視線追跡システムを用いた乳幼児の視力自動評価法

要約

本稿では,視線追跡システムを用いて乳幼児の視力を自動評価する新しい手法について紹介する.

要約

視力測定は、乳児期および小児期に実施する重要な視機能検査です。しかし、乳幼児の正確な視力測定は、コミュニケーション能力に不備があるため困難です。この論文は、子供(生後5〜36か月)の視力を評価するための新しい自動化された方法を提示します。この方法である自動視力カード手順(AACP)は、アイトラッキングにWebカメラを使用し、子供の監視行動を自動的に認識します。テストされた子供が高解像度のデジタル表示画面に表示される視覚刺激を見るときに、2つの選択の優先的外観テストが実行されます。テストされた子供が刺激を見ると、彼らの顔の写真がウェブカメラによって記録されます。これらの画像は、設定されたコンピュータプログラムによって、それらの監視行動を分析するために使用されます。この手順では、さまざまな刺激に対する子供の眼球運動反応が測定され、コミュニケーションなしで視力が評価されます。結果をテラー視力カード(TAC)によって得られたグレーティング視力と比較することにより、AACP性能はTACの性能に匹敵すると見なされます。

概要

幼児期は視覚発達にとって重要な時期です。人生の早い段階で発生する視覚上の問題は、子供の発達に大きな影響を与える可能性があります。乳児の定量的な視覚的評価を実行できることが重要であり、これは早期の視力の問題を検出するのに役立ちます。しかし、乳児は文字やグラフなどの視力チャートの記号を認識するのに十分な認知能力や表現力がないため、視力を測定することは困難です。乳児の視力評価の現在のゴールドスタンダードは、優先的ルッキングテスト1^{に基づく視力}カード手順²です。しかし、この方法では、経験豊富なテスターが子供の^眼球運動を観察して視力を判断する必要があるため3,4,5,6、^テスターの経験によって制限されます^4、5。したがって、テラー視力カード(TAC)^5,6などの視力カードの手順は、主観的な方法のままです。したがって、乳幼児の視力を定量的に測定でき、口頭でのコミュニケーションを必要とせずに使用でき、経験豊富なテスターを必要とすることに限定されない方法が求められています。

リモートアイトラッカーの発明と使用により、自動視力測定システムの開発が可能になりました。以前の研究では、視線追跡法は子供の視覚機能評価のためのツールとして使用されてきました^7,8,9,10。リモートアイトラッカーは視線追跡に使用でき、テスターが子供の目の動きを観察する代わりになります。ACTIVE手順⁷とAVAT手順¹⁰は、リモートアイトラッカーを使用した完全に自動化された視力テストです。彼らは、健康な乳幼児のキーラー視力カードテストに匹敵する視力結果をもたらしました。他の最近の研究とは対照的に、私たちは子供の視線を捉えるためにリモートアイトラッカーの代わりにウェブカメラを使用しました。コンピュータビジョンに基づく眼球運動データの自動取得手法を発明しました。この手順は、子供の視覚機能を評価する際に、眼球運動取得法と優先的ルッキング技術を組み合わせたものです。

本稿では,幼児の視力を評価できる自動視力カード手技(AACP)と呼ばれる新しい自動化手法を提示することを目的とした。この手順は、十分なコミュニケーションスキルをまだ習得していない乳幼児に特に役立ちます。重要な側面は、視覚反応を定量化して、乳幼児の格子視力をもたらすことができることです。グレーティングの視力測定は、視覚病理の検出を可能にし、その後の医療管理において重要な役割を果たします。

プロトコル

ここに記載されているプロトコルは、北京大学第一病院の倫理委員会(PKUFH 2018-223)によって承認されました。手順は、人間を対象とする研究に関するヘルシンキ宣言の信条に準拠していました。研究形式を記載し、参加者の両親からインフォームドコンセントを得た。

1.装置の準備

注意: AACPコンポーネントは、穏やかに照らされたテストルームに設置されました。日光からの干渉を避けるために、ドレープが部屋に引っ張られました。表示システム、記録システム、および分析システムがAACPの3つのコンポーネントでした(図1)。

