Summary

Kvantificering af oculomotoriske responser og tilpasning gennem instrumenterings- og analyseværktøjskasser

Published: March 03, 2023
doi:

Summary

VisualEyes2020 (VE2020) er et brugerdefineret scriptsprog, der præsenterer, registrerer og synkroniserer visuelle øjenbevægelsesstimuli. VE2020 giver stimuli til konjugerede øjenbevægelser (saccader og glat forfølgelse), diskonjugerede øjenbevægelser (vergence), indkvartering og kombinationer af hver. To analyseprogrammer forener databehandlingen fra eye tracking- og opholdsregistreringssystemerne.

Abstract

Gennem målrettet stimulering og registrering af øjenbevægelser kan de grundlæggende egenskaber ved de underliggende neurale mekanismer i øjenbevægelser observeres. VisualEyes2020 (VE2020) blev udviklet baseret på manglen på tilpasselig softwarebaseret visuel stimulering tilgængelig for forskere, der ikke er afhængige af motorer eller aktuatorer inden for et traditionelt haploscope. Dette nye instrument og metode er udviklet til en ny haploscope-konfiguration, der anvender både øjensporings- og autorefraktorsystemer. Analysesoftware, der muliggør synkroniseret analyse af øjenbevægelser og akkommodative reaktioner, giver synsforskere og klinikere et reproducerbart miljø og et delbart værktøj. Vision and Neural Engineering Laboratory’s (VNEL) Eye Movement Analysis Program (VEMAP) blev etableret for at behandle optagelser produceret af VE2020’s eye trackers, mens Accommodative Movement Analysis Program (AMAP) blev oprettet til at behandle optagelsesoutput fra det tilsvarende autorefraktorsystem. VNEL studerer tre primære stimuli: indkvartering (sløringsdrevne ændringer i konveksiteten af den intraokulære linse), vergence (indad, konvergent rotation og udad, divergerende rotation af øjnene) og saccader (konjugerede øjenbevægelser). VEMAP og AMAP bruger lignende dataflowprocesser, manuelle operatørinteraktioner og interventioner, hvor det er nødvendigt; Disse analyseplatforme fremmer imidlertid etableringen af en objektiv softwarepakke, der minimerer operatørens afhængighed. Nytten af en grafisk grænseflade og dens tilsvarende algoritmer gør det muligt at udføre en bred vifte af visuelle eksperimenter med minimal forudgående kodningserfaring fra operatøren/operatørerne.

Introduction

Samordnet kikkertkoordination og passende akkommodative og oculomotoriske reaktioner på visuelle stimuli er afgørende aspekter af dagligdagen. Når en person har reduceret konvergens øjenbevægelsesresponshastighed, kvantificeret gennem registrering af øjenbevægelser, kan dobbeltsyn (diplopi) opfattes 1,2. Desuden rapporterede en Cochrane-litteraturmetaanalyse, at patienter med oculomotoriske dysfunktioner, der forsøger at opretholde normalt kikkertsyn, oplever almindeligt delte visuelle symptomer, herunder sløret / dobbeltsyn, hovedpine, øjenstress / belastning og vanskeligheder med at læse komfortabelt3. Hurtige konjugerede øjenbevægelser (saccades), når de er mangelfulde, kan underreagere eller overreagere på visuelle mål, hvilket betyder, at der kræves yderligere sekventielle saccader for at rette denne fejl4. Disse oculomotoriske reaktioner kan også forvirres af det akkommodative system, hvor forkert fokusering af lys fra linsen skaber sløring5.

Opgaver som læsning eller arbejde på elektroniske enheder kræver koordinering af de oculomotoriske og akkommodative systemer. For personer med binokulær øjenbevægelse eller akkommodative dysfunktioner mindsker manglende evne til at opretholde binokulær fusion (enkelt) og akut (klar) syn deres livskvalitet og samlede produktivitet. Ved at fastlægge en proceduremæssig metode til kvantitativ registrering af disse systemer uafhængigt og samordnet gennem repeterbare instrumenteringskonfigurationer og objektiv analyse kan man forstå sondringen mellem karakteristika vedrørende akklimatisering til specifikke mangler. Kvantitative målinger af øjenbevægelser kan føre til mere omfattende diagnoser6 sammenlignet med konventionelle metoder med potentiale til at forudsige sandsynligheden for afhjælpning via terapeutiske indgreb. Denne instrumenterings- og dataanalysepakke giver indsigt i forståelsen af mekanismerne bag de nuværende standarder for pleje, såsom synsterapi, og den langsigtede effekt, terapeutisk intervention (er) kan have på patienter. Etablering af disse kvantitative forskelle mellem personer med og uden normalt kikkertsyn kan give nye personaliserede terapeutiske strategier og øge afhjælpningseffektiviteten baseret på objektive resultatmålinger.

