Avaliando os movimentos visuais do binóculo central e dos olhos binóculos em uma condição de visualização dicóptica

Resumo

Apresentado aqui é um protocolo para avaliar os movimentos dos olhos binóculos e a triagem de campo visual central controlada pelo olhar em participantes com perda de visão central.

Resumo

A degeneração macular normalmente resulta em defeitos visuais heterogêneos do binóculo central. Atualmente, abordagens disponíveis para avaliar o campo visual central, como a microperimetria, podem testar apenas um olho por vez. Portanto, eles não podem explicar como os defeitos em cada olho afetam a interação binóculo e a função do mundo real. A apresentação de estímulos dicóticos com um sistema controlado pelo olhar poderia fornecer uma medida confiável dos campos visuais monoculares/binóculos. No entanto, a apresentação de estímulos dicóticos e o rastreamento ocular simultâneo são desafiadores porque dispositivos ópticos de instrumentos que apresentam estímulos dicopicamente (por exemplo, heploscópio) sempre interferem com rastreadores oculares (por exemplo, rastreadores oculares baseados em vídeo infravermelho). Portanto, as metas eram 1) desenvolver um método de apresentação de estímulo dicótico com rastreamento ocular simultâneo, utilizando óculos 3D-obturador e monitores prontos para 3D, que não é afetado por interferência e 2) para utilizar este método para desenvolver um protocolo para avaliação do campo visual central em sujeitos com perda de visão central. Os resultados mostraram que essa configuração fornece uma solução prática para medir de forma confiável os movimentos oculares em condição de visualização dicóptica. Além disso, também foi demonstrado que este método pode avaliar o campo visual central binóculo controlado pelo olhar em sujeitos com perda de visão central.

Introdução

A degeneração macular é geralmente uma condição bilateral que afeta a visão central e o padrão de perda visual pode ser heterogêneo. A perda visual central pode ser simétrica ou assimétrica entre dois olhos¹. Atualmente, existem várias técnicas disponíveis para avaliar o campo visual central na degeneração macular. O gráfico da grade Amsler contém um padrão de grade que pode ser usado para tela manualmente do campo visual central. Perímetros automatizados (por exemplo, analisador de campo visual humphrey) apresentam flashes de luz de brilho e tamanhos variados em uma tigela de ganzfeld padronizada para sondar o campo visual. A microperimetria contingente de olhar apresenta estímulo visual em um visor LCD. Micro-perímetros podem compensar os movimentos dos micro-olhos rastreando uma região de interesse na retina. Micro-perímetros podem sondar regiões locais na retina central para mudanças na função, mas podem testar apenas um olho por vez. Consequentemente, os testes micro-perimétricos não podem explicar como os defeitos heterogêneos em cada olho afetam a interação binóculo e a função do mundo real. Há uma necessidade não atendida de um método para avaliar de forma confiável os campos visuais em uma condição de visualização que se aproxima de perto da visualização do mundo real. Tal avaliação é necessária para entender como o defeito de campo visual de um olho afeta/contribui para o defeito de campo visual binóculo. Propomos um novo método para avaliar o campo visual central em pessoas com perda visual central sob condição de visualização dicóptica (ou seja, quando os estímulos visuais são apresentados independentemente a cada um dos dois olhos).

