Оценка бинокулярного центрального поля зрения и бинокулярных движений глаз в состоянии дихоптической просмотра

Резюме

Здесь представлен протокол для оценки бинокулярных движений глаз и контролируемого взглядом центрального скрининга поля зрения у участников с потерей центрального зрения.

Аннотация

Макулярная дегенерация обычно приводит к неоднородным бинокулярным центральным дефектам зрения. В настоящее время доступны подходы для оценки центрального поля зрения, как микропериметрия, может проверить только один глаз за один раз. Таким образом, они не могут объяснить, как дефекты в каждом глазу влияют на бинокулярное взаимодействие и реальную функцию. Презентация дихоптических стимулов с системой, управляемой взглядом, может обеспечить надежную меру монокулярных/бинокулярных визуальных полей. Тем не менее, дихоптическая презентация стимула и одновременное отслеживание глаз являются сложными, потому что оптические устройства инструментов, которые представляют стимул dichoptically (например, гаплоскоп) всегда мешают глаз-трекеров (например, инфракрасный видео-трекеров). Таким образом, цели были 1) разработать метод для дихоптической презентации стимула с одновременным отслеживанием глаз, используя 3D-затвор очки и 3D-готовые мониторы, которые не зависит от помех и 2) использовать этот метод для разработки протокола для оценки центрального поля зрения в субъектах с потерей центрального зрения. Результаты показали, что эта установка обеспечивает практическое решение для надежного измерения движения глаз в состоянии дихоптической просмотра. Кроме того, было также продемонстрировано, что этот метод может оценить взгляд контролируемых бинокль центрального поля зрения в субъектах с потерей центрального зрения.

Введение

Макулярная дегенерация, как правило, двустороннее состояние, влияющие на центральное зрение и картина потери зрения может быть неоднородным. Центральная потеря зрения может быть симметричной или асимметричной между двумя глазами^1. В настоящее время существует несколько методов оценки центрального поля зрения при макулярной дегенерации. Диаграмма сетки Amsler содержит шаблон сетки, который может быть использован для ручного экрана центрального поля зрения. Автоматизированные периметры (например, анализатор поля зрения Хамфри) представляют вспышки света различной яркости и размеров в стандартизированной чаше ganzfeld для зондирования поля зрения. Gaze-контингент микропериметрии представляет визуальный стимул на lcd дисплее. Микро-периметры могут компенсировать движения микро-глаз, отслеживая область интереса на сетчатке. Микро-периметры могут зондировать локальные области в центральной сетчатке для изменений в функции, но может проверить только один глаз за один раз. Следовательно, микро-периметрическое тестирование не может объяснить, как неоднородные дефекты в каждом глазу влияют на бинокулярное взаимодействие и реальную функцию. Существует неудовлетворенная потребность в методе надежной оценки визуальных полей в состоянии просмотра, близко приближенном к реальному просмотру. Такая оценка необходима, чтобы понять, как дефект поля зрения одного глаза влияет / способствует дефекту бинокулярного поля зрения. Мы предлагаем новый метод оценки центрального поля зрения у людей с центральной потерей зрения в условиях дихоптической просмотра (т.е. когда визуальные стимулы независимо представлены каждому из двух глаз).

Чтобы надежно измерять поля зрения, фиксация должна поддерживаться в данном локусе. Поэтому важно объединить глаз отслеживания и дихоптической презентации для бинокулярной оценки. Однако сочетание этих двух методов может быть сложным из-за помех между системами освещения глаз-трекера (например, инфракрасными светодиодами) и оптическими элементами дихоптических систем представления (например, зеркала гаплоскопа или призмы стереоскопов). Альтернативные варианты заключается в использовании глаз отслеживания техники, которая не мешает линии зрения (например, склеральной катушки техники) или глаз-трекер, который интегрирован с^{очками 2}. Хотя каждый метод имеет свои преимущества, Есть недостатки. Первый метод считается инвазивным и может вызвать значительный дискомфорт^3, а последние методы имеют низкие временные разрешения (60 Гц)^4. Чтобы преодолеть эти проблемы, Brascamp и Naber (2017)^{5 и Цянь} и Brascamp (2017)^{6 использовали} пару холодных зеркал (которые передаются инфракрасного света, но отражает 95% видимого света) и пару мониторов по обе стороны от холодных зеркал для создания дихоптической презентации. Инфракрасный видео-трекер был использован для отслеживания движений глаз в установке гаплоскопа^7,8.

