Разработан метод Количественно Визуальный обработки информации в интересах детей с помощью глаз слежения
Summary
A method is described to quantify the quality of visual information processing based on reflexive eye movements in response to specific visual modalities. Reaction times and fixation output parameters are used to characterize visual performance in children with and without visual impairments from 6 months of age.
Abstract
Visual problems that occur early in life can have major impact on a child’s development. Without verbal communication and only based on observational methods, it is difficult to make a quantitative assessment of a child’s visual problems. This limits accurate diagnostics in children under the age of 4 years and in children with intellectual disabilities. Here we describe a quantitative method that overcomes these problems. The method uses a remote eye tracker and a four choice preferential looking paradigm to measure eye movement responses to different visual stimuli. The child sits without head support in front of a monitor with integrated infrared cameras. In one of four monitor quadrants a visual stimulus is presented. Each stimulus has a specific visual modality with respect to the background, e.g., form, motion, contrast or color. From the reflexive eye movement responses to these specific visual modalities, output parameters such as reaction times, fixation accuracy and fixation duration are calculated to quantify a child’s viewing behavior. With this approach, the quality of visual information processing can be assessed without the use of communication. By comparing results with reference values obtained in typically developing children from 0-12 years, the method provides a characterization of visual information processing in visually impaired children. The quantitative information provided by this method can be advantageous for the field of clinical visual assessment and rehabilitation in multiple ways. The parameter values provide a good basis to: (i) characterize early visual capacities and consequently to enable early interventions; (ii) compare risk groups and follow visual development over time; and (iii), construct an individual visual profile for each child.
Introduction
Распространенность повреждения головного мозга, связанных с проблем со зрением у детей увеличилось. Поскольку визуальные проблемы могут иметь большое влияние на развитие ребенка, раннее выявление у детей раннего возраста и детей, подверженных риску очень важно. В настоящее время , визуальные функциональные тесты для оценки зрительных сенсорных функций , таких как острота зрения и контрастной чувствительности (например, оптотип тесты) применяются у детей от 1-2 лет 1. У детей младшего возраста эти тесты основаны на структурированных наблюдений поведения просмотра ребенка к визуальной информации. Интерпретация такого поведения, то есть, глядя на движения глаз ребенка, может быть затруднено глазодвигательного или дисфункций сосредоточения внимания ребенка, или даже путем просмотра поведение наблюдателя. Церебрально опосредованные зрительные функции , такие как зрительно – пространственной ориентации памяти и распознавания объектов оцениваются с визуальными тестами восприятия (например, DTVP 2). Эти тесты требуют словесные иновtructions и связи и может использоваться с 4-5 лет. С учетом постнатального развития зрительной системы и воспользоваться высоким уровнем пластичности в начале жизни, желательно установить наличие и степень нарушений в обработке визуальной информации как можно раньше. Таким образом, дети с (церебральный) нарушениями зрения может максимально извлечь выгоду из раннего вмешательства, визуальной стимуляции или поддерживающей стратегии. Следовательно, существует необходимость в создании метода оценки обработки визуальной информации, которая может быть использована без речевого общения у детей и которая основана на количественных результатов.
Движения глаз являются хорошей моделью для изучения визуально руководствоваться поведения ориентирующий на стимулы 3,4, и связанных с ними перцептивные и когнитивные функции 5. Движения глаз указывают на фокус зрительного внимания в сценах, и, как известно, являются либо результатом снизу вверх (рефлексивный, Salience приводом) или сверху вниз (Intentional, когнитивная) обрабатывает 6. Движения глаз используются , чтобы направить ямки, то есть острота зрения, к новым объектам. Визуальное содержание объекта интереса обрабатывается с помощью путей , которые проходят от сетчатки через боковое коленчатое тело к первичной зрительной коры (V1), и распространять себя над церебральных областей обработки (например, участвует во внимание, пространственная ориентация, распознавание, память и эмоции). Движения глаз являются предпосылкой для, и продолжение обработки визуальной информации.
