Ein automatisiertes Verfahren zur Beurteilung der Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern mit Hilfe eines Eye-Tracking-Systems

Zusammenfassung

In diesem Artikel stellen wir eine neuartige automatisierte Methode zur Beurteilung der Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern mit Hilfe eines Eye-Tracking-Systems vor.

Zusammenfassung

Die Messung der Sehschärfe ist ein wichtiger Sehfunktionstest, der im Säuglings- und Kindesalter durchgeführt werden muss. Eine genaue Messung der Sehschärfe bei Säuglingen ist jedoch aufgrund von Defiziten in ihrer Kommunikationsfähigkeit schwierig. In dieser Arbeit wird eine neuartige automatisierte Methode zur Beurteilung der Sehschärfe bei Kindern (5-36 Monate) vorgestellt. Diese Methode, das Automated Acuity Card Procedure (AACP), nutzt eine Webcam für das Eye-Tracking und erkennt das Sehverhalten von Kindern automatisch. Es wird ein Zwei-Auswahl-Test durchgeführt, bei dem das getestete Kind die visuellen Reize ansieht, die auf einem hochauflösenden digitalen Bildschirm angezeigt werden. Wenn das getestete Kind die Reize beobachtet, werden seine Gesichtsbilder von der Webcam aufgezeichnet. Diese Bilder werden von dem eingestellten Computerprogramm verwendet, um ihr Beobachtungsverhalten zu analysieren. Bei diesem Verfahren werden die Augenbewegungsreaktionen des Kindes auf verschiedene Reize gemessen und seine Sehschärfe ohne Kommunikation beurteilt. Durch den Vergleich der Ergebnisse mit der Gitterschärfe, die mit Teller Acuity Cards (TACs) ermittelt wird, wird die AACP-Leistung als vergleichbar mit der von TACs angesehen.

Einleitung

Die Säuglingszeit ist eine kritische Phase für die visuelle Entwicklung. Sehprobleme, die früh im Leben auftreten, können einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung eines Kindes haben. Es ist wichtig, bei Säuglingen eine quantitative visuelle Beurteilung durchführen zu können, die dazu beitragen kann, Sehprobleme frühzeitig zu erkennen. Da Säuglinge jedoch kognitiv nicht entwickelt oder ausdrucksstark genug sind, um Symbole der Sehschärfetabelle wie Buchstaben oder Grafiken zu erkennen, ist es schwierig, ihre Sehschärfe zu messen. Der aktuelle Goldstandard für die Beurteilung des Sehvermögens von Säuglingen ist das Sehschärfekartenverfahren¹, das auf dem Test des bevorzugten Aussehens² basiert. Da diese Methode jedoch von erfahrenen Testern verlangt, die Sehschärfe anhand der Augenbewegungen des Kindes zu beurteilen 3,4,5,6, ist sie durch die Erfahrung der Tester ^{begrenzt 4,5}. Daher bleiben Sehschärfekartenverfahren, wie z. B. Teller Acuity Cards (TACs)^5,6, eine subjektive Methode. Daher besteht ein Bedarf an einer Methode, die die Sehschärfe bei Säuglingen und Kleinkindern quantitativ messen kann, die ohne verbale Kommunikation eingesetzt werden kann und die nicht durch die Notwendigkeit erfahrener Tester eingeschränkt ist.

Durch die Erfindung und den Einsatz des Remote Eye Trackers konnte ein automatisiertes Sehschärfemesssystem entwickelt werden. In früheren Studien wurden Eye-Tracking-Methoden als Werkzeug zur Bewertung der visuellen Funktion bei Kindern eingesetzt 7,8,9,10. Ein Remote-Eyetracker kann für die Blickverfolgung verwendet werden und ist ein Ersatz für die Beobachtung der Augenbewegungen eines Kindes durch einen Tester. Das ACTIVE-Verfahren⁷ und das AVAT-Verfahren¹⁰ sind vollautomatische Sehschärfetests mit einem Remote-Eye-Tracker. Sie haben vergleichbare Sehschärfeergebnisse wie der Keeler Acuity Cards-Test bei gesunden Säuglingen und Kleinkindern geliefert. Im Gegensatz zu anderen neueren Studien verwendeten wir eine Webcam anstelle eines Remote-Eyetrackers, um den Blick des Kindes zu erfassen. Wir haben eine automatische Methode zur Erfassung von Augenbewegungsdaten entwickelt, die auf Computer Vision basiert. Das Verfahren kombinierte die Methode zur Erfassung von Augenbewegungen mit der Technik des bevorzugten Aussehens zur Beurteilung der Sehfunktion bei Kindern.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine neuartige automatisierte Methode vorzustellen, mit der die Sehschärfe bei Kleinkindern bewertet werden kann, das sogenannte Automated Acuity Card Procedure (AACP). Dieses Verfahren ist besonders nützlich für Säuglinge und jüngere Kinder, die noch keine ausreichenden Kommunikationsfähigkeiten erworben haben. Der Schlüsselaspekt ist, dass visuelle Reaktionen quantifiziert werden können, um bei Säuglingen und Kleinkindern eine knirschende Sehschärfe zu erzielen. Die Messung der Gitterschärfe ermöglicht die Erkennung von Sehstörungen und spielt eine wichtige Rolle bei der anschließenden medizinischen Behandlung.

