Bioengineering

Количественная оценка глазодвигательных реакций и аккомодации с помощью приборов и наборов инструментов анализа

Published: March 3, 2023 doi: 10.3791/64808

Sebastian N. Fine¹, Yi Guo^1,2, Henry Talasan¹, Stephen LeStrange¹, Chang Yaramothu^1,3, Tara L. Alvarez¹

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) — это пользовательский язык сценариев, который представляет, записывает и синхронизирует визуальные стимулы движения глаз. VE2020 предоставляет стимулы для сопряженных движений глаз (саккады и плавное преследование), дисконъюгированных движений глаз (vergence), аккомодации и комбинаций каждого из них. Две аналитические программы объединяют обработку данных из систем отслеживания движения глаз и регистрации аккомодации.

Abstract

Благодаря целенаправленной стимуляции и записи движений глаз можно наблюдать фундаментальные характеристики основных нервных механизмов движений глаз. VisualEyes2020 (VE2020) был разработан на основе отсутствия настраиваемой программной визуальной стимуляции, доступной для исследователей, которая не полагается на двигатели или приводы в традиционном гаплоскопе. Этот новый инструмент и методология были разработаны для новой конфигурации гаплоскопа с использованием как систем отслеживания взгляда, так и авторефракторных систем. Аналитическое программное обеспечение, которое позволяет синхронизировать анализ движения глаз и аккомодационных реакций, предоставляет исследователям зрения и клиницистам воспроизводимую среду и общий инструмент. Программа анализа движений глаз (VEMAP) Лаборатории зрения и нейронной инженерии (VNEL) была создана для обработки записей, произведенных айтрекерами VE2020, в то время как Программа анализа аккомодационных движений (AMAP) была создана для обработки выходных данных записи из соответствующей системы авторефрактора. VNEL изучает три основных стимула: аккомодацию (изменения выпуклости интраокулярной линзы, вызванные размытием), вергенцию (внутрь, конвергентное вращение и наружу, расходящееся вращение глаз) и саккады (сопряженные движения глаз). VEMAP и AMAP используют аналогичные процессы потока данных, ручное взаимодействие с оператором и вмешательство там, где это необходимо; Тем не менее, эти аналитические платформы способствуют созданию объективного программного пакета, который сводит к минимуму зависимость оператора. Полезность графического интерфейса и соответствующих ему алгоритмов позволяет проводить широкий спектр визуальных экспериментов с минимальным предварительным опытом программирования от оператора (операторов).

Introduction

Согласованная бинокулярная координация и соответствующие аккомодационные и глазодвигательные реакции на визуальные стимулы являются важнейшими аспектами повседневной жизни. Когда у человека снижается скорость реакции на конвергенцию движения глаз, количественно определяемая с помощью записи движения глаз, может быть воспринято двойное зрение (диплопия) ^1,2. Кроме того, метаанализ Кокрейновской литературы показал, что пациенты с глазодвигательными дисфункциями, пытаясь поддерживать нормальное бинокулярное зрение, испытывают общие визуальные симптомы, включая помутнение/двоение в глазах, головные боли, напряжение глаз и трудности с комфортным чтением³. Быстрые сопряженные движения глаз (саккады), когда они недостаточны, могут недостаточно или чрезмерно реагировать на визуальные цели, что означает, что для исправления этой ошибки требуются дополнительные последовательные саккады⁴. Эти глазодвигательные реакции также могут быть нарушены аккомодационной системой, в которой неправильная фокусировка света от хрусталика создает размытие⁵.

Такие задачи, как чтение или работа с электронными устройствами, требуют координации глазодвигательной и аккомодационной систем. Для людей с бинокулярным движением глаз или аккомодационными дисфункциями неспособность поддерживать бинокулярный спондилодез (одиночный) и острое (ясное) зрение снижает качество их жизни и общую производительность. Установив процедурную методологию для количественной регистрации этих систем независимо и согласованно с помощью повторяемых конфигураций приборов и объективного анализа, можно понять отличительные характеристики акклиматизации к конкретным недостаткам. Количественные измерения движений глаз могут привести к более полному диагнозу⁶ по сравнению с традиционными методами, с потенциалом прогнозирования вероятности восстановления с помощью терапевтических вмешательств. Этот набор инструментов и анализа данных дает представление о механизмах, лежащих в основе современных стандартов медицинской помощи, таких как терапия зрения, и долгосрочного эффекта, который терапевтические вмешательства могут оказать на пациентов. Установление этих количественных различий между людьми с нормальным бинокулярным зрением и без него может обеспечить новые персонализированные терапевтические стратегии и повысить эффективность восстановления на основе объективных измерений результатов.