Однако использование дихоптической презентации типа гаплоскопа имеет недостаток. Центр вращения прибора (гаплоскопа) отличается от центра вращения глаза. Поэтому для правильного и точного измерения движений глаз необходимы дополнительные расчеты (как описано в приложении - A of Raveendran (2013)^9). Кроме того, плоскости размещения и грани должны быть выровнены (т.е. спрос на жилье и грани должен быть одинаковым). Например, если рабочая дистанция (общее оптическое расстояние) составляет 40 см, то спрос на проживание и грани составляет 2,5 диоптрии и 2,5-метровые углы соответственно. Если выровнять зеркала идеально ортогональными, то гаплоскоп выравнивается для дальнего просмотра (т.е. требуемая грань равна нулю), но необходимое размещение по-прежнему 2.5D. Таким образом, пара выпуклых линз (диоптрий 2,50 евро) должна быть помещена между глазом и зеркальным расположением гаплоскопа, чтобы подтолкнуть плоскость размещения к бесконечности (т.е. требуемое размещение равна нулю). Такое расположение требует больше пространства между глазом и зеркальным расположением гаплоскопа, что возвращает нас к разнице в центрах вращения. Вопрос выравнивания плоскостей размещения и грани можно свести к минимуму путем выравнивания гаплоскопа к ближайшему просмотру таким образом, что обе плоскости выровнены. Тем не менее, это требует измерения межкубного расстояния для каждого участника и соответствующего выравнивания гаплоскопа зеркал / стимул представления мониторов.

В этой статье мы представляем метод объединения инфракрасного видео-отслеживания глаз и дихоптической презентации стимула с помощью беспроводных 3D-очков затвора и 3D-готовых мониторов. Этот метод не требует каких-либо дополнительных расчетов и/или предположений, как те, которые используются с помощью гаплоскопического метода. Затвор очки были использованы в сочетании с глаз трекеров для понимания бинокулярного^{синтеза 10}, саккадичной^{адаптации 11}, и глаз-рука координации¹². Тем не менее, следует отметить, что стерео-затвор очки, используемые Maiello^{и коллегами 10,11,12} были первого поколения затвора очки, которые были подключены через провод для синхронизации с монитором скорость обновления. Более того, очки затвора первого поколения теперь коммерчески недоступны. Здесь мы демонстрируем использование коммерчески доступных беспроводных очков затвора второго поколения(Table of Materials),чтобы представить дихоптические стимулы и надежно измерить монокулярные и бинокулярные движения глаз. Кроме того, мы демонстрируем метод оценки монокулярных/бинокулярных полей зрения в субъектах с центральной потерей поля зрения. В то время как дихоптическая презентация визуального стимула позволяет монокулярную и бинокулярную оценку визуальных полей, бинокулярное отслеживание глаз при дихоптичном состоянии просмотра облегчает тестирование визуальных полей в парадигме, контролируемой взглядом.

протокол

Все процедуры и протокол, описанные ниже, были рассмотрены и одобрены институциональным советом по обзору Университета штата Уичито, Уичито, штат Канзас. Информированное согласие было получено от всех участников.

1. Выбор участников

1. Набранные участники с нормальным зрением (n'5, 4 женщины, среднее значение ± SE: 39,8 ± 2,6 лет), а также с потерей центрального зрения (n-15, 11 женщин, 78,3 ± 2,3 года) из-за макулярной дегенерации (возрастная/несовершеннолетний). Обратите внимание, что совершенно разные возрасты этих двух групп были вторичными по отношению к демографии субъектов с потерей центрального зрения (возрастная макулярная дегенерация поражает пожилых испытуемых и более распространена у женщин). Кроме того, цель этого исследования состояла не в том, чтобы сравнить две когорты.

