Un metodo per quantificare Visual Information Processing in bambini che utilizzano Eye Tracking
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
La prevalenza di danni cerebrali connessi problemi visivi nei bambini è aumentato. Poiché i problemi visivi possono avere un grande impatto sullo sviluppo di un bambino, la diagnosi precoce nei bambini neonati e nei bambini a rischio è molto importante. Allo stato attuale, i test di funzionalità visiva per valutare funzioni sensoriali visivi come acuità visiva e sensibilità al contrasto (ad esempio, i test ottotipo) sono applicabili in bambini dai 1-2 anni di età 1. Nei bambini più piccoli questi test si basano su osservazioni strutturate di comportamento di visione di un bambino di informazioni visive. L'interpretazione di tale comportamento, vale a dire, cercando in movimenti degli occhi di un bambino, può essere ostacolato da oculomotor o disfunzioni di attenzione del bambino, o anche per la visualizzazione di comportamento dell'osservatore. Funzioni visive cerebralmente mediate come la memoria visuo-spaziale e di riconoscimento degli oggetti vengono valutate con i test di percezione visiva (per esempio, DTVP 2). Questi test richiedono ins verbalitructions e la comunicazione e può essere utilizzato da 4-5 anni di età. In vista dello sviluppo postnatale del sistema visivo e di sfruttare l'elevato livello di plasticità primi anni di vita, è auspicabile stabilire la presenza e l'entità di deficit nella trasformazione informazioni visive più presto possibile. In questo modo, i bambini con (cerebrali) disabilità visive possono al massimo trarre beneficio da un intervento precoce, la stimolazione visiva, o di strategie di sostegno. Di conseguenza, vi è la necessità per un metodo di valutazione di elaborazione delle informazioni visive che possono essere utilizzati senza comunicazione verbale nei bambini e che si basa su risultati quantitativi.
I movimenti oculari sono un buon modello per studiare il comportamento di orientamento guidato visivamente agli stimoli 3,4, e relativi funzioni percettive e cognitive 5. I movimenti oculari indicano al centro dell'attenzione visiva in scene, e sono noti per causare sia da bottom-up (riflessiva, salienza-driven) o dall'alto verso il basso (intentional, cognitivo) elabora 6. I movimenti oculari sono utilizzati per dirigere la fovea, cioè, nitidezza della visione, a nuovi oggetti. Il contenuto visivo di un oggetto di interesse è trasformati tramite percorsi che corrono dalla retina attraverso il genicolato nucleo laterale primaria corteccia visiva (V1), e che si distribuiscono su aree di lavorazione cerebrali (ad esempio, coinvolti in attenzione, orientamento spaziale, il riconoscimento, la memoria e le emozioni). I movimenti oculari sono sia un prerequisito per, e un sequel di elaborazione delle informazioni visive.
Sviluppi nella misurazione dei movimenti oculari con inseguitori occhi infrarossi danno la possibilità di ottenere parametri quantitativi di oculomotor e funzione visiva. trackers occhio automatizzati sono oggi onnipresenti nella ricerca medica e psicologica che coinvolge popolazioni sane e clinici. Il loro scopo non è solo per studiare la funzione oculomotoria e l'allocazione attenzione 7, ma anche per rispondere alle domande about meccanismi comportamentali e psicologici 8,9. Con l'aumento dei sistemi di tracciamento dell'occhio accessibili e commerciali, sono sempre più utilizzati per testare le popolazioni vulnerabili di neonati e bambini 10-12, senza condizioni vincolanti, istruzioni complesse, o cooperazione attiva 12,13. A causa della stretta accoppiamento del oculomotor e sistema visivo a livello cerebrale oculare e, occhio metodi di monitoraggio basati sono preminentemente adatto per valutare le capacità visive. Finora, oltre la misura dell'acuità visiva 14, l'utilizzo della tecnica nella valutazione della funzione visiva nei bambini ha ricevuto relativamente poca attenzione.
