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Ein automatisiertes Verfahren zur Beurteilung der Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern mit Hilfe eines Eye-Tracking-Systems

Published: March 17, 2023 doi: 10.3791/65274

Summary

In diesem Artikel stellen wir eine neuartige automatisierte Methode zur Beurteilung der Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern mit Hilfe eines Eye-Tracking-Systems vor.

Abstract

Die Messung der Sehschärfe ist ein wichtiger Sehfunktionstest, der im Säuglings- und Kindesalter durchgeführt werden muss. Eine genaue Messung der Sehschärfe bei Säuglingen ist jedoch aufgrund von Defiziten in ihrer Kommunikationsfähigkeit schwierig. In dieser Arbeit wird eine neuartige automatisierte Methode zur Beurteilung der Sehschärfe bei Kindern (5-36 Monate) vorgestellt. Diese Methode, das Automated Acuity Card Procedure (AACP), nutzt eine Webcam für das Eye-Tracking und erkennt das Sehverhalten von Kindern automatisch. Es wird ein Zwei-Auswahl-Test durchgeführt, bei dem das getestete Kind die visuellen Reize ansieht, die auf einem hochauflösenden digitalen Bildschirm angezeigt werden. Wenn das getestete Kind die Reize beobachtet, werden seine Gesichtsbilder von der Webcam aufgezeichnet. Diese Bilder werden von dem eingestellten Computerprogramm verwendet, um ihr Beobachtungsverhalten zu analysieren. Bei diesem Verfahren werden die Augenbewegungsreaktionen des Kindes auf verschiedene Reize gemessen und seine Sehschärfe ohne Kommunikation beurteilt. Durch den Vergleich der Ergebnisse mit der Gitterschärfe, die mit Teller Acuity Cards (TACs) ermittelt wird, wird die AACP-Leistung als vergleichbar mit der von TACs angesehen.

Introduction

Die Säuglingszeit ist eine kritische Phase für die visuelle Entwicklung. Sehprobleme, die früh im Leben auftreten, können einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung eines Kindes haben. Es ist wichtig, bei Säuglingen eine quantitative visuelle Beurteilung durchführen zu können, die dazu beitragen kann, Sehprobleme frühzeitig zu erkennen. Da Säuglinge jedoch kognitiv nicht entwickelt oder ausdrucksstark genug sind, um Symbole der Sehschärfetabelle wie Buchstaben oder Grafiken zu erkennen, ist es schwierig, ihre Sehschärfe zu messen. Der aktuelle Goldstandard für die Beurteilung des Sehvermögens von Säuglingen ist das Sehschärfekartenverfahren1, das auf dem Test des bevorzugten Aussehens2 basiert. Da diese Methode jedoch von erfahrenen Testern verlangt, die Sehschärfe anhand der Augenbewegungen des Kindes zu beurteilen 3,4,5,6, ist sie durch die Erfahrung der Tester begrenzt 4,5. Daher bleiben Sehschärfekartenverfahren, wie z. B. Teller Acuity Cards (TACs)5,6, eine subjektive Methode. Daher besteht ein Bedarf an einer Methode, die die Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern quantitativ messen kann, die ohne verbale Kommunikation eingesetzt werden kann und die nicht durch die Notwendigkeit erfahrener Tester eingeschränkt ist.