Para medir os campos visuais de forma confiável, a fixação deve ser mantida em um determinado lócus. Por isso, é importante combinar o rastreamento ocular e a apresentação dichoptica para avaliação binóculo. No entanto, a combinação dessas duas técnicas pode ser desafiadora devido à interferência entre os sistemas iluminador do eye-tracker (por exemplo, LEDs infravermelhos) e os elementos ópticos dos sistemas de apresentação dichoptica (por exemplo, espelhos de heploscópio ou prismas de estereoscópios). Opções alternativas são usar uma técnica de rastreamento ocular que não interfira na linha de visão (por exemplo, técnica de bobina escleral) ou um rastreador ocular integrado com óculos². Embora cada método tenha seus próprios benefícios, há desvantagens. O método anterior é considerado invasivo e pode causar considerável desconforto³ e os últimos métodos possuem baixas resoluções temporais (60 Hz)⁴. Para superar essas questões, a Brascamp & Naber (2017)⁵ e Qian & Brascamp (2017)⁶ utilizaram um par de espelhos frios (que transmitiam luz infravermelha, mas refletiam 95% da luz visível) e um par de monitores em ambos os lados dos espelhos frios para criar uma apresentação dicotética. O rastreador ocular baseado em vídeo infravermelho foi usado para rastrear os movimentos dos olhos na configuração do heploscópio^7,8.

No entanto, usar uma apresentação dicóptica do tipo heploscópio tem uma desvantagem. O centro de rotação do instrumento (heploscópio) é diferente do centro de rotação do olho. Portanto, cálculos adicionais (conforme descrito no Apêndice – A de Raveendran (2013)⁹) são necessários para medições adequadas e precisas dos movimentos oculares. Além disso, os planos de acomodação e vergence devem ser alinhados (ou seja, a demanda por acomodação e vergence deve ser a mesma). Por exemplo, se a distância de trabalho (distância óptica total) for de 40 cm, então a demanda por acomodação e vergence é de 2,5 diopters e ângulos de 2,5 metros, respectivamente. Se alinharmos os espelhos perfeitamente ortogonais, então o heploscópio está alinhado para visualização distante (ou seja, a vergence necessária é zero), mas a acomodação necessária ainda é 2,5D. Portanto, um par de lentes convexas (+2,50 dicóplos) deve ser colocado entre o arranjo do olho e do espelho do heploscópio para empurrar o plano de acomodação para o infinito (ou seja, a acomodação necessária é zero). Este arranjo requer mais espaço entre o olho e o arranjo espelho do heploscópio, o que nos leva de volta à diferença nos centros de rotação. A questão de alinhar planos de acomodação e vergence pode ser minimizada alinhando o haploscópio à visualização próxima de tal forma que ambos os planos estejam alinhados. No entanto, isso requer a medição da distância inter pupilar para cada participante e o alinhamento correspondente dos espelhos/estímulos haploscópios apresentando monitores.

Neste artigo, introduzimos um método para combinar o rastreamento ocular infravermelho baseado em vídeo e a apresentação de estímulo dicótico usando óculos de obturador 3D sem fio e monitores prontos para 3D. Este método não requer cálculos adicionais e/ou suposições como as utilizadas com o método haploscópico. Os óculos obturadores têm sido usados em conjunto com rastreadores oculares para a compreensão da fusão binóculo^10,adaptação saccádica¹¹e coordenação olho-mão¹². No entanto, deve-se notar que os óculos de obturador estéreo usados por Maiello e seus colegas^10,11,12 eram os óculos de primeira geração do obturador, que foram conectados através de um fio para sincronizar com a taxa de atualização do monitor. Além disso, os óculos de primeira geração estão comercialmente indisponíveis agora. Aqui, demonstramos o uso de óculos de obturador sem fio de segunda geração disponíveis comercialmente(Tabela de Materiais)para apresentar estímulos dicóticos e medir de forma confiável movimentos oculares monoculares e binóculos. Além disso, demonstramos um método para avaliar campos visuais monoculares/binóculos em indivíduos com perda de campo visual central. Enquanto a apresentação dicóptica de estímulo visual permite a avaliação monocular e binóculo dos campos visuais, o rastreamento de olhos binóculos sob condição de visualização dicóptica facilita o teste de campos visuais em um paradigma controlado pelo olhar.

Protocolo

Todos os procedimentos e protocolos descritos abaixo foram revisados e aprovados pelo conselho de revisão institucional da Wichita State University, Wichita, Kansas. O consentimento informado foi obtido de todos os participantes.

