプシス	閉鎖;双眼積分	1.5°	1つの条件につき10件の試験	3
試験の総時間				85

表1:バッテリー内のタスクの概要。 バッテリーに含まれる8つの任務の説明。試験期間には練習や休憩は含まれていません。

プロトコル

この研究プロトコルはウォータールー大学研究倫理局(44843)およびマクマスター研究倫理委員会(1733)によって承認されました。すべての手続きはヘルシンキ宣言に示された原則に従って実施されました。参加前に書面によるインフォームド・コンセントが取得されました。テスト刺激に関する仕様については、 補足ファイル1をご参照ください。

1. 機器の準備

1. 図1に示すように鏡像ステレオスコープを設置します。
2. モニターを99.5cmの距離に配置してください。
   注:視聴距離は3つの要素の合計です:モニターから大きな鏡の一つまでの距離、大きい鏡と小さい鏡の距離、そして小さな鏡の一つからあごの付け根までの距離です。この距離では、モニター上の各ピクセルがサブテンディングされていました。
   
3. 個々のハードウェア、関心のある特性、望ましいピクセルサイズに応じて視聴距離を変更します。
4. モニターの輝度、赤、緑、青のガンマキャリブレーションを別々に行ってください。
5. 画面の幅をセンチメートルで測ってください。
6. Open PsychoPy Coder。モニターのキャリブレーションと設定のために上部の モニター アイコンをクリックしてください。
7. ポップアップの PsychoPy Monitor Center ウィンドウで「 新設 」をクリックして新しいモニターを作成します。正しい視聴距離、画面サイズ(ピクセル単位)、画面幅、最小・最大輝度、そしてグレースケール、赤・緑・青のガンマ値を入力します。 「保存」をクリックします。

図1:実験装置。 モニター、ミラーステレオスコープ、あごレスト、レスポンスボックス、キーボード、マウス、参加者用の数字パッドを備えた実験的なセットアップ。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

2. 実験開始

注: このステップでは、模擬試験や正式な試験の実施に関する一般的な指示を提供します。各タスクの具体的な指示はステップ3から10までで提供されています。

1. PsychoPy Coderで BinocularBattery.py を開いてください。
2. スクリプト内のモニター情報を変更し、使用するモニター名、リフレッシュレート、解像度などを修正します。
3. 上部の 「実験を実行する 」ボタンをクリックしてください。
4. 参加者に鏡のステレオスコープを通して見るよう指示します。
   1. 参加者に、縦線と横線からなる十字架が中央に見えるかどうか尋ねてみてください。もしそうでなければ、参加者に縦線を左に動かすのに右に動く必要があるか尋ねてみてください。
   2. 左右矢印キーを使って縦線をその方向に動かし、参加者が水平線の中央に縦線が見えるまで動かします。続けるために Enter キーを押してください。
5. プログラム内で参加者IDを割り当てて入力します。メインメニュー画面で、数字キーを使って各タスクを選択します。
   1. まずは模擬試験を実施しましょう。
      1. 各タスクの指示は、以下のステップ3から10に従って提供します。
      2. 模擬試験を完了し、結果を評価してください。
         注:一部の課題では正確さのスコアリングが提供されません(例:文字眼優位、プライドモーションインテグレーション、パルフリッヒなど)。これらのタスクのパフォーマンス解釈については、代表結果のセクションを参照してください。
      3. 練習結果が80%未満(正確さに基づく実践の場合)や予想外(正確さスコアなしの課題)の場合は 、Enter を押してテストを選択して練習を再開します。
      4. 参加者の結果が80%以上正確(正確さ重視の練習の場合)または(精度スコアなしの課題の場合)一貫性があり解釈可能な結果が最後の2回の模擬試験で行われる場合は、正式なテストを実施します。
         注意:適切な指導にもかかわらず、複数の模擬試験で80%未満の正解率や一貫性がない場合は、結果が信頼性に欠ける可能性があるため、実験者は課題を中止すべきです。
   2. 正式なテストを行いましょう。
      1. 参加者に課題を実行するよう指示します。
         注意:テスト中は、参加者に固定十字架(存在する場合は)に固定を維持するよう注意を促すことが重要です。
      2. 試験終了後、正式なテストの結果を評価します。
         注:結果が異常と判明した場合、2回目の正式な検査が行われて確認することもあります。
      3. Enterキーを押してメインメニューに戻り、再度テストを選択してください。

