Prueba de agudeza de movimiento para la medición de la agudeza del campo visual con formas definidas por el movimiento

Resumen

Aquí se describe una nueva prueba de agudeza basada en el movimiento que permite evaluar el procesamiento visual central y periférico en individuos sanos y con baja visión, junto con gafas que limitan la visión periférica compatibles con los protocolos de resonancia magnética. Este método ofrece una evaluación integral de la visión para las deficiencias funcionales y las disfunciones del sistema visual.

Resumen

Las mediciones estándar de la agudeza visual se basan en estímulos estacionarios, ya sean letras (gráficos de Snellen), líneas verticales (agudeza vernier) o gráficos de rejilla, procesados por aquellas regiones del sistema visual más sensibles a la estimulación estacionaria, recibiendo información visual de la parte central del campo visual. Aquí, se propone una medición de la agudeza basada en la discriminación de formas simples, que se definen por el movimiento de los puntos en los cinematogramas de puntos aleatorios (RDK) procesados por regiones visuales sensibles a la estimulación del movimiento y que reciben información también del campo visual periférico. En la prueba de agudeza de movimiento, se les pide a los participantes que distingan entre un círculo y una elipse, con superficies coincidentes, construidas a partir de RDK y separadas del RDK de fondo por coherencia, dirección o velocidad de puntos. La medición de la agudeza se basa en la detección de elipse, que con cada respuesta correcta se vuelve más circular hasta alcanzar el umbral de agudeza. La prueba de agudeza motriz se puede presentar en contraste negativo (puntos negros sobre fondo blanco) o en contraste positivo (puntos blancos sobre fondo negro). Las formas definidas por movimiento se encuentran en el centro dentro de los 8 grados visuales y están rodeadas por el fondo RDK. Para probar la influencia de las periferias visuales en la agudeza medida centralmente, se propone un estrechamiento mecánico del campo visual a 10 grados, utilizando gafas opacas con orificios ubicados en el centro. Este sistema de estrechamiento fácil y replicable es adecuado para los protocolos de resonancia magnética, lo que permite investigaciones más detalladas de las funciones de la entrada visual periférica. Aquí, se propone una medición simple de la forma y la percepción del movimiento simultáneamente. Esta sencilla prueba evalúa las deficiencias visuales en función de las entradas del campo visual central y periférico. La prueba de agudeza de movimiento propuesta avanza en la capacidad de las pruebas estándar para revelar funciones visuales reservadas o incluso fortalecidas en pacientes con sistema visual lesionado, que hasta ahora no se habían detectado.

Introducción

La mayoría de las pruebas visuales disponibles están dirigidas a examinar las características procesadas por la visión central, basándose en la información que se deriva de la retina central¹. La retina central tiene la población más densa de fotorreceptores cónicos para una agudeza visual máxima y carece de fotorreceptores bastoncillos, que dominan la retina periférica². La presencia de fotorreceptores densamente empaquetados también se refleja en una mayor densidad de células ganglionares, lo que significa que un mayor número de axones se dirigen al nervio óptico y, finalmente, a la corteza visual. Fuera de la fóvea hacia la periferia, los bastones superan en número al fotorreceptor del cono³. Con los cuerpos más anchos de los bastones y el mosaico más escaso de fotorreceptores, la retina periférica responde principalmente a la visión nocturna y a^{la conciencia del} movimiento.

