Un metodo automatizzato per valutare l'acuità visiva nei neonati e nei bambini piccoli utilizzando un sistema di tracciamento oculare

Riepilogo

In questo articolo, presentiamo un nuovo metodo automatizzato per valutare l'acuità visiva nei neonati e nei bambini utilizzando un sistema di tracciamento oculare.

Abstract

La misurazione dell'acuità visiva è un importante test di funzionalità visiva da eseguire nell'infanzia e nell'infanzia. Tuttavia, una misurazione accurata dell'acuità visiva nei neonati è difficile a causa delle carenze nella loro capacità di comunicazione. Questo documento presenta un nuovo metodo automatizzato per valutare l'acuità visiva nei bambini (5-36 mesi). Questo metodo, la procedura automatica della scheda di acuità (AACP), utilizza una webcam per il tracciamento oculare e riconosce automaticamente i comportamenti di osservazione dei bambini. Un test preferenziale a due scelte viene eseguito quando il bambino testato guarda gli stimoli visivi visualizzati su uno schermo digitale ad alta risoluzione. Quando il bambino testato guarda gli stimoli, le sue immagini facciali vengono registrate dalla webcam. Queste immagini vengono utilizzate dal programma per computer impostato per analizzare il loro comportamento di osservazione. Con questa procedura, vengono misurate le risposte del movimento oculare del bambino a stimoli diversi e la loro acuità visiva viene valutata senza comunicazione. Confrontando i risultati con l'acuità della griglia ottenuta dalle Teller Acuity Card (TAC), le prestazioni AACP sono considerate paragonabili a quelle dei TAC.

Introduzione

Il periodo infantile è un periodo critico per lo sviluppo visivo. I problemi visivi che sorgono presto nella vita possono avere un impatto significativo sullo sviluppo di un bambino. È importante essere in grado di eseguire una valutazione visiva quantitativa nei neonati, che può aiutare a rilevare problemi di visione precoce. Tuttavia, poiché i bambini non sono cognitivamente sviluppati o abbastanza espressivi da riconoscere i simboli del grafico dell'acuità visiva, come lettere o grafici, misurare la loro acuità visiva è difficile. L'attuale gold standard per la valutazione della vista infantile è la procedura della scheda di acuit๠basata^{sul test} preferenziale 2. Tuttavia, poiché questo metodo richiede tester esperti per giudicare l'acuità visiva osservando i movimenti oculari del bambino 3,4,5,6, è limitato dall'esperienza dei tester ^4,5. Pertanto, le procedure delle carte di acuità, come le carte di acuità dello sportello (TAC)^5,6, rimangono un metodo soggettivo. Pertanto, vi è la necessità di un metodo in grado di misurare quantitativamente l'acuità visiva nei neonati e nei bambini piccoli, che possa essere utilizzato senza la necessità di comunicazione verbale e che non sia limitato dalla richiesta di tester esperti.

L'invenzione e l'uso del tracker oculare remoto hanno permesso di sviluppare un sistema automatizzato di misurazione dell'acuità. In studi precedenti, i metodi di tracciamento oculare sono stati utilizzati come strumento per la valutazione della funzione visiva nei bambini 7,8,9,10. Un eye tracker remoto può essere utilizzato per il tracciamento dello sguardo ed è un sostituto per l'osservazione di un tester dei movimenti oculari di un bambino. La procedura ACTIVE⁷ e la procedura AVAT¹⁰ sono test di acuità visiva completamente automatizzati con un eye tracker remoto; hanno prodotto risultati di acuità visiva comparabili al test Keeler Acuity Cards in neonati sani e bambini piccoli. A differenza di altri studi recenti, abbiamo usato una webcam invece di un localizzatore oculare remoto per catturare lo sguardo del bambino. Abbiamo inventato un metodo di acquisizione automatica dei dati sul movimento oculare basato sulla visione artificiale. La procedura ha combinato il metodo di acquisizione del movimento oculare con la tecnica di aspetto preferenziale nella valutazione della funzione visiva nei bambini.

