Stereoacuity verbetering met behulp van Random-dot video games
Summary
Hier gepresenteerd is een protocol om stereoacuity te verbeteren met behulp van gegamificeerde-leersoftware op basis van Random-dot stimuli. Patiënten zijn stereo-deficiënte proefpersonen zonder strabismus. Het protocol combineert optometrie Center bezoeken met thuis oefeningen met behulp van software. Compliance en stereoacuity evolutie worden opgeslagen in de Cloud.
Abstract
Conventionele amblyopie therapie omvat occlusie of penalisatie van het dominante oog, hoewel deze methoden stereoscopische gezichtsscherpte in minder dan 30% van de gevallen verbeteren. Om deze resultaten te verbeteren, stellen we een behandeling voor in de vorm van een video game, met behulp van Random-dot stimuli en perceptuele Leer technieken om stereoacuity te stimuleren. Het protocol is gedefinieerd voor patiënten met een stereo tekort tussen de leeftijd van 7-14 jaar die al een behandeling voor amblyopie hebben ondergaan en een monoculaire, best gecorrigeerde afstand van de gezichtsscherpte van ten minste 0,1 logMAR hebben. Patiënten moeten thuis een perceptueel leerprogramma uitvoeren met behulp van de video game. Terwijl compliance automatisch wordt opgeslagen in de Cloud, worden periodieke optometrie centrum bezoeken gebruikt om de evolutie van de patiënt te volgen en de stereoscopische vraag van het spel aan te passen tot de kleinste detecteerbare ongelijkheid wordt bereikt. Het protocol is succesvol gebleken en de effectiviteit wordt gemeten in termen van een winst op twee niveaus op een willekeurige stereoacuity test (wereldwijde stereoacuity of cyclopische stereoacuity referentie test). Bovendien, de Random-dot stimuli leren overdrachten naar mediale laterale stereoscopische gezichtsscherpte volgens een Wirt cirkels test, waarin succes criteria is een definitieve stereoacuity van meer dan 140 “, en de bereikte verbetering correspondeert met niet minder dan twee niveaus van stereoscopische gezichtsscherpte. Zes maanden later, een willekeurige-dot stereoacuity test opgenomen geen vermindering van de stereoacuity die werd bereikt.
Introduction
Amblyopia is een ontwikkelingsstoornis van ruimtelijke visie vaak geassocieerd met het bestaan van strabismus, anisometropia, of vorm deprivatie op jonge leeftijd1. De incidentie van amblyopie bij de algemene populatie varieert van 1,3%-3,6%2. Conventionele amblyopie therapie begint met de correctie van elke refractieve fout, gevolgd door occlusie van het goede oog met een pleister of atropine penalisatie3. Hoewel de behandelingsresultaten van conventionele behandeling in eerste instantie goed zijn, met 73%-90% van de patiënten die een verbeterde gezichtsscherpte ervaren, komt deze verbetering niet overeen met een normale gezichtsscherpte bij ongeveer 50% van de patiënten. Bovendien ervaren kinderen vaak verslechtering, zelfs na een succesvolle behandeling2. Een eerdere studie toonde aan dat, met betrekking tot het binoculaire gezichtsvermogen, slechts 28% van de anisometropic-patiënten met amblyopie twee of meer Verbeter niveaus opnam als gevolg van behandeling4. Er is weinig onderzoek gericht op het evalueren van strategieën voor de verbetering van stereopsis in gevallen van amblyopie, ondanks het feit dat stereopsis essentieel is voor visuele waarneming bij mensen5. Conventionele amblyopie therapie, die goede resultaten oplevert voor gezichtsscherpte maar slechte resultaten in termen van binoculaire visie, kan profiteren van de ontwikkeling van een interventiontioneel model dat gericht is op het verbeteren van de stereoacuity bij patiënten met een voorgeschiedenis van amblyopie2.
In de afgelopen 10 jaar hebben sommige onderzoekers een alternatieve benadering voorgesteld om de loop van amblyopie6,7te begrijpen. Dit begrip heeft het voorstel gemotiveerd van een interventiontioneel model dat gericht is op anti-suppressie dichoptische training voor de terugwinning van binoculaire visie8,9. Amblyopie therapie met gerichte gegamificeerde activiteiten voor het gebruik van de patiënt thuis is gemeld succesvol in een aantal gevallen10,11.