Разработки в области измерения движения глаз с помощью инфракрасных глаз трекеров дают возможность получить количественные параметры глазодвигательного и зрительной функции. Автоматизированные трекеры глаз являются в настоящее время вездесущи в медико-психологических исследований с участием здоровых и клинических популяций. Их цель не только изучить функции глазодвигательных и распределение внимания 7, но и отвечать на вопросы о воспитанииут поведенческие и психологические механизмы 8,9. С появлением доступных и коммерческих систем слежения за глазом, они все чаще используются для проверки уязвимых групп населения младенцев и детей 10-12, без условий, сдерживающих сложных инструкций, или активное сотрудничество 12,13. Из-за тесной связью глазодвигательного и зрительной системы на глазной и церебральной уровне глаз слежения на основе методы превосходно подходит для оценки зрительных возможностей. До сих пор, кроме измерения остроты зрения 14, использование методики оценки зрительных функций у детей уделяется относительно мало внимания.
Наша группа объединила измерения движения глаз с преимущественной выглядящую парадигмы 13. Льготное смотрит это предпочтение зацикливается узорчатые поверхности над однородными 15. Этот принцип применяется при использовании визуальных стимулов с целевой области в одном из четырех квадрантов, которые Diffэр от фона с точки зрения одной конкретной зрительной функции, например , когерентной формы, когерентного движения, контраста и цвета. Эти визуальные характеристики, как известно, должны быть обработаны с помощью отдельных периферических и центральных зрительных путей. Например, информация о форме обрабатывается вентральных путями, от V1 к височной коры. Информация о движении обрабатывается спинных путями, от V1 до задняя теменная кора 16. Следовательно, специфические стимулы используются для запуска обработки визуальной информации в различных областях зрительной системы. Если ребенок способен видеть конкретную визуальную информацию, которая представлена, эта информация привлечет визуальное внимание в виде движений глаз. Эти рефлекторные реакции движения глаза на визуальные стимулы записываются с помощью пульта дистанционного инфракрасного трекера глаз. Таким образом, меры движения глаз обеспечивают связи , свободной оценки качества различных аспектов визуальной обработки информации 13.
Движения глаз обеспечивают не только данные наблюдений поведения просмотра ребенка 11, но также могут быть использованы для получения более объективных результатов мер. В сочетании с тщательно разработанной тестовой парадигмы, движения глаз может дать точную и объективную информацию по обработке визуальной информации. Эта информация получена путем расчета количественных параметров на основе временных и пространственных свойств ответов движения глаз. Примерами таких параметров являются время реакции 13, время 17 фиксации, саккады метрики 7 или кумулятивное распределение 18 внимание. Наличие этих параметров является новой для области визуальной оценки у детей в раннем этапе развития.
Цель данной работы заключается в представлении метод отслеживания глаз на основе измерения визуальной обработки информации у детей в возрасте от 6 месяцев. Измерение настройки и порядок (т.е. невербальный парадигма, после калибровки, и mobilitу) специально применяются к использованию этого метода у детей с повышенным риском. Одним из важнейших аспектов является анализ количественных параметров визуальных отклика, т.е. время реакции, продолжительность фиксации и точность фиксации. Эти параметры используются для обеспечения эталонных областей визуально управляемых реакций в типично развивающихся детей, для характеристики обработки визуальной информации в группах риска детей с нарушениями зрения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленные измерения настройки в сочетании с количественным анализом движения глаз обеспечивает четкую характеристику зрительных функций обработки в различных группах детей с глазодвигательным и нарушениями зрения. Ключевой особенностью этой парадигмы является то, что производительность на основе ответов движения глаз на визуальные стимулы, которые запускаются в рефлексивном образом. Никаких конкретных устных указаний не дается, и нет никакой необходимости для детей, чтобы устно ответить. Параметры в формате RTF, GFA и FD показывают существенные различия между группами , как правило , из развивающихся и слабовидящих детей, несмотря на ограниченное распространение значений параметров , которые существуют в каждой группе (рис 4 – 6). Таким образом, в зависимости от оцениваемого параметра, некоторые типично развивающиеся дети могут показать отклоняющегося производительности, в то время как у некоторых детей с нарушениями зрения показывают «нормальный» производительность. В конечном счете, многочисленные меры результата в ответ на множественный визуальныйусловия следует рассматривать на индивидуальном уровне. Резюме всех результатов мероприятий дает уникальную характеристику визуальных возможностей обработки информации, которые могут быть конвертированы в визуальном профиле у детей с 6-месячного возраста.
