Summary
이 논문에서는 시선 추적 시스템을 사용하여 영유아의 시력을 평가하는 새로운 자동화 방법을 제시합니다.
Abstract
시력 측정은 유아기와 아동기에 수행하는 중요한 시각 기능 검사입니다. 그러나 영아의 정확한 시력 측정은 의사소통 능력의 결함으로 인해 어렵습니다. 이 논문은 어린이(5-36개월)의 시력을 평가하는 새로운 자동화 방법을 제시합니다. 이 방법인 AACP(Automated Acuity Card Procedure)는 웹캠을 사용하여 시선을 추적하고 어린이의 시청 행동을 자동으로 인식합니다. 두 가지 선택 우선적 인 테스트는 테스트 된 어린이가 고해상도 디지털 디스플레이 화면에 표시된 시각적 자극을 볼 때 수행됩니다. 테스트 된 어린이가 자극을 볼 때 얼굴 사진이 웹캠에 기록됩니다. 이 사진은 설정된 컴퓨터 프로그램에서 시청 행동을 분석하는 데 사용됩니다. 이 절차를 통해 다양한 자극에 대한 아동의 안구 운동 반응을 측정하고 의사 소통 없이 시력을 평가합니다. 결과를 Teller Acuity Card(TAC)에서 얻은 격자 시력과 비교함으로써 AACP 성능은 TAC의 성능과 유사한 것으로 간주됩니다.
Introduction
유아기는 시각 발달에 중요한 시기입니다. 생애 초기에 발생하는 시각 문제는 아동의 발달에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다. 유아의 정량적 시각 평가를 수행할 수 있는 것이 중요하며, 이는 조기 시력 문제를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 영아는 문자나 그래프와 같은 시력 차트 기호를 인식할 만큼 인지적으로 발달하거나 표현력이 부족하기 때문에 시력 측정이 어렵습니다. 현재 유아 시력 평가의 황금 표준은 우선적으로 보이는 검사2를 기반으로 한 시력 카드 절차1입니다. 그러나, 이 방법은 숙련된 검사자가 아이의 안구 운동(3,4,5,6)을 관찰하여 시력을 판단할 것을 요구하기 때문에, 이는 시험자4,5의 경험에 의해 제한된다. 따라서 Teller Acuity Card(TAC)5,6와 같은 시력 카드 절차는 주관적인 방법으로 남아 있습니다. 따라서, 영유아의 시력을 정량적으로 측정할 수 있고, 언어적 의사소통 없이 사용할 수 있고, 숙련된 테스터를 필요로 하는 것에 의해 제한되지 않는 방법이 필요하다.
원격 아이트래커의 발명과 사용은 자동화된 시력 측정 시스템의 개발을 가능하게 했습니다. 이전 연구에서, 시선 추적 방법은 어린이 7,8,9,10의 시각 기능 평가를 위한 도구로 사용되었다. 원격 아이트래커는 시선 추적에 사용할 수 있으며 테스터가 어린이의 안구 움직임을 관찰하는 대신 사용할 수 있습니다. ACTIVE 절차(7) 및 AVAT 절차(10)는 원격 아이트래커를 사용한 완전 자동화된 시력 검사입니다. 그들은 건강한 영유아의 Keeler Acuity Cards 테스트와 비슷한 시력 결과를 산출했습니다. 최근의 다른 연구와 달리, 우리는 아이의 시선을 포착하기 위해 원격 아이 트래커 대신 웹캠을 사용했습니다. 우리는 컴퓨터 비전을 기반으로 안구 운동 데이터 자동 수집 방법을 발명했습니다. 이 절차는 어린이의 시각 기능을 평가할 때 안구 운동 획득 방법과 우선적으로 보이는 기술을 결합했습니다.
이 논문은 AACP(Automated acuity Card Procedure)라고 하는 어린 아이들의 시력을 평가할 수 있는 새로운 자동 방법을 제시하는 것을 목표로 합니다. 이 절차는 아직 충분한 의사 소통 기술을 습득하지 못한 영유아에게 특히 유용합니다. 핵심적인 측면은 시각적 반응을 정량화하여 영유아의 격자 시력을 산출할 수 있다는 것입니다. 격자 시력 측정은 시각 병리의 검출을 가능하게 하고 후속 의료 관리에 중요한 역할을 합니다.