2. Подготовка эксперимента

1. Используйте беспроводные 3D активные очкизатвора (Таблица материалов),которые могут быть синхронизированы с любым 3D-готовым монитором. Для того, чтобы затворные стекла были активными, не должно быть никаких помех между инфракрасным передатчиком (небольшой черный ящик в форме пирамиды) и инфракрасным приемником (сенсором) на носовом мосту стекол затвора.
2. Отображение всех визуальных стимулов на 3D-мониторе (1920 x 1080 пикселей, 144 Гц). Чтобы монитор и 3D-очки работали без проблем, убедитесь, что установлены соответствующие драйверы.
3. Для этого протокола используйте настольный инфракрасный видеотрекер на основе глаз(Table of Materials),который способен измерять движения глаз при выборке 1000 Гц. Разделив инфракрасное освещение и камеру глаз-трекера, используйте любой штатив с регулируемой высотой и углом (Таблица материалов), чтобы крепко удерживать их на месте. Поместите камеру на расстоянии 20-30 см от участника и поместите экран на расстояние 100 см от участника.
4. Используйте инфракрасныйотражающий патч (Таблица материалов),чтобы избежать помех между инфракрасным освещением глаз-трекера и инфракрасной системой очков затвора(рисунок 1, справа).
5. Используйте коммерчески доступное программноеобеспечение (Таблица материалов)для интеграции очков затвора и 3D готового монитора для дихоптической презентации визуальных стимулов для управления eyetracker.
6. Чтобы стабилизировать движения головы, используйте высокий и широкий подбородок и лоб отдыха (Таблица материалов) и зажать его на регулируемый стол. Широкий размер подбородка и лба позволяет комфортно позиционировать участников с очками затвора.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 1 показывает установку для слежения за глазами с dichoptic презентации стимула с помощью 3D затвора очки и 3D-готовый монитор. Инфракрасный отражающий патч был стратегически расположен ниже инфракрасного датчика на носовом мосту 3D-очков затвора(рисунок 1, справа).
7. Свести к минимуму утечку информации о яркости, отключив опцию повышения освещенности в 3D-мониторе. Утечка информации о яркости от одного глаза к другому глазу известна как утечка яркости или перекрестный разговор¹³. Это подвержено происходить со стереоскопическими дисплеями в условиях высокого освещенности.
8. Из-за ставней количество инфракрасного освещения (от системы слежения за глазами), достигающих^{зрачка, может быть значительно уменьшено на 13} – в среднем было уменьшено примерно 65% яркости(Дополнительная таблица 1). Чтобы преодолеть это, увеличьте прочность инфракрасных светодиодов eyetracker до 100% или (максимальная настройка) от настройки мощности по умолчанию. При использовании инфракрасного видео-трекера (Таблица материалов) измените эту настройку в настройках "Сила освещения" на левом нижнем экране, как показано на рисунке 2.

3. Запуск эксперимента

ПРИМЕЧАНИЕ: Основным экспериментом этого исследования было бинокулярное отслеживание глаз и скрининг центрального поля зрения с использованием дихоптических стимулов. Центральный скрининг поля зрения был сопоставим с визуальным полевым тестированием коммерчески доступных инструментов(Таблица материалов). Физические свойства визуального стимула, такие как яркость цели (22 cd/m²), яркость фона (10 cd/m²), размер цели (Goldmann III - 4 мм^2),сетка визуального поля (Polar 3 сетка с 28 точками, рисунок 3), и длительность стимула (200 мс) были идентичны визуальному тестированию поля коммерчески доступных инструментов. Обратите внимание, что эти значения яркости были измерены через затворные стекла, когда затвор был ON (Дополнительный стол 1). Для целей тестирования, обсуждаемых здесь, яркость стимула была постоянной в отличие от тестирования поля зрения, где яркость стимула изменяется, чтобы получить порог обнаружения. Другими словами, в эксперименте использовался надпогодорный скрининг, а не пороговое. Таким образом, результаты скрининга были двоичные ответы (стимулы видели или не видели), а не численные значения.

