Metoda ilościowego określania przetwarzania informacji wzrokowych u dzieci za pomocą śledzenia ruchu gałek ocznych

Podsumowanie

Opisano metodę ilościowego określania jakości przetwarzania informacji wizualnych na podstawie odruchowych ruchów gałek ocznych w odpowiedzi na określone modalności wizualne. Czasy reakcji i wyjściowe parametry fiksacji służą do charakteryzowania sprawności wzrokowej u dzieci z wadami wzroku i bez wad wzroku od 6 miesiąca życia.

Streszczenie

Problemy ze wzrokiem, które pojawiają się we wczesnym okresie życia, mogą mieć duży wpływ na rozwój dziecka. Bez komunikacji werbalnej i opartej jedynie na metodach obserwacyjnych trudno jest dokonać ilościowej oceny problemów wzrokowych dziecka. Ogranicza to dokładną diagnostykę u dzieci poniżej 4 roku życia oraz u dzieci z niepełnosprawnością intelektualną. Tutaj opisujemy metodę ilościową, która pozwala przezwyciężyć te problemy. Metoda wykorzystuje zdalne śledzenie ruchu gałek ocznych i paradygmat preferencyjnego patrzenia czterech wyborów do pomiaru reakcji ruchów gałek ocznych na różne bodźce wzrokowe. Dziecko siedzi bez podparcia głowy przed monitorem ze zintegrowanymi kamerami na podczerwień. W jednym z czterech kwadrantów monitora prezentowany jest bodziec wzrokowy. Każdy bodziec ma określoną modalność wizualną w odniesieniu do tła, np. formy, ruchu, kontrastu lub koloru. Na podstawie odruchowych reakcji ruchów gałek ocznych na te specyficzne modalności wizualne, parametry wyjściowe, takie jak czas reakcji, dokładność fiksacji i czas trwania fiksacji, są obliczane w celu ilościowego określenia zachowania dziecka podczas oglądania. Dzięki takiemu podejściu można ocenić jakość przetwarzania informacji wizualnych bez użycia komunikacji. Porównując wyniki z wartościami referencyjnymi uzyskanymi u typowo rozwijających się dzieci w wieku od 0 do 12 lat, metoda dostarcza charakterystyki przetwarzania informacji wzrokowych u dzieci z dysfunkcją wzroku. Informacje ilościowe dostarczane przez tę metodę mogą być korzystne dla dziedziny klinicznej oceny wizualnej i rehabilitacji na wiele sposobów. Wartości parametrów stanowią dobrą podstawę do: (i) scharakteryzowania wczesnych zdolności wzrokowych, a w konsekwencji umożliwienia wczesnych interwencji; (ii) porównywać grupy ryzyka i śledzić rozwój wzroku w czasie; oraz (iii) skonstruować indywidualny profil wizualny dla każdego dziecka.

Wprowadzenie

Częstość występowania problemów wzrokowych związanych z uszkodzeniem mózgu u dzieci wzrosła. Ponieważ problemy ze wzrokiem mogą mieć ogromny wpływ na rozwój dziecka, wczesne wykrycie u małych niemowląt i dzieci zagrożonych jest bardzo ważne. Obecnie u dzieci w wieku od 1 do 2 lat stosuje się testy funkcji wzrokowo-sensorycznych służące do oceny funkcji wzrokowo-sensorycznych, takich jak ostrość wzroku i wrażliwość na kontrast (np^{. testy} optotypowe). U młodszych dzieci testy te opierają się na ustrukturyzowanych obserwacjach zachowań dziecka związanych z oglądaniem informacji wizualnych. Interpretacja takiego zachowania, tj. poprzez patrzenie na ruchy gałek ocznych dziecka, może być utrudniona przez dysfunkcje okoruchowe lub uwagowe dziecka, a nawet przez oglądanie zachowania obserwatora. Funkcje wzrokowe zapośredniczone przez mózg, takie jak pamięć wzrokowo-przestrzenna i rozpoznawanie obiektów, są oceniane za pomocą testów percepcji wzrokowej (np. DTVP²). Testy te wymagają ustnych instrukcji i komunikacji i mogą być stosowane od 4-5 roku życia. Ze względu na pourodzeniowy rozwój układu wzrokowego i wykorzystanie wysokiego poziomu plastyczności we wczesnym okresie życia, pożądane jest jak najwcześniejsze ustalenie obecności i zakresu zaburzeń przetwarzania informacji wzrokowych. W ten sposób dzieci z (mózgowymi) wadami wzroku mogą maksymalnie skorzystać z wczesnej interwencji, stymulacji wizualnej lub strategii wspierających. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na metodę oceny przetwarzania informacji wizualnych, która może być stosowana bez komunikacji werbalnej u dzieci i która opiera się na wynikach ilościowych.

Ruchy gałek ocznych są dobrym modelem do badania wizualnie kierowanego zachowania orientacyjnego na bodźce^3,4 oraz powiązanych funkcji percepcyjnych i poznawczych⁵. Ruchy gałek ocznych wskazują na skupienie uwagi wzrokowej w scenach i wiadomo, że wynikają albo z procesów oddolnych (odruchowych, opartych na istotności), albo z procesów odgórnych (intencjonalnych, poznawczych)⁶. Ruchy gałek ocznych służą do kierowania dołka centralnego, czyli ostrości widzenia, na nowe obiekty. Zawartość wizualna obiektu zainteresowania jest przetwarzana przez ścieżki, które biegną od siatkówki przez jądro kolankowate boczne do pierwszorzędowej kory wzrokowej (V1) i które rozprowadzają się w obszarach przetwarzania mózgowego (np. zaangażowanych w uwagę, orientację przestrzenną, rozpoznawanie, pamięć i emocje). Ruchy gałek ocznych są zarówno warunkiem wstępnym, jak i następstwem przetwarzania informacji wizualnych.

