Name: quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes
Uploaded: 2023-03-03T13:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes at JoVE.com

Esta pesquisa foi apoiada pelo National Institutes of Health grant R01EY023261 para T.L.A. e uma bolsa Barry Goldwater e NJIT Provost Doctoral Award para S.N.F.

O estudo, para o qual esta suíte de instrumentação e análise de dados foi criada e implementada com sucesso, foi aprovado pelo New Jersey Institute of Technology Institution Review Board HHS FWA 00003246 Approval F182-13 e aprovado como um ensaio clínico randomizado publicado no identificador ClinicalTrials.gov: NCT03593031 financiado via NIH EY023261. Todos os participantes leram e assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da universidade.
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	<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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VisualEyes:+A+modular+software+system+for+oculomotor+experimentation.">VisualEyes: A modular software system for oculomotor experimentation.</a> Journal of Visualized Experiments. (49), e2530 (2011).</li><li>Convergence Insufficiency Treatment Trial Study Group. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Randomized+clinical+trial+of+treatments+for+symptomatic+convergence+insufficiency+in+children.">Randomized clinical trial of treatments for symptomatic convergence insufficiency in children.</a> Archives of Ophthalmology. 126 (10), 1336-1349 (2008).</li><li>Borsting, E., 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=Association+of+symptoms+and+convergence+and+accommodative+insufficiency+in+school-age+children.">Association of symptoms and convergence and accommodative insufficiency in school-age children.</a> Optometry. 74 (1), 25-34 (2003).</li><li>Sheard, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zones+of+ocular+comfort.">Zones of ocular comfort.</a> American Journal of Optometry. 7 (1), 9-25 (1930).</li><li>Hofstetter, H. 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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>

Aplicações do método em pesquisa As inovações do software inicial VisualEyes2020 (VE2020) incluem a expansibilidade do VE2020 para projetar em múltiplos monitores com um ou vários estímulos visuais, o que permite a investigação de questões científicas que vão desde a quantificação dos componentes Maddox de vergência18 até a influência de alvos distraídos em alvos instruídos19. A expansão do sistema de haploscópio para o VE2020, junt...

