VisualEyes: Een modulair software systeem voor oogmotorische Experimenteren

Samenvatting

Neurale controle en cognitieve processen kunnen worden bestudeerd door middel van oogbewegingen. De VisualEyes software maakt het mogelijk een operator om stimuli op twee computerschermen zelfstandig met behulp van een eenvoudig, douane scripttaal programmeren. Het systeem kan stimuleren bewegingen tandem oog (saccades en glad achtervolging) of tegengestelde oogbewegingen (convergentie) of een combinatie.

Samenvatting

Eye movement studies hebben een sterke basis vormen van een inzicht in hoe de hersenen verwerft visuele informatie in zowel de normale en disfunctionele hersenen verstrekt. ¹ Echter, de ontwikkeling van een platform te stimuleren en bewegingen winkel oog kan aanzienlijke programmering, tijd en kosten vergen. Veel systemen niet flexibel talrijke stimuli voor diverse experimentele behoeften programmeren bieden. Echter, de VisualEyes System heeft een flexibele architectuur, waardoor de machinist om het even welke achtergrond en voorgrond stimulus, programma één of twee schermen voor tandem of tegengestelde oogbewegingen kiezen en de linker en rechter oog zelfstandig te stimuleren. Dit systeem kan een aanzienlijke vermindering van de programmering ontwikkeltijd nodig is om een ​​oculomotorische onderzoek uit te voeren. 1) het oculomotor opnameapparaat aan oogbeweging reacties verkrijgen, 2) de VisualEyes software geschreven in LabView, een reeks stimuli genereren: De VisualEyes System in drie delen besprokenen reacties winkel als tekstbestanden en 3) offline data-analyse. Oogbewegingen kan worden opgenomen door verschillende soorten instrumenten, zoals: een limbus tracking systeem, een sclera zoekspoel, of een videobeeld systeem. Typische oogbewegingen stimuli zoals saccadische stappen, vergent hellingen en vergent stappen met de bijbehorende antwoorden zullen worden getoond. In deze video rapport demonstreren we de flexibiliteit van een systeem om verschillende visuele stimuli en opnemen oogbewegingen die kunnen worden gebruikt door fundamentele wetenschappers en clinici gezonde en klinische populaties te bestuderen maken.

Protocol

Een overzicht van de belangrijkste elementen die nodig zijn om een ​​oculomotor experiment wordt getoond in figuur 1. Elk blok in het stroomschema hieronder in detail besproken.

1. INSTRUMENTATIE SET-UP:

1. Elk type oogbeweging monitor kan worden gebruikt voor dit systeem. We zullen een infrarood limbus tracking en een videobewakingssysteem te demonstreren.
2. Voor tandem volgen bewegingen zoals saccadische of glad achtervolging, kan een enkele computer worden gebruikt voor de visuele weergave. Om tegengestelde oogbewegingen zoals convergentie of de interactie van convergentie met tandem versie bewegingen (dwz vergent met saccadische stimuli) een haploscope nodig is met twee monitoren voor visuele weergave bestuderen, zie figuur 2.

2. KALIBRERING:

1. Calibratie is nodig om een ​​set van metrieken om te zetten in een andere. Oogbewegingen worden typisch aangegeven in graden (°) rotatie getoond in figuur 3. Echter, computer monitors gebruiken pixel waarden vergeleken met de visie van onderzoekers die vaak geven de visuele stimuli in graden. Daarom wordt een conversie nodig om de pixelwaarden omgezet naar graden. Men kan trigonometrie gebruiken om te berekenen waar de fysieke doelstellingen plaatsen naar de visuele displays kalibreren. Bijvoorbeeld, als de stimulus op het scherm samenvalt met een 2 ° fysieke doel (zie figuur 2) dan die pixel waarde correspondeert met een 2 ° stimulus.
2. Om het systeem te kalibreren, de operator moet Pixel2Deg.vei openen binnen de VisualEyes directory. Definieer eerst de monitor te kalibreren met behulp van het veld stretch-modus. Voer nummer 1 voor het linkeroog monitor en nummer 2 voor het rechteroog monitor. Vervolgens start het programma en zet de groene lijn stimulans tot de groene lijn is geplaatst op de top van de fysieke doel. Voer de bekende positie van de fysieke doel in graden en druk op de knop op te slaan. Klik vervolgens op de groene lijn. De mate en de pixel waarde wordt op het display in t worden getoondhij linkerbenedenhoek. De exploitant moet een minimum van drie kalibratie punten te verzamelen.
3. Na het opslaan van alle ijkpunten, opent u het D2P uitvoerbestand in de VisualEyes directory om de kalibratie punten te behalen. Zet de kalibratiepunten een lineaire regressievergelijking bereiken. Gebruik de vergelijking met de eerste en laatste positie van de visuele stimulus de operator wenst te programmeren in pixelwaarden berekenen. Een voorbeeld van het linker- en rechteroog kalibratiecurve verkregen met vijf meetpunten voor convergentie stimulus is weergegeven in figuur 4.
4. Herhaal de stappen 2.2 en 2.3 voor de andere monitor als de stimulus vereist een extra monitor.