Questo documento si propone di presentare un nuovo metodo automatizzato, in grado di valutare l'acuità visiva nei bambini piccoli, chiamato procedura automatizzata della scheda di acuità (AACP). Questa procedura è particolarmente utile per neonati e bambini più piccoli che non hanno ancora acquisito sufficienti capacità comunicative. L'aspetto chiave è che le risposte visive possono essere quantificate per produrre acuità della griglia nei neonati e nei bambini piccoli. La misurazione dell'acuità del reticolo consente di rilevare patologie visive e svolge un ruolo importante nella successiva gestione medica.

Protocollo

Il protocollo qui descritto è stato approvato dal Comitato Etico del Primo Ospedale dell'Università di Pechino (PKUFH 2018-223). Le procedure hanno aderito ai principi della Dichiarazione di Helsinki per la ricerca che coinvolge soggetti umani. È stato descritto il formato dello studio e il consenso informato è stato ottenuto dai genitori dei partecipanti.

1. Preparazione dell'apparecchio

NOTA: I componenti AACP sono stati installati in una sala prove leggermente illuminata. Le tende sono state tirate nella stanza per evitare interferenze dalla luce solare. Un sistema di visualizzazione, un sistema di registrazione e un sistema di analisi erano i tre componenti dell'AACP (Figura 1).

1. Impostare un sistema di visualizzazione, un monitor a cristalli liquidi da 28 pollici (schermo 62,208 cm x 34,992 cm, 3840 pixel x 2160 pixel, 0,162 mm/pixel, frame rate 30 Hz). Posizionare il monitor su un tavolo che può essere sollevato. Linearizza la luminanza dello schermo mediante una tabella di ricerca a 8 bit. Impostare la luminanza su 1 cd/m 2, 200 cd/m 2 e 400 cd/m² rispettivamente per nero, grigio medio e bianco.
2. Posiziona due pannelli laterali su entrambi i lati dello schermo per ridurre le distrazioni per i bambini sottoposti a test.
3. Configura un sistema di registrazione, una webcam professionale ad alta definizione con una risoluzione di 1080 pixel / 30 fps.
   NOTA: la webcam registra sequenze di immagini dei comportamenti dei tester, ciascuna ritagliata a 1280 pixel x 720 pixel. Durante i test di acuità automatizzati, viene ottenuta un'immagine webcam con timestamp ogni 200 ms per la sincronizzazione.
4. Collegare il monitor e la webcam a un computer, il sistema di analisi. Assicurati che la webcam si trovi al centro, direttamente sotto lo schermo, e che possa essere regolata secondo necessità.
   NOTA: il monitor e la webcam sono integrati con il computer (un laptop o un PC desktop) o sono dispositivi separati che vengono quindi collegati a un computer.
5. Installare il software di procedura AACP sul computer per la presentazione degli stimoli e l'analisi dei movimenti oculari. Il software di procedura AACP (China National Invention Patents, n. 201910865074.4 e n. 201510919621.4) comprende un modulo di visualizzazione dello stimolo, un modulo di test di visione e un modulo di elaborazione dei risultati dei test.
6. Imposta gli stimoli visivi come un reticolo a onde quadrate di 12 cm x 12 cm con diverse frequenze spaziali periodo/grado (cpd) e un rapporto di contrasto di 1,00. Assicurarsi che lo stimolo venga visualizzato in modo casuale al centro della parte sinistra o destra dello schermo e che il resto dello schermo mostri un'area grigia corrispondente alla luminanza simile al TACII.
   NOTA: Alla distanza di rilevamento di 55 cm (che è coerente con quella di TACII), gli stimoli erano approssimativamente gli stessi (a causa delle limitazioni delle dimensioni dei pixel) di quelli sulle carte TACII stampate (16 carte, 1/2 ottava).

