Summary
Neste artigo, apresentamos um novo método automatizado para avaliar a acuidade visual em bebês e crianças pequenas usando um sistema de rastreamento ocular.
Abstract
A medida da acuidade visual é um importante teste de função visual para ser realizado na infância. No entanto, a medida precisa da acuidade visual em lactentes é difícil devido a deficiências em sua capacidade de comunicação. Este trabalho apresenta um novo método automatizado para avaliar a acuidade visual em crianças (5-36 meses de idade). Este método, o procedimento automatizado do cartão de acuidade (AACP), usa uma webcam para rastreamento ocular e reconhece os comportamentos de observação das crianças automaticamente. Um teste de aparência preferencial de duas escolhas é realizado quando a criança testada observa os estímulos visuais mostrados em uma tela digital de alta resolução. Quando a criança testada observa os estímulos, suas fotos faciais são gravadas pela webcam. Essas imagens são usadas pelo programa de computador definido para analisar seu comportamento de observação. Com esse procedimento, as respostas dos movimentos oculares da criança a diferentes estímulos são medidas e sua acuidade visual é avaliada sem comunicação. Ao comparar os resultados com a acuidade da grade obtida pelos TACs (Teller Acuity Cards), o desempenho do AACP é considerado comparável ao dos TACs.
Introduction
O período infantil é um período crítico para o desenvolvimento visual. Problemas visuais que surgem no início da vida podem ter um impacto significativo no desenvolvimento de uma criança. É importante ser capaz de realizar uma avaliação visual quantitativa em bebês, o que pode ajudar a detectar precocemente problemas de visão. No entanto, como os bebês não são cognitivamente desenvolvidos ou expressivos o suficiente para reconhecer símbolos de gráficos de acuidade visual, como letras ou gráficos, medir sua acuidade visual é difícil. O padrão-ouro atual para avaliação da visão infantil é o procedimento do cartão de acuidade 1 baseado no testede aparência preferencial2. No entanto, por exigir testadores experientes para julgar a acuidade visual observando os movimentos oculares da criança 3,4,5,6, ele é limitado pela experiência dos testadores 4,5. Portanto, os procedimentos com cartões de acuidade, como os cartões de acuidade de Teller (TACs)5,6, permanecem como um método subjetivo. Assim, há necessidade de um método que possa medir quantitativamente a acuidade visual em lactentes e crianças pequenas, que possa ser utilizado sem a necessidade de comunicação verbal e que não se limite pela necessidade de testadores experientes.
A invenção e o uso do rastreador ocular remoto permitiram o desenvolvimento de um sistema automatizado de medição de acuidade. Em estudos anteriores, métodos de rastreamento ocular foram utilizados como ferramenta para avaliação da função visual em crianças 7,8,9,10. Um rastreador ocular remoto pode ser usado para rastreamento do olhar e é um substituto para a observação de um testador dos movimentos oculares de uma criança. O procedimento ACTIVE7 e o procedimento AVAT10 são testes de acuidade visual totalmente automatizados com rastreador ocular remoto; eles produziram resultados de acuidade visual comparáveis ao teste Keeler Acuity Cards em bebês saudáveis e crianças pequenas. Ao contrário de outros estudos recentes, usamos uma webcam em vez de um rastreador ocular remoto para capturar o olhar da criança. Inventamos um método de aquisição automática de dados de movimento ocular baseado em visão computacional. O procedimento combinou o método de aquisição dos movimentos oculares com a técnica do olhar preferencial na avaliação da função visual em crianças.
Este trabalho tem como objetivo apresentar um novo método automatizado, que pode avaliar a acuidade visual em crianças pequenas, denominado procedimento automatizado do cartão de acuidade (AACP). Este procedimento é particularmente útil para lactentes e crianças mais novas que ainda não adquiriram habilidades de comunicação suficientes. O aspecto chave é que as respostas visuais podem ser quantificadas para produzir acuidade de grade em bebês e crianças pequenas. A medida da acuidade da grade permite a detecção de patologias visuais e desempenha um papel importante no tratamento médico subsequente.
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Protocol
O protocolo aqui descrito foi aprovado pelo Comitê de Ética do Primeiro Hospital Universitário de Pequim (PKUFH 2018-223). Os procedimentos seguiram os princípios da Declaração de Helsinque para pesquisas envolvendo seres humanos. O formato do estudo foi descrito, e o consentimento informado foi obtido dos pais dos participantes.