Il nostro gruppo ha combinato misurazioni movimento degli occhi con un paradigma di sguardo preferenziale 13. Preferenziale cercando è la preferenza per fissare le superfici modellate su quelle omogenee 15. Questo principio viene applicato utilizzando stimoli visivi con un'area bersaglio in uno dei quattro quadranti, che diffER dallo sfondo, in termini di una caratteristica visiva specifica, ad esempio forma coerente, movimento coerente, contrasto e colore. Queste caratteristiche visive sono noti per essere elaborato da vie visive periferiche e centrali separati. Ad esempio, le informazioni sulla forma viene elaborato da percorsi ventrali, da V1 a corteccia temporale. Informazioni su movimento viene elaborato da percorsi dorsali, da V1 a corteccia parietale posteriore 16. Quindi, stimoli specifici vengono usati per attivare l'elaborazione dell'informazione visiva in zone distinte del sistema visivo. Se un bambino è in grado di vedere le informazioni visive specifiche che viene presentato, che le informazioni attirerà l'attenzione visiva in forma di movimenti oculari. Questi riflessivi risposte movimento degli occhi agli stimoli visivi sono registrati con un tracker occhio a raggi infrarossi a distanza. In questo modo, le misure di movimento degli occhi fornire una valutazione priva di comunicazione della qualità dei vari aspetti di informazioni visive di elaborazione 13.
I movimenti oculari forniscono non solo i dati di osservazione del comportamento di visione di un bambino 11, ma possono essere utilizzate anche altre misure oggettive outcome. In combinazione con un paradigma di test accuratamente progettato, movimenti oculari possono dare informazioni precise e obiettive sui elaborazione delle informazioni visive. Queste informazioni sono ottenute calcolando parametri quantitativi basati sulle proprietà temporali e spaziali di risposte movimento degli occhi. Esempi di tali parametri sono il tempo di reazione 13, tempo di fissazione 17, metriche saccade 7 o allocazione attenzione cumulativo 18. La disponibilità di questi parametri è nuovo al campo della valutazione visiva nei bambini in giovane fase di sviluppo.
L'obiettivo di questo lavoro è quello di presentare un metodo di monitoraggio basata su occhio per misurare l'elaborazione delle informazioni visive nei bambini a partire dall'età di 6 mesi. La misura di set-up e la procedura (cioè paradigma verbale, post-calibrazione e mobility) si applicano specificamente all'utilizzo di questo metodo in bambini a rischio. Un aspetto fondamentale è l'analisi di parametri quantitativi visivi di risposta, cioè il tempo di reazione, la durata di fissaggio, e la precisione di fissaggio. Questi parametri vengono utilizzati per fornire aree di riferimento di risposte guidate visivamente nei bambini con sviluppo tipico, a caratterizzare l'elaborazione delle informazioni visive in gruppi a rischio di bambini con disabilità visive.
Protocol
Representative Results
Discussion
La misura presentata set-up in combinazione con l'analisi quantitativa movimento degli occhi fornisce una caratterizzazione netta di funzioni di elaborazione visiva in vari gruppi di bambini con oculomotor e disabilità visive. La caratteristica fondamentale di questo paradigma è che le prestazioni si basa sulle risposte dei movimenti oculari a stimoli visivi che vengono attivati in maniera riflessiva. Non ci sono istruzioni verbali specifiche sono date e non vi è alcuna necessità per i bambini di rispondere verbalmente. I parametri RTF, GFA e FD mostrano differenze significative tra i gruppi di bambini in genere developing- e non vedenti, nonostante la limitata diffusione dei valori dei parametri che esiste in ogni gruppo (Figure 4 – 6). Così, a seconda del parametro valutato, alcuni bambini con sviluppo tipico possono mostrare prestazioni devianti, mentre alcuni bambini con disabilità visive mostrano 'normale' delle prestazioni. In ultima analisi, più misure di outcome in risposta a più visivamodalità dovrebbero essere considerati a livello individuale. Una sintesi di tutte le misure di esito fornisce una caratterizzazione unica di capacità di elaborazione delle informazioni visive, che possono essere convertiti in un profilo visivo nei bambini dai 6 mesi di età.
