Summary
本稿では,視線追跡システムを用いて乳幼児の視力を自動評価する新しい手法について紹介する.
Abstract
視力測定は、乳児期および小児期に実施する重要な視機能検査です。しかし、乳幼児の正確な視力測定は、コミュニケーション能力に不備があるため困難です。この論文は、子供(生後5〜36か月)の視力を評価するための新しい自動化された方法を提示します。この方法である自動視力カード手順(AACP)は、アイトラッキングにWebカメラを使用し、子供の監視行動を自動的に認識します。テストされた子供が高解像度のデジタル表示画面に表示される視覚刺激を見るときに、2つの選択の優先的外観テストが実行されます。テストされた子供が刺激を見ると、彼らの顔の写真がウェブカメラによって記録されます。これらの画像は、設定されたコンピュータプログラムによって、それらの監視行動を分析するために使用されます。この手順では、さまざまな刺激に対する子供の眼球運動反応が測定され、コミュニケーションなしで視力が評価されます。結果をテラー視力カード(TAC)によって得られたグレーティング視力と比較することにより、AACP性能はTACの性能に匹敵すると見なされます。
Introduction
幼児期は視覚発達にとって重要な時期です。人生の早い段階で発生する視覚上の問題は、子供の発達に大きな影響を与える可能性があります。乳児の定量的な視覚的評価を実行できることが重要であり、これは早期の視力の問題を検出するのに役立ちます。しかし、乳児は文字やグラフなどの視力チャートの記号を認識するのに十分な認知能力や表現力がないため、視力を測定することは困難です。乳児の視力評価の現在のゴールドスタンダードは、優先的ルッキングテスト1に基づく視力カード手順2です。しかし、この方法では、経験豊富なテスターが子供の眼球運動を観察して視力を判断する必要があるため3,4,5,6、テスターの経験によって制限されます4、5。したがって、テラー視力カード(TAC)5,6などの視力カードの手順は、主観的な方法のままです。したがって、乳幼児の視力を定量的に測定でき、口頭でのコミュニケーションを必要とせずに使用でき、経験豊富なテスターを必要とすることに限定されない方法が求められています。
リモートアイトラッカーの発明と使用により、自動視力測定システムの開発が可能になりました。以前の研究では、視線追跡法は子供の視覚機能評価のためのツールとして使用されてきました7,8,9,10。リモートアイトラッカーは視線追跡に使用でき、テスターが子供の目の動きを観察する代わりになります。ACTIVE手順7とAVAT手順10は、リモートアイトラッカーを使用した完全に自動化された視力テストです。彼らは、健康な乳幼児のキーラー視力カードテストに匹敵する視力結果をもたらしました。他の最近の研究とは対照的に、私たちは子供の視線を捉えるためにリモートアイトラッカーの代わりにウェブカメラを使用しました。コンピュータビジョンに基づく眼球運動データの自動取得手法を発明しました。この手順は、子供の視覚機能を評価する際に、眼球運動取得法と優先的ルッキング技術を組み合わせたものです。
本稿では,幼児の視力を評価できる自動視力カード手技(AACP)と呼ばれる新しい自動化手法を提示することを目的とした。この手順は、十分なコミュニケーションスキルをまだ習得していない乳幼児に特に役立ちます。重要な側面は、視覚反応を定量化して、乳幼児の格子視力をもたらすことができることです。グレーティングの視力測定は、視覚病理の検出を可能にし、その後の医療管理において重要な役割を果たします。
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Protocol
ここに記載されているプロトコルは、北京大学第一病院の倫理委員会(PKUFH 2018-223)によって承認されました。手順は、人間を対象とする研究に関するヘルシンキ宣言の信条に準拠していました。研究形式を記載し、参加者の両親からインフォームドコンセントを得た。
1.装置の準備
注意: AACPコンポーネントは、穏やかに照らされたテストルームに設置されました。日光からの干渉を避けるために、ドレープが部屋に引っ張られました。表示システム、記録システム、および分析システムがAACPの3つのコンポーネントでした(図1)。
- ディスプレイシステム、28インチ液晶ディスプレイモニター(62.208 cm x 34.992 cm画面、3840ピクセルx 2160ピクセル、0.162 mm /ピクセル、30 Hzフレームレート)をセットアップします。ディスプレイモニターを持ち上げることができるテーブルに置きます。8ビットルックアップテーブルで画面の輝度を線形化します。黒、ミッドグレー、白の輝度をそれぞれ1cd/m2、200cd/m2、400cd/m2に設定します。
