Evaluación del campo visual binocular central y los movimientos oculares binoculares en una condición de visualización dicopética

Resumen

Aquí se presenta un protocolo para evaluar los movimientos binoculares de los ojos y la detección del campo visual central controlado por la mirada en los participantes con pérdida central de la visión.

Resumen

La degeneración macular suele producir defectos visuales centrales binoculares heterogéneos. Actualmente, los enfoques disponibles para evaluar el campo visual central, como la microperimetría, solo pueden probar un ojo a la vez. Por lo tanto, no pueden explicar cómo los defectos en cada ojo afectan la interacción binocular y la función del mundo real. La presentación de estímulos dicopticos con un sistema controlado por la mirada podría proporcionar una medida fiable de los campos visuales monoculares/binoculares. Sin embargo, la presentación de estímulos dicopticos y el seguimiento simultáneo de los ojos son desafiantes porque los dispositivos ópticos de instrumentos que presentan estímulos dicopéticamente (por ejemplo, haploscopio) siempre interfieren con los rastreadores oculares (por ejemplo, rastreadores oculares infrarrojos basados en vídeo). Por lo tanto, los objetivos eran 1) desarrollar un método de presentación de estímulo dicoptico con seguimiento ocular simultáneo, utilizando gafas de obturador 3D y monitores listos para 3D, que no se ve afectado por interferencias y 2) utilizar este método para desarrollar un protocolo para evaluar el campo visual central en sujetos con pérdida de visión central. Los resultados mostraron que esta configuración proporciona una solución práctica para medir de forma fiable los movimientos oculares en condiciones de visualización dicopticas. Además, también se demostró que este método puede evaluar el campo visual central binocular controlado por la mirada en sujetos con pérdida de visión central.

Introducción

La degeneración macular es generalmente una condición bilateral que afecta la visión central y el patrón de pérdida visual puede ser heterogéneo. La pérdida visual central podría ser simétrica o asimétrica entre dos ojos^1. Actualmente, hay varias técnicas disponibles para evaluar el campo visual central en la degeneración macular. El gráfico de cuadrícula de Amsler contiene un patrón de cuadrícula que se puede utilizar para proyectar manualmente el campo visual central. Los perímetros automatizados (por ejemplo, el analizador de campo visual Humphrey) presentan destellos de luz de diferentes brillos y tamaños en un tazón de ganzfeld estandarizado para sondear el campo visual. La microperimetría contingente de miradas presenta estímulo visual en una pantalla LCD. Los micro-perímetros pueden compensar los movimientos de los micro-ojos mediante el seguimiento de una región de interés en la retina. Los micro-perímetros pueden sondear regiones locales en la retina central para detectar cambios en la función, pero solo pueden probar un ojo a la vez. En consecuencia, las pruebas micro-perimétricas no pueden explicar cómo los defectos heterogéneos en cada ojo afectan la interacción binocular y la función del mundo real. Existe una necesidad insatisfecha de un método para evaluar de forma fiable los campos visuales en una condición de visualización que se aproxima estrechamente a la visualización en el mundo real. Tal evaluación es necesaria para entender cómo el defecto del campo visual de un ojo afecta/contribuye al defecto del campo visual binocular. Proponemos un método novedoso para evaluar el campo visual central en personas con pérdida visual central bajo condición de visualización dicoptica (es decir, cuando los estímulos visuales se presentan de forma independiente a cada uno de los dos ojos).

Para medir los campos visuales de forma fiable, la fijación debe mantenerse en un locus determinado. Por lo tanto, es importante combinar el seguimiento ocular y la presentación dicopética para la evaluación binocular. Sin embargo, la combinación de estas dos técnicas puede ser difícil debido a la interferencia entre los sistemas de iluminación del rastreador de ojos (por ejemplo, LED infrarrojos) y los elementos ópticos de los sistemas de presentación dicopética (por ejemplo, espejos de haploscopio o prismas de estereoscopios). Las opciones alternativas son utilizar una técnica de seguimiento ocular que no interfiera con la línea de visión (por ejemplo, técnica de bobina escleral) o un eye-tracker integrado con gafas^2. Aunque cada método tiene sus propios beneficios, hay desventajas. El método anterior se considera invasivo y puede causar molestias considerables³ y estos últimos métodos tienen bajas resoluciones temporales (60 Hz)⁴. Para superar estos problemas, Brascamp & Naber (2017)⁵ y Qian & Brascamp (2017)⁶ utilizaron un par de espejos fríos (que transmitieron luz infrarroja pero reflejaron el 95% de la luz visible) y un par de monitores a ambos lados de los espejos fríos para crear una presentación dicopética. Rastreador de ojos infrarrojo basado en vídeo se utilizó para rastrear los movimientos oculares en la configuración del haploscopio^7,8.