Durch die Erfindung und den Einsatz des Remote Eye Trackers konnte ein automatisiertes Sehschärfemesssystem entwickelt werden. In früheren Studien wurden Eye-Tracking-Methoden als Werkzeug zur Bewertung der visuellen Funktion bei Kindern eingesetzt 7,8,9,10. Ein Remote-Eyetracker kann für die Blickverfolgung verwendet werden und ist ein Ersatz für die Beobachtung der Augenbewegungen eines Kindes durch einen Tester. Das ACTIVE-Verfahren7 und das AVAT-Verfahren10 sind vollautomatische Sehschärfetests mit einem Remote-Eye-Tracker. Sie haben vergleichbare Sehschärfeergebnisse wie der Keeler Acuity Cards-Test bei gesunden Säuglingen und Kleinkindern geliefert. Im Gegensatz zu anderen neueren Studien verwendeten wir eine Webcam anstelle eines Remote-Eyetrackers, um den Blick des Kindes zu erfassen. Wir haben eine automatische Methode zur Erfassung von Augenbewegungsdaten entwickelt, die auf Computer Vision basiert. Das Verfahren kombinierte die Methode zur Erfassung von Augenbewegungen mit der Technik des bevorzugten Aussehens zur Beurteilung der Sehfunktion bei Kindern.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine neuartige automatisierte Methode vorzustellen, mit der die Sehschärfe bei Kleinkindern bewertet werden kann, das sogenannte Automated Acuity Card Procedure (AACP). Dieses Verfahren ist besonders nützlich für Säuglinge und jüngere Kinder, die noch keine ausreichenden Kommunikationsfähigkeiten erworben haben. Der Schlüsselaspekt ist, dass visuelle Reaktionen quantifiziert werden können, um bei Säuglingen und Kleinkindern eine knirschende Sehschärfe zu erzielen. Die Messung der Gitterschärfe ermöglicht die Erkennung von Sehstörungen und spielt eine wichtige Rolle bei der anschließenden medizinischen Behandlung.

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Protocol

Das hier beschriebene Protokoll wurde von der Ethikkommission des Ersten Krankenhauses der Universität Peking (PKUFH 2018-223) genehmigt. Die Verfahren entsprachen den Grundsätzen der Deklaration von Helsinki für die Forschung am Menschen. Das Studienformat wurde beschrieben und die Einverständniserklärung der Eltern der Teilnehmer eingeholt.

1. Vorbereitung des Gerätes

HINWEIS: Die AACP-Komponenten wurden in einem schwach beleuchteten Testraum aufgebaut. Vorhänge wurden im Raum gezogen, um Störungen durch Sonnenlicht zu vermeiden. Ein Anzeigesystem, ein Aufzeichnungssystem und ein Analysesystem waren die drei Komponenten des AACP (Abbildung 1).

  1. Richten Sie ein Anzeigesystem ein, einen 28-Zoll-Flüssigkristallmonitor (62,208 cm x 34,992 cm Bildschirm, 3840 Pixel x 2160 Pixel, 0,162 mm/Pixel, 30 Hz Bildrate). Stellen Sie den Monitor auf einen Tisch, der angehoben werden kann. Linearisieren Sie die Bildschirmluminanz durch eine 8-Bit-Lookup-Tabelle. Stellen Sie die Luminanz auf 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 bzw. 400 cd/m2 für Schwarz, Mittelgrau bzw. Weiß ein.
  2. Platzieren Sie zwei Seitenwände auf beiden Seiten des Bildschirms, um Ablenkungen für die zu testenden Kinder zu vermeiden.
  3. Richten Sie ein Aufnahmesystem ein, eine hochauflösende Pro-Webcam mit einer Auflösung von 1080 Pixeln/30 fps.
    HINWEIS: Die Webcam zeichnet Bildsequenzen des Verhaltens der Tester auf, die jeweils auf 1280 x 720 Pixel zugeschnitten sind. Bei der automatisierten Sehschärfeprüfung wird alle 200 ms ein Webcam-Bild mit Zeitstempel zur Synchronisierung erhalten.
  4. Schließen Sie den Anzeigemonitor und die Webcam an einen Computer, das Analysesystem, an. Stellen Sie sicher, dass sich die Webcam in der Mitte, direkt unter dem Bildschirm, befindet und bei Bedarf angepasst werden kann.
    HINWEIS: Der Monitor und die Webcam sind entweder in den Computer (einen Laptop oder Desktop-PC) integriert oder sind separate Geräte, die dann an einen Computer angeschlossen werden.
  5. Installieren Sie die AACP-Verfahrenssoftware auf dem Computer für die Darstellung von Reizen und die Analyse von Augenbewegungen. Die AACP-Verfahrenssoftware (China National Invention Patents, Nr. 201910865074.4 und Nr. 201510919621.4) umfasst ein Stimulusanzeigemodul, ein Sehtestmodul und ein Testergebnisverarbeitungsmodul.
  6. Stellen Sie die visuellen Reize als 12 cm x 12 cm großes Rechteckwellengitter mit unterschiedlichen Perioden/Grad (cpd) Ortsfrequenzen und einem Kontrastverhältnis von 1,00 ein. Stellen Sie sicher, dass der Stimulus zufällig in der Mitte des linken oder rechten Teils des Bildschirms angezeigt wird und dass der Rest des Bildschirms einen an die Luminanz angepassten grauen Bereich ähnlich dem TACII aufweist.
    HINWEIS: Bei einem Detektionsabstand von 55 cm (der mit dem von TACII übereinstimmt) waren die Stimuli (aufgrund von Pixelgrößenbeschränkungen) ungefähr die gleichen wie auf gedruckten TACII-Karten (16 Karten, 1/2 Oktave).

