Name: quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes
Uploaded: 2023-03-03T13:40:00
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この研究は、国立衛生研究所の助成金R01EY023261をTLAに、バリーゴールドウォーター奨学金とNJITプロボスト博士賞をSNFに支援しました。

この機器およびデータ分析スイートが作成され、正常に実装された研究は、ニュージャージー工科大学機関審査委員会HHS FWA 00003246承認F182-13によって承認され、ClinicalTrials.gov に投稿されたランダム化臨床試験として承認されました識別子:NCT03593031はNIH EY023261を介して資金提供されました。すべての参加者は、大学の治験審査委員会によって承認されたインフォームドコンセントフォームを読?...

<ol>
	<li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disparity+vergence+differences+between+typically+occurring+and+concussion-related+convergence+insufficiency+pediatric+patients.">Disparity vergence differences between typically occurring and concussion-related convergence insufficiency pediatric patients.</a> Vision Research. 185, 58-67 (2021).</li><li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Underlying+neurological+mechanisms+associated+with+symptomatic+convergence+insufficiency.">Underlying neurological mechanisms associated with symptomatic convergence insufficiency.</a> Scientific Reports. 11, 6545 (2021).</li><li>Scheiman, M., Kulp, M. T., Cotter, S. A., Lawrenson, J. 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L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Convergence+Insufficiency+Neuro-mechanism+in+Adult+Population+Study+(CINAPS)+randomized+clinical+trial:+Design,+methods,+and+clinical+data.">The Convergence Insufficiency Neuro-mechanism in Adult Population Study (CINAPS) randomized clinical trial: Design, methods, and clinical data.</a> Ophthalmic Epidemiology. 27 (1), 52-72 (2020).</li><li>Leigh, R. J., Zee, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Neurology of Eye Movements. , (2015).</li><li>Alvarez, T. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+and+functional+imaging+changes+induced+from+vision+therapy+in+patients+with+convergence+insufficiency.">Clinical and functional imaging changes induced from vision therapy in patients with convergence insufficiency.</a> Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2019, 104-109 (2019).</li><li>Scheiman, M. M., Talasan, H., Mitchell, G. L., Alvarez, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Objective+assessment+of+vergence+after+treatment+of+concussion-related+CI:+A+pilot+study.">Objective assessment of vergence after treatment of concussion-related CI: A pilot study.</a> Optometry and Vision Science. 94 (1), 74-88 (2017).</li><li>Yaramothu, C., Greenspan, L. D., Scheiman, M., Alvarez, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vergence+endurance+test:+A+pilot+study+for+a+concussion+biomarker.">Vergence endurance test: A pilot study for a concussion biomarker.</a> Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2200-2212 (2019).</li></ol>

研究におけるこの方法の応用 初期のVisualEyes2020(VE2020)ソフトウェアの革新には、1つまたは複数の視覚刺激を備えた複数のモニターに投影するVE2020の拡張性が含まれ、バージェンスのマドックス成分の定量化から指示されたターゲットに対する気を散らすターゲットの影響19に至るまでの科学的問題の調査が可能になります19.VEMAPとAMAPの補完的...

