Summary
В этой статье мы представляем новый автоматизированный метод оценки остроты зрения у младенцев и детей ясельного возраста с использованием системы слежения за глазами.
Abstract
Измерение остроты зрения является важным тестом зрительной функции, который необходимо проводить в младенчестве и детстве. Однако точное измерение остроты зрения у младенцев затруднено из-за недостатков их коммуникативных способностей. В данной работе представлен новый автоматизированный метод оценки остроты зрения у детей (5-36 месяцев). Этот метод, автоматизированная процедура карты остроты зрения (AACP), использует веб-камеру для отслеживания глаз и автоматически распознает поведение детей при просмотре. Тест с двумя вариантами ответов проводится, когда испытуемый ребенок наблюдает за визуальными стимулами, отображаемыми на экране цифрового дисплея с высоким разрешением. Когда испытуемый ребенок наблюдает за стимулами, его изображения лица записываются веб-камерой. Эти изображения используются установленной компьютерной программой для анализа их поведения при просмотре. С помощью этой процедуры измеряется реакция движения глаз ребенка на различные раздражители, а острота зрения оценивается без общения. Сравнивая результаты с остротой решетки, полученной с помощью карт остроты зрения Теллера (TAC), производительность AACP считается сопоставимой с эффективностью TAC.
Introduction
Младенческий период является критическим периодом для зрительного развития. Проблемы со зрением, возникающие в раннем возрасте, могут оказать значительное влияние на развитие ребенка. Важно иметь возможность проводить количественную визуальную оценку у младенцев, которая может помочь обнаружить проблемы со зрением на ранних стадиях. Однако, поскольку младенцы недостаточно когнитивно развиты или выразительны, чтобы распознавать символы таблицы остроты зрения, такие как буквы или графики, измерить их остроту зрения сложно. В настоящее время золотым стандартом оценки зрения младенцев является процедура карты остротызрения 1, основанная на тесте на предпочтительный внешний вид2. Однако, поскольку этот метод требует, чтобы опытные тестировщики оценивали остроту зрения, наблюдая за движениями глаз ребенка 3,4,5,6, он ограничен опытом тестировщиков 4,5. Таким образом, процедуры карт остроты зрения, такие как карты остроты зрения Теллера (TAC)5,6, остаются субъективным методом. Таким образом, существует потребность в методе, который может количественно измерять остроту зрения у младенцев и детей младшего возраста, который можно использовать без необходимости вербального общения и который не ограничивается требованием опытных тестировщиков.
Изобретение и использование дистанционного айтрекера позволило разработать автоматизированную систему измерения остроты зрения. В предыдущих исследованиях методы айтрекинга использовались в качестве инструмента для оценки зрительной функции у детей 7,8,9,10. Дистанционный айтрекер может использоваться для отслеживания взгляда и заменяет наблюдение тестера за движениями глаз ребенка. Процедура ACTIVE7 и процедураAVAT 10 представляют собой полностью автоматизированные тесты остроты зрения с дистанционным айтрекером; они дали результаты, сопоставимые с тестом Килера Acuity Cards у здоровых младенцев и детей младшего возраста. В отличие от других недавних исследований, мы использовали веб-камеру вместо удаленного айтрекера, чтобы захватить взгляд ребенка. Мы изобрели метод автоматического сбора данных о движении глаз на основе компьютерного зрения. Процедура сочетала метод регистрации движений глаз с методом предпочтительного взгляда при оценке зрительной функции у детей.
Эта статья направлена на то, чтобы представить новый автоматизированный метод, который может оценить остроту зрения у детей младшего возраста, называемый автоматической процедурой карты остроты зрения (AACP). Эта процедура особенно полезна для младенцев и детей младшего возраста, которые еще не приобрели достаточных коммуникативных навыков. Ключевым аспектом является то, что зрительные реакции могут быть количественно оценены для получения остроты решетки у младенцев и детей младшего возраста. Измерение остроты зрения решеткой позволяет выявлять зрительные патологии и играет важную роль в последующем медицинском лечении.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Описанный здесь протокол был одобрен Этическим комитетом Первой больницы Пекинского университета (PKUFH 2018-223). Процедуры соответствовали принципам Хельсинкской декларации в отношении исследований с участием людей. Был описан формат исследования, а также получено информированное согласие родителей участников.
1. Подготовка аппарата
ПРИМЕЧАНИЕ: Компоненты AACP были установлены в слабо освещенной испытательной комнате. В комнате были натянуты шторы, чтобы избежать вмешательства солнечного света. Система отображения, система записи и система анализа были тремя компонентами AACP (рис. 1).