На сегодняшний день не существует единой коммерчески доступной платформы, которая могла бы одновременно стимулировать и количественно регистрировать данные о движении глаз с соответствующими аккомодационными позиционными и скоростными реакциями, которые в дальнейшем могут обрабатываться в виде отдельных (движения глаз и аккомодационных) потоков данных. Анализ обработки сигналов для аккомодационных и глазодвигательных позиционных и скоростных реакций соответственно установил минимальные требования к дискретизации примерно 10 Гц⁷ и рекомендуемую частоту дискретизации от 240 Гц до 250 Гц для саккадических движений глаз ^8,9. Тем не менее, скорость Найквиста для движений глаз вергенции еще не установлена, хотя вергенция примерно на порядок ниже по пиковой скорости, чем саккадические движения глаз. Тем не менее, в современной литературе существует пробел в отношении регистрации движений глаз и интеграции платформы авторефракционных инструментов. Кроме того, возможность анализировать объективные реакции движения глаз с синхронными ответами на аккомодацию еще не была открыта. Таким образом, Лаборатория зрения и нейронной инженерии (VNEL) удовлетворила потребность в синхронизированных приборах и анализе, создав VE2020 и два пакета программ автономной обработки сигналов для анализа движений глаз и аккомодационных реакций. VE2020 настраивается с помощью процедур калибровки и протоколов стимуляции для адаптации к различным приложениям, от фундаментальных научных до клинических, включая исследовательские проекты бинокулярного зрения по недостаточности/избытку бинокулярного зрения по недостаточности/избытку конвергенции, недостаточности/избытку дивергенции, аккомодационной недостаточности/избытка, бинокулярным дисфункциям, связанным с сотрясением мозга, косоглазию, амблиопии и нистагму. VE2020 дополняется VEMAP и AMAP, которые впоследствии предоставляют возможности анализа данных для этих стимулированных глаз и аккомодационных движений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Исследование, для которого был создан и успешно внедрен этот набор инструментов и анализа данных, было одобрено Наблюдательным советом Технологического института Нью-Джерси HHS FWA 00003246 одобрение F182-13 и одобрено как рандомизированное клиническое исследование, опубликованное на ClinicalTrials.gov Идентификатор: NCT03593031, финансируемое через NIH EY023261. Все участники прочитали и подписали форму информированного согласия, утвержденную Институциональным наблюдательным советом университета.

1. Настройка КИПиА

Мониторинг соединений и оборудования
1. Система VE2020 распределяет мониторы по пространству по часовой стрелке. Убедитесь, что монитор основного элемента управления проиндексирован как 0 и что все последующие мониторы индексируются начиная с 1. Убедитесь, что все мониторы управляются одним компьютером (см. Таблицу материалов).
2. Обеспечьте правильную пространственную конфигурацию мониторов стимулов. На главном экране рабочего стола контроллера щелкните правой кнопкой мыши монитор контроллера, выберите настройки дисплея и перейдите к разрешению экрана. Выберите Идентифицировать; это обеспечит визуализацию назначенных индексов монитора для каждого дисплея стимула, подключенного к управляющему компьютеру (рис. 1).
Конфигурация физического оборудования
1. Убедитесь, что система слежения за глазами находится на оптической средней линии с минимальным расстоянием между камерой 38 см. Убедитесь, что система авторефрактора находится на оптической средней линии и на расстоянии 1 м ± 0,05 м от глаз.
2. Проверьте конфигурацию аппаратных средств и оборудования, обратившись к размерам, показанным на рисунке 1.
Система слежения за движением глаз
1. Убедитесь, что рабочий стол и соответствующее оборудование для отслеживания взгляда настроены и откалиброваны в соответствии с инструкциями производителя (см. Таблицу материалов).
2. Подключите кабель BNC от аналоговых выходов настольного компьютера к плате сбора данных (DAQ) через аналоговую клеммную коробку (NI 2090A). Конфигурации портов BNC по умолчанию для VE2020 см. в таблице 1 .
  ПРИМЕЧАНИЕ: Отклонения от проводки по умолчанию требуют изменения назначенных портов, описанных в файлах Acquire.vi и/или TriggerListen.vi, или редактирования порядка заголовков по умолчанию в файле standard.txt.
3. Сконфигурируйте опорные переключатели коммутационной коробки аналоговых клемм, определив несимметричный/дифференциальный (SE/DIFF) переключатель (см. рис. 2), и установите переключатель в положение SE. Затем определите переключатель выбора заземления (RSE/NRSE) (см. рис. 2) и установите ссылку на заземление на несимметричный (RSE).
Аккомодационный ответ
1. Выполните ориентацию авторефрактора (см. Таблицу материалов) в соответствии с рекомендациями производителя. Настройте авторефрактор на прямое выравнивание и выполните ручной запуск авторефрактора оператором для сохранения данных записи авторефрактора.
2. Убедитесь, что для сохранения данных авторефрактора используется внешнее съемное запоминающее устройство. Извлеките внешний диск перед запуском программного обеспечения авторефрактора и снова вставьте диск после запуска программного обеспечения. Создайте каталог папок на соответствующем запоминающем устройстве для идентификации профилей участников, времени сеанса и стимулов. Следуйте этой практике для каждого сеанса экспериментальной записи.
3. После активации программного обеспечения авторефрактора и установки внешнего запоминающего устройства начните калибровку авторефрактора.
4. Монокулярно окклюзируйте левый глаз участника с помощью инфракрасного фильтра пропускания (IR Tx Filter)¹⁰. Поместите пробную линзу с выпуклой сферой перед ИК-фильтром (см. Таблицу материалов).
5. Бинокулярно представьте стимул с высокой остротой зрения 4 ° от физически близких мониторов стимулов.
  ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как участник сообщает о стимуле как визуально единичном и четком (остром), участник должен использовать ручной триггер для продолжения калибровки.
6. Бинокль представляет стимул высокой остроты зрения 16 ° от физически близких мониторов стимулов.
  ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как участник сообщает о стимуле как о визуально единичном и ясном (остром), участник должен использовать портативный триггер для прогресса.
7. Повторите эти процедуры калибровки (этапы 1.4.4-1.4.6) для каждой линзы выпуклой сферы следующим образом (в диоптриях): -4, -3, -2, -1, +1, +2, +3 и +4.