Postępy w pomiarze ruchów gałek ocznych za pomocą urządzeń śledzących ruch gałek ocznych na podczerwień dają możliwość uzyskania ilościowych parametrów funkcji okoruchowych i wzrokowych. Automatyczne urządzenia śledzące ruch gałek ocznych są obecnie wszechobecne w badaniach medycznych i psychologicznych z udziałem zdrowych i klinicznych populacji. Ich celem jest nie tylko badanie funkcji okoruchowych i alokacji uwagi⁷, ale także odpowiedź na pytania dotyczące mechanizmów behawioralnych i psychologicznych^8,9. Wraz z rozwojem dostępnych i komercyjnych systemów śledzenia ruchu gałek ocznych, są one coraz częściej wykorzystywane do testowania wrażliwych populacji niemowląt i dzieci w^{wieku 10-12} lat, bez warunków ograniczających, skomplikowanych instrukcji lub aktywnej współpracy^12,13. Ze względu na ścisłe sprzężenie układu okoruchowego i wzrokowego na poziomie ocznym i mózgowym, metody oparte na śledzeniu ruchu gałek ocznych są przede wszystkim odpowiednie do oceny zdolności wzrokowych. Do tej pory, poza pomiarem ostrości wzroku¹⁴, stosunkowo niewiele uwagi poświęcono zastosowaniu tej techniki w ocenie funkcji wzrokowych u dzieci.

Nasza grupa połączyła pomiary ruchu gałek ocznych z paradygmatem preferencyjnie wyglądającym¹³. Preferencyjny wygląd to preferencja utrwalania wzorzystych powierzchni zamiast jednorodnych¹⁵. Zasada ta stosowana jest poprzez wykorzystanie bodźców wizualnych z obszarem docelowym w jednym z czterech kwadrantów, które różnią się od tła jedną specyficzną cechą wizualną, np. spójną formą, spójnym ruchem, kontrastem i kolorem. Wiadomo, że te cechy wizualne są przetwarzane przez oddzielne obwodowe i centralne ścieżki wzrokowe. Na przykład informacja o formie jest przetwarzana przez szlaki brzuszne, od V1 do kory skroniowej. Informacje o ruchu są przetwarzane przez drogi grzbietowe, od V1 do tylnej kory ciemieniowej¹⁶. W związku z tym określone bodźce są wykorzystywane do wyzwalania przetwarzania informacji wzrokowych w różnych obszarach układu wzrokowego. Jeśli dziecko jest w stanie zobaczyć określone informacje wizualne, które są prezentowane, informacje te przyciągną uwagę wzrokową w postaci ruchów gałek ocznych. Te odruchowe reakcje ruchów gałek ocznych na bodźce wizualne są rejestrowane za pomocą zdalnego urządzenia śledzącego ruch gałek ocznych na podczerwień. W ten sposób pomiary ruchu gałek ocznych zapewniają bezkomunikatywną ocenę jakości różnych aspektów przetwarzania informacji wzrokowych¹³.

Ruchy gałek ocznych dostarczają nie tylko danych obserwacyjnych dotyczących zachowania dziecka^{podczas oglądania 11}, ale mogą być również wykorzystane do bardziej obiektywnych pomiarów wyników. W połączeniu ze starannie zaprojektowanym paradygmatem testowym, ruchy gałek ocznych mogą dostarczyć precyzyjnych i obiektywnych informacji na temat przetwarzania informacji wizualnych. Informacje te uzyskuje się poprzez obliczenie parametrów ilościowych w oparciu o czasowe i przestrzenne właściwości reakcji na ruchy gałek ocznych. Przykładami takich parametrów są czas reakcji¹³, czas fiksacji¹⁷, metryki sakkady⁷ lub skumulowana alokacja uwagi¹⁸. Dostępność tych parametrów jest nowością w dziedzinie oceny wizualnej u dzieci na wczesnym etapie rozwoju.

Celem tego artykułu jest przedstawienie metody opartej na śledzeniu ruchu gałek ocznych do pomiaru przetwarzania informacji wzrokowych u dzieci w wieku od 6 miesięcy. Konfiguracja i procedura pomiaru (tj. paradygmat niewerbalny, postkalibracja i mobilność) mają szczególne zastosowanie do stosowania tej metody u dzieci z grupy ryzyka. Kluczowym aspektem jest analiza ilościowych parametrów odpowiedzi wzrokowej, tj. czasu reakcji, czasu fiksacji i dokładności fiksacji. Parametry te są wykorzystywane do zapewnienia obszarów odniesienia dla wizualnie kierowanych reakcji u typowo rozwijających się dzieci, w celu scharakteryzowania przetwarzania informacji wzrokowych w grupach ryzyka dzieci z wadami wzroku.

Protokół

Opisany tutaj protokół został zatwierdzony przez Komisję Etyki Badań Medycznych w centrum medycznym Erasmus w Rotterdamie, Holandia (MEC 2012-097). Procedury były zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej (2013) dotyczącej badań z udziałem ludzi.

