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Behavior

Un método automatizado para evaluar la agudeza visual en bebés y niños pequeños utilizando un sistema de seguimiento ocular

Published: March 17, 2023 doi: 10.3791/65274
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1
1Department of Pediatric Ophthalmology, Peking University First Hospital, Peking University Children Vison Institute, Peking University, 2School of Intelligence Science and Technology, Peking University, 3School of Psychological and Cognitive Sciences and Beijing Key Laboratory of Behavior and Mental Health, Peking University

Summary

En este documento, presentamos un nuevo método automatizado para evaluar la agudeza visual en bebés y niños pequeños mediante el uso de un sistema de seguimiento ocular.

Abstract

La medición de la agudeza visual es una prueba importante de la función visual para realizar en la infancia y la niñez. Sin embargo, la medición precisa de la agudeza visual en los lactantes es difícil debido a las deficiencias en su capacidad de comunicación. Este artículo presenta un nuevo método automatizado para evaluar la agudeza visual en niños (5-36 meses de edad). Este método, el procedimiento automatizado de tarjeta de agudeza (AACP), utiliza una cámara web para el seguimiento ocular y reconoce automáticamente los comportamientos de observación de los niños. Se realiza una prueba de aspecto preferencial de dos opciones cuando el niño examinado observa los estímulos visuales que se muestran en una pantalla digital de alta resolución. Cuando el niño examinado observa los estímulos, sus imágenes faciales son grabadas por la cámara web. Estas imágenes son utilizadas por el programa de computadora establecido para analizar su comportamiento de observación. Con este procedimiento, se miden las respuestas del movimiento ocular del niño a diferentes estímulos y se evalúa su agudeza visual sin comunicación. Al comparar los resultados con la agudeza de rejilla obtenida por las tarjetas de agudeza de cajero (TAC), el rendimiento de AACP se considera comparable al de los TAC.

Introduction

El período infantil es un período crítico para el desarrollo visual. Los problemas visuales que surgen temprano en la vida pueden tener un impacto significativo en el desarrollo de un niño. Es importante poder realizar una evaluación visual cuantitativa en los bebés, que puede ayudar a detectar problemas de visión tempranos. Sin embargo, debido a que los bebés no están lo suficientemente desarrollados cognitivamente o expresivos como para reconocer los símbolos de la tabla de agudeza visual, como letras o gráficos, medir su agudeza visual es difícil. El estándar de oro actual para la evaluación de la visión infantil es el procedimiento de tarjeta de agudeza1 basado en la prueba de aspecto preferencial2. Sin embargo, debido a que este método requiere probadores experimentados para juzgar la agudeza visual mediante la observación de los movimientos oculares del niño 3,4,5,6, está limitado por la experiencia de los evaluadores 4,5. Por lo tanto, los procedimientos de las tarjetas de agudeza, como las tarjetas de agudeza de cajero (TAC)5,6, siguen siendo un método subjetivo. Por lo tanto, existe la necesidad de un método que pueda medir cuantitativamente la agudeza visual en bebés y niños pequeños, que pueda usarse sin la necesidad de comunicación verbal y que no esté limitado por requerir probadores experimentados.

La invención y el uso del rastreador ocular remoto permitieron desarrollar un sistema automatizado de medición de agudeza. En estudios previos, los métodos de seguimiento ocular han sido utilizados como una herramienta para la evaluación de la función visual en niños 7,8,9,10. Un rastreador ocular remoto se puede usar para el seguimiento de la mirada y es un sustituto de la observación de un probador de los movimientos oculares de un niño. El procedimiento ACTIVE7 y el procedimiento AVAT10 son pruebas de agudeza visual totalmente automatizadas con un rastreador ocular remoto; han arrojado resultados de agudeza visual comparables a la prueba Keeler Acuity Cards en bebés y niños pequeños sanos. A diferencia de otros estudios recientes, utilizamos una cámara web en lugar de un rastreador ocular remoto para capturar la mirada del niño. Inventamos un método de adquisición automática de datos de movimiento ocular basado en la visión artificial. El procedimiento combinó el método de adquisición del movimiento ocular con la técnica de mirada preferencial para evaluar la función visual en los niños.

