Summary
Amblyopie is een ontwikkelingsstoornis van de visuele cortex die vaak gepaard gaat met een sterke onderdrukking van een oog. We presenteren een nieuwe techniek voor het meten en behandelen van interocular onderdrukking bij patiënten met amblyopie die kunnen worden ingezet met behulp van virtual reality bril of een draagbaar iPod Touch-apparaat.
Abstract
Amblyopie, een ontwikkelingsstoornis van de visuele cortex, is een van de belangrijkste oorzaken van visuele stoornissen in de bevolking op beroepsactieve leeftijd. Huidige schattingen van de prevalentie van amblyopie ongeveer 1-3% 1-3, de meeste gevallen zijn monoculaire 2. Amblyopie wordt meestal veroorzaakt door oculaire verkeerde uitlijning (strabismus), onscherpte veroorzaakt door ongelijke refractieve fout (anisometropie), en in sommige gevallen door de vorm ontbering.
Hoewel amblyopie wordt in eerste instantie veroorzaakt door abnormale visuele input in de kinderschoenen, eenmaal vastgesteld, de visuele tekort blijft vaak als normale visuele input is hersteld met behulp van chirurgie en / of refractieve correctie. Dit komt omdat amblyopie is het resultaat van abnormale visuele cortex ontwikkeling dan een probleem met het oog zelf amblyopic 4,5. Amblyopie wordt gekenmerkt door zowel monoculaire en binoculaire tekorten 6,7 die verminderde gezichtsscherpte en weinig of geen s bevattentereopsis respectievelijk. De visuele disfunctie bij amblyopie wordt vaak geassocieerd met een sterke onderdrukking van de inbreng van de amblyopic oog onder binoculair kijkomstandigheden 8. Recent werk heeft aangegeven dat onderdrukking kan een centrale rol spelen bij zowel de monoculaire en binoculaire tekorten in verband met amblyopie 9,10.
Huidige klinische proeven onderdrukking neiging om de aanwezigheid of afwezigheid van onderdrukking eerder dan een kwantitatieve meting van de mate van onderdrukking verifiëren. Hier beschrijven we een techniek voor het meten van amblyopic onderdrukking met een compact, draagbaar apparaat 11,12. De inrichting bestaat uit een laptop computer verbonden met een paar virtual reality bril. De nieuwigheid van de techniek schuilt in de manier waarop we presenteren visuele stimuli te onderdrukken meten. Stimuli worden getoond aan de amblyopic oog hoog contrast, terwijl het contrast van de stimuli getoond aan de niet-amblyopic oog worden gevarieerd. Patiënten uitvoeren van een simple signaal / ruis taak die zorgt voor een nauwkeurige meting van de sterkte van exciterende binoculaire interacties. Compenseren contrast heeft waar noch oog een prestatievoordeel is een maat voor het "zwaartepunt" en is een directe maat van onderdrukking. Deze techniek is psychofysisch gevalideerd zowel in de controle 13,14 en patiënt 6,9,11 populaties.
Naast het meten onderdrukking deze techniek vormt ook de basis van een nieuwe vorm van behandeling onderdrukking na verloop van tijd en verbeteren binoculaire en vaak monoculair functie volwassen patiënten met amblyopie 12,15,16. Deze nieuwe benadering van de behandeling kan worden ingezet op de goggle hierboven beschreven systeem of op een speciaal aangepaste iPod touch-apparaat 15.
Protocol
1. De Meting van de Onderdrukking
- Voordat u begint met het meten van de onderdrukking, geef de patiënt gedetailleerde instructies (zie 1.8) en tonen de visuele stimuli met betrekking tot stappen 1,2-1.8 hieronder op de laptop scherm. Alle patiënten moeten dragen volledige refractie correctie (bril / contactlenzen) gedurende de gehele procedure, daarvoor gecorrigeerd voor de werkafstand.
- De veiligheidsbril (eMagin 8700) dienen te worden aangebracht op de patiënt (over de bovenkant van brillen / contactlenzen) en goed afgesteld. Zorg ervoor dat de schermen zitten parallel aan het oogoppervlak. De schermen kunnen worden aangepast om te corrigeren voor oogafstanden elke patiënt afstand. Instructies voor het aansluiten en het kalibreren van de bril is hier te vinden: http://www.3dvisor.com/wpcontent/uploads/2010/08/UserGuide10.7.pdf .