協調的な両眼協調と視覚刺激に対する適切な調節および眼球運動反応は、日常生活の重要な側面です。眼球運動の記録を通じて定量化された収束眼球運動応答速度を個体が低下させた場合、視力の倍増(複視)が知覚され得る1,2。さらに、コクラン文献のメタアナリシスでは、正常な両眼視力を維持しようとする眼球運動機能障害の患者は、かすみ目/複視、頭痛、目のストレス/緊張、快適な読書の困難など、一般的に共有される視覚症状を経験することが報告されています3。急速な共役眼球運動(サッカード)は、不足すると、視覚ターゲットに過小反応または過剰反応する可能性があるため、このエラーを修正するにはさらに連続したサッカードが必要になります4。これらの眼球運動応答は、レンズからの光の不適切な焦点合わせがぼやけ5を生み出す調節システムによっても交絡する可能性があります。
電子機器の読み取りや作業などのタスクには、眼球運動システムと調節システムの調整が必要です。両眼球運動または調節機能障害のある個人の場合、両眼固定術(単回)および急性(クリア)視力を維持できないと、生活の質と全体的な生産性が低下します。再現性のある計装構成と客観的な分析を通じて、これらのシステムを独立して協調的に定量的に記録するための手続き的方法論を確立することにより、特定の欠陥への順応に関する区別特性を理解することができます。眼球運動の定量的測定は、従来の方法と比較してより包括的な診断6 につながる可能性があり、治療的介入 による 修復の可能性を予測する可能性があります。この機器およびデータ分析スイートは、ビジョン療法などの現在の標準治療の背後にあるメカニズム、および治療介入が患者に与える可能性のある長期的な影響を理解するための洞察を提供します。正常な両眼視のある人とない人のこれらの量的な違いを確立することは、新しい個別化された治療戦略を提供し、客観的な結果測定に基づく修復効果を高める可能性があります。
今日まで、別々の(眼球運動および調節)データストリームとしてさらに処理することができる対応する調節的な位置および速度応答を有する眼球運動データを同時に刺激し、定量的に記録することができる単一の市販のプラットフォームは存在しない。調節および眼球運動の位置および速度応答の信号処理分析により、それぞれ約10 Hz7の最小サンプリング要件と、サッカディック眼球運動の推奨サンプリングレートが240 Hz〜250 Hzが確立されました8,9。しかし、輻輳眼球運動のナイキスト速度はまだ確立されていないが、輻輳はサッカディック眼球運動よりもピーク速度が約1桁低い。それにもかかわらず、眼球運動の記録と自動屈折計装プラットフォームの統合に関する現在の文献にはギャップがあります。さらに、同期調節応答で客観的な眼球運動反応を分析する機能はまだオープンソース化されていません。したがって、ビジョンおよび神経工学研究所(VNEL)は、VE2020と、眼球運動と調節反応を分析するための2つのオフライン信号処理プログラムスイートを作成することにより、同期された機器と分析の必要性に対処しました。VE2020は、収束不全/過剰、発散不全/過剰、調節不全/過剰、脳震盪関連の両眼機能障害、斜視、弱視、眼振に関する両眼視研究プロジェクトを含む、基礎科学から臨床までのさまざまなアプリケーションに適応するためのキャリブレーション手順と刺激プロトコルを介してカスタマイズ可能です。VE2020はVEMAPとAMAPによって補完され、その後、これらの刺激された目と調節的な動きのデータ分析機能を提供します。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Analog Terminal Breakout Box</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>2090A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Convex-Sphere Trial Lens Set</td>
			<td>Reichert</td>
			<td>Portable Precision Lenses</td>
			<td>Utilized for autorefractor calibration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphics Cards</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Minimum performance requirement of GTX980 in SLI configuration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISCAN Eye Tracker</td>
			<td>ISCAN</td>
			<td>ETL200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>v2022a</td>
			<td>AMAP software rquirement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>v2015a</td>
			<td>VEMAP software requirement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microsoft Windows 10</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Windows 10</td>
			<td>Required OS for VE2020</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plusoptix PowerRef3 Autorefractor</td>
			<td>Plusoptix</td>
			<td>PowerRef3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stimuli Monitors (Quantity: 4+)</td>
			<td>Dell</td>
			<td>Resolution 1920x1080</td>
			<td>Note all monitors should be the same model and brand to avoid resolution differences as well as physical configurations</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes

眼球運動の意図的な刺激と記録を通じて、眼球運動の根底にある神経メカニズムの基本的な特徴を観察することができます。VisualEyes2020(VE2020)は、従来のハプロスコープ内のモーターやアクチュエーターに依存しない研究者が利用できるカスタマイズ可能なソフトウェアベースの視覚刺激がないことに基づいて開発されました。この新しい機器と方法論は、アイトラッキングと自動屈折システムの両方を利用する新しいハプロスコープ構成のために開発されました。眼球運動と調節反応の同期分析を可能にする分析ソフトウェアは、視覚研究者や臨床医に再現可能な環境と共有可能なツールを提供します。視覚神経工学研究所(VNEL)の眼球運動分析プログラム(VEMAP)は、VE2020のアイトラッカーによって生成された記録を処理するために設立され、調節運動分析プログラム(AMAP)は、対応する自動屈折器システムからの記録出力を処理するために作成されました。VONELは、調節(眼内レンズの凸面のぼかしによる変化)、収束(内向き、収束回転および外向き、眼の発散回転)、およびサッカード(共役眼球運動)の3つの主要な刺激を研究します。VEMAP と AMAP は、同様のデータ フロー プロセス、手動のオペレーター操作、および必要に応じて介入を利用します。ただし、これらの分析プラットフォームは、オペレーターの依存を最小限に抑える客観的なソフトウェアスイートの確立を進めます。グラフィカルインターフェイスとそれに対応するアルゴリズムの有用性により、オペレーターからの最小限の事前コーディング経験で幅広い視覚実験を行うことができます。

VE2020によって誘発された刺激眼球運動のグループレベルのアンサンブルプロットは、対応する1次速度特性とともに 図11 に示されています。
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64808/64808fig11.jpg"> 図11:眼球運動反応アンサンブル。 VE2020を用いて刺激した輻輳ステップ(左)と?...

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Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes

VisualEyes2020(VE2020)は、視覚的眼球運動刺激を提示、記録、同期するカスタムスクリプト言語です。VE2020は、共役眼球運動(サッカードとスムーズな追跡)、共役眼球運動(バージェンス)、調節、およびそれぞれの組み合わせのための刺激を提供します。2つの分析プログラムは、アイトラッキングおよび調節記録システムからのデータ処理を統合します。

計測および解析ツールボックスによる眼球運動応答と調節の定量化

Through the purposeful stimulation and recording of eye movements, the fundamental characteristics of the underlying neural mechanisms of eye movements ...