2. Eye-Tracking-Kalibrierung

  1. Holen Sie die Einverständniserklärung der Eltern ein und beschreiben Sie ihnen das Lernformat.
  2. Stellen Sie das Kind in einem Abstand von 55 cm zum Monitor auf. Lassen Sie das Kind allein auf einem Stuhl oder vorzugsweise auf dem Schoß der Eltern sitzen. Wenn das Kind alleine sitzt, lassen Sie die Eltern neben dem Kind sitzen.
  3. Stellen Sie die Position des Hubtisches ein und platzieren Sie ihn mit dem Monitor. Ordnen Sie den Bildschirm senkrecht zu den Augen des Kindes an.
  4. Passen Sie die Position der Webcam an, um sicherzustellen, dass das Gesicht des Kindes im Aufnahmesystem sichtbar ist, und um zu vermeiden, dass andere Gesichter als das des Kindes aufgenommen werden.
  5. Bevor Sie mit dem Verfahren beginnen, informieren Sie das Kind, dass es auf den Bildschirm schauen wird. Weisen Sie die Eltern an, das Kind aufzufordern, auf den Bildschirm zu schauen, wenn das Kind nicht aufpasst. Während des Tests sind keine besonderen Anweisungen erforderlich.
  6. Öffnen Sie die AACP-Verfahrenssoftware. Geben Sie die Informationen des Kindes in die Software ein (Name, Geschlecht, Alter).
  7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start . Die Software startet den Kalibrierungsvorgang. Ein GIF-Bild (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 Pixel) wird vor dem weißen Hintergrund in der Mitte des Bildschirms angezeigt (Abbildung 2). Das Bild und die Hintergrundmusik werden gleichzeitig angezeigt. Dieser Stimulus wird für mindestens 3 s präsentiert. Das Analysesystem ermittelt gleichzeitig, ob die Blickrichtung des Kindes auf das Bild fixiert ist. Wenn während dieser Präsentation innerhalb von 1 Minute keine Blickdaten verfügbar sind, wird auf dem Bildschirm ein weiteres Cartoon-GIF-Bild angezeigt. Wenn Blickkoordinaten innerhalb dieses Bereichs erkannt werden, startet der Testvorgang ohne die Aktionen des Testers und wird automatisch ausgeführt.