- De stimuli bestaan uit twee populaties van bewegende dots, een populatie moving in een gemeenschappelijke richting (de 'signaal' stippen) en de andere bewegende in willekeurige richtingen (de 'ruis' stippen). De waarnemer heeft tot taak om te rapporteren het signaal richting. Moeilijkheidsgraad wordt gemanipuleerd door de relatieve verhouding van signaal ruispunten in de stimulus.
- De aangepaste Matlab programma's die deze metingen te controleren gebruik maken van een 3-omlaag 1-up trap procedure. Er zijn twee afzonderlijke meting fasen. Het eerste geeft een binoculaire drempelwaarde, dat wil zeggen de drempelwaarde aantal dots signaal vereist wanneer zowel signaal ruispunten worden aan beide ogen hoog contrast. Het tweede programma meet de contrast onbalans aan dezelfde drempel bereikt wanneer de punt populaties worden aan afzonderlijke ogen.
- Verschillende beelden worden weergegeven op de bril schermen door het gebruik van een Matrox DualHead2Go, (Montreal, Canada) apparaat.
- Om de onderdrukking beoordeling beginnen, eerst meten een verrekijker drempel. Hier dezelfde visuele stimuli are aangetoond beide ogen en het minimum aantal vereiste signaal dots nauwkeurig beoordelen de richting van de punt beweging wordt gemeten.
- Om de ogen te lijnen, zal de schermen een zwarte half kruis in elk oog tegen een wit scherm. Met behulp van het toetsenbord, wordt de patiënt gevraagd om de helft van het kruis gezien door de amblyopic oog te verplaatsen totdat deze lijn staat met de helft gezien door de collega-oog. Het is belangrijk dat de patiënt geadviseerd dat het beeld dat de amblyopic oog kan wazig, maar de uitlijning is belangrijk. Als het bewegende beeld verdwijnt uit het zicht vraag de patiënt om vaker knipperen, dit kan de zichtbaarheid van het beeld te verbeteren. Exacte oculaire uitlijning (pixelwaarden) kan worden geëxtraheerd na elke meting om de herhaalbaarheid van deze taak vast te stellen.
- Zodra de patiënt meldt dat de halve kruisen zijn uitgelijnd, kan de meting te starten. Elke meting duurt ongeveer drie minuten in beslag. Vijf korte trap metingen zijn completed voor elk van de twee delen van de meting. De volgende instructies moeten worden gegeven voordat de meting begint:
- Instructies voor de waarnemer:
"Tijdens deze test wordt u gevraagd om een oordeel over de richting van bewegende beelden te maken."
"U ziet een groep witte / grijze stippen tegen een grijze achtergrond. Na elke presentatie zal ik u vragen om te beslissen of de punten zijn meestal u naar links of naar rechts met behulp van de linker en rechter pijltjestoetsen op het toetsenbord recht voor u . "
"Er zijn twee groepen punten, sommige kunnen bewegen naar links of naar rechts (het signaal dots), de andere groep lijken te bewegen in willekeurige richtingen."
"Probeer om te beslissen welke richting het signaal stippen bewegen in (rechts of links) onder de verwarring van de willekeurige punten." "Als u doorgaat met het besluit het aantal willekeurige punten zal toenemen, waardoor het moeilijker wordt om het signaal te stippen te zien maken, wanneer het wordt zo moeilijk je kunt niet zeggen de richting, neem dan gewoonuw beste gok ". - De eerste meting kan nu beginnen. Een goede 'last minute' instructie is eraan te herinneren de deelnemer regelmatig knipperen ("een goede tijd te knipperen wanneer u op de knop").
- Vijf metingen met behulp van de verrekijker trap paradigma worden nu gemaakt. Oculaire uitlijning wordt herhaald voor iedere meting wordt gestart.
- Het resultaat van elke meting de drempel van signaal punten (van 100 dots totaal) nodig om volledig te kunnen beoordelen richting wanneer beide ogen zien dezelfde stimuli. Het programma meldt ook het bereik van reacties als standaardfout van de meting.
