Summary
In dit artikel presenteren we een nieuwe geautomatiseerde methode voor het beoordelen van de gezichtsscherpte bij baby's en peuters met behulp van een eye-trackingsysteem.
Abstract
Gezichtsscherptemeting is een belangrijke visuele functietest om uit te voeren in de kindertijd en de kindertijd. Nauwkeurige meting van de gezichtsscherpte bij zuigelingen is echter moeilijk vanwege tekortkomingen in hun communicatievermogen. Dit artikel presenteert een nieuwe geautomatiseerde methode om de gezichtsscherpte bij kinderen (5-36 maanden oud) te beoordelen. Deze methode, de automated acuity card procedure (AACP), maakt gebruik van een webcam voor eye tracking en herkent het kijkgedrag van kinderen automatisch. Een voorkeurstest met twee keuzes wordt uitgevoerd wanneer het geteste kind de visuele stimuli bekijkt die worden weergegeven op een digitaal beeldscherm met hoge resolutie. Wanneer het geteste kind de prikkels bekijkt, worden hun gezichtsfoto's opgenomen door de webcam. Deze foto's worden door het ingestelde computerprogramma gebruikt om hun kijkgedrag te analyseren. Met deze procedure worden de oogbewegingsreacties van het kind op verschillende stimuli gemeten en wordt hun gezichtsscherpte beoordeeld zonder communicatie. Door de resultaten te vergelijken met de roosterscherpte verkregen door Teller Acuity Cards (TAC's), worden de prestaties van AACP geacht vergelijkbaar te zijn met die van TAC's.
Introduction
De infantiele periode is een kritieke periode voor de visuele ontwikkeling. Visuele problemen die zich vroeg in het leven voordoen, kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de ontwikkeling van een kind. Het is belangrijk om een kwantitatieve visuele beoordeling bij zuigelingen te kunnen uitvoeren, wat kan helpen bij het detecteren van vroege zichtproblemen. Omdat baby's echter niet cognitief ontwikkeld of expressief genoeg zijn om gezichtsscherptekaartsymbolen, zoals letters of grafieken, te herkennen, is het meten van hun gezichtsscherpte moeilijk. De huidige gouden standaard voor de beoordeling van het gezichtsvermogen van baby's is de scherptekaartprocedure1 op basis van de voorkeurstest2. Omdat deze methode echter vereist dat ervaren testers de gezichtsscherpte beoordelen door de oogbewegingen van het kind 3,4,5,6 te observeren, wordt deze beperkt door de ervaring van de testers 4,5. Daarom blijven scherptekaartprocedures, zoals Teller Acuity Cards (TAC's)5,6, een subjectieve methode. Er is dus behoefte aan een methode die de gezichtsscherpte bij zuigelingen en jonge kinderen kwantitatief kan meten, die kan worden gebruikt zonder de noodzaak van verbale communicatie en die niet wordt beperkt door ervaren testers te vereisen.
De uitvinding en het gebruik van de remote eye tracker maakte het mogelijk om een geautomatiseerd scherptemeetsysteem te ontwikkelen. In eerdere studies zijn eye-trackingmethoden gebruikt als een hulpmiddel voor visuele functie-evaluatie bij kinderen 7,8,9,10. Een remote eye tracker kan worden gebruikt voor het volgen van blikken en is een vervanging voor de observatie door een tester van de oogbewegingen van een kind. De ACTIVE procedure7 en AVAT procedure10 zijn volledig geautomatiseerde gezichtsscherptetesten met een remote eye tracker; ze hebben vergelijkbare gezichtsscherpteresultaten opgeleverd als de Keeler Acuity Cards-test bij gezonde zuigelingen en jonge kinderen. In tegenstelling tot andere recente studies, gebruikten we een webcam in plaats van een externe eyetracker om de blik van het kind vast te leggen. We hebben een automatische acquisitiemethode voor oogbewegingsgegevens uitgevonden op basis van computervisie. De procedure combineerde de oogbewegingsacquisitiemethode met de voorkeurstechniek bij het beoordelen van de visuele functie bij kinderen.