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Protocol
여기에 설명된 프로토콜은 북경대학교 제1병원 윤리위원회(PKUFH 2018-223)의 승인을 받았습니다. 이 절차는 인간 피험자와 관련된 연구를 위해 헬싱키 선언의 교리를 고수했습니다. 연구 형식을 설명하고 참가자의 부모로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.
1. 장치의 준비
참고: AACP 구성 요소는 조명이 약한 테스트 룸에 설치되었습니다. 햇빛의 간섭을 피하기 위해 커튼을 방에서 끌어 당겼습니다. 디스플레이 시스템, 녹음 시스템 및 분석 시스템은 AACP의 세 가지 구성 요소였습니다(그림 1).
- 디스플레이 시스템, 28인치 액정 디스플레이 모니터(62.208cm x 34.992cm 화면, 3840픽셀 x 2160픽셀, 0.162mm/픽셀, 30Hz 프레임 속도)를 설정합니다. 올릴 수 있는 테이블 위에 디스플레이 모니터를 놓습니다. 8비트 룩업 테이블로 화면 휘도를 선형화합니다. 검정, 중간 회색 및 흰색의 광도를 각각 1cd/m 2, 200cd/m2 및 400cd/m2로 설정합니다.
- 화면 양쪽에 두 개의 측면 패널을 배치하여 테스트 중인 어린이의 주의를 산만하게 하는 것을 줄입니다.
- 녹화 시스템, 1080픽셀/30fps 해상도의 고화질 프로 웹캠을 설정합니다.
참고: 웹캠은 각각 1280픽셀 x 720픽셀로 잘린 테스터 동작의 이미지 시퀀스를 기록합니다. 자동 시력 검사 중에는 동기화를 위해 200ms마다 하나의 타임스탬프가 찍힌 웹캠 이미지를 얻습니다. - 디스플레이 모니터와 웹캠을 분석 시스템인 컴퓨터에 연결합니다. 웹캠이 화면 바로 아래 중앙에 있고 필요에 따라 조정할 수 있는지 확인하십시오.
참고: 모니터와 웹캠은 컴퓨터(랩톱 또는 데스크톱 PC)와 통합되거나 별도의 장치로, 컴퓨터에 연결됩니다. - 자극을 표현하고 안구 운동을 분석하기 위해 컴퓨터에 AACP 절차 소프트웨어를 설치하십시오. AACP 절차 소프트웨어(중국 국가 발명 특허, 제201910865074.4호 및 제201510919621.4호)는 자극 표시 모듈, 비전 테스트 모듈 및 테스트 결과 처리 모듈로 구성됩니다.
- 시각적 자극을 주기/도(cpd) 공간 주파수가 다르고 명암비가 1.00인 12cm x 12cm 구형파 격자로 설정합니다. 자극이 화면의 왼쪽 또는 오른쪽 부분에 임의로 표시되고 화면의 나머지 부분에는 TACII와 유사한 휘도 일치 회색 영역이 표시되는지 확인합니다.
참고: 55cm(TACII의 감지 거리와 일치)의 자극은 인쇄된 TACII 카드(16개 카드, 1/2옥타브)의 자극과 거의 동일했습니다(픽셀 크기 제한으로 인해).
2. 시선 추적 보정
- 부모로부터 정보에 입각한 동의를 얻고 부모에게 연구 형식을 설명합니다.
- 디스플레이 모니터에서 55cm 떨어진 곳에 아이를 배치합니다. 아이가 의자에 혼자 앉게하거나, 가급적이면 부모의 무릎에 앉히십시오. 아이가 혼자 앉으면 부모가 아이 옆에 앉게 하십시오.
- 리프팅 테이블의 위치를 조정하고 모니터와 함께 놓습니다. 아이의 눈에 수직으로 화면을 배열하십시오.