1. Preparação do aparelho
NOTA: Os componentes AACP foram configurados em uma sala de teste levemente iluminada. Cortinas foram puxadas na sala para evitar a interferência da luz solar. Um sistema de exibição, um sistema de registro e um sistema de análise foram os três componentes do AACP (Figura 1).
- Configure um sistema de exibição, um monitor de cristal líquido de 28 polegadas (tela de 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pixels x 2160 pixels, 0,162 mm/pixel, taxa de quadros de 30 Hz). Coloque o monitor de exibição em uma mesa que possa ser levantada. Linearize a luminância da tela por uma tabela de pesquisa de 8 bits. Defina a luminância em 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 e 400 cd/m2 para preto, cinza médio e branco, respectivamente.
- Coloque dois painéis laterais em cada lado da tela para reduzir as distrações para as crianças que estão sendo testadas.
- Configure um sistema de gravação, uma webcam profissional de alta definição com resolução de 1080 pixels/30 fps.
NOTA: A webcam grava sequências de imagens dos comportamentos dos testadores, cada uma cortada em 1280 pixels x 720 pixels. Durante o teste de acuidade automatizado, uma imagem de webcam com carimbo de data/hora é obtida a cada 200 ms para sincronização. - Conecte o monitor de exibição e a webcam a um computador, o sistema de análise. Certifique-se de que a webcam esteja localizada no centro, diretamente abaixo da tela, e possa ser ajustada conforme necessário.
Observação : o monitor e webcam são integrados com o computador (um laptop ou PC desktop) ou são dispositivos separados que são conectados a um computador. - Instale o software de procedimentos AACP no computador para a apresentação dos estímulos e análise dos movimentos oculares. O software de procedimento AACP (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 e No. 201510919621.4) compreende um módulo de exibição de estímulo, um módulo de teste de visão e um módulo de processamento de resultados de teste.
- Defina os estímulos visuais como uma grade de onda quadrada de 12 cm x 12 cm com diferentes frequências espaciais de período/grau (cpd) e uma relação de contraste de 1,00. Certifique-se de que o estímulo seja exibido aleatoriamente no centro da parte esquerda ou direita da tela e que o restante da tela mostre uma área cinza compatível com luminância semelhante ao TACII.
NOTA: Na distância de detecção de 55 cm (que é consistente com a do TACII), os estímulos foram aproximadamente os mesmos (devido a limitações de tamanho de pixel) que aqueles em cartões TACII impressos (16 cartões, 1/2 oitava).
2. Calibração de rastreamento ocular
- Obter consentimento informado dos pais e descrever o formato do estudo para eles.
- Posicione a criança a uma distância de 55 cm do monitor de exibição. Deixe a criança sentada sozinha em uma cadeira ou, de preferência, no colo dos pais. Se a criança se sentar sozinha, deixe o pai sentar-se ao lado da criança.
- Ajuste a posição da mesa elevatória e coloque-a com o monitor. Organize a tela perpendicularmente aos olhos da criança.
- Ajuste a posição da webcam para garantir que o rosto da criança esteja visível no sistema de gravação e para evitar capturar rostos diferentes do da criança.
- Antes de iniciar o procedimento, informe à criança que ela estará assistindo à tela. Instrua os pais a solicitar que a criança olhe para a tela quando a criança não estiver prestando atenção. Não são necessárias instruções específicas durante o teste.
- Abra o software de procedimento AACP. Digite as informações da criança no software (nome, sexo, idade).
- Clique no botão Iniciar . O software inicia o procedimento de calibração. Uma imagem GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixels) aparece contra o fundo branco no centro da tela (Figura 2). A imagem e a música de fundo aparecem simultaneamente. Esse estímulo é apresentado por pelo menos 3 s. O sistema de análise determina simultaneamente se a linha de visão da criança está fixada na imagem. Se nenhum dado de olhar estiver disponível dentro de 1 minuto durante esta apresentação, a tela apresenta outra imagem GIF de desenho animado. Quando as coordenadas do olhar são detectadas dentro dessa região, o procedimento de teste é iniciado sem as ações do testador e é executado automaticamente.
3. Procedimento de ensaio
- Apresente a grade inicial. As frequências espaciais das grades variam de 0,33-30,0 cpd em passos de 1/2 oitava. Determinar a grade inicial pela idade da criança, como no teste TACII.
- Apresente a grade inicial para 1.000 ms, que é a duração de uma tentativa. Em seguida, apresente uma tela em branco para 200 ms. Apresentar novamente o mesmo estímulo, seguido de uma tela em branco novamente. Apresente a grade da mesma frequência espacial ajustada três vezes.
