Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Kvantifisering av oculomotoriske responser og tilpasning gjennom instrumentering og analyse verktøykasser

Published: March 3, 2023 doi: 10.3791/64808
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 1, 1,3, 1
1Department of Biomedical Engineering, New Jersey Institute of Technology, 2Neural Automations Ltd., 3School of Applied Engineering and Technology, New Jersey Institute of Technology

Summary

VisualEyes2020 (VE2020) er et tilpasset skriptspråk som presenterer, registrerer og synkroniserer visuelle øyebevegelsestimuli. VE2020 gir stimuli for konjugerte øyebevegelser (sakkader og glatt forfølgelse), diskonjugerte øyebevegelser (vergence), akkomodasjon og kombinasjoner av hver. To analyseprogrammer forener databehandlingen fra øyesporings- og innkvarteringsopptakssystemene.

Abstract

Gjennom målrettet stimulering og registrering av øyebevegelser kan de grunnleggende egenskapene til de underliggende nevrale mekanismer for øyebevegelser observeres. VisualEyes2020 (VE2020) ble utviklet basert på mangelen på tilpassbar programvarebasert visuell stimulering tilgjengelig for forskere som ikke er avhengige av motorer eller aktuatorer i et tradisjonelt haploscope. Dette nye instrumentet og metodikken er utviklet for en ny haploscope-konfigurasjon som benytter både øyesporing og autorefraktorsystemer. Analyseprogramvare som muliggjør synkronisert analyse av øyebevegelser og imøtekommende responser, gir visjonsforskere og klinikere et reproduserbart miljø og delbart verktøy. Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) Eye Movement Analysis Program (VEMAP) ble etablert for å behandle opptak produsert av VE2020s eye trackere, mens Accommodative Movement Analysis Program (AMAP) ble opprettet for å behandle opptaksutgangene fra det tilsvarende autorefraktorsystemet. VNEL studerer tre primære stimuli: akkomodasjon (uskarphetsdrevne endringer i konveksiteten til den intraokulære linsen), vergens (innover, konvergent rotasjon og utover, divergerende rotasjon av øynene) og sakkader (konjugerte øyebevegelser). VEMAP og AMAP bruker lignende dataflytprosesser, manuelle operatørinteraksjoner og intervensjoner der det er nødvendig; Imidlertid fremmer disse analyseplattformene etableringen av en objektiv programvarepakke som minimerer operatørens avhengighet. Nytten av et grafisk grensesnitt og tilhørende algoritmer tillater at et bredt spekter av visuelle eksperimenter kan utføres med minimal nødvendig tidligere kodingserfaring fra operatøren (e).

Introduction

Samordnet kikkertkoordinering og passende imøtekommende og oculomotoriske responser på visuelle stimuli er viktige aspekter av dagliglivet. Når et individ har redusert konvergens øyebevegelsesresponshastighet, kvantifisert gjennom øyebevegelsesopptak, kan dobbeltsyn (diplopi) oppfattes 1,2. Videre rapporterte en metaanalyse av Cochrane-litteraturen at pasienter med oculomotoriske dysfunksjoner, som forsøker å opprettholde normalt binokulært syn, opplever ofte delte visuelle symptomer, inkludert tåkesyn / dobbeltsyn, hodepine, øyestress/belastning og problemer med å lese komfortabelt3. Raske konjugerte øyebevegelser (sakkader), når de er mangelfulle, kan underreagere eller overreagere på visuelle mål, noe som betyr at det kreves ytterligere sekvensielle sakkader for å rette opp denne feilen4. Disse oculomotoriske responsene kan også bli forvirret av det imøtekommende systemet, der feil fokusering av lys fra linsen skaper uskarphet5.

Oppgaver som å lese eller arbeide på elektroniske enheter krever koordinering av de oculomotoriske og imøtekommende systemene. For personer med binokulær øyebevegelse eller imøtekommende dysfunksjoner, reduserer manglende evne til å opprettholde binokulær fusjon (enkelt) og akutt (klart) syn livskvaliteten og den generelle produktiviteten. Ved å etablere en prosessuell metodikk for kvantitativt registrering av disse systemene uavhengig og samordnet gjennom repeterbare instrumenteringskonfigurasjoner og objektiv analyse, kan kjennetegn ved akklimatisering til spesifikke mangler forstås. Kvantitative målinger av øyebevegelser kan føre til mer omfattende diagnoser6 sammenlignet med konvensjonelle metoder, med potensial til å predikere sannsynligheten for utbedring via terapeutiske intervensjoner. Denne instrumenterings- og dataanalysepakken gir innsikt i å forstå mekanismene bak dagens omsorgsstandarder, for eksempel synterapi, og den langsiktige effekten terapeutisk inngrep (er) kan ha på pasienter. Etablering av disse kvantitative forskjellene mellom personer med og uten normalt binokulært syn kan gi nye personlige terapeutiske strategier og øke utbedringseffektiviteten basert på objektive utfallsmålinger.

