Évaluation du champ visuel central binoculaire et des mouvements oculaires binoculaires dans un état d’observation dichoptique

Résumé

Présenté ici est un protocole pour évaluer les mouvements oculaires binoculaires et le criblage central de champ visuel contrôlé par le regard dans les participants avec la perte centrale de vision.

Résumé

La dégénérescence maculaire entraîne généralement des défauts visuels centraux binoculaires hétérogènes. Les approches actuellement disponibles pour évaluer le champ visuel central, comme la micropétrométrie, ne peuvent tester qu’un œil à la fois. Par conséquent, ils ne peuvent pas expliquer comment les défauts dans chaque œil affectent l’interaction binoculaire et la fonction du monde réel. La présentation dichoptique de stimulus avec un système gaze-commandé pourrait fournir une mesure fiable des champs visuels monoculaires/binoculaires. Toutefois, la présentation dichoptique de stimulus et le suivi simultané des yeux sont difficiles parce que les dispositifs optiques des instruments qui présentent le stimulus dichoptically (par exemple, haploscope) interfèrent toujours avec eye-trackers (par exemple, infrarouge vidéo-basé eye-trackers). Par conséquent, les objectifs étaient 1) de développer une méthode pour la présentation dichoptique de stimulus avec eye-tracking simultané, utilisant des lunettes 3D-obturateur et des moniteurs 3D-prêts, qui n’est pas affecté par l’interférence et 2) pour employer cette méthode pour développer un protocole pour évaluer le champ visuel central dans les sujets avec la perte centrale de vision. Les résultats ont montré que cette configuration fournit une solution pratique pour mesurer de manière fiable les mouvements oculaires dans un état de visualisation dichoptique. En outre, il a également été démontré que cette méthode peut évaluer le champ visuel central binoculaire contrôlé par le regard dans les sujets avec la perte centrale de vision.

Introduction

La dégénérescence maculaire est généralement une condition bilatérale affectant la vision centrale et le modèle de perte visuelle peut être hétérogène. La perte visuelle centrale pourrait être symétrique ou asymétrique entre deux yeux¹. Actuellement, il existe plusieurs techniques disponibles pour évaluer le champ visuel central dans la dégénérescence maculaire. Le graphique de grille Amsler contient un modèle de grille qui peut être utilisé pour filtrer manuellement le champ visuel central. Les périmètres automatisés (p. ex., analyseur de champ visuel Humphrey) présentent des éclairs de luminosité et de tailles variables dans un bol de ganzfeld normalisé pour sonder le champ visuel. La micropérimétrie gaze-contingent présente le stimulus visuel sur un affichage d’affichage à cristaux liquides. Les micro-périmètres peuvent compenser les mouvements micro-oculaires en suivant une région d’intérêt sur la rétine. Les micro-périmètres peuvent sonder les régions locales de la rétine centrale pour les changements de fonction, mais ne peuvent tester qu’un œil à la fois. Par conséquent, les tests micro perimétriques ne peuvent pas expliquer comment les défauts hétérogènes de chaque œil affectent l’interaction binoculaire et la fonction du monde réel. Il y a un besoin non satisfait d’une méthode pour évaluer de manière fiable les champs visuels dans un état d’observation qui se rapproche étroitement de l’observation du monde réel. Une telle évaluation est nécessaire pour comprendre comment le défaut visuel de champ d’un oeil affecte/contribue au défaut binoculaire de champ visuel. Nous proposons une nouvelle méthode pour évaluer le champ visuel central chez les personnes avec la perte visuelle centrale dans l’état dichoptique de visionnement (c.-à-d., quand les stimulus visuels sont indépendamment présentés à chacun des deux yeux).

