Um método automatizado para avaliar a acuidade visual em bebês e crianças pequenas usando um sistema de rastreamento ocular

O período infantil é um período crítico para o desenvolvimento visual. Problemas visuais que surgem no início da vida podem ter um impacto significativo no desenvolvimento de uma criança. É importante ser capaz de realizar uma avaliação visual quantitativa em bebês, o que pode ajudar a detectar precocemente problemas de visão. No entanto, como os bebês não são cognitivamente desenvolvidos ou expressivos o suficiente para reconhecer símbolos de gráficos de acuidade visual, como letras ou gráficos, medir sua acuidade visual é difícil. O padrão-ouro atual para avaliação da visão infantil é o procedimento do cartão de acuidade 1 baseado no teste^de aparência preferencial². No entanto, por exigir testadores experientes para julgar a acuidade visual observando os movimentos oculares da criança 3,4,5,6, ele é limitado pela experiência dos testadores ^4,5. Portanto, os procedimentos com cartões de acuidade, como os cartões de acuidade de Teller (TACs)^5,6, permanecem como um método subjetivo. Assim, há necessidade de um método que possa medir quantitativamente a acuidade visual em lactentes e crianças pequenas, que possa ser utilizado sem a necessidade de comunicação verbal e que não se limite pela necessidade de testadores experientes.

A invenção e o uso do rastreador ocular remoto permitiram o desenvolvimento de um sistema automatizado de medição de acuidade. Em estudos anteriores, métodos de rastreamento ocular foram utilizados como ferramenta para avaliação da função visual em crianças 7,8,9,10. Um rastreador ocular remoto pode ser usado para rastreamento do olhar e é um substituto para a observação de um testador dos movimentos oculares de uma criança. O procedimento ACTIVE⁷ e o procedimento AVAT¹⁰ são testes de acuidade visual totalmente automatizados com rastreador ocular remoto; eles produziram resultados de acuidade visual comparáveis ao teste Keeler Acuity Cards em bebês saudáveis e crianças pequenas. Ao contrário de outros estudos recentes, usamos uma webcam em vez de um rastreador ocular remoto para capturar o olhar da criança. Inventamos um método de aquisição automática de dados de movimento ocular baseado em visão computacional. O procedimento combinou o método de aquisição dos movimentos oculares com a técnica do olhar preferencial na avaliação da função visual em crianças.

Este trabalho tem como objetivo apresentar um novo método automatizado, que pode avaliar a acuidade visual em crianças pequenas, denominado procedimento automatizado do cartão de acuidade (AACP). Este procedimento é particularmente útil para lactentes e crianças mais novas que ainda não adquiriram habilidades de comunicação suficientes. O aspecto chave é que as respostas visuais podem ser quantificadas para produzir acuidade de grade em bebês e crianças pequenas. A medida da acuidade da grade permite a detecção de patologias visuais e desempenha um papel importante no tratamento médico subsequente.

O protocolo aqui descrito foi aprovado pelo Comitê de Ética do Primeiro Hospital Universitário de Pequim (PKUFH 2018-223). Os procedimentos seguiram os princípios da Declaração de Helsinque para pesquisas envolvendo seres humanos. O formato do estudo foi descrito, e o consentimento informado foi obtido dos pais dos participantes.

1. Preparação do aparelho

NOTA: Os componentes AACP foram configurados em uma sala de teste levemente iluminada. Cortinas foram puxadas na sala para evitar a interferência da luz solar. Um sistema de exibição, um sistema de registro e um sistema de análise foram os três componentes do AACP (Figura 1).

