VisualEyes: Um sistema de software modular para Experimentação Oculomotor

Resumo

Controle Neural e processos cognitivos podem ser estudados por meio de movimentos oculares. O software VisualEyes permite que um operador para programar estímulos em duas telas de computador usando de forma independente uma linguagem simples, scripts personalizados. O sistema pode estimular os movimentos oculares em tandem (saccades e exercício suave) ou movimentos oculares opostas (vergence) ou qualquer combinação.

Resumo

Estudos do Movimento Eye forneceram uma base sólida formação de uma compreensão de como o cérebro adquire informação visual, tanto no cérebro normal e disfuncional. ¹ No entanto, o desenvolvimento de uma plataforma para estimular e movimentos oculares loja pode exigir programação substancial, tempo e custos. Muitos sistemas não oferecem a flexibilidade para programar vários estímulos para uma variedade de necessidades experimentais. No entanto, o Sistema VisualEyes tem uma arquitetura flexível, permitindo que o operador escolher qualquer fundo e estímulo primeiro plano, programa de uma ou duas telas para tandem ou opondo-se os movimentos dos olhos e estimular o olho esquerdo e direito de forma independente. Este sistema pode reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento de programação necessários para realizar um estudo oculomotor. O Sistema VisualEyes será discutido em três partes: 1) o dispositivo de gravação oculomotor para adquirir respostas de movimento do olho, 2) o software VisualEyes escrito em LabView, para gerar uma variedade de estímulose as respostas de loja como arquivos de texto e 3) análise de dados offline. Os movimentos oculares podem ser gravadas por vários tipos de instrumentos, tais como: um sistema de rastreamento limbo, uma bobina de pesquisa esclera, ou um sistema de imagem de vídeo. Estímulos dos movimentos oculares típicos, tais como etapas sacádicos, rampas convergentes e passos convergentes com as respostas correspondentes serão mostrados. Neste relatório de vídeo, que demonstram a flexibilidade de um sistema para criar numerosos estímulos visuais e movimentos oculares ficha que podem ser utilizadas por cientistas básicos e clínicos para estudar saudável, bem como populações clínicas.

Protocolo

Uma visão geral dos elementos chave necessários para realizar uma experiência oculomotor é mostrado na figura 1. Cada bloco no diagrama de fluxo serão discutidos em detalhe abaixo.

1. INSTRUMENTOS SET-UP:

1. Qualquer tipo de controlo de movimento do olho pode ser utilizado para este sistema. Vamos demonstrar um acompanhamento limbo infravermelho e um sistema de monitoramento de vídeo.
2. Para os movimentos de rastreamento em tandem, tais como a perseguição sacade ou liso, um computador único pode ser utilizado para a exibição visual. Para estudar os movimentos dos olhos opostas, como convergência ou a interação de convergência com movimentos versão em tandem (ie, vergent com estímulos saccadic) um haploscope é necessária com dois monitores de computador para exibição visual, ver figura 2.

2. Calibração:

1. A calibração é necessária para converter um conjunto de métricas para outro. Os movimentos oculares são geralmente indicadas em graus (°) de rotação mostrados na figura 3. Contudo, m computadoronitors usar valores de pixels em comparação com pesquisadores de visão que muitas vezes denotam os estímulos visuais em graus. Daí, a conversão é necessária para converter os valores de pixel para graus. Pode-se usar a trigonometria para calcular onde colocar as metas físicas para calibrar os displays visuais. Por exemplo, se o estímulo no ecrã do computador alinha com um alvo física ° 2 (ver figura 2) que, em seguida, o valor de pixel corresponde a um 2 ° estímulo.
2. Para calibrar o sistema, o operador precisa abrir Pixel2Deg.vei dentro do diretório VisualEyes. Primeiro, defina o monitor para calibrar usando o campo de modo stretch. Digite o número 1 para o monitor olho esquerdo e número 2 para o monitor olho direito. Em seguida, execute o programa e mover a linha de estímulo verde até que a linha verde é exibida na parte superior da meta física. Introduza a posição conhecida da meta física em graus e pressione o botão salvar. Em seguida, clique na linha verde. O valor de grau e pixel será mostrado no visor em tele parte inferior esquerda canto. O operador deve coletar um mínimo de três pontos de calibração.
3. Depois de salvar todos os pontos de calibração, abra o arquivo de saída D2P no diretório VisualEyes para obter os pontos de calibração. Traçar os pontos de calibração para obter uma equação de regressão linear. Utilizar a equação para calcular a posição inicial e final do estímulo visual do operador desejar programar em valores de pixel. Um exemplo do olho esquerdo e olho direito curva de calibração obtida utilizando-se cinco pontos de calibração para um estímulo de vergência é mostrado na figura 4.
4. Repita os passos 2.2 e 2.3 para o outro monitor se o estímulo requer um monitor adicional.