Рисунок 1: Конфигурация аппаратуры управления и регистрации гаплоскопа. Пример индексации дисплея VE2020 для упорядочивания и определения размеров монитора по часовой стрелке. Здесь 1 - это монитор управления, 2 - монитор ближнего левого дисплея, 3 - крайний левый монитор дисплея, 6 - калибровочная плата (CalBoard), 4 - крайний правый монитор дисплея и 5 - монитор ближнего правого дисплея. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Карта портов BNC. Соглашение о соединениях BNC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Рисунок 2: Ссылки на выключатели коммутационной коробки. Демонстрация правильного положения переключателя NI 2090A. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Визуальная стимуляция с использованием визуальных дисплеев VE2020 и светодиодных мишеней VE2020

Начните калибровку стимульных дисплеев VisualEyes2020.
1. Откройте файл виртуального инструмента (VI) с именем Pix2Deg2020.vi. Выберите монитор для калибровки, используя поле ввода идентификатора режима растяжения и соответствующий индекс дисплея монитора (рис. 3).
2. Выберите изображение стимула (например, RedLine.bmp), введя имя файла стимула в поле ввода линии.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Важно отметить, что Pix2Deg2020.vi использует файлы .bmp, а не файлы .dds.
3. Запустите Pix2Deg2020.vi и отрегулируйте положение стимула до тех пор, пока оно не наложится на измеренную физическую цель.
4. Как только виртуальное изображение совпадет с физически измеренной целью, запишите на экране значение пикселя для заданного значения градуса. Запишите как минимум три точки калибровки с различными требованиями к стимулированной степени и соответствующими значениями пикселей.
5. Убедитесь, что после записи каждой точки калибровки VE2020 создает выходной файл с именем Cals.xls. Используя калибровочные точки в Cal.xls, примените наиболее подходящую линейную регрессию, чтобы отобразить экспериментально необходимые требования к стимулам движения глаз в градусах вращения в пикселях. Пример пятиточечной калибровки записанных пикселей показан на рисунке 4.
Повторите эту процедуру для различных стимульных изображений (т.е. фонового или второго визуального стимула, если это необходимо) и каждого монитора стимула, который, как ожидается, будет использоваться.

Рисунок 3: Стимулированные градусы для мониторинга пикселей. Изображение вида оператора для калибровки VE2020. Слева направо представлена таблица значений записанных пикселей, соответствующих известному значению градуса, для заданного выбора монитора стимулов (идентификатор режима растяжения) с фиксированным соотношением сторон, заданным именем файла, фоновым стимулом (BG) и стимулом переднего плана (линия). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Наклоны калибровки от пикселя до градуса. Монокулярная калибровочная кривая для известных значений градусов и измеренных значений пикселей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Калибровка светодиодов

Определите экспериментальные степени вращения, используя тригонометрические тождества в вертикальной или горизонтальной плоскостях (рис. 5). Пографируйте степени вращения в зависимости от числа светодиодов.
Линейно регрессирует число светодиодов в зависимости от степеней вращения. Используйте полученное соотношение для вычисления начального и конечного чисел светодиодов, которые будут использоваться в качестве визуальных стимулов во время эксперимента.

Рисунок 5: Расчетные степени вращения. Метод расчета углового смещения как для саккадических движений глаз, так и для движений вергенции с известным расстоянием до цели (X) и межзрачковым расстоянием (IPD). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Программирование программного обеспечения

Определите входной файл дисплея VisualEyes и сохраните его в библиотеке стимулов следующим образом.
1. Чтобы определить каждый стимул, откройте новый текстовый файл (.txt) перед экспериментом. В первой строке этого текстового файла подтвердите наличие четырех обязательных параметров, разделенных табуляцией: время (ы) стимула; X-позиция (пиксели); Y-позиция (пиксели); и вращение (градусы). Дополнительно подтвердите наличие двух необязательных последовательных параметров: масштабирование X (горизонтальное масштабирование); и масштабирование Y (вертикальное масштабирование).
2. Рассчитайте значение пикселя для каждой желаемой степени стимула, используя уравнение линейной регрессии, полученное в результате калибровки (см. этап 2.1.5).
3. Подтвердите в следующей строке текстового файла, что длина (длины), для которой стимул представлен в его начальной позиции и последующей конечной позиции, присутствуют и разделены табуляцией.
4. Сохраните файл стимула в каталоге в виде входного файла VisualEyes (VEI) с информативным именем файла (например, stimulus_name_movement_size.vei).
  ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый файл стимула расположен монокулярно, поэтому необходимо создать отдельный файл, чтобы дополнительный глаз вызвал бинокулярное движение.
Повторите эти процедуры для каждого желаемого экспериментального стимула, соответствующего типа движения, величины движения и глаза, если это необходимо.

