Teste de Acuidade de Movimento para Medição de Acuidade de Campo Visual com Formas Definidas por Movimento

Resumo

Um novo teste de acuidade baseado em movimento que permite a avaliação do processamento visual central e periférico em indivíduos com baixa visão e saudáveis, juntamente com óculos que limitam a visão periférica compatíveis com protocolos de ressonância magnética, são descritos aqui. Este método oferece uma avaliação abrangente da visão para deficiências funcionais e disfunções do sistema visual.

Resumo

As medidas padrão de acuidade visual dependem de estímulos estacionários, sejam letras (gráficos de Snellen), linhas verticais (acuidade vernier) ou gráficos de grade, processados pelas regiões do sistema visual mais sensíveis à estimulação estacionária, recebendo entrada visual da parte central do campo visual. Aqui, uma medida de acuidade é proposta com base na discriminação de formas simples, que são definidas pelo movimento dos pontos nos cinematogramas de pontos aleatórios (RDK) processados por regiões visuais sensíveis à estimulação de movimento e recebendo entrada também do campo visual periférico. No teste de acuidade de movimento, os participantes são solicitados a distinguir entre um círculo e uma elipse, com superfícies correspondentes, construídas a partir de RDKs e separadas do RDK de fundo por coerência, direção ou velocidade dos pontos. A medição da acuidade é baseada na detecção de elipse, que a cada resposta correta se torna mais circular até atingir o limiar de acuidade. O teste de acuidade de movimento pode ser apresentado em contraste negativo (pontos pretos sobre fundo branco) ou em contraste positivo (pontos brancos sobre fundo preto). As formas definidas por movimento estão localizadas centralmente dentro de 8 graus visuais e são cercadas por um plano de fundo RDK. Para testar a influência das periferias visuais na acuidade medida centralmente, é proposto um estreitamento mecânico do campo visual para 10 graus, usando óculos opacos com orifícios localizados centralmente. Este sistema de estreitamento fácil e replicável é adequado para protocolos de ressonância magnética, permitindo investigações adicionais das funções da entrada visual periférica. Aqui, uma medição simples da percepção de forma e movimento simultaneamente é proposta. Este teste simples avalia as deficiências visuais dependendo das entradas do campo visual central e periférico. O teste de acuidade de movimento proposto avança a capacidade dos testes padrão de revelar funções de visão sobressalentes ou mesmo fortalecidas em pacientes com sistema visual lesionado, que até agora permaneciam não detectados.

Introdução

A maioria dos testes visuais disponíveis é direcionada para examinar as características processadas pela visão central, contando com a entrada derivada da retina central¹. A retina central tem a população mais densa de fotorreceptores de cone para acuidade visual máxima e não possui fotorreceptores de bastonetes, que dominam a retina periférica². A presença de fotorreceptores densamente compactados também se reflete em um aumento da densidade de células ganglionares, o que significa que um número maior de axônios é direcionado para o nervo óptico e, eventualmente, para o córtex visual. Fora da fóvea em direção à periferia, os bastonetes superam o fotorreceptor^do cone 3. Com os corpos mais largos dos bastonetes e o mosaico mais esparso de fotorreceptores, a retina periférica responde principalmente à visão noturna e à consciência do movimento⁴.

