Автоматизированный метод оценки остроты зрения у младенцев и детей ясельного возраста с использованием системы слежения за движением глаз

Младенческий период является критическим периодом для зрительного развития. Проблемы со зрением, возникающие в раннем возрасте, могут оказать значительное влияние на развитие ребенка. Важно иметь возможность проводить количественную визуальную оценку у младенцев, которая может помочь обнаружить проблемы со зрением на ранних стадиях. Однако, поскольку младенцы недостаточно когнитивно развиты или выразительны, чтобы распознавать символы таблицы остроты зрения, такие как буквы или графики, измерить их остроту зрения сложно. В настоящее время золотым стандартом оценки зрения младенцев является процедура карты остроты^{зрения 1}, основанная на тесте на предпочтительный внешний вид². Однако, поскольку этот метод требует, чтобы опытные тестировщики оценивали остроту зрения, наблюдая за движениями глаз ребенка 3,4,5,6, он ограничен опытом тестировщиков ^4,5. Таким образом, процедуры карт остроты зрения, такие как карты остроты зрения Теллера (TAC)^5,6, остаются субъективным методом. Таким образом, существует потребность в методе, который может количественно измерять остроту зрения у младенцев и детей младшего возраста, который можно использовать без необходимости вербального общения и который не ограничивается требованием опытных тестировщиков.

Изобретение и использование дистанционного айтрекера позволило разработать автоматизированную систему измерения остроты зрения. В предыдущих исследованиях методы айтрекинга использовались в качестве инструмента для оценки зрительной функции у детей 7,8,9,10. Дистанционный айтрекер может использоваться для отслеживания взгляда и заменяет наблюдение тестера за движениями глаз ребенка. Процедура ACTIVE⁷ и процедура^{AVAT 10} представляют собой полностью автоматизированные тесты остроты зрения с дистанционным айтрекером; они дали результаты, сопоставимые с тестом Килера Acuity Cards у здоровых младенцев и детей младшего возраста. В отличие от других недавних исследований, мы использовали веб-камеру вместо удаленного айтрекера, чтобы захватить взгляд ребенка. Мы изобрели метод автоматического сбора данных о движении глаз на основе компьютерного зрения. Процедура сочетала метод регистрации движений глаз с методом предпочтительного взгляда при оценке зрительной функции у детей.

Эта статья направлена на то, чтобы представить новый автоматизированный метод, который может оценить остроту зрения у детей младшего возраста, называемый автоматической процедурой карты остроты зрения (AACP). Эта процедура особенно полезна для младенцев и детей младшего возраста, которые еще не приобрели достаточных коммуникативных навыков. Ключевым аспектом является то, что зрительные реакции могут быть количественно оценены для получения остроты решетки у младенцев и детей младшего возраста. Измерение остроты зрения решеткой позволяет выявлять зрительные патологии и играет важную роль в последующем медицинском лечении.

Описанный здесь протокол был одобрен Этическим комитетом Первой больницы Пекинского университета (PKUFH 2018-223). Процедуры соответствовали принципам Хельсинкской декларации в отношении исследований с участием людей. Был описан формат исследования, а также получено информированное согласие родителей участников.

1. Подготовка аппарата

ПРИМЕЧАНИЕ: Компоненты AACP были установлены в слабо освещенной испытательной комнате. В комнате были натянуты шторы, чтобы избежать вмешательства солнечного света. Система отображения, система записи и система анализа были тремя компонентами AACP (рис. 1).