3. VisualEyes SOFTWARE:

1. Definir um estímulo: O operador tem de definir a posição inicial e final de estímulo olho esquerdo e direito antes da experiência. Primeiro, abra um novo arquivo de texto e na primeira linha, definir o tempo inicial e posição valoriza of o estímulo. Quatro parâmetros têm de ser definidas 1) Tempo (segundos), 2) a posição horizontal (pixel), 3) a posição vertical (pixel), e 4) a rotação (°), separadas por um separador. Da mesma forma, definir os quatro parâmetros do tempo final e posição do estímulo. Salve o estímulo no diretório VisualEyes como stimulus_name.vei arquivo (VEI = VisualEyes entrada) e repita este passo para o outro estímulo olho.
   1. O movimento do estímulo pode ser generalizado em dois tipos de movimento: um passo abrupto ou uma rampa contínua. Um passo permite que o estímulo para mover ou saltar abruptamente a partir da posição inicial para a posição final. O operador deve observar que a mudança no tempo é de 0,001 segundos para um estímulo etapa. Na linha seguinte, definir por quanto tempo você deseja que o estímulo a residir na posição inicial, bem como a posição final. Os estímulos são definidos usando quatro campos dentro de uma linha. Um exemplo de um passo sacade, rampa exercício suave, passo vergent e rampa vergent são mostrados naTabela 1.
   2. Para estímulos, você pode ter um único estímulo, como um passo ou uma seqüência de tarefas visuais tais como a várias etapas.
2. Salve Stimulus em Estímulos Library: Há várias configurações padrão no dc1.txt (olho esquerdo estímulo / monitor) e dc2.txt (olho direito estímulo / Monitor) arquivos dentro do diretório VisualEyes. A primeira linha é a percentagem do crivo, no interior da direcção horizontal. A segunda linha representa a percentagem da tela dentro do sentido vertical. A terceira é a imagem de fundo e a quarta é a imagem de primeiro plano ou de destino. A quinta linha indica que o computador para trabalhar em modo independente. O ^6º significa que monitor (1 é olho direito e 2 é deixado olho). A linha 7 ^th é a relação de aspecto dos monitores. O restante das linhas são os diferentes tipos de estímulos, o operador pode usar dentro de uma sessão experimental.
   1. Abra o dc1.txt e dc2.txt da direc VisualEyestory. Estes dois arquivos contêm os estímulos da biblioteca para o olho esquerdo e olho direito, respectivamente. Na última linha, escrever o nome do estímulo que foi gerado a partir do passo 3.1 arquivo. O número refere-se ao perfil m ^th linha correspondente ao nome do arquivo de estímulo. Por exemplo, na figura 1, o número do perfil do estímulo é 8.
3. Pode-se repetir os passos 3.1 a 3.2 para criar tantos estímulos que são necessários para uma experiência.
4. Escrever Script para o Protocolo Experimental: Abra um arquivo de texto para digitar os comandos Protocolo Experimental. Este arquivo é chamado o arquivo de script que significa que o Sistema VisualEyes irá ler e executar cada comando do script encontrado neste arquivo. A capacidade de criar um arquivo de script para um protocolo experimental permite ao usuário proceder a repetidas sessões experimentais utilizando o mesmo protocolo. Além disso, vários scripts podem ser escritos para variar o tipo ea seqüência de comandos experimentais. Este arquivopodem ser salvos no diretório VisualEyes como um arquivo script_name.ves. (VES = VisualEyes Script)
   1. As funções VisualEyes ter argumentos de entrada e saída. A Tabela 2 mostra todas as funções do software VisualEyes.
      1. ExpTrial: Esta função é usada para chamar o estímulo que foi guardado na biblioteca de estímulo a partir do passo 3.2. O comprimento dos dados é o tempo que permitirá que a função de executar o estímulo. O tempfile.lwf permite que o software VisualEyes para armazenar temporariamente os dados e saída dele de entrada em um buffer de saída. Quando o tempfile.lwf não está definido, durante a execução desta função, ele não irá armazenar todos os dados de entrada para a digitalização.
      2. LogFile: Esta função gera cordas ou o buffer de entrada definido a partir ExpTrial no arquivo out.txt no diretório VisualEyes. Quando a experiência estar completa, o operador tem de mudar o nome do ficheiro out.txt para outro nome. Caso contrário, os dados serão substituídos durante a próxima experiment.
      3. TriggerWait: Esta função aguarda o sujeito a apertar um botão disparador para iniciar o ExpTrial e digitalizar os dados. Este é um canal em no cartão de aquisição digital, que está à espera de um sinal para alterar a partir de um elevado digitais (5 V) para baixo (0 V).
      4. RandomDelay: Esta função gera um atraso aleatório para evitar predição ou antecipação do estímulo seguinte.
      5. WaveMSD: Esta função calcula a média e desvio padrão dos dados.

