שיטה לכמת עיבוד מידע ויזואלי בילדים באמצעות מעקב אחר תנועות עיניים
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
השכיחות של בעיות ראייה מוחית הקשורה לנזק אצל ילדים גדל. מכיוון שבעיות ראייה יכולה להיות השפעה רבה על ההתפתחות של ילד, גילוי מוקדם אצל תינוקות צעירים וילדים בסיכון חשוב מאוד. נכון לעכשיו, בדיקות תפקוד ראייה להעריך חישה ויזואליים כגון חדות ראייה ברגישות לקונטרסט (למשל, בדיקות optotype) חלות אצל ילדים 1-2 שנתי 1. בילדים צעירים בדיקות אלה מבוססות על תצפיות של התנהגות הצפייה של ילד מידע חזותי. הפרשנות של התנהגות כזו, כלומר, על סמך התבוננות תנועות עיניים של ילד, יכול להיות הכבידו על ידי oculomotor או תפקוד הקשב של הילד, או אפילו על ידי הצגת התנהגות של הצופה. Cerebrally בתיווך פונקציות חזותיות כגון זיכרון visuospatial והכרת אובייקט מוערכים עם בדיקות בתפיסה חזותיות (למשל, DTVP 2). בדיקות אלה דורשות תוספות מילוליותtructions ותקשורת וניתן להשתמש בו 4-5 שנים. לאור ההתפתחות לאחר הלידה של מערכת ראייה ואת לנצל את הרמה הגבוהה של הפלסטיות בשלב מוקדם בחיים, רצוי לבסס את הנוכחות ואת מידת ליקויים בעיבוד מידע חזותי מוקדם ככל האפשר. בדרך זו, ילדים עם (מוחות) ליקויי ראייה עשויים להועיל מקסימאלי מהתערבות מוקדמת, גירוי חזותי, או אסטרטגיות ותומכות. כתוצאה מכך, קיים צורך שיטת ההערכה של עיבוד מידע חזותי, שניתן להשתמש בהם ללא תקשורת מילולית בילדים ואשר מושתתת על תוצאות כמותיות.
תנועות עיניים הן מודל טוב ללמוד התנהגות מכוונת מודרכת חזותית לגירויי 3,4, ופונקציות תפיסתיים קוגניטיביים הקשורים 5. תנועות עיניים לציין את מוקד תשומת לב חזותי בסצנות, ידועות לגרום גם מן מלמטה למעלה (רפלקסיבית, מונחה בולטת) או מלמעלה למטה (intentional, קוגניטיבית) מעבד 6. תנועות עיניים משמשות לכוון את הגומה, כלומר, חדות ראייה, לאובייקטים חדשים. התוכן החזותי של אובייקט של עניין מעובד דרך שבילים שמופעלים מהרשתית דרך גרעין הברך הצדי כדי בקליפת ראייה עיקרית (V1), וכי להפיץ את עצמם על פני שטחי עיבוד מוחיים (למשל, מעורב תשומת לב, בתפיסה המרחבית, הכרה, זיכרון, ורגשות). תנועות עיניים הן תנאים הכרחיים, ואת המשך עיבוד מידע החזותי.
התפתחויות המדידות תנועות עיניים עם עוקב עין אינפרא אדום לתת את האפשרות לקבל פרמטרים כמותיים של oculomotor ותפקוד ויזואלי. עוקב עין אוטומטית הם בימינו בכל מקום במחקר רפואי ונפשי המעורבים אוכלוסיות בריאות וקליניות. מטרתם אינה רק ללמוד לתפקד oculomotor ותשומת לב הקצאת 7, אלא גם כדי לענות על שאלות ABOut מנגנונים התנהגותיים ופסיכולוגיים 8,9. עם עליית מערכות מעקב עיניים נגישות ומסחריות, הם משמשים יותר ויותר כדי לבדוק אוכלוסיות חלשות של תינוקות וילדים 10-12, ללא תנאים מגבילים, הוראות מורכבות, או 12,13 שיתוף פעולה פעיל. בשל הצימוד הקרוב של oculomotor למערכת ראייה על עינית ורמת מוחות, שיטות המבוסס על מעקב עיניים מתאימות מראש בהחלט להעריך יכולות חזותיות. עד כה, מלבד מדידת חדות הראייה 14, השימוש בטכניקה בהערכת תפקוד הראייה בילדים זכה לתשומת לב מועטה יחסית.