- Настройте систему отображения, 28-дюймовый жидкокристаллический монитор (экран 62,208 см x 34,992 см, 3840 x 2160 пикселей, 0,162 мм/пиксель, частота кадров 30 Гц). Поставьте монитор на стол, который можно поднять. Линеаризируйте яркость экрана с помощью 8-битной таблицы поиска. Установите яркость 1 кд/м 2, 200 кд / м 2 и 400 кд / м 2 для черного, серого и белого соответственно.
- Разместите две боковые панели по обе стороны экрана, чтобы не отвлекать тестируемых детей.
- Настройте систему записи, профессиональную веб-камеру высокой четкости с разрешением 1080 пикселей / 30 кадров в секунду.
ПРИМЕЧАНИЕ: Веб-камера записывает последовательности изображений поведения тестеров, каждая из которых обрезана с разрешением 1280 x 720 пикселей. Во время автоматического тестирования остроты зрения каждые 200 мс для синхронизации получается одно изображение с веб-камеры с отметкой времени. - Подключите дисплей, монитор и веб-камеру к компьютеру, системе анализа. Убедитесь, что веб-камера расположена в центре, прямо под экраном, и ее можно настроить по мере необходимости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Монитор и веб-камера либо интегрированы с компьютером (ноутбуком или настольным ПК), либо являются отдельными устройствами, которые затем подключаются к компьютеру. - Установите на компьютер программное обеспечение процедуры AACP для представления стимулов и анализа движений глаз. Программное обеспечение процедуры AACP (Китайские национальные патенты на изобретения, No 201910865074.4 и No 201510919621.4) включает модуль отображения стимулов, модуль визуального тестирования и модуль обработки результатов тестирования.
- Установите визуальные стимулы в виде прямоугольной решетки размером 12 см x 12 см с различными пространственными частотами периода/градуса (cpd) и коэффициентом контрастности 1,00. Убедитесь, что стимул отображается случайным образом в центре левой или правой части экрана, а остальная часть экрана показывает серую область, соответствующую яркости, аналогичную TACII.
ПРИМЕЧАНИЕ: На расстоянии обнаружения 55 см (что согласуется с таковым у TACII) стимулы были примерно такими же (из-за ограничений размера пикселя), как и на печатных картах TACII (16 карт, 1/2 октавы).
2. Калибровка слежения за глазами
- Получите информированное согласие родителей и опишите им формат обучения.
- Расположите ребенка на расстоянии 55 см от монитора. Пусть ребенок сидит один на стуле или, желательно, на коленях у родителей. Если ребенок сидит один, пусть родитель сидит рядом с ребенком.
- Отрегулируйте положение подъемного стола и поместите его к монитору. Расположите экран перпендикулярно глазам ребенка.
- Отрегулируйте положение веб-камеры, чтобы лицо ребенка было видно в системе записи, и чтобы избежать захвата лиц, отличных от лица ребенка.
- Перед началом процедуры сообщите ребенку, что он будет смотреть на экран. Попросите родителя предлагать ребенку смотреть на экран, когда ребенок не обращает внимания. Никаких специальных инструкций во время теста не требуется.
- Откройте программное обеспечение процедуры AACP. Введите информацию о ребенке в программное обеспечение (имя, пол, возраст).
- Нажмите на кнопку «Пуск ». Программное обеспечение запускает процедуру калибровки. Изображение в формате GIF (2,0736 см x 2,0736 см, 128 x 128 пикселей) отображается на белом фоне в центре экрана (рис. 2). Изображение и фоновая музыка появляются одновременно. Этот стимул представлен не менее 3 с. Система анализа одновременно определяет, зафиксирована ли линия зрения ребенка на изображении. Если в течение 1 минуты во время этой презентации данные о взгляде недоступны, на экране отображается другое мультяшное GIF-изображение. При обнаружении координат взгляда в пределах этой области процедура тестирования запускается без действий тестера и запускается автоматически.
3. Процедура тестирования
- Представьте начальную решетку. Пространственные частоты решеток колеблются от 0,33 до 30,0 cpd с шагом в 1/2 октавы. Определите начальную решетку по возрасту ребенка, как в тесте TACII.
- Представьте начальную решетку для 1,000 мс, что является продолжительностью испытания. Затем представьте пустой экран на 200 мс. Снова предъявите тот же стимул, а затем снова пустой экран. Трижды представьте решетку с одной и той же установленной пространственной частотой.