Classicamente, acreditava-se que o processamento visual, dependente da estimulação da parte central do campo visual, é dedicado à análise fina de objetos estacionários, e sua parte periférica é especializada em detectar movimento e trazer objetos para a visão central foveal, onde é posteriormente^{analisado 5,6}. No entanto, agora temos evidências emergentes mostrando que, no nível cortical, a análise fina da via estacionária não está totalmente separada da sensível ao movimento ^6,7,8. O teste de forma e percepção de movimento simultaneamente é classicamente realizado usando grades móveis⁹ e padrões de vidro¹⁰ e também movimentos de anéis concêntricos¹¹. Nosso objetivo é introduzir um teste que se aproxime da vida normal das pessoas com deficiência visual, que possa diminuir suas frustrações e dar esperança, mostrando-lhes explicitamente que algumas características de seu processamento visual ainda podem ser preservadas e até fortalecidas. O teste de acuidade de movimento proposto baseado em cinematogramas de pontos aleatórios (RDKs) combina análise de percepção de movimento e forma e, simultaneamente, testa o funcionamento da percepção de movimento e forma. Dentro do teste de acuidade de movimento, existem muitas possibilidades de características psicofísicas a serem testadas, como diferentes velocidades, direções e contrastes dos RDKs. Ao alterar os parâmetros, podemos manipular a força da estimulação, seja específica para o processamento central ou periférica. Por exemplo, a detecção de objetos em movimento rápido é uma característica bem descrita específica para o processamento visual periférico¹², enquanto o processamento dos escuros no fundo claro é preferencialmente processado pela visão central¹³. Esse teste foi realizado inicialmente em pacientes com degeneração retiniana de fotorreceptores, localizados especificamente na retina central ou periférica¹⁴. A retinite pigmentosa (FR) manifesta-se com dano periférico e prevalece em ~1/5000 pacientes em todo o^mundo15. A doença de Stargardt (STGD), com prevalência de ~1/10000, é a causa mais comum de degeneração macular juvenil (DM)¹⁶. Danos aos fotorreceptores na retina central, como na degeneração macular ou na retinite pigmentosa na retina periférica, resultam em perdas de campo visual correspondentes. Essas perdas de campo visual são refletidas nas deficiências das características específicas das regiões do sistema visual¹⁷. É importante ressaltar que as regiões do sistema visual que recebem informações de partes não afetadas da retina também são afetadas. Foi demonstrado anteriormente em modelos animais de degeneração macular¹⁸ que, após o dano da retina central binocular, não apenas a acuidade é agravada, mas a percepção do movimento, uma característica característica do processamento periférico, é reforçada. O teste de acuidade de movimento descrito aqui fornece uma visão importante para o planejamento de procedimentos de reabilitação visual. Uma visão completa da interação entre as partes central e periférica do campo visual tem um papel crucial na compreensão de como as funções perdidas podem ser assumidas pelas partes sobressalentes do sistema visual e como esse processo pode ser apoiado por procedimentos de reabilitação de treinamento visual. Em linha, o conhecimento de como a degeneração regional da retina afeta o processamento visual, especialmente além de suas partes danificadas, ainda permanece incompleto. Os testes ópticos são baseados nas medições das características de forma estacionária. Por exemplo, as medições de acuidade visual dependem de estímulos estacionários, sejam letras (gráficos de Snellen), gráficos de grade ou gráficos de acuidade vernier.