5. Файлы DC

Создайте библиотеку стимулов для каждого монитора стимулов. Назовите эти библиотеки как dc_1.txt–dc_7.txt. Параметры, содержащиеся в файлах dc_1.txt и dc_2.txt, см. в таблице 2.
1. Проверьте числовой идентификатор для каждого монитора стимулов, нажав « Дисплей > разрешение экрана» > «Идентифицировать». Убедитесь, что идентификатором устройства является основной графический процессор (начальный индекс 0), а оконный режим — 1.
2. Убедитесь, что левая граница экрана определяет левую границу (в пикселях), верхняя — верхнюю границу экрана (в пикселях), ширина — это продольная ширина экрана (в пикселях), а высота — вертикальную высоту экрана (в пикселях).
3. Установите номер стимула (Stim#), который связывает имя и местоположение файла стимула (.dds) и, если файл nostimulus.vei является нулевым номером стимула, связывает их с номером индекса стимула. Для следующего stimulus_name.vei перечислите различные файлы стимулов, которые можно использовать в экспериментальном сеансе.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Файл nostimulus.vei полезен при использовании ExpTrial, поскольку nostimulus.vei не представляет стимул (пустой экран).

Таблица 2: Конфигурация файла DC. В таблице представлен обзор формата текстового файла контроллера домена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

6. Определение входного файла светодиода и хранение библиотеки стимулов

Откройте новый текстовый файл (.txt) и используйте в нем разграничение табуляции. Завершите каждую строку в текстовом файле двумя нулями с разделителями-табуляциями.
В первой строке определите начальные значения времени (с) и светодиода (положение). Во второй строке определите окончательное время (ы) и конечные значения положения светодиода. Сохраните файл stimulus_name.vei в каталоге и повторите эти шаги для всех стимулов.
После завершения сохраните все файлы стимулов в библиотеке стимулов array_config.txt.
Убедитесь, что первая строка в файле array_config.txt — это порт связи (COM), который VisualEyes использует для связи с гибким визуальным стимулятором с входным значением по умолчанию COM1; вторая строка — это скорость передачи данных с входным значением по умолчанию 9 600; третья строка — битовая емкость данных с входным значением по умолчанию 8 бит; и четвертая строка - это индекс четности данных с входным значением по умолчанию равным 0. Последующие строки в файле содержат файл стимула гибкого визуального стимулятора (рис. 6).
Проверьте номер профиля, как показано на рисунке 6; Это относится к соответствующему индексу строки любого заданного имени файла стимула, который начинается с нулевого индекса.

Рисунок 6: Библиотека стимулов. Используя программное обеспечение для редактирования текста, формат, показанный для идентификации связи портов, скорости передачи данных, размера данных и четности, а также библиотеки файлов стимулов (.vei), предоставляет VE2020 необходимые конфигурации и имена файлов стимулов для успешной работы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

7. Создание скриптов для экспериментальных протоколов

Откройте новый текстовый файл (.txt), чтобы создать сценарий команд экспериментального протокола для чтения и выполнения VE2020. Проверьте правильность синтаксиса команд экспериментального протокола и документации. В таблице 3 представлен обзор синтаксических соглашений VE2020.
ПРИМЕЧАНИЕ: VE2020 будет считывать эти команды последовательно.
Сохраните текстовый файл в каталоге как сценарий VisualEyes (VES), например script_name.ves. В предыдущем руководстве по версии^{VisualEyes 11} проверьте наличие таблицы программных функций, которые имеют возможности ввода и вывода. В таблице 3 показаны три недавно реализованные обновленные функции.

Таблица 3: Синтаксис функции VE2020. VE2020 имеет специфический синтаксис, как показано в таблице для вызова встроенных функций и комментирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