Til dags dato er det ikke en eneste kommersielt tilgjengelig plattform som samtidig kan stimulere og kvantitativt registrere øyebevegelsesdata med tilsvarende imøtekommende posisjons- og hastighetsresponser som videre kan behandles som separate (øyebevegelser og imøtekommende) datastrømmer. Signalbehandlingsanalysene for akkommodative og oculomotoriske posisjons- og hastighetsresponser har henholdsvis etablert minimumssamplingskrav på ca. 10 Hz7 og en foreslått samplingsfrekvens mellom 240 Hz og 250 Hz for sakkadisk øyebevegelser 8,9. Nyquist-raten for vergence øyebevegelser er imidlertid ennå ikke fastslått, selv om vergence er omtrent en størrelsesorden lavere i topphastighet enn sakkadisk øyebevegelser. Ikke desto mindre er det et gap i dagens litteratur om øyebevegelsesopptak og automatisk refraktiv instrumenteringsplattformintegrasjon. Videre har evnen til å analysere objektive øyebevegelsesresponser med synkron innkvarteringsrespons ennå ikke blitt åpen kildekode. Derfor adresserte Vision and Neural Engineering Laboratory (VNEL) behovet for synkronisert instrumentering og analyse gjennom opprettelsen av VE2020 og to offline signalbehandlingsprogramsuiter for å analysere øyebevegelser og imøtekommende responser. VE2020 kan tilpasses via kalibreringsprosedyrer og stimuleringsprotokoller for tilpasning til en rekke applikasjoner fra grunnleggende vitenskap til klinisk, inkludert binokulære synsforskningsprosjekter om konvergensmangel/overskudd, divergensinsuffisiens/overskudd, imøtekommende insuffisiens/overskudd, hjernerystelsesrelaterte kikkertdysfunksjoner, strabismus, amblyopi og nystagmus. VE2020 kompletteres av VEMAP og AMAP, som deretter gir dataanalysemuligheter for disse stimulerte øynene og imøtekommende bevegelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Studien, som denne instrumenterings- og dataanalysepakken ble opprettet for og vellykket implementert, ble godkjent av New Jersey Institute of Technology Institution Review Board HHS FWA 00003246 Approval F182-13 og godkjent som en randomisert klinisk studie lagt ut på ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03593031 finansiert via NIH EY023261. Alle deltakerne leste og signerte et informert samtykkeskjema godkjent av universitetets Institutional Review Board.

1. Instrumentering oppsett

  1. Overvåke tilkoblinger og maskinvare
    1. VE2020-systemet tildeler skjermene romlig med urviseren. Kontroller at den primære kontrollmonitoren er indeksert som 0 og at alle etterfølgende skjermer er indeksert fra 1 og utover. Forsikre deg om at alle skjermene styres av en enkelt datamaskin (se Materialfortegnelse).
    2. Sørg for riktig romlig konfigurasjon av stimulusmonitorene. Fra startskjermen på kontrollerskrivebordet høyreklikker du på kontrollerskjermen, velger skjerminnstillingene og navigerer til skjermoppløsning . Velg Identifiser; Dette vil gi en visualisering av de tildelte monitorindeksene for hver stimulusskjerm som er koblet til kontrolldatamaskinen (figur 1).
  2. Konfigurasjon av fysisk utstyr
    1. Kontroller at øyesporingssystemet er på den optiske midtlinjen med en kameraavstand på minst 38 cm. Kontroller at autorefraktorsystemet er på den optiske midtlinjen og 1 m ± 0,05 m fra øynene.
    2. Valider konfigurasjonen av maskinvaren og utstyret ved å referere til dimensjonene i figur 1.
  3. Øyesporingssystem
    1. Kontroller at skrivebordet og tilhørende maskinvare for øyesporing er konfigurert og kalibrert i henhold til produsentens instruksjoner (se Materialfortegnelse).
    2. Opprett BNC-kabelledninger fra skrivebordets analoge utganger til datainnsamlingskortet (DAQ) via en analog breakout-terminalboks (NI 2090A). Se tabell 1 for standard BNC-portkonfigurasjoner for VE2020.
      MERK: Avvik fra standardkablingen krever endring av de tilordnede portene som er beskrevet i Acquire.vi- og/eller TriggerListen.vi-filene, eller redigering av standard hoderekkefølge i standard.txt filen.
    3. Konfigurer referansebryterne for analoge terminalutbruddsbokser ved å identifisere bryteren med én endelig/differensial (SE/DIFF) (se figur 2), og sett bryteren til SE. Deretter identifiserer du jordvalgbryteren (RSE/NRSE) (se figur 2), og setter bakkereferansen til referert enkeltende (RSE).
  4. Innhenting av imøtekommende respons
    1. Utfør orienteringen til autorefraktoren (se materialfortegnelse) i henhold til produsentens anbefalinger. Konfigurer autorefraktoren i direkte justering, og utfør manuell operatørbasert utløsning av autorefraktoren for å lagre autorefraktorens opptaksdata.
    2. Forsikre deg om at en ekstern flyttbar lagringsenhet brukes til å lagre autorefraktordataene. Fjern den eksterne stasjonen før du starter autorefraktorprogramvaren, og sett inn stasjonen igjen når programvaren kjører. Opprett en mappekatalog i den tilsvarende lagringsenheten for å identifisere deltakerprofiler, økttidspunkter og stimuli. Følg denne fremgangsmåten for hver eksperimentelle innspillingsøkt.
    3. Etter aktivering av autorefraktorprogramvaren og innsetting av en ekstern lagringsenhet, begynner kalibreringen av autorefraktoren.
    4. Monokulært okkluderer deltakerens venstre øye med et infrarødt overføringsfilter (IR Tx-filter)10. Plasser et prøveobjektiv med konvekst kule foran IR Tx-filteret (se Materialfortegnelse).
    5. Binokulært presentere en høy skarphet 4 ° stimulus fra fysisk nær stimulus skjermer.
      MERK: Når deltakeren rapporterer stimulansen som visuelt enkel og klar (akutt), må deltakeren bruke den håndholdte utløseren for å komme videre med kalibreringen.
    6. Binokulært presentere en høy skarphet 16 ° stimulus fra fysisk nær stimulus skjermer.
      MERK: Når deltakeren rapporterer stimulansen som visuelt enkelt og klar (akutt), må deltakeren bruke den håndholdte utløseren for å utvikle seg.
    7. Gjenta disse kalibreringsprosedyrene (trinn 1.4.4-1.4.6) for hvert konvekst kuleobjektiv som følger (i dioptre): -4, -3, -2, -1, +1, +2, +3 og +4.

