Summary
Dans cet article, nous présentons une nouvelle méthode automatisée pour évaluer l’acuité visuelle chez les nourrissons et les tout-petits à l’aide d’un système de suivi oculaire.
Abstract
La mesure de l’acuité visuelle est un test de fonction visuelle important à effectuer dans la petite enfance et l’enfance. Cependant, la mesure précise de l’acuité visuelle chez les nourrissons est difficile en raison de déficiences dans leur capacité de communication. Cet article présente une nouvelle méthode automatisée pour évaluer l’acuité visuelle chez les enfants (5-36 mois). Cette méthode, la procédure de carte d’acuité automatisée (AACP), utilise une webcam pour le suivi oculaire et reconnaît automatiquement les comportements d’observation des enfants. Un test préférentiel à deux choix est effectué lorsque l’enfant testé regarde les stimuli visuels affichés sur un écran d’affichage numérique haute résolution. Lorsque l’enfant testé regarde les stimuli, ses images faciales sont enregistrées par la webcam. Ces images sont utilisées par le programme informatique défini pour analyser leur comportement de visionnage. Avec cette procédure, les réponses des mouvements oculaires de l’enfant à différents stimuli sont mesurées et leur acuité visuelle est évaluée sans communication. En comparant les résultats avec l’acuité de réseau obtenue par les cartes d’acuité Teller (TAC), la performance de l’AACP est jugée comparable à celle des TAC.
Introduction
La période infantile est une période critique pour le développement visuel. Les problèmes visuels qui surviennent tôt dans la vie peuvent avoir un impact significatif sur le développement d’un enfant. Il est important de pouvoir effectuer une évaluation visuelle quantitative chez les nourrissons, ce qui peut aider à détecter les problèmes de vision précoce. Cependant, comme les nourrissons ne sont pas suffisamment développés ou expressifs sur le plan cognitif pour reconnaître les symboles du tableau d’acuité visuelle, tels que les lettres ou les graphiques, il est difficile de mesurer leur acuité visuelle. L’étalon-or actuel pour l’évaluation de la vision du nourrisson est la procédure de carte d’acuité1 basée sur le test d’apparence préférentielle2. Cependant, comme cette méthode nécessite des testeurs expérimentés pour juger de l’acuité visuelle en observant les mouvements oculairesde l’enfant 3,4,5,6, elle est limitée par l’expérience des testeurs 4,5. Par conséquent, les procédures de carte d’acuité, telles que les cartes d’acuité de guichet (TAC)5,6, restent une méthode subjective. Ainsi, il existe un besoin pour une méthode qui peut mesurer quantitativement l’acuité visuelle chez les nourrissons et les jeunes enfants, qui peut être utilisée sans avoir besoin de communication verbale et qui n’est pas limitée par la nécessité de testeurs expérimentés.
L’invention et l’utilisation de l’eye tracker à distance ont permis de développer un système automatisé de mesure de l’acuité. Dans des études antérieures, les méthodes de suivi oculaire ont été utilisées comme outil d’évaluation de la fonction visuelle chez les enfants 7,8,9,10. Un eye tracker à distance peut être utilisé pour le suivi du regard et remplace l’observation par un testeur des mouvements oculaires d’un enfant. La procédure ACTIVE7 et la procédureAVAT 10 sont des tests d’acuité visuelle entièrement automatisés avec un eye tracker à distance; ils ont donné des résultats d’acuité visuelle comparables au test Keeler Acuity Cards chez des nourrissons et des jeunes enfants en bonne santé. Contrairement à d’autres études récentes, nous avons utilisé une webcam au lieu d’un eye tracker à distance pour capturer le regard de l’enfant. Nous avons inventé une méthode d’acquisition automatique des données de mouvement oculaire basée sur la vision par ordinateur. La procédure combinait la méthode d’acquisition des mouvements oculaires avec la technique de recherche préférentielle dans l’évaluation de la fonction visuelle chez les enfants.