Niettegenstaande, deze dichoptische training is niet effectief voor het verbeteren van stereoscopische gezichtsscherpte12. Twee hedendaagse klinische proeven met behulp van het anti-suppressie dichopdrukvormings model rapporteerden geen stereoacuity verbetering van11,13. Het meest recente onderzoek wijst er echter op dat dichoptische stimulatie de onderdrukking van de diepte en de omvang kan verminderen en het binoculaire zicht verbetert (gelijktijdige binoculaire waarneming herstellen). In sommige gevallen, dit samenvalt met verbeterde stereoacuity14,15.
Sommige studies hebben een andere interventie aanpak voorgesteld die gericht is op de directe stimulatie van stereopsis door middel van perceptuele leeractiviteiten16,17. Deze studies zijn beperkt tot een opeenvolging van gevallen die onder laboratoriumomstandigheden worden behandeld. In de studie van Astle et al. werd stereopsis gestimuleerd in twee volwassen anisometropic amblyopes16 in de loop van negen laboratorium sessies. De behandeling omvatte binoculaire stimulatie met behulp van een spiegel stereoscoop met stereogram paren op basis van Random-dot afbeeldingen. Ding en Levi gestimuleerd stereopsis in een cursus van behandeling volledig onder laboratoriumomstandigheden, met behulp van een spiegel stereoscoop en stereogrammen op basis van Gabor patches18. Hun proefpersonen waren vijf volwassenen, waarvan er vier geen stereopsis hadden en een stereo tekort. Proefpersonen moesten optreden tussen 3000-20000 perceptuele leer training proeven.
Bovendien, XI et al. bestudeerde anisometropic amblyopes in de loop van 10 -13 perceptuele trainingssessies, waarbij 3-D anaglyph texturen werden gebruikt om stereopsis19te stimuleren. Tot slot, in de studie van Vedamurthy et al., 11 stereo-deficiënte volwassenen waren bezig met visuo-motor Task training (een “Squash-the-bug” spel) in een virtual reality omgeving17. Deze onderwerpen uitgevoerd 12.600 proeven in 35 sessies in de loop van 8-11 weken.
Directe stimulatie van stereopsis is uitgevoerd in laboratorium studies, maar dit therapie model is tijdrovend en moeilijk toe te passen in een dagelijkse klinische praktijk, vooral met kinderen. Zo is een haalbaar therapie model bedacht waarvoor eerder een succesvol proof of concept is gepresenteerd20. Dit protocol bevat de resultaten van een prospectieve, gerandomiseerde, dubbelblinde, parallelle groep studie gebaseerd op perceptuele leer behandeling met behulp van Random-dot stimuli in een video game formaat om stereoacuity te verbeteren. Een grondige uitleg van het protocol gevolgd in deze studie wordt gepresenteerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier gepresenteerd is een protocol voor de directe stimulatie van stereoacuity, waarin Random-dot stereo beelden worden gebruikt om stereoscopische scherpte in stereo-deficiënte onderwerpen te verbeteren. Vier voorgaande studies hebben de resultaten van directe stimulatie16,17,18,19geëvalueerd. Dit meest recente protocol draagt bij aan de bovengenoemde Interventionele modellen extra functies.
Het voorgestelde interventie model is bedoeld voor patiënten met een voorgeschiedenis van bij of anisometropic amblyopie, die al een behandeling hebben ondergaan (d.w.z. optische correctie, occlusie, scheelzien chirurgie, Vision therapie) en een beste gecorrigeerde gezichtsscherpte van ten minste 0,1 logMAR, maar waarvan de stereoacuity laag blijft (tussen 200 “-800”). Het doel van het protocol is om stereoacuity in gevallen als deze te verbeteren.
Directe stimulatie van stereopsis is al aangetoond effectief in het verbeteren van de stereoacuity in stereo-deficiënte onderwerpen16,17,18,19. Echter, om een stimulatie systeem haalbaar te maken, moet therapie worden uitgevoerd in het huis van de patiënt om de 3000-20000 proeven te bereiken die nodig zijn om te leren optreden.