Dit artikel is bedoeld om een nieuwe geautomatiseerde methode te presenteren, die de gezichtsscherpte bij jonge kinderen kan evalueren, de geautomatiseerde scherptekaartprocedure (AACP). Deze procedure is vooral nuttig voor zuigelingen en jongere kinderen die nog niet voldoende communicatieve vaardigheden hebben verworven. Het belangrijkste aspect is dat visuele reacties kunnen worden gekwantificeerd om raspenscherpte te verkrijgen bij zuigelingen en jonge kinderen. Raspscherptemeting maakt de detectie van visuele pathologieën mogelijk en speelt een belangrijke rol bij de daaropvolgende medische behandeling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het hier beschreven protocol is goedgekeurd door de ethische commissie van het eerste ziekenhuis van Peking University (PKUFH 2018-223). De procedures hielden zich aan de principes van de Verklaring van Helsinki voor onderzoek met mensen. Het onderzoeksformat werd beschreven en geïnformeerde toestemming werd verkregen van de ouders van de deelnemers.
1. Voorbereiding van het apparaat
OPMERKING: De AACP-componenten werden opgesteld in een licht verlichte testruimte. In de kamer werden gordijnen getrokken om interferentie van zonlicht te voorkomen. Een weergavesysteem, een registratiesysteem en een analysesysteem waren de drie componenten van de AACP (figuur 1).
- Stel een displaysysteem in, een 28 inch liquid-crystal display monitor (62,208 cm x 34,992 cm scherm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0,162 mm/pixel, 30 Hz frame rate). Plaats de beeldschermmonitor op een tafel die kan worden verhoogd. Lineariseer de schermluminantie door een 8-bits opzoektabel. Stel de luminantie in op 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 en 400 cd/m2 voor respectievelijk zwart, middengrijs en wit.
- Plaats twee zijpanelen aan weerszijden van het scherm om afleiding voor de geteste kinderen te verminderen.
- Stel een opnamesysteem in, een high-definition pro-webcam met een resolutie van 1080 pixels/30 fps.
OPMERKING: De webcam registreert beeldreeksen van het gedrag van testers, elk bijgesneden op 1280 pixels x 720 pixels. Tijdens geautomatiseerde scherptetests wordt elke 200 ms één webcambeeld met tijdstempel verkregen voor synchronisatie. - Sluit de beeldschermmonitor en webcam aan op een computer, het analysesysteem. Zorg ervoor dat de webcam zich in het midden bevindt, direct onder het scherm, en naar behoefte kan worden aangepast.
OPMERKING: De monitor en webcam zijn geïntegreerd met de computer (een laptop of desktop-pc) of zijn afzonderlijke apparaten die vervolgens op een computer worden aangesloten. - Installeer de AACP-proceduresoftware op de computer voor de presentatie van stimuli en de analyse van oogbewegingen. De AACP-proceduresoftware (China National Invention Patents, nr. 201910865074.4 en nr. 201510919621.4) bestaat uit een stimulusweergavemodule, een vision-testmodule en een module voor het verwerken van testresultaten.
- Stel de visuele stimuli in als een blokgolfrooster van 12 cm x 12 cm met verschillende periode/graad (cpd) ruimtelijke frequenties en een contrastverhouding van 1,00. Zorg ervoor dat de stimulus willekeurig wordt weergegeven in het midden van het linker- of rechtergedeelte van het scherm en dat de rest van het scherm een grijs gebied vertoont dat overeenkomt met de TACII.
OPMERKING: Op de detectieafstand van 55 cm (wat overeenkomt met die van TACII) waren de stimuli ongeveer hetzelfde (vanwege pixelgroottebeperkingen) als die op gedrukte TACII-kaarten (16 kaarten, 1/2 octaaf).