- 의 위치를 조정하십시오 web녹화 시스템에서 아이의 얼굴이 보이도록 하고 아이의 얼굴이 아닌 다른 얼굴이 캡처되지 않도록 캠.
- 절차를 시작하기 전에 아이에게 화면을 볼 것이라고 알리십시오. 아이가 주의를 기울이지 않을 때 아이에게 화면을 보도록 유도하도록 부모에게 지시하십시오. 테스트 중에는 특별한 지침이 필요하지 않습니다.
- AACP 절차 소프트웨어를 엽니 다. 소프트웨어에 자녀의 정보(이름, 성별, 나이)를 입력합니다.
- 시작 버튼을 클릭합니다. 소프트웨어가 교정 절차를 시작합니다. GIF(Graphics Interchange Format) 이미지(2.0736cm x 2.0736cm, 128 x 128픽셀)가 화면 중앙의 흰색 배경에 나타납니다(그림 2). 이미지와 배경 음악이 동시에 나타납니다. 이 자극은 최소 3초 동안 제공됩니다. 분석 시스템은 동시에 아동의 시선이 이미지에 고정되어 있는지 여부를 결정합니다. 이 프레젠테이션 중에 1분 이내에 응시 데이터를 사용할 수 없는 경우 화면에 다른 만화 GIF 이미지가 표시됩니다. 이 영역 내에서 응시 좌표가 감지되면 테스터의 작업 없이 테스트 절차가 시작되고 자동으로 실행됩니다.
3. 테스트 절차
- 초기 격자를 제시합니다. 격자의 공간 주파수 범위는 0.33/30.0 옥타브 단계에서 1-2 cpd입니다. TACII 테스트에서와 같이 어린이의 나이에 따라 초기 격자를 결정하십시오.
- 시행 시간인 1,000ms에 대한 초기 격자를 제시합니다. 그런 다음 200ms 동안 빈 화면을 표시합니다. 동일한 자극을 다시 제시한 다음 빈 화면을 다시 표시합니다. 동일한 공간 주파수 세트의 격자를 세 번 제시합니다.
- 절차를 실행하는 동안 웹캠이 어린이의 얼굴 사진을 기록하도록하십시오. 소프트웨어는 이러한 사진을 사용하여 시청 행동을 분석합니다. 시력 검사 프로그램은 표 1 에 명시된 기준에 따라 안구 운동 반응을 확인하여 자극이 나타났는지 여부를 결정합니다(그림 3).
- 테스트 결과 처리 프로그램이 도 4에 도시된 프로토콜에 따라 후속 자극을 제시하도록 한다(11).
- 세 번의 시도 후에 아이의 흥미를 유지하기 위해 시각적 보상으로 GIF 이미지(배경 음악 포함)를 제시하십시오. GIF 이미지 프레젠테이션 후 1분 이내에 시선 데이터를 사용할 수 없는 경우(예: 아이가 돌아섰거나 눈을 감은 경우) 테스트를 중지합니다. 이 테스트는 결과를 출력하지 않습니다.
- 3.4단계와 3.5단계를 수행한 후 소프트웨어 프로그램에서 출력한 아동의 격자 시력 결과를 분석합니다.
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Representative Results
AACP는11 : 155 정상적으로 발달하는 영유아 (재태 연령 기준 5-36 개월)의 한 그룹에 적용되었습니다. 이전에 발표된 연구에서 AACP로 얻은 격자 시력 결과를 TACII에서 얻은 결과와 비교했습니다. 이 두 절차에 의해 얻어진 결과는 유의한 상관관계가 있다(r153 =0.83, p < 0.001). 어린이 결과 중 10.32%(155개 중 16개)만이 한 옥타브 이상 차이가 났습니다. 그 중 8 명의 어린이는 5-7 개월이었습니다. 이 16 명의 어린이 중 3 명은 AACP에서 얻은 시력 결과가 TACII에서 얻은 것보다 1.5-2 옥타브 높았습니다. 다른 13명의 어린이는 AACP 시력이 TACII 시력보다 1.5-2옥타브 낮았습니다.