3. VISUALEYES SOFTWARE:

1. Definieer A Stimulus: De operator moet de begin- en eindstand van linker- en rechteroog stimulans voorafgaand aan het experiment te definiëren. Open eerst een nieuw tekstbestand en op de eerste rij, het aanvankelijke tijd en positie waarden of de stimulus. Vier parameters worden gedefinieerd 1) (seconden), 2) de horizontale positie (pixel), 3) de verticale positie (pixel), en 4) de rotatie (°) gescheiden door een tab. Ook definieert de vier parameters van de eindtijd en de positie van de stimulus. Sla de stimulus in de VisualEyes directory als stimulus_name.vei (VEI = VisualEyes Input) bestand en herhaal deze stap voor het andere oog stimulus.
   1. De beweging van de stimulus kan worden gegeneraliseerd in twee soorten van beweging: een abrupte stap of een continue helling. Een stap kan de stimulus abrupt verplaatsen of springen van de uitgangspositie naar de eindpositie. De exploitant moet er rekening mee dat de verandering in de tijd is 0.001 seconden voor een impuls voor de stapsgewijze. In de volgende rij, bepalen hoe lang u wilt dat de stimulans om in de eerste positie, evenals de uiteindelijke positie bevinden. Stimuli worden gedefinieerd met behulp van vier velden binnen een rij. Een voorbeeld van een saccadische stap, smooth pursuit oprit, vergent stap en vergent oprit worden getoond inTabel 1.
   2. Voor prikkels, kunt u een enkele prikkel, zoals een stap of een opeenvolging van visuele taken, zoals een meerdere stappen.
2. Spaar Stimulus in Stimuli Bibliotheek: Er zijn verschillende standaardinstellingen in het dc1.txt (linkeroog stimulus / monitor) en dc2.txt (rechteroog stimulus / monitor) bestanden binnen de VisualEyes directory. De eerste regel is het percentage van het scherm in de horizontale richting. De tweede lijn is het percentage van het scherm in de verticale richting. De derde is de achtergrondafbeelding en de vierde is het de voorgrond of doel. De vijfde lijn geeft de computer aan het werk in de zelfstandige modus. Het ^6e betekent welke monitor (1 is rechteroog en 2 is linkeroog). De 7 ^e lijn is de aspect ratio van de monitoren. De overige lijnen zijn de verschillende soorten stimuli kan de operator het gebruik in een experimentele sessie.
   1. Open de dc1.txt en dc2.txt uit de VisualEyes directory. Deze twee bestanden bevatten de bibliotheek stimuli voor linkeroog en rechteroog respectievelijk. Op de laatste rij schrijf de bestandsnaam van de stimulus die is gegenereerd bij stap 3.1. Het profielnummer verwijst naar de ^mde rij overeenkomt met de naam stimulus bestand. Bijvoorbeeld, in figuur 1, het profielnummer van de stimulus 8.
3. Men kan stappen herhalen 3,1 tot 3,2 zo veel stimuli die nodig zijn voor een experiment.
4. Schrijf Script voor het protocol Experimentele: Open een tekstbestand om de experimentele protocol commando's te typen. Dit bestand wordt het script bestand dat betekent dat de VisualEyes Systeem zal lezen en uitvoeren elke opdracht van het script te vinden in dit bestand met de naam. De mogelijkheid om een ​​script voor een experimenteel protocol te creëren kan de gebruiker voert regelmatig experimentele sessies met hetzelfde protocol. Bovendien kunnen vele scripts worden geschreven naar de aard en volgorde van experimentele opdrachten variëren. Dit bestandkunnen worden opgeslagen in de VisualEyes directory als script_name.ves bestand. (VES = VisualEyes Script)
   1. De VisualEyes functies hebben argumenten input en output. Tabel 2 toont alle functies in de VisualEyes software.
      1. ExpTrial: Deze functie wordt gebruikt om de stimulus die is opgeslagen in de stimulus bibliotheek van stap 3.2 noemen. De lengte van de gegevens de tijd zal de functie om de stimulus te voeren. De tempfile.lwf laat de VisualEyes software om tijdelijk de binnenkomende gegevens en de output op te slaan in een output buffer. Wanneer tempfile.lwf niet gedefinieerd, tijdens de uitvoering van deze functie zal geen inkomende gegevens digitalisering slaan.
      2. LogFile: Deze functie zorgt voor strijkers of de input buffer gedefinieerd vanuit ExpTrial in de out.txt bestand in de VisualEyes directory. Wanneer het experiment is voltooid, moet de bediener de naam van het bestand out.txt andere naam wijzigen. Anders zal de gegevens de komende experim overschrevenent.
      3. TriggerWait: Deze functie wacht op het onderwerp aan te dringen een trigger knop om de ExpTrial starten en digitaliseren van de gegevens. Dit is een kanaal in de digitale acquisitie kaart die wacht op het signaal om van een digitaal hoog (5 V) naar laag (0 V).
      4. RandomDelay: deze functie een willekeurige vertraging te voorspellen of anticipatie van de volgende stimulus voorkomen.
      5. WaveMSD: Deze functie berekent het gemiddelde en de standaarddeviatie van de gegevens.