Cet article vise à présenter une nouvelle méthode automatisée, qui peut évaluer l’acuité visuelle chez les jeunes enfants, appelée procédure de carte d’acuité automatisée (AACP). Cette procédure est particulièrement utile pour les nourrissons et les jeunes enfants qui n’ont pas encore acquis des compétences de communication suffisantes. L’aspect clé est que les réponses visuelles peuvent être quantifiées pour donner une acuité de réseau chez les nourrissons et les jeunes enfants. La mesure de l’acuité des réseaux permet la détection de pathologies visuelles et joue un rôle important dans la prise en charge médicale ultérieure.
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Protocol
Le protocole décrit ici a été approuvé par le comité d’éthique du premier hôpital universitaire de Pékin (PKUFH 2018-223). Les procédures étaient conformes aux principes de la Déclaration d’Helsinki pour la recherche impliquant des sujets humains. Le format de l’étude a été décrit et le consentement éclairé a été obtenu des parents des participants.
1. Préparation de l’appareil
REMARQUE: Les composants AACP ont été installés dans une salle de test légèrement éclairée. Des rideaux ont été tirés dans la pièce pour éviter les interférences de la lumière du soleil. Un système d’affichage, un système d’enregistrement et un système d’analyse étaient les trois composantes de l’AACP (figure 1).
- Configurez un système d’affichage, un moniteur à cristaux liquides de 28 pouces (écran de 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0,162 mm/pixel, fréquence d’images de 30 Hz). Placez le moniteur d’affichage sur une table qui peut être soulevée. Linéarisez la luminance de l’écran à l’aide d’une table de consultation 8 bits. Réglez la luminance à 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 et 400 cd/m2 pour le noir, le gris moyen et le blanc, respectivement.
- Placez deux panneaux latéraux de chaque côté de l’écran pour réduire les distractions pour les enfants testés.
- Mettez en place un système d’enregistrement, une webcam pro haute définition avec une résolution de 1080 pixels/30 fps.
REMARQUE: La webcam enregistre des séquences d’images des comportements des testeurs, chacune recadrée à 1280 pixels x 720 pixels. Lors des tests d’acuité automatisés, une image de webcam horodatée est obtenue toutes les 200 ms pour la synchronisation. - Connectez le moniteur d’affichage et la webcam à un ordinateur, le système d’analyse. Assurez-vous que la webcam est située au centre, directement sous l’écran, et qu’elle peut être ajustée au besoin.
REMARQUE: Le moniteur et la webcam sont intégrés à l’ordinateur (un ordinateur portable ou de bureau) ou sont des périphériques distincts qui sont ensuite connectés à un ordinateur. - Installez le logiciel de procédure AACP sur l’ordinateur pour la présentation des stimuli et l’analyse des mouvements oculaires. Le logiciel de procédure AACP (China National Invention Patents, n° 201910865074.4 et n° 201510919621.4) comprend un module d’affichage de stimulus, un module de test de vision et un module de traitement des résultats de test.
- Définissez les stimuli visuels comme un réseau à ondes carrées de 12 cm x 12 cm avec différentes fréquences spatiales période/degré (cpd) et un rapport de contraste de 1,00. Assurez-vous que le stimulus est affiché de manière aléatoire au centre de la partie gauche ou droite de l’écran et que le reste de l’écran affiche une zone grise à luminance similaire au TACII.
NOTE: À la distance de détection de 55 cm (ce qui est cohérent avec celle de TACII), les stimuli étaient approximativement les mêmes (en raison des limitations de taille de pixel) que ceux des cartes TACII imprimées (16 cartes, 1/2 octave).
2. Calibrage du suivi oculaire
- Obtenir le consentement éclairé des parents et leur décrire le format de l’étude.
- Placez l’enfant à une distance de 55 cm du moniteur d’affichage. Laissez l’enfant s’asseoir seul sur une chaise ou, de préférence, sur les genoux du parent. Si l’enfant est assis seul, laissez le parent s’asseoir à côté de l’enfant.