Pour mesurer les champs visuels de manière fiable, la fixation doit être maintenue à un lieu donné. Par conséquent, il est important de combiner le suivi oculaire et la présentation dichoptique pour l’évaluation binoculaire. Toutefois, la combinaison de ces deux techniques peut s’avérer difficile en raison de l’interférence entre les systèmes d’éclairage du traqueur oculaire (p. ex., leds infrarouges) et les éléments optiques des systèmes de présentation dichoptiques (p. ex., miroirs d’haploscope ou prismes de stéréoscopes). D’autres options sont d’utiliser une technique de suivi oculaire qui n’interfère pas avec la ligne de mire (par exemple, la technique de bobine scléricale) ou un eye-tracker qui est intégré avec des lunettes². Bien que chaque méthode ait ses propres avantages, il y a des inconvénients. La première méthode est considérée comme invasive et peut causer un inconfort^{considérable 3} et les dernières méthodes ont de faibles résolutions temporelles (60 Hz)⁴. Pour surmonter ces problèmes, Brascamp & Naber (2017)⁵ et Qian & Brascamp (2017)⁶ ont utilisé une paire de miroirs froids (qui transmettaient la lumière infrarouge mais reflétaient 95% de la lumière visible) et une paire de moniteurs de chaque côté des miroirs froids pour créer une présentation dichoptique. Infrarouge vidéo basé eye-tracker a été utilisé pour suivre les mouvements oculaires dans la configuration haploscope^7,8.

Cependant, l’utilisation d’une présentation dichoptique de type haploscope a un inconvénient. Le centre de rotation de l’instrument (haploscope) est différent du centre de rotation de l’œil. Par conséquent, des calculs supplémentaires (tels que décrits à l’Annexe – A de Raveendran (2013)⁹) sont nécessaires pour des mesures appropriées et précises des mouvements oculaires. En outre, les plans d’hébergement et de vergence doivent être alignés (c’est-à-dire que la demande d’hébergement et de vergence doit être la même). Par exemple, si la distance de travail (distance optique totale) est de 40 cm, alors la demande d’hébergement et de vergence est de 2,5 diopters et angles de 2,5 mètres, respectivement. Si nous alignons les miroirs parfaitement orthogonaux, alors l’haploscope est aligné pour une visualisation à distance (c.-à-vergence requis est nul), mais l’hébergement requis est toujours 2.5D. Par conséquent, une paire de lentilles convexes (+2,50 diopters) doit être placée entre l’arrangement de l’œil et du miroir de l’haploscope pour pousser le plan d’hébergement à l’infini (c.-à-d. que l’hébergement requis est nul). Cet arrangement nécessite plus d’espace entre l’arrangement de l’œil et du miroir de l’haploscope est nécessaire, ce qui nous ramène à la différence dans les centres de rotation. La question de l’alignement des plans d’hébergement et de vergence peut être minimisée en alignant l’haploscope à la visualisation proche de telle sorte que les deux avions sont alignés. Toutefois, cela nécessite la mesure de la distance inter-pupille pour chaque participant et l’alignement correspondant des miroirs haploscope / stimulus présentant des moniteurs.

Dans cet article, nous introduisons une méthode pour combiner le suivi oculaire basé sur la vidéo infrarouge et la présentation dichoptique de stimulus utilisant des lunettes d’obturateur 3D sans fil et des moniteurs 3D-prêts. Cette méthode ne nécessite pas de calculs et/ou d’hypothèses supplémentaires comme ceux utilisés avec la méthode haploscopique. Les lunettes d’obturateur ont été employées en conjonction avec des traqueurs d’oeil pour comprendre la fusion binoculaire^10,l’adaptation saccadic^11,et la coordination oeil-main^12. Cependant, il convient de noter que les lunettes d’obturateur stéréo utilisées par Maiello et^{ses collègues 10,11},^{12 étaient}les lunettes d’obturateur de première génération, qui étaient reliées par un fil pour se synchroniser avec le taux de rafraîchissement du moniteur. En outre, les lunettes d’obturateur de première génération sont commercialement indisponibles maintenant. Ici, nous démontrons l’utilisation de lunettes d’obturateur sans fil de deuxième génération disponibles dans le commerce(Table of Materials)pour présenter un stimulus dichoptique et mesurer de manière fiable les mouvements oculaires monoculaires et binoculaires. En outre, nous démontrons une méthode pour évaluer les champs visuels monoculaires/binoculaires dans les sujets avec la perte de champ visuel central. Tandis que la présentation dichoptique du stimulus visuel permet l’évaluation monoculaire et binoculaire des champs visuels, le suivi oculaire binoculaire dans l’état dichoptique de visionnement facilite l’essai visuel de champs dans un paradigme gaze-controlled.

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Protocole

Toutes les procédures et protocoles décrits ci-dessous ont été examinés et approuvés par le comité d’examen institutionnel de l’Université d’État de Wichita, à Wichita, au Kansas. Le consentement éclairé a été obtenu de tous les participants.