Este artículo tiene como objetivo presentar un nuevo método automatizado, que puede evaluar la agudeza visual en niños pequeños, llamado procedimiento de tarjeta de agudeza automatizada (AACP). Este procedimiento es particularmente útil para bebés y niños más pequeños que aún no han adquirido suficientes habilidades de comunicación. El aspecto clave es que las respuestas visuales se pueden cuantificar para producir agudeza de rejilla en bebés y niños pequeños. La medición de la agudeza de rejilla permite la detección de patologías visuales y juega un papel importante en el manejo médico posterior.

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Protocol

El protocolo descrito aquí fue aprobado por el Comité de Ética del Primer Hospital de la Universidad de Pekín (PKUFH 2018-223). Los procedimientos se adhirieron a los principios de la Declaración de Helsinki para la investigación con seres humanos. Se describió el formato del estudio y se obtuvo el consentimiento informado de los padres de los participantes.

1. Preparación del aparato

NOTA: Los componentes AACP se instalaron en una sala de pruebas ligeramente iluminada. Se colocaron cortinas en la habitación para evitar la interferencia de la luz solar. Un sistema de visualización, un sistema de registro y un sistema de análisis fueron los tres componentes del AACP (Figura 1).

  1. Configure un sistema de visualización, un monitor de pantalla de cristal líquido de 28 pulgadas (pantalla de 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 píxeles x 2160 píxeles, 0,162 mm/píxel, velocidad de fotogramas de 30 Hz). Coloque el monitor de visualización sobre una mesa que se pueda levantar. Linealice la luminancia de la pantalla mediante una tabla de búsqueda de 8 bits. Ajuste la luminancia a 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 y 400 cd/m2 para negro, gris medio y blanco, respectivamente.
  2. Coloque dos paneles laterales a cada lado de la pantalla para reducir las distracciones de los niños que están siendo examinados.
  3. Configure un sistema de grabación, una cámara web profesional de alta definición con una resolución de 1080 píxeles / 30 fps.
    NOTA: La cámara web graba secuencias de imágenes de los comportamientos de los evaluadores, cada una recortada a 1280 píxeles x 720 píxeles. Durante las pruebas de agudeza automatizadas, se obtiene una imagen de cámara web con marca de tiempo cada 200 ms para la sincronización.
  4. Conecte el monitor de visualización y la cámara web a una computadora, el sistema de análisis. Asegúrese de que la cámara web esté ubicada en el centro, directamente debajo de la pantalla, y que pueda ajustarse según sea necesario.
    NOTA: El monitor y la cámara web están integrados con la computadora (una computadora portátil o de escritorio) o son dispositivos separados que luego se conectan a una computadora.
  5. Instale el software de procedimiento AACP en la computadora para la presentación de estímulos y el análisis de los movimientos oculares. El software de procedimiento AACP (Patentes Nacionales de Invención de China, No. 201910865074.4 y No. 201510919621.4) comprende un módulo de visualización de estímulos, un módulo de prueba de visión y un módulo de procesamiento de resultados de prueba.
  6. Establezca los estímulos visuales como una rejilla de onda cuadrada de 12 cm x 12 cm con diferentes frecuencias espaciales de período / grado (cpd) y una relación de contraste de 1.00. Asegúrese de que el estímulo se muestre aleatoriamente en el centro de la parte izquierda o derecha de la pantalla, y que el resto de la pantalla muestre un área gris similar a la de TACII.
    NOTA: A la distancia de detección de 55 cm (que es consistente con la de TACII), los estímulos fueron aproximadamente los mismos (debido a las limitaciones de tamaño de píxel) que los de las tarjetas TACII impresas (16 tarjetas, 1/2 octava).

