Valutazione del campo visivo centrale binoculare e dei movimenti degli occhi binocoli in una condizione di visualizzazione dicoptica

Riepilogo

Qui è presentato un protocollo per valutare i movimenti degli occhi binoculari e lo screening del campo visivo centrale controllato dallo sguardo nei partecipanti con perdita della vista centrale.

Abstract

La degenerazione maculare in genere si traduce in difetti visivi centrali binoculari eterogenei. Gli approcci attualmente disponibili per valutare il campo visivo centrale, come la microperimetria, possono testare solo un occhio alla volta. Pertanto, non possono spiegare come i difetti in ogni occhio influenzino l'interazione binoculare e la funzione del mondo reale. La presentazione di stimoli dicoptici con un sistema controllato dallo sguardo potrebbe fornire una misura affidabile dei campi visivi monoculari / binocoli. Tuttavia, la presentazione dello stimolo dicottico e il tracciamento oculare simultaneo sono impegnativi perché i dispositivi ottici degli strumenti che presentano stimoli dicopticamente (ad esempio, aploscopio) interferiscono sempre con gli eye-tracker (ad esempio, eye-tracker basati su video a infrarossi). Pertanto, gli obiettivi erano 1) sviluppare un metodo per la presentazione di stimoli dicoptici con tracciamento oculare simultaneo, utilizzando occhiali otturatore 3D e monitor pronti per il 3D, che non è influenzato da interferenze e 2) per utilizzare questo metodo per sviluppare un protocollo per valutare il campo visivo centrale in soggetti con perdita della vista centrale. I risultati hanno dimostrato che questa configurazione fornisce una soluzione pratica per misurare in modo affidabile i movimenti oculari in condizioni di visione dicottiche. Inoltre, è stato anche dimostrato che questo metodo può valutare il campo visivo centrale binoculare controllato dallo sguardo in soggetti con perdita della vista centrale.

Introduzione

La degenerazione maculare è generalmente una condizione bilaterale che influenza la visione centrale e il modello di perdita visiva può essere eterogeneo. La perdita visiva centrale potrebbe essere simmetrica o asimmetrica tra due occhi¹. Attualmente, ci sono diverse tecniche disponibili per valutare il campo visivo centrale nella degenerazione maculare. Il grafico a griglia amsler contiene un motivo a griglia che può essere utilizzato per schermare manualmente il campo visivo centrale. I perimetri automatizzati (ad esempio, analizzatore di campi visivi Humphrey) presentano lampi di luce di varia luminosità e dimensioni in una ciotola ganzfeld standardizzata per sondare il campo visivo. La microperimetria dipendente da gaze presenta stimoli visivi su un display LCD. I micro-perimetri possono compensare i movimenti dei micro-occhi monitorando una regione di interesse sulla retina. I micro-perimetri possono sondare le regioni locali nella retina centrale alla ricerca di cambiamenti nella funzione, ma possono testare solo un occhio alla volta. Di conseguenza, i test micro-perimetrici non possono spiegare come i difetti eterogenei in ogni occhio influenzino l'interazione binoculare e la funzione del mondo reale. È necessario che un metodo valuti in modo affidabile i campi visivi in una condizione di visualizzazione che si avvicina strettamente alla visualizzazione nel mondo reale. Tale valutazione è necessaria per capire come il difetto del campo visivo di un occhio influisce / contribuisce al difetto del campo visivo binoculare. Proponiamo un nuovo metodo per valutare il campo visivo centrale nelle persone con perdita visiva centrale in condizioni di visione dicottiche (cioè, quando gli stimoli visivi sono presentati in modo indipendente a ciascuno dei due occhi).