- Ajustez la position de la table élévatrice et placez-la avec le moniteur. Disposez l’écran perpendiculairement aux yeux de l’enfant.
- Ajustez la position de la webcam pour vous assurer que le visage de l’enfant est visible dans le système d’enregistrement et pour éviter de capturer des visages autres que ceux de l’enfant.
- Avant de commencer la procédure, informez l’enfant qu’il regardera l’écran. Demandez au parent d’inviter l’enfant à regarder l’écran lorsqu’il ne fait pas attention. Aucune instruction spécifique n’est nécessaire pendant l’essai.
- Ouvrez le logiciel de procédure AACP. Tapez les informations de l’enfant dans le logiciel (nom, sexe, âge).
- Cliquez sur le bouton Démarrer . Le logiciel démarre la procédure d’étalonnage. Une image GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixels) apparaît sur le fond blanc au centre de l’écran (Figure 2). L’image et la musique de fond apparaissent simultanément. Ce stimulus est présenté pendant au moins 3 s. Le système d’analyse détermine simultanément si la ligne de visée de l’enfant est fixée sur l’image. Si aucune donnée de regard n’est disponible dans les 1 min lors de cette présentation, l’écran présente une autre image GIF de dessin animé. Lorsque des coordonnées du regard sont détectées dans cette région, la procédure de test démarre sans les actions du testeur et s’exécute automatiquement.
3. Procédure d’essai
- Présentez le caillebotis initial. Les fréquences spatiales des réseaux vont de 0,33 à 30,0 cpd par pas de 1/2 octave. Déterminez le réseau initial en fonction de l’âge de l’enfant, comme dans le test TACII.
- Présentez le réseau initial pendant 1 000 ms, ce qui correspond à la durée d’un essai. Ensuite, présentez un écran vide pendant 200 ms. Présentez à nouveau le même stimulus, suivi d’un écran vide. Présentez le réseau de la même fréquence spatiale réglée trois fois.
- Pendant l’exécution de la procédure, laissez la webcam enregistrer les images faciales de l’enfant. Le logiciel utilise ces images pour analyser leur comportement de visionnage. Le programme de tests de la vue vérifie les réponses des mouvements oculaires avec les critères énoncés dans le tableau 1 pour déterminer si le stimulus a été observé (figure 3).
- Laissez le programme de traitement des résultats des tests présenter le stimulus suivant, selon le protocole illustré à la figure 411.
- Après trois essais, présentez une image GIF (avec musique de fond) comme récompense visuelle pour maintenir l’intérêt de l’enfant. Si aucune donnée de regard n’est utilisable (par exemple, si l’enfant s’est retourné ou a eu les yeux fermés) dans les 1 min suivant la présentation de l’image GIF, arrêtez le test. Ce test ne donne aucun résultat.
- Après avoir effectué les étapes 3.4 et 3.5, analysez les résultats de l’acuité de réseau pour l’enfant émis par les logiciels.
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Representative Results
L’AACP a été appliqué à un groupe d’enfantsde 11 à 155 nourrissons et tout-petits en développement normal (âgés de 5 à 36 mois, selon l’âge gestationnel). Dans une étude publiée précédemment, les résultats de l’acuité de réseau obtenus par l’AACP ont été comparés à ceux obtenus par TACII. Les résultats obtenus par ces deux procédures sont significativement corrélés (r153 = 0,83, p < 0,001). Seulement 10,32 % (16 sur 155) des résultats des enfants différaient de plus d’une octave. Parmi eux, huit enfants étaient âgés de 5 à 7 mois. Sur ces 16 enfants, trois avaient des résultats d’acuité visuelle obtenus par l’AACP qui étaient de 1,5 à 2 octaves au-dessus de ceux obtenus par TACII. Les 13 autres enfants avaient une acuité visuelle AACP de 1,5 à 2 octaves inférieure à l’acuité visuelle TACII.