Figure 1
Figur 1: Konfigurasjon av haploskopkontroll og registreringsutstyr. Eksempel på VE2020s skjermindeksering for bestilling og dimensjonering med klokken. Her er 1 kontrollmonitoren, 2 er skjermen nær venstre, 3 er skjermen helt til venstre, 6 er kalibreringskortet (CalBoard), 4 er den høyreekstreme skjermmonitoren og 5 er den nær høyre skjermskjermen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tabell 1: BNC-portkart. Konvensjonen for BNC-forbindelser. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

Figure 2
Figur 2: Referanser til bryterbrytere. Demonstrasjon av de riktige NI 2090A-bryterposisjonene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

2. Visuell stimulering ved hjelp av VE2020 visuelle skjermer og VE2020 LED-mål

  1. Begynn kalibreringen av stimulusdisplayene VisualEyes2020.
    1. Åpne filen for det virtuelle instrumentet (VI) med navnet Pix2Deg2020.vi. Velg skjermen som skal kalibreres, ved å bruke inndatafeltet for strekkmodus-ID og skjermens tilsvarende visningsindeks (figur 3).
    2. Velg et stimulusbilde (f.eks. RedLine.bmp) ved å skrive inn stimulusfilnavnet i inntastingsfeltet Linje.
      MERK: Det er viktig å merke seg at Pix2Deg2020.vi bruker .bmp filer, ikke .dds filer.
    3. Løp Pix2Deg2020.vi, og juster stimulusposisjonen til den legger seg over et målt fysisk mål.
    4. Når det virtuelle bildet justeres etter det fysisk målte målet, registrerer du pikselverdien på skjermen for den gitte gradverdien. Registrer minst tre kalibreringspunkter med varierende stimulerte gradskrav og tilhørende bildepunktverdier.
    5. Forsikre deg om at VE2020 etter registrering av hvert kalibreringspunkt produserer en utdatafil kalt Cals.xls. Bruk kalibreringspunktene i Cal.xls, bruk en lineær regresjon med best tilpasning for å kartlegge de eksperimentelt nødvendige kravene til øyebevegelsestimulans, i rotasjonsgrader, til piksler. Et eksempel på fempunkts grad til innspilt pikselkalibrering er vist i figur 4.
  2. Gjenta denne prosedyren for forskjellige stimulusbilder (dvs. bakgrunnen eller andre visuelle stimulus, etter behov) og hver stimulusmonitor som forventes å bli benyttet.

Figure 3
Figur 3: Stimulerte grader til å overvåke piksler. Avbildning av operatørvisningen for kalibrering av VE2020. Fra venstre til høyre er det angitt en tabell med verdier for de innspilte pikslene som tilsvarer en kjent gradsverdi for et gitt stimulusmonitorvalg (strekkmodus-ID) med et fast størrelsesforhold, gitt filnavn, bakgrunnsstimulus (BG) og forgrunnsstimulus (linje). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Kalibreringshellinger for piksel til grader. Monokulær kalibreringskurve for kjente gradverdier og målte bildepunktverdier. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

3. LED-kalibrering

  1. Bestem de eksperimentelle rotasjonsgradene ved å bruke trigonometriske identiteter i vertikale eller horisontale plan (figur 5). Plott rotasjonsgradene som en funksjon av LED-nummeret.
  2. Lineært regress LED-tallet som en funksjon av rotasjonsgradene. Bruk det oppnådde forholdet til å beregne de første og endelige LED-tallene, som vil bli brukt som visuelle stimuli under eksperimentet.