8. Подготовка участников и начало эксперимента

Получение согласия и права на участие
1. Используйте следующие общие критерии приемлемости участников: возраст 18-35 лет, 20/25 (или более) скорректированная монокулярная острота зрения, стереоострота 500 с (или выше) дуги и 2 недели (или более) использования надлежащей рефракционной коррекции.
2. Используйте следующие критерии приемлемости участников недостаточности конвергенции (CI) в соответствии с установленной практикой¹²: Обследование симптомов недостаточности конвергенции (CISS)¹³ 21 или выше, невыполнение критерия^{Ширда 14}, 6 см (или больше, при разрыве) вблизи точки конвергенции (NPC) и экзодевиация 4Δ (или выше) (ближняя по сравнению с дальней).
3. Используйте следующие критерии приемлемости контрольных участников: оценка CISS менее 21, разница менее 6Δ между ближней и дальней форией, менее 6 см (при разрыве) NPC, прохождение критерия Ширда и достаточная минимальная амплитуда аккомодации, определенная формулой Хофштеттера¹⁵.
4. Используйте следующие общие критерии дисквалификации участников: постоянное косоглазие, предшествующее косоглазие или рефракционная хирургия, дремлющий или проявленный нистагм, энцефалопатия, заболевания, нарушающие аккомодацию, вергенцию или моторику глаз, вертикальная гетерофория 2Δ (или выше) и неспособность выполнять или понимать тесты, связанные с исследованием. Критерии дисквалификации CI также включают участников с аккомодационными ответами менее 5 диоптрий с помощью метода^{отжиманий Дондера 16}.
5. Как только информированное согласие будет получено, попросите участника сесть в гаплоскоп.
6. Расположите лоб и подбородок участника напротив фиксированного подголовника, чтобы свести к минимуму движение головы, и отрегулируйте высоту стула участника так, чтобы шея участника находилась в удобном положении на протяжении всего эксперимента.
7. Отрегулируйте камеру (камеры) для записи движения глаз, чтобы убедиться, что глаза участника попадают в поле зрения камеры.
После того, как вы правильно сядете в гаплоскоп и айтрекер/авторефрактор, попросите участника визуально зафиксироваться на визуально представленной цели. Во время этой настройки убедитесь, что глаза участника центрированы так, чтобы визуальные цели были представлены в средней сагиттальной плоскости.
1. Добейтесь центрирования глаз, представив цели с высокой остротой зрения в бинокль на средней линии зрения. Участник выравнивается по средней линии зрения, когда возникает физиологическая диплопия (двоение в глазах), сосредоточенная вокруг цели фиксации.
Затем отрегулируйте стробирование слежения за глазами и усиление сигнала слежения за глазами, чтобы захватить анатомические особенности, такие как лимб (граница между радужной оболочкой и склерой), зрачок и отражение роговицы.
Проверьте захват данных о движении глаз, попросив участника выполнить повторные движения вергенции и/или саккады.
После предварительной проверки и калибровки физического монитора откройте ReadScript.vi. После того, как ReadScript.vi откроется, выберите сценарий экспериментального протокола, введя имя файла в верхнем левом углу. Запустите протокол через ReadScript.vi, нажав белую стрелку в верхнем левом углу, чтобы выполнить Acquire.vi.
Предоставьте участнику ручную кнопку триггера и объясните, что при нажатии триггера начнется сбор данных. Файл автоматически появится на экране контрольного монитора Acquire.vi, который отображает предварительный просмотр записанных данных о движении глаз. Когда экспериментальный протокол завершен, ReadScript.vi автоматически останавливается, а файлы вывода данных автоматически генерируются и сохраняются.

9. Программа анализа движений глаз VNEL (VEMAP)

Предварительная обработка данных
1. Начните анализ, нажав кнопку «Данные предварительной обработки ». Появится окно проводника. Выберите один или несколько записанных файлов данных из VE2020 для предварительной обработки.
2. Фильтруйте данные с помощью фильтра Баттерворта 20 порядка: 40 Гц для движений глаз и 120 Гц или 250 Гц для саккадических движений глаз. Готовые файлы препроцессированных данных будут храниться в папке VEMAP Preprocessed в виде файлов .mat.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Частота фильтрации для VEMAP может быть отрегулирована в соответствии с предпочтительной частотой среза пользователя, в зависимости от области применения.
Калибровка
1. Используя три стимулированных монокулярных калибровочных движения соответственно для левого и правого положения глаз, вызванных сценарием VE2020, создайте линейную регрессию стимулов движения глаз в градусах в зависимости от записанных значений напряжения. Как показано на нижних графиках рисунка 7, используйте соответствующие коэффициенты корреляции Пирсона и формулы регрессии для количественной оценки соответствия.
2. Используйте наклон каждой регрессии в качестве соответствующего усиления монокулярной калибровки для преобразования записанных (необработанных) напряжений в градусы (калиброванные).
3. Определите из экспериментальных калибровок подходящее значение усиления для реакций движения левого и правого глаза. Последовательно применяйте калибровочное усиление к каждому записанному участку стимула движения глаз. После калибровки всех подразделов движения появится окно подтверждения.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка монокулярных движений глаз выбирается из-за потенциальной неспособности пациентов с недостаточностью конвергенции, первичной моторной дисфункцией глаза, исследованной нашей лабораторией, воспринимать калибровку бинокуляра как единое восприятие. Если записанные калибровочные сигналы насыщены или не линейно коррелированы (из-за невнимания к стимулу, моргания, саккадических движений, слезотечения или закрытия глаз), примените стандартизированное калибровочное усиление для реакций движения левого и правого глаза. Это следует делать экономно, и эти значения калибровочного усиления должны быть получены из больших средних значений на уровне группы предыдущих участников для усиления реакции на движение левого и правого глаз соответственно.
Классификация
1. После калибровки вручную проверьте каждую реакцию на движение глаз и классифицируйте ее с помощью различных классификационных меток, таких как моргание при переходном, симметричном, асимметричном, потере слияния, отсутствии движения (отсутствие реакции) и насыщенное движение глаз.
2. Для справки см. рисунок 8 . Верхний график (позиционные данные) представляет собой реакцию стимула шага симметричной вергенции на 4°. Комбинированное конвергенционное движение показано зеленым цветом, движение правого глаза — красным. а движение левого глаза показано синим цветом. Трассировка версии показана черным цветом. На нижнем графике показана первая производная скорость реакции положения движения глаза с тем же цветовым рисунком, что и описано выше.
Анализ данных
1. Выполните последний шаг в потоке данных обработки данных VEMAP для анализа данных, который доступен в пользовательском интерфейсе VEMAP в виде кнопки и предварительно показан на рисунке 9. Постройте движения глаз в пределах определенного типа стимула и классификационной метки вместе в виде ансамблевого графика, как показано справа на рисунке 9.
2. Выборочно анализируйте подмножества движений глаз с помощью их классификационных меток или целостно без применения классификационных фильтров с помощью кнопки «Выбрать классы».
3. Убедитесь, что основные показатели движения глаз соответствуют каждому зарегистрированному движению глаза, такие как задержка, пиковая скорость, амплитуда отклика и конечная амплитуда.
4. Проверьте каждую реакцию движения глаз, чтобы убедиться, что каждая записанная метрика действительна. Если метрика кажется неподходящей, переизмеряйте записанные метрики соответствующим образом, пока соответствующие значения точно не будут отражать каждое движение. Кроме того, опустите движения глаз или переклассифицируйте предоставленные ими классификационные метки с помощью кнопки «Реклассифицировать », если записанные показатели не могут адекватно описать записанное движение глаз.