Clásicamente, se creía que el procesamiento visual, dependiente de la estimulación de la parte central del campo visual, se dedica al análisis fino de los objetos estacionarios, y su parte periférica se especializa en detectar el movimiento y llevar los objetos a la visión central, foveal, donde se analiza más a fondo ^5,6. Sin embargo, ahora tenemos evidencia emergente que muestra que, a nivel cortical, el análisis fino de la vía estacionaria no está completamente separado del sensible al movimiento ^6,7,8. La prueba de la forma y la percepción del movimiento simultáneamente se realiza clásicamente utilizando rejillas móviles⁹ y patrones de vidrio¹⁰ y también anillos concéntricos movimiento¹¹. Nuestro objetivo es introducir una prueba que se acerque a la vida normal de las personas con discapacidad visual, que pueda reducir sus frustraciones y dar esperanza al mostrarles explícitamente que algunas características de su procesamiento visual aún pueden conservarse e incluso fortalecerse. La prueba de agudeza de movimiento propuesta basada en cinematogramas de puntos aleatorios (RDK) combina el análisis de la percepción del movimiento y la forma y prueba simultáneamente el funcionamiento de la percepción del movimiento y la forma. Dentro de la prueba de agudeza de movimiento, hay muchas posibilidades de características psicofísicas para probar, como diferentes velocidades, direcciones y contrastes de los RDK. Cambiando los parámetros, podemos manipular la fuerza de la estimulación, ya sea específica para el procesamiento central o periférica. Por ejemplo, la detección de objetos que se mueven rápidamente es una característica bien descrita específica del procesamiento visual periférico¹², mientras que el procesamiento de los oscuros en el fondo brillante es procesado preferentemente por la visión central¹³. Esta prueba se realizó inicialmente en pacientes con degeneración retiniana de fotorreceptores, localizados específicamente dentro de la retina central o periférica¹⁴. La retinosis pigmentaria (RP) se manifiesta con daño periférico y prevalece en ~1/5000 pacientes en todo el mundo¹⁵. La enfermedad de Stargardt (STGD), con una prevalencia de ~1/10000, es la causa más común de degeneración macular juvenil (DM)¹⁶. El daño a los fotorreceptores en la retina central, como en la degeneración macular o como en la retinitis pigmentosa en la retina periférica, resulta en las pérdidas correspondientes del campo visual. Esas pérdidas de campo visual se reflejan en las degradaciones de las características específicas de las regiones del sistema visual dadas¹⁷. Es importante destacar que las regiones del sistema visual que reciben entradas de partes no afectadas de la retina también se ven afectadas. Previamente se demostró en modelos animales de degeneración macular¹⁸ que después de un daño binocular en la retina central, no solo se agrava la agudeza, sino que se refuerza la percepción del movimiento, un rasgo característico del procesamiento periférico. Las pruebas de agudeza motriz descritas aquí proporcionan una información importante para la planificación de procedimientos de rehabilitación visual. Una visión completa de la interacción entre las partes central y periférica del campo visual tiene un papel crucial en la comprensión de cómo las funciones perdidas pueden ser reemplazadas por las piezas de repuesto del sistema visual y cómo este proceso puede ser apoyado por los procedimientos de rehabilitación del entrenamiento visual. En línea, el conocimiento de cómo la degeneración regional de la retina afecta el procesamiento visual, especialmente más allá de sus partes dañadas, sigue siendo incompleto. Las pruebas ópticas se basan en las mediciones de las características de la forma estacionaria. Por ejemplo, las mediciones de la agudeza visual se basan en estímulos estacionarios, ya sean letras (gráficos de Snellen), gráficos de rejilla o gráficos de agudeza vernier.