2. Calibración de seguimiento ocular

  1. Obtenga el consentimiento informado de los padres y descríbales el formato del estudio.
  2. Coloque al niño a una distancia de 55 cm del monitor de visualización. Deje que el niño se siente solo en una silla o, preferiblemente, en el regazo de los padres. Si el niño se sienta solo, deje que el padre se siente junto al niño.
  3. Ajuste la posición de la mesa elevadora y colóquela con el monitor. Coloque la pantalla perpendicular a los ojos del niño.
  4. Ajuste la posición de la cámara web para asegurarse de que la cara del niño sea visible en el sistema de grabación y para evitar capturar caras que no sean las del niño.
  5. Antes de comenzar el procedimiento, informe al niño que estará mirando la pantalla. Indique a los padres que le pidan al niño que mire la pantalla cuando el niño no esté prestando atención. No se necesitan instrucciones específicas durante la prueba.
  6. Abra el software de procedimiento AACP. Escriba la información del niño en el software (nombre, sexo, edad).
  7. Haga clic en el botón Inicio . El software inicia el procedimiento de calibración. Aparece una imagen de formato de intercambio de gráficos (GIF) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 píxeles) sobre el fondo blanco en el centro de la pantalla (Figura 2). La imagen y la música de fondo aparecen simultáneamente. Este estímulo se presenta durante al menos 3 s. El sistema de análisis determina simultáneamente si la línea de visión del niño está fijada en la imagen. Si no hay datos de mirada disponibles dentro de 1 minuto durante esta presentación, la pantalla presenta otra imagen GIF de dibujos animados. Cuando se detectan coordenadas de mirada dentro de esta región, el procedimiento de prueba comienza sin las acciones del probador y se ejecuta automáticamente.

3. Procedimiento de ensayo

  1. Presentar la rejilla inicial. Las frecuencias espaciales de las rejillas oscilan entre 0.33-30.0 cpd en pasos de 1/2 octava. Determine la rejilla inicial por la edad del niño, como en la prueba TACII.
  2. Presente la rejilla inicial durante 1.000 ms, que es la duración de una prueba. Luego, presente una pantalla en blanco durante 200 ms. Presente el mismo estímulo nuevamente, seguido de una pantalla en blanco nuevamente. Presente la rejilla del mismo conjunto de frecuencias espaciales tres veces.
  3. Durante la ejecución del procedimiento, deje que la cámara web grabe las imágenes faciales del niño. El software utiliza estas imágenes para analizar su comportamiento de observación. El programa de pruebas de visión verifica las respuestas del movimiento ocular con los criterios establecidos en la Tabla 1 para determinar si se ha visto el estímulo (Figura 3).
  4. Deje que el programa de procesamiento de resultados de la prueba presente el estímulo posterior, de acuerdo con el protocolo que se muestra en la Figura 411.
  5. Después de cada tres ensayos, presente una imagen GIF (con música de fondo) como recompensa visual para mantener el interés del niño. Si no se pueden usar datos de la mirada (p. ej., si el niño se dio la vuelta o tenía los ojos cerrados) dentro de 1 minuto de la presentación de la imagen GIF, detenga la prueba. Esta prueba no arroja ningún resultado.
  6. Después de realizar los pasos 3.4 y 3.5, analice los resultados de la agudeza de rejilla para el niño generado por los programas de software.

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Representative Results

El AACP se aplicó a un grupo de niños de11: 155 bebés y niños pequeños con desarrollo normal (5 a 36 meses de edad, según la edad gestacional). En un estudio publicado anteriormente, los resultados de agudeza de rejilla obtenidos por el AACP se compararon con los obtenidos por TACII. Los resultados obtenidos por estos dos procedimientos están significativamente correlacionados (r153 = 0,83, p < 0,001). Sólo el 10,32% (16 de 155) de los resultados de los niños difirieron en más de una octava. Entre ellos, ocho niños tenían entre 5 y 7 meses de edad. De estos 16 niños, tres tuvieron resultados de agudeza visual obtenidos por el AACP que fueron 1.5-2 octavas sobre los obtenidos por TACII. Los otros 13 niños tenían agudeza visual AACP 1.5-2 octavas por debajo de la agudeza visual TACII.

