Artykuł metodologiczny

Zautomatyzowana metoda oceny ostrości wzroku u niemowląt i małych dzieci za pomocą systemu śledzenia ruchu gałek ocznych

DOI:

10.3791/65274

⸱

17 marca 2023

 ,  ,  ,  , 
1Department of Pediatric Ophthalmology, Peking University First Hospital, Peking University Children Vison Institute, Peking University, 2School of Intelligence Science and Technology, Peking University, 3School of Psychological and Cognitive Sciences and Beijing Key Laboratory of Behavior and Mental Health, Peking University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule prezentujemy nowatorską, zautomatyzowaną metodę oceny ostrości wzroku u niemowląt i małych dzieci za pomocą systemu śledzenia wzroku.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pomiar ostrości wzroku jest ważnym testem funkcji wzrokowych do wykonania w okresie niemowlęcym i dziecięcym. Jednak dokładny pomiar ostrości wzroku u niemowląt jest trudny ze względu na braki w ich zdolności komunikacyjnej. W pracy przedstawiono nową, zautomatyzowaną metodę oceny ostrości wzroku u dzieci (5-36 miesięcy). Ta metoda, zautomatyzowana procedura karty ostrości (AACP), wykorzystuje kamerę internetową do śledzenia wzroku i automatycznie rozpoznaje zachowania dzieci związane z oglądaniem. Test preferencyjny wyglądu dwustrzałowego jest wykonywany, gdy badane dziecko obserwuje bodźce wzrokowe wyświetlane na ekranie wyświetlacza cyfrowego o wysokiej rozdzielczości. Gdy badane dziecko ogląda bodźce, jego zdjęcia twarzy są rejestrowane przez kamerę internetową. Obrazy te są wykorzystywane przez ustawiony program komputerowy do analizy ich zachowania podczas oglądania. Dzięki tej procedurze mierzone są reakcje ruchowe gałek ocznych dziecka na różne bodźce, a jego ostrość wzroku jest oceniana bez komunikacji. Porównując wyniki z ostrością siatki uzyskaną za pomocą kart ostrości Tellera (TAC), wydajność AACP uznaje się za porównywalną z TACs.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Okres niemowlęcy jest krytycznym okresem dla rozwoju wzroku. Problemy ze wzrokiem, które pojawiają się we wczesnym okresie życia, mogą mieć znaczący wpływ na rozwój dziecka. Ważne jest, aby móc przeprowadzić ilościową ocenę wzrokową u niemowląt, która może pomóc w wykryciu wczesnych problemów ze wzrokiem. Ponieważ jednak niemowlęta nie są wystarczająco rozwinięte poznawczo ani ekspresyjne, aby rozpoznać symbole wykresu ostrości wzroku, takie jak litery lub wykresy, pomiar ich ostrości wzroku jest trudny. Obecnie złotym standardem oceny wzroku niemowląt jest procedura karty ostrości wzroku1 oparta na teście preferencyjnie wyglądającym2. Ponieważ jednak ta metoda wymaga od doświadczonych testerów oceny ostrości wzroku poprzez obserwację ruchów gałek ocznych dziecka3,4,5,6, jest ograniczona doświadczeniem testerów4,5. W związku z tym procedury kart ostrości wzroku, takie jak karty ostrości kasjera (TAC)5,6, pozostają metodą subiektywną. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na metodę, która może ilościowo mierzyć ostrość wzroku u niemowląt i małych dzieci, która może być stosowana bez potrzeby komunikacji werbalnej i która nie jest ograniczona przez wymaganie doświadczonych testerów.

Wynalezienie i użycie zdalnego śledzenia wzroku umożliwiło opracowanie zautomatyzowanego systemu pomiaru ostrości ostrości. W poprzednich badaniach metody śledzenia wzroku były wykorzystywane jako narzędzie do oceny funkcji wzrokowych u dzieci7,8,9,10. Zdalny eye tracker może być używany do śledzenia wzroku i jest substytutem obserwacji ruchów gałek ocznych dziecka przez testera. Procedura ACTIVE7 i procedura AVAT10 to w pełni zautomatyzowane testy ostrości wzroku ze zdalnym monitorem wzroku; uzyskały one wyniki porównywalne z wynikami oceny ostrości wzroku przeprowadzonym w teście Keeler Acuity Cards u zdrowych niemowląt i małych dzieci. W przeciwieństwie do innych ostatnich badań, użyliśmy kamery internetowej zamiast zdalnego śledzenia oczu, aby uchwycić wzrok dziecka. Wynaleźliśmy metodę automatycznego pozyskiwania danych o ruchu gałek ocznych w oparciu o widzenie komputerowe. W procedurze połączono metodę akwizycji ruchu gałek ocznych z techniką preferencyjnego patrzenia w ocenie funkcji wzrokowych u dzieci.

