Name: quantification of oculomotor responses and accommodation through instrumentation and analysis toolboxes
Uploaded: 2023-03-03T13:40:00
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Esta investigación fue apoyada por la subvención R01EY023261 de los Institutos Nacionales de Salud a T.L.A. y una beca Barry Goldwater y un premio doctoral NJIT Provost a S.N.F.

El estudio, para el cual se creó e implementó con éxito este conjunto de instrumentación y análisis de datos, fue aprobado por la Junta de Revisión de Instituciones del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey HHS FWA 00003246 Approval F182-13 y aprobado como un ensayo clínico aleatorizado publicado en ClinicalTrials.gov Identificador: NCT03593031 financiado a través de NIH EY023261. Todos los participantes leyeron y firmaron un formulario de consentimiento informado aprobado por la Junta de Revisión Institucion...

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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., 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>

Aplicaciones del método en investigación Las innovaciones del software inicial VisualEyes2020 (VE2020) incluyen la expansibilidad del VE2020 para proyectarse en múltiples monitores con uno o varios estímulos visuales, lo que permite la investigación de cuestiones científicas que van desde la cuantificación de los componentes Maddox de la vergencia18 hasta la influencia de los objetivos que distraen en los objetivos instruidos19. La expansión del ...

La coordinación binocular concertada y las respuestas acomodativas y oculomotoras adecuadas a los estímulos visuales son aspectos cruciales de la vida diaria. Cuando un individuo tiene una velocidad de respuesta de movimiento ocular de convergencia reducida, cuantificada a través del registro del movimiento ocular, se puede percibir visión doble (diplopía) 1,2. Además, un metanálisis de la literatura Cochrane informó que los pacientes con disfunciones oculomotoras, que intentan mantener una visión binocular normal, experimentan síntomas visuales comúnmente compartidos, incluyendo visión borrosa / doble, dolores de cabeza, estrés / tensión ocular y dificultad para leer cómodamente3. Los movimientos oculares conjugados rápidos (sacadas), cuando son deficientes, pueden responder de manera insuficiente o excesiva a los objetivos visuales, lo que significa que se requieren más sacadas secuenciales para corregir este error4. Estas respuestas oculomotoras también pueden ser confundidas por el sistema acomodativo, en el que el enfoque incorrecto de la luz de la lente crea desenfoque5.
Tareas como leer o trabajar en dispositivos electrónicos exigen la coordinación de los sistemas oculomotor y acomodativo. Para las personas con movimiento ocular binocular o disfunciones acomodativas, la incapacidad de mantener la visión binocular (única) y aguda (clara) disminuye su calidad de vida y productividad general. Al establecer una metodología de procedimiento para registrar cuantitativamente estos sistemas de forma independiente y concertada a través de configuraciones de instrumentación repetibles y análisis objetivos, se pueden comprender las características distintivas sobre la aclimatación a deficiencias específicas. Las mediciones cuantitativas de los movimientos oculares pueden conducir a diagnósticos más completos6 en comparación con los métodos convencionales, con el potencial de predecir la probabilidad de remediación a través de intervenciones terapéuticas. Este conjunto de instrumentación y análisis de datos proporciona información para comprender los mecanismos detrás de los estándares actuales de atención, como la terapia visual, y el efecto a largo plazo que las intervenciones terapéuticas pueden tener en los pacientes. El establecimiento de estas diferencias cuantitativas entre individuos con y sin visión binocular normal puede proporcionar nuevas estrategias terapéuticas personalizadas y aumentar la efectividad de la remediación basada en mediciones objetivas de resultados.
Hasta la fecha, no existe una sola plataforma disponible comercialmente que pueda estimular y registrar cuantitativamente simultáneamente los datos de movimiento ocular con las correspondientes respuestas acomodativas de posición y velocidad que puedan procesarse posteriormente como flujos de datos separados (movimiento ocular y acomodativo). Los análisis de procesamiento de señales para las respuestas posicionales y de velocidad acomodativas y oculomotoras han establecido, respectivamente, requisitos mínimos de muestreo de aproximadamente 10 Hz7 y una frecuencia de muestreo sugerida entre 240 Hz y 250 Hz para los movimientos oculares sacádicos 8,9. Sin embargo, la tasa de Nyquist para los movimientos oculares de vergencia aún no se ha establecido, aunque la vergencia es aproximadamente un orden de magnitud menor en velocidad máxima que los movimientos oculares sacádicos. No obstante, existe una brecha en la literatura actual con respecto a la grabación del movimiento ocular y la integración de la plataforma de instrumentación autorrefractiva. Además, la capacidad de analizar las respuestas objetivas del movimiento ocular con respuestas de acomodación sincrónicas aún no ha sido de código abierto. Por lo tanto, el Laboratorio de Visión e Ingeniería Neural (VNEL) abordó la necesidad de instrumentación y análisis sincronizados a través de la creación de VE2020 y dos conjuntos de programas de procesamiento de señales fuera de línea para analizar los movimientos oculares y las respuestas acomodativas. VE2020 se puede personalizar a través de procedimientos de calibración y protocolos de estimulación para adaptarse a una variedad de aplicaciones, desde la ciencia básica hasta la clínica, incluidos los proyectos de investigación de visión binocular sobre insuficiencia / exceso de convergencia, insuficiencia / exceso de divergencia, insuficiencia / exceso acomodativo, disfunciones binoculares relacionadas con conmociones cerebrales, estrabismo, ambliopía y nistagmo. VE2020 se complementa con VEMAP y AMAP, que posteriormente proporcionan capacidades de análisis de datos para estos ojos estimulados y movimientos 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