1. Предэкспериментная проверка
   1. За пару минут до прибытия участника для тестирования убедитесь, что как глаз трекер и хост-компьютер (который работает эксперимент) включен и подтвердить, что хост-компьютер подключен к eyetracker.
   2. Как правило, подтвердите точность синхронизации (с помощью платформы конкретных команд) дисплея перед началом эксперимента.
2. Инициирование основного эксперимента
   ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже шаги очень специфичны для платформы и зависят от сценария, который выполняет основной эксперимент. См Дополнительные материалы, содержащие образцы кодов, используемых для разработки и запуска эксперимента.
   1. Инициировать программу (см. дополнительный материал - 'ELScreeningBLR.m'), которая запускает основной эксперимент из соответствующего интерфейса. Когда и по запросу программы введите информацию об участнике (например, идентификатор участника, расстояние тестирования), которая необходима для сохранения файла выходных данных в папке данных с уникальным именем файла.
   2. Серый экран с инструкциями, такими как "Нажмите Введите, чтобы переключить камеру; Нажмите C для калибровки, Нажмите V для проверки" появится на экране. На этом этапе отрегулируйте камеру глаз-трекера, чтобы выровнять с учеником участника, как показано на рисунке 2.
3. Калибровка и проверка глаз-трекера
   1. Инициировать калибровку глаз-трекера. Поручить участникам следовать за целью, перемещая глаза (а не голову) и смотреть на центр цели.
   2. После успешной калибровки инициируем проверку. Предоставьте те же инструкции, что и калибровка.
   3. Прочитайте результаты шага проверки (обычно отображаемые на экране). Повторите калибровку и проверку до получения результата "хороший/справедливый" (как это рекомендовано руководством по eyetracker).
4. Коррекция дрейфа
   1. Как только калибровка и проверка глаз-трекера будет сделано, инициировать коррекцию дрейфа.
   2. Поручить участникам «посмотреть на центральную цель фиксации и держать глаза как можно более устойчивыми».
      ПРИМЕЧАНИЕ: После калибровки, проверки и коррекции дрейфа, отслеживание глаз будет начато одновременно с основным экспериментом.
5. Визуальный скрининг поля
   1. Повторно проинструктировать/напомнить участнику о задаче, которую он/она должны вывыполнения во время эксперимента. Попросите испытуемых держать оба глаза открытыми в течение всего тестирования.
   2. Для этого визуального эксперимента поле, поручить им провести фиксацию на центральной цели фиксации, отвечая на "любой белый свет видел", нажав кнопку "введите" в кнопку ответа(рисунок 1, Таблица материалов). Поручить им не двигать глазами и искать новые белые огни. Также напомните им, что краткие белые огни могут появиться в любом месте на экране.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Во время скрининга поля зрения, функционирование затвора очки могут быть проверены с помощью монокулярных целей, которые могут быть слиты, чтобы сформировать полную проницательность (см. Дополнительный рисунок 2 - поймать испытаний).
   3. Повторное итерирование инструкции "держать фиксации" несколько раз на протяжении всего эксперимента, чтобы обеспечить фиксацию попадает в нужную область.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Аудио обратной связи (например, тон ошибки) могут быть использованы для оповещения потери фиксации (например, глаза переехали за окно толерантности). Когда фиксация упущения, переустановить участника, чтобы зафиксировать только на перекрестной цели. Представление визуальных стимулов может быть временно остановлено до тех пор, пока участник не вернет фиксацию в окно толерантности (например, центральный 2 ").
   4. В конце эксперимента визуального поля на экране будет отображаться результат тестирования, подчеркивающий видные и невидаемые местоположения по-разному (например, рисунок 6).
6. Сохранение файла данных
   1. Все данные визуального поля (скажем, сохранены как ". мат" файл) и данные движения глаз (скажем, сохраненные как ".edf" файл) будут сохранены автоматически для пост-специального анализа. Тем не менее, убедитесь, что файлы были сохранены до выхода из программы / платформы работает эксперимент.

4. Анализ

ПРИМЕЧАНИЕ: Анализ движения глаз и данных визуального поля может быть выполнен несколькими способами и зависит от программного обеспечения, используемого для запуска эксперимента и формата данных вывода глазного трекера. Ниже приведены следующие шаги, характерные для настройки и программы (см. дополнительные материалы).

1. Анализ движения глаз (пост-специальный)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Сохраненный файл данных движения глаз (EDF) является сильно сжатым двоичным форматом, и он содержит много типов данных, включая события движения глаз, сообщения, нажатия кнопок и образцы положения взгляда.
   1. Преобразование EDF в файлы ASC-II с помощью программы переводчика (EDF2ASC).
   2. Выполнить 'PipelineEyeMovementAnalysisERI.m' для инициализации анализа движения глаз и следовать инструкциям, как у отмечалось в коде (см. дополнительные материалы для сценария кода).
   3. Вы запустите "EM_plots.m", чтобы извлечь горизонтальные и вертикальные положения глаз и сюжет, как показано на рисунке 4 и рисунке 5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данные движения глаз могут быть дополнительно проанализированы для вычисления стабильности фиксации, обнаружения микросаккад и т.д. Однако это выходит за рамки настоящего документа.
2. Визуальные поля
   1. Чтобы получить отчеты о тестировании поля зрения, запустите "VF_plot.m".
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все наборы данных, относящиеся к эксперименту визуального поля, такие как точки, которые видны/не видны, будут построены как карта поля зрения, как показано на рисунке 6. Если точка была замечена, то она будет построена как "зеленый" заполненный квадрат, в противном случае красный заполненный квадрат будет построен. Пост-специальный анализ данных визуального поля не потребуется.

Результаты

Показаны репрезентативные бинокулярные следы движения глаз одного наблюдателя с нормальным бинокулярным зрением в двух различных условиях просмотра(рисунок 4). Непрерывное отслеживание движений глаз стало возможным, когда оба глаза рассматривали стимул (р...

Обсуждение

Предлагаемый метод измерения движений глаз в состоянии дихоптической просмотра имеет много потенциальных применений. Оценка бинокулярных визуальных полей у участников с центральной потерей зрения, которая демонстрируется здесь, является одним из таких приложений. Мы использовали э?...

Материалы

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