3. ラン文字の眼球優位

注:1つの正式なテストは、2つの1段上り1段下り階段と一定刺激法で構成されています。

1. 図2Aに示す文字優位刺激を提示します。参加者に中央の十字架を固定しつつ、その上下に示された2文字の輝度に注意を向けます。
2. 参加者に数字パッドの 8 または 5 のキーを使って、中央の十字を固定しながらどちらの文字(上または下)が明るく見えるかを示すよう指示します。

図2:文字眼優位課題と結果。 (A) テスト刺激。(B)一定刺激法を用いた模擬試験の結果。(C) 2つの階段の結果。黒と青の線は、2つの階段の各段の対比を表しています。色付きの棒は、それぞれの階段から得られた閾値を表しています。(D) 一定刺激法による心理測定関数。点は、左目に提示された文字が各コントラストで明るく感じられた試験の割合を示しています。赤い曲線は適合した心理測定曲線を表しています。点線の交点は、推定される主観的平等点(PSE)を表しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

4. プラッドの動きの統合を実行する

注意:最初のデモンストレーションを使って参加者に慣れてもらい、その後Enterキーを押して模擬試験を開始してください。

1. 図3Aに示すように動く格子刺激を提示します。画面に示された5方向のうち1方向に動くか、左右両方向同時に動く(分割)動く格子を見るよう指示します。
2. 参加者に、刺激を見ながら感じた動きの方向や動きの変化を口頭で報告してもらいます。
3. 対応する数字(ラベル表示の各方向に1〜5、分割動作の場合は0)を押し続け、参加者が異なる数字を報告するまで続けます。

図3:Plaidモーション統合タスクと結果。 (A) テスト刺激。(B) 代表的な結果。色付きバーは、左右方向が同時に見える 場合を含む、 参加者が知覚した各動き方向をラベル付けした時間の割合を表しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

5. 末梢の立体視を正常に実施する

1. 図4A、Bに示すように末梢および中枢の立体視刺激を提示します。静止タスクを使って参加者に慣れさせましょう。
   1. 参加者に、画面上のどこに示されていても十字架を固定するよう指示します。
   2. 注意:参加者の目の動きを観察し、視線が注視十字架に沿っているか確認してください。
   3. 参加者に、黒い四角が白いフレームの後ろに現れるのか前方に現れるのか、それとも同じ平面上に現れるのかを尋ねます。
   4. 黒い四角に奥行きがある場合は 1 を、そうでなければ 2 を押してください。
2. 通常の課題を使って、2間隔の強制選択課題の練習をしてください。
   1. 刺激が2回点滅し、深度がどちらか一方の閃光に現れることを参加者に伝えます。
   2. 参加者に、どちらの閃光で深度を見たか報告するよう指示します。
   3. 参加者の選択に応じて 1 または 2 を押してください。
3. 通常の慣習と同じ指示で正式なテストを行いましょう。

図4:細かい末梢立体視の課題と結果。 (A) 周辺課題のための刺激をテストする。(B) 中心課題のための刺激をテストする。(C) 代表的な結果。赤い曲線と青の曲線は、それぞれの位置(離心率0°および10°)における交差および交差していない階段データを表しています。各グラフの右側にある色付きバーは、それぞれの階段から得られた閾値を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

6. 粗末梢立体検査を行う

注意:トライアルを開始するにはスペースバーを押してください。

1. 図5Aに示す粗い立体視刺激を提示します。参加者に十字架に集中し続けるよう指示します。
2. 星が消えた後、参加者に次の質問をしてください:奥行きを見ましたか?」「もし見れば」「星は月の後ろに現れましたか、それとも前に現れましたか?」「何個の星が提示されましたか?」
3. 上下矢印キーで回答を選択し、左右キーで質問間を移動してください。

図5:粗末梢立体視の課題と結果。 (A) テスト刺激。(B) 代表的な結果。赤、青、緑はそれぞれ交配済み、交配なし、捕獲試験のデータを表しています。左のバーは、深度が報告された試験の割合を示しています。中央の棒は、深度が報告された試験から正しい深度方向応答の割合を表しています。右のバーは、2つの星が報告された試験の割合を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

