시선 추적 시스템을 사용하여 영유아의 시력을 평가하는 자동화된 방법

요약

이 논문에서는 시선 추적 시스템을 사용하여 영유아의 시력을 평가하는 새로운 자동화 방법을 제시합니다.

초록

시력 측정은 유아기와 아동기에 수행하는 중요한 시각 기능 검사입니다. 그러나 영아의 정확한 시력 측정은 의사소통 능력의 결함으로 인해 어렵습니다. 이 논문은 어린이(5-36개월)의 시력을 평가하는 새로운 자동화 방법을 제시합니다. 이 방법인 AACP(Automated Acuity Card Procedure)는 웹캠을 사용하여 시선을 추적하고 어린이의 시청 행동을 자동으로 인식합니다. 두 가지 선택 우선적 인 테스트는 테스트 된 어린이가 고해상도 디지털 디스플레이 화면에 표시된 시각적 자극을 볼 때 수행됩니다. 테스트 된 어린이가 자극을 볼 때 얼굴 사진이 웹캠에 기록됩니다. 이 사진은 설정된 컴퓨터 프로그램에서 시청 행동을 분석하는 데 사용됩니다. 이 절차를 통해 다양한 자극에 대한 아동의 안구 운동 반응을 측정하고 의사 소통 없이 시력을 평가합니다. 결과를 Teller Acuity Card(TAC)에서 얻은 격자 시력과 비교함으로써 AACP 성능은 TAC의 성능과 유사한 것으로 간주됩니다.

서문

유아기는 시각 발달에 중요한 시기입니다. 생애 초기에 발생하는 시각 문제는 아동의 발달에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다. 유아의 정량적 시각 평가를 수행할 수 있는 것이 중요하며, 이는 조기 시력 문제를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 영아는 문자나 그래프와 같은 시력 차트 기호를 인식할 만큼 인지적으로 발달하거나 표현력이 부족하기 때문에 시력 측정이 어렵습니다. 현재 유아 시력 평가의 황금 표준은 우선적으로 보이는 검사²를 기반으로 한 시력 카드 절차¹입니다. 그러나, 이 방법은 숙련된 검사자가 아이의 안구 운동⁽3,4,5,6)을 관찰하여 시력을 판단할 것을 요구하기 때문에, 이는 시험자^4,5의 경험에 의해 제한된다. 따라서 Teller Acuity Card(TAC)^5,6와 같은 시력 카드 절차는 주관적인 방법으로 남아 있습니다. 따라서, 영유아의 시력을 정량적으로 측정할 수 있고, 언어적 의사소통 없이 사용할 수 있고, 숙련된 테스터를 필요로 하는 것에 의해 제한되지 않는 방법이 필요하다.

원격 아이트래커의 발명과 사용은 자동화된 시력 측정 시스템의 개발을 가능하게 했습니다. 이전 연구에서, 시선 추적 방법은 어린이 ^7,8,9,10의 시각 기능 평가를 위한 도구로 사용되었다. 원격 아이트래커는 시선 추적에 사용할 수 있으며 테스터가 어린이의 안구 움직임을 관찰하는 대신 사용할 수 있습니다. ACTIVE 절차(⁷) 및 AVAT 절차⁽¹⁰)는 원격 아이트래커를 사용한 완전 자동화된 시력 검사입니다. 그들은 건강한 영유아의 Keeler Acuity Cards 테스트와 비슷한 시력 결과를 산출했습니다. 최근의 다른 연구와 달리, 우리는 아이의 시선을 포착하기 위해 원격 아이 트래커 대신 웹캠을 사용했습니다. 우리는 컴퓨터 비전을 기반으로 안구 운동 데이터 자동 수집 방법을 발명했습니다. 이 절차는 어린이의 시각 기능을 평가할 때 안구 운동 획득 방법과 우선적으로 보이는 기술을 결합했습니다.

이 논문은 AACP(Automated acuity Card Procedure)라고 하는 어린 아이들의 시력을 평가할 수 있는 새로운 자동 방법을 제시하는 것을 목표로 합니다. 이 절차는 아직 충분한 의사 소통 기술을 습득하지 못한 영유아에게 특히 유용합니다. 핵심적인 측면은 시각적 반응을 정량화하여 영유아의 격자 시력을 산출할 수 있다는 것입니다. 격자 시력 측정은 시각 병리의 검출을 가능하게 하고 후속 의료 관리에 중요한 역할을 합니다.