Рисунок 7: Монокулярная калибровка и корреляционные наклоны. Пример калибровки данных о движении глаз от значений напряжения до градусов вращения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 8: Классификация программного обеспечения для движения глаз. Классификация стимулированных реакций движения глаз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 9: Анализ реакции программного обеспечения на движение глаз. Пример построенных реакций конвергенции, стимулируемых симметричным изменением шага на 4° (справа), с индивидуальными показателями отклика на движение глаз, представленными таблично (слева), и статистикой на уровне группы, отображаемой таблично под метриками ответа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

10. Программа анализа аккомодационных движений (AMAP)

Конфигурация данных
1. Используя внешнее запоминающее устройство, содержащее данные авторефрактора, экспортируйте данные на устройство с установленным AMAP. AMAP доступен как в виде автономного исполняемого файла, так и в виде локального приложения через установку приложения MATLAB.
Запустите приложение AMAP. В AMAP выберите « Препроцессор файлов » или « Пакетный препроцессор». Препроцессор файлов обрабатывает отдельную папку данных, в то время как пакетный препроцессор обрабатывает выбранный каталог папки данных.
Проверьте индикатор выполнения и уведомления AMAP, так как система предоставляет их, когда выбранные данные были предварительно обработаны. Каталоги папок создаются на основе предварительной обработки AMAP для обеспечения прозрачности и доступности обработки данных через локальный диск компьютера в разделе AMAP_Output.
Если функция AMAP выбрана без предварительной обработки данных, проверьте наличие окна проводника, в котором пользователь может выбрать каталог данных.
Выполните анализ данных AMAP, как описано ниже.
1. После предварительной обработки выберите файл данных для анализа с помощью кнопки «Загрузить данные ». Это загрузит все доступные файлы в текущий каталог файлов, по умолчанию созданный AMAP_Output папкой. Выбранное имя файла данных будет отображаться в поле текущего файла.
2. Под селектором глаз проверьте выбор по умолчанию, который представляет бинокулярно усредненные данные для записанной аккомодационной рефракции.
3. Переключение типа данных между аккомодационной рефракцией и глазодвигательной вергенцией (взглядом) с помощью селектора типа. Ознакомьтесь с дополнительными графическими настройками, доступными для представления метрик данных и характеристик первого и второго порядка. На рисунке 10 показаны комбинации графических опций, которые могут быть выбраны оператором для визуализации.
4. Проверьте показатели по умолчанию для AMAP, которые следующие: пиковая скорость (градусы / с); амплитуда отклика (градусы); конечная амплитуда (градусы); начальный индекс (индексы) ответов; индекс пиковой скорости (индексы); индекс (индексы) окончания ответов; скорость взгляда (вергенция) (град/с); амплитуда реакции взгляда (градусы); конечная амплитуда взгляда (градусы); начальный индекс (ы) реакции взгляда; индекс скорости взгляда (ы); индекс (окончание) реакции взгляда; и классификация (двоичная 0 - плохая, 1 - хорошая).
5. Внесите изменения в начальный индекс отклика, индекс окончания отклика и индекс пиковой скорости с помощью счетчиков метрической модификации (рис. 10).
6. После анализа всех отображаемых записанных движений сохраните проанализированные метрики для каждого файла данных в поле идентификатора движения или с помощью стрелок навигации влево и вправо.
7. Нажмите кнопку Сохранить , чтобы экспортировать проанализированные данные в доступную электронную таблицу. Непроанализированные движения имеют классификацию по умолчанию «нечисловой» (NaN) и не сохраняются и не экспортируются.
8. Выполняйте ручную классификацию (хорошо/плохо) для каждого механизма, чтобы обеспечить полный анализ любым оператором.