- 画面の両側に2つのサイドパネルを配置して、テスト対象の子供たちの気を散らすものを減らします。
- 録画システム、1080ピクセル/ 30fpsの解像度を持つ高解像度プロウェブカメラをセットアップします。
注意: Webカメラは、テスターの動作の画像シーケンスを記録し、それぞれが1280ピクセルx720ピクセルでトリミングされます。自動視力検査では、同期のために200ミリ秒ごとに1つのタイムスタンプ付きWebカメラ画像が取得されます。 - ディスプレイモニターとウェブカメラをコンピューター、分析システムに接続します。Webカメラが画面のすぐ下の中央にあり、必要に応じて調整できることを確認してください。
メモ: モニターと Web カメラは、コンピューター (ラップトップまたはデスクトップ PC) に統合されているか、コンピューターに接続される個別のデバイスです。 - 刺激の提示と眼球運動の分析のために、AACP手順ソフトウェアをコンピューターにインストールします。AACP手順ソフトウェア(中国国家発明特許、第201910865074.4号および第201510919621.4号)は、刺激表示モジュール、ビジョンテストモジュール、およびテスト結果処理モジュールで構成されています。
- 視覚刺激を、異なる周期/度(cpd)空間周波数と1.00のコントラスト比を持つ12 cm x 12 cmの方形波格子として設定します。刺激が画面の左側または右側の中央にランダムに表示され、画面の残りの部分にTACIIと同様の輝度が一致した灰色の領域が表示されることを確認します。
注:検出距離55 cm(TACIIの検出距離と一致している)では、刺激は印刷されたTACIIカード(16カード、1/2オクターブ)とほぼ同じでした(ピクセルサイズの制限による)。
2.視線追跡キャリブレーション
- 両親からインフォームドコンセントを取得し、研究形式を説明します。
- ディスプレイモニターから55cmの距離に子供を配置します。子供を椅子に座らせるか、できれば親の膝の上に座らせます。子供が一人で座っている場合は、親を子供と一緒に座らせます。
- リフティングテーブルの位置を調整し、モニターと一緒に配置します。画面を子供の目に垂直に配置します。
- Webカメラの位置を調整して、お子様の顔が記録システムに表示されるようにし、お子様以外の顔をキャプチャしないようにします。
- 手順を開始する前に、画面を見ることを子供に知らせてください。子供が注意を払っていないときに画面を見るように子供に促すように親に指示します。テスト中に特別な指示は必要ありません。
- AACP手順ソフトウェアを開きます。お子様の情報(名前、性別、年齢)をソフトウェアに入力します。
- [ スタート ]ボタンをクリックします。ソフトウェアがキャリブレーション手順を開始します。画面中央の白い背景にグラフィック交換形式(GIF)画像(2.0736 cm x 2.0736 cm、128 x 128ピクセル)が表示されます(図2)。画像とBGMが同時に表示されます。この刺激は少なくとも3秒間提示されます。分析システムは、子供の視線が画像に固定されているかどうかを同時に判断します。このプレゼンテーション中に 1 分以内に視線入力データがない場合、画面には別の漫画 GIF 画像が表示されます。この領域内で視線座標が検出されると、テスト手順はテスターの操作なしで開始され、自動的に実行されます。
3. テスト手順
- 最初の格子を提示します。格子の空間周波数は、1/2オクターブステップで0.33〜30.0cpdの範囲です。TACIIテストのように、子供の年齢によって最初の格子を決定します。
- 試行の長さである1,000ミリ秒の初期格子を提示します。次に、空白の画面を 200 ミリ秒間表示します。同じ刺激をもう一度提示してから、再び空白の画面を表示します。同じ空間周波数セットのグレーティングを3回提示します。
- 手順の実行中に、Webカメラに子供の顔写真を記録させます。ソフトウェアは、これらの画像を使用して、監視動作を分析します。視力検査プログラムは、 表1 に示す基準で眼球運動反応をチェックし、刺激が見られたかどうかを判断します(図3)。
- 検査結果処理プログラムに、 図411に示すプロトコルに従って、その後の刺激を提示させる。
- 3回の試行ごとに、子供の興味を維持するための視覚的な報酬としてGIF画像(バックグラウンドミュージック付き)を提示します。GIF画像提示から1分以内に視線データが使用できない場合(たとえば、子供が振り向いたり目を閉じたりした場合)は、テストを停止します。このテストでは結果は出力されません。