4. Coloque o EYE MOVEMENT MONITOR & RUN EXPERIÊNCIA:

1. Os monitores diferentes movimentos oculares, tais como o sistema de córnea reflexão vídeo de imagem, sistema de rastreamento de limbo ou esclera bobina pode ser usado para coletar e movimentos registro de olho.
2. Antes de um assunto pode participar, o experimento deve ser explicado e o assunto deve ler e assinar um termo de consentimento aprovado pelo Comitê de Ética.
3. O operador de must ajustar o monitor movimento dos olhos sobre o assunto. Primeiro, o sujeito é solicitado a se fixar em um alvo. O operador ajusta o monitor movimento dos olhos para capturar os atributos anatômicas do olho, como o limbo (fronteira entre a íris e esclera) ou o aluno e reflexão da córnea, dependendo do monitor de movimento dos olhos usada.
4. Uma vez que o monitor de movimento dos olhos está devidamente ajustado sobre o assunto, o operador deve validar que o monitor de movimento dos olhos está capturando os movimentos dos olhos, pedindo o assunto para fazer vergent ou movimentos sacádicos.
5. Abra o programa ReadScript.vei no diretório VisualEyes. No canto superior direito, digite o nome do arquivo de script protocolo experimental criado a partir do passo 3.4 arquivo. Em seguida, execute o programa ReadScript.vei empurrando a seta vermelha no canto superior esquerdo.
6. Dê o assunto no botão disparador e explicar que quando o sujeito aperta o botão, a coleta de dados começará. Outro arquivo Acquire.vei será automático do ly aparecer na tela que irá desenhar os dados recebidos. Os dados são amostrados a 500Hz.
7. Quando a experiência estar completa, o ReadScript.vei irá parar automaticamente. Neste momento, vá para o diretório VisualEyes e localize o arquivo Out1.txt. Renomeie o arquivo de outro modo da próxima vez que o operador corre o experimento, o arquivo de dados serão substituídos.

5. OFF-LINE ANÁLISE DE DADOS:

1. O operador pode analisar os dados por meio de diferentes pacotes de software (ou seja, MATLAB ou o Excel). A latência, velocidade de pico, ou a amplitude de interesse pode ser, dependendo do estudo.
   1. Um exemplo de um código de análise Matlab é fornecido no diretório VisualEyes para traçar saccades, degraus e rampas vergence vergence. Exemplos dos sacádicos conjunto, passo vergence e rampa vergence vestígios de posição com as respostas de velocidade correspondentes são mostrados na figura 5.

6. Resultados representativos:

t "> Exemplos do conjunto de movimentos oculares registados utilizando o Sistema de VisualEyes é mostrado na Figura 5. 10 ° saccadic movimentos típicos são mostrados no gráfico 4A. Antisaccades são respostas saccadic quando o sujeito é dito para fazer uma sacada na direcção oposta de . o estímulo visual e são mostrados na trama 4B Esta é uma tarefa mais exigente cognitivamente, daí pode-se observar que a latência ou a hora de começar o movimento é mais para antisaccades (enredo 4B) em comparação com saccades para um estímulo visual também chamado prosaccades (lote 4A). respostas Vergence a 4 ° etapas são mostradas na trama 4C e vergence respostas para 5 ° / s rampas estímulos são mostrados na trama 4D. Cada traço é um movimento do olho indivíduo, onde a linha superior é a posição indicada em graus como um função do tempo. Os movimentos oculares são calibrados em unidades de graus, ângulos de metros, ou dioptrias. A nossa pesquisa utiliza grau de rotação. A linha inferior representa a velocidade traçada em graus / s, como uma função do tempo de umd é a velocidade do movimento. A escala para cada conjunto de dados difere dependendo do movimento.