1. ディスプレイシステム、28インチ液晶ディスプレイモニター(62.208 cm x 34.992 cm画面、3840ピクセルx 2160ピクセル、0.162 mm /ピクセル、30 Hzフレームレート)をセットアップします。ディスプレイモニターを持ち上げることができるテーブルに置きます。8ビットルックアップテーブルで画面の輝度を線形化します。黒、ミッドグレー、白の輝度をそれぞれ1cd/m2、200cd/^m2、400cd/^m2に設定します。
2. 画面の両側に2つのサイドパネルを配置して、テスト対象の子供たちの気を散らすものを減らします。
3. 録画システム、1080ピクセル/ 30fpsの解像度を持つ高解像度プロウェブカメラをセットアップします。
   注意: Webカメラは、テスターの動作の画像シーケンスを記録し、それぞれが1280ピクセルx720ピクセルでトリミングされます。自動視力検査では、同期のために200ミリ秒ごとに1つのタイムスタンプ付きWebカメラ画像が取得されます。
4. ディスプレイモニターとウェブカメラをコンピューター、分析システムに接続します。Webカメラが画面のすぐ下の中央にあり、必要に応じて調整できることを確認してください。
   メモ: モニターと Web カメラは、コンピューター (ラップトップまたはデスクトップ PC) に統合されているか、コンピューターに接続される個別のデバイスです。
5. 刺激の提示と眼球運動の分析のために、AACP手順ソフトウェアをコンピューターにインストールします。AACP手順ソフトウェア(中国国家発明特許、第201910865074.4号および第201510919621.4号)は、刺激表示モジュール、ビジョンテストモジュール、およびテスト結果処理モジュールで構成されています。
6. 視覚刺激を、異なる周期/度(cpd)空間周波数と1.00のコントラスト比を持つ12 cm x 12 cmの方形波格子として設定します。刺激が画面の左側または右側の中央にランダムに表示され、画面の残りの部分にTACIIと同様の輝度が一致した灰色の領域が表示されることを確認します。
   注:検出距離55 cm(TACIIの検出距離と一致している)では、刺激は印刷されたTACIIカード(16カード、1/2オクターブ)とほぼ同じでした(ピクセルサイズの制限による)。

2.視線追跡キャリブレーション

1. 両親からインフォームドコンセントを取得し、研究形式を説明します。
2. ディスプレイモニターから55cmの距離に子供を配置します。子供を椅子に座らせるか、できれば親の膝の上に座らせます。子供が一人で座っている場合は、親を子供と一緒に座らせます。
3. リフティングテーブルの位置を調整し、モニターと一緒に配置します。画面を子供の目に垂直に配置します。
4. Webカメラの位置を調整して、お子様の顔が記録システムに表示されるようにし、お子様以外の顔をキャプチャしないようにします。
5. 手順を開始する前に、画面を見ることを子供に知らせてください。子供が注意を払っていないときに画面を見るように子供に促すように親に指示します。テスト中に特別な指示は必要ありません。
6. AACP手順ソフトウェアを開きます。お子様の情報(名前、性別、年齢)をソフトウェアに入力します。
7. [ スタート ]ボタンをクリックします。ソフトウェアがキャリブレーション手順を開始します。画面中央の白い背景にグラフィック交換形式(GIF)画像(2.0736 cm x 2.0736 cm、128 x 128ピクセル)が表示されます(図2)。画像とBGMが同時に表示されます。この刺激は少なくとも3秒間提示されます。分析システムは、子供の視線が画像に固定されているかどうかを同時に判断します。このプレゼンテーション中に 1 分以内に視線入力データがない場合、画面には別の漫画 GIF 画像が表示されます。この領域内で視線座標が検出されると、テスト手順はテスターの操作なしで開始され、自動的に実行されます。

3. テスト手順

1. 最初の格子を提示します。格子の空間周波数は、1/2オクターブステップで0.33〜30.0cpdの範囲です。TACIIテストのように、子供の年齢によって最初の格子を決定します。
2. 試行の長さである1,000ミリ秒の初期格子を提示します。次に、空白の画面を 200 ミリ秒間表示します。同じ刺激をもう一度提示してから、再び空白の画面を表示します。同じ空間周波数セットのグレーティングを3回提示します。
3. 手順の実行中に、Webカメラに子供の顔写真を記録させます。ソフトウェアは、これらの画像を使用して、監視動作を分析します。視力検査プログラムは、 表1 に示す基準で眼球運動反応をチェックし、刺激が見られたかどうかを判断します(図3)。
4. 検査結果処理プログラムに、 図4¹¹に示すプロトコルに従って、その後の刺激を提示させる。
5. 3回の試行ごとに、子供の興味を維持するための視覚的な報酬としてGIF画像(バックグラウンドミュージック付き)を提示します。GIF画像提示から1分以内に視線データが使用できない場合(たとえば、子供が振り向いたり目を閉じたりした場合)は、テストを停止します。このテストでは結果は出力されません。
6. 手順3.4と3.5を実行した後、ソフトウェアプログラムによって出力された子供の格子の視力結果を分析します。

結果

AACPは、¹¹:155の正常に発達している乳児および幼児(在胎週数に基づいて生後5〜36か月)の1つのグループの子供に適用されました。以前に発表された研究では、AACPによって得られた格子視力の結果がTACIIによって得られたものと比較されました。これら2つの手順によって得られた結果は有意に相関している(r₁₅₃ = 0.83、 p < 0.001)。子供の結果のわずか10.32%(155のうち...

ディスカッション

視線追跡法に基づくいくつかの研究7,8,9,10は、口頭でのコミュニケーションが困難な乳幼児を評価する上でこの方法の価値を示しています。ただし、以前の研究の参加者数は比較的少ないです。生後12か月未満の乳児はわずか30人で、Jonesらによって開発されたACTIVE手順によってテスト

資料

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