Com o objetivo de ampliar a percepção da dinâmica entre a visão central e periférica em olhos saudáveis e olhos com funções visuais centrais/periféricas prejudicadas, foi introduzido um teste de acuidade baseado em movimento que mede a percepção de forma e movimento simultaneamente. O teste de acuidade de movimento é baseado na detecção de formas localizadas centralmente em contraste negativo ou positivo (pontos escuros ou claros), uma elipse e um círculo com superfícies correspondentes, construídos a partir de cinematogramas de pontos aleatórios (RDK) e separados do mesmo fundo RDK por velocidade, coerência ou direção. A acuidade é medida como a diferença mínima percebida entre as dimensões do círculo e da elipse, e os resultados são dados em graus visuais nos quais o sujeito para para perceber a diferença. Além disso, para verificar se o contraste de luminância influencia a acuidade de movimento medida, os estímulos podem ser apresentados em negativo (pontos pretos sobre fundo branco) ou em contraste positivo (pontos brancos sobre fundo preto). Todas as informações disponíveis sobre o processamento do contraste positivo (tipo ON) e do contraste negativo (tipo OFF) no sistema visual são provenientes da estimulação estacionária do campo visual central^19,20. Mas como o processamento periférico de sinais de movimento depende do contraste permanece bastante desconhecido^14,21. Foi estabelecido apenas que a sensibilidade a altas velocidades é específica para o processamento periférico, enquanto o processamento de movimento central envolve velocidades lentas em frequências espaciais mais altas apresentadas em contraste positivo (tipo ON)¹². As versões de contraste positivo e negativo dos estímulos de acuidade de movimento, bem como a capacidade de modificar a velocidade dos pontos, bem como a coerência ou direção, são cruciais para uma descrição mais detalhada do campo visual completo. Além disso, um estreitamento mecânico do campo visual para 10 graus centrais é proposto usando óculos com lentes substituídas por opacas com orifícios localizados centralmente. Este sistema de estreitamento facilmente replicável, adequado para protocolos de fMRI e TMS, permite investigações adicionais das funções da entrada visual periférica e como as periferias visuais influenciam a acuidade medida centralmente. Um sistema semelhante foi inicialmente validado em estudos anteriores¹⁴, nos quais se verificou que os testes de acuidade de movimento em contraste negativo e em movimento rápido, ativando fortemente as periferias visuais, são os mais difíceis para todos os participantes. Para pacientes com doença de Stargardt, eles eram incontroláveis. É importante ressaltar que a atenuação da estimulação da periferia visual, diminuindo a velocidade dos RDKs, melhora os limiares de acuidade em todos os indivíduos testados. Em conclusão, propomos a tarefa com medição da acuidade de movimento com base na discriminação de forma simples. Portanto, os resultados são diretos e fáceis de entender também para os pacientes e seus cuidadores. O teste de acuidade de movimento apresentado aqui também é dirigido para usuários fora da academia. A tarefa é fácil de explicar para uma ampla gama de idades e grupos de pacientes.

Protocolo

Todos os procedimentos foram realizados seguindo as diretrizes e regulamentos relevantes e foram aprovados pelo Comitê de Ética da WUM (KB/157/2017). O consentimento por escrito foi obtido de todos os participantes, garantindo que eles entendessem o objetivo geral do experimento e que entendessem a inclusão de seus dados para fins de análise estatística. Todos os estímulos visuais apresentados são gerados usando um aplicativo de desktop baseado em Java (Viscacha2) criado para o propósito desses experimentos.

1. Configuração

1. Garanta uma sala silenciosa e escura. Construa uma configuração que consista em um computador, um teclado, uma tela plana, um rastreador ocular (opcional, dependendo da questão de pesquisa e dos objetivos; consulte Tabela de materiais), uma mesa, um apoio de queixo e uma cadeira. Organize-o de forma que os participantes possam sentar-se com o queixo apoiado no apoio de queixo, os olhos diretamente na frente do centro da metade superior da tela e as mãos alcançando as teclas de seta do teclado. A distância horizontal entre a tela e os olhos deve ser de 85 cm.
   NOTA: Embora os participantes sejam treinados e especificamente solicitados a fixar a cruz de fixação central durante todo o procedimento, o teste com um rastreador ocular pode constituir um controle adicional para filtrar durante as análises dos participantes que exibem muitas flutuações com o olhar. Além disso, dependendo do objetivo do estudo, os resultados do rastreador ocular podem fornecer informações interessantes sobre os padrões de fixação, tamanho da pupila ou local de interesse de diferentes coortes de participantes.
2. Visite https://github.com/grimwj/Viscacha2 e baixe o software clicando no botão Código e baixando o ZIP. Extraia o arquivo zip e salve-o no diretório de trabalho.
3. Siga as etapas de instalação descritas no arquivo README.txt. No caso de testes com um rastreador ocular, siga as etapas de instalação do software para o rastreador ocular. Monte o rastreador ocular de acordo com as instruções.
4. Para executar uma verificação inicial, execute o programa clicando duas vezes no arquivo Viscacha2.jar. Depois que a tela inicial for exibida, pressione ESC no teclado para sair do programa.
5. Navegue pelas pastas recém-criadas – experiment_data, TestPatient, Shape_Brt. Abra o arquivo .csv usando um editor de planilhas (defina ponto e vírgula como separador de campo). Verifique se os parâmetros, como dimensões da tela e a distância da tela, estão corretos.
   NOTA: A partir daqui, o protocolo é baseado na suposição de que uma tela de 1920 x 1080 de 31,5 polegadas é usada e a distância entre o paciente e a tela é de 85 cm. Isso implica que a tela ocupa 44,6° de espaço visual horizontalmente. Se esses parâmetros não puderem ser atendidos, pode-se consultar a etapa 5 para reconfigurar o programa.