3. Prüfverfahren

  1. Präsentieren Sie das anfängliche Gitter. Die Ortsfrequenzen der Gitter reichen von 0,33-30,0 cpd in 1/2 Oktavschritten. Bestimmen Sie das anfängliche Gitter anhand des Alters des Kindes, wie beim TACII-Test.
  2. Präsentieren Sie das anfängliche Gitter für 1.000 ms, was der Länge eines Versuchs entspricht. Präsentieren Sie dann einen leeren Bildschirm für 200 ms. Präsentieren Sie den gleichen Stimulus erneut, gefolgt von einem leeren Bildschirm. Präsentieren Sie das Gitter desselben Ortsfrequenzsatzes dreimal.
  3. Lassen Sie die Webcam während der Durchführung des Eingriffs die Gesichtsbilder des Kindes aufzeichnen. Die Software verwendet diese Bilder, um ihr Beobachtungsverhalten zu analysieren. Das Sehtestprogramm überprüft die Augenbewegungsreaktionen anhand der in Tabelle 1 genannten Kriterien, um festzustellen, ob der Reiz gesehen wurde (Abbildung 3).
  4. Lassen Sie das Programm zur Verarbeitung der Testergebnisse den nachfolgenden Stimulus gemäß dem in Abbildung 411 gezeigten Protokoll präsentieren.
  5. Präsentieren Sie nach jeweils drei Versuchen ein GIF-Bild (mit Hintergrundmusik) als visuelle Belohnung, um das Interesse des Kindes aufrechtzuerhalten. Wenn innerhalb von 1 Minute nach der GIF-Bildpräsentation keine Blickdaten verwertbar sind (z. B. wenn sich das Kind umgedreht oder die Augen geschlossen hat), beenden Sie den Test. Dieser Test liefert kein Ergebnis.
  6. Nachdem Sie die Schritte 3.4 und 3.5 ausgeführt haben, analysieren Sie die von den Softwareprogrammen ausgegebenen Ergebnisse der Gitterschärfe für das Kind.

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Representative Results

Die AACP wurde auf eine Gruppe von Kindernim Alter von 11: 155 normal entwickelnden Säuglingen und Kleinkindern (5 bis 36 Monate, basierend auf dem Gestationsalter) angewendet. In einer zuvor veröffentlichten Studie wurden die Ergebnisse der Gitterschärfe des AACP mit denen des TACII verglichen. Die mit diesen beiden Verfahren erzielten Ergebnisse korrelieren signifikant (r153 = 0,83, p < 0,001). Nur 10,32% (16 von 155) der Ergebnisse der Kinder unterschieden sich um mehr als eine Oktave. Darunter waren acht Kinder im Alter von 5-7 Monaten. Von diesen 16 Kindern hatten drei von der AACP eine Sehschärfe, die 1,5-2 Oktaven über denen der TACII lag. Die anderen 13 Kinder hatten eine AACP-Sehschärfe, die 1,5-2 Oktaven unter der TACII-Sehschärfe lag.

Die mit dem AACP gemessene Gitterschärfe nahm mit zunehmendem Säuglingsalter allmählich zu. Abbildung 5 zeigt die vom AACP gemessene Veränderung der Gitterschärfe mit der Veränderung des Alters in Monaten. Von 6 auf 12 Monate erhöhte sich die Gitterschärfe um fast 0,5 Oktaven. Von 12 auf 24 Monate erhöhte sich die Gitterschärfe um fast eine Oktave. Von 24 auf 36 Monate stieg die Gitterschärfe um fast 1,5 Oktaven. Der Trend der Sehschärfeentwicklung in dieser Studie stimmt mit den Ergebnissen der Sehschärfe überein, die in früheren Studien mit TACII gemessen wurden12. Es stimmt auch mit der Sehschärfeentwicklung überein, die durch TACII in derselben Gruppe von Säuglingengemessen wurde 11.