הקבוצה שלנו בשילוב מדידות תנועות עיניים עם פרדיגמה מועדף למראה 13. מועדפים מחפש הוא ההעדפה לקבע משטחים בדוגמת פני אינטרסים הומוגנית 15. עיקרון זה מיושם באמצעות גירויים חזותיים עם אזור יעד באחד מארבעה רבעים, אשר diffאה מהרקע מבחינת תכונה חזותית ספציפית אחת, למשל טופס קוהרנטית, תנועה, ניגודיות וצבע קוהרנטית. מאפיינים חזותיים אלה ידועים להיות מעובד על ידי מסלולים חזותיים היקפיים ומרכזי נפרדים. לדוגמא, מידע על טופס מעובד על ידי מסלולי גחון, מ V1 אל הקורטקס הזמני. מידע על תנועה מעובד על ידי מסלולים הגבו, מ V1 אל אחורי קליפת הקודקודית 16. לפיכך, גירויים ספציפיים המשמשים להפעלת עיבוד מידע חזותי תחומים ברורים של מערכת הראייה. אם ילד מסוגל לראות את המידע החזותי הספציפי מוצג, מידע שימשוך תשומת לב חזותית בצורה של תנועות עיניים. תנועות עיניים רפלקסיבית אלה תגובות לגירויים החזותיים נרשמות עם גשש עין אינפרא אדום מרחוק. בדרך זו, אמצעי תנועת העין לספק הערכת תקשורת-חינם ברמה של היבטים שונים של מידע חזותי עיבוד 13.
תנועות עיניים לספק נתונים תצפיתיים רק לא של התנהגות הצפייה של ילד 11, אבל יכולות לשמש גם עבור מדדי תוצאה אובייקטיביים יותר. בשילוב עם פרדיגמה בדיקה תוכננה בקפידה, תנועות עיניים יכולות לתת מידע מדויק ואובייקטיבי על עיבוד מידע חזותי. מידע זה מתקבל על ידי חישוב פרמטרים כמותיים המבוססים על תכונות של זמן ומרחב של תגובות תנועות עיניים. דוגמאות של פרמטרים כאלה הן זמן תגובה 13, זמן קיבעון 17, מדדי saccade 7 או הקצאת תשומת מצטבר 18. הזמינות של פרמטרים אלה היא חדשה בתחום ההערכה חזותית אצל ילדים בשלב התפתחותי צעיר.
מטרת מאמר זה היא להציג את שיטת מעקב מבוסס עין למדוד עיבוד מידע חזותי אצל ילדים מגיל 6 חודשים. הליך ועל הגדרת המדידה (פרדיגמה מילולי כלומר, שלאחר כיול mobility) במיוחד חל בשיטה זו בילדים בסיכון. היבט חיוני הוא הניתוח של פרמטרים בתגובה חזותיים כמוני, זמן תגובה כלומר, משך קיבעון, ודיוק קיבעון. פרמטרים אלה משמשים על מנת לספק שטחי התייחסות תגובות מודרכות חזותי אצל ילדים לפתח בדרך כלל, לאפיין עיבוד מידע חזותי שנמצא בקבוצות סיכון של ילדים עם ליקויי ראייה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הסט-אפ המדידה מוצגת בשילוב עם ניתוח תנועות עיניים כמוני מספק אפיון מובהק של פונקציות עיבוד ויזואלי בקבוצות שונות של ילדים עם oculomotor ו ליקויי ראייה. תכונת המפתח של הפרדיגמה הזו היא כי מופע מבוסס על תשובות תנועות עיניים לגירויים חזותיים שמופעלים באופן רפלקסיבי. אין הוראות מילוליות ספציפיות ניתנות ואין צורך לילדים להגיב מילולית. הפרמטרים RTF, GFA ו FD להראות הבדלים משמעותיים בין קבוצות של טיפוסי ילדים developing- ולקויי ראייה, למרות התפשטות מוגבלת של ערכי פרמטרים שקיים בכל קבוצה (איורים 4 – 6). לפיכך, בהתאם לפרמטר העריך, חלק מילדי מפתחים בדרך כלל יכול להראות ביצועים סוטים, בעוד חלק מילדים עם ליקויי ראייה להראות ביצועים 'נורמלים'. בסופו של דבר, מדדי תוצאה מרובים בתגובה חזותית מרוביםשיטות צריכות להיחשב ברמה פרטנית. סיכום של כל מדדי התוצאה מספק אפיון ייחודי של יכולות עיבוד מידע חזותיות, אשר ניתן להמרה ב פרופיל ויזואלי בילדים מגיל 6 חודשים של גיל.