2. Determinação da dificuldade inicial do teste

1. Abra o arquivo config.txt e localize uma linha contendo patient_name=TestPatient. Substitua o TestPatient por um texto que identifique o sujeito que está sendo examinado.
2. No arquivo config.txt, localize a linha filename=Shape_Brt.txt. Certifique-se de que essa linha não comece com um símbolo de hash # (linha não comentada).
3. Peça ao sujeito para se sentar em frente à tela, com o queixo descansado e os olhos diretamente na frente do centro da metade superior da tela. Verifique se a distância da tela está correta. Certifique-se de que as teclas do teclado estejam facilmente acessíveis para o assunto usar.
4. Navegue até o diretório Viscacha2.jar e execute o programa. Ensine o participante a focar a mira na cruz de fixação no centro da tela durante toda a duração do experimento.
5. Em cada lado da tela, um círculo ou uma elipse serão apresentados à mesma distância da cruz de fixação central. A tarefa é selecionar o círculo sobre uma elipse usando as teclas de seta para a esquerda e para a direita no teclado. Explique a tarefa ao participante e, quando ele estiver pronto, pressione a tecla s para iniciar o experimento. O experimento continua até que o participante pressione uma das teclas de seta.
6. O programa termina após quatro reversões terem ocorrido ou um número máximo de tentativas ter sido atingido. Uma reversão ocorre quando o sujeito seleciona a resposta errada depois de selecionar previamente a correta ou vice-versa.
   NOTA: Este é um procedimento do tipo escada. A dificuldade de cada tentativa aumenta após cada resposta correta e diminui após uma resposta errada. A Figura 1 mostra como o nível da escada muda ao longo dos testes para um participante representativo.
7. Observe as quatro reversões após as quais a tarefa é concluída e o limite de detecção foi estabelecido. Abra o arquivo .csv correspondente que contém os resultados. Localize as colunas THRESHOLD próximas ao final do arquivo. Use o valor nesta coluna para calcular a dificuldade inicial para tarefas subsequentes.
   NOTA: O teste também pode ser apresentado em um paradigma constante, onde o nível da dificuldade é fixo e não muda, removendo o símbolo de hash da linha Experiment_Type=Constant nos arquivos init.txt e adicionando um símbolo de hash antes da linha Experiment_Type=Staircase.

Figura 1: Mudança no nível da escada ao longo da duração do Shape_Brt experimento (tentativas subsequentes). O gráfico vermelho representa o nível da escada, que se traduz na proporção do S- (elipse). Após 4 reversões terem ocorrido (barras azuis), o limite de detecção do sujeito foi estabelecido e a tarefa foi concluída. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

8. Use o limiar recém-obtido como linha de base para a próxima apresentação de estímulos (etapas 2.3 a 2.5). Para substituir o novo limite em todos os arquivos de definição de estímulos, use o script Python dentro da pasta replacer e siga as instruções na tela.

3. Procedimento de estímulos

NOTA: Serão realizados um total de 10 experimentos: 5 com pontos brancos sobre fundo preto e 5 com pontos pretos sobre fundo branco.