Con el fin de ampliar la comprensión de la dinámica entre la visión central y periférica en ojos sanos y ojos que tienen funciones visuales centrales/periféricas deterioradas, se introdujo una prueba de agudeza basada en el movimiento que mide la forma y la percepción del movimiento simultáneamente. La prueba de agudeza de movimiento se basa en la detección de formas ubicadas en el centro en contraste negativo o positivo (puntos oscuros o claros), una elipse y un círculo con superficies coincidentes, construidos a partir de cinematogramas de puntos aleatorios (RDK) y separados del mismo fondo RDK por velocidad, coherencia o dirección. La agudeza se mide como la diferencia mínima percibida entre las dimensiones del círculo y la elipse, y los resultados se dan en grados visuales en los que el sujeto se detiene para percibir la diferencia. Además, para comprobar si el contraste de luminancia influye en la intensidad de movimiento medida, los estímulos se pueden presentar en negativo (puntos negros sobre fondo blanco) o en contraste positivo (puntos blancos sobre fondo negro). Toda la información disponible sobre el procesamiento del contraste positivo (tipo ON) y negativo (tipo OFF) en el sistema visual proviene de la estimulación estacionaria del campo visual central^19,20. Pero la forma en que el procesamiento periférico de las señales de movimiento depende del contraste sigue siendo bastante desconocida^14,21. Solo se estableció que la sensibilidad a altas velocidades es específica para el procesamiento periférico, mientras que el procesamiento de movimiento central involucra velocidades lentas a frecuencias espaciales más altas presentadas en contraste positivo (tipo ON)¹². Las versiones de contraste positivas y negativas de los estímulos de agudeza de movimiento, así como la capacidad de modificar la velocidad de los puntos, así como la coherencia o dirección, son cruciales para una descripción más detallada del campo visual completo. Además, se propone un estrechamiento mecánico del campo visual a 10 grados centrales, utilizando gafas con lentes reemplazadas por otras opacas con orificios ubicados en el centro. Este sistema de estrechamiento fácilmente replicable, adecuado para los protocolos fMRI y TMS, permite investigaciones más detalladas de las funciones de la entrada visual periférica y cómo las periferias visuales influyen en la agudeza medida centralmente. Un sistema similar fue validado inicialmente en estudios previos¹⁴, en los que se encontró que las pruebas de agudeza de movimiento en contraste negativo y en movimiento rápido, activando fuertemente las periferias visuales, son las más difíciles para todos los participantes. Para los pacientes con la enfermedad de Stargardt, eran inmanejables. Es importante destacar que la atenuación de la estimulación de la periferia visual, al disminuir la velocidad de las RDK, mejora los umbrales de agudeza en todos los sujetos evaluados. En conclusión, proponemos la tarea con medición de la agudeza del movimiento basada en la discriminación de formas simples. Por lo tanto, los resultados son sencillos y fáciles de entender también para los pacientes y sus cuidadores. La prueba de agudeza motriz que se presenta aquí también está dirigida a usuarios ajenos al mundo académico. La tarea es fácil de explicar a una amplia gama de edades y grupos de pacientes.

Protocolo

Todos los procedimientos se realizaron siguiendo las directrices y normativas pertinentes y fueron aprobados por el Comité de Ética, WUM (KB/157/2017). Se obtuvo el consentimiento por escrito de todos los participantes, asegurando que entendían el objetivo general del experimento y que entendían la inclusión de sus datos con fines de análisis estadístico. Todos los estímulos visuales presentados se generan utilizando una aplicación de escritorio basada en Java (Viscacha2) creada para el propósito de estos experimentos.

1. Configuración

1. Asegure una habitación tranquila y con penumbra. Construya una configuración que consista en una computadora, un teclado, una pantalla plana, un rastreador ocular (opcional, dependiendo de la pregunta de investigación y los objetivos; consulte la Tabla de materiales), un escritorio, un mentonera y una silla. Colóquelo de manera que los participantes puedan sentarse con la barbilla apoyada en el mentonera, los ojos directamente frente al centro de la mitad superior de la pantalla y las manos alcanzando las teclas de flecha del teclado. La distancia horizontal entre la pantalla y los ojos debe ser de 85 cm.
   NOTA: Aunque se entrena a los participantes y se les pide específicamente que fijen la cruz de fijación central durante todo el procedimiento, las pruebas con un rastreador ocular pueden constituir un control adicional para filtrar durante los análisis de aquellos participantes que muestran demasiadas fluctuaciones con su mirada. Además, dependiendo del objetivo del estudio, los resultados del seguimiento ocular pueden proporcionar información interesante sobre los patrones de fijación, el tamaño de la pupila o la ubicación de interés de diferentes cohortes de participantes.
2. Visite https://github.com/grimwj/Viscacha2 y descargue el software haciendo clic en el botón Código y descargando ZIP. Extraiga el archivo zip y guárdelo en el directorio de trabajo.
3. Siga los pasos de instalación descritos en el archivo README.txt. En caso de realizar pruebas con un rastreador ocular, siga los pasos de instalación del software para el rastreador ocular. Monte el rastreador ocular según las instrucciones.
4. Para realizar una comprobación inicial, ejecute el programa haciendo doble clic en el archivo Viscacha2.jar. Después de que se muestre la pantalla inicial, presione ESC en el teclado para salir del programa.
5. Navegue a través de las carpetas recién creadas: experiment_data, TestPatient Shape_Brt. Abra el archivo .csv con un editor de hojas de cálculo (establezca punto y coma como separador de campos). Compruebe que los parámetros, como las dimensiones de la pantalla y la distancia a la pantalla, sean correctos.
   NOTA: A partir de aquí, el protocolo se basa en la suposición de que se utiliza una pantalla de 1920 x 1080 y 31,5 pulgadas y la distancia entre el paciente y la pantalla es de 85 cm. Esto implica que la pantalla ocupa 44,6° de espacio visual horizontalmente. Si no se pueden cumplir estos parámetros, se puede consultar el paso 5 para reconfigurar el programa.