Figure 5
Figur 5: Beregnede rotasjonsgrader. Metode for å beregne vinkelforskyvningen for både sakkadisk øyebevegelser og vergensbevegelser med kjent avstand til målet (X) og interpupillavstand (IPD). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

4. Programvare programmering

  1. Definer VisualEyes-visningsinndatafilen, og lagre den i stimulusbiblioteket som følger.
    1. Hvis du vil definere hver stimulus, åpner du en ny tekstfil (.txt) før eksperimentet. På den første raden i denne tekstfilen, bekreft tilstedeværelsen av fire obligatoriske tabulatoravgrensede parametere: stimulus timing (s); X-posisjon (piksler); Y-posisjon (piksler); og rotasjon (grader). I tillegg bekrefter tilstedeværelsen av to valgfrie påfølgende parametere: skalering X (horisontal skalering); og skalering Y (vertikal skalering).
    2. Beregn pikselverdien for hver ønsket stimulusgrad ved å bruke den lineære regresjonsligningen avledet fra kalibreringen (se trinn 2.1.5).
    3. Bekreft i neste rad i tekstfilen at lengden (e) som stimulansen presenteres for i utgangsposisjonen og påfølgende sluttposisjon, er tilstede og tabulatoravgrenset.
    4. Lagre stimulusfilen i katalogen som en VisualEyes-inndatafil (VEI) med et informativt filnavn (f.eks. stimulus_name_movement_size.vei).
      MERK: Hver stimulusfil er plassert monokulært, så en egen fil må genereres for at det komplementære øyet skal fremkalle en kikkertbevegelse.
  2. Gjenta disse prosedyrene for hver ønsket eksperimentell stimulus, respektive bevegelsestype, bevegelsesstørrelse og øye etter behov.

5. DC-filer

  1. Lag et stimulusbibliotek for hver stimulusmonitor. Navngi disse bibliotekene som dc_1.txt gjennom dc_7.txt. For innstillingene i dc_1.txt- og dc_2.txt-filene, se tabell 2.
    1. Valider den numeriske ID-en for hver stimulusmonitor ved å klikke på Skjerm > Skjermoppløsning > Identifiser. Kontroller at enhets-ID-en er den primære GPU-en (startindeks 0) og at vindusmodusen er 1.
    2. Kontroller at venstre definerer skjermens venstre grense (i piksler), øverst definerer skjermens øvre grense (i piksler), bredden er skjermens lengdebredde (i piksler) og høyden er den vertikale høyden på skjermen (i piksler).
    3. Etablere stimulusnummeret (Stim #), som forbinder stimulusfilnavnet og plasseringen (.dds), og forutsatt at nostimulus.vei-filen er stimulus nummer null, knytter dem til et stimulusindeksnummer. For den påfølgende stimulus_name.vei, list opp de forskjellige stimulusfilene som kan brukes i eksperimentell økt.
      MERK: Nostimulus.vei-filen er gunstig når du bruker ExpTrial da nostimulus.vei ikke presenterer en stimulus (tom skjerm).

Tabell 2: DC-filkonfigurasjon. Tabellen gir en oversikt over DC-tekstfilformatet. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

6. LED-inngangsfildefinisjon og lagring av stimulusbibliotek

  1. Åpne en ny tekstfil (.txt), og bruk tabulatoravgrensningen i filen. Avslutt hver linje i tekstfilen med to tabulatordelte nuller.
  2. I den første raden definerer du starttidspunkt(er) og LED (posisjon) verdier. I den andre raden definerer du slutttidspunkt(er) og endelige LED-posisjonsverdier. Lagre stimulus_name.vei-filen i katalogen, og gjenta disse trinnene for alle stimuli.
  3. Når du er ferdig, lagrer du alle stimulusfilene i stimulusbiblioteket, array_config.txt.
  4. Kontroller at den første raden i array_config.txt filen er kommunikasjonsporten (COM) som VisualEyes bruker til å kommunisere med den fleksible visuelle stimulatoren med standard inngangsverdi COM1. Den andre raden er overføringshastigheten med standard inngangsverdi som 9 600; Den tredje raden er databitkapasiteten med standard inndataverdi som 8 biter; og den fjerde raden er dataparitetsindeksen med standard inndataverdi som 0. De påfølgende radene i filen inneholder stimulusfilen til den fleksible visuelle stimulatoren (figur 6).
  5. Sjekk profilnummeret, som vist i figur 6; Dette refererer til den tilsvarende radindeksen for et gitt stimulusfilnavn, som starter på indeksnull.

Figure 6
Figur 6: Stimulusbibliotek. Ved hjelp av tekstredigeringsprogramvare gir formatet som vises for å identifisere portkommunikasjon, overføringshastighet, datastørrelse og paritet, samt biblioteket med stimulusfiler (.vei), VE2020 de nødvendige konfigurasjonene og stimulusfilnavnene for å kjøre vellykket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

7. Skriptopprettelse for eksperimentelle protokoller

  1. Åpne en ny tekstfil (.txt) for å skripte de eksperimentelle protokollkommandoene som VE2020 skal lese og utføre. Kontroller riktig syntaks for de eksperimentelle protokollkommandoene og dokumentasjonen. Tabell 3 gir en oversikt over VE2020-syntakskonvensjonene.
    MERK: VE2020 vil lese disse kommandoene sekvensielt.
  2. Lagre tekstfilen i katalogen som et VisualEyes-skript (VES), for eksempel script_name.ves. Fra forrige VisualEyes versjonshåndbok11, se etter en tabell over programvarefunksjoner som har inngangs- og utgangsfunksjoner. Tabell 3 viser tre nylig implementerte oppdaterte funksjoner.