Per misurare i campi visivi in modo affidabile, la fissazione deve essere mantenuta in un determinato luogo. Pertanto, è importante combinare il tracciamento oculare e la presentazione dicoptica per la valutazione binoculare. Tuttavia, la combinazione di queste due tecniche può essere impegnativa a causa delle interferenze tra i sistemi illuminanti dell'eye-tracker (ad esempio, LED a infrarossi) e gli elementi ottici dei sistemi di presentazione dicoptici (ad esempio, specchi di aploscopio o prismi di stereoscopi). Opzioni alternative sono l'utilizzo di una tecnica di tracciamento oculare che non interferisca con la linea di vista (ad esempio, la tecnica della bobina sclerale) o un eye-tracker integrato con gli occhiali². Sebbene ogni metodo abbia i suoi benefici, ci sono svantaggi. Il primo metodo è considerato invasivo e può causare^{notevole disagio 3} e questi ultimi metodi hanno basse risoluzioni temporali (60 Hz)⁴. Per superare questi problemi, Brascamp & Naber (2017)⁵ e Qian & Brascamp (2017)^{6 hanno utilizzato} un paio di specchi freddi (che trasmettevano luce infrarossa ma riflettevano il 95% della luce visibile) e un paio di monitor su entrambi i lati degli specchi freddi per creare una presentazione dicoptica. L'eye-tracker basato su video a infrarossi è stato utilizzato per tenere traccia dei movimenti degli occhi nella configurazione dell'aploscopio^7,8.

Tuttavia, l'uso di una presentazione dicoptica di tipo aploscopio ha uno svantaggio. Il centro di rotazione dello strumento (aploscopio) è diverso dal centro di rotazione dell'occhio. Pertanto, sono necessari ulteriori calcoli (come descritto nell'Appendice – A di Raveendran (2013)⁹) per misurazioni corrette e accurate dei movimenti oculari. Inoltre, i piani di alloggio e di convergenza devono essere allineati (cioè, la domanda di alloggio e vergenza deve essere la stessa). Ad esempio, se la distanza di lavoro (distanza ottica totale) è di 40 cm, la domanda di alloggio e vergenza è rispettivamente di 2,5 diottrie e angoli di 2,5 metri. Se allineiamo gli specchi perfettamente ortogonali, allora l'aploscopio è allineato per una visione lontana (cioè, la vergenza richiesta è zero), ma l'alloggio richiesto è ancora 2.5D. Pertanto, un paio di lenti convesse (+2,50 diottrie) devono essere posizionate tra la disposizione dell'occhio e dello specchio dell'aploscopio per spingere il piano di alloggio all'infinito (cioè, l'alloggio richiesto è zero). Questa disposizione richiede più spazio tra la disposizione degli occhi e dello specchio dell'aploscopio, il che ci riporta alla differenza nei centri di rotazione. Il problema di allineare i piani di accomodamento e convergenza può essere ridotto al minimo allineando l'aploscopio alla visualizzazione vicina in modo che entrambi i piani siano allineati. Tuttavia, ciò richiede la misurazione della distanza inter-pupillare per ogni partecipante e il corrispondente allineamento degli specchi/stimolanti dell'aploscopio che presentano monitor.

In questo documento, introduciamo un metodo per combinare il tracciamento oculare basato su video a infrarossi e la presentazione di stimoli dicoptici utilizzando occhiali otturatore 3D wireless e monitor pronti per il 3D. Questo metodo non richiede calcoli e/o ipotesi aggiuntivi come quelli utilizzati con il metodo aploscopico. Gli occhiali dell'otturatore sono stati utilizzati in combinazione con gli eye tracker per comprendere la fusione binoculare^10,l'adattamento saccadico¹¹e la coordinazione occhio-mano^12. Tuttavia, va notato che gli occhiali stereo-otturatore utilizzati da Maiello e colleghi^{10,11,12 erano} gli occhiali otturatore di prima generazione, che erano collegati attraverso un filo per sincronizzarsi con la frequenza di aggiornamento del monitor. Inoltre, gli occhiali otturatore di prima generazione non sono commercialmente disponibili ora. Qui, dimostriamo l'uso di occhiali otturatore wireless di seconda generazione disponibili in commercio(Table of Materials)per presentare stimoli dicoptici e misurare in modo affidabile i movimenti oculari monoculari e binoculari. Inoltre, dimostriamo un metodo per valutare i campi visivi monoculari /binocoli in soggetti con perdita centrale del campo visivo. Mentre la presentazione dicoptica dello stimolo visivo consente la valutazione monoculare e binoculare dei campi visivi, il tracciamento oculare binoculare in condizioni di visualizzazione dicottiche facilita il test dei campi visivi in un paradigma controllato dallo sguardo.

Protocollo

Tutte le procedure e il protocollo descritti di seguito sono stati esaminati e approvati dal comitato di revisione istituzionale della Wichita State University, Wichita, Kansas. Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i partecipanti.