1. Sélection des participants

1. Participants recrutés ayant une vision normale (n=5, 4 femelles, moyenne ± SE : 39,8 ± 2,6 ans), et avec perte de vision centrale (n=15, 11 femelles, 78,3 ± 2,3 ans) en raison de la dégénérescence maculaire (liée à l’âge/juvénile). Notez que les âges nettement différents des deux groupes étaient secondaires à la démographie des sujets ayant une perte de vision centrale (la dégénérescence maculaire liée à l’âge affecte les sujets plus âgés et est plus répandue chez les femmes). De plus, l’objectif de cette étude n’était pas de comparer les deux cohortes.

2. Préparation de l’expérience

1. Utilisez un obturateur actif 3D sans fil(Table of Materials)qui peut être synchronisé avec n’importe quel moniteur prêt pour la 3D. Pour que les lunettes d’obturateur soient actives, il ne devrait pas y avoir d’interférence entre l’émetteur infrarouge (une petite boîte noire en forme de pyramide) et le récepteur infrarouge (capteur) sur le pont avant des lunettes d’obturateur.
2. Affichez tous les stimuli visuels sur un moniteur 3D (1920 x 1080 pixels, 144 Hz). Pour que le moniteur et les lunettes 3D fonctionnent de manière transparente, assurez-vous que les conducteurs appropriés sont installés.
3. Utilisez un eye-tracker infrarouge monté sur table (Table of Materials) capable de mesurer les mouvements oculaires à l’échantillonnage de 1000 Hz pour ce protocole. Séparez l’éclairage infrarouge et la caméra de l’eye-tracker utiliser n’importe quel trépied avec la hauteur réglable et l’angle (Tableau des matériaux) pour les maintenir fermement en place. Placez la caméra à une distance de 20-30 cm du participant et placez l’écran à une distance de 100 cm du participant.
4. Utilisez un patch réfléchissant infrarouge(Tableau des matériaux)pour éviter l’interférence entre l’éclairage infrarouge de l’eye-tracker et le système infrarouge des lunettes d’obturateur (Figure 1, Droite).
5. Utilisez un logiciel disponible dans le commerce (Table of Materials) pour intégrer des lunettes d’obturateur et un moniteur prêt 3D pour la présentation dichoptique de stimuli visuels pour contrôler l’eyetracker.
6. Pour stabiliser les mouvements de la tête, utilisez un menton et un front hauts et larges (Table of Materials) et serrez-le sur une table réglable. La grande dimension du repose-menton et du front permet un positionnement confortable des participants avec les lunettes d’obturateur.
   REMARQUE : La figure 1 montre la configuration du suivi oculaire avec présentation de stimulus dichoptique à l’aide de lunettes d’obturateur 3D et d’un moniteur prêt pour la 3D. Le patch réfléchissant infrarouge a été stratégiquement placé sous le capteur infrarouge sur le pont avant des lunettes d’obturateur 3D (Figure 1, Droite).
7. Réduisez au minimum la fuite d’informations de luminance en désactivant l’option de boost lumineux dans le moniteur prêt 3D. La fuite d’informations de luminance d’un œil à l’autre est connue sous le nom de fuite de luminance ou de tige^{croisée 13}. Ceci est sujet à se produire avec les écrans stéréoscopiques dans les conditions de haute luminosité.
8. En raison des volets, la quantité d’éclairage infrarouge (provenant du système de suivi oculaire) atteignant la pupille peut^{être considérablement réduite 13} – en moyenne, environ 65 % de la luminance a été réduite(tableau supplémentaire 1). Pour surmonter cela, augmentez la force des LED infrarouges de l’eyetracker à 100% ou (le réglage maximum) du réglage de puissance par défaut. Lors de l’utilisation de l’eye-tracker vidéo infrarouge (Table of Materials) modifier ce paramètre dans les paramètres « Puissance d’illumination » dans l’écran inférieur gauche comme indiqué dans la figure 2.