Figure 1
Abbildung 1: AACP-Apparatur. Gezeigt werden die AACP-Komponenten und die räumliche Anordnung ihres Aufbaus im Prüfraum. Der Säugling saß auf dem Schoß eines Elternteils und betrachtete die Reize mit einem Fernglas von 55 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Cartoon-Stimulus im Kalibriervorgang. Der Cartoon-Stimulus ist ein GIF-Bild mit Hintergrundmusik. Der Reiz zieht die visuelle Aufmerksamkeit auf sich. Wenn der Blick des Kindes in den Bildbereich fällt, wechselt der Punkt von Rot zu Grün und der Kalibrierungsvorgang wird durchgeführt. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Wen et al.11 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: Gitterreiz im Prüfverfahren. Der Gitterstimulus ist ein Gitter aus vertikalen Schwarz-Weiß-Streifen, die auf einem einheitlich grauen Hintergrund dargestellt werden. Der Blickpunkt des Teilnehmers, der sich von der Mitte zum grünen Quadrat bewegt, zeigt an, dass der Teilnehmer das Ziel beobachtet hat, was einen "Treffer" bedeutet. Der Blickpunkt des Teilnehmers, der sich von der Mitte in den leeren Bereich bewegt, zeigt an, dass der Teilnehmer das Ziel nicht beobachtet hat, was ein "Fehlen" bedeutet. Die grüne quadratische Fläche hat eine halbe Seitenlänge, die auf dem Abstand von der Mitte des Stimulus zur Seite des Bildschirms basiert (d. h. von der Mitte des Stimulus zum linken Bildschirmrand in dieser Abbildung). Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Wen et al.11 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: Das Protokoll, das im AACP-Verfahren verwendet wird. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Wen et al.11 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 5
Abbildung 5: Boxplots der Gitterschärfen in Abhängigkeit vom Alter (N = 155). Weiße Kästchen mit roten Linien und graue Kästchen mit schwarzen Linien sind Gitterschärfen des AACP bzw. TACII11 für jedes Alter von 6 Monaten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Kriterium Vergewissern Sie sich, dass das Blicksignal:
Schlagen blieben kontinuierlich mehr als 400 ms der 1.000 ms Zielpräsentation im Zielbereich.
Fräulein (1) innerhalb eines Zeitfensters von 1.000 ms nicht in den Zielbereich eingedrungen ist.   (2) weniger als 400 ms im Zielbereich verblieben.

Tabelle 1: Kriterien zur Feststellung, ob ein Stimulus beobachtet wurde.

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Discussion

Mehrere Studien 7,8,9,10, die auf der Eye-Tracking-Methode basieren, haben den Wert dieser Methode bei der Beurteilung von Säuglingen und Kleinkindern gezeigt, die Schwierigkeiten bei der verbalen Kommunikation haben. Allerdings ist die Zahl der Teilnehmer in früheren Studien relativ gering. Nur 30 Säuglinge unter 12 Monaten wurden mit dem ACTIVE-Verfahren getestet, das von Jones et al.7 entwickelt wurde. Das AVAT-Verfahren, das von Vrabic et al.10 entwickelt wurde, testete 35 Säuglinge und Kleinkinder auf ähnliche Weise. In der vorliegenden Studie wurde eine große Stichprobe von 5 bis 36 Monate alten Säuglingen und Kleinkindern (N = 155) mit dem AACP-Verfahren untersucht und zeigte eine hohe Testbarkeit und eine mit TACs vergleichbare Visusbewertung. Darüber hinaus macht die Verwendung einer Webcam anstelle eines Remote-Eyetrackers, um den Blick des Kindes zu verfolgen, die AACP-Ausrüstung kostengünstiger und bequemer zugänglich.

Wenn Säuglinge erwachsen werden, zeigen sie zunehmendes Interesse an den verschiedenen Reizen in der Umgebung. Daher ist es für sie eine Herausforderung, die Zusammenarbeit während des Tests aufrechtzuerhalten. Die Anzeige von Cartoon-Bildern in der Mitte des Bildschirms wurde entwickelt, um ihre Aufmerksamkeit zu erregen, was dem ACTIVE-Verfahren7 ähnelt. Alle drei Versuche, bevor die Gitterfrequenz geändert wurde, wurde ein Cartoon-Bild als visuelle Belohnung präsentiert, um die Aufmerksamkeit des Säuglings aufrechtzuerhalten und seinen Blick auf die Mitte des Bildschirms zu lenken, wodurch die Fehleinschätzung des Verfahrens reduziert wurde, die durch die Verschiebung des Auges des Säuglings zur Seite verursacht wurde. Darüber hinaus wurden zwei angebrachte Bildschirmseitenwände verwendet, um Ablenkungen für Säuglinge zu reduzieren. Beim Standard-TAC-Test in Laborumgebungen13 werden Sehschärfekarten durch eine rechteckige Öffnung auf einem grauen Bildschirm angezeigt, der angebrachte Seitenwände enthält. Wir haben die Seitenwände des Bildschirms so eingestellt, dass die Interferenzen der Umgebung reduziert werden, aber die Seitenwände können demontiert werden, um sich an andere Testumgebungen anzupassen.