- Во время выполнения процедуры пусть веб-камера записывает снимки лица ребенка. Программное обеспечение использует эти изображения для анализа их поведения при просмотре. Программа тестирования зрения проверяет реакцию движения глаз с критериями, указанными в таблице 1 , чтобы определить, был ли замечен стимул (рис. 3).
- Пусть программа обработки результатов тестирования представит последующий стимул в соответствии с протоколом, показанным на рисунке 411.
- После каждых трех попыток представляйте изображение в формате GIF (с фоновой музыкой) в качестве визуальной награды, чтобы поддерживать интерес ребенка. Если данные о взгляде не могут быть использованы (например, если ребенок повернулся или закрыл глаза) в течение 1 минуты после представления изображения GIF, остановите тест. Этот тест не дает результата.
- После выполнения шагов 3.4 и 3.5 проанализируйте результаты остроты решетки для ребенка, выведенные программами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
AACP применяли к одной группе детей11: 155 нормально развивающихся младенцев и детей ясельного возраста (от 5 до 36 месяцев, в зависимости от гестационного возраста). В ранее опубликованном исследовании результаты остроты решетки, полученные с помощью AACP, сравнивались с результатами, полученными с помощью TACII. Результаты, полученные этими двумя процедурами, достоверно коррелируют (r153 = 0,83, p < 0,001). Только 10,32% (16 из 155) результатов детей отличались более чем на одну октаву. Среди них восемь детей были в возрасте 5-7 месяцев. Из этих 16 детей трое имели результаты остроты зрения, полученные с помощью AACP, которые были на 1,5-2 октавы выше, чем результаты, полученные с помощью TACII. У остальных 13 детей острота зрения AACP была на 1,5-2 октавы ниже остроты зрения TACII.
Острота решетки, измеренная с помощью AACP, постепенно увеличивалась по мере увеличения младенческого возраста. На рисунке 5 показано изменение остроты решетки, измеренное AACP, с изменением возраста в месяцах. С 6 до 12 месяцев острота решетки увеличилась почти на 0,5 октавы. С 12 до 24 месяцев острота решетки увеличилась почти на одну октаву. С 24 до 36 месяцев острота решетки увеличилась почти на 1,5 октавы. Тенденция развития остроты зрения в этом исследовании согласуется с результатами остроты зрения, измеренными с помощью TACII в предыдущих исследованиях12. Это также согласуется с остротой развития, измеренной TACII в той же группе младенцев11.
Рисунок 1: Аппарат AACP. Показаны компоненты AACP и пространственное расположение их установки в испытательной комнате. Младенец сидел на коленях у родителей и рассматривал стимулы в бинокль на расстоянии 55 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Мультяшный стимул в процедуре калибровки. Мультяшный стимул представляет собой GIF-изображение с фоновой музыкой. Стимул привлекает визуальное внимание. Когда взгляд ребенка попадает в область изображения, точка меняется с красной на зеленую, и выполняется процедура калибровки. Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Решетчатый стимул в процедуре тестирования. Решетчатый стимул представляет собой решетку из вертикальных черно-белых полос, представленных на однородном сером фоне. Точка взгляда участника, движущегося от центра к зеленому квадрату, указывает на то, что участник наблюдал за целью, что означает «попадание». Точка взгляда участника, движущегося от центра к пустой области, указывает на то, что участник не следил за целью, что означает «промах». Область зеленого квадрата имеет половину длины стороны, основанной на расстоянии от центра стимула до стороны экрана (т. е. от центра стимула до левого края экрана на этом рисунке). Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Протокол, используемый в процедуре AACP. Эта цифра была изменена с разрешения Wen et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Прямоугольные диаграммы остроты решетки, построенные в зависимости от возраста (N = 155). Белые прямоугольники с красными линиями и серые прямоугольники с черными линиями являются решетчатыми острыми значениями AACP и TACII11 соответственно на каждые 6 месяцев. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Критерий | Убедитесь, что сигнал взгляда: | |||
| Ударить | оставался в целевой области непрерывно в течение более 400 мс из 1,000 мс целевого представления. | |||
| Мисс | (1) не вошел в целевую область в течение 1,000 мс. (2) оставались в целевой области менее 400 мс. | |||
Таблица 1: Критерии для определения того, был ли замечен стимул.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Несколько исследований 7,8,9,10, основанных на методе отслеживания взгляда, показали ценность этого метода при оценке младенцев и детей младшего возраста, испытывающих трудности в вербальном общении. Однако число участников предыдущих исследований относительно невелико. Только 30 младенцев в возрасте до 12 месяцев были протестированы с помощью процедуры ACTIVE, которая была разработана Jones et al.7. Процедура AVAT, разработанная Vrabic et al.10, аналогичным образом тестировала 35 младенцев и детей младшего возраста. В настоящем исследовании большая выборка младенцев и детей ясельного возраста в возрасте от 5 до 36 месяцев (N = 155) была протестирована с помощью процедуры AACP и показала высокую тестируемость и сравнимую оценку остроты зрения с TAC. Кроме того, использование веб-камеры вместо удаленного айтрекера для отслеживания взгляда ребенка делает оборудование AACP менее дорогим и более удобным для доступа.