Sin embargo, el uso de una presentación dicopética tipo haploscopio tiene un inconveniente. El centro de rotación del instrumento (haploscopio) es diferente del centro de rotación del ojo. Por lo tanto, se requieren cálculos adicionales (como se describe en el Apéndice – A de Raveendran (2013)⁹) para mediciones adecuadas y precisas de los movimientos oculares. Además, los planos de alojamiento y vergencia deben estar alineados (es decir, la demanda de alojamiento y vergüenza debe ser la misma). Por ejemplo, si la distancia de trabajo (distancia óptica total) es de 40 cm, la demanda de alojamiento y vergencia es de 2,5 dioptrías y ángulos de 2,5 metros, respectivamente. Si alineamos los espejos perfectamente ortogonales, entonces el haploscopio está alineado para la visualización distante (es decir, la vergencia requerida es cero), pero el alojamiento requerido sigue siendo 2.5D. Por lo tanto, se debe colocar un par de lentes convexas (+2,50 dioptrías) entre el ojo y la disposición del espejo del haploscopio para empujar el plano de alojamiento hasta el infinito (es decir, el alojamiento requerido es cero). Este arreglo requiere más espacio entre el ojo y la disposición del espejo del haploscopio es necesario, lo que nos lleva de vuelta a la diferencia en los centros de rotación. La cuestión de alinear los planos de alojamiento y vergencia se puede minimizar alineando el haploscopio con la visión cercana de tal forma que ambos aviones estén alineados. Sin embargo, esto requiere la medición de la distancia inter-pupillaria para cada participante y la alineación correspondiente de espejos de haploscopio / monitores de presentación de estímulo.

En este artículo, presentamos un método para combinar el seguimiento ocular infrarrojo basado en vídeo y la presentación de estímulos dicopticos utilizando gafas inalámbricas de obturador 3D y monitores listos para 3D. Este método no requiere ningún cálculo adicional y/o suposiciones como las utilizadas con el método haploscópico. Las gafas de obturador se han utilizado junto con los rastreadores oculares para entender la fusión binocular^10,la adaptación sacádica¹¹y la coordinación ojo-mano^12. Sin embargo, cabe señalar que las gafas de obturador estéreo utilizadas por Maiello y sus colegas^10,11,12 eran las gafas de obturador de primera generación, que estaban conectadas a través de un cable para sincronizarse con la frecuencia de actualización del monitor. Además, las gafas de obturador de primera generación no están disponibles comercialmente ahora. Aquí, demostramos el uso de gafas inalámbricas de obturador de segunda generación disponibles comercialmente(Tabla de Materiales)para presentar estímulos dicopticos y medir de forma fiable los movimientos oculares monoculares y binoculares. Además, demostramos un método para evaluar los campos visuales monoculares/binoculares en sujetos con pérdida de campo visual central. Mientras que la presentación dicopética de estímulo visual permite la evaluación monocular y binocular de los campos visuales, el seguimiento ocular binocular bajo condición de visualización dicoptica facilita las pruebas de campos visuales en un paradigma controlado por la mirada.

Protocolo

Todos los procedimientos y protocolos descritos a continuación fueron revisados y aprobados por la junta de revisión institucional de la Universidad Estatal de Wichita, Wichita, Kansas. Se obtuvo el consentimiento informado de todos los participantes.

1. Selección de participantes

1. Participantes reclutadas con visión normal (n=5, 4 hembras, medias ± SE: 39,8 ± 2,6 años), y con pérdida de visión central (n=15, 11 mujeres, 78,3 ± 2,3 años) debido a la degeneración macular (relacionada con la edad/juvenil). Tenga en cuenta que las edades groseramente diferentes de los dos grupos eran secundarias a la demografía de los sujetos con pérdida central de la visión (la degeneración macular relacionada con la edad afecta a los sujetos mayores y es más frecuente en las mujeres). Además, el objetivo de este estudio no era comparar las dos cohortes.

