Een geautomatiseerde methode voor het beoordelen van de gezichtsscherpte bij baby's en peuters met behulp van een eye-tracking systeem

Samenvatting

In dit artikel presenteren we een nieuwe geautomatiseerde methode voor het beoordelen van de gezichtsscherpte bij baby's en peuters met behulp van een eye-trackingsysteem.

Samenvatting

Gezichtsscherptemeting is een belangrijke visuele functietest om uit te voeren in de kindertijd en de kindertijd. Nauwkeurige meting van de gezichtsscherpte bij zuigelingen is echter moeilijk vanwege tekortkomingen in hun communicatievermogen. Dit artikel presenteert een nieuwe geautomatiseerde methode om de gezichtsscherpte bij kinderen (5-36 maanden oud) te beoordelen. Deze methode, de automated acuity card procedure (AACP), maakt gebruik van een webcam voor eye tracking en herkent het kijkgedrag van kinderen automatisch. Een voorkeurstest met twee keuzes wordt uitgevoerd wanneer het geteste kind de visuele stimuli bekijkt die worden weergegeven op een digitaal beeldscherm met hoge resolutie. Wanneer het geteste kind de prikkels bekijkt, worden hun gezichtsfoto's opgenomen door de webcam. Deze foto's worden door het ingestelde computerprogramma gebruikt om hun kijkgedrag te analyseren. Met deze procedure worden de oogbewegingsreacties van het kind op verschillende stimuli gemeten en wordt hun gezichtsscherpte beoordeeld zonder communicatie. Door de resultaten te vergelijken met de roosterscherpte verkregen door Teller Acuity Cards (TAC's), worden de prestaties van AACP geacht vergelijkbaar te zijn met die van TAC's.

Inleiding

De infantiele periode is een kritieke periode voor de visuele ontwikkeling. Visuele problemen die zich vroeg in het leven voordoen, kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de ontwikkeling van een kind. Het is belangrijk om een kwantitatieve visuele beoordeling bij zuigelingen te kunnen uitvoeren, wat kan helpen bij het detecteren van vroege zichtproblemen. Omdat baby's echter niet cognitief ontwikkeld of expressief genoeg zijn om gezichtsscherptekaartsymbolen, zoals letters of grafieken, te herkennen, is het meten van hun gezichtsscherpte moeilijk. De huidige gouden standaard voor de beoordeling van het gezichtsvermogen van baby's is de scherptekaartprocedure¹ op basis van de voorkeurstest². Omdat deze methode echter vereist dat ervaren testers de gezichtsscherpte beoordelen door de oogbewegingen van het kind 3,4,5,6 te observeren, wordt deze beperkt door de ervaring van de testers ^4,5. Daarom blijven scherptekaartprocedures, zoals Teller Acuity Cards (TAC's)^5,6, een subjectieve methode. Er is dus behoefte aan een methode die de gezichtsscherpte bij zuigelingen en jonge kinderen kwantitatief kan meten, die kan worden gebruikt zonder de noodzaak van verbale communicatie en die niet wordt beperkt door ervaren testers te vereisen.

De uitvinding en het gebruik van de remote eye tracker maakte het mogelijk om een geautomatiseerd scherptemeetsysteem te ontwikkelen. In eerdere studies zijn eye-trackingmethoden gebruikt als een hulpmiddel voor visuele functie-evaluatie bij kinderen 7,8,9,10. Een remote eye tracker kan worden gebruikt voor het volgen van blikken en is een vervanging voor de observatie door een tester van de oogbewegingen van een kind. De ACTIVE procedure⁷ en AVAT procedure¹⁰ zijn volledig geautomatiseerde gezichtsscherptetesten met een remote eye tracker; ze hebben vergelijkbare gezichtsscherpteresultaten opgeleverd als de Keeler Acuity Cards-test bij gezonde zuigelingen en jonge kinderen. In tegenstelling tot andere recente studies, gebruikten we een webcam in plaats van een externe eyetracker om de blik van het kind vast te leggen. We hebben een automatische acquisitiemethode voor oogbewegingsgegevens uitgevonden op basis van computervisie. De procedure combineerde de oogbewegingsacquisitiemethode met de voorkeurstechniek bij het beoordelen van de visuele functie bij kinderen.