4. Plaats de oogbewegingen MONITOR & RUN EXPERIMENT:

1. Verschillende oogbeweging bewaakt zoals het corneale reflectie video afbeeldingssysteem limbus volgsysteem of sclera zoekspoel worden opgevangen en bewegingen opnemen oog.
2. Voordat een onderwerp kan deelnemen, moet het experiment worden verklaard en het onderwerp moet lezen en ondertekenen een geïnformeerde toestemmingsformulier door de Institutional Review Board goedgekeurd.
3. De operator must pas de oogbeweging monitor op het onderwerp. Eerst wordt de proefpersoon te fixeren op een doel. De exploitant past de oogbeweging monitor om de anatomische eigenschappen van het oog vast te leggen, zoals de limbus (grens tussen de iris en sclera) of de leerling en de reflectie van het hoornvlies, afhankelijk van de oogbeweging-monitor gebruikt.
4. Zodra de oogbeweging monitor goed is afgesteld op het onderwerp, moet de exploitant valideren dat de oogbewegingen monitor is het vastleggen van de oogbewegingen door het onderwerp te vergent of saccadische bewegingen te maken.
5. Open het programma ReadScript.vei in de VisualEyes directory. Op de rechterbovenhoek, typ de bestandsnaam van het experimentele protocol script bestand gemaakt van stap 3.4. Vervolgens voert de ReadScript.vei programma door op de rode pijl op de linker bovenhoek.
6. Geef het onderwerp de trigger knop en leg uit dat als het onderwerp op de knop drukt, zal het verzamelen van gegevens beginnen. Een ander bestand Acquire.vei zal automatisch ly verschijnen op het scherm, die de binnenkomende gegevens plotten. De gegevens worden bemonsterd op 500Hz.
7. Wanneer het experiment voltooid is, zal de ReadScript.vei automatisch stoppen. Op dit moment gaan in de VisualEyes directory en vind de Out1.txt bestand. Hernoem het bestand anders de volgende keer dat de exploitant loopt het experiment, zal het bestand worden overschreven.

5. OFF-LINE DATA ANALYSE:

1. De operator kan de gegevens te analyseren met behulp van verschillende software pakketten (dwz MatLab of Excel). Latency, piek snelheid, of amplitude van belang kan zijn, afhankelijk van de studie.
   1. Een voorbeeld van een Matlab analyse code wordt verstrekt in de VisualEyes directory om saccades, convergentie stappen en convergentie hellingbanen plotten. Voorbeelden van het ensemble saccade, convergentie stap en vergentie oprit positie sporen met de overeenkomstige snelheid responsen zijn weergegeven in figuur 5.

6. Representatieve resultaten:

t "> Voorbeelden van het ensemble van oogbewegingen opgenomen met VisualEyes systeem wordt getoond in Figuur 5. Typische 10 ° saccadische bewegingen worden getoond in plot 4A. Antisaccades zijn saccadische reacties wanneer het onderwerp wordt verteld om een ​​saccade te maken in de tegenovergestelde richting . de visuele stimulus en worden getoond in perceel 4B Dit is een meer cognitief veeleisende taak, vandaar kan men constateren dat de latency of de tijd om de beweging te beginnen langer voor antisaccades (perceel 4B) wordt vergeleken met saccades naar een visuele stimulus ook wel prosaccades (plot 4A). vergentie reacties op 4 ° stappen worden getoond in plot 4C en vergentie reacties op 5 ° / s ramps stimuli worden getoond in perceel 4D. Elk spoor is een individuele oogbeweging, waar de bovenste rij is aangegeven stand staat in graden als een functie van de tijd. oogbewegingen gekalibreerd eenheden van graden meter hoeken of prisma dioptrieën. Ons onderzoek gebruikt rotatiehoek. De onderste rij is de snelheid uitgezet in ° / s als functie van de tijd eend is de snelheid van de beweging. De schaal voor iedere ensemble gegevens verschilt afhankelijk van de beweging.