A coordenação binocular concertada e as respostas acomodativas e oculomotoras adequadas aos estímulos visuais são aspectos cruciais da vida diária. Quando um indivíduo apresenta velocidade de resposta do movimento ocular de convergência reduzida, quantificada por meio do registro dos movimentos oculares, a visão duplicada (diplopia) pode ser percebida 1,2. Além disso, uma meta-análise da literatura Cochrane relatou que pacientes com disfunções oculomotoras, tentando manter a visão binocular normal, experimentam sintomas visuais comumente compartilhados, incluindo visão turva/dupla, cefaleias, estresse/esforço ocular e dificuldade de leitura confortável3. Os movimentos oculares conjugados rápidos (sacadas), quando deficientes, podem responder pouco ou sobre-responder aos alvos visuais, o que significa que mais sacádicos sequenciais são necessários para corrigir esse erro4. Essas respostas oculomotoras também podem ser confundidas pelo sistema acomodativo, no qual a focalização inadequada da luz do cristalino gera desfoque5.
Tarefas como ler ou trabalhar em dispositivos eletrônicos exigem coordenação dos sistemas oculomotor e acomodativo. Para indivíduos com movimento ocular binocular ou disfunções acomodativas, a incapacidade de manter a fusão binocular (única) e a visão aguda (clara) diminui sua qualidade de vida e produtividade geral. Ao estabelecer uma metodologia processual para o registro quantitativo desses sistemas de forma independente e concertada, por meio de configurações de instrumentação repetíveis e análise objetiva, características distintivas sobre a aclimatação a deficiências específicas podem ser compreendidas. Medidas quantitativas dos movimentos oculares podem levar a diagnósticos maisabrangentes6 em comparação aos métodos convencionais, com potencial para predizer a probabilidade de remediação por meio de intervenções terapêuticas. Este conjunto de instrumentação e análise de dados fornece informações para a compreensão dos mecanismos por trás dos padrões atuais de tratamento, como a terapia da visão, e o efeito de longo prazo que a(s) intervenção(ões) terapêutica(s) pode ter nos pacientes. Estabelecer essas diferenças quantitativas entre indivíduos com e sem visão binocular normal pode fornecer novas estratégias terapêuticas personalizadas e aumentar a eficácia da remediação com base em medidas objetivas de resultados.
Até o momento, não há uma única plataforma comercialmente disponível que possa estimular e registrar quantitativamente simultaneamente os dados do movimento ocular com respostas posicionais e de velocidade acomodacionais correspondentes que possam ser processadas como fluxos de dados separados (movimento ocular e acomodação). As análises do processamento do sinal para respostas posicionais e velocídicas acomodativas e oculomotoras estabeleceram, respectivamente, requisitos mínimos de amostragem de aproximadamente 10 Hz7 e uma taxa de amostragem sugerida entre 240 Hz e 250 Hz para movimentos oculares sacádicos 8,9. No entanto, a taxa de Nyquist para os movimentos oculares de vergência ainda não foi estabelecida, embora a vergência seja cerca de uma ordem de magnitude menor em velocidade de pico do que os movimentos oculares sacádicos. No entanto, existe uma lacuna na literatura atual no que diz respeito ao registro dos movimentos oculares e à integração da plataforma de instrumentação auto-refrativa. Além disso, a capacidade de analisar respostas objetivas do movimento ocular com respostas de acomodação síncronas ainda não foi aberta. Assim, o Laboratório de Engenharia Neural e de Visão (VNEL) abordou a necessidade de instrumentação e análise sincronizadas por meio da criação do VE2020 e de duas suítes de programas de processamento de sinais offline para analisar movimentos oculares e respostas acomodativas. O VE2020 é personalizável por meio de procedimentos de calibração e protocolos de estimulação para adaptação a uma variedade de aplicações, da ciência básica à clínica, incluindo projetos de pesquisa de visão binocular sobre insuficiência/excesso de convergência, insuficiência/excesso de divergência, insuficiência/excesso acomodativo, disfunções binoculares relacionadas à concussão, estrabismo, ambliopia e nistagmo. O VE2020 é complementado pelo VEMAP e AMAP, que posteriormente fornecem recursos de análise de dados para esses olhos estimulados e movimentos acomodativos.

<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

Através da estimulação proposital e do registro dos movimentos oculares, as características fundamentais dos mecanismos neurais subjacentes aos movimentos oculares podem ser observadas. O VisualEyes2020 (VE2020) foi desenvolvido com base na falta de estimulação visual baseada em software personalizável disponível para pesquisadores que não dependem de motores ou atuadores dentro de um haploscópio tradicional. Este novo instrumento e metodologia foram desenvolvidos para uma nova configuração de haploscópio utilizando sistemas de rastreamento ocular e auto-refrator. O software de análise que permite a análise sincronizada do movimento ocular e das respostas acomodativas fornece aos pesquisadores e clínicos da visão um ambiente reprodutível e uma ferramenta compartilhável. O Programa de Análise de Movimento Ocular (VEMAP) do Laboratório de Engenharia Neural e Visão (VNEL) foi criado para processar gravações produzidas pelos rastreadores oculares do VE2020, enquanto o Programa de Análise de Movimento Acomodativo (AMAP) foi criado para processar as saídas de gravação do sistema autorefrator correspondente. O VNEL estuda três estímulos principais: acomodação (mudanças dirigidas por borrões na convexidade da lente intraocular), vergência (para dentro, rotação convergente e para fora, rotação divergente dos olhos) e sacádicos (movimentos oculares conjugados). O VEMAP e o AMAP utilizam processos de fluxo de dados semelhantes, interações manuais do operador e intervenções quando necessário; No entanto, essas plataformas de análise avançam no estabelecimento de um pacote de software objetivo que minimiza a confiança do operador. A utilidade de uma interface gráfica e seus algoritmos correspondentes permitem que uma ampla gama de experimentos visuais seja conduzida com o mínimo de experiência prévia de codificação necessária de seu(s) operador(es).