In de eerder gepubliceerde studie die deze procedure gevalideerd en is hierboven samengevat, 11 onderwerpen verbeterd hun stereoacuity20. Vijf van de proefpersonen ondervonden echter geen toename van de stereo scherpte (Figuur 3). Dit kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een kleine hoek scheelzien niet detecteerbaar in een cover test. Gelezen dat, aangezien afbeeldingen van de linker en rechter ogen moeten worden gelegen binnen panum gebied van fusie, normale stereoacuity moet uitlijning binnen 0,6 prisma dioptrieën28. Het smelt gebied van panum is ± 5-20 min van de boog (0.1-0.6 prisma dioptrie in de Fovea), en het kan zijn dat de uitlijning binnen dit venster nodig is om hoogwaardige stereoscopische gezichtsscherpte29te ondersteunen. Een studie uitgevoerd door Holmes et al. toonde aan dat een cover test geen afwijkingen onder de ± 3 prisma diopters kon detecteren; Daarom kan de aanwezigheid van niet-detecteerbare scheelzien het vermogen van een patiënt om fijne stereoacuity24te verwerven in gevaar brengen.
Gamification is gebruikt om de motivatie en compliance van patiënten te verbeteren. Bovendien slaat het programma gegevens op in de Cloud na elke sessie, waardoor de beoefenaar de activiteit van een patiënt op afstand op een dagelijkse basis kan volgen. Dankzij deze functie zijn de nalevingsresultaten uitstekend (88,36%) en vergelijkbaar met die welke zijn opgenomen in twee eerdere studies, waarbij amblyopische proefpersonen de behandeling van dichoptische stimulatie kregen met behulp van een iPad bij Home10,11. Ze zijn ook veel beter dan de gerapporteerde resultaten van een PEDIG-onderzoek onder vergelijkbare omstandigheden, waarbij slechts 22,5% van het monster erin slaagde om meer dan 75% van de behandeling13te voltooien. De conformiteit die hier is aangetoond, overschrijdt ook die gerapporteerd door studies die de effectiviteit van occlusie behandeling in amblyopie evalueerden (70% compliance wanneer 6 h van occlusie wordt voorgeschreven, en 50% wanneer 12 h wordt voorgeschreven)30. Een webtoepassing heeft als bijkomend voordeel dat ouders niet verplicht zijn om de naleving van hun kind te registreren13. De enige taak van de optometrist is om toegang te krijgen tot de server en de voor elke patiënt verzamelde gegevens te controleren aan het einde van elke sessie met behulp van het computergestuurde stereoscopische spelprogramma.
Tijdens de trainingsperiode bezoeken patiënten het optometrie centrum (check-up bezoeken), waardoor de optometrist het belang van gebruikers-naar-scherm afstand kan benadrukken. Optometristen stellen tijdens deze check-up bezoeken ook de stimulatie categorie (slecht, grof, gematigd-fijn) in. Perceptuele leer theorieën voorspellen dat verbeteringen minder waarschijnlijk zijn als de patiënt niet op zijn of haar drempel werkt (bijvoorbeeld als de patiënt dichter bij het scherm beweegt of in een eenvoudigere stimulatie categorie werkt). Deze bevindingen werden bevestigd in de studie die werd uitgevoerd om dit protocol te valideren20. Gebruikers-naar-scherm afstand is buiten de controle van de software en is daarom de verantwoordelijkheid van de patiënt of de ouders van de patiënt.
De beslissing om een random-dot benadering te gebruiken voor het ontwerp van het computergestuurde stereoscopische spel kan van cruciaal belang zijn. Stimulatie door middel van Random-dot stereoscopische beelden is nooit onbelangrijk: zelfs patiënten die onder hun drempel werken, ondervinden verbeteringen. In een proces van perceptueel leren zal herhaalde blootstelling aan een willekeurige punt stimulus alleen de binoculaire visie verbeteren. De taak van de patiënt, en een die bijzonder moeilijk is voor patiënten met een geschiedenis van scheelzien31, is om de gecorreleerde willekeurige stippen, waargenomen door elk oog12 , zonder onderdrukking te fuseren. Dit vergroot hun vermogen om de gecorreleerde stippen (signaal) te onderscheiden van die niet kunnen worden gesmolten (ruis). Het trainen van dit type kan de ongelijkheid van de detector verbeteren, gezien het feit dat het perceptuele leren de fusionele respons zou hebben verbeterd en het vermogen van de patiënt om het signaal los te koppelen van ruis32verbeterd.