Dit artikel is bedoeld om een nieuwe geautomatiseerde methode te presenteren, die de gezichtsscherpte bij jonge kinderen kan evalueren, de geautomatiseerde scherptekaartprocedure (AACP). Deze procedure is vooral nuttig voor zuigelingen en jongere kinderen die nog niet voldoende communicatieve vaardigheden hebben verworven. Het belangrijkste aspect is dat visuele reacties kunnen worden gekwantificeerd om raspenscherpte te verkrijgen bij zuigelingen en jonge kinderen. Raspscherptemeting maakt de detectie van visuele pathologieën mogelijk en speelt een belangrijke rol bij de daaropvolgende medische behandeling.

Protocol

Het hier beschreven protocol is goedgekeurd door de ethische commissie van het eerste ziekenhuis van Peking University (PKUFH 2018-223). De procedures hielden zich aan de principes van de Verklaring van Helsinki voor onderzoek met mensen. Het onderzoeksformat werd beschreven en geïnformeerde toestemming werd verkregen van de ouders van de deelnemers.

1. Voorbereiding van het apparaat

OPMERKING: De AACP-componenten werden opgesteld in een licht verlichte testruimte. In de kamer werden gordijnen getrokken om interferentie van zonlicht te voorkomen. Een weergavesysteem, een registratiesysteem en een analysesysteem waren de drie componenten van de AACP (figuur 1).

1. Stel een displaysysteem in, een 28 inch liquid-crystal display monitor (62,208 cm x 34,992 cm scherm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0,162 mm/pixel, 30 Hz frame rate). Plaats de beeldschermmonitor op een tafel die kan worden verhoogd. Lineariseer de schermluminantie door een 8-bits opzoektabel. Stel de luminantie in op 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 en 400 cd/m² voor respectievelijk zwart, middengrijs en wit.
2. Plaats twee zijpanelen aan weerszijden van het scherm om afleiding voor de geteste kinderen te verminderen.
3. Stel een opnamesysteem in, een high-definition pro-webcam met een resolutie van 1080 pixels/30 fps.
   OPMERKING: De webcam registreert beeldreeksen van het gedrag van testers, elk bijgesneden op 1280 pixels x 720 pixels. Tijdens geautomatiseerde scherptetests wordt elke 200 ms één webcambeeld met tijdstempel verkregen voor synchronisatie.
4. Sluit de beeldschermmonitor en webcam aan op een computer, het analysesysteem. Zorg ervoor dat de webcam zich in het midden bevindt, direct onder het scherm, en naar behoefte kan worden aangepast.
   OPMERKING: De monitor en webcam zijn geïntegreerd met de computer (een laptop of desktop-pc) of zijn afzonderlijke apparaten die vervolgens op een computer worden aangesloten.
5. Installeer de AACP-proceduresoftware op de computer voor de presentatie van stimuli en de analyse van oogbewegingen. De AACP-proceduresoftware (China National Invention Patents, nr. 201910865074.4 en nr. 201510919621.4) bestaat uit een stimulusweergavemodule, een vision-testmodule en een module voor het verwerken van testresultaten.
6. Stel de visuele stimuli in als een blokgolfrooster van 12 cm x 12 cm met verschillende periode/graad (cpd) ruimtelijke frequenties en een contrastverhouding van 1,00. Zorg ervoor dat de stimulus willekeurig wordt weergegeven in het midden van het linker- of rechtergedeelte van het scherm en dat de rest van het scherm een grijs gebied vertoont dat overeenkomt met de TACII.
   OPMERKING: Op de detectieafstand van 55 cm (wat overeenkomt met die van TACII) waren de stimuli ongeveer hetzelfde (vanwege pixelgroottebeperkingen) als die op gedrukte TACII-kaarten (16 kaarten, 1/2 octaaf).