Figuur 1. Stroomdiagram van de belangrijkste elementen om een oculomotorische experiment. Voorbeelden van maatregelen die nodig zijn om een ​​stimulans met de VisualEyes software te genereren en uitvoeren van een experiment voor offline data-analyse worden getoond. Deel A geeft het venster Pixel2Deg.vei. Deel B toont de vier parameters nodig om een ​​stimulus te bepalen. Deel C is de stimuli bibliotheek waar de zwarte tekst lijnen binnen de stimulus bibliotheek zijn bijvoorbeeld prikkels bestanden en de rode tekst definieert elke regel. Deel D is een voorbeeld van een experimenteel protocol script.

Figuur 2. VisualEyes System Haploscope experimentele opstelling. Drie CRT monitoren worden gebruikt: 1) Een bedieningspaneel nodig om stimuli aanzicht eend reacties 2) een CRT monitor voor het rechteroog (RE) visuele stimuli en 3) een CRT-monitor het linkeroog (LE) visuele stimuli. Een half-verzilverde spiegel is geplaatst op 30 cm afstand van de twee visuele stimuli CRT-monitoren. Dit is om te verzekeren dat de stimuli op de CRT-monitoren worden geprojecteerd op de helft verzilverde spiegel (50% transmissie en 50% reflectie spiegel). De spiegel maakt het onderwerp stimuli uitzicht vanaf de computer schermen overstemd doelen zich op gemeten afstanden van het subject die nodig is voor kalibratie. Met een haploscope wordt de accommodatie vraag naar beide ogen constant gehouden. De afstand tussen ogen van de persoon en de spiegel 10 cm. Het systeem kan worden aangepast aan verschillende interpupilaire afstand (IPD) geschikt maar deze demonstratie zullen we aannemen dat de IPD zijn 6 cm.

Figuur 3. Berekeningen van saccadische (links) en vergent (rechts) mokenheid van targets A naar B worden getoond. IPD is de inter-pupil afstand.

Figuur 4. IJkgrafiek van het linker oog (boven plot) en rechteroog (onderste plot) stimulus. Een soortgelijke procedure wordt uitgevoerd gedurende saccadische of smooth pursuit stimuli.

Figuur 5. Voorbeelden van saccades (A) antisaccades (B), convergentie stappen (C) en vergentie hellingen (D) met de VisualEyes systeem en geanalyseerd met een aangepaste MATLAB programma. Ensemble positie sporen (° als functie van de tijd in seconden) wordt uitgezet in de bovenste rij waarbij elke gekleurde lijn een ander oogbeweging. De overeenkomstige snelheid sporen (° / s als functie van de tijd in seconden).

Stimulus Type	Prikkel_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tijd (s)	x-positie (pixel)	y-positie (pixel)	Rotatie (°)	Tijd (s)	x-positie (pixel)	y-positie (pixel)	Rotatie (°)
Smooth Pursuit Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Saccade Stap	0	100	0	0	0	100	0	0
	0.5	100	0	0	0.5	100	0	0
	0,501	200	0	0	0,501	200	0	0
	3	200	0	0	3	200	0	0
Convergentie Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Convergentie Stap	0	452	0	0	0	973	0	0
	0.5	452	0	0	0.5	973	0	0
	0,501	416	0	0	0,501	1002	0	0
	3	416	0	0	3	1002	0	0

Tabel 1. Een voorbeeld van Smooth Pursuit Ramp, saccadische Step, vergentie Ramp en vergentie Stap Stimuli

Functie	Syntaxis
ExpTrial	Output Buffer # = ExpTrial ("Lengte van de gegevens: LE Profiel: RE Profile"); Voorbeeld: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Buffer # = Exo Trial ("Lengte van de gegevens: LE Profiel: RE Profiel:. tempfile LWF"); Voorbeeld: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Output Buffer # = LogFile ("TEXT"); Voorbeeld: 0 = LogFile ("Experiment 1");
	0 = LogFile (Input Buffer #); Voorbeeld: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Buffer Number); Voorbeeld: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Voorbeeld: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Output Buffer # = WaveMSD (Input Buffer #);

Tabel 2. functies die gebruikt worden bij het ​​Protocol van Experimental Schrijf in het VisualEyes Program

Discussie

Kritische Stappen:

Eye movement monitoren moet goed worden afgesteld op het onderwerp. Bijvoorbeeld, oogbeweging opname monitors werken binnen een bereik en worden aangepast aan het onderwerp. Als oogbeweging van het onderwerp gaat verder dan het bereik, dan is het systeem verzadigd raakt. Bij verzadiging, de oogbeweging signaal is niet geldig. Kalibratie is ook kritisch in oogbeweging opname. Alle oogbewegingen monitoren meten een analoog signaal dat wordt gedigitaliseerd en omgezet moet worde...