Os gráficos de conjunto em nível de grupo dos movimentos oculares estimulados evocados pelo VE2020 são representados na Figura 11 com as características de velocidade de primeira ordem correspondentes.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64808/64808fig11.jpg"> Figura 11: Conjuntos de resposta dos movimentos oculares. Os gráficos de conjunto de ...

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Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes

VisualEyes2020 (VE2020) é uma linguagem de script personalizada que apresenta, registra e sincroniza estímulos de movimento visual dos olhos. O VE2020 fornece estímulos para movimentos oculares conjugados (sacadas e perseguição suave), movimentos oculares desconjugados (vergência), acomodação e combinações de cada um. Dois programas de análise unificam o processamento de dados dos sistemas de rastreamento ocular e registro de acomodação.

Quantificação das respostas oculomotoras e acomodação através de instrumentação e caixas de ferramentas de análise

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

Os pacotes de software utilizados neste estudo fornecem controle abrangente e completo sobre qualquer experimento de interesse. O Visualize 2020 personaliza a estimulação, o AMAP e o VMAP fornecem análises complementares dos comportamentos motores acomodativos e oculares, respectivamente. A transparência é a principal vantagem dessa técnica.Programaticamente, o comportamento do estímulo, a rotina de calibração e os processos analíticos podem ser definidos pelo usuário para qualquer protocolo experimental dentro dos escopos do software. A medição objetiva dos movimentos oculares e a acomodação com análise de dados capacitam cientistas da visão e médicos a primeiro serem capazes de dizer a diferença entre pacientes com disfunção binocular e controles de neuroma binocular. E segundo, ser capaz de entender o mecanismo neuro subjacente da terapêutica da visão.Os registros de momento ocular podem ser usados como um potencial biomarcador para disfunções motoras oculares, e têm aplicações potenciais na população de concussão e doença de Parkinson que têm uma alta comorbidade de disfunções da visão binocular. Comece monitorando as conexões e o hardware da configuração. O sistema VisualEyes 2020 atribui aos monitores ordem espacial e horária.Garantir a configuração espacial adequada dos monitores de estímulo. O monitor de controle primário é indexado como zero e todos os monitores sucessivos são indexados de um em diante. Selecione Identificar para visualizar os índices de monitor atribuídos para cada monitor de estímulo conectado ao computador de controle.Nas configurações do monitor de vídeo, navegue até Resolução de vídeo e verifique a resolução recomendada. Verifique se o sistema de rastreamento ocular está na linha média óptica com uma distância mínima da câmera de 38 centímetros. Verifique se o sistema de auto-refrator está na linha média óptica e a aproximadamente um metro dos olhos.Valide a configuração do hardware e do equipamento referenciando as dimensões. Verifique se a área de trabalho e o hardware de rastreamento ocular correspondente estão configurados e calibrados de acordo com as instruções do fabricante. Ocluir monocularmente o olho esquerdo dos participantes com um filtro de transmissão infravermelho e colocar uma lente de ensaio de esfera convexa na frente do filtro.Em seguida, apresentar binocularmente um estímulo de quatro graus de alta acuidade dos monitores de estímulo fisicamente próximos. Em seguida, apresentar binocularmente um estímulo de alta acuidade de 16 graus dos monitores de estímulo fisicamente próximos. Uma vez obtido o consentimento informado, direcione o participante para ser sentado no haploscópio.Posicione a testa e o queixo do participante contra um encosto de cabeça fixo para minimizar o movimento da cabeça e ajuste a altura da cadeira para que o pescoço do participante fique confortável durante todo o experimento. Ajuste as câmeras de gravação do movimento dos olhos para garantir que os olhos do