Diversi studi hanno dimostrato il valore di eye tracking remoto in popolazioni vulnerabili di bambini, per inferire attentivo o capacità psicologiche 9,12,18. Considerando maggior parte degli studi si basano su osservazioni comportamentali e l'uso di istruzioni, una caratteristica distintiva del paradigma corrente è l'approccio verbale, quantitativa. Passaggi critici all'interno del protocollo sono quindi gli stimoli che si basano su preferenziale guardare, la misura mobili set-up, e il software di calibrazione personalizzato e di analisi. L'estensione ha presentato i risultati di osservazione-based con metodi di analisi elaborati fornisce risultati standardizzati e dettagliate sulle funzioni di elaborazione visiva. Ciò è in linea con il lavoro sulla valutazione delinfante acuità visiva con un eye tracker 14, e il lavoro sul controllo sguardo a vari disturbi 7. Il metodo è flessibile e permette la valutazione cellulare che è indispensabile quando si eseguono le valutazioni cliniche nei bambini o bambini con disabilità multiple. Pertanto, è adatto per misurare oculomotor e capacità di elaborazione visiva in quasi tutti i bambini che sono in grado di guardare un monitor.
Il significato di questo metodo rispetto a metodi diagnostici visivi esistenti (cioè, validità) è stato studiato come primo passo verso l'implementazione clinica. L'attuale paradigma è stato combinato con la valutazione attualmente utilizzato visiva funzione (VFA) nei bambini. Le osservazioni di funzioni oculomotorie e visivi che si basano sulle registrazioni movimento degli occhi erano comparabili con le osservazioni del comportamento standard di queste funzioni. Inoltre, occhio parametri di monitoraggio, ad esempio, la durata di fissazione e la direzione saccadico, annuncio previstovalore dizionale nella caratterizzazione oculomotor e performance visiva nei bambini durante VFA (Kooiker MJG et. al., 2015, presentato). Il guadagno principale del metodo presentato risiede nella possibilità di valutare più funzioni visive rispetto a quello attualmente svolto nelle valutazioni delle funzioni visive in giovane età, e di valutarli in maniera quantitativa 26. Una limitazione rispetto ai metodi esistenti è che, senza adattamenti, non è ancora possibile valutare a fondo l'acuità visiva o del campo visivo con l'attuale batteria di test 14.
Anche se ci siamo limitati alla presentazione dei risultati di stimoli dei cartoni animati, in future applicazioni diverse modalità visive possono essere testati utilizzando altri stimoli (ad esempio, forme distinte, di movimento, di colori e di informazione contrasto) 22,20,25. In questo modo, le aree specifiche di elaborazione visiva al di là delle vie visive primarie sono mirati, come le aree di associazione visivi in corteccia temporale e parietale.Una limitazione del metodo è che gli attuali stimoli visivi semplicemente attivano la rilevazione di input visivo, e invocano la fase iniziale di elaborazione visiva. Questi stimoli non bersaglio funzioni di ordine superiore che diventano rilevanti dopo il rilevamento di stimolo e che sono normalmente misurati con i test di percezione visiva. Sebbene la loro esecuzione, senza l'uso della comunicazione è impegnativo, un paradigma-based occhio è un formato futuro promettente per la rilevazione delle informazioni percezione connessi, ad esempio ricerca visiva, attenzione -Memoria o -selettivo.
In sintesi, le risposte dettagliate movimento oculare a vari tipi di stimolazione visiva forniscono una caratterizzazione completa di funzioni di elaborazione delle informazioni visive, nelle prime fasi di sviluppo. Di conseguenza, per ogni bambino può essere creato un profilo visivo individuale in termini di funzioni intatte e ipovedenti. Tale profilo può fornire informazioni dettagliate sui punti di forza e di debolezza in oculomotor e visivofunzione. Può essere usato come punto di partenza per il sostegno nella vita quotidiana, e per insegnante e formazione caregiver. Le informazioni quantitative che è diventata disponibile con questo metodo può essere vantaggioso per seguenti sviluppo visivo nel tempo, e per monitorare interventi visivi e programmi di riabilitazione.
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 |
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