A través de la estimulación intencional y el registro de los movimientos oculares, se pueden observar las características fundamentales de los mecanismos neuronales subyacentes de los movimientos oculares. VisualEyes2020 (VE2020) se desarrolló en base a la falta de estimulación visual personalizable basada en software disponible para los investigadores que no dependa de motores o actuadores dentro de un haploscopio tradicional. Este nuevo instrumento y metodología se han desarrollado para una nueva configuración de haploscopio que utiliza sistemas de seguimiento ocular y autorrefractores. El software de análisis que permite el análisis sincronizado del movimiento ocular y las respuestas acomodativas proporciona a los investigadores de la visión y a los médicos un entorno reproducible y una herramienta que se puede compartir. El Programa de Análisis del Movimiento Ocular (VEMAP) del Laboratorio de Visión e Ingeniería Neural (VNEL) se estableció para procesar las grabaciones producidas por los rastreadores oculares de VE2020, mientras que el Programa de Análisis de Movimiento Acomodativo (AMAP) se creó para procesar las salidas de grabación del sistema autorrefractor correspondiente. El VNEL estudia tres estímulos primarios: acomodación (cambios borrosos en la convexidad de la lente intraocular), vergencia (hacia adentro, rotación convergente y hacia afuera, rotación divergente de los ojos) y sacadas (movimientos oculares conjugados). VEMAP y AMAP utilizan procesos de flujo de datos similares, interacciones manuales del operador e intervenciones cuando sea necesario; Sin embargo, estas plataformas de análisis avanzan en el establecimiento de un conjunto de software objetivo que minimiza la dependencia del operador. La utilidad de una interfaz gráfica y sus algoritmos correspondientes permiten llevar a cabo una amplia gama de experimentos visuales con la mínima experiencia previa de codificación requerida por su operador (s).

Los gráficos de conjunto a nivel de grupo de movimientos oculares estimulados evocados por VE2020 se representan en la Figura 11 con las correspondientes características de velocidad de primer orden.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64808/64808fig11.jpg"> Figura 11: Conjuntos de respuesta al movimiento ocular. Se muestran los diagramas de conju...

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Quantification of Oculomotor Responses and Accommodation Through Instrumentation and Analysis Toolboxes

VisualEyes2020 (VE2020) es un lenguaje de scripting personalizado que presenta, registra y sincroniza estímulos visuales de movimiento ocular. VE2020 proporciona estímulos para movimientos oculares conjugados (sacadas y persecución suave), movimientos oculares desconjugados (vergencia), acomodación y combinaciones de cada uno. Dos programas de análisis unifican el procesamiento de datos de los sistemas de seguimiento ocular y registro de alojamiento.

Cuantificación de respuestas oculomotoras y acomodación a través de instrumentación y cajas de herramientas de análisis