Ten artykuł ma na celu przedstawienie nowatorskiej metody automatycznej, która może oceniać ostrość wzroku u małych dzieci, zwanej procedurą automatycznej karty ostrości wzroku (AACP). Ta procedura jest szczególnie przydatna dla niemowląt i młodszych dzieci, które nie nabyły jeszcze wystarczających umiejętności komunikacyjnych. Kluczowym aspektem jest to, że reakcje wzrokowe można określić ilościowo, aby uzyskać ostrość zgrzytu u niemowląt i małych dzieci. Pomiar ostrości siatki umożliwia wykrycie patologii wzroku i odgrywa ważną rolę w późniejszym postępowaniu medycznym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisany tutaj protokół został zatwierdzony przez Komisję Etyki Pierwszego Szpitala Uniwersytetu Pekińskiego (PKUFH 2018-223). Procedury były zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej w odniesieniu do badań z udziałem ludzi. Opisano format badania i uzyskano świadomą zgodę rodziców uczestników.

1. Przygotowanie aparatury

UWAGA: Komponenty AACP zostały ustawione w łagodnie oświetlonym pomieszczeniu testowym. W pomieszczeniu zaciągnięto zasłony, aby uniknąć zakłóceń spowodowanych światłem słonecznym. System wyświetlania, system rejestracji i system analizy były trzema składnikami AACP (Rysunek 1).

  1. Skonfiguruj system wyświetlania, 28-calowy monitor ciekłokrystaliczny (ekran 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pikseli x 2160 pikseli, 0,162 mm/piksel, częstotliwość odświeżania 30 Hz). Umieść monitor na stole, który można podnieść. Linearyzacja luminancji ekranu za pomocą 8-bitowej tabeli przeglądowej. Ustaw luminancję na 1 cd/m2, 200 cd/m2 i 400 cd/m2 odpowiednio dla czerni, średniej szarości i bieli.
  2. Umieść dwa panele boczne po obu stronach ekranu, aby zmniejszyć rozproszenie uwagi testowanych dzieci.
  3. Skonfiguruj system nagrywania, profesjonalną kamerę internetową o wysokiej rozdzielczości i rozdzielczości 1080 pikseli/30 kl./s.
    UWAGA: Kamera internetowa rejestruje sekwencje obrazów przedstawiających zachowania testerów, z których każdy jest przycięty do 1280 pikseli x 720 pikseli. Podczas automatycznych testów ostrości co 200 ms uzyskuje się jeden obraz z kamery internetowej ze znacznikiem czasu w celu synchronizacji.
  4. Podłącz wyświetlacz, monitor i kamerę internetową do komputera, systemu analizy. Upewnij się, że kamera internetowa znajduje się pośrodku, bezpośrednio pod ekranem i można ją regulować w razie potrzeby.
    UWAGA: Monitor i kamera internetowa są albo zintegrowane z komputerem (laptopem lub komputerem stacjonarnym), albo są oddzielnymi urządzeniami, które są następnie podłączane do komputera.
  5. Zainstaluj na komputerze oprogramowanie zabiegowe AACP do prezentacji bodźców i analizy ruchów gałek ocznych. Oprogramowanie procedury AACP (Chińskie Krajowe Patenty Wynalazków, nr 201910865074.4 i nr 201510919621.4) składa się z modułu wyświetlania bodźców, modułu badania wzroku i modułu przetwarzania wyników testów.
  6. Ustaw bodźce wizualne jako siatkę o wymiarach 12 cm x 12 cm z różnymi częstotliwościami przestrzennymi okresu/stopnia (cpd) i współczynnikiem kontrastu 1,00. Upewnij się, że bodziec jest wyświetlany losowo na środku lewej lub prawej części ekranu, a reszta ekranu pokazuje szary obszar dopasowany do luminancji, podobny do TACII.
    UWAGA: Przy odległości wykrywania wynoszącej 55 cm (co jest zgodne z odległością TACII) bodźce były w przybliżeniu takie same (ze względu na ograniczenia rozmiaru pikseli) jak te na wydrukowanych kartach TACII (16 kart, 1/2 oktawy).