Een van de Risico’s van de perceptuele leeraanpak is selectiviteit. Deze methode heeft aangetoond dat Random-dot stereogram training niet selectief is, omdat leren wordt overgebracht naar mediale laterale stereoacuity gemeten met een Wirt-cirkels test. Een andere bevinding die de effectiviteit van deze behandelingsmethode aantoont, is de stabiliteit van de bereikte resultaten. Verschillende studies hebben onderzocht of verbeteringen behaald bij proefpersonen met amblyopie als gevolg van perceptuele leer training stabiel zijn16,17,19,33. Dit model heeft aangetoond dat de stabiliteit van de verbeteringen gemeten met een random-dot stereoacuity test tijdens een 6 maanden follow-up bezoek.
Er zijn verschillende beperkingen vastgesteld. Het software ontwerp vereist dat de stimulatie categorie handmatig wordt ingesteld, wanneer dit proces idealiter automatisch moet worden afgestemd op de evolutie van de patiënt. De voorwaarde van de Pass level geïmplementeerd kan worden verbeterd door te overwegen de mogelijkheid van het verplaatsen van de patiënt terug naar een grove stereoacuity instelling als de patiënt niet slaagt om een niveau passeren op meerdere opeenvolgende gelegenheden. In ieder geval wordt een trap procedure weggegooid, omdat een van de doelstellingen van gamification is om de motivatie van de patiënt te verbeteren door middel van spelmechanica. De patiënt moet de sensatie van vooruitgang en succes ervaren, ongeacht of hun klinische aandoening verbetert of verslechtert. Dit wordt bereikt door het verbergen van eenvoudigere proeven binnen de game flow (hoewel niet met een standaard trap procedure, waarvan het doel is om snel en nauwkeurig de drempel limiet te bepalen, waarbij de prestaties 50%). Een andere verbetering is om de afstand van de patiënt automatisch van het scherm te bewaken. We zijn echter niet op de hoogte van een oplossing die geen gebruik maakt van speciale hardware, maar het kan de moeite waard zijn om op maat gemaakte webcam-Head-tracking software te testen.
Andere beperkingen zijn te wijten aan het ontwerp van de studie en omvatten de volgende: (1) de meerderheid van de onderwerpen had een geschiedenis van scheelzien (de steekproef van onderwerpen met een geschiedenis van anisometropic amblyopie was te klein); (2) de leeftijdsklasse was beperkt tot 7-14 jaar; en (3) het stereoacuity-bereik lag tussen 800 “-200”. In toekomstige studies, het zou interessant zijn om te controleren of het therapeutische effect op anisometropic amblyopie en grovere stereoacuity en bij oudere proefpersonen.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de VISUALIA Visual Therapy Clinic erkennen, die deels de ontwikkeling van de computergestuurde test steunde, in overeenstemming met de Universiteit van Oviedo (FUO-EM-104-12).
Materials
| Autorrefractometer, model TRK 1P | Topcon, Japan | Refractive error measurements by autorrefraction | |
| Computerized Stereoscopic Game | University of Oviedo, Spain | The computer-based test itself was developed at the University of Oviedo by SM-G, coauthor of this manuscript. After finishing this study, a private company named VISIONARY TOOL (www.visionarytool.com) has contacted both SM-G and JAP-C to participate in the development of a computerized visual training tool. This tool includes several games and tests. The one used in this article, based on random dot hidden silhouettes, is one of them. | |
| Randot Preschool Stereoacuity Test | Stereo Optical Company Inc, USA | Global stereoacuity test | |
| Screen model | SIFIMAV, Italy | Logarithmic visual acuity chart ETDRS format | |
| Wirt Circles Test | Stereo Optical Company Inc, USA | Local stereoacuity test |
Referências
- Ciuffreda, K. J., Levi, D. M., Selenow, A. . Amblyopia: Basic and Clinical Aspects. , 1-64 (1991).
- Birch, E. E. Amblyopia and binocular vision. Progress in Retinal and Eye Research. 33, 67-84 (2013).
- Repka, M. X., Holmes, J. M. Lessons from the amblyopia treatment studies. Ophthalmology. 119, 657-658 (2012).
- Wallace, D. K., et al. Stereoacuity in children with anisometropic amblyopia. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology. 15, 455-461 (2011).
- O’Connor, A. R., Tidbury, L. P. Stereopsis: are we assessing it in enough depth?. Clinical and Experimental Optometry. 101, 485-494 (2018).
- Mansouri, B., Thompson, B., Hess, R. F. Measurement of suprathreshold binocular interactions in amblyopia. Vision Research. 48, 2775-2784 (2008).