3. Exécution de l’expérience

REMARQUE : L’expérience principale de cette étude était le suivi et le criblage binoculaires d’oeil du champ visuel central utilisant le stimulus dichoptique. Le criblage visuel central sur le terrain était comparable aux essais visuels sur le terrain d’instruments disponibles dans le commerce( Tableau des matériaux). Les propriétés physiques du stimulus visuel telles que la luminance de la cible (~22 cd/m^2),la luminance de l’arrière-plan (~10 cd/m^2),la taille de la cible (Goldmann III – 4 mm^2),la grille de champ visuel (grille Polar 3 avec 28 points, figure 3)et la durée de stimulation (200 ms) étaient identiques aux essais visuels sur le terrain des instruments disponibles dans le commerce. Notez que ces valeurs de luminance ont été mesurées à l’aide de lunettes d’obturation lorsque l’obturateur étaitactivé (tableau supplémentaire 1). Aux fins des essais discutés ici, la luminosité du stimulus était constante contrairement aux essais visuels sur le terrain où la luminance du stimulus est modifiée pour obtenir un seuil de détection. En d’autres termes, l’expérience a utilisé le dépistage supra-seuil et non le seuil. Par conséquent, les résultats du dépistage étaient des réponses binaires (stimuli vus ou non) et non des valeurs numériques.

1. Vérifications préalables à l’expérience
   1. Quelques minutes avant l’arrivée du participant pour le test, assurez-vous que le traqueur oculaire et l’ordinateur hôte (qui exécute l’expérience) sont allumés et confirmez que l’ordinateur hôte est connecté à l’eyetracker.
   2. En règle générale, confirmez la précision de synchronisation (à l’aide de commandes spécifiques à la plate-forme) de l’écran avant de commencer l’expérience.
2. Lancement de l’expérience principale
   REMARQUE : Les étapes ci-dessous sont très spécifiques à la plate-forme et dépendent du script qui exécute l’expérience principale. Voir Matériau supplémentaire qui contient les échantillons des codes utilisés pour concevoir et exécuter l’expérience.
   1. Lancez le programme (Voir Matériel supplémentaire - 'ELScreeningBLR.m') qui exécute l’expérience principale à partir de l’interface appropriée. Lorsque et si le programme l’incite, entrez les informations du participant (telles que l’ID participant, la distance de test) qui sont nécessaires pour enregistrer le fichier de données de sortie dans le dossier de données avec un nom de fichier unique.
   2. Un écran gris avec des instructions telles que « Appuyez sur Entrez pour basculer la caméra; Appuyez sur C pour calibrer, Appuyez sur V pour valider » apparaîtra à l’écran. À ce stade, ajustez la caméra de l’eye-tracker pour vous aligner sur la pupille du participant, comme le montre la figure 2.
3. Étalonnage et validation eye-tracker
   1. Initier l’étalonnage de l’eye-tracker. Demandez aux participants de suivre la cible en déplaçant les yeux (et non la tête) et de regarder le centre de la cible.
   2. Après l’étalonnage réussi, lancez la validation. Fournissez les mêmes instructions que l’étalonnage.
   3. Lisez les résultats de l’étape de validation (habituellement affichée à l’écran). Répétez l’étalonnage et la validation jusqu’à ce que le résultat « bon/juste » (tel que recommandé par le manuel eyetracker) soit obtenu.
4. Correction de dérive
   1. Une fois l’étalonnage et la validation de l’eye-tracker terminés, lancez la correction de dérive.
   2. Demandez aux participants de « regarder la cible centrale de fixation et de garder les yeux aussi stables que possible ».
      REMARQUE : Après l’étalonnage, la validation et la correction de la dérive, le suivi oculaire sera initié simultanément avec l’expérience principale.
5. Dépistage visuel sur le terrain
   1. Ré-instruire/rappeler au participant la tâche qu’il doit accomplir pendant l’expérience. Demandez aux sujets de garder les deux yeux ouverts pendant tout le test.
   2. Pour cette expérience de champ visuel, demandez-leur de maintenir la fixation à la cible centrale de fixation tout en répondant à « n’importe quelle lumière blanche vue » en appuyant sur le bouton « entrez » dans le bouton de réponse (figure 1, tableau des matériaux). Demandez-leur de ne pas bouger les yeux et de rechercher les nouvelles lumières blanches. Rappelez-leur également que les brèves lumières blanches peuvent apparaître à n’importe quel endroit de l’écran.
      REMARQUE : Lors du criblage visuel sur le terrain, le fonctionnement des lunettes d’obturateur peut être sondé à l’aide de cibles monoculaires qui peuvent être fusionnées pour former un percepteur complet (voir la figure supplémentaire 2 – essais de capture).
   3. Ré-itérer l’instruction de « tenir la fixation » plusieurs fois tout au long de l’expérience pour s’assurer que la fixation se trouve dans la zone désirée.
      REMARQUE : Une rétroaction audio (comme une tonalité d’erreur) peut être utilisée pour alerter la perte de fixation (comme les yeux déplacés à l’extérieur d’une fenêtre de tolérance). Lorsque la fixation expire, réinstruction du participant pour fixer uniquement sur la cible croisée. La présentation des stimuli visuels peut être temporairement arrêtée jusqu’à ce que le participant ramène la fixation à l’intérieur de la fenêtre de tolérance (comme le centre 2°).
   4. À la fin de l’expérience de champ visuel, l’écran affichera le résultat des tests mettant en évidence les emplacements vus et non vus différemment (comme par exemple la figure 6).
6. Enregistrement du fichier de données
   1. Toutes les données de champ visuel (disons enregistrées comme « . fichier mat) et les données de mouvement oculaire (par exemple enregistrées sous le nom de fichier « .edf) seront enregistrées automatiquement pour une analyse post-hoc. Toutefois, assurez-vous que les fichiers ont été enregistrés avant de quitter le programme / plate-forme exécutant l’expérience.