프로토콜

여기에 설명된 프로토콜은 북경대학교 제1병원 윤리위원회(PKUFH 2018-223)의 승인을 받았습니다. 이 절차는 인간 피험자와 관련된 연구를 위해 헬싱키 선언의 교리를 고수했습니다. 연구 형식을 설명하고 참가자의 부모로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. 장치의 준비

참고: AACP 구성 요소는 조명이 약한 테스트 룸에 설치되었습니다. 햇빛의 간섭을 피하기 위해 커튼을 방에서 끌어 당겼습니다. 디스플레이 시스템, 녹음 시스템 및 분석 시스템은 AACP의 세 가지 구성 요소였습니다(그림 1).

1. 디스플레이 시스템, 28인치 액정 디스플레이 모니터(62.208cm x 34.992cm 화면, 3840픽셀 x 2160픽셀, 0.162mm/픽셀, 30Hz 프레임 속도)를 설정합니다. 올릴 수 있는 테이블 위에 디스플레이 모니터를 놓습니다. 8비트 룩업 테이블로 화면 휘도를 선형화합니다. 검정, 중간 회색 및 흰색의 광도를 각각 1cd/m 2, 200cd/m² 및 400cd/m²로 설정합니다.
2. 화면 양쪽에 두 개의 측면 패널을 배치하여 테스트 중인 어린이의 주의를 산만하게 하는 것을 줄입니다.
3. 녹화 시스템, 1080픽셀/30fps 해상도의 고화질 프로 웹캠을 설정합니다.
   참고: 웹캠은 각각 1280픽셀 x 720픽셀로 잘린 테스터 동작의 이미지 시퀀스를 기록합니다. 자동 시력 검사 중에는 동기화를 위해 200ms마다 하나의 타임스탬프가 찍힌 웹캠 이미지를 얻습니다.
4. 디스플레이 모니터와 웹캠을 분석 시스템인 컴퓨터에 연결합니다. 웹캠이 화면 바로 아래 중앙에 있고 필요에 따라 조정할 수 있는지 확인하십시오.
   참고: 모니터와 웹캠은 컴퓨터(랩톱 또는 데스크톱 PC)와 통합되거나 별도의 장치로, 컴퓨터에 연결됩니다.
5. 자극을 표현하고 안구 운동을 분석하기 위해 컴퓨터에 AACP 절차 소프트웨어를 설치하십시오. AACP 절차 소프트웨어(중국 국가 발명 특허, 제201910865074.4호 및 제201510919621.4호)는 자극 표시 모듈, 비전 테스트 모듈 및 테스트 결과 처리 모듈로 구성됩니다.
6. 시각적 자극을 주기/도(cpd) 공간 주파수가 다르고 명암비가 1.00인 12cm x 12cm 구형파 격자로 설정합니다. 자극이 화면의 왼쪽 또는 오른쪽 부분에 임의로 표시되고 화면의 나머지 부분에는 TACII와 유사한 휘도 일치 회색 영역이 표시되는지 확인합니다.
   참고: 55cm(TACII의 감지 거리와 일치)의 자극은 인쇄된 TACII 카드(16개 카드, 1/2옥타브)의 자극과 거의 동일했습니다(픽셀 크기 제한으로 인해).