participante sejam capturados dentro do campo de visão das câmeras. Em seguida, ajuste o sinal de rastreamento ocular e os ganhos de rastreamento ocular para capturar características anatômicas, como o limbo, a pupila e a reflexão da córnea.Validar a captura dos dados do movimento ocular solicitando ao participante que realize movimentos repetidos de vergência ou sacádicos. Para configurar os dados, utilize o dispositivo de armazenamento externo que contém os dados do autorrefrator e exporte os dados para um dispositivo com o AMAP instalado. Inicie o aplicativo AMAP e selecione o pré-processador de arquivo ou o pré-processador em lote.Verifique a barra de progresso e as notificações do AMAP, pois o sistema as fornece quando os dados selecionados tiverem sido pré-processados. Os diretórios de pastas são gerados a partir do pré-processamento dos AMAPs para transparência do processamento de dados e acessibilidade por meio da unidade local do computador na saída do AMAP. Se um recurso AMAP for selecionado sem processamento de dados prévio, verifique se há uma janela do explorador de arquivos que aparece para que o usuário selecione um diretório de dados.Em seguida, para executar a análise de dados do AMAP, selecione um arquivo de dados a ser analisado por meio do botão Carregar Dados que carrega todos os arquivos disponíveis no diretório de arquivos atual, com o padrão para uma pasta de saída de sublinhado AMAP gerada. O nome do arquivo de dados selecionado aparece no campo de arquivo atual. No Seletor de Olhos, marque a seleção padrão que apresenta dados de média binocular para a refração acomodativa registrada.Alterne o tipo de dados entre refração acomodativa e vergência oculomotora, indicada como Olhar através do Seletor de Tipos. Verifique outras personalizações gráficas disponíveis para apresentar as métricas de dados e caracterizações de primeira e segunda ordem. Verifique as métricas padrão para o AMAP.Após a exibição das opções gráficas, realize modificações no índice inicial de resposta, no índice final de resposta e no índice de velocidade de pico através dos spinners de modificação métrica. Após a análise de todos os movimentos registrados exibidos, salve as métricas analisadas para cada arquivo de dados no campo ID do movimento ou através das setas de navegação de palavras à esquerda e à direita. Os movimentos não analisados têm uma classificação padrão de não um número indicado como NaN, e não são salvos ou exportados.Realize a classificação manual como bom ou ruim para cada movimento para garantir uma análise completa por qualquer operador. Selecione o botão Salvar para salvar os dados analisados. Em seguida, selecione o botão Exportar para exportar os dados analisados para uma planilha acessível que contenha métricas de movimento individuais e as planilhas de métricas exportadas em média.Gráficos de conjunto em nível de grupo de movimentos oculares estimulados evocados pelo VisualEye 2020 são retratados aqui com as características de velocidade de primeira ordem correspondentes. Cada traço de posição do movimento ocular é plotado como uma linha de cor única e sobreposto com a resposta de velocidade no nível do grupo em vermelho. A visualização dos desempenhos dos participantes também pode ser realizada com a AMAP, que mostra um conjunto de respostas convergentes de cinco graus e as correspondentes respostas acomodativas de 1,5 dioptria resultantes do processamento de dados.É fundamental que um participante esteja centrado na linha média e entenda o que precisa fazer com os olhos para o experimento. Imagens de olhos claros com vedação apropriada são fundamentais para registrar dados que podem ser analisados off-line. Estamos explorando novas tecnologias, como a realidade virtual, para traduzir essas técnicas em dispositivos portáteis que servem para intervenções diagnósticas e terapêuticas para ajudar pacientes com disfunção binocular, que é comum na população em geral após uma concussão ou para pacientes com doença de Parkinson.

Research

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