- Voor de volgende meting, het contrast trap worden de vijf resultaten van de binoculaire trappen gemiddeld en de resulterende drempel bepaalt het aantal dots signaal aan de amblyopic oog. De resterende ruispunten worden aan de niet-amblyopic oog op verschillende contrasten onderdrukking beoordelen.
- Voor deze meting de amblyopic oogaltijd ziet hoog contrast dots dat het contrast van het weergegeven ruispunten de niet-amblyopic oog wordt gevarieerd met een trap procedure. Aan het begin van de trap een vast aantal dots signaal (verkregen uit stap 1,11) worden getoond aan de amblyopic oog op 100% contrast en het resterende aantal ruispunten is aangetoond dat de bursaal oog op 0% contrast (geen ruispunten zijn zichtbaar resulteert in een minimale onderdrukking). Correcte identificatie van het signaal dot richting resulteert in een toename in het contrast van het ruispunten getoond de mede oog volgens het 3-down 1-up algoritme trap. Gedurende de meting wordt het contrast van het geluid stippen getoond aan de collega-oog gevarieerd door het trappenhuis tot taakuitvoering convergeert op 79% correct. Dit betekent dat de signaal en ruispunten worden samengevoegd tussen de twee ogen hetzelfde taakuitvoering die werd waargenomen onder binoculaire kijkomstandigheden (stap 1.11) produceren. De verhouding van het contrast vanhet signaal dots aan de amblyopic oog (altijd 100%) ten opzichte van het contrast van de ruispunten getoond aan de mede oog bij de drempel is een maat voor de balans. Het verhogen van het contrast van het geluid stippen getoond aan de collega-oog boven dit punt zou leiden tot een onderdrukking van het signaal stippen getoond aan de amblyopic oog en stoornissen in de taakuitvoering.
- Vijf metingen van het contrast onbalans en een gemiddeld resultaat berekend. Het resultaat informeert de examinator over het niveau van contrast onbalans die nodig is om onderdrukking te overwinnen en de amblyopic oog en collega-oog tegelijkertijd zien de puntjes toe te staan.
2. Training Met behulp van deze methode
- Het contrast onbalans in stap 1.14 bovenstaande kan worden gebruikt als uitgangspunt voor een trainingsprogramma. De training omvat de integratie van het gebruik van dichoptic beelden met het contrast onbalans in een video game-formaat ("tetris"). De video game kan worden uitgevoerd opofwel de virtual reality bril of op een ipod touch apparaat.
- Het videospel tetris omvat een reeks vallende blokken gemonteerd samen complete lijnen vormen. De amblyopic oog ziet vol contrast blokken, en de collega-oog ziet minder contrastrijke beelden. Informatie die aan elk oog moet gelijktijdig worden beschouwd voor een succesvolle spel.
- Tijd de training regime verder de contrast onbalans wordt verminderd door het contrast met de bursaal oog, waardoor het moeilijker voor het visuele systeem de suppressie veroorzaakt door meer vergelijkbare dichoptic beelden overwinnen.
- Training duur moet 1-2 uur worden per dag en moet worden voortgezet tot er geen verbetering in tegenstelling onbalans (toename in tegenstelling gepresenteerd aan de collega-oog) wordt waargenomen. Tijdens de training regime, moeten de controles van de monoculaire en binoculaire functie regelmatig te worden gemaakt (bepaald door leeftijd van de patiënt en onderliggende aandoening). Tests van monoculaire gezichtsscherpte, stereopsisen standaard testen van onderdrukking zijn met name van belang voor het melden van de voortgang.
Representative Results
De mate van onderdrukking in de beschreven werkwijze is afhankelijk van de onderliggende oorzaak van de amblyopie, eerdere behandeling, gebruik van refractieve correctie en gezichtsscherpte. Omdat elke patiënt heeft een zeer unieke geschiedenis, is het moeilijk om 'normaal' waarden van onderdrukking te definiëren of vergelijkingen tussen mensen maken. Over het algemeen verwachten we dat mensen met een slechtere gezichtsscherpte naar een dieper niveau van onderdrukking 9 hebben. Tijdens de training, zoals we verminderen het contrast onevenwicht tussen de ogen, de diepte van onderdrukking vermindert meestal en dit verbetert een scala aan binoculaire en monoculaire functies. Deze verandering in onderdrukking is aangetoond in verschillende patiëntenpopulaties (zie figuren 3 en 4 in referentie 12, tabel 3 en figuur 9 in referentie 15 en Figuur 2 in referentie 16). Het is belangrijk op te merken dat gedetailleerde metingen van onderdrukking e met behulp vanwordt techniek hebben het potentieel om ons begrip van de amblyopie syndroom verbeteren.