Несколько исследований показали значение дистанционного отслеживания глаз среди уязвимых групп населения детей, вывести или психологические сосредоточения внимания потенциала 9,12,18. В то время как большинство исследований полагаются на поведенческих наблюдений и использования инструкций, отличительной чертой нынешней парадигмы является невербальный, количественный подход. Поэтому критические шаги в протоколе включают стимулы, основанные на льготном глядя, мобильный измерительной установки, а также пользовательские калибровки и анализа программного обеспечения. Представленное расширение результатов наблюдений на основе с помощью методов анализа сложных обеспечивает стандартизированные и подробные результаты на зрительные функции обработки. Это согласуется с работой по оценкеМладенец острота зрения с глаз трекера 14, а также работы по борьбе с взора в различных расстройств 7. Метод является гибким и позволяет мобильным оценку, которая является незаменимым при проведении клинических оценок у маленьких детей или детей с множественными нарушениями. Таким образом, он подходит для измерения глазодвигательного и визуальные возможности обработки практически всех детей, которые способны смотреть монитор.
Значение этого метода в отношении существующих визуальных диагностических методов (например, срок действия) был изучен в качестве первого шага на пути к клинической реализации. Настоящая парадигма в сочетании с используемыми в настоящее время визуальной оценки функции (ЛЖК) у детей. Наблюдения глазодвигательных и зрительных функций, которые основаны на записи движения глаз были сопоставимы со стандартными поведенческими наблюдениями этих функций. Кроме того, глазные параметры слежения, например, продолжительность фиксации и скачкообразных направление, при условии объявленияНАЯ значение при характеристике глазодвигательного и визуальное представление у детей во время VFA (Kooiker Mjg и др. др., 2015, который был представлен). Основной прирост предложенного метода заключается в возможности оценить больше зрительных функций , чем в настоящее время делается в оценке зрительных функций в молодом возрасте, и оценить их в количественном выражении 26. Ограничение в отношении существующих методов является то , что, без адаптации, пока не представляется возможным тщательным образом оценить остроту зрения или поле зрения с настоящей тестовой батареи 14.
Хотя мы ограничились представлением результатов мультипликационных стимулов, в будущих приложениях различные визуальные методы могут быть проверены с использованием других стимулов (например, различные формы, движения, цвета и контраста информации) 22,20,25. Таким образом, конкретные области обработки визуальной информации за пределами первичных зрительных путей ориентированы, такие как визуальные ассоциации областей в височной или теменной коре.Ограничение метода состоит в том, что настоящие визуальные стимулы просто вызвать обнаружение визуального ввода и вызывать начальную стадию визуальной обработки. Эти стимулы не нацелены на функции высшего порядка, которые становятся актуальными после обнаружения стимула и которые, как правило, измеряется с визуальными тестами восприятия. Хотя их исполнение без использования связи является сложной задачей, глаз слежения на основе парадигмы является перспективным форматом будущего для обнаружения информации восприятия связанных, например , визуальный поиск, -Память или селективные внимание.
В целом, подробные ответы движения глаз к различным видам визуальной стимуляции обеспечивают комплексную характеристику зрительных функций обработки информации, на ранних стадиях развития. Следовательно, для каждого ребенка может быть создан индивидуальный визуальный профиль с точки зрения интактных и нарушенных функций. Такой профиль может предоставить подробную информацию о сильных и слабых сторон в глазодвигательного и визуальнойфункция. Он может быть использован в качестве отправной точки для поддержки в повседневной жизни, так и для учителя и воспитателя образования. Количественная информация, которая стала доступна с помощью этого метода может быть полезным для последующего визуального развития с течением времени, а также для мониторинга визуальных мероприятий и программ реабилитации.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank daycare centers (Wasko, Alblasserwaard) for their support in recruiting the control group, and Mark Vonk for his help in data collection in the control group. The authors also thank the children from the control group and the children who are clients from Royal Dutch Visio for participation in the study. The authors are grateful to the children and their parents for participation in the video.
The development of the method was supported by a grant from the Novum Foundation: a non-profit organization providing financial support to (research) projects that improve the quality of life of individuals with a visual impairment (www.stichtingnovum.org). Financial support for the current study was provided by ‘ZonMw Inzicht’ (Netherlands Organization for Health Research and Development-Insight Society), grant number: 60-00635-98-10.
Materials
| Tobii T60 XL | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/ | remote infrared eye tracker |
| Tobii Studio | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/ | eye tracker software |
| MATLAB | MathWorks Inc | http://nl.mathworks.com/products/matlab/ | data analysis software |
Referencias
- Hyvärinen, L. Considerations in evaluation and treatment of the child with low vision. Am. J. Occup. Ther. 49 (9), 891-897 (1995).