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

Los paquetes de software utilizados en este estudio proporcionan un control exhaustivo y completo sobre cualquier experimento de interés. Visualize 2020 personaliza la estimulación, AMAP y VMAP proporcionan un análisis complementario de los comportamientos motores acomodativos y oculares respectivamente. La transparencia es la principal ventaja de esta técnica.Programáticamente, el comportamiento del estímulo, la rutina de calibración y los procesos analíticos se pueden definir por el usuario para cualquier protocolo experimental dado dentro de los alcances del software. La medición objetiva de los movimientos oculares y la acomodación con análisis de datos permite a los científicos de la visión y a los médicos poder diferenciar primero entre los pacientes con disfunción binocular y los controles de neuroma binocular. Y segundo, ser capaz de entender el mecanismo neurológico subyacente de la terapéutica de la visión.Los registros de momentos oculares se pueden usar como un biomarcador potencial para las disfunciones motoras oculares, y tienen aplicaciones potenciales en la población con conmoción cerebral y enfermedad de Parkinson que tienen una alta comorbilidad de disfunciones de la visión binocular. Comience por monitorear las conexiones y el hardware de la configuración. El sistema VisualEyes 2020 asigna los monitores en orden espacial y en el sentido de las agujas del reloj.Asegurar la correcta configuración espacial de los monitores de estímulo. El monitor de control primario se indexa como cero y todos los monitores sucesivos se indexan a partir de uno. Seleccione Identificar para visualizar los índices de monitor asignados para cada pantalla de estímulo conectada al ordenador de control.En la configuración del monitor de pantalla, vaya a Resolución de pantalla y compruebe la resolución recomendada. Asegúrese de que el sistema de seguimiento ocular esté en la línea media óptica con una distancia mínima de la cámara de 38 centímetros. Compruebe que el sistema autorrefractor está en la línea media óptica y aproximadamente a un metro de los ojos.Valide la configuración del hardware y el equipo haciendo referencia a las dimensiones. Asegúrese de que el escritorio y el hardware de seguimiento ocular correspondiente estén configurados y calibrados de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Ocluya monocularmente el ojo izquierdo de los participantes con un filtro de transmisión infrarroja y coloque una lente de prueba de esfera convexa delante del filtro.A continuación, presenta binocularmente un estímulo de cuatro grados de alta agudeza de los monitores de estímulo físicamente cercanos. Luego presenta binocularmente un estímulo de alta agudeza de 16 grados de los monitores de estímulo físicamente cercanos. Una vez adquirido el consentimiento informado, el participante debe sentarse en el haploscopio.Coloque la frente y la barbilla del participante contra un reposacabezas fijo para minimizar el movimiento de la cabeza y ajuste la altura de la silla para que el cuello del participante esté cómodo durante todo el experimento. Ajuste las cámaras de grabación del movimiento ocular para asegurarse de que los ojos del participante sean capturables dentro del campo de visión de la cámara. Luego, ajuste la señal de seguimiento ocular y las ganancias de activación de seguimiento ocular para capturar características anatómicas como el limbo, la pupila y la reflexión corneal.Valide la captura de los datos del movimiento ocular pidiéndole al participante que realice movimientos de vergencia o sacádicos repetidos. Para configurar los datos, utilice el dispositivo de almacenamiento externo que contiene los datos del autorrefractor y exporte los datos a un dispositivo con el AMAP instalado. Inicie la aplicación AMAP y seleccione preprocesador de archivos o preprocesador por lotes.Compruebe la barra de progreso de los AMAP y las notificaciones, ya que el sistema las proporciona cuando los datos seleccionados se hayan procesado previamente. Los directorios de carpetas se generan a partir del preprocesamiento de AMAP para la transparencia del procesamiento de datos y la accesibilidad a través de la unidad local del equipo bajo la salida AMAP. Si se selecciona una característica AMAP sin procesamiento de datos previo, busque una ventana del explorador de archivos que aparezca para que el usuario seleccione un directorio de datos.A continuación, para realizar el análisis de datos AMAP, seleccione un archivo de datos para analizar a través del botón Cargar datos que carga los archivos disponibles en el directorio de archivos actual, de forma predeterminada en una carpeta de salida de subrayado AMAP generada. El nombre del archivo de datos seleccionado aparece en el campo de archivo actual. En el selector de ojos, compruebe la selección por defecto que presenta datos promediados binocularmente para la refracción acomodativa registrada.Cambie el tipo de datos entre la refracción acomodativa y la vergencia oculomotora, denotada como Mirar a través del selector de tipos. Consulte las personalizaciones gráficas adicionales disponibles para presentar las métricas de datos y las caracterizaciones de primer y segundo orden. Compruebe las métricas predeterminadas para el AMAP.Después de mostrar las opciones gráficas, realice modificaciones en el índice inicial de respuesta, el índice final de respuesta y el índice de velocidad máxima a través de los giradores de modificación métrica. Después del análisis de todos los movimientos registrados mostrados, guarde las métricas analizadas para cada archivo de datos en el campo ID de movimiento, o a través de las flechas de navegación de palabra izquierda y palabra derecha. Los movimientos no analizados tienen una clasificación predeterminada de no un número indicado como NaN, y no se guardan ni exportan.Realice una clasificación manual como buena o mala para cada movimiento para garantizar un análisis completo por parte de cualquier operador. Seleccione el botón Guardar para guardar los datos analizados. A continuación, seleccione el botón Exportar para exportar los datos analizados a una hoja de cálculo accesible que contenga métricas de movimiento individuales y las hojas de métricas exportadas promediadas.Los gráficos de conjunto a nivel de grupo de movimientos oculares estimulados evocados por VisualEye 2020 se representan aquí con las correspondientes características de velocidad de primer orden. Cada traza de posición de movimiento ocular se traza como una línea de color único y se superpone con la respuesta de velocidad a nivel de grupo en rojo. La visualización de las actuaciones de los participantes también se puede lograr con el AMAP, que muestra un conjunto de respuestas convergentes de cinco grados y las correspondientes respuestas acomodativas de 1,5 dioptrías resultantes del procesamiento de datos.Es fundamental que un participante esté centrado en la línea media y que entienda lo que necesita hacer con sus ojos para el experimento. Las imágenes oculares claras con la activación adecuada son fundamentales para registrar datos que se pueden analizar sin conexión. Estamos explorando nuevas tecnologías como la realidad virtual para traducir estas técnicas en dispositivos portátiles que son para intervenciones diagnósticas y terapéuticas para ayudar a los pacientes con disfunción binocular, que es común en la población general después de una conmoción cerebral o para pacientes con enfermedad de Parkinson.

Research

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