2. Eye-tracking kalibratie

1. Verkrijg geïnformeerde toestemming van de ouders en beschrijf het studieformaat aan hen.
2. Plaats het kind op een afstand van 55 cm van de beeldscherm. Laat het kind alleen op een stoel zitten of bij voorkeur op schoot van de ouder. Als het kind alleen zit, laat de ouder dan naast het kind zitten.
3. Pas de positie van de heftafel aan en plaats deze met de monitor. Schik het scherm loodrecht op de ogen van het kind.
4. Pas de positie van de webcam aan om ervoor te zorgen dat het gezicht van het kind zichtbaar is in het opnamesysteem en om te voorkomen dat u andere gezichten dan die van het kind vastlegt.
5. Voordat u de procedure start, informeert u het kind dat het naar het scherm zal kijken. Instrueer de ouder om het kind te vragen naar het scherm te kijken wanneer het kind niet oplet. Er zijn geen specifieke instructies nodig tijdens de test.
6. Open de AACP-proceduresoftware. Typ de informatie van het kind in de software (naam, geslacht, leeftijd).
7. Klik op de knop Start . De software start de kalibratieprocedure. Een GIF-afbeelding (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixels) wordt weergegeven tegen de witte achtergrond in het midden van het scherm (afbeelding 2). Het beeld en de achtergrondmuziek verschijnen tegelijkertijd. Deze stimulus wordt gedurende ten minste 3 s gepresenteerd. Het analysesysteem bepaalt tegelijkertijd of de gezichtslijn van het kind gefixeerd is op het beeld. Als er tijdens deze presentatie binnen 1 minuut geen blikgegevens beschikbaar zijn, wordt op het scherm een andere cartoon GIF-afbeelding weergegeven. Wanneer blikcoördinaten binnen dit gebied worden gedetecteerd, start de testprocedure zonder de acties van de tester en wordt deze automatisch uitgevoerd.

3. Testprocedure

1. Presenteer het eerste rooster. De ruimtelijke frequenties van de roosters variëren van 0,33-30,0 cpd in stappen van 1/2 octaaf. Bepaal het initiële rooster op basis van de leeftijd van het kind, zoals in de TACII-test.
2. Presenteer het eerste rooster voor 1.000 ms, wat de lengte van een proef is. Presenteer vervolgens een leeg scherm voor 200 ms. Presenteer dezelfde stimulus opnieuw, gevolgd door een leeg scherm opnieuw. Presenteer het rooster van dezelfde ruimtelijke frequentieset drie keer.
3. Laat de webcam tijdens de uitvoering van de procedure de gezichtsfoto's van het kind opnemen. De software gebruikt deze foto's om hun kijkgedrag te analyseren. Het testprogramma voor het gezichtsvermogen controleert de oogbewegingsreacties met de criteria in tabel 1 om te bepalen of de stimulus is waargenomen (figuur 3).
4. Laat het testresultaatverwerkingsprogramma de daaropvolgende stimulus presenteren, volgens het protocol in figuur 4¹¹.
5. Presenteer na elke drie proeven een GIF-afbeelding (met achtergrondmuziek) als een visuele beloning om de interesse van het kind te behouden. Als er binnen 1 minuut na de presentatie van de GIF-afbeelding geen blikgegevens bruikbaar zijn (bijvoorbeeld als het kind zich omdraaide of zijn ogen gesloten had), stop dan met de test. Deze test levert geen resultaat op.
6. Na het uitvoeren van stap 3.4 en 3.5, analyseert u de roosterscherpteresultaten voor het kind dat door de softwareprogramma's wordt uitgevoerd.

Resultaten

De AACP werd toegepast op één groep kinderen^{van 11: 155} normaal ontwikkelende baby's en peuters (5 tot 36 maanden oud, gebaseerd op de zwangerschapsduur). In een eerder gepubliceerde studie werden de roosterscherpteresultaten verkregen door de AACP vergeleken met die verkregen door TACII. De resultaten verkregen door deze twee procedures zijn significant gecorreleerd (r₁₅₃ = 0,83, p < 0,001). Slechts 10,32% (16 van de 155) van de resultaten van de kinderen verschilde meer dan e...

Discussie

Verschillende studies 7,8,9,10 gebaseerd op de eye-tracking methode hebben de waarde van deze methode aangetoond bij het evalueren van zuigelingen en jonge kinderen die moeite hebben met verbale communicatie. Het aantal deelnemers aan eerdere studies is echter relatief klein. Slechts 30 baby's jonger dan 12 maanden werden getest met de ACTIVE-procedure, die werd ontwikkeld door Jones et

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
AACP procedure software	In-house	In-house	De AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 en No. 201510919621.4) bestaat uit een stimulus weergave module, een zicht testmodule en een testresultaat verwerkingsmodule.
Computer processor	Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA	Intel CORE i7-6500U processor	Analyse systeem
Display monitor	InnoLux Co., Ltd., China	InnoLux M280DGJ-L30	Weergave systeem
Webcam	Logitech International S.A., Lausanne, Zwitserland	Logitech C920 high-definition pro webcam	Opname systeem