1. Bodźce wizualne

1. Wybierz zestaw bodźców wizualnych, t. j., obrazów i filmów, aby ukierunkować przetwarzanie podstawowych funkcji okulomotorycznych oraz funkcji przetwarzania wzrokowego.
2. Wykorzystaj obrazy i filmy do oceny podstawowych funkcji okulomotorycznych, takich jak fiksacja, sakady, śledzenie płynne oraz nystagmus optokinetyczny. W przypadku wykrycia nieprawidłowości w funkcji okulomotorycznej należy uwzględnić ten fakt podczas analizy i interpretacji danych.
   1. Użyj obrazu do oceny fiksacji i sakad. Obecny paradygmat zawiera obrazy uśmiechniętych buziek o promieniu 3º kąta widzenia, które są wyświetlane w lewej, prawej, górnej i dolnej połowie monitora.
   2. Użyj powoli poruszającego się obrazu do oceny pośledzenia płynnego. Obecny paradygmat zawiera filmy z uśmiechniętymi buźkami, które poruszają się w 16º w sinusoidalnym kierunku poziomym i pionowym w obrębie monitora, z prędkością 4º/sek.
   3. Wykorzystaj film w celu oceny odruchów oczopląsu optokinetycznego. Przedstawiony paradygmat zawiera filmy z czarno-białymi prążkami sinusoidalnymi, które poruszają się w kierunku lewym i prawym.
3. Wykorzystanie obrazów i filmów do oceny funkcji przetwarzania wzrokowego, np. kontrast, kolor, kształt lub ruch.
4. Należy zastosować zestaw bodźców wizualnych opartych na paradygmacie preferencyjnego patrzenia z czterema wymuszonymi alternatywami (4-AFC PL)¹⁹). W obecnym paradygmacie 4 narożniki bodźca (t.j. górny lewy i prawy kwadrant, dolny lewy i prawy kwadrant) każdy z nich reprezentuje alternatywny wybór, tj., obszar docelowy. Każdy obszar docelowy ma promień wynoszący 6º i różni się od pozostałych trzech kwadrantów pod względem konkretnych informacji wizualnych, np., w oparciu o kontrast, kolor, formę lub ruch. Jako przykład można wykorzystać następujące bodźce wzrokowe:
   1. Wykorzystanie obrazu do oceny przetwarzania spójności kształtu (Form Coherence): obraz z macierzą przypadkowo zorientowanych krótkich Wbiałe linie (0,2º x 0,6º; gęstość 4,3 linii/stopień²) na czarnym tle. W obszarze docelowym wszystkie linie są ułożone w kształcie koła.
   2. Użyj filmu do oceny lokalnego przetwarzania ruchu: filmu z czarno-białym wzorzystym kwadratem jako bodźcem, o kącie widzenia 2,3°º, na tle o takim samym wzorze, poruszając się z prędkością 2,5º w lewo i w prawo w jednym kwadrancie przy 2,5º/s
   3. Użyj filmu do oceny przetwarzania ruchu globalnego: obrazu z układem białych kropek (średnica 0,25º, gęstość 2,6 kropki/stopień²) rozszerzające się od centrum obszaru docelowego w kierunku krawędzi monitora. Kropki poruszają się na czarnym tle z prędkością 11,8º/s oraz ograniczony czas życia wynoszący 0,4 s.
   4. Do oceny wykrywania kontrastu należy użyć obrazu: obrazu z rysunkiem Hiding Heidi o jasności 0% (czarny) w obszarze docelowym, na tle o jasności 75% (jasnoszary).
   5. Użyj obrazu do oceny detekcji kolorów: obrazu z zieloną liczbą 17 w obszarze docelowym, na czerwono-żółtym tle.
   6. Wykorzystanie filmu do oceny jednoczesnego przetwarzania wzrokowego, np., rysunek: kolorowy obraz o wysokim kontraście (reprodukowany za zgodą Dick Bruna, Mercis BV, Amsterdam, Holandia) z kątem widzenia 4,5º x 9.0º (szerokość x wysokość) przesunięcie 1,5º w górę i w dół z prędkością 3º/sek w obszarze docelowym, na czarnym tle.
      UWAGA: W celu zapewnienia przejrzystości, reprezentatywne wyniki w niniejszej pracy będą koncentrować się na wysoce istotnym bodźcu w postaci rysunku, który zawiera różne rodzaje informacji wizualnych (Rysunek 1). W celu zapoznania się z obrazami pozostałych bodźców wizualnych prosimy o zapoznanie się z poprzednią pracą badawczą²⁰.

Rysunek 1. Bodziec w formie rysunku. Bodziec w formie kreskówki zawiera różne modalności wizualne (formę, ruch, kolor i kontrast). Bodziec ten wywołuje uwagę wizualną i zapewnia najkrótsze czasy reakcji u dzieci. Na obraz nałożono ruch oka (kolor szary), przesuwający się z dolnego lewego rogu monitora do obszaru docelowego w prawym górnym rogu (t. j., czyli odruchowa odpowiedź na bodziec). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Paradygmat testowy oparty na eyetrackingu