2. Determinación de la dificultad inicial de la prueba

1. Abra el archivo config.txt y busque una línea que contenga patient_name=TestPatient. Reemplace el TestPatient con un texto que identifique al sujeto que se está examinando.
2. En el archivo config.txt, busque la línea filename=Shape_Brt.txt. Asegúrese de que esta línea no comience con un símbolo de almohadilla # (línea sin comentar).
3. Pida al sujeto que se siente frente a la pantalla, con la barbilla apoyada y los ojos directamente frente al centro de la mitad superior de la pantalla. Verifique que la distancia desde la pantalla sea correcta. Asegúrese de que las teclas del teclado sean fácilmente accesibles para el sujeto.
4. Navegue hasta el directorio Viscacha2.jar y ejecute el programa. Enseñe al participante a enfocar la vista en la cruz de fijación en el centro de la pantalla durante toda la duración del experimento.
5. A cada lado de la pantalla, se presentará un círculo o una elipse a la misma distancia de la cruz de fijación central. La tarea consiste en seleccionar el círculo sobre una elipse utilizando las teclas de flecha izquierda y derecha del teclado. Explique la tarea al participante y, cuando esté listo, presione la tecla s para comenzar el experimento. El experimento continúa hasta que el participante presiona una de las teclas de flecha.
6. El programa finaliza después de que se hayan producido cuatro reversiones o se haya alcanzado un número máximo de ensayos. Una inversión ocurre cuando el sujeto selecciona la respuesta incorrecta después de haber seleccionado previamente la correcta o viceversa.
   NOTA: Este es un procedimiento tipo escalera. La dificultad de cada prueba aumenta después de cada respuesta correcta y disminuye después de una respuesta incorrecta. La Figura 1 muestra cómo cambia el nivel de la escalera a lo largo de los ensayos para un participante representativo.
7. Observe las cuatro inversiones después de las cuales se finaliza la tarea y se establece el umbral de detección. Abra el archivo de .csv correspondiente que contiene los resultados. Localice las columnas THRESHOLD cerca del final del archivo. Utilice el valor de esta columna para calcular la dificultad inicial de las tareas posteriores.
   NOTA: La prueba también se puede presentar en un paradigma constante, donde el nivel de dificultad es fijo y no cambia, eliminando el símbolo de almohadilla de la línea Experiment_Type=Constant en los archivos init.txt y agregando un símbolo de almohadilla antes de la línea Experiment_Type=Staircase.

Figura 1: Cambio en el nivel de la escalera a lo largo del experimento de Shape_Brt (ensayos posteriores). El gráfico rojo representa el nivel de la escalera, lo que se traduce en la relación de aspecto de la S- (elipse). Después de que se hayan producido 4 inversiones (barras azules), se ha establecido el umbral de detección del sujeto y se ha finalizado la tarea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

8. Utilice el umbral recién obtenido como línea de base para la siguiente presentación de estímulos (pasos 2.3-2.5). Para reemplazar el nuevo umbral en todos los archivos de definición de estímulos, use el script de Python dentro de la carpeta replacer y siga las instrucciones en pantalla.

3. Procedimiento de estímulos

NOTA: Se realizarán un total de 10 experimentos: 5 con puntos blancos sobre fondo negro y 5 con puntos negros sobre fondo blanco.