2. Preparación del experimento

1. Utilice unas gafas de obturador activas 3D inalámbricas(tabla de materiales)que se pueden sincronizar con cualquier monitor listo para 3D. Para que las gafas de obturación estén activas, no debe haber interferencia entre el transmisor infrarrojo (una pequeña caja negra en forma de pirámide) y el receptor infrarrojo (sensor) en el puente nasal de las gafas de obturación.
2. Muestra todos los estímulos visuales en un monitor 3D (1920 x 1080 píxeles, 144 Hz). Para que el monitor y las gafas 3D funcionen sin problemas, asegúrese de que se instalen los controladores adecuados.
3. Utilice un rastreador de ojos infrarrojo basado en video montado en la mesa(Tabla de Materiales)que sea capaz de medir los movimientos oculares en el muestreo de 1000 Hz para este protocolo. Separe la iluminación infrarroja y la cámara del rastreador de ojos utilice cualquier trípode con altura y ángulo ajustables (Tabla de materiales) para mantenerlos firmemente en su lugar. Coloque la cámara a una distancia de 20-30 cm del participante y coloque la pantalla a una distancia de 100 cm del participante.
4. Utilice un parche reflectante infrarrojo(Tabla de materiales)para evitar la interferencia entre la iluminación infrarroja del rastreador ocular y el sistema infrarrojo de las gafas de obturador(Figura 1,Derecha).
5. Utilice software disponible comercialmente(Tabla de materiales)para integrar gafas de obturador y monitor listo para 3D para la presentación dicopética de estímulos visuales para controlar el eyetracker.
6. Para estabilizar los movimientos de la cabeza, utilice una barbilla alta y ancha y un reposacabezas(Tabla de Materiales)y apriétela a una mesa ajustable. La amplia dimensión de la barbilla y el reposacabes permite un posicionamiento cómodo de los participantes con las gafas de obturador puestas.
   NOTA: La Figura 1 muestra la configuración para el seguimiento ocular con presentación de estímulo dicoptico utilizando gafas de obturador 3D y monitor listo para 3D. El parche reflectante infrarrojo se colocó estratégicamente debajo del sensor infrarrojo en el puente nasal de las gafas de obturador 3D(Figura 1,Derecha).
7. Minimice la fuga de información de luminancia desactivando la opción de impulso de luz en el monitor listo para 3D. La fuga de información de luminancia de un ojo al otro ojo se conoce como fuga de luminancia o diafonía^13. Esto es propenso a ocurrir con las pantallas estereoscópicas en las condiciones de alta luminancia.
8. Debido a las persianas, la cantidad de iluminación infrarroja (del sistema de seguimiento ocular) que llega a la pupila puede reducirse significativamente¹³ – en promedio, aproximadamente el 65% de la luminancia se redujo(Tabla complementaria 1). Para superar esto, aumente la resistencia de los LED infrarrojos del eyetracker al 100% o (el ajuste máximo) desde el ajuste de potencia predeterminado. Cuando utilice el rastreador de ojos infrarrojo basado en vídeo (Tabla de materiales) cambie esta configuración en la configuración de "Potencia de iluminación" en la pantalla inferior izquierda como se muestra en la Figura 2.

3. Ejecutar el experimento

NOTA: El experimento principal de este estudio fue el seguimiento ocular binocular y la detección del campo visual central utilizando estímulos dicopticos. La detección central del campo visual era comparable a las pruebas de campo visual de los instrumentos disponibles comercialmente (Tabla de materiales). Las propiedades físicas del estímulo visual como la luminancia del objetivo (~22 cd/m^2),la luminancia del fondo (~10 cd/m^2),el tamaño del objetivo (Goldmann III – 4 mm^2),la cuadrícula de campo visual (cuadrícula Polar 3 con 28 puntos, figura 3)y la duración del estímulo (200 ms) eran idénticas a las pruebas de campo visual de los instrumentos disponibles comercialmente. Tenga en cuenta que estos valores de luminancia se midieron a través de gafas de obturador cuando el obturador estaba encendido(Tabla suplementaria 1). A los efectos de las pruebas analizadas aquí, la luminancia del estímulo fue constante a diferencia de las pruebas de campo visual donde se altera la luminancia del estímulo para obtener un umbral de detección. En otras palabras, el experimento empleó la detección supra-umbral y no el umbral. Por lo tanto, los resultados de la proyección fueron respuestas binarias (estímulos vistos o no vistos) y no valores numéricos.