1. Wybierz system eyetrackingowy odpowiedni dla populacji pediatrycznej (np., nieinwazyjność, tolerancja ruchów głowy oraz łatwość użycia)¹²zazwyczaj wiąże się to z wykorzystaniem zdalnych okulografów na podczerwień (np., Tobii T60XL, SMI RED)^10,11.
2. Wybierz monitor komputerowy o szerokim kącie widzenia, aby w pełni wyświetlić każdy bodziec (t.j. minimalny kąt widzenia wynoszący 24°º x 30º (przy odległości widzenia 60 cm). Zdalny system śledzenia ruchu gałek ocznych jest albo zintegrowany z monitorem, albo może zostać do niego przymocowany oddzielnie.
   UWAGA: Zdalne okulografy emitują światło podczerwone, które jest próbkowane z wykorzystaniem odbicia od rogówki. Częstotliwość próbkowania okulografu na poziomie ~60 Hz jest zazwyczaj wystarczająca do badania wzorców zachowań wzrokowych u dzieci.
3. Zmontuj mobilny zestaw pomiarowy, podłączając monitor oraz zdalny system okulograficzny do laptopa lub komputera stacjonarnego.
4. Zainstaluj kompatybilny program komputerowy na komputerze osobistym (np. Tobii Studio, iView) do prezentacji bodźców wzrokowych i rejestracji ruchów gałek ocznych.
5. Zaprojektuj sekwencję testową zawierającą wszystkie rodzaje bodźców niezbędnych do badania funkcji okulomotorycznych i/lub funkcji przetwarzania wzrokowego (patrz krok 1 protokołu: bodźce wzrokowe). Niniejszy przykład zawiera wszystkie rodzaje bodźców opisane w kroku 1. t.j., łącznie 9.
   1. Umieść poszczególne rodzaje bodźców wizualnych w losowej kolejności w sekwencji testowej, dbając jednak o to, aby położenie obszaru docelowego zmieniało się naprzemiennie z próby na próbę. Zapewnia to konieczność wykonywania odruchowych ruchów gałek ocznych w stronę celu.
   2. Prezentuj każdy bodziec co najmniej 4 razy (t. j.(z obszarem docelowym przynajmniej raz w każdym kwadrancie) i przez co najmniej 4 s, aby zapewnić wystarczający czas na reakcję w postaci ruchu oka. W niniejszym przykładzie bodźce w formie rysunkowej (Cartoon) są prezentowane 16 razy, podczas gdy wszystkie pozostałe bodźce są prezentowane 4 razy. Łącznie daje to 48 prezentacji bodźców i całkowity czas badania wynoszący ok. 3,5 min.
      UWAGA: Wielokrotne prezentacje zwiększają szansę na zebranie wystarczającej liczby punktów spojrzenia dla każdego bodźca i każdego obszaru docelowego w polu widzenia dziecka. Co do zasady, w celu zapewnienia wiarygodnych wyników wymagana jest dostępność danych o spojrzeniu dla co najmniej 25% prezentacji bodźców.²¹.
   3. Należy upewnić się, że czas testowania na jedną sekwencję nie przekracza ok. 5 minut, ponieważ uruchomionej sekwencji testowej nie można wstrzymać. Zaleca się przygotowanie dwóch sekwencji, które można uruchomić jedna po drugiej, aby zapewnić okres odpoczynku w połowie badania.
      UWAGA: Aby zmaksymalizować poziom uwagi podczas testu, należy prezentować sygnały dźwiękowe lub audiowizualne w pobliżu monitora pomiędzy prezentacjami bodźców wzrokowych, a nie jednocześnie z nimi. Dzieci z dysfunkcjami wzroku są szczególnie wrażliwe na sygnały dźwiękowe i silniej na nie reagują. Takie sygnały mogą zwiększyć uważność podczas testu w tej populacji.
6. Zastosuj sekwencję (sekwencje) testową w oprogramowaniu eyetrackera. Najpierw wybierz rodzaj bodźca, który ma zostać dodany do osi czasu w oprogramowaniu eyetrackera: obraz lub film. Następnie wybierz żądany bodziec z folderu, w którym się znajduje, i kliknij „Add”. Powtarzaj te kroki, aż wszystkie bodźce zostaną dodane.

3. Przeprowadzanie eksperymentu eye-trackingu

1. Przymocuj monitor eye trackera za pomocą elastycznego ramienia LCD do stabilnego stołu lub ściany. Wybierz ramię, które może poruszać się w 3 wymiarach (tj. 3 translacje, 3 rotacje).
2. Ustaw dzieci w krótkiej odległości (zazwyczaj ~60 cm) od monitora, aby zapewnić efektywne śledzenie źrenic obu oczu.
3. Dostosuj pozycję monitora tak, aby znajdował się idealnie prostopadle do oczu dziecka. Dzięki ramieniu LCD jest to możliwe nawet wtedy, gdy dziecko leży lub siedzi w wózku dziecięcym lub na wózku inwalidzkim.
   UWAGA: Taka konfiguracja umożliwia ocenę bardzo małych dzieci oraz dzieci z niepełnosprawnością intelektualną, ponieważ nie wymaga ona konkretnej postawy ciała, komunikacji werbalnej ani aktywnego udziału. Pewne zaburzenia okulomotoryczne (np. oczopląs) charakteryzują się preferencyjnymi pozycjami głowy w celu kompensacji odchyleń pozycji oczu (np. kręgosłup skrzywiony). Możliwość dostosowania monitora eye trackera do indywidualnej pozycji głowy umożliwia dokładne śledzenie źrenic w tej grupie dzieci.
4. Sprawdź jakość odbioru sygnału źrenic. Jest ona zazwyczaj sygnalizowana obecnością dwóch markerów reprezentujących oczy dziecka (np. białe kropki). Jeśli oba markery są wyraźnie widoczne i nie znikają regularnie, jakość jest wystarczająca. W osobnym oknie wyświetlacza sprawdź odległość oczu od monitora (preferowana ~60 cm).
   UWAGA: Większość eye trackerów rejestruje pozycję spojrzenia każdego oka oddzielnie i kompensuje swobodne ruchy głowy. Odbiór sygnału źrenic nie jest zazwyczaj zaburzony u dzieci noszących okulary lub soczewki kontaktowe, u dzieci z jednym lub dwoma funkcjonującymi oczami oraz u dzieci ze zeza.
5. Przed rozpoczęciem pomiaru uruchom procedurę kalibracji oprogramowania eye trackera, aby zsynchronizować pozycje spojrzenia z predefiniowanymi pozycjami na monitorze. W większości pakietów oprogramowania dla eye trackerów procedura ta polega na prezentacji ruchomych kropek w wyznaczonych obszarach monitora, na których dziecko musi skupić wzrok. Dla dzieci można zastosować wersję z postaciami z bajek lub powiększającymi się kropkami, aby poprawić uwagę wizualną.
   UWAGA: Chociaż procedury kalibracji dla dzieci uległy znacznej poprawie, wciąż mogą one stanowić wyzwanie w przypadku małych dzieci oraz dzieci z określonymi zaburzeniami okulistycznymi lub behawioralnymi.
6. Sprawdź jakość wstępnej kalibracji. Gdy jakość kalibracji jest słaba (np. z powodu nadmiernych ruchów głowy, braku odpowiednich fiksacji, odchylonej pozycji spojrzenia lub głowy), rejestracja nie jest możliwa. Aby obejść ten problem, zastosuj procedurę post-kalibracji po zakończeniu rejestracji, przed dalszą analizą danych (patrz sekcja Dyskusja).
7. Przed rozpoczęciem rejestracji testu aktywuj „podgląd na żywo” (live viewer): osobne okno, które pokazuje reakcje ruchowe oczu dziecka na bodźce testowe poprzez nałożenie sygnału spojrzenia na nagranie wideo.
8. Aktywuj kamerę internetową skierowaną na dziecko, aby obserwować i rejestrować ogólne zachowanie dziecka podczas testu. Takie nagranie zapewnia wgląd w uwagę wizualną, zachowanie, zmęczenie dziecka oraz warunki środowiskowe.
9. Przed rozpoczęciem testu powiedz dziecku, że będzie „oglądać telewizję”. Podczas testu nie są wymagane żadne szczegółowe instrukcje.
10. Podczas wykonywania testu obserwuj fizyczne zachowanie dziecka i reakcje ruchowe oczu. Można to robić poprzez obserwację behawioralną w czasie rzeczywistym lub analizując nagrania z kamery internetowej.
    1. Gdy sygnał źrenic zniknie podczas testu, przesuń dziecko lub monitor, aby przywrócić prawidłowe wykrywanie źrenic.
    2. Gdy dziecko nie zwraca uwagi na monitor, zachęć je werbalnie do patrzenia na ekran. Nie kieruj uwagi dziecka bezpośrednio na obszar docelowy; kieruj wzrok dziecka wyłącznie na ogólną lokalizację monitora eye trackera.
11. Po wykonaniu testu odtwórz nagranie spojrzeń w trybie off-line, aby zaobserwować reakcje wzrokowe na zaprezentowane bodźce. Jest to pierwszy krok w charakterystyce zachowania orientacji wizualnej dziecka.
    UWAGA: Oprogramowanie eye trackera stale rejestruje szereg parametrów podczas całego czasu testowania. Niezbędne parametry, które należy wyeksportować do przeprowadzenia analizy danych dla obecnego paradygmatu, to: znaczniki czasu, odległość widzenia między obydwoma oczami a monitorem, pozycja lewego i prawego oka na monitorze (w współrzędnych x i y), poprawność danych spojrzenia oraz czas i pozycja zaprezentowanych bodźców (tj. zdarzeń).
12. Dla każdego badanego wyeksportuj i zapisz zarejestrowane dane czasowe dotyczące charakterystyki ruchów oczu (dane spojrzenia, takie jak odległość widzenia i pozycje spojrzenia) oraz oddzielnie listę czasową zaprezentowanych bodźców wizualnych (dane zdarzeń, np. pozycje bodźców). Upewnij się, że oba pliki danych zostały wyeksportowane jako pliki tekstowe i przekonwertuj je na arkusz danych (np. zapisz jako plik Excel).
    UWAGA: Dwa pliki tekstowe (dane zdarzeń i dane spojrzeń) są łączone za pomocą odpowiadających im znaczników czasu i konwertowane na zestaw ilościowych wartości parametrów przy użyciu własnego programu komputerowego (patrz następna sekcja). W porównaniu ze standardowym oprogramowaniem do analizy eye trackingu, takie parametry zapewniają bardziej precyzyjną i ilościową analizę ruchów oczu, ukierunkowaną na szczegółowe procesy wizualne i poznawcze.