Figuur 1. De apparatuur die wordt gebruikt voor het meten van onderdrukking die 1 bevat) laptop 2) bril 3) signaal splitter.
Figuur 2. De bril correct gemonteerd op een studie deelnemer.
Figuur 3. Een overzicht van de willekeurige dot kinetogram stimuli (stap 1.2/1.3). Het bovenste paneel toont de uitlijning fase waar een half kruis wordt weergegeven monoculair aan elk oog als een cue voor bino Cular uitlijning. Het middelste paneel toont de signaal-ruis-signaal paradigma waarin stippen aan de amblyopic oog alleen en ruispunten worden aan de bursaal oog, onder omstandigheden binoculaire het signaal en ruis worden gecombineerd tot een beweging samenhang drempel die vervolgens wordt gebruikt in geven het contrast variërende fase van de meting. Het onderste paneel toont het contrast drempel, deze procedure maakt gebruik van de motion samenhang drempel op een vast niveau van signaal-ruisverhouding, en geeft verschillende contrast niveaus tussen de twee ogen. Het punt waarop de twee ogen zien een evenwichtige verrekijker-ingang is het contrast drempel of "evenwichtspunt".
Figuur 4. (Stap 1.7) Uitlijning schermen zoals gezien door de bril, horizontale en verticale pijltoetsen worden gebruikt om doelen af te stemmen tot een hele kruis wordt gezien.
Figuur 5. Een overzicht van de training protocol.
Figuur 6. Voorbeeld van klinische en psychofysische gegevens van een volwassene deelnemer strabismic amblyopie die training voltooid procedure (stappen 2.1 2.4). Figuur 6A toont de verandering in gezichtsscherpte (gemeten met een logaritmische grafiek stijl in logMAR eenheden over vier weken van de opleiding voor zowel de amblyopic oog (AME) en collega-oog (FFE)). Kleinere LogMAR waarden duiden op een betere gezichtsscherpte. Het cumulatieve aantal uur speeltijd tussen haakjes op de x-as. Figuur 6B toont de verandering in contrast imbalans meer dan vier weken van de opleiding. De y-as geeft het contrast die kunnen worden getolereerd in de mede-oog, dus groter waarden duiden op lagere onderdrukking. Begin training slechts 30% contrast kan worden getolereerd in de bursaal oog voordat de amblyopic oog werd onderdrukt. Maar als training vorderde, kon meer contrast worden getolereerd wijst op een vermindering van de onderdrukking. Figuur 6C toont de verbetering van stereoacuity over de stage (gemeten met de Randot stereo test). Nul op de y-as geeft geen stereo visie en toenemende waarden geven verbetering stereo gevoeligheid (eenheden de reciproke van de stereo drempel boogseconden).
Figuur 7. Standaard klinische tests die worden gebruikt om binoculaire visie status te beoordelen voor en na de training met inbegrip van de Worth 4 dot test (linksboven), Bagollini lenses (boven rechts), Randot stereopsis test (linksonder) en TNO stereopsis test (rechts onder).