1. Selezione dei partecipanti

1. Partecipanti reclutati con visione normale (n=5, 4 femmine, media ± SE: 39,8 ± 2,6 anni) e con perdita della vista centrale (n=15, 11 femmine, 78,3 ± 2,3 anni) a causa della degenerazione maculare (legata all'età /giovanile). Si noti che l'età grossolanamente diversa dei due gruppi era secondaria alla demografia dei soggetti con perdita della vista centrale (la degenerazione maculare legata all'età colpisce i soggetti più anziani ed è più diffusa nelle femmine). Inoltre, l'obiettivo di questo studio non era confrontare le due coorti.

2. Preparazione dell'esperimento

1. Utilizzare un otturatore attivo 3D wireless (Table of Materials) che può essere sincronizzato con qualsiasi monitor pronto per il 3D. Affinché gli occhiali dell'otturatore siano attivi, non dovrebbero esserci interferenze tra il trasmettitore a infrarossi (una piccola scatola nera a forma di piramide) e il ricevitore a infrarossi (sensore) sul ponte nasale degli occhiali dell'otturatore.
2. Visualizza tutti gli stimoli visivi su un monitor 3D (1920 x 1080 pixel, 144 Hz). Affinché il monitor e gli occhiali 3D funzionino senza soluzione di continuità, assicurarsi che siano installati driver appropriati.
3. Utilizzare un eye-tracker a infrarossi montato su tavolo (Table of Materials) in grado di misurare i movimenti degli occhi al campionamento di 1000 Hz per questo protocollo. Separare l'illuminazione a infrarossi e la fotocamera dell'eye-tracker utilizzare qualsiasi treppiede con altezza e angolo regolabili (Tavolo dei materiali) per tenerli saldamente in posizione. Posizionare la fotocamera a una distanza di 20-30 cm dal partecipante e posizionare lo schermo a una distanza di 100 cm dal partecipante.
4. Utilizzare una patch riflettente a infrarossi (Tabella dei materiali) per evitare l'interferenza tra l'illuminazione a infrarossi dell'eye-tracker e il sistema a infrarossi degli occhiali dell'otturatore ( Figura1, Destra).
5. Utilizzare il software disponibile in commercio (Table of Materials) per integrare occhiali dell'otturatore e monitor pronto per il 3D per la presentazione dicoptica di stimoli visivi per controllare l'eyetracker.
6. Per stabilizzare i movimenti della testa, utilizzare un mento alto e largo e un poggia fronte(Tavolo dei Materiali)e fissarlo a un tavolo regolabile. L'ampia dimensione del mento e del poggiatesta consente un comodo posizionamento dei partecipanti con gli occhiali dell'otturatore.
   NOTA: la figura 1 mostra la configurazione per il tracciamento oculare con presentazione di stimolo dicottico utilizzando occhiali otturatore 3D e monitor pronto per il 3D. Il cerotto riflettente a infrarossi è stato posizionato strategicamente sotto il sensore a infrarossi sul ponte nasale degli occhiali dell'otturatore 3D(Figura 1,Destra).
7. Riduci al minimo la perdita di informazioni sulla luminanza disattivando l'opzione light-boost nel monitor pronto per il 3D. La perdita di informazioni sulla luminanza da un occhio all'altro è nota come perdita di luminanza o crosstalk¹³. Questo è soggetto a verificarsi con i display stereoscopici nelle condizioni di luminanza elevata.
8. A causa delle persiane, la quantità di illuminazione a infrarossi (dal sistema di tracciamento oculare) che raggiunge la pupilla può^{essere significativamente ridotta di 13} – in media, circa il 65% della luminanza è stato ridotto(tabella complementare 1). Per superare questo problema, aumentare la resistenza dei LED a infrarossi dell'eyetracker al 100% o (l'impostazione massima) dall'impostazione di alimentazione predefinita. Quando si utilizza l'eye-tracker (Table of Materials) basato su video a infrarossi, modificare questa impostazione nelle impostazioni "Potenza di illuminazione" nella schermata inferiore sinistra, come illustrato nella figura 2.