1. Comprobaciones previas al experimento
   1. Un par de minutos antes de que el participante llegue para las pruebas, asegúrese de que tanto el rastreador ocular como el ordenador host (que ejecuta el experimento) estén encendidos y confirmen que el equipo host está conectado al eyetracker.
   2. Como regla general, confirme la precisión de sincronización (mediante comandos específicos de la plataforma) de la pantalla antes de comenzar el experimento.
2. Iniciando el experimento principal
   NOTA: Los pasos siguientes son muy específicos de la plataforma y dependen del script que ejecuta el experimento principal. Consulte Material suplementario que contiene las muestras de los códigos utilizados para diseñar y ejecutar el experimento.
   1. Inicie el programa (Ver material suplementario - 'ELScreeningBLR.m') que ejecuta el experimento principal desde la interfaz adecuada. Cuando el programa lo solicite y si así lo solicita, introduzca la información del participante (como el ID de participante, la distancia de prueba) necesaria para guardar el archivo de datos de salida en la carpeta de datos con un nombre de archivo único.
   2. Una pantalla gris con instrucciones como "Pulse Intro para alternar la cámara; Pulse C para calibrar, Pulse V para validar" aparecerá en la pantalla. En esta etapa, ajuste la cámara del rastreador de ojos para alinearse con la pupila del participante como se muestra en la Figura 2.
3. Calibración y validación de eye-tracker
   1. Inicie la calibración del rastreador de ojos. Indique a los participantes que sigan al objetivo moviendo los ojos (y no la cabeza) y miren el centro del objetivo.
   2. Después de la calibración correcta, inicie la validación. Proporcione las mismas instrucciones que la calibración.
   3. Lea los resultados del paso de validación (normalmente se muestra en la pantalla). Repita la calibración y validación hasta que se obtenga el resultado "bueno/justo" (según lo recomendado por el manual del eyetracker).
4. Corrección de deriva
   1. Una vez realizada la calibración y validación del rastreador ocular, inicie la corrección de deriva.
   2. Instruya a los participantes a "mirar el objetivo central de fijación y mantener sus ojos lo más firmes posible".
      NOTA: Después de la calibración, validación y corrección de deriva, el seguimiento ocular se iniciará simultáneamente con el experimento principal.
5. Proyección de campo visual
   1. Vuelva a instruir/recordar al participante acerca de la tarea que debe hacer durante el experimento. Pida a los sujetos que mantengan ambos ojos abiertos durante toda la prueba.
   2. Para este experimento de campo visual, indíquenlos a mantener la fijación en el objetivo de fijación central mientras responden a "cualquier luz blanca vista" pulsando el botón "Enter" en el botón de respuesta (Figura 1, Tabla de materiales). Indíquenles que no muevan los ojos y busquen las nuevas luces blancas. Además, recuérdeles que las breves luces blancas pueden aparecer en cualquier lugar de la pantalla.
      NOTA: Durante la detección de campo visual, el funcionamiento de las gafas de obturador se puede sondear utilizando objetivos monoculares que se pueden fusionar para formar un percept completo (Ver Figura Suplementaria 2 – ensayos de captura).
   3. Vuelva a iterar la instrucción de "mantener la fijación" varias veces durante todo el experimento para asegurarse de que la fijación se encuentra dentro del área deseada.
      NOTA: Se puede utilizar una retroalimentación de audio (como un tono de error) para alertar sobre la pérdida de fijación (como los ojos movidos fuera de una ventana de tolerancia). Cuando la fijación caduca, vuelva a estructurar el participante para fijarlo solo en el destino cruzado. La presentación de estímulos visuales se puede detener temporalmente hasta que el participante vuelva a colocar la fijación dentro de la ventana de tolerancia (como 2°central).
   4. Al final del experimento de campo visual, la pantalla mostrará el resultado de las pruebas resaltando las ubicaciones vistas y no vistas de forma diferente (como por ejemplo, la Figura 6).
6. Guardar el archivo de datos
   1. Todos los datos del campo visual (por ejemplo, guardados como ". mat" y los datos de movimiento ocular (por ejemplo, guardados como archivo ".edf") se guardarán automáticamente para su análisis post hoc. Sin embargo, asegúrese de que los archivos se han guardado antes de salir del programa/plataforma que ejecuta el experimento.