7. 動的局所立体視を実行する

注:このテストには、読者が課題に慣れるためのステップバイステップの指導を提供するために設計された4つの模擬試験が含まれています。

1. 図6A、Bに示される動的立体視刺激とタスクインターフェースを提示します。まずは練習タスク1(単一場所、単一インターバル)を走ることから始めましょう。
   1. 参加者に中心を見つめながら、指定された目標の位置に注意を払うよう指示します。
      注意:参加者が刺激を理解しやすくするために、練習中のみターゲット位置を直接見ることができます。
   2. 参加者に、正方形が自分たちに近づいたのか遠くなったのかを尋ねます。
   3. 参加者が深く動きを見た場合は1、そうでなければ2を押してください。
      注意:水平方向の動きは深さの動きにはカウントされません。
   4. 周辺視野が中心よりも良い場合は、周辺視野を使って目標部位を見るよう勧めます。
   5. 参加者が動きを深く見ることができれば、次の練習課題に進みます。
2. 練習タスク2(単一場所、2インターバルの強制選択)を実行してください。
   1. 刺激が今度は2回点滅することを参加者に伝えます。
   2. 参加者に、指定された位置でどちらのフラッシュに深い動きが含まれているかを尋ねます。
   3. 参加者の選択に応じて 1 または 2 を押してください。
   4. 参加者が確実に動きの深さを見ることができない場合は、再度指示し、目標の位置を直接見るようにしてください。
   5. 参加者が動きを深く見ることができれば、次の練習課題に進みます。
3. 練習タスク3(2か所、2インターバルの強制選択)を実行してください。
   1. タスク2と同じ指示を提供しますが、ターゲットは2つの場所のいずれかにいる可能性があります。
4. 練習タスク4(フルプラクティス)を実行してください。
   1. タスク3と同じ指示を提供しますが、ターゲットは4つの周辺位置のいずれかにいる可能性があります。
5. 準備ができたら、 Dynamic Periphery と Dynamic Center を正式にテストしてください。

図6:動的局所立体視課題と結果。 (A) ステップバイステップ練習用のメニュー。(B) テスト刺激策。(C) 代表的な結果。赤い曲線と青い曲線は、それぞれ網膜位置(0°および5°離心率)における交差および交差していない差の階段データを示しています。各グラフの右側にある色付きバーは、それぞれの階段から得られた閾値を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

8. プルフリッチ課題を実行する

注意:画面の半分の輝度は中性密度(ND)フィルターを模倣するために(図7A)に下げられています。

1. 図7Aに示されたようにプルフリッチ課題刺激を提示します。参加者が奥行きが見えるかどうか、また月が星の前か後方で動いているかを確認しましょう。
2. 参加者に画面下部の静止した月を前後に動かし、動く月と同じ深さに見えるまで動かすよう求めます。
3. 任意:参加者に反応欄を使って知覚した量と深さを示してもらう(図7B)。
   1. 回答ボックスを参加者に向け、目から約40cm離れた位置に提示します。
   2. 参加者に、ボックスの両側でスライダーを動かし、ボックス内の月がコンピューター画面の動く月と同じ深さになるまで動かすよう求めます。
   3. スライダーの読み取り値をコンピュータ画面に入力してください。 + を押して次に進みます。

注:物理的応答ボックスは補足ファイル2に記載されています。

図7:プルフリッチの課題と結果。 (A) テスト刺激。すべての月は動いていますが、下の月だけは動いています。(B) レスポンスボックスの内部の写真で、天井に取り付けられた星とレール上の月が映っています。(C) 格差マッチング課題の結果。中央値は黒い点とオレンジの線で示されます。ボックスプロットは範囲(最小値と最大値)および四分位数間を表します。フィルター強さあたり3回の試験のみが行われているため、中央値と極値は各条件のすべてのデータを反映しています。青い線は、すべてのフィルター強さにわたる中央値データを用いた線形回帰を示しています。(D) 物理的な深度照合課題の結果。中央値は黒い点とオレンジの線で示されます。ボックスプロットは範囲(最小値と最大値)および四分位数間を表します。フィルター強さあたり3回の試験のみが行われているため、中央値と極値は各条件のすべてのデータを反映しています。青い線は、すべてのフィルター強さにわたる中央値データを用いた線形回帰を示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

9. 動きの視差を走らせる

1. 図8A,Bに示されたように動き視差刺激を提示します。参加者に中央の十字架に集中するよう指示します。
2. Enterキーを押してトライアルを開始します。
3. 回転中に深みが高くなったように見える正方形を報告し、中央の十字架を固定するよう指示します。
4. そのマスに対応する数字を押してください。