Tabell 3: Syntaks for VE2020-funksjonen. VE2020 har spesifikk syntaks, som vist i tabellen for å kalle innebygde funksjoner og kommentere. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

8. Deltakerforberedelse og eksperimentinitiering

  1. Innhenting av samtykke og kvalifisering
    1. Bruk følgende generelle deltakerkriterier: i alderen 18-35 år, 20/25 (eller høyere) korrigert monokulær synsstyrke, stereo skarphet på 500 s (eller bedre) av bue, og 2 uker (eller høyere) for å bruke riktig brytningskorreksjon.
    2. Bruk følgende kvalifikasjonskriterier for konvergensinsuffisiens (KI) i henhold til etablert praksis12: Convergence Insufficiency Symptom Survey (CISS)13 score på 21 eller høyere, svikt i Sheards kriterium 14, 6 cm (eller større, ved brudd) nær konvergenspunkt (NPC) og 4Δ (eller større) eksoavvik (nær sammenlignet med langt).
    3. Bruk følgende kvalifikasjonskriterier for kontrolldeltakere: CISS-poengsum mindre enn 21, mindre enn 6Δ forskjell mellom nær og fjern phoria, mindre enn 6 cm (ved pause) NPC, bestått av Sheards kriterium og tilstrekkelig minimumsamplitude for overnatting som definert av Hofstetters formel15.
    4. Bruk følgende generelle deltakerkriterier: konstant strabismus, tidligere strabismus eller refraktiv kirurgi, sovende eller manifestert nystagmus, encefalopati, sykdommer som svekker imøtekommende, vergens eller okulær motilitet, 2Δ (eller større) vertikal heterofori og manglende evne til å utføre eller forstå studierelaterte tester. CI-kriteriene for inhabilitet inkluderer videre deltakere med mindre enn 5 dioptre imøtekommende responser via Donders push-up-metode16.
    5. Når informert samtykke er innhentet, be deltakeren om å sitte i haploskopet.
    6. Plasser deltakerens panne og hake mot en fast nakkestøtte for å minimere hodebevegelse, og juster deltakerens stolhøyde slik at deltakerens nakke er i en komfortabel posisjon for hele eksperimentets varighet.
    7. Juster kameraet/kameraene for øyebevegelser for å sikre at deltakerens øyne fanges innenfor kameraets synsfelt.
  2. Etter å ha sittet riktig i haploskopet og øyesporeren / autorefraktoren, be deltakeren om å visuelt feste seg på et visuelt presentert mål. Under dette oppsettet må du sørge for at deltakerens øyne er sentrert slik at visuelle mål presenteres på midtsagittalplanet.
    1. Oppnå øyesentrering ved å ha høye skarphetsmål presentert kikkert ved den visuelle midtlinjen. Deltakeren er justert på den visuelle midtlinjen når fysiologisk diplopi (dobbeltsyn) oppstår sentrert rundt målet for fiksering.
  3. Deretter justerer du øyesporingsgating og øyesporingssignalgevinster for å fange anatomiske egenskaper som limbus (grensen mellom iris og sclera), elev og hornhinderefleksjon.
  4. Valider fangsten av øyebevegelsesdataene ved å be deltakeren om å utføre gjentatte vergens og / eller sakkadisk bevegelser.
  5. Etter den foreløpige valideringen og de fysiske skjermkalibreringene, åpne ReadScript.vi. Når ReadScript.vi har åpnet, velger du det eksperimentelle protokollskriptet ved å skrive inn filnavnet øverst til venstre. Kjør protokollen via ReadScript.vi ved å trykke på den hvite pilen øverst til venstre for å utføre Acquire.vi.
  6. Gi deltakeren en håndholdt utløserknapp, og forklar at når avtrekkeren trykkes, vil datainnsamlingen starte. En fil vises automatisk på kontrollskjermen, Acquire.vi, som plotter en forhåndsvisning av de registrerte øyebevegelsesdataene. Når den eksperimentelle protokollen er fullført, stopper ReadScript.vi automatisk, og datautdatafiler genereres og lagres automatisk.