- Hamill, D. D., Pearson, N. A., Voress, J. K. . Developmental Test of Visual Perception. , (1993).
- Yarbus, A. L. . Eye movements and vision. , (1967).
- Noton, D., Stark, L. Scanpaths in eye movements during pattern perception. Science. 171 (3968), 308-311 (1971).
- Liversedge, S. P., Findlay, J. M. Saccadic eye movements and cognition. Trends Cogn. Sci. 4 (1), 6-14 (2000).
- Corbetta, M., Shulman, G. L. Control of goal-directed and stimulus-driven attention in the brain. Nat. Rev. Neurosci. 3 (3), 201-215 (2002).
- Tseng, P. H., et al. High-throughput classification of clinical populations from natural viewing eye movements. J. Neurol. 260 (1), 275-284 (2013).
- Karatekin, C. Eye tracking studies of normative and atypical development. Dev. Rev. 27 (3), 283-348 (2007).
- Rommelse, N. N., Vander Stigchel, S., Sergeant, J. A. A review on eye movement studies in childhood and adolescent psychiatry. Brain Cogn. 68 (3), 391-414 (2008).
- Gredebäck, G., Johnson, S., von Hofsten, C. Eye tracking in infancy research. Dev. Neuropsychol. 35 (1), 1-19 (2010).
- Aslin, R. N., McMurray, B. Automated corneal-reflection eye tracking in infancy: methodological developments and applications to cognition. Infancy. 6 (2), 155-163 (2004).
- Sasson, N. J., Elison, J. T. Eye tracking young children with autism. J. Vis. Exp. (61), e3675 (2012).
- Pel, J. J., Manders, J. C., van der Steen, J. Assessment of visual orienting behaviour in young children using remote eye tracking: methodology and reliability. J. Neurosci. Meth. 189 (2), 252-256 (2010).
- Jones, P. R., Kalwarowsky, S., Atkinson, J., Braddick, O. J., Nardini, M. Automated measurement of resolution acuity in infants using remote eye-tracking. Invest. Ophth. Vis. Sci. 55 (12), 8102-8110 (2014).
- Fantz, R. L. Visual perception from birth as shown by pattern selectivity. Ann. N. Y. Acad. Sci. 118 (21), 793-814 (1965).
- Wattam-Bell, J., et al. Reorganization of global form and motion processing during human visual development. Curr. Biol. 20 (5), 411-415 (2010).
- Falck-Ytter, T., von Hofsten, C., Gillberg, C., Fernell, E. Visualization and analysis of eye movement data from children with typical and atypical development. J. Autism. Dev. Disord. 43 (10), 2249-2258 (2013).
- Ahtola, E., et al. Dynamic eye tracking based metrics for infant gaze patterns in the face-distractor competition paradigm. Plos One. 9 (5), e97299 (2014).
- Jäkel, F., Wichmann, F. A. Spatial four-alternative forced-choice method is the preferred psychophysical method for naive observers. J. Vision. 6 (11), 1307-1322 (2006).
- Pel, J. J., et al. Orienting responses to various visual stimuli in children with visual processing impairments or infantile nystagmus syndrome. J. Child Neurol. 29 (12), 1632-1637 (2013).
- Kooiker, M. J., van der Steen, J., Pel, J. J. Reliability of visual orienting response measures in children with and without visual impairments. J. Neurosci. Meth. 233, 54-62 (2014).
- Boot, F. H., Pel, J. J., Evenhuis, H. M., van der Steen, J. Quantification of visual orienting responses to coherent form and motion in typically developing children aged 0-12 years. Invest. Ophth. Vis. Sci. 53 (6), 2708-2714 (2012).
- Oliveira, L. F., Simpson, D. M., Nadal, J. Calculation of area of stabilometric signals using principal component analysis. Physiol. Meas. 17 (4), 305-312 (1996).
- Pel, J., et al. Effects of visual processing and congenital nystagmus on visually guided ocular motor behaviour. Dev. Med. Child Neurol. 53 (4), 344-349 (2011).
- Kooiker, M. J., Pel, J. J., van der Steen, J. The relationship between visual orienting responses and clinical characteristics in children attending special education for the visually impaired. J. Child Neurol. 30 (6), 690-697 (2014).
- Ricci, D., et al. Early assessment of visual function in full term newborns. Early Hum. Dev. 84 (2), 107-113 (2008).