2. 시선 추적 보정

1. 부모로부터 정보에 입각한 동의를 얻고 부모에게 연구 형식을 설명합니다.
2. 디스플레이 모니터에서 55cm 떨어진 곳에 아이를 배치합니다. 아이가 의자에 혼자 앉게하거나, 가급적이면 부모의 무릎에 앉히십시오. 아이가 혼자 앉으면 부모가 아이 옆에 앉게 하십시오.
3. 리프팅 테이블의 위치를 조정하고 모니터와 함께 놓습니다. 아이의 눈에 수직으로 화면을 배열하십시오.
4. 의 위치를 조정하십시오 web녹화 시스템에서 아이의 얼굴이 보이도록 하고 아이의 얼굴이 아닌 다른 얼굴이 캡처되지 않도록 캠.
5. 절차를 시작하기 전에 아이에게 화면을 볼 것이라고 알리십시오. 아이가 주의를 기울이지 않을 때 아이에게 화면을 보도록 유도하도록 부모에게 지시하십시오. 테스트 중에는 특별한 지침이 필요하지 않습니다.
6. AACP 절차 소프트웨어를 엽니 다. 소프트웨어에 자녀의 정보(이름, 성별, 나이)를 입력합니다.
7. 시작 버튼을 클릭합니다. 소프트웨어가 교정 절차를 시작합니다. GIF(Graphics Interchange Format) 이미지(2.0736cm x 2.0736cm, 128 x 128픽셀)가 화면 중앙의 흰색 배경에 나타납니다(그림 2). 이미지와 배경 음악이 동시에 나타납니다. 이 자극은 최소 3초 동안 제공됩니다. 분석 시스템은 동시에 아동의 시선이 이미지에 고정되어 있는지 여부를 결정합니다. 이 프레젠테이션 중에 1분 이내에 응시 데이터를 사용할 수 없는 경우 화면에 다른 만화 GIF 이미지가 표시됩니다. 이 영역 내에서 응시 좌표가 감지되면 테스터의 작업 없이 테스트 절차가 시작되고 자동으로 실행됩니다.

3. 테스트 절차

1. 초기 격자를 제시합니다. 격자의 공간 주파수 범위는 0.33/30.0 옥타브 단계에서 1-2 cpd입니다. TACII 테스트에서와 같이 어린이의 나이에 따라 초기 격자를 결정하십시오.
2. 시행 시간인 1,000ms에 대한 초기 격자를 제시합니다. 그런 다음 200ms 동안 빈 화면을 표시합니다. 동일한 자극을 다시 제시한 다음 빈 화면을 다시 표시합니다. 동일한 공간 주파수 세트의 격자를 세 번 제시합니다.
3. 절차를 실행하는 동안 웹캠이 어린이의 얼굴 사진을 기록하도록하십시오. 소프트웨어는 이러한 사진을 사용하여 시청 행동을 분석합니다. 시력 검사 프로그램은 표 1 에 명시된 기준에 따라 안구 운동 반응을 확인하여 자극이 나타났는지 여부를 결정합니다(그림 3).
4. 테스트 결과 처리 프로그램이 도 4에 도시된 프로토콜에 따라 후속 자극을 제시하도록 한다(¹¹).
5. 세 번의 시도 후에 아이의 흥미를 유지하기 위해 시각적 보상으로 GIF 이미지(배경 음악 포함)를 제시하십시오. GIF 이미지 프레젠테이션 후 1분 이내에 시선 데이터를 사용할 수 없는 경우(예: 아이가 돌아섰거나 눈을 감은 경우) 테스트를 중지합니다. 이 테스트는 결과를 출력하지 않습니다.
6. 3.4단계와 3.5단계를 수행한 후 소프트웨어 프로그램에서 출력한 아동의 격자 시력 결과를 분석합니다.

결과

AACP는¹¹ : 155 정상적으로 발달하는 영유아 (재태 연령 기준 5-36 개월)의 한 그룹에 적용되었습니다. 이전에 발표된 연구에서 AACP로 얻은 격자 시력 결과를 TACII에서 얻은 결과와 비교했습니다. 이 두 절차에 의해 얻어진 결과는 유의한 상관관계가 있다(_r153 =0.83, p < 0.001). 어린이 결과 중 10.32%(155개 중 16개)만이 한 옥타브 이상 차이가 났습니다. 그 중 8 명의 어린이는 5-...

토론

시선 추적 방법을 기반으로 한 여러 연구^7,8,9,10에서 언어 의사 소통에 어려움이 있는 영유아를 평가하는 데 이 방법의 가치가 있음을 보여주었습니다. 그러나 이전 연구의 참가자 수는 상대적으로 적습니다. 생후 12개월 미만의 영아 30명만이 Jones et ^al.7에 의해 개발된 ACTIVE 절차에 의...

자료

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