Рисунок 10: Интерфейс программного обеспечения AMAP. На рисунке показан основной пользовательский интерфейс для AMAP с выделенными разделами для графического представления (графические опции) данных и анализа данных (модификации метрик). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 11 изображены ансамблевые графики на уровне группы стимулированных движений глаз, вызванных VE2020, с соответствующими скоростными характеристиками первого порядка.

Рисунок 11: Ансамбли реакций на движение глаз. Показаны ансамблевые графики ступеней вергенции (слева) и саккад (справа), стимулированные с помощью VE2020. Каждая трассировка положения движения глаз (градусы) нанесена в виде однозначно окрашенной линии и наложена на реакцию скорости на уровне группы красным цветом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Экспортированные объекты из AMAP позволяют визуализировать графики движения (ансамбли) как на уровне участников, так и на уровне группы, а также соответствующие метрики (экспорт) в доступной электронной таблице (таблица 4). Экспортированные таблицы данных обеспечивают количественный обзор выступлений участников и могут устанавливать критерии для удаления выбросов.

Таблица 4: Экспорт анализа программного обеспечения AMAP. Пример функции экспорта AMAP, в которой отдельные отклики на движения глаз экспортируются построчно с соответствующей идентификацией субъекта и типа движения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Визуализация выступлений участников также может быть выполнена в рамках AMAP, как показано на рисунке 12, который показывает ансамбль конвергентных ответов 5° и соответствующих аккомодационных ответов 1,5 диоптрий, которые являются результатом обработки данных.

Рисунок 12: Аккомодационные ансамбли реакций на движение. На рисунке показана функция ансамбля AMAP, которая создает наложения каждого отдельного следа отклика на движение (серый) и среднего отклика (зеленый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунки 11 и 12 демонстрируют успешную стимуляцию и регистрацию как вергенциальных, так и саккадических движений глаз, а также аккомодационных реакций. При условии, что процедуры калибровки с помощью VEMAP дают ожидаемые 4° вергенции и 5° саккадические цели, на рисунке 11 показано, что для бинокулярно нормального участника, выполняющего эти визуальные задачи, ожидаемая стимуляция выполнена. Для аккомодационных ответов, обработанных в рамках AMAP, на рисунке 12 показан приблизительный аккомодационный ответ в 1 диоптрию с аккомодационным спросом в 1,5 диоптрий, что согласуется с вариабельностью авторефракторных систем для различных демографических характеристик участников¹⁷. Эти результаты могут быть дополнительно откалиброваны с использованием постоянного усиления, следуя статистике на уровне группы для различных групп участников эксперимента с функцией экспорта, показанной в таблице 4. Таким образом, создание и успешное внедрение VE2020, VEMAP и AMAP может обеспечить количественное понимание различий в стимулированном движении глаз и показателях аккомодационного ответа.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Применение метода в исследованиях
Инновации в первоначальном программном обеспечении VisualEyes2020 (VE2020) включают возможность расширения VE2020 для проецирования на несколько мониторов с одним или несколькими визуальными стимулами, что позволяет исследовать научные вопросы, начиная от количественной оценки компонентов Мэддокса vergence¹⁸ и заканчивая влиянием отвлекающих целей на проинструктированные цели¹⁹. Расширение системы гаплоскопов до VE2020 наряду с взаимодополняющей разработкой VEMAP и AMAP обеспечивает автономную платформу стимулов и анализа, совместимую с доступным в настоящее время оборудованием для регистрации движения глаз и аккомодации. После успешного создания программы стимулов VE2020 и последующей записи преобразование необработанных данных о движении глаз, положении и аккомодации в значимые и анализируемые подмножества данных позволяет исследователям с необходимыми неинвазивными инструментами целостно исследовать распространенные и лежащие в основе дисфункции зрения, такие как обычно встречающаяся или легкая дисфункция, вызванная черепно-мозговой травмой, и недостаточность конвергенции, который можно сравнить с функцией у бинокулярно нормальных участников^{контроля} ^1,2,13,20. Проведение анализа движений глаз с соответствующими аккомодационными реакциями способствует научному пониманию неизвестных взаимодействий между вергенцией и аккомодационной системами как у здоровых участников, так и у лиц с глазодвигательной дисфункцией²¹.