2. Calibrazione eye-tracking

1. Ottenere il consenso informato dai genitori e descrivere loro il formato dello studio.
2. Posizionare il bambino a una distanza di 55 cm dal monitor. Lascia che il bambino si sieda da solo su una sedia o, preferibilmente, sulle ginocchia del genitore. Se il bambino si siede da solo, lascia che il genitore si sieda accanto al bambino.
3. Regolare la posizione del tavolo elevatore e posizionarlo con il monitor. Disporre lo schermo perpendicolarmente agli occhi del bambino.
4. Regolare la posizione della webcam per garantire che il volto del bambino sia visibile nel sistema di registrazione ed evitare di catturare volti diversi da quelli del bambino.
5. Prima di iniziare la procedura, informare il bambino che guarderà lo schermo. Chiedi al genitore di chiedere al bambino di guardare lo schermo quando non presta attenzione. Non sono necessarie istruzioni specifiche durante il test.
6. Aprire il software di procedura AACP. Digitare le informazioni del bambino nel software (nome, sesso, età).
7. Fare clic sul pulsante Start . Il software avvia la procedura di calibrazione. Un'immagine GIF (Graphics Interchange Format) (2,0736 cm x 2,0736 cm, 128 x 128 pixel) viene visualizzata sullo sfondo bianco al centro dello schermo (Figura 2). L'immagine e la musica di sottofondo appaiono contemporaneamente. Questo stimolo è presentato per almeno 3 s. Il sistema di analisi determina simultaneamente se la linea di vista del bambino è fissata sull'immagine. Se non sono disponibili dati sullo sguardo entro 1 minuto durante questa presentazione, lo schermo presenta un'altra immagine GIF dei cartoni animati. Quando vengono rilevate le coordinate dello sguardo all'interno di questa regione, la procedura di test inizia senza le azioni del tester e viene eseguita automaticamente.

3. Procedura di prova

1. Presentare la griglia iniziale. Le frequenze spaziali dei reticoli vanno da 0,33-30,0 cpd in incrementi di 1/2 ottava. Determinare la griglia iniziale in base all'età del bambino, come nel test TACII.
2. Presentare la griglia iniziale per 1.000 ms, che è la durata di una prova. Quindi, presentare una schermata vuota per 200 ms. Presenta di nuovo lo stesso stimolo, seguito da una schermata vuota di nuovo. Presentare il reticolo della stessa frequenza spaziale impostata tre volte.
3. Durante l'esecuzione della procedura, lasciare che la webcam registri le immagini facciali del bambino. Il software utilizza queste immagini per analizzare il loro comportamento di osservazione. Il programma di test della vista controlla le risposte al movimento oculare con i criteri indicati nella Tabella 1 per determinare se lo stimolo è stato visto (Figura 3).
4. Lasciare che il programma di elaborazione dei risultati del test presenti lo stimolo successivo, secondo il protocollo mostrato nella Figura 4¹¹.
5. Dopo ogni tre prove, presenta un'immagine GIF (con musica di sottofondo) come ricompensa visiva per mantenere l'interesse del bambino. Se non sono utilizzabili dati sullo sguardo (ad esempio, se il bambino si gira o ha gli occhi chiusi) entro 1 minuto dalla presentazione dell'immagine GIF, interrompere il test. Questo test non produce alcun risultato.
6. Dopo aver eseguito i passaggi 3.4 e 3.5, analizzare i risultati dell'acuità del reticolo per il figlio generato dai programmi software.

Risultati

L'AACP è stato applicato a un gruppo di bambini^{11: 155} neonati e bambini in via di sviluppo normale (da 5 a 36 mesi, in base all'età gestazionale). In uno studio pubblicato in precedenza, i risultati di acuità del reticolo ottenuti dall'AACP sono stati confrontati con quelli ottenuti da TACII. I risultati ottenuti da queste due procedure sono significativamente correlati (r₁₅₃ = 0,83, p < 0,001). Solo il 10,32% (16 su 155) dei risultati dei bambini differiva di più di un'ot...

Discussione

Diversi studi 7,8,9,10 basati sul metodo eye-tracking hanno dimostrato il valore di questo metodo nella valutazione di neonati e bambini piccoli che hanno difficoltà nella comunicazione verbale. Tuttavia, il numero di partecipanti agli studi precedenti è relativamente piccolo. Solo 30 bambini sotto i 12 mesi di età sono stati testati dalla procedura ACTIVE, sviluppata da Jones et

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
AACP procedure software	In-house	In-house	The AACP procedure software (China National Invention Patents, No. 201910865074.4 and No. 201510919621.4) comprises a stimulus displaying module, a vision testing module, and a testing result processing module.
Computer processor	Intel Corporation, Santa Clara, CA, USA	Intel CORE i7-6500U processor	Analysis system
Display monitor	InnoLux Co., Ltd., China	InnoLux M280DGJ-L30	Display system
Webcam	Logitech International S.A., Lausanne, Switzerland	Logitech C920 high-definition pro webcam	Recording system