4. Análisis

NOTA: El análisis del movimiento ocular y los datos de campo visual se puede realizar de varias maneras y está supeditado al software utilizado para ejecutar el experimento y el formato de datos de la salida del rastreador ocular. Los pasos siguientes son específicos de la configuración y el programa (Ver materiales suplementarios).

1. Análisis del movimiento ocular (post-hoc)
   NOTA: El archivo de datos de movimientos oculares guardados (EDF) es un formato binario altamente comprimido, y contiene muchos tipos de datos, incluidos eventos de movimiento ocular, mensajes, pulsaciones de botones y muestras de posición de mirada.
   1. Convertir archivos EDF a ASC-II mediante un programa de traductor (EDF2ASC).
   2. Ejecute 'PipelineEyeMovementAnalysisERI.m' para inicializar el análisis del movimiento ocular y siga las instrucciones indicadas en el código (Consulte Materiales suplementarios para el script de código).
   3. Ejecute 'EM_plots.m', para extraer posiciones horizontales y verticales de los ojos y para trazar como se muestra en las figuras 4 y 5.
      NOTA: Los datos de movimiento ocular se pueden analizar aún más para calcular la estabilidad de la fijación, detectar microsaccades, etc. Sin embargo, esto está fuera del alcance del documento actual.
2. Campos visuales
   1. Para obtener los informes de la prueba de campo visual, ejecute 'VF_plot.m'.
      NOTA: Todos los datasets relativos al experimento de campo visual, como los puntos vistos o no vistos, se trazarán como un mapa de campo visual como se muestra en la figura 6. Si se vio un punto, entonces será trazado como cuadrado lleno "verde", de lo contrario se trazará un cuadrado relleno rojo. No será necesario ningún análisis post hoc para los datos de campo visual.

Resultados

Se muestran los rastros representativos de movimiento ocular binocular de un observador con visión binocular normal durante dos condiciones de visualización diferentes (Figura 4). El seguimiento continuo de los movimientos oculares fue posible cuando ambos ojos vieron el estímulo(Figura 4A),y cuando el ojo izquierdo vio el estímulo con el ojo derecho debajo de un obturador activo(Figura 4B). Como se desprende de estos rastros, e...

Discusión

El método propuesto para medir los movimientos oculares en la condición de visualización dicopética tiene muchas aplicaciones potenciales. Evaluar los campos visuales binoculares en los participantes con pérdida de visión central que se demuestra aquí es una de esas aplicaciones. Utilizamos este método para evaluar el campo visual binocular en quince participantes con pérdida de visión central para estudiar cómo la visualización binocular influye en la pérdida heterogénea del campo visual central.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D monitor	Benq	NA	Approximate Cost (in USD): 500 https://zowie.benq.com/en/product/monitor/xl/xl2720.html
3D shutter glass	NVIDIA	NA	Approximate Cost (in USD): 300 https://www.nvidia.com/object/product-geforce-3d-vision2-wireless-glasses-kit-us.html
Chin/forehead rest	UHCO	NA	Approximate Cost (in USD): 750 https://www.opt.uh.edu/research-at-uhco/uhcotech/headspot/
Eyetracker	SR Research	NA	Approximate Cost (in USD): 27,000 https://www.sr-research.com/eyelink-1000-plus/
IR reflective patch	Tactical	NA	Approximate Cost (in USD): 10 https://www.empiretactical.org/infrared-reflective-patches/tactical-infrared-ir-square-patch-with-velcro-hook-fastener-1-inch-x-1-inch
MATLAB Software	Mathworks	NA	Approximate Cost (in USD): 2150 https://www.mathworks.com/pricing-licensing.html
Numerical Keypad	Amazon	CP001878 (model), B01E8TTWZ2 (ASIN)	Approximate Cost (in USD): 15 https://www.amazon.com/Numeric-Jelly-Comb-Portable-Computer/dp/B01E8TTWZ2
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