2. Kalibracja śledzenia ruchu gałek ocznych

  1. Uzyskaj świadomą zgodę rodziców i opisz im format badania.
  2. Ustaw dziecko w odległości 55 cm od monitora. Pozwól dziecku siedzieć samo na krześle lub najlepiej na kolanach rodzica. Jeśli dziecko siedzi samo, pozwól rodzicowi usiąść obok dziecka.
  3. Dostosuj położenie stołu podnoszącego i umieść go z monitorem. Ułóż ekran prostopadle do oczu dziecka.
  4. Dostosuj położenie kamery internetowej, aby upewnić się, że twarz dziecka jest widoczna w systemie nagrywania i aby uniknąć przechwytywania twarzy innych niż twarz dziecka.
  5. Przed rozpoczęciem zabiegu poinformuj dziecko, że będzie oglądać ekran. Poinstruuj rodzica, aby poprosił dziecko, aby patrzyło na ekran, gdy dziecko nie zwraca uwagi. Podczas testu nie są wymagane żadne szczegółowe instrukcje.
  6. Otwórz oprogramowanie procedury AACP. Wpisz do oprogramowania informacje o dziecku (imię, płeć, wiek).
  7. Kliknij przycisk Start. Oprogramowanie rozpocznie procedurę kalibracji. Obraz w formacie GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pikseli) pojawia się na białym tle na środku ekranu (Rysunek 2). Obraz i muzyka w tle pojawiają się jednocześnie. Ten bodziec jest prezentowany przez co najmniej 3 s. System analizy jednocześnie określa, czy linia wzroku dziecka jest skupiona na obrazie. Jeśli podczas tej prezentacji w ciągu 1 minuty nie są dostępne żadne dane dotyczące spojrzenia, na ekranie pojawi się kolejny obraz GIF z kreskówki. Po wykryciu współrzędnych wzroku w tym obszarze, procedura testowa rozpoczyna się bez działań testera i przebiega automatycznie.

3. Procedura testowa

  1. Przedstaw początkową kratę. Częstotliwości przestrzenne siatek wahają się od 0,33-30,0 cpd w krokach co 1/2 oktawy. Określ początkową kratę na podstawie wieku dziecka, tak jak w teście TACII.
  2. Przedstaw początkową siatkę na 1,000 ms, co jest długością próby. Następnie zaprezentuj pusty ekran na 200 ms. Ponownie przedstaw ten sam bodziec, a następnie ponownie pusty ekran. Przedstawić siatkę o tej samej częstotliwości przestrzennej ustawionej trzy razy.
  3. Podczas wykonywania zabiegu pozwól, aby kamerka internetowa zarejestrowała zdjęcia twarzy dziecka. Oprogramowanie wykorzystuje te zdjęcia do analizy ich zachowania podczas oglądania. Program badania wzroku sprawdza reakcje ruchów gałek ocznych zgodnie z kryteriami podanymi w Tabeli 1 w celu określenia, czy bodziec został zaobserwowany (Rysunek 3).
  4. Niech program przetwarzający wyniki testów przedstawi kolejny bodziec, zgodnie z protokołem pokazanym w Rysunek 411.
  5. Po każdych trzech próbach przedstaw obraz GIF (z muzyką w tle) jako wizualną nagrodę, aby utrzymać zainteresowanie dziecka. Jeśli żadne dane dotyczące spojrzenia nie są użyteczne (np. jeśli dziecko odwróciło się lub miało zamknięte oczy) w ciągu 1 minuty od prezentacji obrazu GIF, przerwij test. Ten test nie daje żadnego wyniku.
  6. Po wykonaniu kroków 3.4 i 3.5 przeanalizuj wyniki ostrości siatki dla dziecka wygenerowane przez programy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

AACP został zastosowany do jednej grupy dzieci11: 155 normalnie rozwijających się niemowląt i małych dzieci (od 5 do 36 miesięcy, w zależności od wieku ciążowego). We wcześniej opublikowanym badaniu wyniki ostrości siatki uzyskane przez AACP porównano z wynikami uzyskanymi przez TACII. Wyniki uzyskane za pomocą tych dwóch procedur są istotnie skorelowane (r153 = 0,83, p < 0,001). Tylko 10,32% (16 ze 155) wyników dzieci różniło się o więcej niż jedną oktawę. Wśród nich było o...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kilka badań 7,8,9,10 opartych na metodzie śledzenia ruchu gałek ocznych wykazało wartość tej metody w ocenie niemowląt i małych dzieci, które mają trudności w komunikacji werbalnej. Jednak liczba uczestników poprzednich badań jest stosunkowo niewielka. Tylko 30 niemowląt w wieku poniżej 12 miesięcy zostało przebadanych za pomocą procedury ACTIVE, która została opracowana przez Jonesa i wsp.7

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy dokonali następujących ujawnień: BK.Y., XQ.L., JS.C. i L.W.: Chiński Patent na Wynalazek Narodowy "Metoda i system wykrywania twarzy i lokalizacji źrenic w ciągłych klatkach wideo" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. i LW: Chiński patent na wynalazek narodowy "Automatyczny system testowania Vision" (nr 201510919621.4).