1. Tarefa de coerência
   1. Quando o assunto estiver pronto, abra o arquivo config.txt e comente (ou seja, insira o símbolo de hash) a linha filename=Shape_Brt.txt e descomente a linha abaixo, incluindo a tarefa shape_dotsB_C.txt. Nesta tarefa, o círculo e a elipse consistem em pontos que se movem aleatoriamente com uma velocidade de 10 ° / s. O fundo é construído de pontos que se movem coerentemente para cima com a mesma velocidade do círculo e da elipse.
      NOTA: É possível definir uma direção de movimento diferente dos pontos de fundo editando o parâmetro Direction dentro do arquivo de definição para cada tarefa.
   2. Execute Viscacha2.jar. Explique a tarefa ao sujeito em palavras simples, por exemplo, Por favor, sempre aponte para o círculo. Quando o participante estiver pronto, pressione a tecla s para iniciar o experimento. Aguarde até que o experimento seja concluído.
   3. Abra o arquivo config.txt, comente a linha filename=shape_dotsB_C.txt e remova o comentário da linha abaixo, incluindo a tarefa shape_dotsW_C.txt. Repita a etapa 3.1.2.
2. Tarefa de direção
   1. Quando o assunto estiver pronto, abra o arquivo config.txt e comente o nome do arquivo selecionado anteriormente. Remova o comentário da linha que contém filename=shape_dotsB_D.txt tarefa. Nesta tarefa, o círculo e a elipse consistem em pontos que se movem coerentemente para cima com uma velocidade de 10 ° / s. O fundo consiste em pontos que se movem coerentemente para a esquerda com a mesma velocidade do círculo e da elipse.
   2. Execute Viscacha2.jar. Explique a tarefa ao sujeito. Quando o participante estiver pronto, pressione a tecla s para iniciar o experimento. Aguarde até que o experimento seja concluído.
   3. Abra o arquivo config.txt, comente a linha filename=shape_dotsB_D.txt e remova o comentário da linha abaixo, incluindo a tarefa shape_dotsW_D.txt. Repita a etapa 3.2.2.
3. Tarefa de velocidade
   1. Quando o assunto estiver pronto, abra o arquivo config.txt e comente o nome do arquivo selecionado anteriormente. Remova o comentário da linha que contém filename=shape_dotsB_V10_20.txt tarefa. Esta tarefa envolve três condições. O círculo, a elipse e o fundo consistem em pontos que se movem coerentemente para cima, e os pontos dentro do círculo e da elipse sempre se movem mais devagar do que os pontos de fundo: i) 10 ° / s versus 20 ° / s; ii) 5°/s versus 10°/s; e iii) 1°/s versus 2°/s.
   2. Execute Viscacha2.jar. Explique a tarefa ao sujeito. Quando o participante estiver pronto, pressione a tecla s para iniciar o experimento. Aguarde até que o experimento seja concluído.
   3. Abra o arquivo config.txt e comente na linha shape_dotsB_V10_20.txt e remova o comentário da linha abaixo, incluindo a tarefa shape_dotsW_V10_20.txt. Repita a etapa 3.2.2.
   4. Repita as etapas 3.3.1 - 3.3.3 2x, para tarefas shape_dotsB_V5_10.txt e shape_dotsW_V5_10.txt, bem como para shape_dotsB_V1_2.txt e shape_dotsW_V1_2.txt.
      1. Para evitar alterar manualmente o nome do arquivo para cada tarefa após a conclusão da tarefa, use uma opção sweep_file. No arquivo config.txt, defina o campo sweep_files como 0 para encerrar o procedimento após o término de cada procedimento de tarefa.
      2. Use essa configuração para a tarefa Shape_Brt.txt para definir o valor do limite inicial da linha de base. Depois que a linha de base for definida, para executar várias tarefas em sucessão, defina o arquivo de varredura como um número inteiro entre 1 e 9. O número inteiro aqui determina o número de alterações entre tarefas consecutivas (por exemplo, se definido como 1 e shape_dotsB_D.txt não for comentado, o programa executará esta tarefa e a próxima. Se definido como 9, todas as tarefas serão executadas). Internamente, isso resultará na regeneração de um novo arquivo de configuração após a conclusão de cada experimento, com um nome de arquivo selecionado anteriormente comentado e o nome de arquivo subsequente selecionado para o próximo experimento.

4. Óculos que limitam a visão

1. Para remover transitoriamente o campo visual periférico, use óculos de natação (Figura 2), onde as lentes transparentes são substituídas por lentes brancas opacas. As lentes tinham uma abertura de 1,4 mm que limitava o campo visual aos 10° centrais. Para tornar os óculos adequados para cada assunto e para levar em conta da melhor forma possível a distância interocular individual natural, faça 14 pares de óculos com espaçamento de orifícios de 58 mm a 72 mm (com um passo de 1 mm entre cada par de óculos).