Figura 1. Fluxograma de elementos-chave para realizar um experimento oculomotor. Exemplos de medidas necessárias para gerar um estímulo usando o software VisualEyes e realizar um experimento para análise de dados offline são apresentados. A parte A mostra a janela de Pixel2Deg.vei. Parte B demonstra quatro parâmetros necessários para definir um estímulo. Parte C é a biblioteca de estímulos onde as linhas de texto em preto dentro da biblioteca de estímulo são exemplo estímulos arquivos eo texto vermelho define cada linha. Parte D é um exemplo de um protocolo experimental roteiro.

Figura 2. VisualEyes Sistema Haploscope Experimental Set-Up. Três monitores CRT são utilizados: 1) Um painel de controle é necessário para visualizar uma estímulosrespostas d 2) um monitor CRT para o olho direito (RE) estímulos visuais e 3) a CRT monitorar o olho esquerdo (OE) estímulos visuais. Um espelho semi-prateado é colocado 30 centímetros de distância dos dois monitores CRT estímulos visuais. Isto é para garantir que os estímulos nos monitores CRT são projetadas no espelho metade prateada (transmissão de 50% e 50% espelho reflectância). O espelho permite que o sujeito para ver estímulos a partir das telas de computador sobrepostas em alvos localizados a distâncias medido a partir do tema que é necessário para a calibração. Com um haploscope, a procura de alojamento para ambos os olhos é mantida constante. A distância entre os olhos da pessoa e do espelho é de 10 cm. O sistema pode ser ajustado para acomodar diferentes distâncias inter-pupilar (IPD), mas para esta demonstração vamos assumir a IPD em 6 cm.

Figura 3. Os cálculos do sacádicos (esquerda) e Vergent (à direita) movimento de metas A para B são mostrados. IPD é a distância inter-pupilar.

Figura 4. A calibração curva do olho esquerdo (top parcela) e olho direito (gráfico inferior) estímulo. Um procedimento semelhante deverá ser conduzido por estímulos perseguição sacádicos ou lisas.

Figura 5. Exemplos de saccades (A) antisaccades (B), etapas vergence (C) e rampas vergence (D) que utilizam o sistema VisualEyes e analisados ​​usando um programa MATLAB costume. Vestígios de posição Ensemble (° em função do tempo em segundo) são plotados na fileira superior, onde cada linha colorida representa um movimento diferente do olho. Os traços correspondentes velocidade (° / s em função do tempo em segundos).

Tipo de estímulo	Estímulo_Name_Left Eye.vei				Stimulus_Name_Right_Eye.vei
	Tempo (s)	x-position (pixel)	y-posição (pixel)	Rotação (°)	Tempo (s)	x-position (pixel)	y-posição (pixel)	Rotação (°)
Suave perseguição Ramp	0	100	0	0	0	100	0	0
	10	200	0	0	10	200	0	0
Passo Sacada	0	100	0	0	0	100	0	0
	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
Vergence Ramp	0	452	0	0	0	973	0	0
	10	370	0	0	10	1044	0	0
Vergence Passo	0	452	0	0	0	973	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

0,5

Tabela 1. Um exemplo de Suave perseguição Rampa, Etapa sacádicos, Vergence Ramp e Vergence Passo Estímulos

Função	Sintaxe
ExpTrial	Buffer de saída # = ExpTrial ("Corpo de dados: LE Perfil: RE Perfil"); Exemplo: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3");
	Output Tampão # = Exo Trial ("Corpo de dados: LE Perfil: RE Perfil:. tempfile FLM"); Exemplo: 2 = ExpTrial ("13: 3: 3: templfile.lwf");
LogFile	Buffer de saída # = LogFile ("TEXT"); Exemplo: 0 = LogFile ("Experimento 1");
	0 = LogFile (Buffer entrada #); Exemplo: 0 = LogFile (2);
TriggerWait	0 = TriggerWait (Número Tampão); Exemplo: 0 = TriggerWait (0);
RandomDelay	0 = RandomDelay ("t2: t1"); Exemplo: 0 = RandomDelay ("2000: 500");
WaveMSD	Buffer de saída # = WaveMSD (Buffer entrada #);

Tabela 2. Funções usado para escrever o Protocolo Experimental do Programa VisualEyes

Discussão

Passos críticos:

Monitores de movimento dos olhos deve ser ajustado adequadamente sobre o assunto. Por exemplo, monitores de gravação de movimento ocular trabalhar dentro de uma gama e tem de ser ajustada para o objecto. Se o movimento dos olhos do sujeito vai além do alcance, em seguida, o sistema torna-se saturado. Após a saturação, o sinal de movimento dos olhos não é válido. A calibração é também fundamental na gravação de movimento dos olhos. Todos os monitores do movimento ocular medir um...