図8:モーションパララックス課題と結果。 (A)「視差」課題のための刺激テスト。(B)「視差+不均衡」課題の刺激をテストする。この例の左下の四角(数字「4」)には両眼差の手がかりが含まれていることに注意してください。(C)「視差」課題からの代表的な結果。赤線と青線は2つの階段からの生データを表しています。色付きの棒は、それぞれの階段から得られた閾値を表しています。(D)「視差+不均衡」課題からの代表的な結果。赤線と青線は2つの階段からの生データを表しています。色付きの棒は、それぞれの階段から得られた閾値を表しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

10. ラン・ダ・ヴィンチの立体視

1. 図9Aに示された二重刺激配置を示します。参加者に、大きな箱に対して2本のバーの深さを比較し、ボックスの前に見えるバーを報告するよう指示します。
2. 8または5を押して上または下のバーに、すべて同じ平面に表示する場合はエンターキーを押してください。
3. 練習中に、参加者がキャッチトライアルの深さを感じたら、課題を理解できるように再度指示してください。

図9:ダ・ヴィンチ立体視課題と結果 (A) 2組の二重刺激を示すテスト刺激の図。(B) 融合後の知覚的結果。目を交差させることで左と中央の刺激を融合させることで(a)に示された錯覚が生まれ、中央と右の刺激が融合すると(b)に示された錯覚が生じます。各試行では、刺激ペアは1組のみ表示されることに注意してください。(C) 代表的な結果。青、赤、灰色のバーは、参加者が正しい深さ、誤った深さ、または深さなしを報告した試験の割合を示します。この例のすべての回答は正しかったことに注意してください。したがって、赤いバーは表示されません。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

結果

代表的なデータは、正常視力を持つ20歳の参加者から収集されました(視力0.0 logMAR、両目でlogMAR、立体視力40角秒)。

文字優位
2つの階段と一定刺激法(図2C,D)の結果は、この参加者の右目の優位性がやや強いことを示しています。

予想結果:各階段は徐々に閾値に近づき、最後の数つの反転はその地点付近に集まる。理想的には、両方の階段が似た閾値に収束するべきです。心理測定曲線は S字型に見え、データポイントは理想的には曲線上またはその周囲に配置されるべきです。逆 S 字型は誤った応答を示している可能性が高く、明るい文字ではなく暗い文字を報告します。正常な視力を持つ参加者の場合、階段の閾値とPSEは通常0.5付近です。さらに、PSEはテストされたコントラ...

ディスカッション

この新しい一連の検査は、同時に知覚と融合から立体視の異なるメカニズムに至るまで、両眼視覚の複数の側面を評価するために開発されました。プロトコル全体は少なくとも85分かかり、奥行き知覚の包括的な評価を提供します。検査は、研究や臨床的ニーズに応じて個別または組み合わせで実施されることがあります。フルテストバッテリーは、より長い試験期間が可能な研究環境に最適です。それでも、これらの検査のサブセットは、両眼視覚の特定の側面について迅速かつ有益な洞察をもたらすことがあります(表1)。

本プロトコルは、臨床や研究現場で現在評価されていない立体視の側面を評価するための潜在的な枠組みを提供します。例えば、単眼弱視(「弱視」)の患者はしばしば抑制³⁸を経験し、臨床的に測定可能な立体視の欠如を示します。それにもかかわらず、研究では残留的な両眼相互作用が依然として起こる可能性が示唆されています^16,39

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
コード	N/A	https://git.uwaterloo.ca/hvnl/binocularbatterycodes_manuscript/-/tree/9f7ff9eb1705d50060ca46a8ac2d2d1848349368/	刺激を生成し、プロトコルを実行するために使用されるコードは、"カタログ番号"列に記載されているリポジトリで利用可能です。
コンピュータ	Alienware, Dell Inc., Texas, USA	XPS 8930	Intel Core i7-9700 CPU, 64 GB RAM
額とあごのレスト	N/A	N/A	カスタムビルド、頭部の位置と視距離を維持するために使用
ミラーステレオスコープ	N/A	N/A	カスタムビルド
モニター	LG Electronics, Seoul, Korea	LG 27UP600-W	解像度：3840 × 2160 ピクセル、画面幅：59.5 cm、リフレッシュレート：60 Hz、応答時間：5 ms、グレーの背景輝度は340 cd/m2に設定
マウスとキーボード	N/A	N/A	実験者用
数字パッド	N/A	N/A	参加者用
プログラミング環境	N/A	https://www.psychopy.org/	PsychoPy 2022.2.4（Python 3.6.6上で）、Windows 10（Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA）で動作
応答ボックス	N/A	N/A	カスタムビルド、必要な部品については補足文書の概略図をご覧ください