1. Настройте систему отображения, 28-дюймовый жидкокристаллический монитор (экран 62,208 см x 34,992 см, 3840 x 2160 пикселей, 0,162 мм/пиксель, частота кадров 30 Гц). Поставьте монитор на стол, который можно поднять. Линеаризируйте яркость экрана с помощью 8-битной таблицы поиска. Установите яркость 1 кд/м 2, 200 кд / м 2 и 400 кд / м ² для черного, серого и белого соответственно.
2. Разместите две боковые панели по обе стороны экрана, чтобы не отвлекать тестируемых детей.
3. Настройте систему записи, профессиональную веб-камеру высокой четкости с разрешением 1080 пикселей / 30 кадров в секунду.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Веб-камера записывает последовательности изображений поведения тестеров, каждая из которых обрезана с разрешением 1280 x 720 пикселей. Во время автоматического тестирования остроты зрения каждые 200 мс для синхронизации получается одно изображение с веб-камеры с отметкой времени.
4. Подключите дисплей, монитор и веб-камеру к компьютеру, системе анализа. Убедитесь, что веб-камера расположена в центре, прямо под экраном, и ее можно настроить по мере необходимости.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Монитор и веб-камера либо интегрированы с компьютером (ноутбуком или настольным ПК), либо являются отдельными устройствами, которые затем подключаются к компьютеру.
5. Установите на компьютер программное обеспечение процедуры AACP для представления стимулов и анализа движений глаз. Программное обеспечение процедуры AACP (Китайские национальные патенты на изобретения, No 201910865074.4 и No 201510919621.4) включает модуль отображения стимулов, модуль визуального тестирования и модуль обработки результатов тестирования.
6. Установите визуальные стимулы в виде прямоугольной решетки размером 12 см x 12 см с различными пространственными частотами периода/градуса (cpd) и коэффициентом контрастности 1,00. Убедитесь, что стимул отображается случайным образом в центре левой или правой части экрана, а остальная часть экрана показывает серую область, соответствующую яркости, аналогичную TACII.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На расстоянии обнаружения 55 см (что согласуется с таковым у TACII) стимулы были примерно такими же (из-за ограничений размера пикселя), как и на печатных картах TACII (16 карт, 1/2 октавы).

2. Калибровка слежения за глазами

1. Получите информированное согласие родителей и опишите им формат обучения.
2. Расположите ребенка на расстоянии 55 см от монитора. Пусть ребенок сидит один на стуле или, желательно, на коленях у родителей. Если ребенок сидит один, пусть родитель сидит рядом с ребенком.
3. Отрегулируйте положение подъемного стола и поместите его к монитору. Расположите экран перпендикулярно глазам ребенка.
4. Отрегулируйте положение веб-камеры, чтобы лицо ребенка было видно в системе записи, и чтобы избежать захвата лиц, отличных от лица ребенка.
5. Перед началом процедуры сообщите ребенку, что он будет смотреть на экран. Попросите родителя предлагать ребенку смотреть на экран, когда ребенок не обращает внимания. Никаких специальных инструкций во время теста не требуется.
6. Откройте программное обеспечение процедуры AACP. Введите информацию о ребенке в программное обеспечение (имя, пол, возраст).
7. Нажмите на кнопку «Пуск ». Программное обеспечение запускает процедуру калибровки. Изображение в формате GIF (2,0736 см x 2,0736 см, 128 x 128 пикселей) отображается на белом фоне в центре экрана (рис. 2). Изображение и фоновая музыка появляются одновременно. Этот стимул представлен не менее 3 с. Система анализа одновременно определяет, зафиксирована ли линия зрения ребенка на изображении. Если в течение 1 минуты во время этой презентации данные о взгляде недоступны, на экране отображается другое мультяшное GIF-изображение. При обнаружении координат взгляда в пределах этой области процедура тестирования запускается без действий тестера и запускается автоматически.

3. Процедура тестирования

1. Представьте начальную решетку. Пространственные частоты решеток колеблются от 0,33 до 30,0 cpd с шагом в 1/2 октавы. Определите начальную решетку по возрасту ребенка, как в тесте TACII.
2. Представьте начальную решетку для 1,000 мс, что является продолжительностью испытания. Затем представьте пустой экран на 200 мс. Снова предъявите тот же стимул, а затем снова пустой экран. Трижды представьте решетку с одной и той же установленной пространственной частотой.
3. Во время выполнения процедуры пусть веб-камера записывает снимки лица ребенка. Программное обеспечение использует эти изображения для анализа их поведения при просмотре. Программа тестирования зрения проверяет реакцию движения глаз с критериями, указанными в таблице 1 , чтобы определить, был ли замечен стимул (рис. 3).
4. Пусть программа обработки результатов тестирования представит последующий стимул в соответствии с протоколом, показанным на рисунке 4¹¹.
5. После каждых трех попыток представляйте изображение в формате GIF (с фоновой музыкой) в качестве визуальной награды, чтобы поддерживать интерес ребенка. Если данные о взгляде не могут быть использованы (например, если ребенок повернулся или закрыл глаза) в течение 1 минуты после представления изображения GIF, остановите тест. Этот тест не дает результата.
6. После выполнения шагов 3.4 и 3.5 проанализируйте результаты остроты решетки для ребенка, выведенные программами.