この研究で使用されるソフトウェアパッケージは、関心のある特定の実験を包括的かつ完全に制御します。Visualize 2020は刺激をカスタマイズし、AMAPとVMAPはそれぞれ調節運動行動と眼球運動行動の補完的な分析を提供します。透明性はこの手法の主な利点です。プログラム的には、刺激挙動、較正ルーチンおよび分析プロセスは、ソフトウェア範囲内の任意の実験プロトコルに対してユーザ定義することができる。データ分析による眼球運動と調節の客観的な測定により、視力科学者や医師は、両眼機能障害のある患者と両眼神経腫コントロールの患者の違いを最初に見分けることができます。そして第二に、視覚治療の根底にある神経メカニズムを理解することができます。目の瞬間の記録は、眼の運動機能障害の潜在的なバイオマーカーとして使用することができ、両眼視機能障害の併存率が高い脳震盪およびパーキンソン病の集団に潜在的な用途があります。セットアップの接続とハードウェアを監視することから始めます。VisualEyes 2020システムは、モニターを空間的および時計回りに割り当てます。刺激モニターの適切な空間構成を確認してください。1 次制御モニターはゼロとして索引付けされ、後続のすべてのモニターは 1 つ以降に索引付けされます。識別を選択して、制御コンピュータに接続されている各刺激表示に割り当てられたモニタインデックスを視覚化します。ディスプレイモニターの設定で、[ディスプレイの解像度]に移動し、推奨解像度を確認します。視線追跡システムが光学正中線上にあり、カメラ距離が38センチメートル以上であることを確認します。自動屈折器システムが光学正中線上にあり、目から約1メートル離れていることを確認してください。寸法を参照して、ハードウェアと機器の構成を検証します。デスクトップと対応する視線追跡ハードウェアが、製造元の指示に従って構成および調整されていることを確認します。赤外線透過フィルターで参加者の左目を単眼で覆い、フィルターの前に凸球トライアルレンズを配置します。次に、物理的に近い刺激モニタから4度の高視力刺激を両眼的に提示する。次に、物理的に近い刺激モニターからの高視力16度の刺激を両眼的に提示します。インフォームドコンセントが得られたら、参加者にハプロスコープに座るように指示します。参加者の額とあごを固定ヘッドレストに配置して頭の動きを最小限に抑え、参加者の首が実験全体で快適になるように椅子の高さを調整します。眼球運動記録カメラを調整して、参加者の目がカメラの視野内でキャプチャ可能であることを確認します。次に、アイトラッキング信号とアイトラッキングゲーティングゲインを調整して、四肢、瞳孔、角膜反射などの解剖学的特徴をキャプチャします。参加者に繰り返しの発動またはサッカディック運動を実行するように依頼することにより、眼球運動データのキャプチャを検証します。データを構成するには、自動屈折データを含む外部記憶装置を利用し、AMAP がインストールされているデバイスにデータをエクスポートします。AMAP アプリケーションを起動し、ファイル プリプロセッサまたはバッチ プリプロセッサを選択します。AMAPの進行状況バーと通知は、選択したデータが前処理されたときにシステムによって提供されるため、確認してください。フォルダー ディレクトリは、データ処理の透過性と、AMAP 出力の下でコンピューターのローカル ドライブを介したアクセスのために、AMAP の前処理から生成されます。事前のデータ処理なしで AMAP 機能を選択した場合は、ユーザーがデータ ディレクトリを選択するために表示されるエクスプローラー ウィンドウを確認します。次に、AMAP データ分析を実行するには、[Load Data] ボタンを使用して分析するデータ ファイルを選択し、使用可能なファイルを現在のファイル ディレクトリ (既定では生成された AMAP アンダースコア出力フォルダー) にロードします。選択したデータ ファイル名が現在のファイル フィールドに表示されます。アイセレクターで、記録された調節屈折の両眼平均データを表示するデフォルトの選択をチェックします。データ型を調節屈折と眼球運動の両端の間で切り替えます (タイプ セレクターを通して Gaze と表示されます)。データメトリックと一次および二次特性を表示するために利用可能なさらなるグラフィカルなカスタマイズを確認してください。AMAP の既定のメトリックを確認します。グラフィカルオプションを表示した後、メトリック変更スピナーを介して応答開始インデックス、応答終了インデックス、およびピーク速度インデックスを変更します。表示されたすべての記録された動きの分析に続いて、各データファイルの分析されたメトリックを移動IDフィールドに保存するか、左の単語と右の単語のナビゲーション矢印を使用します。未分析の動きは、NaN として示される番号ではないデフォルトの分類を持ち、保存またはエクスポートされません。各動きに対して良いか悪いかを手動で分類して、任意のオペレーターによる完全な分析を保証します。[保存] ボタンを選択して、分析したデータを保存します。次に、[エクスポート] ボタンを選択して、分析されたデータを、個々の移動メトリックと平均化されたエクスポートされたメトリック シートを含むアクセス可能なスプレッドシートにエクスポートします。ここでは、VisualEye 2020によって誘発された刺激眼球運動のグループレベルのアンサンブルプロットを、対応する1次速度特性とともに示しています。各眼球運動位置トレースは、一意の色付きの線としてプロットされ、グループレベルの速度応答が赤でオーバーレイされます。参加者のパフォーマンスの視覚化は、5度の収束応答と、データ処理から生じる対応する1.5ジオプターの調節応答のアンサンブルを示すAMAPでも達成できます。参加者が正中線を中心に据え、実験のために目で何をする必要があるかを理解することが重要です。適切なゲーティングを備えた鮮明な目の画像は、オフラインで分析できるデータを記録するために重要です。私たちは、バーチャルリアリティなどの新しいテクノロジーを模索しており、これらの技術を、脳震盪後の一般集団やパーキンソン病の患者によく見られる両眼機能障害の患者を支援するための診断および治療的介入用のポータブルデバイスに変換します。

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