In der vorliegenden Studie handelte es sich bei digitalen Stimuli für den AACP und gedruckten Stimuli für TACs um Rechteckgitter, die "Kanteneffekte" aufweisen. Kantenartefakte an der Kreuzung von Hochfrequenzgittern und Isoluminantenhintergrund bieten potenziell zusätzliche visuelle Hinweise für Kinder, die in den AACP- undTACs-14-Tests auftreten. Im Vergleich zu papierbasierten TACs sind digitale Reize jedoch flexibler. Gabor-modulierte Stimuli werden in Zukunft eingesetzt, um Kanteneffekte zu vermeiden. Der Kontrast, die Größe, die Frequenz und andere Eigenschaften digitaler Reize lassen sich leichter anpassen. Bei einem Detektionsabstand von 55 cm in dieser Studie lagen die Ortsfrequenzen der Gitter zwischen 0,33 und 30,0 cpd. Wenn ein Kind eine sehr schlechte Sehschärfe hat, z. B. unter 0,33 cpd, kann seine tatsächliche Sehschärfe von der AACP nicht erkannt werden. In weiteren Studien können verschiedene Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Erfassungsabständen eingestellt werden, um auf Kinder mit mehr Sehstörungen anwendbar zu sein.

Eine weitere Einschränkung der bestehenden Methode besteht darin, dass die Dauer eines Versuchs, die 1 s beträgt, für einige jüngere Säuglinge zu kurz ist, um das Gitter zu unterscheiden. Von den Kindern, deren visuelle Ergebnisse sich in den AACP- und TACs um mehr als eine Oktave unterschieden, waren die Hälfte Kinder im Alter von 5-7 Monaten. In zukünftigen Anwendungen können unterschiedliche Testdauern festgelegt werden, um sich an das Alter der verschiedenen Teilnehmer anzupassen. Derzeit können die Eltern die Leistung des Säuglings während des Tests beobachten. Wenn der Säugling den Test aufgrund von Bewegung oder Müdigkeit nicht besteht, kann der Test wiederholt werden.

Das AACP ist ein neuartiges Eye-Tracking-Verfahren, das auf Webcam-Daten basiert. Es kann verwendet werden, um die Gitterschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern zu bewerten, und die Ergebnisse sind vergleichbar mit dem Goldstandard-Sehschärfetest. Da nur Augenbewegungen als offensichtliche Indikatoren für Reaktionen erforderlich sind, kann der AACP zur vollautomatischen Messung der Sehschärfe verwendet werden. In Zukunft könnte der AACP durch die Änderung der Arten der visuellen Stimulation verwendet werden, um andere visuelle Informationsverarbeitungsfunktionen in einem frühen Stadium der kindlichen Entwicklung zu bewerten.

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Disclosures

Die Autoren haben die folgenden Offenbarungen gemacht: BK.Y., XQ.L., JS.C. und L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and puille localization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. und L.W.: China National Invention Patent "Vision automatic testing system" (Nr. 201510919621.4).

Acknowledgments

Diese Studie wurde vom Capital's Fund for Health Improvement and Research (Nr. 2018-2Z-4076) und den SEED Research Funds des Peking University First Hospital (2019SF31) unterstützt.

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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References

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Wen, J., Yang, B., Cui, J., Wang, L., Li, X. An Automated Method for Assessing Visual Acuity in Infants and Toddlers Using an Eye-Tracking System. J. Vis. Exp. (193), e65274, doi:10.3791/65274 (2023).

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