9. VNEL øyebevegelsesanalyseprogram (VEMAP)

  1. Forhåndsbehandling av data
    1. Start analysen ved å velge Forbehandle data-knappen . Et filutforskervindu vises. Velg en eller flere registrerte datafiler fra VE2020 for forhåndsbehandling.
    2. Filtrer dataene med et 20-ordens Butterworth-filter: 40 Hz for vergence øyebevegelser og 120 Hz eller 250 Hz for sakkadisk øyebevegelser. De fullførte forhåndsbehandlede datafilene lagres i VEMAP Preprocessed-mappen som .mat-filer.
      MERK: Filtreringsfrekvensen for VEMAP kan justeres til brukerens foretrukne grensefrekvens, avhengig av programmet.
  2. Kalibrering
    1. Ved å bruke de tre stimulerte monokulære kalibreringsbevegelsene henholdsvis for venstre og høyre øyeposisjon fremkalt fra VE2020-skriptet, skaper du en lineær regresjon av øyebevegelsesstimuli i grader som en funksjon av de registrerte spenningsverdiene. Som vist i de nedre plottene i figur 7, bruk de respektive Pearson-korrelasjonskoeffisientene og regresjonsformlene for den kvantitative vurderingen av tilpasningen.
    2. Bruk stigningstallet for hver regresjon som den respektive monokulære kalibreringsforsterkningen for å konvertere de registrerte (rå) spenningene til grader (kalibrert).
    3. Identifiser fra eksperimentelle kalibreringer en passende forsterkningsverdi for venstre og høyre øyebevegelsesrespons. Bruk kalibreringsforsterkningen konsekvent på hver registrerte øyebevegelsesstimulusseksjon. Etter kalibrering av alle bevegelsesunderavsnittene, vises et bekreftelsesvindu.
      MERK: Monokulære øyebevegelseskalibreringer er valgt på grunn av den potensielle manglende evnen til pasienter med konvergensinsuffisiens, den primære okulære motoriske dysfunksjonen undersøkt av vårt laboratorium, til å oppfatte en kikkertkalibrering som en enkelt percept. Hvis de registrerte kalibreringssignalene er mettede eller ikke lineært korrelerte (på grunn av ikke å ivareta stimulansen, blinking, sakkadisk bevegelse, øyetårer eller lukking av øynene), bruk deretter standardiserte kalibreringsgevinster for venstre og høyre øyebevegelsesrespons. Dette bør gjøres sparsomt, og disse kalibreringsforsterkningsverdiene bør utledes fra store gjennomsnitt på gruppenivå av tidligere deltakere for henholdsvis venstre og høyre øyebevegelsesresponsgevinst.
  3. Klassifisering
    1. Etter kalibreringen, inspiser hver øyebevegelsesrespons manuelt, og kategoriser ved hjelp av en rekke klassifiseringsetiketter, for eksempel blink ved forbigående, symmetrisk, asymmetrisk, tap av fusjon, ingen bevegelse (ingen respons) og mettet øyebevegelse.
    2. Se figur 8 for referanse. Det øvre plottet (posisjonsdata) er responsen fra en 4° symmetrisk vergenstrinnstimulus. Den kombinerte konvergensbevegelsen er vist i grønt, høyre øyebevegelse er vist i rødt. og venstre øyebevegelse vises i blått. Versjonssporingen vises i svart. Det nedre plottet viser den første deriverte hastigheten til øyebevegelsesposisjonsresponsen, med samme fargemønster som beskrevet ovenfor.
  4. Analyse av data
    1. Utfør det siste trinnet i VEMAP-datadataflyten for dataanalyse, som er tilgjengelig i VEMAP-brukergrensesnittet (UI) som en knapp og forhåndsvises i figur 9. Plott øyebevegelsene innenfor en bestemt stimulustype og klassifiseringsetikett sammen som et ensembleplott, som vist på høyre side av figur 9.
    2. Selektivt analysere delmengder av øyebevegelser via deres klassifiseringsetiketter eller helhetlig uten noen brukte klassifiseringsfiltre via Velg klasser-knappen.
    3. Kontroller at de primære øyebevegelsesberegningene samsvarer med hver registrerte øyebevegelse, for eksempel latens, topphastighet, responsamplitude og endelig amplitude.
    4. Inspiser hver øyebevegelsesrespons for å sikre at hver registrerte beregning er gyldig. Hvis en beregning ikke ser ut til å være passende, må du måle de registrerte beregningene på nytt i henhold til dette til passende verdier nøyaktig gjenspeiler hver bevegelse. I tillegg må du utelate øyebevegelser eller omklassifisere klassifiseringsetikettene via Reclassify-knappen hvis de registrerte beregningene ikke kan beskrive den registrerte øyebevegelsen tilstrekkelig.

Figure 7
Figur 7: Monokulær kalibrering og korrelasjonshelling. Et eksempel på kalibrering av øyebevegelsesdata fra spenningsverdier til rotasjonsgrader. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Klassifisering av programvare for øyebevegelser. Klassifisering av stimulerte øyebevegelsesresponser. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: Programvareanalyse for øyebevegelsesrespons. Et eksempel på plottede konvergensresponser stimulert av en 4° symmetrisk trinnendring (høyre), med individuelle måledata for øyebevegelsesrespons presentert tabellarisk (venstre) og statistikk på gruppenivå vist tabellarisk under svarberegningene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