1. Tarea de coherencia
   1. Cuando el asunto esté listo, abra el archivo config.txt y comente (es decir, inserte el símbolo de almohadilla) la línea filename=Shape_Brt.txt y descomente la línea a continuación, incluida la tarea shape_dotsB_C.txt. En esta tarea, el círculo y la elipse consisten en puntos que se mueven aleatoriamente con una velocidad de 10°/s. El fondo está formado por puntos que se mueven coherentemente hacia arriba con la misma velocidad que en el círculo y la elipse.
      NOTA: Es posible definir una dirección de movimiento diferente de los puntos de fondo editando el parámetro Dirección dentro del archivo de definición para cada tarea.
   2. Ejecute Viscacha2.jar. Explique la tarea al sujeto con palabras sencillas, por ejemplo, Por favor, señale siempre el círculo. Cuando el participante esté listo, presione la tecla s para comenzar el experimento. Espere hasta que se complete el experimento.
   3. Abra el archivo config.txt, comente la línea filename=shape_dotsB_C.txt y quite la marca de comentario de la línea siguiente, incluida la tarea shape_dotsW_C.txt. Repita el paso 3.1.2.
2. Tarea de dirección
   1. Cuando el asunto esté listo, abra el archivo config.txt y comente el nombre de archivo seleccionado anteriormente. Quite la marca de comentario de la línea que contiene filename=shape_dotsB_D.txt tarea. En esta tarea, el círculo y la elipse consisten en puntos que se mueven coherentemente hacia arriba con una velocidad de 10°/s. El fondo consiste en puntos que se mueven coherentemente hacia la izquierda con la misma velocidad que en el círculo y la elipse.
   2. Ejecute Viscacha2.jar. Explique la tarea al sujeto. Cuando el participante esté listo, presione la tecla s para comenzar el experimento. Espere hasta que se complete el experimento.
   3. Abra el archivo config.txt, comente la línea filename=shape_dotsB_D.txt y quite la marca de comentario de la línea siguiente, incluida la tarea shape_dotsW_D.txt. Repita el paso 3.2.2.
3. Tarea de velocidad
   1. Cuando el asunto esté listo, abra el archivo config.txt y comente el nombre de archivo seleccionado anteriormente. Quite la marca de comentario de la línea que contiene filename=shape_dotsB_V10_20.txt tarea. Esta tarea implica tres condiciones. El círculo y la elipse y el fondo consisten en puntos que se mueven coherentemente hacia arriba, y los puntos dentro del círculo y la elipse siempre se mueven más lentamente que los puntos de fondo: i) 10°/s frente a 20°/s; ii) 5°/s frente a 10°/s; y iii) 1°/s frente a 2°/s.
   2. Ejecute Viscacha2.jar. Explique la tarea al sujeto. Cuando el participante esté listo, presione la tecla s para comenzar el experimento. Espere hasta que se complete el experimento.
   3. Abra el archivo config.txt y comente en la línea shape_dotsB_V10_20.txt y quite el comentario de la línea a continuación, incluida la tarea shape_dotsW_V10_20.txt. Repita el paso 3.2.2.
   4. Repita los pasos 3.3.1 - 3.3.3 2x, para las tareas shape_dotsB_V5_10.txt y shape_dotsW_V5_10.txt, así como para shape_dotsB_V1_2.txt y shape_dotsW_V1_2.txt.
      1. Para evitar cambiar manualmente el nombre de archivo de cada tarea una vez finalizada la tarea, utilice una opción sweep_file. En el archivo config.txt, establezca el campo sweep_files en 0 para finalizar el procedimiento una vez finalizado cada procedimiento de tarea.
      2. Utilice esta configuración para la tarea Shape_Brt.txt para definir el valor de umbral de línea base inicial. Una vez establecida la línea base, para ejecutar varias tareas seguidas, establezca el archivo de barrido en un número entero entre 1 y 9. El número entero aquí determina el número de cambios entre tareas consecutivas (por ejemplo, si se establece en 1 y shape_dotsB_D.txt no está comentado, el programa ejecutará esta tarea y la siguiente. Si se establece en 9, se ejecutarán todas las tareas). Internamente, esto dará como resultado la regeneración de un nuevo archivo de configuración después de completar cada experimento, con un nombre de archivo seleccionado previamente comentado y el nombre de archivo posterior seleccionado para el próximo experimento.

4. Gafas que limitan la visión

1. Para eliminar transitoriamente el campo visual periférico, utilice gafas de natación (Figura 2), donde las lentes transparentes se sustituyen por otras blancas opacas. Las lentes tenían una apertura de 1,4 mm que limitaba el campo visual a los 10° centrales. Para que las gafas sean adecuadas para cada sujeto y para tener en cuenta lo mejor posible la distancia interocular individual natural, fabrique 14 pares de gafas con una distancia entre agujeros de 58 mm a 72 mm (con un paso de 1 mm entre cada par de gafas).