4. Ilościowa analiza ruchów gałek ocznych

UWAGA: Niniejszy protokół jest specyficzny dla autorskiego programu komputerowego. Aby go powtórzyć, należy napisać taki program, np. w MATLAB lub Pythonie, w celu ilościowego określenia zachowania orientacji wzrokowej dziecka. W programie komputerowym dla każdego rodzaju bodźca wykonuje się następujące kroki. Niniejszy przykład koncentruje się na kreskówkach (Cartoon); ten sam protokół ma zastosowanie do innych rodzajów bodźców.

1. Wykonaj postkalibrację danych śledzenia spojrzeń
   1. Otwórz program MATLAB. Wybierz bodziec do analizy danych dotyczących spojrzenia, wpisując „1” obok wybranego bodźca.
   2. Naciśnij Run. W wyświetlonym oknie pop-up wybierz opcję „Post-calibrate the data”. Pojawi się lista plików z danymi dotyczącymi fiksacji wzroku dla poszczególnych badanych. Wybierz dane jednego badanego i naciśnij „Open”.
   3. Z następnego menu rozwijanego wybierz oko (lub oczy), które mają zostać poddane analizie: lewe, prawe lub oba. Program wygeneruje teraz wykres punktowy wszystkich zarejestrowanych pozycji spojrzenia oraz pozycji celów w całym czasie prezentacji bodźca.
   4. Sprawdź, czy pozycje spojrzenia prawidłowo pokrywają się z odpowiadającymi im pozycjami celu. Jeśli kalibracja jest poprawna, naciśnij „Yes”. W przeciwnym razie naciśnij „No”. Uruchomi to możliwość przeprowadzenia pokalibracji.
   5. Przesuń punkt centralny spojrzenia na środek monitora, klikając raz w ten punkt. Punkt centralny ten znajduje się dokładnie w środku osi pionowej i poziomej.
   6. Przeskaluj pozycje spojrzenia do odpowiadających im pozycji celów, klikając raz w środek punktów spojrzenia w każdym z czterech obszarów celu (t. j., 4 kwadranty).
   7. Ponownie sprawdź, czy pozycje spojrzenia poprawnie pokrywają się z odpowiadającymi im pozycjami celów. Jeśli tak, w kolejnym menu wyskakującym zaznacz, że kalibracja została przeprowadzona prawidłowo, naciskając „Yes”, po czym skalibrowane dane dotyczące spojrzenia zostaną zapisane. W przeciwnym razie naciśnij „No”, po czym postkalibracja rozpocznie się ponownie od kroku 4.1.5.
      UWAGA: Po kalibracji końcowej dla każdego typu bodźca i każdego badanego dostępnych jest wiele odpowiedzi wzroku. Mogą one służyć do obliczenia ilościowych parametrów przetwarzania wzrokowego. Przed obliczeniem tych parametrów należy zweryfikować, czy odpowiedzi wzroku wystąpiły w obszarze celu (t. j., że dziecko widziało konkretny bodziec).
2. Określenie, czy bodziec został dostrzeżony
   1. Dla każdej prezentacji bodźca u każdego badanego, odpowiadające jej dane dotyczące spojrzenia, zarejestrowane podczas całkowitego czasu prezentacji, zostały przedstawione na wykresie (Rycina 2). Zweryfikuj, czy bodziec ten został zauważony, sprawdzając kryteria określone w Tabela 1, a są one wizualizowane w Rycina 2Jeśli reakcja ruchu gałek ocznych spełnia kryteria, tj.jeśli bodziec można zaklasyfikować jako widziany, kliknij „Akceptuj” w menu wyskakującym. Jeśli odpowiedź w postaci ruchu gałki ocznej nie jest zgodna z kryteriami, kliknij „Odrzuć”.
   2. Jednocześnie nanieś na wykres wszystkie punkty fiksacji należące do prezentowanego bodźca oraz odpowiadający im obszar docelowy (t. j. kwadrant) na drugim wykresie. Sprawdzić wizualnie, czy punkty fiksacji znajdują się w odpowiednim kwadrancie.
   3. Kontynuuj prezentację kolejnych bodźców i wykonaj kroki 4.2.1 oraz 4.2.2 dla wszystkich dostępnych reakcji ruchów gałek ocznych. Po ręcznej weryfikacji reakcji ruchów gałek ocznych program komputerowy oblicza trzy parametry wynikowe: RTF, FD oraz GFA (Rycina 3).