2. Eye-tracking kalibratie
- Verkrijg geïnformeerde toestemming van de ouders en beschrijf het studieformaat aan hen.
- Plaats het kind op een afstand van 55 cm van de beeldscherm. Laat het kind alleen op een stoel zitten of bij voorkeur op schoot van de ouder. Als het kind alleen zit, laat de ouder dan naast het kind zitten.
- Pas de positie van de heftafel aan en plaats deze met de monitor. Schik het scherm loodrecht op de ogen van het kind.
- Pas de positie van de webcam aan om ervoor te zorgen dat het gezicht van het kind zichtbaar is in het opnamesysteem en om te voorkomen dat u andere gezichten dan die van het kind vastlegt.
- Voordat u de procedure start, informeert u het kind dat het naar het scherm zal kijken. Instrueer de ouder om het kind te vragen naar het scherm te kijken wanneer het kind niet oplet. Er zijn geen specifieke instructies nodig tijdens de test.
- Open de AACP-proceduresoftware. Typ de informatie van het kind in de software (naam, geslacht, leeftijd).
- Klik op de knop Start . De software start de kalibratieprocedure. Een GIF-afbeelding (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixels) wordt weergegeven tegen de witte achtergrond in het midden van het scherm (afbeelding 2). Het beeld en de achtergrondmuziek verschijnen tegelijkertijd. Deze stimulus wordt gedurende ten minste 3 s gepresenteerd. Het analysesysteem bepaalt tegelijkertijd of de gezichtslijn van het kind gefixeerd is op het beeld. Als er tijdens deze presentatie binnen 1 minuut geen blikgegevens beschikbaar zijn, wordt op het scherm een andere cartoon GIF-afbeelding weergegeven. Wanneer blikcoördinaten binnen dit gebied worden gedetecteerd, start de testprocedure zonder de acties van de tester en wordt deze automatisch uitgevoerd.
3. Testprocedure
- Presenteer het eerste rooster. De ruimtelijke frequenties van de roosters variëren van 0,33-30,0 cpd in stappen van 1/2 octaaf. Bepaal het initiële rooster op basis van de leeftijd van het kind, zoals in de TACII-test.
- Presenteer het eerste rooster voor 1.000 ms, wat de lengte van een proef is. Presenteer vervolgens een leeg scherm voor 200 ms. Presenteer dezelfde stimulus opnieuw, gevolgd door een leeg scherm opnieuw. Presenteer het rooster van dezelfde ruimtelijke frequentieset drie keer.
- Laat de webcam tijdens de uitvoering van de procedure de gezichtsfoto's van het kind opnemen. De software gebruikt deze foto's om hun kijkgedrag te analyseren. Het testprogramma voor het gezichtsvermogen controleert de oogbewegingsreacties met de criteria in tabel 1 om te bepalen of de stimulus is waargenomen (figuur 3).
- Laat het testresultaatverwerkingsprogramma de daaropvolgende stimulus presenteren, volgens het protocol in figuur 411.
- Presenteer na elke drie proeven een GIF-afbeelding (met achtergrondmuziek) als een visuele beloning om de interesse van het kind te behouden. Als er binnen 1 minuut na de presentatie van de GIF-afbeelding geen blikgegevens bruikbaar zijn (bijvoorbeeld als het kind zich omdraaide of zijn ogen gesloten had), stop dan met de test. Deze test levert geen resultaat op.