Protokoll

Das hier beschriebene Protokoll wurde von der Ethikkommission des Ersten Krankenhauses der Universität Peking (PKUFH 2018-223) genehmigt. Die Verfahren entsprachen den Grundsätzen der Deklaration von Helsinki für die Forschung am Menschen. Das Studienformat wurde beschrieben und die Einverständniserklärung der Eltern der Teilnehmer eingeholt.

1. Vorbereitung des Gerätes

HINWEIS: Die AACP-Komponenten wurden in einem schwach beleuchteten Testraum aufgebaut. Vorhänge wurden im Raum gezogen, um Störungen durch Sonnenlicht zu vermeiden. Ein Anzeigesystem, ein Aufzeichnungssystem und ein Analysesystem waren die drei Komponenten des AACP (Abbildung 1).

1. Richten Sie ein Anzeigesystem ein, einen 28-Zoll-Flüssigkristallmonitor (62,208 cm x 34,992 cm Bildschirm, 3840 Pixel x 2160 Pixel, 0,162 mm/Pixel, 30 Hz Bildrate). Stellen Sie den Monitor auf einen Tisch, der angehoben werden kann. Linearisieren Sie die Bildschirmluminanz durch eine 8-Bit-Lookup-Tabelle. Stellen Sie die Luminanz auf 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 bzw. 400 cd/m² für Schwarz, Mittelgrau bzw. Weiß ein.
2. Platzieren Sie zwei Seitenwände auf beiden Seiten des Bildschirms, um Ablenkungen für die zu testenden Kinder zu vermeiden.
3. Richten Sie ein Aufnahmesystem ein, eine hochauflösende Pro-Webcam mit einer Auflösung von 1080 Pixeln/30 fps.
   HINWEIS: Die Webcam zeichnet Bildsequenzen des Verhaltens der Tester auf, die jeweils auf 1280 x 720 Pixel zugeschnitten sind. Bei der automatisierten Sehschärfeprüfung wird alle 200 ms ein Webcam-Bild mit Zeitstempel zur Synchronisierung erhalten.
4. Schließen Sie den Anzeigemonitor und die Webcam an einen Computer, das Analysesystem, an. Stellen Sie sicher, dass sich die Webcam in der Mitte, direkt unter dem Bildschirm, befindet und bei Bedarf angepasst werden kann.
   HINWEIS: Der Monitor und die Webcam sind entweder in den Computer (einen Laptop oder Desktop-PC) integriert oder sind separate Geräte, die dann an einen Computer angeschlossen werden.
5. Installieren Sie die AACP-Verfahrenssoftware auf dem Computer für die Darstellung von Reizen und die Analyse von Augenbewegungen. Die AACP-Verfahrenssoftware (China National Invention Patents, Nr. 201910865074.4 und Nr. 201510919621.4) umfasst ein Stimulusanzeigemodul, ein Sehtestmodul und ein Testergebnisverarbeitungsmodul.
6. Stellen Sie die visuellen Reize als 12 cm x 12 cm großes Rechteckwellengitter mit unterschiedlichen Perioden/Grad (cpd) Ortsfrequenzen und einem Kontrastverhältnis von 1,00 ein. Stellen Sie sicher, dass der Stimulus zufällig in der Mitte des linken oder rechten Teils des Bildschirms angezeigt wird und dass der Rest des Bildschirms einen an die Luminanz angepassten grauen Bereich ähnlich dem TACII aufweist.
   HINWEIS: Bei einem Detektionsabstand von 55 cm (der mit dem von TACII übereinstimmt) waren die Stimuli (aufgrund von Pixelgrößenbeschränkungen) ungefähr die gleichen wie auf gedruckten TACII-Karten (16 Karten, 1/2 Oktave).