Rycina 2. Reakcja ruchu oka na obszar docelowy bodźca. Pojedynczy zapis ruchu oka (połączone kierunki poziomy i pionowy) w odległości od centrum obszaru docelowego (w stopniach, oś y) w funkcji czasu prezentacji bodźca (w ms, oś x). Linia przerywana reprezentuje granicę obszaru docelowego (promień 6°). Litery wskazują kryteria ustalenia, czy bodziec został zauważony: (A) sygnał spojrzenia w ciągu pierwszych 500 msec; (B) spojrzenie nie znajdowało się w obszarze docelowym przed 120 msec; (C) spojrzenie wewnątrz obszaru docelowego przez ≥200 msec. Należy zauważyć, że na tej rycinie przedstawiony czas prezentacji wynosi maksymalnie 2 000 msec, aby zwizualizować pierwszą, odruchową reakcję. Podczas testów całkowity czas prezentacji wszystkich bodźców wynosił 4 000 msec. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Kryterium (Rycina 2)	Zweryfikuj, czy sygnał spojrzenia:	Uzasadnienie:
A	Zapisano przez ≥500 ms po wystąpieniu bodźca	Rejestrowanie odruchowych reakcji orientacyjnych
B	Nie weszło w obszar docelowy <120 ms po wystąpieniu bodźca i nie znajdował się już wewnątrz celu w momencie rozpoczęcia prezentacji bodźca	Wykluczenie prawidłowego wyniku uzyskanego w drodze przypadku
C	Przebywał w obszarze docelowym przez ≥200 ms	Zapewnij fiksację wzroku na celu
D	Weszło w obszar docelowy w oknie czasowym 1 500 ms i wykonano mniej niż 4 sakady	Wyklucz zachowania związane z wyszukiwaniem wizualnym

Tabela 1: Kryteria ustalające, czy bodziec został zauważony. Kryteria A, B i C są przedstawione na Rysunku 2.

Rysunek 3. Wizualizacja parametrów ilościowych RTF, FD i GFA. Jeden zapis ruchu oka określający odległość od centrum obszaru celu (w stopniach, oś y) w czasie prezentacji bodźca (w ms, oś x). Pionowa czerwona linia reprezentuje moment, w którym spojrzenie trafiło w obszar celu; t. j. Czas reakcji do fiksacji (RTF). Pozioma czerwona linia reprezentuje całkowity czas fiksacji wzroku na obszarze celu; t. j. Czas fiksacji (FD). Pionowa czerwona strzałka reprezentuje szerokość śladu fiksacji, wyrażoną w stopniach kąta widzenia, t. j., obszar fiksacji wzroku (GFA). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wyniki

Przedstawiona metoda została zastosowana w dwóch populacjach dzieci: grupie kontrolnej składającej się z 337 dzieci bez wad wzroku (średni wiek (SD) = 4,8 (3,3) lat) oraz grupie 119 dzieci z wadami wzroku (średni wiek (SD) = 8,10 (2,96) lat) zrekrutowanych w centrum rehabilitacji wzrokowej (Royal Dutch Visio, Holandia). spośród tych dzieci 74 miało okulistyczne wady wzroku, a 45 miało mózgowe wady wzroku. Wyniki wszystkich dzieci z grupy kontrolnej przedstawiono na Rysunkach 4-6, oddzielnie dla czasu reakcji, czasu trwania fiksacji oraz obszaru fiksacji wzroku. Granice referencyjne (oznaczone czarnymi liniami) zostały opracowane poprzez dopasowanie funkcji logarytmicznej do danych kontrolnych w zależności od wieku. Rysunki te stanowią podstawę do charakteryzowania funkcji przetwarzania wizualnego u dzieci z wadami wzroku pod kątem funkcji zaburzonych lub zachowanych.

Parametr czasu reakcji do fiksacji (RTF) pozwala na rozróżnienie dzieci z wadami wzroku od dzieci bez tych wad, a także pomiędzy poszczególnymi typami zaburzeń widzenia. RTF jest miarą czasu potrzebnego na przetworzenie informacji wizualnej i wykonanie ruchu oka (obliczenia opisano w poprzednim badaniu¹³). Im niższa wartość RTF, tym szybsza odpowiedź w postaci ruchu oka. Dobrą powtarzalność RTF wykazano w grupie typowo rozwijających się dzieci w wieku 0–12 lat^13,21,22 oraz u dzieci z różnymi rodzajami wad wzroku²¹. Rysunek 4 przedstawia średni czas RTF dla dynamicznego bodźca „Kreskówka” w zależności od wieku, dla dzieci z grupy kontrolnej, dzieci z mózgowym zaburzeniem widzenia (CVI) oraz dzieci z okulistyczną wadą wzroku (OVI). Wartości RTF są istotnie wyższe u dzieci z wadami wzroku w porównaniu do dzieci bez tych wad (średnia różnica = 85 msec; t = -13,91, p <0,001, d Cohena = 1,32) oraz u dzieci z CVI w porównaniu do OVI (średnia różnica = 99 msec; t = -6,90, p <0,001, d Cohena = 1,25). Wyniki te potwierdzają wcześniej opublikowane wnioski dotyczące RTF w podgrupach obecnego zbioru danych^20,24,25.