Discussion
De onderdrukking meet-en behandelingstechnieken in dit document beschreven mate afhangen van manipulatie van het contrast van de beelden die door elk oog. Met name de relatieve interocular contrast onbalans waarbij verrekijker combinatie optreedt, dat wil zeggen het 'balanspunt contrast ", geeft een maat voor de onderdrukking 6,11,17. Bovendien, door herhaaldelijk blootstellen van patiënten met amblyopie en suppressie tot "balanced" visuele stimuli, is het mogelijk om onderdrukking te verminderen en mogelijk ook zowel monoculaire en binoculaire functie 12,15,16. Deze technieken een vooraf onderdrukking meting en een nieuwe benadering van amblyopie behandeling respectievelijk. Momenteel beschikbare klinische proeven voor het beoordelen van onderdrukking zoals Worth 4 lampjes en de gegroefde Bagolini lenzen beoordelen of onderdrukking aanwezig of afwezig is, en andere tests zoals de sbisa bar de mate van onderdrukking kwantificeren door het gebruik van neutraledensity filters. Onze techniek geeft aanvullende klinische informatie waardoor de sterkte van onderdrukking nauwkeurig te kwantificeren. Amblyopie, die vaak wordt geassocieerd met onderdrukking, wordt in het algemeen behandeld door afsluiten van de niet-amblyopic oog of vermindering van de afbeelding in de niet-amblyopic oog om het gebruik van de amblyopic oog 18 bevorderen. Hoewel deze techniek is effectief in het verbeteren amblyopic oogfunctie 18, is het niet rechtstreeks de binoculaire tekorten in verband met amblyopie. Onze techniek richt zich direct binoculaire visuele functie en we hebben ontdekt dat deze aanpak kan zowel monoculaire en binoculaire functie bij volwassen patiënten met amblyopie 12,15,16 verbeteren. De beschreven meting en behandeling benaderingen zijn geschikt voor gebruik bij volwassenen en kinderen, maar het spel kan worden aangepast voor gebruik bij jongere pediatrische populaties. Wij ontwikkelen momenteel extra games voor dit doel.
Onzetechnieken hebben beperkingen. Sommige patiënten met een strabismus en sterke onderdrukking vinden het een uitdaging de afbeeldingen om elk oog aan het begin van de onderdrukking meetprotocol lijnen. Hoewel het mogelijk is voor deze patiënten uitlijnen van de afbeeldingen 17, kan dit tijdrovend. Met betrekking tot behandeling is het belangrijk om naast een gekwalificeerde arts tijdens de training regime en het risico van diplopie (dubbelzien) nagaan of onderdrukking wordt verlaagd. Onze eerdere werk aan deze benadering van de behandeling is gericht op patiënten met anisometropie of kleine-hoek scheelzien en geen van de patiënten hebben ontwikkeld diplopie, maar het risico van diplopie moet zorgvuldig worden overwogen door een gekwalificeerde arts bij een patiënt per patiënt basis voor de behandeling wordt toegediend .
Bij het opzetten van de technieken voor de eerste keer is het belangrijk om ervoor te zorgen dat alle hardware goed zijn aangesloten en dat alle relevante chauffeurs zijn invastgelopen en bijgewerkt op de hostcomputer. Het is ook belangrijk om een computer die is uitgerust met een grafische kaart die compatibel is met de Matrox grafische kaart zoals beschreven in het protocol en dat ondersteunt een schermresolutie van 1600x600 (als de Matrox drivers zijn geïnstalleerd) om ervoor te zorgen dat elke goggle scherm een duidelijk heeft beeld. We hebben gemerkt dat de meeste problemen bij het opzetten van het systeem optreden als gevolg van onjuiste scherm resolutie-instellingen en de afwezigheid van tot stuurprogramma's voor de nodige hardware-date. Het is ook belangrijk dat zowel goggle schermen gelijke helderheid hebben voorafgaand aan het meten onderdrukking nauwkeurige en stabiele meting te waarborgen.
De beschreven technieken bieden een basis voor verdere ontwikkeling van onderdrukking meet-en behandelmethoden. In het bijzonder zou de ontwikkeling van meer boeiende video-games gebaseerd op de kern principe van verschillende contrast tussen de ogen maken deze aanpak efficiënter en meer eenppealing met jongere patiënten. Naast hun klinisch gebruik, kunnen deze technieken worden gebruikt in een onderzoek naar de neurale mechanismen onderdrukking en de rol die remmende interacties tussen de ogen spelen in de normale visuele systeem 13 verkennen.