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było wspierane przez Capital's Fund for Health Improvement and Research (No. 2018-2Z-4076) oraz Peking University First Hospital SEED Research Funds (2019SF31).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Oprogramowanie do procedur AACPIn-houseIn-houseOprogramowanie proceduralne AACP (China National Invention Patents, nr 201910865074.4 i nr 201510919621.4) składa się z modułu wyświetlania bodźców, modułu badania wzroku i modułu przetwarzania wyników testów.
Procesor komputerowyIntel Corporation, Santa Clara, CA, USA Procesor Intel CORE i7-6500USystem analizy
Monitor wyświetlaczaInnoLux Co., Ltd., ChinyInnoLux M280DGJ-L30 System wyświetlania
Kamera internetowaLogitech International S.A., Lozanna, Szwajcaria System nagrywaniakamery internetowej Logitech C920 high-definition pro
z

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Teller, D. Y., McDonald, M. A., Preston, K., Sebris, S. L., Dobson, V. Assessment of visual acuity in infants and children: the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 28 (6), 779-789 (1986).
  2. Teller, D. Y. The forced-choice preferential looking procedure: a psychophysical technique for use with human infants. Infant Behavior and Development. 2, 135-153 (1979).
  3. Preston, K. L., McDonald, M., Sebris, S. L., Dobson, V., Teller, D. Y. Validation of the acuity card procedure for assessment of infants with ocular disorders. Ophthalmology. 94 (6), 644-653 (1987).
  4. Mohn, G., vanHof-van Duin, J., Fetter, W. P., de Groot, L., Hage, M. Acuity assessment of non-verbal infants and children: clinical experience with the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 30 (2), 232-244 (1988).
  5. Cavallini, A., et al. Visual acuity in the first two years of life in healthy term newborns: an experience with the teller acuity cards. Functional Neurology. 17 (2), 87-92 (2002).
  6. Clifford, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Are norms based on the original teller acuity cards appropriate for use with the new teller acuity cards II. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. 9 (5), 475-479 (2005).
  7. Jones, P. R., Kalwarowsky, S., Atkinson, J., Braddick, O. J., Nardini, M. Automated measurement of resolution acuity in infants using remote eye-tracking. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (12), 8102-8110 (2014).
  8. Hathibelagal, A. R., Leat, S. J., Irving, E. L., Nandakumar, K., Eizenman, M. Measuring infant visual acuity with gaze tracker monitored visual fixation. Optometry and Vision Science. 92 (7), 823-833 (2015).
  9. Barsingerhorn, A. D., Boonstra, F. N., Goossens, J. Saccade latencies during a preferential looking task and objective scoring of grating acuity in children with and without visual impairments. Acta Ophthalmologica. 97 (6), 616-625 (2019).
  10. Vrabič, N., Juroš, B., Tekavčič Pompe, M. Automated visual acuity evaluation based on preferential looking technique and controlled with remote eye tracking. Ophthalmic Research. 64 (3), 389-397 (2021).
  11. Wen, J., Yang, B., Li, X., Cui, J., Wang, L. Automated assessment of grating acuity in infants and toddlers using an eye-tracking system. Journal of Vision. 22 (12), 8(2022).
  12. Leone, J. F., Mitchell, P., Kifley, A., Rose, K. A. Normative visual acuity in infants and preschool-aged children in Sydney. Acta Ophthalmologica. 92 (7), e521-e529 (2014).
  13. Clifford-Donaldson, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Teller Acuity Card norms with and without use of a testing stage. Journal of AAPOS. 10 (6), 547-551 (2006).
  14. Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Zautomatyzowana karta ostro ci wzrokutest preferencyjnego patrzeniaocena wzroku u niemowl tbadanie wzroku u ma ych dzieciledzenie wzroku za pomoc kamery internetowejostro widzenia pr k wkarty ostro ci Tellerabod ce wzrokowe

Powiązane artykuły