3. Esecuzione dell'esperimento

NOTA: L'esperimento principale di questo studio è stato il tracciamento oculare binoculare e lo screening del campo visivo centrale usando lo stimolo dicottico. Lo screening centrale del campo visivo era paragonabile al test visivo sul campo degli strumenti disponibili in commercio (Table of Materials). Le proprietà fisiche dello stimolo visivo come la luminanza del bersaglio (~22 cd/m^2),la luminanza dello sfondo (~10 cd/m^2),la dimensione del bersaglio (Goldmann III – 4 mm^2),la griglia del campo visivo (griglia Polar 3 con 28 punti, figura 3)e la durata dello stimolo (200 ms) erano identiche al test visivo sul campo degli strumenti disponibili in commercio. Si noti che questi valori di luminanza sono stati misurati tramite occhiali dell'otturatore quando l'otturatore era ON (Tabella supplementare 1). Ai fini delle prove qui discusse, la luminanza dello stimolo era costante a differenza dei test sul campo visivo in cui la luminanza dello stimolo viene alterata per ottenere una soglia di rilevamento. In altre parole, l'esperimento ha utilizzato lo screening sopra soglia e non la soglia. Pertanto, i risultati dello screening sono stati risposte binarie (stimoli visti o non visti) e non valori numerici.

1. Controlli pre-esperimento
   1. Un paio di minuti prima dell'arrivo del partecipante per il test, assicurarsi che sia l'eye tracker che il computer host (che esegue l'esperimento) siano accesi e verificare che il computer host sia collegato all'eyetracker.
   2. Di norma, confermare l'accuratezza della sincronizzazione (utilizzando comandi specifici della piattaforma) del display prima di iniziare l'esperimento.
2. Avvio dell'esperimento principale
   NOTA: i passaggi seguenti sono molto specifici della piattaforma ed è subordinato allo script che esegue l'esperimento principale. Vedere Materiale supplementare che contiene i campioni dei codici utilizzati per progettare ed eseguire l'esperimento.
   1. Avviare il programma (vedere Materiale supplementare - 'ELScreeningBLR.m') che esegue l'esperimento principale dall'interfaccia appropriata. Quando e se richiesto dal programma, immettere le informazioni sui partecipanti (ad esempio l'ID partecipante, la distanza di test) necessarie per salvare il file di dati di output nella cartella dati con un nome di file univoco.
   2. Uno schermo grigio con istruzioni come "Premere INVIO per attivare o disattivare la fotocamera; Premere C per calibrare, premere V per convalidare" apparirà sullo schermo. In questa fase, regolare la fotocamera dell'eye-tracker per allinearla alla pupilla del partecipante, come illustrato nella figura 2.
3. Calibrazione e convalida degli eye-tracker
   1. Avviare la calibrazione dell'eye-tracker. Istruisi i partecipanti a seguire il bersaglio spostando gli occhi (e non la testa) e guarda il centro del bersaglio.
   2. Dopo la calibrazione riuscita, avviare la convalida. Fornire le stesse istruzioni della calibrazione.
   3. Leggere i risultati del passaggio di convalida (in genere visualizzato sullo schermo). Ripetere la calibrazione e la convalida fino a ottenere il risultato "buono/equo" (come raccomandato dal manuale dell'eyetracker).
4. Correzione della deriva
   1. Una volta eseguita la calibrazione e la convalida dell'eye-tracker, avviare la correzione della deriva.
   2. Istruisi i partecipanti a "guardare il bersaglio di fissazione centrale e tenere gli occhi il più stabili possibile".
      NOTA: Dopo la calibrazione, la convalida e la correzione della deriva, il tracciamento oculare verrà avviato contemporaneamente all'esperimento principale.
5. Screening visivo sul campo
   1. Ri-istruire/ricordare al partecipante l'attività che deve eseguire durante l'esperimento. Chiedi ai soggetti di tenere entrambi gli occhi aperti durante l'intero test.
   2. Per questo esperimento sul campo visivo, indicare loro di mantenere la fissazione alla destinazione di fissazione centrale rispondendo a "qualsiasi luce bianca vista" premendo il pulsante "INVIO" nel pulsante di risposta (Figura 1, Tabella dei materiali). Istruisili a non muovere gli occhi e cercare le nuove luci bianche. Inoltre, ricorda loro che le brevi luci bianche possono apparire in qualsiasi posizione sullo schermo.
      NOTA: Durante lo screening visivo sul campo, il funzionamento degli occhiali dell'otturatore può essere sondato utilizzando bersagli monoculari che possono essere fusi per formare un percetto completo (vedi Figura supplementare 2 - prove di cattura).
   3. Re-iterare l'istruzione per "tenere la fissazione" più volte durante l'esperimento per garantire che la fissazione rientri nell'area desiderata.
      NOTA: un feedback audio (come un tono di errore) può essere utilizzato per avvisare la perdita di fissazione (come gli occhi spostati all'esterno di una finestra di tolleranza). Quando la fissazione decade, ristruttura il partecipante a fissare solo sulla destinazione incrociata. La presentazione degli stimoli visivi può essere temporaneamente interrotta fino a quando il partecipante non riporta la fissazione all'interno della finestra di tolleranza (come 2° centrale).
   4. Al termine dell'esperimento sul campo visivo, sullo schermo verrà visualizzato il risultato del test che evidenzia in modo diverso le posizioni viste e non viste, ad esempio la figura 6.
6. Salvataggio del file di dati
   1. Tutti i dati del campo visivo (ad esempio salvati come ". mat") e i dati di movimento oculare (ad esempio salvati come file ".edf") verranno salvati automaticamente per l'analisi post-hoc. Tuttavia, assicurarsi che i file siano stati salvati prima di uscire dal programma o dalla piattaforma che esegue l'esperimento.