- 手順3.4と3.5を実行した後、ソフトウェアプログラムによって出力された子供の格子の視力結果を分析します。
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Representative Results
AACPは、11:155の正常に発達している乳児および幼児(在胎週数に基づいて生後5〜36か月)の1つのグループの子供に適用されました。以前に発表された研究では、AACPによって得られた格子視力の結果がTACIIによって得られたものと比較されました。これら2つの手順によって得られた結果は有意に相関している(r153 = 0.83、 p < 0.001)。子供の結果のわずか10.32%(155のうち16)が1オクターブ以上異なっていました。そのうち、8人の子供は5〜7か月でした。これらの16人の子供のうち、3人はAACPによって得られた視力の結果がTACIIによって得られたものより1.5〜2オクターブ高かった。他の13人の子供は、AACP視力がTACII視力より1.5〜2オクターブ低かった。
AACPで測定した格子の鋭敏さは,乳児の年齢が上がるにつれて徐々に増加した。 図5 は、AACPによって測定されたグレーティング視力の変化を月単位の年齢の変化とともに示しています。6ヶ月から12ヶ月の間に、格子の鋭敏さはほぼ0.5オクターブ増加しました。12ヶ月から24ヶ月の間に、格子の視力はほぼ1オクターブ増加しました。24ヶ月から36ヶ月の間に、格子の視力はほぼ1.5オクターブ増加しました。この研究における視力発達の傾向は、以前の研究でTACIIによって測定された視力の結果と一致しています12。また、同じ群の乳児11においてTACIIによって測定された視力発達とも一致している。
図1:AACP装置。 AACPコンポーネントと、テストルームでのそれらのセットアップの空間配置が示されています。乳児は親の膝の上に座り、55cmの距離で両眼で刺激を観察し た。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:キャリブレーション手順における漫画の刺激。 漫画の刺激は、バックグラウンドミュージック付きのGIF画像です。刺激は視覚的な注目を集めます。子供の視線が画像領域内に収まると、ドットが赤から緑に変わり、キャリブレーション手順が実行されます。この図は、Wen et al.11の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:テスト手順におけるグレーティング刺激。 格子刺激は、均一な灰色の背景に提示された垂直の白黒ストライプの格子です。中心から緑色の四角形に移動する参加者の注視点は、参加者がターゲットを見たことを示し、これは「ヒット」を意味します。中心から空の領域に移動する参加者の注視点は、参加者がターゲットを見なかったことを示し、これは「ミス」を意味します。緑色の四角形の領域は、刺激の中心から画面の側面までの距離(つまり、刺激の中心からこの図の画面の左端まで)に基づいて半辺の長さを有する。この図は、Wen et al.11の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:AACPプロシージャで使用されるプロトコル。 この図は、Wen et al.11の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:年齢に対してプロットされた格子の視力の箱ひげ図(N = 155)。赤い線の白いボックスと黒い線の灰色のボックスは、それぞれ生後6か月ごとのAACPとTACII11の格子の視力です。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 基準 | 視線入力信号が次の条件を満たしていることを確認します。 | |||
| 打つ | 1,000 msのターゲット プレゼンテーションのうち 400 ミリ秒以上、ターゲット領域に継続的に留まりました。 | |||
| 見逃す | (1) 1,000 msの時間枠内に対象エリアに進入しなかった。 (2)ターゲットエリアに400ミリ秒未満留まった。 | |||
表1:刺激が見られたかどうかを確認するための基準。
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Discussion