Rycina 4. Średni czas reakcji w grupie dzieci z dysfunkcjami wzroku oraz bez nich. Średnie wartości RTF w ms (oś y) dla każdego dziecka w zależności od wieku (oś x). Wartości przedstawiono oddzielnie dla dzieci z grupy kontrolnej (puste kółka), dzieci z OVI (czarne kółka) oraz dzieci z CVI (krzyżyki). Czarna linia reprezentuje górną granicę referencyjną RTF w grupie kontrolnej. Wartości RTF powyżej tej linii uznaje się za odchylone. tj. długie czasy reakcji. Aby wyświetlić tę figurę w powiększeniu, kliknij tutaj.

Czas trwania fiksacji to całkowity czas, przez który spojrzenie było utrwalone w obszarze celu. FD jest miarą trwałej uwagi wzrokowej i zależy od czasu prezentacji bodźca, który w niniejszym przykładzie wynosi 4 s. Parametr czasu trwania fiksacji (FD) pozwala również zróżnicować dzieci z różnymi rodzajami dysfunkcji wzroku oraz dzieci bez takich zaburzeń. Rysunek 5 przedstawia średni FD w zależności od wieku, osobno dla dzieci z grupy kontrolnej, dzieci z CVI oraz dzieci z OVI. FD jest istotnie krótszy u dzieci z dysfunkcjami wzroku niż u dzieci bez takich zaburzeń (średnia różnica = 850 msec; t = 11,72, p <0,001, d Cohena = -1,12) oraz istotnie krótszy u dzieci z CVI niż u dzieci z OVI (średnia różnica = 325 msec; t = 2,44, p <0,05, d Cohena = -0,50). Potwierdza to wcześniejsze wyniki u dzieci z dysfunkcjami wzroku w porównaniu z dziećmi bez takich zaburzeń (Kooiker MJG et al., w recenzji).

Rysunek 5. Średnia FD u dzieci z zaburzeniami widzenia i bez tych zaburzeń. Średnie wartości FD w ms (oś y) na dziecko w zależności od wieku (oś x). Wartości przedstawiono oddzielnie dla dzieci z grupy kontrolnej (otwarte kółka), dzieci z OVI (czarne kółka) oraz dzieci z CVI (krzyżyki). Czarna linia reprezentuje dolną granicę referencyjną FD w grupie kontrolnej. Wartości FD poniżej tej linii są uznawane za odchylone, i.e. krótki czas trwania fiksacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Parametr obszaru fiksacji wzroku (gaze fixation area, GFA) jest czuły w wykrywaniu zaburzeń kontroli okulomotorycznej, w szczególności oczopląsu. GFA określa wielkość obszaru fiksacji w stopniach i stanowi miarę dokładności fiksacji (sposób obliczeń opisano w poprzednich badaniach^13,23). Mały obszar fiksacji wskazuje na wysoką dokładność fiksacji. GFA zależy od wielkości bodźca i odpowiadającego mu obszaru docelowego (tj. promienia 6º w niniejszym przykładzie). Dobra powtarzalność GFA została wykazana w grupie typowo rozwijających się dzieci w wieku 0–12 lat^{13, 21} oraz u dzieci z różnymi rodzajami wad wzroku²¹. Rysunek 6 przedstawia średnie wartości GFA w odpowiedzi na bodziec w postaci kreskówki w zależności od wieku, osobno dla dzieci z grupy kontrolnej, dzieci z zaburzeniem okulomotorycznym w postaci oczopląsu oraz dzieci z wadami wzroku, ale bez oczopląsu. Wartości GFA są znacząco większe, tj. dokładność fiksacji jest niższa, u dzieci z wadami wzroku w porównaniu do dzieci bez wad wzroku (średnia różnica = 1,34º; t = -25,09, p <0,001, d Cohena = 2,37). Ponadto dzieci z oczopląsem wykazują niższą dokładność fiksacji niż dzieci bez oczopląsu, lecz z innymi rodzajami wad wzroku (średnia różnica = 0,71º; t = 5,03, p <0,001; d Cohena = 1,04). Jest to zgodne z wcześniej opublikowanymi wynikami dotyczącymi GFA w podgrupach obecnego zbioru danych^20,24,25.

Rysunek 6. Średnia GFA u dzieci z zaburzeniami widzenia i bez nich. Średnie wartości GFA w stopniach (oś y) dla poszczególnych dzieci w zależności od wieku (oś x). Wartości przedstawiono oddzielnie dla dzieci z grupy kontrolnej (puste kółka), dzieci z zaburzeniami widzenia i oczopląsem (gwiazdka) oraz dzieci z zaburzeniami widzenia bez oczopląsu (czarny romb). Czarna linia reprezentuje górną granicę referencyjną GFA w grupie kontrolnej. Wartości GFA powyżej tej linii są uznawane za odchylone, i.e. za niską dokładność fiksacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Przedstawiony układ pomiarowy w połączeniu z ilościową analizą ruchu gałek ocznych pozwala na wyraźne scharakteryzowanie funkcji przetwarzania wzrokowego w różnych grupach dzieci z dysfunkcjami okoruchowymi i wzrokowymi. Kluczową cechą tego paradygmatu jest to, że wydajność opiera się na reakcjach ruchowych gałek ocznych na bodźce wzrokowe, które są wyzwalane w sposób odruchowy. Nie udziela się żadnych konkretnych instrukcji słownych i nie ma potrzeby, aby dzieci odpowiadały werbalnie. Parametry RTF, GFA i FD wykazują istotne różnice między grupami dzieci z typowo rozwijającymi się i niedowidzącymi upośledzeniami, pomimo ograniczonego rozpiętości wartości parametrów, która istnieje w każdej grupie (ryc. 4-6). Tak więc, w zależności od ocenianego parametru, niektóre typowo rozwijające się dzieci mogą wykazywać odchylenia od normy, podczas gdy niektóre dzieci z wadami wzroku wykazują "normalną" wydajność. Ostatecznie, wiele miar wyników w odpowiedzi na wiele modalności wizualnych powinno być rozpatrywanych na poziomie indywidualnym. Podsumowanie wszystkich miar wyników zapewnia unikalną charakterystykę zdolności przetwarzania informacji wzrokowych, które mogą być przekształcone w profil wizualny u dzieci od 6 miesiąca życia.