1. Configure um sistema de exibição, um monitor de cristal líquido de 28 polegadas (tela de 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0,162 mm/pixel, taxa de quadros de 30 Hz). Coloque o monitor de exibição em uma mesa que possa ser levantada. Linearize a luminância da tela por uma tabela de pesquisa de 8 bits. Defina a luminância em 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 e 400 cd/m² para preto, cinza médio e branco, respectivamente.
2. Coloque dois painéis laterais em cada lado da tela para reduzir as distrações para as crianças que estão sendo testadas.
3. Configure um sistema de gravação, uma webcam profissional de alta definição com resolução de 1080 pixels/30 fps.
   NOTA: A webcam grava sequências de imagens dos comportamentos dos testadores, cada uma cortada em 1280 pixels x 720 pixels. Durante o teste de acuidade automatizado, uma imagem de webcam com carimbo de data/hora é obtida a cada 200 ms para sincronização.
4. Conecte o monitor de exibição e a webcam a um computador, o sistema de análise. Certifique-se de que a webcam esteja localizada no centro, diretamente abaixo da tela, e possa ser ajustada conforme necessário.
   Observação : o monitor e webcam são integrados com o computador (um laptop ou PC desktop) ou são dispositivos separados que são conectados a um computador.
5. Instale o software de procedimentos AACP no computador para a apresentação dos estímulos e análise dos movimentos oculares. O software de procedimento AACP (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 e No. 201510919621.4) compreende um módulo de exibição de estímulo, um módulo de teste de visão e um módulo de processamento de resultados de teste.
6. Defina os estímulos visuais como uma grade de onda quadrada de 12 cm x 12 cm com diferentes frequências espaciais de período/grau (cpd) e uma relação de contraste de 1,00. Certifique-se de que o estímulo seja exibido aleatoriamente no centro da parte esquerda ou direita da tela e que o restante da tela mostre uma área cinza compatível com luminância semelhante ao TACII.
   NOTA: Na distância de detecção de 55 cm (que é consistente com a do TACII), os estímulos foram aproximadamente os mesmos (devido a limitações de tamanho de pixel) que aqueles em cartões TACII impressos (16 cartões, 1/2 oitava).

2. Calibração de rastreamento ocular

1. Obter consentimento informado dos pais e descrever o formato do estudo para eles.
2. Posicione a criança a uma distância de 55 cm do monitor de exibição. Deixe a criança sentada sozinha em uma cadeira ou, de preferência, no colo dos pais. Se a criança se sentar sozinha, deixe o pai sentar-se ao lado da criança.
3. Ajuste a posição da mesa elevatória e coloque-a com o monitor. Organize a tela perpendicularmente aos olhos da criança.
4. Ajuste a posição da webcam para garantir que o rosto da criança esteja visível no sistema de gravação e para evitar capturar rostos diferentes do da criança.
5. Antes de iniciar o procedimento, informe à criança que ela estará assistindo à tela. Instrua os pais a solicitar que a criança olhe para a tela quando a criança não estiver prestando atenção. Não são necessárias instruções específicas durante o teste.
6. Abra o software de procedimento AACP. Digite as informações da criança no software (nome, sexo, idade).
7. Clique no botão Iniciar . O software inicia o procedimento de calibração. Uma imagem GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixels) aparece contra o fundo branco no centro da tela (Figura 2). A imagem e a música de fundo aparecem simultaneamente. Esse estímulo é apresentado por pelo menos 3 s. O sistema de análise determina simultaneamente se a linha de visão da criança está fixada na imagem. Se nenhum dado de olhar estiver disponível dentro de 1 minuto durante esta apresentação, a tela apresenta outra imagem GIF de desenho animado. Quando as coordenadas do olhar são detectadas dentro dessa região, o procedimento de teste é iniciado sem as ações do testador e é executado automaticamente.