2. Eye-Tracking-Kalibrierung

1. Holen Sie die Einverständniserklärung der Eltern ein und beschreiben Sie ihnen das Lernformat.
2. Stellen Sie das Kind in einem Abstand von 55 cm zum Monitor auf. Lassen Sie das Kind allein auf einem Stuhl oder vorzugsweise auf dem Schoß der Eltern sitzen. Wenn das Kind alleine sitzt, lassen Sie die Eltern neben dem Kind sitzen.
3. Stellen Sie die Position des Hubtisches ein und platzieren Sie ihn mit dem Monitor. Ordnen Sie den Bildschirm senkrecht zu den Augen des Kindes an.
4. Passen Sie die Position der Webcam an, um sicherzustellen, dass das Gesicht des Kindes im Aufnahmesystem sichtbar ist, und um zu vermeiden, dass andere Gesichter als das des Kindes aufgenommen werden.
5. Bevor Sie mit dem Verfahren beginnen, informieren Sie das Kind, dass es auf den Bildschirm schauen wird. Weisen Sie die Eltern an, das Kind aufzufordern, auf den Bildschirm zu schauen, wenn das Kind nicht aufpasst. Während des Tests sind keine besonderen Anweisungen erforderlich.
6. Öffnen Sie die AACP-Verfahrenssoftware. Geben Sie die Informationen des Kindes in die Software ein (Name, Geschlecht, Alter).
7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Start . Die Software startet den Kalibrierungsvorgang. Ein GIF-Bild (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 Pixel) wird vor dem weißen Hintergrund in der Mitte des Bildschirms angezeigt (Abbildung 2). Das Bild und die Hintergrundmusik werden gleichzeitig angezeigt. Dieser Stimulus wird für mindestens 3 s präsentiert. Das Analysesystem ermittelt gleichzeitig, ob die Blickrichtung des Kindes auf das Bild fixiert ist. Wenn während dieser Präsentation innerhalb von 1 Minute keine Blickdaten verfügbar sind, wird auf dem Bildschirm ein weiteres Cartoon-GIF-Bild angezeigt. Wenn Blickkoordinaten innerhalb dieses Bereichs erkannt werden, startet der Testvorgang ohne die Aktionen des Testers und wird automatisch ausgeführt.

3. Prüfverfahren

1. Präsentieren Sie das anfängliche Gitter. Die Ortsfrequenzen der Gitter reichen von 0,33-30,0 cpd in 1/2 Oktavschritten. Bestimmen Sie das anfängliche Gitter anhand des Alters des Kindes, wie beim TACII-Test.
2. Präsentieren Sie das anfängliche Gitter für 1.000 ms, was der Länge eines Versuchs entspricht. Präsentieren Sie dann einen leeren Bildschirm für 200 ms. Präsentieren Sie den gleichen Stimulus erneut, gefolgt von einem leeren Bildschirm. Präsentieren Sie das Gitter desselben Ortsfrequenzsatzes dreimal.
3. Lassen Sie die Webcam während der Durchführung des Eingriffs die Gesichtsbilder des Kindes aufzeichnen. Die Software verwendet diese Bilder, um ihr Beobachtungsverhalten zu analysieren. Das Sehtestprogramm überprüft die Augenbewegungsreaktionen anhand der in Tabelle 1 genannten Kriterien, um festzustellen, ob der Reiz gesehen wurde (Abbildung 3).
4. Lassen Sie das Programm zur Verarbeitung der Testergebnisse den nachfolgenden Stimulus gemäß dem in Abbildung 4¹¹ gezeigten Protokoll präsentieren.
5. Präsentieren Sie nach jeweils drei Versuchen ein GIF-Bild (mit Hintergrundmusik) als visuelle Belohnung, um das Interesse des Kindes aufrechtzuerhalten. Wenn innerhalb von 1 Minute nach der GIF-Bildpräsentation keine Blickdaten verwertbar sind (z. B. wenn sich das Kind umgedreht oder die Augen geschlossen hat), beenden Sie den Test. Dieser Test liefert kein Ergebnis.
6. Nachdem Sie die Schritte 3.4 und 3.5 ausgeführt haben, analysieren Sie die von den Softwareprogrammen ausgegebenen Ergebnisse der Gitterschärfe für das Kind.

Ergebnisse

Die AACP wurde auf eine Gruppe von Kindern^{im Alter von 11: 155} normal entwickelnden Säuglingen und Kleinkindern (5 bis 36 Monate, basierend auf dem Gestationsalter) angewendet. In einer zuvor veröffentlichten Studie wurden die Ergebnisse der Gitterschärfe des AACP mit denen des TACII verglichen. Die mit diesen beiden Verfahren erzielten Ergebnisse korrelieren signifikant (r₁₅₃ = 0,83, p < 0,001). Nur 10,32% (16 von 155) der Ergebnisse der Kinder unterschieden sich um mehr al...

Diskussion

Mehrere Studien 7,8,9,10, die auf der Eye-Tracking-Methode basieren, haben den Wert dieser Methode bei der Beurteilung von Säuglingen und Kleinkindern gezeigt^, die Schwierigkeiten bei der verbalen Kommunikation haben. Allerdings ist die Zahl der Teilnehmer in früheren Studien relativ gering. Nur 30 Säuglinge unter 12 Monaten wurden mit dem ACTIVE-Verfahren getestet, das von Jones et

Materialien

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