- Durante a execução do procedimento, deixe a webcam gravar as fotos faciais da criança. O software usa essas imagens para analisar seu comportamento de observação. O programa de teste visual verifica as respostas dos movimentos oculares com os critérios estabelecidos na Tabela 1 para determinar se o estímulo foi visto (Figura 3).
- Deixe que o programa de processamento dos resultados do teste apresente o estímulo subsequente, de acordo com o protocolo mostrado na Figura 411.
- Após cada três tentativas, apresente uma imagem GIF (com música de fundo) como recompensa visual para manter o interesse da criança. Se nenhum dado do olhar for utilizável (por exemplo, se a criança se virou ou teve os olhos fechados) dentro de 1 min da apresentação da imagem GIF, interrompa o teste. Este teste não produz nenhum resultado.
- Após a execução das etapas 3.4 e 3.5, analise os resultados da acuidade da grade para a criança gerados pelos softwares.
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Representative Results
A AACP foi aplicada em um grupo de crianças11: 155 lactentes e crianças pequenas com desenvolvimento normal (5 a 36 meses de idade, com base na idade gestacional). Em um estudo publicado anteriormente, os resultados de acuidade de grade obtidos pela AACP foram comparados com aqueles obtidos pela TACII. Os resultados obtidos por esses dois procedimentos estão significativamente correlacionados (r153 = 0,83, p < 0,001). Apenas 10,32% (16 de 155) dos resultados das crianças diferiram em mais de uma oitava. Entre elas, oito crianças tinham entre 5 e 7 meses de idade. Dessas 16 crianças, três apresentaram acuidade visual obtida pela AACP de 1,5-2 oitavas acima da obtida pela TACII. As outras 13 crianças apresentaram acuidade visual AACP 1,5-2 oitavas abaixo da acuidade visual TACII.
A acuidade da grade medida pela AACP aumentou gradualmente com o aumento da idade infantil. A Figura 5 mostra a mudança da acuidade da grade medida pela AACP com a mudança da idade em meses. De 6 a 12 meses, a acuidade da grade aumentou em quase 0,5 oitavas. Dos 12 aos 24 meses, a acuidade da grade aumentou em quase uma oitava. De 24 a 36 meses, a acuidade da grade aumentou em quase 1,5 oitavas. A tendência de desenvolvimento da acuidade neste estudo é consistente com os resultados da acuidade medida pelo TACII em estudos anteriores12. Também é consistente com o desenvolvimento da acuidade medida pelo TACII no mesmo grupo de lactentes11.
Figura 1: Aparelho AACP. Os componentes do AACP e a disposição espacial de sua configuração na sala de teste são mostrados. O lactente foi sentado no colo dos pais e visualizado os estímulos binocularmente a uma distância de 55 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Estímulo cartoon no procedimento de calibração. O estímulo dos desenhos animados é uma imagem GIF com música de fundo. O estímulo atrai a atenção visual. Quando o olhar da criança cai dentro da área da imagem, o ponto muda de vermelho para verde, e o procedimento de calibração é realizado. Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Estímulo de grade no procedimento de teste. O estímulo da grade é uma grade de listras verticais em preto e branco apresentadas sobre um fundo cinza uniforme. O ponto de olhar do participante movendo-se do centro para o quadrado verde indica que o participante observou o alvo, o que significa um "acerto". O ponto de olhar do participante movendo-se do centro para a área vazia indica que o participante não observou o alvo, o que significa um "erro". A área quadrada verde tem um comprimento de meio lado baseado na distância do centro do estímulo para o lado da tela (ou seja, do centro do estímulo para a borda esquerda da tela nesta figura). Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Protocolo utilizado no procedimento AACP. Esse valor foi modificado com a permissão de Wen et al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Box plots de acuidades de grade plotados contra a idade (N = 155). Caixas brancas com linhas vermelhas e cinzas com linhas pretas são acuidades de grade da AACP e TACII11, respectivamente, para cada 6 meses de idade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Critério | Verifique se o sinal de olhar: | |||
| Bater | permaneceram na área-alvo continuamente por mais de 400 ms da apresentação da meta de 1.000 ms. | |||
| Errar | (1) não entraram na área alvo dentro de uma janela de tempo de 1.000 ms. (2) permaneceram na área alvo menos de 400 ms. | |||
Tabela 1: Critérios para determinar se um estímulo foi visto.