L’acuité du réseau mesurée par l’AACP augmentait progressivement à mesure que l’âge du nourrisson augmentait. La figure 5 montre le changement de l’acuité du réseau mesuré par l’AACP avec le changement d’âge en mois. De 6 à 12 mois, l’acuité du râpage a augmenté de près de 0,5 octave. De 12 à 24 mois, l’acuité de râpage a augmenté de près d’une octave. De 24 à 36 mois, l’acuité du râpage a augmenté de près de 1,5 octave. La tendance du développement de l’acuité dans cette étude est cohérente avec les résultats de l’acuité mesurée par TACII dans les études précédentes12. Il est également cohérent avec le développement de l’acuité mesuré par TACII dans le même groupe de nourrissons11.
Figure 1 : Appareil AACP. Les composants AACP et la disposition spatiale de leur configuration dans la salle de test sont affichés. Le nourrisson était assis sur les genoux d’un parent et regardait les stimuli aux jumelles à une distance de 55 cm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Stimulus de dessin animé dans la procédure d’étalonnage. Le stimulus de dessin animé est une image GIF avec une musique de fond. Le stimulus attire l’attention visuelle. Lorsque le regard de l’enfant tombe dans la zone de l’image, le point passe du rouge au vert et la procédure d’étalonnage est effectuée. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Wen et al.11. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Stimulus de grille dans la procédure de test. Le stimulus de réseau est un réseau de bandes verticales en noir et blanc présentées sur un fond gris uniforme. Le point de vue du participant se déplaçant du centre vers le carré vert indique que le participant a observé la cible, ce qui signifie un « coup ». Le point de regard du participant se déplaçant du centre vers la zone vide indique que le participant n’a pas regardé la cible, ce qui signifie un « raté ». La zone carrée verte a une longueur de demi-côté basée sur la distance entre le centre du stimulus et le côté de l’écran (c’est-à-dire du centre du stimulus au bord gauche de l’écran dans cette figure). Ce chiffre a été modifié avec la permission de Wen et al.11. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Protocole utilisé dans la procédure AACP. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Wen et al.11. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Diagrammes encadrés des acuités de réseau tracées en fonction de l’âge (N = 155). Les cases blanches avec des lignes rouges et les cases grises avec des lignes noires sont des acuités de râpage de l’AACP et du TACII11, respectivement, pour chaque âge de 6 mois. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Critère | Vérifiez que le signal du regard : | |||
| Frapper | est resté dans la zone cible de façon continue pendant plus de 400 ms de la présentation cible de 1 000 ms. | |||
| Rater | (1) n’est pas entré dans la zone cible dans un délai de 1 000 ms. (2) sont restés dans la zone cible moins de 400 ms. | |||
Tableau 1 : Critères permettant d’établir si un stimulus a été observé.
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Discussion
Plusieurs études 7,8,9,10 basées sur la méthode de suivi oculaire ont montré l’intérêt de cette méthode dans l’évaluation des nourrissons et des jeunes enfants qui ont des difficultés à communiquer verbalement. Cependant, le nombre de participants aux études précédentes est relativement faible. Seulement 30 nourrissons de moins de 12 mois ont été testés par la procédure ACTIVE, qui a été développée par Jones et al.7. La procédure AVAT, qui a été développée par Vrabic et al.10, a testé 35 nourrissons et jeunes enfants de la même manière. Dans la présente étude, un large échantillon de nourrissons et de tout-petits âgés de 5 à 36 mois (N = 155) a été testé par la procédure AACP et a montré une testabilité élevée et une évaluation de l’acuité visuelle comparable aux TAC. De plus, l’utilisation d’une webcam au lieu d’un eye tracker à distance pour suivre le regard de l’enfant rend l’équipement AACP moins coûteux et plus pratique d’accès.