Til dato er der ikke en enkelt kommercielt tilgængelig platform, der samtidig kan stimulere og kvantitativt registrere øjenbevægelsesdata med tilsvarende akkommodative positions- og hastighedsresponser, der kan behandles yderligere som separate (øjenbevægelse og akkommodative) datastrømme. Signalbehandlingsanalyserne for akkommodative og oculomotoriske positions- og hastighedsresponser har fastsat minimumssamplingkrav på henholdsvis ca. 10 Hz7 og en foreslået samplinghastighed mellem 240 Hz og 250 Hz for sakkadiske øjenbevægelser 8,9. Nyquist-hastigheden for vergence øjenbevægelser er dog endnu ikke fastlagt, selvom vergence er omkring en størrelsesorden lavere i tophastighed end sakkadisk øjenbevægelse. Ikke desto mindre er der et hul i den nuværende litteratur vedrørende registrering af øjenbevægelser og integration af automatisk brydningsinstrumenteringsplatform. Desuden er evnen til at analysere objektive øjenbevægelsesresponser med synkrone tilpasningssvar endnu ikke blevet open source. Derfor adresserede Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) behovet for synkroniseret instrumentering og analyse gennem oprettelsen af VE2020 og to offline signalbehandlingsprogramsuiter til analyse af øjenbevægelser og akkommodative reaktioner. VE2020 kan tilpasses via kalibreringsprocedurer og stimuleringsprotokoller til tilpasning til en række applikationer fra grundvidenskab til klinisk, herunder binokulært syn forskningsprojekter om konvergensinsufficiens / overskud, divergensinsufficiens / overskud, akkommodativ insufficiens / overskud, hjernerystelsesrelaterede binokulære dysfunktioner, strabismus, amblyopi og nystagmus. VE2020 suppleres af VEMAP og AMAP, som efterfølgende giver dataanalysefunktioner til disse stimulerede øjne og akkommodative bevægelser.

Protocol

Undersøgelsen, som denne instrumenterings- og dataanalysepakke blev oprettet og implementeret med succes, blev godkendt af New Jersey Institute of Technology Institution Review Board HHS FWA 00003246 Approval F182-13 og godkendt som et randomiseret klinisk forsøg, der blev offentliggjort på ClinicalTrials.gov Identifikator: NCT03593031 finansieret via NIH EY023261. Alle deltagere læste og underskrev en informeret samtykkeerklæring, der var godkendt af universitetets Institutional Review Board. <p class="jove_tit…

Representative Results

Ensembleplots på gruppeniveau af stimulerede øjenbevægelser fremkaldt af VE2020 er afbildet i figur 11 med de tilsvarende førsteordenshastighedskarakteristika. Figur 11: Øjenbevægelsesresponsensembler. Ensembleplottene af vergenstrin (venstre) og saccader (højre) stimuleret ved hjælp…

Discussion

Anvendelse af metoden i forskning
Innovationer fra den oprindelige VisualEyes2020 (VE2020) software inkluderer udvidelsen af VE2020 til at projicere på flere skærme med en eller flere visuelle stimuli, hvilket gør det muligt at undersøge videnskabelige spørgsmål lige fra kvantificering af Maddox-komponenterne i vergence18 til indflydelsen af distraherende mål på instruerede mål19. Udvidelsen af haploscope-systemet til VE2020 sammen med den kompl…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health-tilskud R01EY023261 til T.L.A. og et Barry Goldwater-stipendium og NJIT Provost Doctoral Award til SNF.

Materials

Analog Terminal Breakout Box National Instruments 2090A
Convex-Sphere Trial Lens Set Reichert Portable Precision Lenses Utilized for autorefractor calibration
Graphics Cards Minimum performance requirement of GTX980 in SLI configuration
ISCAN Eye Tracker ISCAN ETL200
MATLAB MathWorks v2022a AMAP software rquirement
MATLAB MathWorks v2015a VEMAP software requirement
Microsoft Windows 10 Microsoft Windows 10 Required OS for VE2020
Plusoptix PowerRef3 Autorefractor Plusoptix PowerRef3
Stimuli Monitors (Quantity: 4+) Dell Resolution 1920×1080 Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations

References

  1. Alvarez, T. L., et al. Disparity vergence differences between typically occurring and concussion-related convergence insufficiency pediatric patients. Vision Research. 185, 58-67 (2021).
  2. Alvarez, T. L., et al. Underlying neurological mechanisms associated with symptomatic convergence insufficiency. Scientific Reports. 11, 6545 (2021).
  3. Scheiman, M., Kulp, M. T., Cotter, S. A., Lawrenson, J. G., Wang, L., Li, T. Interventions for convergence insufficiency: A network meta-analysis. The Cochrane Database of Systematic Reviews. 12 (12), (2020).
  4. Semmlow, J. L., Chen, Y. F., Granger-Donnetti, B., Alvarez, T. L. Correction of saccade-induced midline errors in responses to pure disparity vergence stimuli. Journal of Eye Movement Research. 2 (5), (2009).
  5. Scheiman, M., Wick, B. . Clinical Management of Binocular Vision., 5th Edition. , (2019).
  6. Kim, E. H., Vicci, V. R., Granger-Donetti, B., Alvarez, T. L. Short-term adaptations of the dynamic disparity vergence and phoria systems. Experimental Brain Research. 212 (2), 267-278 (2011).
  7. Labhishetty, V., Bobier, W. R., Lakshminarayanan, V. Is 25Hz enough to accurately measure a dynamic change in the ocular accommodation. Journal of Optometry. 12 (1), 22-29 (2019).
  8. Juhola, M., et al. Detection of saccadic eye movements using a non-recursive adaptive digital filter. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 21 (2), 81-88 (1985).
  9. Mack, D. J., Belfanti, S., Schwarz, U. The effect of sampling rate and lowpass filters on saccades – A modeling approach. Behavior Research Methods. 49 (6), 2146-2162 (2017).
  10. Ghahghaei, S., Reed, O., Candy, T. R., Chandna, A. Calibration of the PlusOptix PowerRef 3 with change in viewing distance, adult age and refractive error. Ophthalmic & Physiological Optics. 39 (4), 253-259 (2019).
  11. Guo, Y., Kim, E. L., Alvarez, T. L. VisualEyes: A modular software system for oculomotor experimentation. Journal of Visualized Experiments. (49), e2530 (2011).
  12. Convergence Insufficiency Treatment Trial Study Group. Randomized clinical trial of treatments for symptomatic convergence insufficiency in children. Archives of Ophthalmology. 126 (10), 1336-1349 (2008).
  13. Borsting, E., et al. Association of symptoms and convergence and accommodative insufficiency in school-age children. Optometry. 74 (1), 25-34 (2003).
  14. Sheard, C. Zones of ocular comfort. American Journal of Optometry. 7 (1), 9-25 (1930).
  15. Hofstetter, H. W. A longitudinal study of amplitude changes in presbyopia. American Journal of Optometry and Archives of American Academy of Optometry. 42, 3-8 (1965).
  16. Donders, F. C. . On the Anomalies of Accommodation and Refraction of the Eye. , (1972).
  17. Sravani, N. G., Nilagiri, V. K., Bharadwaj, S. R. Photorefraction estimates of refractive power varies with the ethnic origin of human eyes. Scientific Reports. 5, 7976 (2015).
  18. Maddox, E. E. . The Clinical Use of Prisms and the Decentering of Lenses. , (1893).
  19. Yaramothu, C., Santos, E. M., Alvarez, T. L. Effects of visual distractors on vergence eye movements. Journal of Vision. 18 (6), 2 (2018).
  20. Borsting, E., Rouse, M. W., De Land, P. N. Prospective comparison of convergence insufficiency and normal binocular children on CIRS symptom surveys. Convergence Insufficiency and Reading Study (CIRS) group. Optometry and Vision Science. 76 (4), 221-228 (1999).
  21. Maxwell, J., Tong, J., Schor, C. The first and second order dynamics of accommodative convergence and disparity convergence. Vision Research. 50 (17), 1728-1739 (2010).
  22. Alvarez, T. L., et al. The Convergence Insufficiency Neuro-mechanism in Adult Population Study (CINAPS) randomized clinical trial: Design, methods, and clinical data. Ophthalmic Epidemiology. 27 (1), 52-72 (2020).
  23. Leigh, R. J., Zee, D. S. . The Neurology of Eye Movements. , (2015).
  24. Alvarez, T. L., et al. Clinical and functional imaging changes induced from vision therapy in patients with convergence insufficiency. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, 104-109 (2019).
  25. Scheiman, M. M., Talasan, H., Mitchell, G. L., Alvarez, T. L. Objective assessment of vergence after treatment of concussion-related CI: A pilot study. Optometry and Vision Science. 94 (1), 74-88 (2017).
  26. Yaramothu, C., Greenspan, L. D., Scheiman, M., Alvarez, T. L. Vergence endurance test: A pilot study for a concussion biomarker. Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2200-2212 (2019).

Play Video

Cite This Article
Fine, S. N., Guo, Y., Talasan, H., LeStrange, S., Yaramothu, C., Alvarez, T. L. Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes. J. Vis. Exp. (193), e64808, doi:10.3791/64808 (2023).

View Video