Figura 2: Estrechamiento de las gafas. Los orificios centrales tienen un diámetro de 1,4 mm. Teníamos 14 pares de gafas con distancias entre agujeros de 58 mm a 72 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Utilice una regla para definir la distancia entre los ojos del participante. Coloque la regla justo encima de los ojos, en línea con las cejas, con el valor 0 encima de un ojo. Calcule qué tan lejos en mm está la segunda pupila verificando el valor en la parte superior del segundo ojo. Durante el procedimiento, pida al participante que mantenga la mirada lo más estable posible.
3. Después de haber elegido el par más adecuado, dé un descanso de 15 minutos. Durante este tiempo, pida a los participantes que se muevan libremente en la habitación, usen su teléfono o lean para que los ojos se acostumbren a la nueva condición visual.
4. Vuelva a iniciar el procedimiento desde el paso 3.

5. Reconfiguración

1. Calibración del tamaño y la distancia de la pantalla
   1. Si se utiliza una pantalla diferente, inserte las dimensiones de la pantalla (resolución y diagonal) en el archivo de configuración (resolution_v para la resolución vertical, resolution_h para la resolución horizontal diagonal_inch para la diagonal de la pantalla en pulgadas).
   2. Ejecute Viscacha2.jar. Una vez que aparezca la pantalla inicial, presione ESC para terminar. Abra el archivo .csv que contiene los resultados.
   3. Busque la línea que contiene el texto Distancia en mm y anote el valor.
   4. Vuelva a ajustar la configuración experimental para que el sujeto pueda sentarse a la distancia recién calculada. Calcule la distancia para que el ancho de la pantalla ocupe 44,6° de espacio visual horizontalmente. Esto se define mediante el parámetro full_angle_h, que también se puede cambiar en el archivo config.txt.
      NOTA: La calibración también se puede realizar para la altura de la pantalla utilizando el parámetro full_angle_v. Tenga en cuenta que solo se puede establecer uno de estos parámetros, el otro debe comentarse con un prefijo #.
2. Definición de estímulos
   1. Defina los parámetros de los estímulos en archivos separados (por ejemplo, shape_dotsB_C.txt). Algunos valores, como las dimensiones de S- (Ellipse_X, Ellipse_Y) se dan en píxeles. Para calcular de píxeles a grados visuales, multiplique el valor por el multiplicador de píxel a ángulo extraído del archivo csv que contiene los resultados.
      NOTA: Los parámetros de los estímulos, como la coherencia de los puntos, están predefinidos y ajustables para cada capa (fondo, forma S+, forma S-, ruido). En la tarea de coherencia, por ejemplo, el círculo y la elipse consisten en puntos que se mueven aleatoriamente con una velocidad de 10°/s (coherencia = 0,0). El fondo está formado por puntos que se mueven coherentemente hacia arriba con la misma velocidad que en el círculo y la elipse (coherencia = 1,0). Viscacha2 aún no tiene un manual de usuario oficial. Para obtener más información sobre la definición de estímulos, consulte el archivo stimuli_description.ods en el repositorio Viscacha2.

Resultados

La tarea de agudeza de movimiento genera, para cada participante, una ficha de resultados para cada procedimiento de estímulos. Se ha incluido un archivo de registro ejemplar para un participante de prueba en el repositorio dentro de la carpeta doc. Desde la fila 1 hasta la fila 31, se informan varios ajustes, como el nombre del paciente y los ajustes de configuración. El bloque de tareas comienza desde la fila 34 e informa de la información importante necesaria para un análisis posterior: tiempo del evento, tipo de ...

Discusión

Aquí, se describe un método novedoso para medir la agudeza visual del movimiento utilizando un conjunto de estímulos basados en cinematogramas de puntos aleatorios. El resultado se da como una diferencia mínima percibida entre un círculo y una elipse, y permite ver cuándo el sujeto dejó de distinguir formas entre sí. Cuanto menor sea la diferencia lograda, mejor será la agudeza: significa que el sujeto aún puede detectar dónde está el círculo, aunque sea casi idéntico a la elipse. La prueba de agudeza de mo...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chinrest			custom-made
Computer			Windows 10 or higher
Display			1920 × 1080, 31 inches
EyeLink 1000 Plus	SR Research		desktop mount
USB Keyboard
USB mouse