Когда младенцы вырастают, они проявляют все больший интерес к различным раздражителям в окружающей среде. Поэтому для них сложно поддерживать сотрудничество во время теста. Отображение мультяшных изображений в центре экрана было разработано для привлечения их внимания, что аналогично процедуре ACTIVE7. Каждые три испытания, перед изменением частоты решетки, мультяшное изображение представлялось в качестве визуальной награды, чтобы удерживать внимание младенца и привлекать его взгляд к центру экрана, тем самым уменьшая неправильную оценку процедуры, вызванную смещением взгляда глаза младенца в сторону. Кроме того, были использованы две прикрепленные боковые панели экрана, чтобы уменьшить отвлекающие факторы для младенцев. В стандартном тесте TAC в лабораторных условиях13 карты остроты зрения отображаются через прямоугольное отверстие на сером экране, которое включает в себя прикрепленные боковые панели. Мы устанавливаем боковые панели экрана, чтобы уменьшить помехи окружающей среды, но боковые панели можно разобрать, чтобы адаптировать их к другим условиям тестирования.
В настоящем исследовании цифровые стимулы для AACP и печатные стимулы для TAC представляли собой прямоугольные решетки, которые имеют «краевые эффекты». Краевые артефакты на стыке высокочастотных решеток и изолюминантного фона обеспечивают потенциально дополнительные визуальные подсказки для детей, которые встречаются в тестах AACP и TACs14 . Однако по сравнению с бумажными TAC цифровые стимулы более гибкие. Стимулы, модулированные Габором, будут использоваться в будущем, чтобы избежать краевых эффектов. Контрастность, размер, частоту и другие характеристики цифровых стимулов легче регулировать. На расстоянии обнаружения 55 см в этом исследовании пространственные частоты решеток варьировались от 0,33 до 30,0 cpd. Если у ребенка очень плохая острота зрения, например, ниже 0,33 cpd, его фактическая острота зрения не может быть обнаружена AACP. В дальнейших исследованиях могут быть установлены различные диапазоны частот с разными расстояниями обнаружения, которые будут применимы к детям с более визуальными условиями.
Еще одним ограничением существующего метода является то, что продолжительность испытания, которая составляет 1 с, слишком коротка для некоторых детей младшего возраста, чтобы различить решетку. Среди детей, чьи зрительные результаты отличались более чем на одну октаву в AACP и TAC, половину составляли дети в возрасте 5-7 месяцев. В будущих приложениях может быть установлена разная продолжительность испытаний, чтобы приспособиться к возрасту разных участников. В настоящее время родитель может наблюдать за успеваемостью младенца во время теста. Если младенец не проходит тест из-за движения или усталости, тест можно повторить.
AACP — это новый метод отслеживания глаз, основанный на данных веб-камеры. Его можно использовать для оценки остроты остроты решетки у младенцев и детей ясельного возраста, и результаты сопоставимы с тестом на остроту зрения золотого стандарта. Требуя только движения глаз в качестве явных индикаторов ответов, AACP можно использовать для измерения остроты зрения полностью автоматическим способом. В будущем, изменяя типы зрительной стимуляции, AACP может быть использован для оценки других функций обработки визуальной информации на ранних этапах развития детей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы сделали следующие раскрытия: BK.Y., XQ.L., JS.C. и L.W.: Китайский национальный патент на изобретение «Способ и система распознавания лиц и локализации зрачков в непрерывных видеокадрах» (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. и L.W.: Китайский национальный патент на изобретение «Система автоматического тестирования зрения» (No 201510919621.4).
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Столичным фондом улучшения здоровья и исследований (No 2018-2Z-4076) и исследовательскими фондами SEED Первой больницы Пекинского университета (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
- 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).