3. Procedimento de ensaio

1. Apresente a grade inicial. As frequências espaciais das grades variam de 0,33-30,0 cpd em passos de 1/2 oitava. Determinar a grade inicial pela idade da criança, como no teste TACII.
2. Apresente a grade inicial para 1.000 ms, que é a duração de uma tentativa. Em seguida, apresente uma tela em branco para 200 ms. Apresentar novamente o mesmo estímulo, seguido de uma tela em branco novamente. Apresente a grade da mesma frequência espacial ajustada três vezes.
3. Durante a execução do procedimento, deixe a webcam gravar as fotos faciais da criança. O software usa essas imagens para analisar seu comportamento de observação. O programa de teste visual verifica as respostas dos movimentos oculares com os critérios estabelecidos na Tabela 1 para determinar se o estímulo foi visto (Figura 3).
4. Deixe que o programa de processamento dos resultados do teste apresente o estímulo subsequente, de acordo com o protocolo mostrado na Figura 4¹¹.
5. Após cada três tentativas, apresente uma imagem GIF (com música de fundo) como recompensa visual para manter o interesse da criança. Se nenhum dado do olhar for utilizável (por exemplo, se a criança se virou ou teve os olhos fechados) dentro de 1 min da apresentação da imagem GIF, interrompa o teste. Este teste não produz nenhum resultado.
6. Após a execução das etapas 3.4 e 3.5, analise os resultados da acuidade da grade para a criança gerados pelos softwares.

A AACP foi aplicada em um grupo de crianças11: 155 lactentes e crianças pequenas com desenvolvimento normal (5 a 36 meses de idade, com base na idade gestacional). Em um estudo publicado anteriormente, os resultados de acuidade de grade obtidos pela AACP foram comparados com aqueles obtidos pela TACII. Os resultados obtidos por esses dois procedimentos estão significativamente correlacionados (r153 = 0,83, p < 0,001). Apenas 10,32% (16 de 155) dos resultados das crianças diferiram em mais de uma oitava. Entre elas, oito crianças tinham entre 5 e 7 meses de idade. Dessas 16 crianças, três apresentaram acuidade visual obtida pela AACP de 1,5-2 oitavas acima da obtida pela TACII. As outras 13 crianças apresentaram acuidade visual AACP 1,5-2 oitavas abaixo da acuidade visual TACII.

A acuidade da grade medida pela AACP aumentou gradualmente com o aumento da idade infantil. A Figura 5 mostra a mudança da acuidade da grade medida pela AACP com a mudança da idade em meses. De 6 a 12 meses, a acuidade da grade aumentou em quase 0,5 oitavas. Dos 12 aos 24 meses, a acuidade da grade aumentou em quase uma oitava. De 24 a 36 meses, a acuidade da grade aumentou em quase 1,5 oitavas. A tendência de desenvolvimento da acuidade neste estudo é consistente com os resultados da acuidade medida pelo TACII em estudos anteriores12. Também é consistente com o desenvolvimento da acuidade medida pelo TACII no mesmo grupo de lactentes11.

Figura 1: Aparelho AACP. Os componentes do AACP e a disposição espacial de sua configuração na sala de teste são mostrados. O lactente foi sentado no colo dos pais e visualizado os estímulos binocularmente a uma distância de 55 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Estímulo cartoon no procedimento de calibração. O estímulo dos desenhos animados é uma imagem GIF com música de fundo. O estímulo atrai a atenção visual. Quando o olhar da criança cai dentro da área da imagem, o ponto muda de vermelho para verde, e o procedimento de calibração é realizado. Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Estímulo de grade no procedimento de teste. O estímulo da grade é uma grade de listras verticais em preto e branco apresentadas sobre um fundo cinza uniforme. O ponto de olhar do participante movendo-se do centro para o quadrado verde indica que o participante observou o alvo, o que significa um "acerto". O ponto de olhar do participante movendo-se do centro para a área vazia indica que o participante não observou o alvo, o que significa um "erro". A área quadrada verde tem um comprimento de meio lado baseado na distância do centro do estímulo para o lado da tela (ou seja, do centro do estímulo para a borda esquerda da tela nesta figura). Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Protocolo utilizado no procedimento AACP. Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Box plots de acuidades de grade plotados contra a idade (N = 155). Caixas brancas com linhas vermelhas e cinzas com linhas pretas são acuidades de grade da AACP e TACII11, respectivamente, para cada 6 meses de idade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: Critérios para determinar se um estímulo foi visto.

Os autores fizeram as seguintes divulgações: BK.Y., XQ.L., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and pupil locationization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "Sistema de teste automático de visão" (No. 201510919621.4).