La agudeza de rejilla medida por el AACP aumentó gradualmente a medida que aumentaba la edad infantil. La Figura 5 muestra el cambio en la agudeza de la rejilla medida por el AACP con el cambio en la edad en meses. De 6 a 12 meses, la agudeza de rejilla aumentó en casi 0,5 octavas. De 12 a 24 meses, la agudeza de rejilla aumentó en casi una octava. De 24 a 36 meses, la agudeza de rejilla aumentó en casi 1,5 octavas. La tendencia del desarrollo de la agudeza en este estudio es consistente con los resultados de agudeza medidos por TACII en estudios previos12. También es consistente con el desarrollo de agudeza medido por TACII en el mismo grupo de lactantes11.

Figure 1
Figura 1: Aparato AACP. Se muestran los componentes AACP y la disposición espacial de su configuración en la sala de pruebas. El bebé estaba sentado en el regazo de un padre y vio los estímulos binocularmente a una distancia de 55 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Estímulo de dibujos animados en el procedimiento de calibración. El estímulo de dibujos animados es una imagen GIF con música de fondo. El estímulo atrae la atención visual. Cuando la mirada del niño cae dentro del área de la imagen, el punto cambia de rojo a verde y se realiza el procedimiento de calibración. Esta cifra ha sido modificada con permiso de Wen et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Estímulo de rejilla en el procedimiento de prueba. El estímulo de rejilla es una rejilla de rayas verticales en blanco y negro presentadas sobre un fondo gris uniforme. El punto de mirada del participante moviéndose desde el centro hasta el cuadrado verde indica que el participante ha observado el objetivo, lo que significa un "golpe". El punto de mirada del participante moviéndose desde el centro al área vacía indica que el participante no observó el objetivo, lo que significa un "error". El área cuadrada verde tiene una longitud de medio lado basada en la distancia desde el centro del estímulo hasta el lado de la pantalla (es decir, desde el centro del estímulo hasta el borde izquierdo de la pantalla en esta figura). Esta cifra ha sido modificada con permiso de Wen et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: El protocolo utilizado en el procedimiento AACP. Esta cifra ha sido modificada con permiso de Wen et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Diagramas de caja de agudezas de rejilla trazadas contra la edad (N = 155). Las cajas blancas con líneas rojas y las cajas grises con líneas negras son agudezas de rejilla de la AACP y TACII11, respectivamente, por cada 6 meses de edad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Criterio Verifique que la señal de la mirada:
Golpe permanecieron en el área objetivo continuamente durante más de 400 ms de la presentación objetivo de 1.000 ms.
Señorita (1) no entró en el área objetivo dentro de un período de tiempo de 1,000 ms.   (2) permanecieron en el área objetivo menos de 400 ms.

Tabla 1: Criterios para establecer si se ha observado un estímulo.

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Discussion

Varios estudios 7,8,9,10 basados en el método de seguimiento ocular han demostrado el valor de este método en la evaluación de lactantes y niños pequeños que tienen dificultad en la comunicación verbal. Sin embargo, el número de participantes en estudios previos es relativamente pequeño. Solo 30 bebés menores de 12 meses de edad fueron evaluados por el procedimiento ACTIVE, desarrollado por Jones et al.7. El procedimiento AVAT, que fue desarrollado por Vrabic et al.10, evaluó a 35 bebés y niños pequeños de manera similar. En el presente estudio, una muestra grande de bebés y niños pequeños de 5 a 36 meses de edad (N = 155) fue evaluada por el procedimiento AACP y mostró una alta capacidad de prueba y una evaluación de agudeza visual comparable a los TAC. Además, el uso de una cámara web en lugar de un rastreador ocular remoto para seguir la mirada del niño hace que el equipo AACP sea menos costoso y más cómodo de acceder.