AACP로 측정한 격자 시력은 영아 연령이 증가함에 따라 점차 증가했습니다. 그림 5 는 AACP에 의해 측정된 격자 시력의 변화를 개월 단위의 연령 변화와 함께 보여줍니다. 6개월에서 12개월 사이에 격자 시력이 거의 0.5옥타브 증가했습니다. 12 개월에서 24 개월 사이에 격자 시력이 거의 한 옥타브 증가했습니다. 24개월에서 36개월 사이에 격자 시력이 거의 1.5옥타브 증가했습니다. 본 연구에서의 시력 발달 경향은 선행 연구12에서 TACII로 측정한 시력 결과와 일치한다. 이는 또한 동일한 영아 그룹에서 TACII에 의해 측정된 시력 발달과도 일치한다11.
그림 1: AACP 장치. AACP 구성 요소와 시험실에서의 설정의 공간 배열이 표시됩니다. 유아는 부모의 무릎에 앉아 55cm 거리에서 양안으로 자극을 보았습니다 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 교정 절차의 카툰 자극. 만화 자극은 배경 음악이 있는 GIF 이미지입니다. 자극은 시각적 관심을 끌고 있습니다. 아이의 시선이 이미지 영역 내에 있으면 점이 빨간색에서 녹색으로 바뀌고 보정 절차가 수행됩니다. 이 수치는 Wen et al.11의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 테스트 절차의 격자 자극. 격자 자극은 균일한 회색 배경에 표시되는 세로 흑백 줄무늬의 격자입니다. 중앙에서 녹색 사각형으로 이동하는 참가자의 시선은 참가자가 대상을 보았음을 나타내며 이는 "히트"를 의미합니다. 참가자가 중앙에서 빈 공간으로 이동하는 시선은 참가자가 대상을 않았음을 나타내며 이는 "미스"를 의미합니다. 녹색 사각형 영역은 자극의 중심에서 화면의 측면까지의 거리(즉, 이 도면에서 자극의 중심에서 화면의 왼쪽 가장자리까지)에 기초하여 반면 길이를 갖는다. 이 수치는 Wen et al.11의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: AACP 절차에 사용되는 프로토콜 이 수치는 Wen et al.11의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 연령에 대해 표시된 격자 시력의 상자 그림(N = 155). 빨간색 선이 있는 흰색 상자와 검은색 선이 있는 회색 상자는 생후 6개월마다 각각 AACP 및 TACII11의 격자 시력입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 표준 | 응시 신호가 다음과 같은지 확인합니다. | |||
| 치다 | 1,000ms 타겟 프레젠테이션 중 400ms 이상 동안 지속적으로 타겟 영역에 머물렀습니다. | |||
| 미스 | (1) 1,000ms의 시간 범위 내에 대상 영역에 진입하지 않았습니다. (2) 400ms 미만의 목표 영역에 머물렀다. | |||
표 1: 자극이 나타났는지 여부를 확인하는 기준.
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Discussion
시선 추적 방법을 기반으로 한 여러 연구7,8,9,10에서 언어 의사 소통에 어려움이 있는 영유아를 평가하는 데 이 방법의 가치가 있음을 보여주었습니다. 그러나 이전 연구의 참가자 수는 상대적으로 적습니다. 생후 12개월 미만의 영아 30명만이 Jones et al.7에 의해 개발된 ACTIVE 절차에 의해 테스트되었습니다. Vrabic et al.10에 의해 개발된 AVAT 절차는 35명의 영유아를 유사하게 테스트했습니다. 본 연구에서는 5개월에서 36개월 사이의 영유아(N = 155)의 대규모 샘플을 AACP 절차로 테스트했으며 높은 테스트 가능성과 TAC에 필적하는 시력 평가를 보여주었습니다. 또한 원격 아이트래커 대신 웹캠을 사용하여 아이의 시선을 따라가면 AACP 장비가 저렴하고 접근하기 편리합니다.