AACP применяли к одной группе детей11: 155 нормально развивающихся младенцев и детей ясельного возраста (от 5 до 36 месяцев, в зависимости от гестационного возраста). В ранее опубликованном исследовании результаты остроты решетки, полученные с помощью AACP, сравнивались с результатами, полученными с помощью TACII. Результаты, полученные этими двумя процедурами, достоверно коррелируют (r153 = 0,83, p < 0,001). Только 10,32% (16 из 155) результатов детей отличались более чем на одну октаву. Среди них восемь детей были в возрасте 5-7 месяцев. Из этих 16 детей трое имели результаты остроты зрения, полученные с помощью AACP, которые были на 1,5-2 октавы выше, чем результаты, полученные с помощью TACII. У остальных 13 детей острота зрения AACP была на 1,5-2 октавы ниже остроты зрения TACII.

Острота решетки, измеренная с помощью AACP, постепенно увеличивалась по мере увеличения младенческого возраста. На рисунке 5 показано изменение остроты решетки, измеренное AACP, с изменением возраста в месяцах. С 6 до 12 месяцев острота решетки увеличилась почти на 0,5 октавы. С 12 до 24 месяцев острота решетки увеличилась почти на одну октаву. С 24 до 36 месяцев острота решетки увеличилась почти на 1,5 октавы. Тенденция развития остроты зрения в этом исследовании согласуется с результатами остроты зрения, измеренными с помощью TACII в предыдущих исследованиях12. Это также согласуется с остротой развития, измеренной TACII в той же группе младенцев11.

Рисунок 1: Аппарат AACP. Показаны компоненты AACP и пространственное расположение их установки в испытательной комнате. Младенец сидел на коленях у родителей и рассматривал стимулы в бинокль на расстоянии 55 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Мультяшный стимул в процедуре калибровки. Мультяшный стимул представляет собой GIF-изображение с фоновой музыкой. Стимул привлекает визуальное внимание. Когда взгляд ребенка попадает в область изображения, точка меняется с красной на зеленую, и выполняется процедура калибровки. Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Решетчатый стимул в процедуре тестирования. Решетчатый стимул представляет собой решетку из вертикальных черно-белых полос, представленных на однородном сером фоне. Точка взгляда участника, движущегося от центра к зеленому квадрату, указывает на то, что участник наблюдал за целью, что означает «попадание». Точка взгляда участника, движущегося от центра к пустой области, указывает на то, что участник не следил за целью, что означает «промах». Область зеленого квадрата имеет половину длины стороны, основанной на расстоянии от центра стимула до стороны экрана (т. е. от центра стимула до левого края экрана на этом рисунке). Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Протокол, используемый в процедуре AACP. Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Прямоугольные диаграммы остроты решетки, построенные в зависимости от возраста (N = 155). Белые прямоугольники с красными линиями и серые прямоугольники с черными линиями являются решетчатыми острыми значениями AACP и TACII11 соответственно на каждые 6 месяцев. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Критерии для определения того, был ли замечен стимул.

Авторы сделали следующие раскрытия: BK.Y., XQ.L., JS.C. и L.W.: Китайский национальный патент на изобретение «Способ и система распознавания лиц и локализации зрачков в непрерывных видеокадрах» (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. и L.W.: Китайский национальный патент на изобретение «Система автоматического тестирования зрения» (No 201510919621.4).