מספר מחקרים הראו את הערך של מעקב עיניים נידח אוכלוסיות פגיעות של ילדים, כדי להסיק קשב או יכולות פסיכולוגיות 9,12,18. בעוד רוב המחקרים מסתמכים על תצפיות התנהגותיות ושימוש ההוראות, תכונה ייחודית של הפרדיגמה הנוכחית היא הגישה הלא מילולית, כמותית. צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול ולכן כוללים את הגירויים מבוססים על העתיד, סט-אפ מדידה הניידת המועדף, ואת תוכנת כיול וניתוח המותאמים אישית. ההארכה הציגה תוצאות מבוססות תצפית עם שיטות ניתוח משוכללות מספקת תוצאות סטנדרטיות ומפורטות על פונקציות עיבוד ויזואלי. זו עולה בקנה אחד עם עבודה על הערכתחדות ראיית תינוק עם גשש עין 14, ולעבוד על שליטת מבט בהפרעות שונות 7. השיטה היא גמישה ומאפשרת הערכה ניידת שהוא חיונית בעת ביצוע הערכות קליניות אצל ילדים צעירים או ילדים עם מוגבלויות מרובות. לכן, הוא מתאים למדידת oculomotor ויכול עיבוד חזותי כמעט כל הילדים מסוגלים צופה בצג.
המשמעות של שיטה זו ביחס לשיטות אבחון ויזואלי קיימים (כלומר, תוקף) נחקרה כצעד ראשון לקראת יישום קליני. הפרדיגמה הנוכחית הייתה בשילוב עם הערכת תפקוד ראייה המשמשת כיום (VFA) בילדים. תצפיות של פונקציות oculomotor וחזותיים המבוססות על הקלטות תנועות עיניים היו דומות עם תצפיות התנהגותיות סטנדרטיות של פונקציות אלה. יתר על כן, פרמטרים עקיבים עין, למשל, משך קיבעון וכיוון saccadic, מודעה שסופקהערך ditional באפיון oculomotor וביצועים ויזואלי בילדים במהלך VFA (et MJG Kooiker. al., 2015, הגיש). הרווח העיקרי של השיטה המוצגת טמון האפשרות להעריך פונקציות ויזואלית יותר מאשר נעשה כיום בהערכות תפקוד ראייה בגיל צעיר, ועל מנת להעריך אותם בצורה כמותית 26. מגבלה ביחס לשיטות קיימות היא, ללא עיבודים, זה לא ניתן עדיין להעריך את חדות ראייה ביסודיות או שדה ראייה עם סוללת הבדיקה הנוכחית 14.
למרות הגבלנו את עצמנו הצגת תוצאות מגירויי קריקטורה, ביישומים עתידיים שיטות חזותיות שונות ניתן לבדוק באמצעות גירויים אחרים (למשל, צורות שונות, תנועה, צבע ומידע בניגוד) 22,20,25. בדרך זו, אזורי עיבוד ויזואלי ספציפיים מעבר נתיבי הראייה העיקרי ממוקדים, כגון אזורי אסוציאציה ויזואלית בקורטקס זמני או הקודקודית.הגבלה של השיטה היא כי הגירויים החזותיים הנוכחיים רק לעורר זיהוי של קלט חזותי, והעלו את השלב הראשוני של עיבוד ויזואלי. גירויים אלה אינם ממקדים פונקציות מסדר גבוה כי להיות רלוונטי לאחר זיהוי גירוי וכי נמדדים בדרך כלל עם בדיקות תפיסה חזותיות. למרות הביצוע שלהם ללא שימוש בתקשורת הוא מאתגר, עין הפרדיגמה מעקב מבוססת היא פורמט עתיד מבטיח לצורך זיהוי של מידע הקשור תפיסה, חיפוש ויזואלי למשל, תשומת -memory או -selective.
לסיכום, תגובות תנועות עיניים מפורטות לסוגים שונים של גירוי חזותי לספק אפיון מקיף של פונקציות עיבוד מידע חזותיות, בשלב המוקדם של התפתחות. כתוצאה מכך, עבור כל ילד פרופיל חזותי פרט במונחים של פונקציות ללא פגע ולקויים ניתן ליצור. כזה פרופיל עשויים לספק מידע מפורט על נקודות החוזק והחולשה oculomotor וחזותייםפוּנקצִיָה. זה יכול לשמש כנקודת פתיחה עבור תמיכה בחיי היום יום, ובמשך מורה וחינוך המטפלת. המידע הכמותי הפך זמין עם שיטה זו יכול להיות יתרון עבור באי פיתוח ויזואלית לאורך זמן, ולצורך מעקב התערבויות חזותיות ותוכניות שיקום.
Disclosures
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 |
References
- 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).