Lorsque les nourrissons grandissent, ils montrent un intérêt croissant pour les divers stimuli dans l’environnement environnant. Par conséquent, c’est un défi pour eux de maintenir la coopération pendant le test. L’affichage d’images de dessins animés au centre de l’écran a été conçu pour attirer leur attention, ce qui est similaire à la procédure ACTIVE7. Tous les trois essais, avant de changer la fréquence de râlement, une image de bande dessinée a été présentée comme une récompense visuelle pour maintenir l’attention du nourrisson et attirer son regard vers le centre de l’écran, réduisant ainsi l’erreur de jugement de la procédure causée par le regard du nourrisson se déplaçant sur le côté. De plus, deux panneaux latéraux d’écran fixés ont été utilisés pour réduire les distractions pour les nourrissons. Dans le test TAC standard en laboratoire13, les cartes d’acuité sont affichées à travers une ouverture rectangulaire sur un écran gris qui comprend des panneaux latéraux fixés. Nous avons réglé les panneaux latéraux de l’écran pour réduire les interférences de l’environnement environnant, mais les panneaux latéraux peuvent être démontés pour s’adapter à d’autres environnements de test.
Dans la présente étude, les stimuli numériques pour l’AACP et les stimuli imprimés pour les TAC étaient des réseaux à ondes carrées, qui ont des « effets de bord ». Les artefacts de bord à la jonction des réseaux à haute fréquence et du fond isoluminant fournissent potentiellement des repères visuels supplémentaires pour les enfants, qui se produisent dans les tests AACP et TACs14 . Cependant, par rapport aux TAC sur papier, les stimuli numériques sont plus flexibles. Les stimuli modulés par Gabor seront utilisés à l’avenir pour éviter les effets de bord. Le contraste, la taille, la fréquence et d’autres caractéristiques des stimuli numériques sont plus faciles à ajuster. À la distance de détection de 55 cm dans cette étude, les fréquences spatiales des réseaux variaient de 0,33 à 30,0 cpd. Si un enfant a une très mauvaise acuité visuelle, par exemple inférieure à 0,33 cpd, son acuité visuelle réelle ne peut pas être détectée par l’AACP. Dans d’autres études, différentes gammes de fréquences peuvent être définies avec différentes distances de détection pour être applicables aux enfants ayant des conditions visuelles plus élevées.
Une autre limite de la méthode existante est que la durée d’un essai, qui est de 1 s, est trop courte pour que certains nourrissons plus jeunes puissent distinguer le réseau. Parmi les enfants dont les résultats visuels différaient de plus d’une octave dans les AACP et les TAC, la moitié étaient des enfants âgés de 5 à 7 mois. Dans les applications futures, différentes durées d’essai pourraient être définies pour s’adapter à l’âge des différents participants. À l’heure actuelle, le parent peut observer la performance du nourrisson pendant le test. Si le nourrisson échoue au test en raison de mouvements ou de fatigue, le test peut être répété.
L’AACP est une nouvelle méthode de suivi oculaire basée sur les données de la webcam. Il peut être utilisé pour évaluer l’acuité de râpage chez les nourrissons et les tout-petits, et les résultats sont comparables au test d’acuité visuelle de référence. En n’exigeant que les mouvements oculaires comme indicateurs manifestes de réponses, l’AACP peut être utilisé pour mesurer l’acuité visuelle de manière entièrement automatisée. À l’avenir, en modifiant les types de stimulation visuelle, l’AACP pourrait être utilisé pour évaluer d’autres fonctions de traitement de l’information visuelle au début du développement de l’enfant.
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Disclosures
Les auteurs ont fait les divulgations suivantes : BK.Y., XQ.L., JS.C., et 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., et L.W. : China National Invention Patent « Vision automatic testing system » (n° 201510919621.4).
Acknowledgments
Cette étude a été financée par le Fonds de Capital pour l’amélioration de la santé et la recherche (n ° 2018-2Z-4076) et les fonds de recherche SEED du premier hôpital de l’Université de Pékin (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 |
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