Cuando los bebés crecen, muestran un interés creciente en los diversos estímulos en el entorno circundante. Por lo tanto, es un desafío para ellos mantener la cooperación durante la prueba. La visualización de imágenes de dibujos animados en el centro de la pantalla fue diseñada para atraer su atención, que es similar al procedimiento ACTIVE7. Cada tres ensayos, antes de cambiar la frecuencia de rejilla, se presentó una imagen de dibujos animados como una recompensa visual para mantener la atención del bebé y atraer su mirada hacia el centro de la pantalla, reduciendo así el error de juicio del procedimiento causado por la mirada del bebé que se desplaza hacia un lado. Además, se utilizaron dos paneles laterales de pantalla adjuntos para reducir las distracciones de los bebés. En la prueba TAC estándar en entornos de laboratorio13, las tarjetas de agudeza se muestran a través de una abertura rectangular en una pantalla gris que incluye paneles laterales adjuntos. Configuramos los paneles laterales de la pantalla para reducir la interferencia del entorno circundante, pero los paneles laterales se pueden desmontar para adaptarse a otros entornos de prueba.

En el presente estudio, los estímulos digitales para el AACP y los estímulos impresos para los TAC fueron rejillas de onda cuadrada, que tienen "efectos de borde". Los artefactos de borde en la unión de rejillas de alta frecuencia y fondo isoluminante proporcionan señales visuales potencialmente adicionales para los niños, que ocurren en las pruebas AACP y TACs14 . Sin embargo, en comparación con los TAC en papel, los estímulos digitales son más flexibles. Los estímulos modulados por Gabor se utilizarán en el futuro para evitar los efectos de borde. El contraste, el tamaño, la frecuencia y otras características de los estímulos digitales son más fáciles de ajustar. A la distancia de detección de 55 cm en este estudio, las frecuencias espaciales de las rejillas variaron de 0,33 a 30,0 cpd. Si un niño tiene una agudeza visual muy pobre, como por debajo de 0.33 cpd, su agudeza visual real no puede ser detectada por la AACP. En estudios adicionales, se pueden establecer diferentes rangos de frecuencias con diferentes distancias de detección para ser aplicables a niños con más afecciones visuales.

Otra limitación del método existente es que la duración de un ensayo, que es de 1 s, es demasiado corta para que algunos bebés más pequeños distingan la rejilla. Entre los niños cuyos resultados visuales difirieron en más de una octava en el AACP y los TAC, la mitad eran niños de 5 a 7 meses. En aplicaciones futuras, se pueden establecer diferentes duraciones de ensayo para ajustarse a las edades de los diferentes participantes. En la actualidad, los padres pueden observar el rendimiento del bebé durante la prueba. Si el bebé no pasa la prueba debido al movimiento o la fatiga, la prueba se puede repetir.

El AACP es un novedoso método de seguimiento ocular basado en datos de cámaras web. Se puede utilizar para evaluar la agudeza de la rejilla en bebés y niños pequeños, y los resultados son comparables a la prueba de agudeza visual estándar de oro. Al requerir solo movimientos oculares como indicadores evidentes de respuestas, el AACP se puede usar para medir la agudeza visual de una manera totalmente automatizada. En el futuro, al cambiar los tipos de estimulación visual, el AACP se puede utilizar para evaluar otras funciones de procesamiento de información visual en las primeras etapas del desarrollo de los niños.

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Disclosures

Los autores han hecho las siguientes divulgaciones: BK.Y., XQ.L., JS.C. y L.W.: Patente Nacional de Invención de China "Un método y sistema para la detección de rostros y la localización de pupilas en cuadros de video continuos" (CN201910865074.4); XQ.L., BK.Y., JS.C. y L.W.: Patente Nacional de Invención de China "Sistema de prueba automática de visión" (No. 201510919621.4).

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por el Fondo de Capital para la Mejora de la Salud y la Investigación (No. 2018-2Z-4076) y los Fondos de Investigación SEED del Primer Hospital de la Universidad de Pekín (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

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References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Robinson, J., Moseley, M., Fielder, A. Grating acuity cards-spurious resolution and the edge artifact. Clinical Vision Sciences. 3 (4), 285-288 (1988).

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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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