1. Seleção de participantes

1. Participantes recrutados com visão normal (n=5, 4 mulheres, média ± SE: 39,8 ± 2,6 anos), e com perda de visão central (n=15, 11 mulheres, 78,3 ± 2,3 anos) devido à degeneração macular (relacionada à idade/juvenil). Note-se que as idades grosseiramente diferentes dos dois grupos foram secundárias à demografia dos sujeitos com perda de visão central (a degeneração macular relacionada à idade afeta indivíduos mais velhos e é mais prevalente no sexo feminino). Além disso, o objetivo deste estudo não foi comparar as duas coortes.

2. Preparação do experimento

1. Use um óculos de obturador ativo 3D sem fio(Tabela de Materiais)que pode ser sincronizado com qualquer monitor pronto para 3D. Para que os óculos de obturação estejam ativos, não deve haver interferência entre o transmissor infravermelho (uma pequena caixa preta em forma de pirâmide) e o receptor infravermelho (sensor) na ponte do nariz dos óculos do obturador.
2. Exibir todos os estímulos visuais em um monitor 3D (1920 x 1080 pixels, 144 Hz). Para que o monitor e os óculos 3D funcionem perfeitamente, certifique-se de que os drivers apropriados sejam instalados.
3. Use um rastreador de olhos baseado em vídeo infravermelho montado em mesa (Tabela de Materiais) que seja capaz de medir os movimentos dos olhos na amostragem de 1000 Hz para este protocolo. Separe a iluminação infravermelha e a câmera do rastreador de olhos use qualquer tripé com altura e ângulo ajustáveis (Tabela de Materiais) para mantê-los firmemente no lugar. Coloque a câmera a uma distância de 20-30 cm do participante e coloque a tela a uma distância de 100 cm do participante.
4. Use um patch reflexivo infravermelho(Tabela de Materiais) para evitar a interferência entre a iluminação infravermelha do rastreador ocular e o sistema infravermelho dos óculos obturadores(Figura 1, À Direita).
5. Use software comercialmente disponível(Tabela de Materiais) para integrar óculos de obturador e monitor pronto 3D para apresentação dicótica de estímulos visuais para controlar o eyetracker.
6. Para estabilizar os movimentos da cabeça, use um queixo alto e largo e descanso da testa(Tabela de Materiais) e fixe-o em uma mesa ajustável. A grande dimensão do queixo e do descanso da testa permite um posicionamento confortável dos participantes com os óculos do obturador ligados.
   NOTA: A Figura 1 mostra a configuração para rastreamento ocular com apresentação de estímulo dichoptico usando óculos de obturador 3D e monitor pronto para 3D. O patch reflexivo infravermelho foi estrategicamente colocado abaixo do sensor infravermelho na ponte do nariz dos óculos 3D(Figura 1, Direita).
7. Minimize o vazamento de informações de luminância desativando a opção de impulso de luz no monitor pronto 3D. O vazamento de informações de luminância de um olho para o outro é conhecido como vazamento de luminância ou crosstalk¹³. Isso é propenso a ocorrer com os displays estereoscópicos nas condições de alta luminância.
8. Por causa das persianas, a quantidade de iluminação infravermelha (do sistema de rastreamento ocular) que atinge a pupila pode ser significativamente reduzida¹³ – em média, aproximadamente 65% da luminância foi reduzida(Tabela Suplementar 1). Para superar isso, aumente a força dos LEDs infravermelhos do eyetracker para 100% ou (a configuração máxima) da configuração de energia padrão. Ao usar o rastreador de olhos baseado em vídeo infravermelho (Tabela de Materiais) altere essa configuração nas configurações "Energia de iluminação" na tela inferior esquerda, conforme mostrado na Figura 2.