- Farivar, R., Thompson, B., Mansouri, B., Hess, R. F. Interocular suppression in strabismic amblyopia results in an attenuated and delayed hemodynamic response function in early visual cortex. Journal of Vision. 11, 1-12 (2011).
- Hess, R. F., Thompson, B., Baker, D. H. Binocular Vision in Amblyopia: Structure, Suppression and Plasticity. Ophthalmic and Physiological Optics. 34, 146-162 (2014).
- Vedamurthy, I., et al. A dichoptic custom-made action video game as a treatment for adult amblyopia. Vision Research. 114, 173-187 (2015).
- Li, S. L., et al. A binocular iPad treatment for amblyopic children. Eye. 28, 1246-1253 (2014).
- Kelly, K. R., et al. Binocular iPad Game vs Patching for Treatment of Amblyopia in Children: A Randomized Clinical Trial. JAMA Ophthalmology. 134, 1402-1408 (2016).
- Levi, D. M., Knillm, D. C., Bavelier, D. Stereopsis and amblyopia: A mini-review. Vision Research. 114, 17-30 (2015).
- Holmes, J. M., et al. Effect of a Binocular iPad Game vs Part-time Patching in Children Aged 5 to 12 Years With Amblyopia: A Randomized Clinical Trial. JAMA Ophthalmology. 134, E733-E741 (2016).
- Kelly, K. R., Birch, E. E. Binocular outcomes following binocular treatment for childhood amblyopia. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59, 1221-1228 (2018).
- Webber, A. L., Wood, J. M., Thompson, B. Fine Motor Skills of Children With Amblyopia Improve Following Binocular Treatment. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57, 4713-4720 (2016).
- Astle, A. T., McGraw, P. V., Webb, B. S. Recovery of stereo acuity in adults with amblyopia. BMJ Case Reports. , 1-4 (2011).
- Vedamurthy, I., et al. Recovering stereo vision by squashing virtual bugs in a virtual reality environment. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 37, 20150264 (2016).
- Ding, J., Levi, D. M. Recovery of stereopsis through perceptual learning in human adults with abnormal binocular vision. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, E733-E741 (2011).
- Xi, J., et al. Perceptual Learning Improves Stereoacuity in Amblyopia. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55, 2384-2391 (2014).
- Portela-Camino, J. A., et al. A Random Dot Computer Video Game Improves Stereopsis. Optometry and Vision Science. 95, 523-535 (2018).
- Birch, E. E., et al. Risk Factors for Esotropic Amblyopia. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48, e1108 (2007).
- Leske, D. A., Birch, E. E., Holmes, J. M. Real depth vs randot stereotests. American Journal of Ophthalmology. 142, 699-701 (2006).
- Fawcett, S. L., Birch, E. E. Interobserver test-retest reliability of the Randot preschool stereoacuity test. Journal of American Association for Pediatric Ophthalmology. 4, 354-358 (2000).
- Holmes, J. M., Leske, D. A., Hohberger, G. G. Defining real change in prism-cover test measurements. American Journal of Ophthalmology. 145, 381-385 (2008).
- Cotter, S. A., et al. Treatment of anisometropic amblyopia in children with refractive correction. Ophthalmology. 113, 895-903 (2006).
- Cotter, S. A., et al. Treatment of strabismic amblyopia with refractive correction. American Journal of Ophthalmology. 143, 1060-1063 (2007).
- Adams, W. E., et al. Defining real change in measures of stereoacuity. Ophthalmology. 116, 281-285 (2009).
- Read, J. C. A. Stereo Vision and Strabismus. Eye. 29, 214-224 (2015).
- Birch, E. E., Wang, J. Stereoacuity outcomes after treatment of infantile and accommodative esotropia. Optometry and Vision Science. 86, 647-652 (2009).
- Stewart, C. E., et al. Objectively monitored patching regimens for treatment of amblyopia: randomised trial. British Medical Journal. 335, 707 (2007).
- Westheimer, G. Clinical evaluation of stereopsis. Vision Research. 90, 38-42 (2013).
- Gantz, L., et al. Mechanisms of Perceptual Learning of Depth Discrimination in Random Dot Stereograms. Vision Research. 47, 2170-2178 (2007).
- Zhou, Y., et al. Perceptual learning improves contrast sensitivity and visual acuity in adults with anisometropic amblyopia. Vision Research. 46, 739-750 (2006).