Kilka badań wykazało wartość zdalnego śledzenia wzroku w wrażliwych populacjach dzieci, aby wywnioskować zdolności uwagi lub psychologiczne^9,12,18. Podczas gdy większość badań opiera się na obserwacjach behawioralnych i stosowaniu instrukcji, wyraźną cechą obecnego paradygmatu jest niewerbalne, ilościowe podejście. Krytyczne kroki w ramach protokołu obejmują zatem bodźce, które są oparte na preferencyjnym patrzeniu, mobilną konfigurację pomiarową oraz niestandardowe oprogramowanie do kalibracji i analizy. Przedstawione rozszerzenie wyników opartych na obserwacjach o rozbudowane metody analizy zapewnia ustandaryzowane i szczegółowe wyniki dotyczące funkcji przetwarzania wzrokowego. Jest to zgodne z pracami nad oceną ostrości wzroku niemowląt za pomocą eyetrackera¹⁴ oraz pracami nad kontrolą wzroku w różnych zaburzeniach⁷. Metoda jest elastyczna i umożliwia mobilną ocenę, która jest niezbędna podczas przeprowadzania ocen klinicznych u małych dzieci lub dzieci z niepełnosprawnościami sprzężonymi. Dlatego nadaje się do pomiaru zdolności okulomotorycznych i przetwarzania wzrokowego u praktycznie wszystkich dzieci, które są w stanie patrzeć na monitor.

Znaczenie tej metody w odniesieniu do istniejących metod diagnostyki wizualnej (tj. trafność) zostało zbadane jako pierwszy krok w kierunku wdrożenia klinicznego. Prezentowany paradygmat został połączony z obecnie stosowaną oceną funkcji wzrokowych (VFA) u dzieci. Obserwacje funkcji okoruchowych i wzrokowych, które opierają się na zapisach ruchów gałek ocznych, były porównywalne ze standardowymi obserwacjami behawioralnymi tych funkcji. Co więcej, parametry śledzenia ruchu gałek ocznych, np. czas fiksacji i kierunek sakkady, dostarczyły dodatkowej wartości w charakterystyce sprawności okoruchowej i wzrokowej u dzieci podczas VFA (Kooiker MJG i wsp., 2015, przedłożone). Główną zaletą przedstawionej metody jest możliwość oceny większej liczby funkcji wzrokowych niż ma to miejsce obecnie w ocenie funkcji wzrokowych w młodym wieku oraz ich oceny w sposób ilościowy²⁶. Ograniczeniem w stosunku do istniejących metod jest to, że bez dostosowań nie jest jeszcze możliwa dokładna ocena ostrości wzroku lub pola widzenia za pomocą obecnego zestawu^{badań 14}.

Chociaż ograniczyliśmy się do prezentacji wyników bodźców kreskówkowych, w przyszłych zastosowaniach można testować różne modalności wizualne przy użyciu innych bodźców (np. różnych form, informacji o ruchu, kolorze i kontraście)^22,20,25. W ten sposób ukierunkowane są określone obszary przetwarzania wzrokowego poza głównymi szlakami wzrokowymi, takie jak obszary asocjacji wzrokowej w korze skroniowej lub ciemieniowej. Ograniczeniem tej metody jest to, że obecne bodźce wzrokowe jedynie wyzwalają wykrywanie bodźców wzrokowych i wywołują początkowy etap przetwarzania wzrokowego. Bodźce te nie są ukierunkowane na funkcje wyższego rzędu, które stają się istotne po wykryciu bodźca i które są zwykle mierzone za pomocą testów percepcji wzrokowej. Chociaż ich realizacja bez użycia komunikacji jest wyzwaniem, paradygmat oparty na śledzeniu ruchu gałek ocznych jest obiecującym przyszłym formatem wykrywania informacji związanych z percepcją, np. wyszukiwania wzrokowego, pamięci lub selektywnej uwagi.

Podsumowując, szczegółowe reakcje ruchów gałek ocznych na różne rodzaje stymulacji wzrokowej zapewniają kompleksową charakterystykę funkcji przetwarzania informacji wizualnych na wczesnym etapie rozwoju. Dzięki temu dla każdego dziecka można stworzyć indywidualny profil wzrokowy pod kątem nienaruszonych i upośledzonych funkcji. Taki profil może dostarczyć szczegółowych informacji na temat mocnych i słabych stron funkcji okoruchowych i wzrokowych. Może być wykorzystany jako punkt wyjścia do wsparcia w życiu codziennym oraz do kształcenia nauczycieli i opiekunów. Informacje ilościowe, które stały się dostępne dzięki tej metodzie, mogą być korzystne dla śledzenia rozwoju wzroku w czasie oraz do monitorowania interwencji wzrokowych i programów rehabilitacyjnych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Tobii T60 XL	Technologia Tobii: http://www.tobii.com	http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/	zdalny eye tracker na podczerwień
Tobii Studio	Tobii Technologia: http://www.tobii.com	http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/	oprogramowanie do śledzenia wzroku
MATLAB	MathWorks Inc	http://nl.mathworks.com/products/matlab/	oprogramowanie do analizy danych