Figura 2: Estreitamento dos óculos. Os furos centrais têm um diâmetro de 1,4 mm. Tínhamos 14 pares de óculos com distâncias entre furos de 58 mm a 72 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Use uma régua para definir a distância entre os olhos do participante. Coloque a régua logo acima dos olhos, alinhada com as sobrancelhas, com o valor 0 em cima de um olho. Calcule a distância, em mm, da segunda pupila, verificando o valor no topo do segundo olho. Durante o procedimento, peça ao participante para manter o olhar o mais estável possível.
3. Depois que o par mais adequado for escolhido, dê um intervalo de 15 min. Durante esse tempo, peça aos participantes que se movam livremente na sala, usem o telefone ou leiam para que os olhos se acostumem com a nova condição visual.
4. Inicie o procedimento novamente a partir da etapa 3.

5. Reconfiguração

1. Tamanho da tela e calibração de distância
   1. Se uma exibição diferente estiver sendo usada, insira as dimensões da tela (resolução e diagonal) no arquivo de configuração (resolution_v para resolução vertical, resolution_h para resolução horizontal diagonal_inch para a diagonal da tela em polegadas).
   2. Execute Viscacha2.jar. Quando a tela inicial for exibida, pressione ESC para encerrar. Abra o arquivo .csv que contém os resultados.
   3. Encontre a linha que contém o texto Distância mm e anote o valor.
   4. Reajuste a configuração experimental para que o sujeito possa ficar sentado na distância recém-calculada. Calcule a distância para que a largura da tela ocupe 44,6° do espaço visual horizontalmente. Isso é definido pelo parâmetro full_angle_h, que também pode ser alterado no arquivo config.txt.
      NOTA: A calibração também pode ser realizada para a altura da tela usando o parâmetro full_angle_v. Observe que apenas um desses parâmetros pode ser definido, o outro deve ser comentado com um prefixo #.
2. Definição de estímulos
   1. Defina os parâmetros de estímulos em arquivos separados (por exemplo, shape_dotsB_C.txt). Alguns valores, como as dimensões do S- (Ellipse_X, Ellipse_Y) são dados em pixels. Para calcular de pixels a graus visuais, multiplique o valor pelo multiplicador de pixel para ângulo extraído do arquivo csv que contém os resultados.
      NOTA: Os parâmetros de estímulos, como a coerência dos pontos, são predefinidos e ajustáveis para cada camada (fundo, forma S+, forma S-, ruído). Na tarefa de coerência, por exemplo, o círculo e a elipse consistem em pontos que se movem aleatoriamente com uma velocidade de 10 ° / s (coerência = 0,0). O fundo é construído de pontos movendo-se coerentemente para cima com a mesma velocidade do círculo e da elipse (coerência = 1,0). Viscacha2 ainda não possui um manual de usuário oficial. Para mais informações sobre a definição de estímulos, consulte o arquivo stimuli_description.ods no repositório Viscacha2.

Resultados

A tarefa de acuidade de movimento gera, para cada participante, um arquivo de resultados para cada procedimento de estímulo. Um arquivo de log exemplar para um participante do teste foi incluído no repositório dentro da pasta doc. Da linha 1 à linha 31, várias configurações são relatadas, como o nome do paciente e as configurações. O bloco de tarefas começa na linha 34 e relata informações importantes necessárias para uma análise posterior: hora do evento, tipo de evento, tentativa, duração, seleção, c...

Discussão

Aqui, um novo método é descrito para medir a acuidade do movimento visual usando um conjunto de estímulos baseados em cinematogramas de pontos aleatórios. O resultado é dado como uma diferença mínima percebida entre um círculo e uma elipse, e permite ver quando o sujeito parou de distinguir formas umas das outras. Quanto menor a diferença alcançada, melhor a acuidade: significa que o sujeito ainda pode detectar onde está o círculo, mesmo que seja quase idêntico à elipse. O teste de acuidade de movimento aqu...

Materiais

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