4. Analisi

NOTA: L'analisi del movimento degli occhi e dei dati del campo visivo può essere eseguita in diversi modi ed è dipendente dal software utilizzato per eseguire l'esperimento e il formato dati dell'output dell'eye tracker. I passaggi seguenti sono specifici dell'impostazione e del programma (vedere Materiali supplementari).

1. Analisi del movimento oculare (post-hoc)
   NOTA: il file di dati dei movimenti oculari salvati (EDF) è un formato binario altamente compresso e contiene molti tipi di dati, tra cui eventi di movimento oculare, messaggi, pressioni dei pulsanti e campioni di posizione dello sguardo.
   1. Convertire EDF in file ASC-II utilizzando un programma traduttore (EDF2ASC).
   2. Eseguire 'PipelineEyeMovementAnalysisERI.m' per inizializzare l'analisi del movimento oculare e seguire le istruzioni riportate nel codice (vedere Materiali supplementari per lo script di codice).
   3. Eseguire 'EM_plots.m', per estrarre le posizioni oculari orizzontali e verticali e per tracciare come illustrato nella figura 4 e nella figura 5.
      NOTA: I dati sul movimento degli occhi possono essere ulteriormente analizzati per calcolare la stabilità di fissazione, rilevare microsaccadi, ecc. Tuttavia, questo esula dall'ambito del documento attuale.
2. Campi visivi
   1. Per ottenere i report del test del campo visivo, eseguire 'VF_plot.m'.
      NOTA: tutti i set di dati relativi all'esperimento sui campi visivi, ad esempio i punti visti/non visti, verranno tracciati come mappa dei campi visivi, come illustrato nella figura 6. Se un punto è stato visto, allora verrà tracciato come quadrato riempito "verde", altrimenti verrà tracciato un quadrato pieno di rosso. Non sarà richiesta alcuna analisi post-hoc per i dati dei campi visivi.

Risultati

Vengono mostrate le tracce rappresentative di movimento oculare binoculare di un osservatore con una normale visione binoculare durante due diverse condizioni di visualizzazione (Figura 4). Il tracciamento continuo dei movimenti oculari è stato possibile quando entrambi gli occhi hanno visto lo stimolo (Figura 4A), e quando l'occhio sinistro ha visto lo stimolo con l'occhio destro sotto un otturatore attivo(Figura 4B). Come evident...

Discussione

Il metodo proposto per misurare i movimenti oculari in condizioni di visione dicottiche ha molte potenziali applicazioni. La valutazione dei campi visivi binoculari nei partecipanti con perdita della vista centrale che viene dimostrata qui è una di queste applicazioni. Abbiamo usato questo metodo per valutare il campo visivo binoculare in quindici partecipanti con perdita della vista centrale per studiare come la visualizzazione binoculare influenzi l'eterogenea perdita del campo visivo centrale.

Materiali

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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