Как было показано, с совместной настройкой VE2020, VEMAP и AMAP можно лучше понять основные механизмы нейронного контроля при дисфункции^22,23. Благодаря повторяемой визуальной стимуляции VE2020 латентные неврологические дисфункции, которые могут иметь ранние биомаркеры, выраженные через аномальные аккомодационные, вергенциальные или версионные реакции, теперь могут быть количественно оценены с помощью AMAP и VEMAP. Объединение анализа аккомодационного ответа со связанными записями движений глаз из ранее изолированных экспериментов по зрению помогает исследованиям получить более полные и поддающиеся количественной оценке результаты анализа. Объективные методы анализа и стимуляции дают возможность сравнивать эффективность современных стандартов лечения и их терапевтические результаты^24,25. Эти количественные оценки в сочетании с субъективным опросом симптомов участников могут помочь в определении персонализированных стратегий исправления, которые улучшают результаты. Кроме того, оценивая эти основные компоненты, которые могут вызывать симптомы, ранние методы выявления травмы²⁶ и оценки тяжести могут быть установлены с повышенной эффективностью.

Критические шаги в протоколе
Движения глаз обычно измеряются величиной вращения глаза в градусах. Как видно на рисунке 5, тригонометрическое преобразование поступательного движения стимула в градусы требует известного межзрачкового расстояния (IPD) и измеренного расстояния до цели. Использование известных средних значений для IPD может обеспечить обобщенную аппроксимацию для написания сценариев стимульных последовательностей VE2020; Тем не менее, они полагаются на правильную калибровку. Знаковые соглашения о направлении движений могут быть изменены; однако это изменит применение значений усиления для VEMAP. Текущие соглашения о движении VEMAP для саккадических движений следующие: вправо - положительное, а левое - отрицательное. Кроме того, для движений вергенции конвергенция (вращение внутрь) положительна, а дивергенция (вращение наружу) отрицательна.

Как видно на рисунке 7, стимульные мишени были размещены под углом 1°, 3° и 5°, представляя собой внутреннее монокулярное угловое вращение от оптической бесконечности. Нижний левый график демонстрирует трехточечную линейную регрессию для позиционных данных левого глаза, где для стимула 5° среднее зарегистрированное напряжение составляло −1 В, для стимула 3° среднее зарегистрированное напряжение составляло приблизительно 0,4 В, а для стимула 1° среднее зарегистрированное напряжение составляло приблизительно 1,25 В. Точно так же для положения правого глаза на графике в правом нижнем углу стимул 1° имел соответствующее напряжение -1,25 В, стимул 3° имел среднее напряжение около 0 В, а стимул 5° имел среднее напряжение 1,1 В.

Ограничения метода
Текущие ограничения метода включают стандартизированный вывод данных авторефрактора и айтрекера, поскольку AMAP и VEMAP запрограммированы на обработку этих форматов данных. Еще одно ограничение включает в себя тот факт, что, если эксперимент не привлекателен, участники могут часто моргать (закрывать) глаза, что приводит к плохому качеству записи данных. В то время как другие глазодвигательные дисфункции, такие как косоглазие, амблиопия, нистагм и подавление, могут использовать VE2020, VEMAP и AMAP, для каждой из этих конкретных глазодвигательных дисфункций необходимо будет внедрить модификации.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конфликтов интересов, о которых можно было бы заявить.

Acknowledgments

Это исследование было поддержано грантом Национального института здравоохранения R01EY023261 для T.L.A. и стипендией Барри Голдуотера и докторской премией проректора NJIT для S.N.F.

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

Alvarez, T. L., et al. Disparity vergence differences between typically occurring and concussion-related convergence insufficiency pediatric patients. Vision Research. 185, 58-67 (2021).
Alvarez, T. L., et al. Underlying neurological mechanisms associated with symptomatic convergence insufficiency. Scientific Reports. 11, 6545 (2021).
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).
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).
Scheiman, M., Wick, B. Clinical Management of Binocular Vision., 5th Edition. , Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia, USA. (2019).
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).
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).
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).
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).
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).
Guo, Y., Kim, E. L., Alvarez, T. L. VisualEyes: A modular software system for oculomotor experimentation. Journal of Visualized Experiments. (49), e2530 (2011).
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).
Borsting, E., et al. Association of symptoms and convergence and accommodative insufficiency in school-age children. Optometry. 74 (1), 25-34 (2003).
Sheard, C. Zones of ocular comfort. American Journal of Optometry. 7 (1), 9-25 (1930).
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).
Donders, F. C. On the Anomalies of Accommodation and Refraction of the Eye. , Milford House Inc. Boston, MA. translated by Moore, W. D (1972).
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).
Maddox, E. E. The Clinical Use of Prisms and the Decentering of Lenses. , John Wright and Co. London, UK. (1893).
Yaramothu, C., Santos, E. M., Alvarez, T. L. Effects of visual distractors on vergence eye movements. Journal of Vision. 18 (6), 2 (2018).
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).
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).
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).
Leigh, R. J., Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. , Oxford Academic Press. Oxford, UK. (2015).
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).
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).
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).

Bioengineering

Количественная оценка глазодвигательных реакций и аккомодации с помощью приборов и наборов инструментов анализа

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

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