10. Program for imøtekommende bevegelsesanalyse (AMAP)

  1. Konfigurasjon av data
    1. Bruk den eksterne lagringsenheten som inneholder autorefraktordataene, og eksporter dataene til en enhet med AMAP installert. AMAP er tilgjengelig som en frittstående kjørbar så vel som et lokalt program via installasjonen av MATLAB-programmet.
  2. Start AMAP-programmet. Fra AMAP-en velger du enten File Preprocessor eller Batch Preprocessor. Filforprosessoren behandler en individuell datamappe, mens den satsvise preprosessoren behandler en valgt datamappekatalog.
  3. Kontroller AMAPs fremdriftslinje og varsler, da systemet gir disse når de valgte dataene er forhåndsbehandlet. Mappekataloger genereres fra AMAPs forbehandling for databehandling, gjennomsiktighet og tilgjengelighet via datamaskinens lokale stasjon under AMAP_Output.
  4. Hvis en AMAP-funksjon er valgt uten forutgående databehandling, ser du etter et filutforskervindu som vises, der brukeren kan velge en datakatalog.
  5. Utfør AMAP-dataanalysen som beskrevet nedenfor.
    1. Etter forhåndsbehandling velger du en datafil som skal analyseres, via Last inn data-knappen . Dette vil laste alle tilgjengelige filer inn i gjeldende filkatalog som standard til en generert AMAP_Output mappe. Det valgte datafilnavnet vises i det gjeldende filfeltet.
    2. Under øyevelgeren kontrollerer du standardvalget, som presenterer kikkertgjennomsnittlige data for den registrerte imøtekommende brytningen.
    3. Bytt datatype mellom imøtekommende refraksjon og oculomotorisk vergens (blikk) via typevelgeren. Sjekk ytterligere grafiske tilpasninger som er tilgjengelige for å presentere databeregningene og førsteordens og andreordens karakteriseringer. Se figur 10 for kombinasjoner av grafiske alternativer som kan velges for operatøren å visualisere.
    4. Sjekk standardberegningene for AMAP, som er som følger: topphastighet (grader / s); responsamplitude (grader); endelig amplitude (grader); respons startindeks (er); topphastighetsindeks (er); respons slutt indeks (er); blikk (vergens) hastighet (grader/s); blikkresponsamplitude (grader); blikk endelig amplitude (grader); blikkrespons startindeks (er); blikkhastighetsindeks (er); blikkrespons sluttindeks (er); og klassifisering (binær 0 - dårlig, 1 - bra).
    5. Utfør endringer i responsstartindeksen, svarsluttindeksen og topphastighetsindeksen gjennom de metriske modifikasjonsspinnerne (figur 10).
    6. Etter analysen av alle registrerte bevegelser som vises, lagrer du de analyserte beregningene for hver datafil i bevegelses-ID-feltet eller via navigasjonspilene til venstre og høyre.
    7. Velg Lagre-knappen for å eksportere de analyserte dataene til et tilgjengelig regneark. Uanalyserte bevegelser har en standardklassifisering av ikke-et nummer (NaN) og lagres eller eksporteres ikke.
    8. Utfør manuell klassifisering (god / dårlig) for hver bevegelse for å sikre fullstendig analyse av enhver operatør.

Figure 10
Figur 10: Frontend for AMAP-programvare. Figuren viser hovedbrukergrensesnittet for AMAP med uthevede seksjoner for den grafiske presentasjonen (grafiske alternativer) av data og dataanalyse (metriske modifikasjoner). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ensembleplott på gruppenivå av stimulerte øyebevegelser fremkalt av VE2020 er avbildet i figur 11 med tilsvarende førsteordens hastighetskarakteristikker.

Figure 11
Figur 11: Øyebevegelsesresponsensembler. Ensembleplottene av vergenstrinn (venstre) og sakkader (høyre) stimulert ved hjelp av VE2020 vises. Hvert øyebevegelsesposisjonsspor (grader) er plottet som en unikt farget linje og overlappet med hastighetsresponsen på gruppenivå i rødt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

De eksporterte funksjonene fra AMAP gjør det mulig å visualisere bevegelsesplott på både deltakernivå og gruppenivå (ensembler) og tilsvarende beregninger (eksport) i et tilgjengelig regneark (tabell 4). De eksporterte datatabellene gir en kvantitativ oversikt over deltakernes prestasjoner og kan etablere kriterier for fjerning av avvik.

Tabell 4: Eksport av analyse av AMAP-programvare. Et eksempel på AMAP-eksportfunksjonen, der individuelle øyebevegelsesresponser eksporteres radvis med tilhørende emne- og bevegelsestypeidentifikasjon. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

Visualiseringen av deltakerprestasjonene kan også oppnås innenfor AMAP, som vist i figur 12, som viser et ensemble av 5° konvergente responser og de tilsvarende 1.5 diopter-imøtekommende responsene som er resultatet av databehandling.

Figure 12
Figur 12: Imøtekommende bevegelsesresponsensembler. Figuren viser ensemblefunksjonen AMAP, som lager overlegg av hvert enkelt bevegelsesresponsspor (grått) og gjennomsnittlig respons (grønt). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 11 og figur 12 viser vellykket stimulering og registrering av både vergence og sakkadisk øyebevegelser samt imøtekommende responser. Forutsatt at kalibreringsprosedyrene fra VEMAP gir de forventede 4° vergens- og 5° sakkadisk målene, viser figur 11 at for en kikkertnormal deltaker som gjennomgår disse visuelle oppgavene, er den forventede stimuleringen oppfylt. For imøtekommende responser behandlet i AMAP, viser figur 12 en omtrentlig imøtekommende respons på 1 diopter med en imøtekommende etterspørsel på 1,5 dioptre, noe som er konsistent med variabiliteten til autorefraktorsystemer for varierende deltakerdemografi17. Disse resultatene kan kalibreres ytterligere ved hjelp av en konstant gevinst, etter gruppenivåstatistikk for ulike eksperimentelle deltakergrupper med eksportfunksjonen sett i tabell 4. Derfor kan etablering og vellykket implementering av VE2020, VEMAP og AMAP gi en kvantitativ forståelse av forskjellene i stimulert øyebevegelse og imøtekommende responsmålinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Anvendelser av metoden i forskning
Innovasjoner fra den første VisualEyes2020 (VE2020) programvaren inkluderer utvidelsen av VE2020 til å projisere på flere skjermer med en eller flere visuelle stimuli, noe som gjør det mulig å undersøke vitenskapelige spørsmål som spenner fra kvantifisering av Maddox-komponentene i vergence18 til påvirkning av distraherende mål på instruerte mål19. Utvidelsen av haploscope-systemet til VE2020 sammen med den komplementære utviklingen av VEMAP og AMAP gir en selvstendig stimulans- og analyseplattform som er kompatibel med for øyeblikket tilgjengelig øyebevegelses- og innkvarteringsopptaksutstyr. Etter den vellykkede etableringen av VE2020-stimulusrutinen og påfølgende opptak, gjør konverteringen av rå øyebevegelsesposisjon og innkvarteringsdata til meningsfulle og analyserbare delmengder av data forskere med de nødvendige ikke-invasive verktøyene for helhetlig å undersøke utbredte og underliggende synsdysfunksjoner, som typisk forekommende eller mild traumatisk hjerneskadeindusert dysfunksjon og konvergensmangel, som kan sammenlignes med funksjon hos kikkertnormale kontrolldeltakere 1,2,13,20. Å gi øyebevegelsesanalyse med tilsvarende imøtekommende responser forbedrer den vitenskapelige forståelsen av det ukjente samspillet mellom vergens og imøtekommende systemer hos både friske deltakere og de med oculomotorisk dysfunksjon21.