Disclosures
De technieken beschreven in dit manuscript vormen de basis van twee octrooien van BT en RFH, waarvan eveneens gehouden door JC en LT.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment for the measurement of suppression | |||
| Computer equipped with a graphics card compatible with a Matrox Duel Head to Go device (see below) and Psychtoolbox19,20 | Any Suitable Manufacturer | ||
| Matlab software of a version compatible with Psychtoolbox | Mathworks | ||
| Psychtoolbox and custom software for stimulus generation | Psychtoolbox | Psychtoolbox is available for download from psychtoolbox.org and the additional custom software is available from the corresponding author upon request. | |
| Matrox Duel Head to Go | Matrox | ||
| Z800 3D dual pro-HMD video goggles | eMagin Corporation | ||
| Equipment for the treatment of suppression | |||
| iPod Touch | Apple | ||
| Screen overlay to allow for dichopic viewing of the iPod | Spatial View | ||
| Custom software for the tetris treatment game | The software was built using Spatial View's proprietary SDK, full details have been published previously15 | ||
References
- Webber, A. L., Wood, J. Amblyopia: prevalence, natural history, functional effects and treatment. Clin. Exp. Optom. 88, 365-375 (2005).
- Dirani, M., et al. Prevalence of refractive error in Singaporean Chinese children: the strabismus, amblyopia, and refractive error in young Singaporean Children (STARS) study. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 51, 1348-1355 (2010).
- Group, M.-e. P.E.D.S. Prevalence of amblyopia and strabismus in African American and Hispanic children ages 6 to 72 months the multi-ethnic pediatric eye disease study. Ophthalmology. 115, 1229-1236 (2008).
- Hess, R. F., Li, X., Lu, G., Thompson, B., Hansen, B. C. The contrast dependence of the cortical fMRI deficit in amblyopia; a selective loss at higher contrasts. Hum. Brain Mapp. 31, 1233-1248 (2010).
- Li, X., Dumoulin, S. O., Mansouri, B., Hess, R. F. Cortical deficits in human amblyopia: their regional distribution and their relationship to the contrast detection deficit. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 48, 1575-1591 (2007).
- Mansouri, B., Thompson, B., Hess, R. F. Measurement of suprathreshold binocular interactions in amblyopia. Vision Res. 48, 2775-2784 (2008).
- Agrawal, R., Conner, I. P., Odom, J. V., Schwartz, T. L., Mendola, J. D. Relating binocular and monocular vision in strabismic and anisometropic amblyopia. Arch. Ophthalmol. 124, 844-850 (2006).
- Baker, D. H., Meese, T. S., Hess, R. F. Contrast masking in strabismic amblyopia: attenuation, noise, interocular suppression and binocular summation. Vision research. 48, 1625-1640 (2008).
- Li, J., et al. The role of suppression in amblyopia. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 52, 4169-4176 (2011).
- Rahi, J., Logan, S., Timms, C., Russell-Eggitt, I., Taylor, D. Risk, causes, and outcomes of visual impairment after loss of vision in the non-amblyopic eye: a population-based study. Lancet. 360, 597-602 (2002).
- Black, J. M., Thompson, B., Maehara, G., Hess, R. F. A compact clinical instrument for quantifying suppression. Optom. Vis. Sci. 88, 334-343 (2011).
- Hess, R. F., Mansouri, B., Thompson, B. A binocular approach to treating amblyopia: antisuppression therapy. Optom. Vis. Sci. 87, 697-704 (2010).
- Li, J., et al. Quantifying sensory eye dominance in the normal visual system: a new technique and insights into variation across traditional tests. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 51, 6875-6881 (2010).
- Zhang, P., Bobier, W., Thompson, B., Hess, R. F. Binocular Balance in Normal Vision and Its Modulation by Mean Luminance. Optom. Vis. Sci. , (2011).
- To, L., et al. A game platform for treatment of amblyopia. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 19, 280-289 (2011).
- Hess, R. F., Mansouri, B., Thompson, B. A new binocular approach to the treatment of amblyopia in adults well beyond the critical period of visual development. Restor. Neurol. Neurosci. 28, 793-802 (2010).
- Goodman, L. K., Black, J. M., Phillips, G., Hess, R. F., Thompson, B. Excitatory binocular interactions in two cases of alternating strabismus. J. Aapos. 15, 345-349 (2011).
- Holmes, J. M., Clarke, M. P. Amblyopia. Lancet. 367, 1343-1351 (2006).
- Brainard, D. H. The Psychophysics Toolbox. Spat. Vis. 10, 433-436 (1997).
- Pelli, D. G. The VideoToolbox software for visual psychophysics: transforming numbers into movies. Spat. Vis. 10, 437-442 (1997).