3. Executando o experimento

NOTA: O principal experimento deste estudo foi o rastreamento e rastreamento do olho binóculo do campo visual central utilizando estímulo dichoptico. A triagem de campo visual central foi comparável ao teste de campo visual de instrumentos disponíveis comercialmente(Tabela de Materiais). As propriedades físicas do estímulo visual, como a luminância do alvo (~22 cd/m^2),a luminância do fundo (~10 cd/m^2),o tamanho do alvo (Goldmann III – 4 mm^2),a grade de campo visual (grade Polar 3 com 28 pontos, Figura 3)e a duração do estímulo (200 ms) foram idênticas aos testes de campo visual de instrumentos disponíveis comercialmente. Observe que esses valores de luminância foram medidos através de óculos de obturador quando o obturador estava LIGADO (Tabela Suplementar 1). Para efeitos de testes aqui discutidos, a luminância do estímulo era constante ao contrário dos testes de campo visual onde a luminância do estímulo é alterada para obter um limiar de detecção. Em outras palavras, o experimento empregou a triagem supra-limiar e não o limiar. Portanto, os resultados da triagem foram respostas binárias (estímulos vistos ou não) e não valores numéricos.

1. Verificações pré-experimentais
   1. Alguns minutos antes de o participante chegar para o teste, certifique-se de que tanto o eye tracker quanto o computador host (que executa o experimento) estejam ligados e confirmem que o computador hospedeiro está conectado ao eyetracker.
   2. Como regra geral, confirme a precisão de sincronização (usando comandos específicos da plataforma) do display antes de iniciar o experimento.
2. Iniciando o experimento principal
   NOTA: As etapas abaixo são muito específicas da plataforma e dependem do script que executa o experimento principal. Consulte material suplementar que contenha as amostras dos códigos usados para projetar e executar o experimento.
   1. Inicie o programa (Ver Material Suplementar - 'ELScreeningBLR.m') que executa o experimento principal a partir da interface apropriada. Quando e se solicitado pelo programa, insira as informações do participante (como ID do participante, distância de teste) necessárias para salvar o arquivo de dados de saída na pasta de dados com um nome de arquivo exclusivo.
   2. Uma tela cinza com instruções como "Pressione Enter para alternar a câmera; Pressione C para calibrar, pressione V para validar" aparecerá na tela. Nesta fase, ajuste a câmera do rastreador ocular para se alinhar com o aluno do participante, conforme mostrado na Figura 2.
3. Calibração e validação do rastreador de olhos
   1. Inicie a calibração do rastreador ocular. Instrua os participantes a seguir o alvo movendo os olhos (e não a cabeça) e olhar para o centro do alvo.
   2. Após a calibração bem sucedida, inicie a validação. Forneça as mesmas instruções que a calibração.
   3. Leia os resultados da etapa de validação (geralmente exibida na tela). Repita a calibração e validação até que o resultado "bom/justo" (conforme recomendado pelo manual do eyetracker) seja obtido.
4. Correção de deriva
   1. Uma vez feita a calibração e validação do rastreador ocular, inicie a correção de deriva.
   2. Instrua os participantes a "olhar para o alvo central de fixação e manter os olhos o mais firme possível".
      NOTA: Após a calibração, validação e correção de deriva, o rastreamento ocular será iniciado simultaneamente com o experimento principal.
5. Triagem de campo visual
   1. Instruir/lembrar o participante sobre a tarefa que deve fazer durante o experimento. Peça aos sujeitos para manter os dois olhos abertos durante todo o teste.
   2. Para este experimento de campo visual, instrua-os a manter a fixação no alvo central de fixação enquanto respondem a "qualquer luz branca vista" pressionando o botão "digitar" no botão de resposta(Figura 1, Tabela de Materiais). Instrua-os a não mover os olhos e procurar as novas luzes brancas. Além disso, lembre-os de que as breves luzes brancas podem aparecer em qualquer local da tela.
      NOTA: Durante a triagem de campo visual, o funcionamento dos óculos de obturador pode ser sondado usando alvos monoculares que podem ser fundidos para formar uma percepção completa (Ver Figura Suplementar 2 – ensaios de captura).
   3. Re-iterar a instrução de "segurar a fixação" várias vezes ao longo do experimento para garantir que a fixação esteja dentro da área desejada.
      NOTA: Um feedback de áudio (como um tom de erro) pode ser usado para alertar a perda de fixação (como os olhos movidos para fora de uma janela de tolerância). Quando a fixação caduca, reinstrua o participante para fixar-se apenas no alvo cruzado. A apresentação de estímulos visuais pode ser temporariamente interrompida até que o participante traga a fixação de volta dentro da janela de tolerância (como a central 2°).
   4. No final do experimento de campo visual, a tela exibirá o resultado do teste destacando os locais vistos e não vistos de forma diferente (como, por exemplo, Figura 6).
6. Salvando o arquivo de dados
   1. Todos os dados de campo visual (digamos salvos como ". arquivo tapete" e dados de movimento ocular (digamos salvo como arquivo ".edf") serão salvos automaticamente para análise pós-hoc. No entanto, certifique-se de que os arquivos foram salvos antes de sair do programa/plataforma executando o experimento.