- Na het uitvoeren van stap 3.4 en 3.5, analyseert u de roosterscherpteresultaten voor het kind dat door de softwareprogramma's wordt uitgevoerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De AACP werd toegepast op één groep kinderenvan 11: 155 normaal ontwikkelende baby's en peuters (5 tot 36 maanden oud, gebaseerd op de zwangerschapsduur). In een eerder gepubliceerde studie werden de roosterscherpteresultaten verkregen door de AACP vergeleken met die verkregen door TACII. De resultaten verkregen door deze twee procedures zijn significant gecorreleerd (r153 = 0,83, p < 0,001). Slechts 10,32% (16 van de 155) van de resultaten van de kinderen verschilde meer dan een octaaf. Onder hen waren acht kinderen 5-7 maanden oud. Van deze 16 kinderen hadden er drie gezichtsscherpteresultaten verkregen door de AACP die 1,5-2 octaven hoger waren dan die verkregen door TACII. De andere 13 kinderen hadden een AACP-gezichtsscherpte van 1,5-2 octaven onder de TACII-gezichtsscherpte.
De roosterscherpte gemeten door de AACP nam geleidelijk toe naarmate de leeftijd van de baby toenam. Figuur 5 toont de verandering in roosterscherpte gemeten door de AACP met de verandering in leeftijd in maanden. Van 6 tot 12 maanden nam de roosterscherpte met bijna 0,5 octaaf toe. Van 12 tot 24 maanden nam de roosterscherpte met bijna een octaaf toe. Van 24 tot 36 maanden nam de roosterscherpte met bijna 1,5 octaaf toe. De trend van scherpteontwikkeling in deze studie komt overeen met de resultaten van de scherpte gemeten door TACII in eerdere studies12. Het is ook consistent met de scherpteontwikkeling gemeten door TACII in dezelfde groep zuigelingen11.
Figuur 1: AACP-apparatuur. De AACP-componenten en de ruimtelijke opstelling van hun opstelling in de testruimte worden getoond. Het kind zat op de schoot van een ouder en bekeek de prikkels binoculair op een afstand van 55 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Cartoon stimulus in de kalibratieprocedure. De cartoon stimulus is een GIF-afbeelding met achtergrondmuziek. De prikkel trekt visuele aandacht. Wanneer de blik van het kind binnen het beeldgebied valt, verandert de stip van rood in groen en wordt de kalibratieprocedure uitgevoerd. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Wen et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Raspprikkel in de testprocedure. De roosterprikkel is een rooster van verticale zwart-witte strepen gepresenteerd op een uniforme grijze achtergrond. Het blikpunt van de deelnemer die van het midden naar het groene vierkant beweegt, geeft aan dat de deelnemer het doel heeft bekeken, wat een "hit" betekent. Het blikpunt van de deelnemer die van het midden naar het lege gebied beweegt, geeft aan dat de deelnemer het doel niet heeft bekeken, wat een "misser" betekent. Het groene vierkante gebied heeft een halve zijlengte op basis van de afstand van het midden van de stimulus tot de zijkant van het scherm (d.w.z. van het midden van de stimulus tot de linkerrand van het scherm in deze afbeelding). Dit cijfer is aangepast met toestemming van Wen et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Het protocol dat wordt gebruikt in de AACP-procedure. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Wen et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Boxplots van roosterscherptes uitgezet tegen leeftijd (N = 155). Witte vakken met rode lijnen en grijze vakken met zwarte lijnen zijn raspende scherptes van respectievelijk de AACP en TACII11 voor elke 6 maanden oud. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Criterium | Controleer of het bliksignaal: | |||
| Slaan | bleef continu in het doelgebied gedurende meer dan 400 ms van de 1.000 ms doelpresentatie. | |||
| Missen | (1) het doelgebied niet binnen een tijdvenster van 1.000 ms is binnengegaan. (2) in het doelgebied minder dan 400 ms bleven. | |||
Tabel 1: Criteria om vast te stellen of er een stimulus is gezien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Verschillende studies 7,8,9,10 gebaseerd op de eye-tracking methode hebben de waarde van deze methode aangetoond bij het evalueren van zuigelingen en jonge kinderen die moeite hebben met verbale communicatie. Het aantal deelnemers aan eerdere studies is echter relatief klein. Slechts 30 baby's jonger dan 12 maanden werden getest met de ACTIVE-procedure, die werd ontwikkeld door Jones et al.7. De AVAT-procedure, die werd ontwikkeld door Vrabic et al.10, testte 35 baby's en jonge kinderen op dezelfde manier. In de huidige studie werd een grote steekproef van 5- tot 36 maanden oude baby's en peuters (N = 155) getest door de AACP-procedure en toonde een hoge testbaarheid en vergelijkbare gezichtsscherpte-evaluatie als TAC's. Bovendien maakt het gebruik van een webcam in plaats van een externe eyetracker om de blik van het kind te volgen de AACP-apparatuur minder duur en gemakkelijker toegankelijk.