유아는 자라면서 주변 환경의 다양한 자극에 대한 관심이 증가합니다. 따라서 테스트 중에 협력을 유지하는 것이 어렵습니다. 화면 중앙에 만화 이미지를 표시하는 것은 ACTIVE 절차7과 유사하게 관심을 끌기 위해 설계되었습니다. 격자 주파수를 변경하기 전에 세 번의 시도마다 유아의 주의를 유지하고 화면 중앙으로 시선을 끌기 위해 시각적 보상으로 만화 이미지를 제시하여 유아의 시선이 옆으로 이동함으로써 발생하는 절차의 오판을 줄였습니다. 또한 두 개의 부착된 스크린 측면 패널이 유아의 주의를 산만하게 하는 것을 줄이는 데 사용되었습니다. 실험실 설정13의 표준 TAC 테스트에서 시력 카드는 부착된 측면 패널이 포함된 회색 화면의 직사각형 개구부를 통해 표시됩니다. 주변 환경의 간섭을 줄이기 위해 화면 측면 패널을 설정했지만 측면 패널을 분해하여 다른 테스트 환경에 적응할 수 있습니다.
본 연구에서 AACP에 대한 디지털 자극과 TAC에 대한 인쇄된 자극은 "에지 효과"가 있는 구형파 격자였습니다. 고주파 격자와 등발광 배경의 교차점에 있는 에지 아티팩트는 AACP 및 TAC14 테스트에서 발생하는 어린이에게 잠재적으로 추가적인 시각적 신호를 제공합니다. 그러나 종이 기반 TAC에 비해 디지털 자극은 더 유연합니다. Gabor-modulated stimuli는 가장자리 효과를 피하기 위해 미래에 사용될 것입니다. 디지털 자극의 대비, 크기, 주파수 및 기타 특성은 조정하기가 더 쉽습니다. 이 연구에서 55cm의 감지 거리에서 격자의 공간 주파수는 0.33에서 30.0cpd 범위였습니다. 어린이의 시력이 0.33cpd 미만과 같이 매우 나쁜 경우 AACP에서 실제 시력을 감지할 수 없습니다. 추가 연구에서, 더 많은 시각 조건을 가진 어린이에게 적용 할 수 있도록 다른 감지 거리로 다른 주파수 범위를 설정할 수 있습니다.
기존 방법의 또 다른 한계는 1초인 시험 기간이 너무 짧아서 일부 어린 영아가 격자를 구별할 수 없다는 것입니다. AACP와 TAC에서 시각적 결과가 한 옥타브 이상 다른 어린이 중 절반은 5-7 개월 된 어린이였습니다. 향후 응용 프로그램에서는 다른 참가자의 연령에 맞게 조정하기 위해 다른 시험 기간을 설정할 수 있습니다. 현재 부모는 시험 중에 유아의 수행 능력을 관찰 할 수 있습니다. 유아가 움직이거나 피로로 인해 시험에 불합격하면 검사를 반복할 수 있습니다.
AACP는 웹캠 데이터를 기반으로 하는 새로운 시선 추적 방법입니다. 영유아의 격자 시력을 평가하는 데 사용할 수 있으며 결과는 황금 표준 시력 검사와 비슷합니다. 반응의 명백한 지표로 안구 운동만 요구함으로써 AACP는 완전 자동화된 방식으로 시력을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 미래에는 시각 자극의 유형을 변경함으로써 AACP를 사용하여 아동 발달 초기에 다른 시각 정보 처리 기능을 평가할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 다음과 같은 공개를 했습니다: BK.Y., XQ.L., JS.C. 및 L.W.: 중국 국가 발명 특허 "연속 비디오 프레임에서 얼굴 감지 및 동공 위치 파악을 위한 방법 및 시스템"(CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. 및 L.W.: 중국 국가 발명 특허 "비전 자동 테스트 시스템"(No. 201510919621.4).
Acknowledgments
이 연구는 Capital의 건강 개선 및 연구 기금(No. 2018-2Z-4076)과 북경 대학 제1병원 SEED 연구 기금(2019SF31)의 지원을 받았습니다.
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).