4. Análise

NOTA: A análise do movimento dos olhos e dos dados de campo visual pode ser realizada de várias maneiras e depende do software usado para executar o experimento e o formato de dados da saída do eye tracker. As etapas abaixo são específicas para a configuração e o programa (Ver Materiais Complementares).

1. Análise do movimento ocular (pós-hoc)
   NOTA: O arquivo de dados de movimentos oculares salvos (EDF) é um formato binário altamente compactado, e contém muitos tipos de dados, incluindo eventos de movimento ocular, mensagens, pressionagens de botão e amostras de posição de observação.
   1. Converta o EDF em arquivos ASC-II usando um programa de tradutor (EDF2ASC).
   2. Execute 'PipelineEyeMovementAnalysisERI.m' para inicializar a análise do movimento ocular e siga as instruções conforme observado no código (Consulte Materiais Suplementares para o script de código).
   3. Execute 'EM_plots.m', extraindo posições horizontais e verticais dos olhos e plote conforme mostrado na Figura 4 e Figura 5.
      NOTA: Os dados de movimento dos olhos podem ser analisados para calcular a estabilidade da fixação, detectar microsaccades, etc. No entanto, isso está além do escopo do papel atual.
2. Campos visuais
   1. Para obter os relatórios de teste de campo visual, execute 'VF_plot.m'.
      NOTA: Todos os conjuntos de dados relativos ao experimento de campo visual, como pontos vistos/não vistos, serão traçados como um mapa de campo visual, como mostrado na Figura 6. Se um ponto foi visto, então ele será traçado como quadrado cheio "verde", caso contrário um quadrado vermelho cheio será plotado. Nenhuma análise pós-hoc para dados de campo visual será necessária.

Resultados

Os traços representativos de movimento ocular binóculo de um observador com visão binóculo normal durante duas condições de visualização diferentes são mostrados(Figura 4). O rastreamento contínuo dos movimentos oculares foi possível quando ambos os olhos visualizaram o estímulo(Figura 4A),e quando o olho esquerdo viu o estímulo com o olho direito sob um obturador ativo(Figura 4B). Como evidente a partir desses traços,...

Discussão

O método proposto de medir os movimentos oculares em condição de visualização dicóptica tem muitas aplicações potenciais. Avaliar campos visuais binóculos em participantes com perda de visão central que é demonstrado aqui é uma dessas aplicações. Utilizamos este método para avaliar o campo visual binóculo em quinze participantes com perda de visão central para estudar como a visualização do binóculo influencia a perda heterogênea do campo visual central.

O passo mais impor...

Materiais

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
Psychtoolbox - Add on	Freeware	NA	Approximate Cost (in USD): FREE http://psychtoolbox.org/download.html
Tripod (Dekstop)	Manfrotto	MTPIXI-B (model), B00D76RNLS (ASIN)	Approximate Cost (in USD): 30 https://www.amazon.com/dp/B00D76RNLS