Wanneer baby's opgroeien, tonen ze steeds meer interesse in de verschillende prikkels in de omgeving. Daarom is het voor hen een uitdaging om tijdens de test de samenwerking te behouden. Het weergeven van cartoonafbeeldingen in het midden van het scherm is ontworpen om hun aandacht te trekken, wat vergelijkbaar is met de ACTIVE-procedure7. Om de drie proeven, voordat de raspfrequentie werd gewijzigd, werd een cartoonafbeelding gepresenteerd als een visuele beloning om de aandacht van het kind te behouden en hun blik naar het midden van het scherm te trekken, waardoor de verkeerde inschatting van de procedure werd verminderd die werd veroorzaakt door de oogblik van het kind die naar de zijkant verschuift. Bovendien werden twee bevestigde zijpanelen van het scherm gebruikt om afleiding voor baby's te verminderen. In de standaard TAC-test in laboratoriuminstellingen13 worden scherptekaarten getoond door een rechthoekige opening op een grijs scherm met bevestigde zijpanelen. We stellen de zijpanelen van het scherm in om de interferentie van de omgeving te verminderen, maar de zijpanelen kunnen worden gedemonteerd om zich aan te passen aan andere testomgevingen.
In de huidige studie waren digitale stimuli voor de AACP en gedrukte stimuli voor TAC's blokgolfroosters, die "randeffecten" hebben. Randartefacten op de kruising van hoogfrequente roosters en isoluminante achtergrond bieden mogelijk extra visuele aanwijzingen voor kinderen, die voorkomen in de AACP- en TACs14-tests . In vergelijking met papieren TAC's zijn digitale prikkels echter flexibeler. Gabor-gemoduleerde stimuli zullen in de toekomst worden gebruikt om randeffecten te voorkomen. Het contrast, de grootte, de frequentie en andere kenmerken van digitale stimuli zijn gemakkelijker aan te passen. Bij de detectieafstand van 55 cm in dit onderzoek varieerden de ruimtelijke frequenties van de roosters van 0,33 tot 30,0 cpd. Als een kind een zeer slechte gezichtsscherpte heeft, zoals onder 0,33 cpd, kan hun werkelijke gezichtsscherpte niet worden gedetecteerd door de AACP. In verdere studies kunnen verschillende frequentiebereiken worden ingesteld met verschillende detectieafstanden om van toepassing te zijn op kinderen met meer visuele omstandigheden.
Een andere beperking van de bestaande methode is dat de duur van een proef, die 1 s is, te kort is voor sommige jongere baby's om het rooster te onderscheiden. Van de kinderen van wie de visuele resultaten meer dan één octaaf verschilden in de AACP en TAC's, was de helft kinderen in de leeftijd van 5-7 maanden. In toekomstige toepassingen kunnen verschillende studieduur worden ingesteld om zich aan te passen aan de leeftijd van verschillende deelnemers. Op dit moment kan de ouder de prestaties van het kind tijdens de test observeren. Als het kind niet slaagt voor de test vanwege bewegen of vermoeidheid, kan de test worden herhaald.