視線追跡法に基づくいくつかの研究7,8,9,10は、口頭でのコミュニケーションが困難な乳幼児を評価する上でこの方法の価値を示しています。ただし、以前の研究の参加者数は比較的少ないです。生後12か月未満の乳児はわずか30人で、Jonesらによって開発されたACTIVE手順によってテストされました7。Vrabicらによって開発されたAVAT手順10は、35人の乳幼児を同様にテストしました。本研究では、生後5〜36か月の乳児および幼児(N = 155)の大規模なサンプルをAACP手順でテストし、高いテスト可能性とTACに匹敵する視力評価を示しました。さらに、リモートアイトラッカーの代わりにWebカメラを使用して子供の視線を追跡することで、AACP機器のコストが下がり、アクセスが便利になります。
乳児が成長すると、周囲の環境のさまざまな刺激への関心が高まります。したがって、テスト中に協力を維持することは彼らにとって課題です。画面の中央に漫画の画像を表示することは、ACTIVE手順7と同様に、彼らの注意を引くように設計されています。3回の試行ごとに、格子の頻度を変更する前に、乳児の注意を維持し、画面の中央に視線を引き付けるための視覚的報酬として漫画の画像が提示されたため、乳児の視線が横に移動することによって引き起こされる手順の誤判断が軽減されました。さらに、2つの付属のスクリーンサイドパネルを使用して、乳児の気を散らすものを減らしました。実験室設定13での標準的なTACテストでは、視力カードは、取り付けられたサイドパネルを含む灰色の画面上の長方形の開口部を通して表示されます。スクリーンのサイドパネルは周囲の環境の干渉を減らすために設定されていますが、サイドパネルは他のテスト環境に適応するために分解することができます。
本研究では、AACPのデジタル刺激とTACの印刷刺激は矩形波格子であり、「エッジ効果」があります。高周波格子と同光体背景の接合部にあるエッジアーチファクトは、AACPおよびTACs14 テストで発生する可能性のある追加の視覚的手がかりを子供に提供します。ただし、紙ベースのTACと比較して、デジタル刺激はより柔軟です。将来的には、エッジ効果を回避するためにガボール変調刺激が使用されます。デジタル刺激のコントラスト、サイズ、周波数、およびその他の特性は、調整が簡単です。この研究の検出距離55cmでは、格子の空間周波数は0.33〜30.0cpdの範囲でした。子供の視力が非常に悪い場合、たとえば0.33cpd未満の場合、実際の視力はAACPで検出できません。さらなる研究では、より視覚条件のある子供に適用できるように、異なる範囲の周波数を異なる検出距離で設定することができます。
既存の方法のもう一つの制限は、試験の期間が1秒であり、一部の若い乳児が格子を区別するには短すぎることです。AACPとTACで視覚結果が1オクターブ以上異なる子供のうち、半数は5〜7か月の子供でした。将来のアプリケーションでは、参加者の年齢に合わせて異なる試験期間が設定される可能性があります。現在、親はテスト中に乳児のパフォーマンスを観察することができます。乳児が移動や疲労のためにテストに失敗した場合、テストを繰り返すことができます。
AACPは、ウェブカメラデータに基づく新しい視線追跡方法です。乳幼児の格子視力を評価するために使用でき、結果はゴールドスタンダードの視力検査に匹敵します。反応の明白な指標として眼球運動のみを必要とすることにより、AACPを使用して完全に自動化された方法で視力を測定することができます。将来的には、視覚刺激の種類を変えることで、AACPを用いて、子どもの発達の早い段階で他の視覚情報処理機能を評価することができるかもしれない。
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Disclosures
著者らは以下の開示を行った:BK.Y.、XQ.L.、JS.C.、およびL.W.:中国国家発明特許「連続ビデオフレームにおける顔検出および瞳孔位置特定のための方法およびシステム」(CN201910865074.4);XQ.L.、BK.Y.、JS.C.、およびL.W.:中国国家発明特許「ビジョン自動試験システム」(第201510919621.4号)。
Acknowledgments
この研究は、キャピタルの健康改善研究基金(No.2018-2Z-4076)および北京大学第一病院SEED研究基金(2019SF31)の支援を受けました。
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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