4. Analyse

REMARQUE : L’analyse du mouvement oculaire et des données visuelles sur le terrain peut être effectuée de plusieurs façons et dépend du logiciel utilisé pour exécuter l’expérience et le format de données de la sortie du traqueur oculaire. Les étapes ci-dessous sont spécifiques à la configuration et au programme (voir Matériaux supplémentaires).

1. Analyse du mouvement oculaire (post-hoc)
   REMARQUE : Le fichier de données sur les mouvements oculaires enregistrés (EDF) est un format binaire hautement compressé, et il contient de nombreux types de données, y compris des événements de mouvement oculaire, des messages, des appuie-boutons et des échantillons de position du regard.
   1. Convertir EDF en fichiers ASC-II à l’aide d’un programme de traducteurs (EDF2ASC).
   2. Exécutez 'PipelineEyeMovementAnalysisERI.m' pour paraphé l’analyse du mouvement oculaire et suivre les instructions telles que indiquées dans le code (voir matériaux supplémentaires pour le script du code).
   3. Exécutez « EM_plots.m », pour extraire les positions horizontales et verticales des yeux et pour tracer comme indiqué dans la figure 4 et la figure 5.
      REMARQUE : Les données sur le mouvement oculaire peuvent être analysées plus en détail pour calculer la stabilité de la fixation, détecter les microsaccades, etc. Toutefois, cela dépasse le cadre du présent document.
2. Champs visuels
   1. Pour obtenir les rapports d’essai visuel sur le terrain, exécutez « VF_plot.m ».
      REMARQUE : Tous les ensembles de données relatifs à l’expérience sur le terrain visuel, tels que les points vus ou non vus, seront tracés comme une carte visuelle sur le terrain, comme le montre la figure 6. Si un point a été vu, alors il sera tracé comme « vert » carré rempli, sinon un carré rempli de rouge sera tracé. Aucune analyse post-hoc des données visuelles sur le terrain ne sera requise.

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Résultats

Les traces représentatives de mouvement oculaire binoculaire d’un observateur ayant une vision binoculaire normale au cours de deux conditions d’observation différentes sont indiquées( figure 4). Le suivi continu des mouvements oculaires était possible lorsque les deux yeux ont vu le stimulus (figure 4A), et quand l’œil gauche a vu le stimulus avec l’œil droit sous un obturateur actif (Figure 4B). Comme en témoigne ce...

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Discussion

La méthode proposée pour mesurer les mouvements oculaires en état dichoptique de visualisation a de nombreuses applications potentielles. L’évaluation des champs visuels binoculaires chez les participants ayant une perte de vision centrale qui est démontrée ici est l’une de ces applications. Nous avons utilisé cette méthode pour évaluer le champ visuel binoculaire chez quinze participants ayant une perte de vision centrale afin d’étudier comment l’observation binoculaire influence la perte hétérogène...

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matériels

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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
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