De AACP is een nieuwe eye-tracking methode op basis van webcamgegevens. Het kan worden gebruikt om de rasscherpte bij baby's en peuters te evalueren en de resultaten zijn vergelijkbaar met de gouden standaard gezichtsscherptetest. Door alleen oogbewegingen te vereisen als openlijke indicatoren van reacties, kan de AACP worden gebruikt om de gezichtsscherpte op een volledig geautomatiseerde manier te meten. In de toekomst, door de soorten visuele stimulatie te veranderen, kan de AACP worden gebruikt om andere visuele informatieverwerkingsfuncties vroeg in de ontwikkeling van kinderen te evalueren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben de volgende onthullingen gedaan: BK.Y., XQ.L., JS.C., en L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and pupil localization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C., en L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (Nr. 201510919621.4).
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door Capital's Fund for Health Improvement and Research (nr. 2018-2Z-4076) en Peking University First Hospital SEED Research Funds (2019SF31).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AACP procedure software | In-house | In-house | The AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 and No. 201510919621.4) comprises a stimulus displaying module, a vision testing module, and a testing result processing module. |
| Computer processor | Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA | Intel CORE i7-6500U processor | Analysis system |
| Display monitor | InnoLux Co., Ltd., China | InnoLux M280DGJ-L30 | Display system |
| Webcam | Logitech International S.A., Lausanne, Switzerland | Logitech C920 high-definition pro webcam | Recording system |
References
- Teller, D. Y., McDonald, M. A., Preston, K., Sebris, S. L., Dobson, V. Assessment of visual acuity in infants and children: the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 28 (6), 779-789 (1986).
- Teller, D. Y. The forced-choice preferential looking procedure: a psychophysical technique for use with human infants. Infant Behavior and Development. 2, 135-153 (1979).
- Preston, K. L., McDonald, M., Sebris, S. L., Dobson, V., Teller, D. Y. Validation of the acuity card procedure for assessment of infants with ocular disorders. Ophthalmology. 94 (6), 644-653 (1987).
- Mohn, G., vanHof-van Duin, J., Fetter, W. P., de Groot, L., Hage, M. Acuity assessment of non-verbal infants and children: clinical experience with the acuity card procedure. Developmental Medicine and Child Neurology. 30 (2), 232-244 (1988).
- Cavallini, A., et al. Visual acuity in the first two years of life in healthy term newborns: an experience with the teller acuity cards. Functional Neurology. 17 (2), 87-92 (2002).
- Clifford, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Are norms based on the original teller acuity cards appropriate for use with the new teller acuity cards II. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology and Strabismus. 9 (5), 475-479 (2005).
- Jones, P. R., Kalwarowsky, S., Atkinson, J., Braddick, O. J., Nardini, M. Automated measurement of resolution acuity in infants using remote eye-tracking. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (12), 8102-8110 (2014).
- Hathibelagal, A. R., Leat, S. J., Irving, E. L., Nandakumar, K., Eizenman, M. Measuring infant visual acuity with gaze tracker monitored visual fixation. Optometry and Vision Science. 92 (7), 823-833 (2015).
- Barsingerhorn, A. D., Boonstra, F. N., Goossens, J. Saccade latencies during a preferential looking task and objective scoring of grating acuity in children with and without visual impairments. Acta Ophthalmologica. 97 (6), 616-625 (2019).
- Vrabič, N., Juroš, B., Tekavčič Pompe, M. Automated visual acuity evaluation based on preferential looking technique and controlled with remote eye tracking. Ophthalmic Research. 64 (3), 389-397 (2021).
- Wen, J., Yang, B., Li, X., Cui, J., Wang, L. Automated assessment of grating acuity in infants and toddlers using an eye-tracking system. Journal of Vision. 22 (12), 8 (2022).
- Leone, J. F., Mitchell, P., Kifley, A., Rose, K. A. Normative visual acuity in infants and preschool-aged children in Sydney. Acta Ophthalmologica. 92 (7), e521-e529 (2014).
- Clifford-Donaldson, C. E., Haynes, B. M., Dobson, V. Teller Acuity Card norms with and without use of a testing stage. Journal of AAPOS. 10 (6), 547-551 (2006).
- Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).