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Discussion
Vários estudos7,8,9,10 baseados no método eye-tracking têm mostrado o valor desse método na avaliação de lactentes e crianças pequenas com dificuldade de comunicação verbal. No entanto, o número de participantes em estudos anteriores é relativamente pequeno. Apenas 30 lactentes menores de 12 meses foram testados pelo procedimento ACTIVE, desenvolvido por Jones et al.7. O procedimento AVAT, desenvolvido por Vrabic et al.10, testou 35 lactentes e crianças pequenas de forma semelhante. No presente estudo, uma grande amostra de lactentes e crianças pequenas de 5 a 36 meses (N = 155) foi testada pelo procedimento da AACP e apresentou alta testabilidade e avaliação da acuidade visual comparável aos TAC. Além disso, o uso de uma webcam em vez de um rastreador ocular remoto para acompanhar o olhar da criança torna o equipamento AACP mais barato e mais conveniente de acessar.
Quando os bebês crescem, eles mostram interesse crescente nos vários estímulos no ambiente circundante. Portanto, é um desafio para eles manter a cooperação durante o teste. A exibição de imagens de desenhos animados no centro da tela foi projetada para atrair sua atenção, o que é semelhante ao procedimento ACTIVE7. A cada três tentativas, antes de alterar a frequência da grade, uma imagem de desenho animado era apresentada como recompensa visual para manter a atenção do lactente e atrair seu olhar para o centro da tela, reduzindo assim o erro de julgamento do procedimento causado pelo deslocamento do olhar do bebê para o lado. Além disso, dois painéis laterais de tela anexados foram usados para reduzir as distrações dos bebês. No teste de TAC padrão em laboratório13, os cartões de acuidade são mostrados através de uma abertura retangular em uma tela cinza que inclui painéis laterais anexados. Configuramos os painéis laterais da tela para reduzir a interferência do ambiente circundante, mas os painéis laterais podem ser desmontados para se adaptar a outros ambientes de teste.
No presente estudo, os estímulos digitais para a AACP e os estímulos impressos para os TACs foram grades de onda quadrada, que apresentam "efeitos de borda". Artefatos de borda na junção de grades de alta frequência e fundo isoluminante fornecem pistas visuais potencialmente adicionais para as crianças, que ocorrem nos testes AACP e TACs14 . No entanto, em comparação com os TACs baseados em papel, os estímulos digitais são mais flexíveis. Estímulos modulados por Gabor serão usados no futuro para evitar efeitos de borda. O contraste, tamanho, frequência e outras características dos estímulos digitais são mais fáceis de ajustar. Na distância de detecção de 55 cm neste estudo, as frequências espaciais das grades variaram de 0,33 a 30,0 cpg. Se uma criança tem acuidade visual muito baixa, como abaixo de 0,33 cpd, sua acuidade visual real não pode ser detectada pela AACP. Em estudos posteriores, diferentes faixas de frequências podem ser definidas com diferentes distâncias de detecção para serem aplicáveis a crianças com condições mais visuais.
Outra limitação do método existente é que a duração de um ensaio, que é de 1 s, é muito curta para alguns bebês mais jovens distinguirem a grade. Entre as crianças cujos resultados visuais diferiram em mais de uma oitava no AACP e TACs, metade eram crianças de 5 a 7 meses. Em aplicações futuras, diferentes durações de teste podem ser definidas para se ajustar às diferentes idades dos participantes. Atualmente, os pais podem observar o desempenho do bebê durante o teste. Se o lactente falhar no teste devido a movimento ou fadiga, o teste pode ser repetido.
O AACP é um novo método de rastreamento ocular baseado em dados de webcam. Ele pode ser usado para avaliar a acuidade da grade em lactentes e crianças pequenas, e os resultados são comparáveis ao teste de acuidade visual padrão-ouro. Ao exigir apenas movimentos oculares como indicadores evidentes de respostas, o AACP pode ser usado para medir a acuidade visual de forma totalmente automatizada. No futuro, alterando os tipos de estimulação visual, a AACP poderá ser usada para avaliar outras funções de processamento da informação visual no início do desenvolvimento infantil.
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Disclosures
Os autores fizeram as seguintes divulgações: BK.Y., XQ.L., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "A method and system for face detection and pupil locationization in continuous video frames" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. e L.W.: China National Invention Patent "Sistema de teste automático de visão" (No. 201510919621.4).
Acknowledgments
Este estudo foi apoiado pelo Fundo da Capital para Melhoria da Saúde e Pesquisa (No. 2018-2Z-4076) e pelos Fundos de Pesquisa SEED do Primeiro Hospital da Universidade de Pequim (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
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