Som demonstrert, med VE2020, VEMAP og AMAP i fellesskap konfigurert, kan de underliggende nevrale kontrollmekanismene i dysfunksjon forstås bedre22,23. Gjennom VE2020s repeterbare visuelle stimulering kan latente nevrologiske dysfunksjoner som kan ha tidlige biomarkører uttrykt gjennom unormale imøtekommende, vergens- eller versjonsresponser, nå kvantitativt vurderes av AMAP og VEMAP. Forening av den imøtekommende responsanalysen med koblede øyebevegelsesopptak fra tidligere isolerte visjonseksperimenter hjelper studier til å oppnå mer komplette og kvantifiserbare analyseresultater. Objektive analysemetoder og stimulering gir muligheten til å sammenligne effekten av dagens omsorgsstandarder og deres terapeutiske resultater24,25. Disse kvantifiseringene, kombinert med subjektiv deltaker symptomundersøkelse, kan hjelpe til med å identifisere personlige utbedringsstrategier som forbedrer resultatene. Videre, ved å evaluere disse hovedkomponentene som kan fremkalle symptomer, kan tidlige metoder for å oppdage skade26 og alvorlighetsvurderinger etableres med økt effekt.

Kritiske trinn i protokollen
Øyebevegelser måles vanligvis ved størrelsen på øyets rotasjon i grader. Som vist i figur 5 krever den trigonometriske konverteringen av en stimulus' translasjonsbevegelse til grader en kjent interpupillær avstand (IPD) og målt avstand til målet. Bruk av kjente gjennomsnitt for IPD kan gi en generalisert tilnærming for skripting av VE2020-stimulussekvensene; Disse er imidlertid avhengige av riktige kalibreringer. Tegnkonvensjoner for bevegelsesretningen kan endres; Dette vil imidlertid endre anvendelsen av forsterkningsverdier for VEMAP. VEMAPs nåværende bevegelseskonvensjoner er som følger for sakkadisk bevegelser: høyre er positivt, og venstre er negativt. I tillegg, for vergensbevegelser, er konvergens (innadgående rotasjon) positiv, og divergens (utadgående rotasjon) er negativ.

Som vist i figur 7 ble stimulusmålene plassert ved 1°, 3° og 5°, noe som representerer en innadgående monokulær vinkelrotasjon fra optisk uendelighet. Plottet nederst til venstre demonstrerer en trepunkts lineær regresjon for posisjonsdataene til venstre øye, hvor for en 5 ° stimulus var den gjennomsnittlige registrerte spenningen -1 V, for en 3 ° stimulus var gjennomsnittlig registrert spenning ca. 0,4 V, og for en 1 ° stimulus var gjennomsnittlig registrert spenning ca. 1,25 V. På samme måte, for høyre øyeposisjon i nederste høyre plott, hadde en 1 ° stimulus en tilsvarende spenning på -1,25 V, en 3 ° stimulus hadde en gjennomsnittlig spenning på ca. 0 V, og en 5 ° stimulus hadde en gjennomsnittlig spenning på 1,1 V.

Begrensninger av metoden
De nåværende begrensningene i metoden inkluderer standardisert utgang av autorefraktor- og øyesporingsdata, da AMAP og VEMAP er programmert til å behandle disse dataformatene. En annen begrensning inkluderer det faktum at hvis eksperimenteringen ikke er engasjerende, kan deltakerne ofte blinke (lukke) øynene, noe som fører til dårlig dataopptakskvalitet. Mens andre oculomotoriske dysfunksjoner som strabismus, amblyopi, nystagmus og undertrykkelse kan utnytte VE2020, VEMAP og AMAP, må modifikasjoner implementeres for hver av disse spesifikke oculomotoriske dysfunksjonene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å oppgi.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health grant R01EY023261 til TLA og et Barry Goldwater stipend og NJIT Provost doktorgradspris til SFF

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 1920x1080 Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, USA. (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. , Milford House Inc. Boston, MA. translated by Moore, W. D (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. , John Wright and Co. London, UK. (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. , Oxford Academic Press. Oxford, UK. (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).

Tags

Bioteknologi utgave 193
Kvantifisering av oculomotoriske responser og tilpasning gjennom instrumentering og analyse verktøykasser
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fine, S. N., Guo, Y., Talasan, H.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter