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.
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.
A prevalência de cerebrais relacionadas com danos problemas visuais em crianças tem aumentado. Como os problemas visuais podem ter um grande impacto no desenvolvimento da criança, a detecção precoce em lactentes jovens e crianças em risco é muito importante. No momento, testes de função visuais para avaliar funções sensoriais visuais, como a acuidade visual e sensibilidade ao contraste (por exemplo, testes de optotipos) são aplicáveis em crianças de 1-2 anos de idade 1. Nas crianças menores estes testes são baseados em observações estruturadas do comportamento de visualização de uma criança à informação visual. A interpretação de tal comportamento, ou seja, ao olhar para os movimentos dos olhos de uma criança, pode ser prejudicado por oculomotor ou disfunções de atenção da criança, ou mesmo exibindo comportamento do observador. Cerebralmente mediadas funções visuais, como a memória visual-espacial e reconhecimento de objetos são avaliados com testes de percepção visual (por exemplo, DTVP 2). Estes testes exigem ins verbaistruções e comunicação e pode ser usado a partir de 4-5 anos de idade. Tendo em vista o desenvolvimento pós-natal do sistema visual e para tirar proveito do elevado nível de plasticidade no início da vida, é desejável determinar a presença e extensão da deficiência no processamento de informação visual tão cedo quanto possível. Dessa forma, as crianças com (cerebrais) deficiência visual pode maximamente beneficiar de intervenção precoce, a estimulação visual, ou estratégias de apoio. Por conseguinte, existe uma necessidade de um método de avaliação de processamento de informação visual que pode ser utilizado sem comunicação verbal em crianças e que é baseado nos resultados quantitativos.
Os movimentos oculares são um bom modelo para estudar o comportamento de orientação visual guiada aos estímulos 3,4, e afins funções perceptivas e cognitivas 5. Os movimentos oculares indicam o foco da atenção visual em cenas, e são conhecidos por resultar tanto de baixo para cima (reflexiva,-saliência driven) ou a partir de cima para baixo (intentional, cognitivo) processa 6. Os movimentos oculares são usadas para dirigir a fóvea, ou seja, a nitidez da visão, para novos objetos. O conteúdo visual de um objeto de interesse é processado através de vias que são executados a partir da retina através do núcleo geniculado lateral para o córtex visual primário (V1), e que se distribuem ao longo áreas de processamento cerebral (por exemplo, envolvido em atenção, orientação espacial, o reconhecimento, memória e emoções). Os movimentos oculares são tanto um pré-requisito para, e uma sequela de processamento de informação visual.
Desenvolvimentos na medição dos movimentos oculares com rastreadores oculares infravermelhos dar a possibilidade de obtenção de parâmetros quantitativos do oculomotor e função visual. rastreadores oculares automatizados são hoje onipresente na pesquisa médica e psicológica envolvendo populações saudáveis e clínicos. O seu objectivo é não só para estudar a função oculomotor e alocação de atenção 7, mas também para responder a perguntas about mecanismos psicológicos e comportamentais 8,9. Com o surgimento de sistemas de rastreamento ocular acessíveis e comerciais, eles são cada vez mais utilizados para testar as populações vulneráveis de lactentes e crianças 10-12, sem condições de constrangimento, instruções complexas, ou cooperação activa 12,13. Devido à estreita acoplamento do oculomotor e sistema visual em um nível cerebral e ocular, métodos baseados em Eye Tracking são pré-eminentemente adequado para avaliar as capacidades visuais. Até agora, para além da medição da acuidade visual 14, a utilização da técnica na avaliação da função visual em crianças tem recebido pouca atenção.
O nosso grupo tem combinado medições de movimento dos olhos com um paradigma de vista preferencial 13. Olhando preferencial é a preferência para fixar superfícies estampados sobre os mais homogêneos 15. Este princípio é aplicado usando estímulos visuais com uma área-alvo em um dos quatro quadrantes, que differ a partir do fundo em termos de uma característica visual específico, por exemplo, forma coerente, movimento coerente, contraste e cor. Estas características visuais são conhecidos para serem processados por vias visuais periférico e central separados. Por exemplo, informações sobre a forma é processada por vias ventrais, de V1 para o córtex temporal. Informações sobre o movimento é processado por vias dorsais, de V1 para posterior córtex parietal 16. Assim, os estímulos específicos são utilizados para desencadear o processamento de informação visual em áreas distintas do sistema visual. Se uma criança é capaz de ver a informação visual específica que é apresentada, essa informação vai atrair a atenção visual na forma de movimentos oculares. Estas respostas de movimento dos olhos reflexivos para os estímulos visuais são gravados com um rastreador de olho infravermelho remoto. Dessa forma, as medidas do movimento do olho fornecem uma avaliação livre de comunicação da qualidade de vários aspectos de processamento de informação visual 13.
Os movimentos oculares fornecer não apenas os dados observacionais de comportamento de visualização de uma criança de 11, mas também pode ser usado para mais medidas de resultados objectivos. Em combinação com um paradigma teste cuidadosamente projetado, os movimentos dos olhos pode dar informações precisas e objetivas sobre o processamento da informação visual. Esta informação é obtida calculando parâmetros quantitativos com base nas propriedades temporais e espaciais de respostas de movimento dos olhos. Exemplos de tais parâmetros são tempo de reacção 13, tempo de fixação 17, métricas sacádicos 7 ou alocação de atenção cumulativa 18. A disponibilidade destes parâmetros é novo para o campo da avaliação visual em crianças em fase de desenvolvimento jovem.
O objetivo deste trabalho é apresentar um método à base de rastreamento ocular para medir processamento de informação visual em crianças a partir da idade de 6 meses. A medição set-up e procedimento (ie paradigma não-verbal, o pós-calibração e mobility) se aplicam especificamente a utilização deste método em crianças em risco. Um aspecto crucial é a análise dos parâmetros quantitativos visuais de resposta, tempo de reação ou seja, a duração de fixação e precisão fixação. Estes parâmetros são usados para fornecer áreas de referência de respostas visualmente guiadas em crianças com desenvolvimento típico, para caracterizar o processamento da informação visual em grupos de risco de crianças com deficiência visual.
A medida apresentada set-up combinado com análise de movimento dos olhos quantitativa fornece uma caracterização distinto de funções de processamento visual em vários grupos de crianças com oculomotor e deficiência visual. A principal característica deste paradigma é que o desempenho é baseado nas respostas de movimento dos olhos a estímulos visuais que são acionados de forma reflexiva. Sem instruções verbais específicas são dadas e não há necessidade para que as crianças responder verbalmente. O RTF parâmetros, a GFA e FD mostraram diferenças significativas entre os grupos de crianças tipicamente developing- e deficientes visuais, apesar da disseminação limitada de valores de parâmetros que existe em cada grupo (Figuras 4 – 6). Assim, dependendo do parâmetro avaliado, algumas crianças com desenvolvimento típico pode mostrar desempenho desviante, enquanto algumas crianças com deficiência visual mostrar desempenho 'normal'. Em última análise, várias medidas de resultados em resposta a múltiplos visuaismodalidades deve ser considerada em um nível individual. Um resumo de todas as medidas de resultados fornece uma caracterização única de capacidades de processamento de informações visuais, que podem ser convertidos em um perfil visual em crianças de 6 meses de idade.
Vários estudos têm mostrado o valor de rastreamento ocular remota em populações vulneráveis de crianças, para inferir atenção ou de capacidades psicológicas 9,12,18. Enquanto a maioria dos estudos dependem de observações comportamentais e o uso de instruções, uma característica distinta do paradigma atual é a abordagem não-verbal, quantitativa. As etapas críticas no âmbito do protocolo, portanto, incluir os estímulos que são baseados em preferencial procura, a medição móvel set-up, e o software de calibragem personalizada e análise. A extensão apresentada de resultados baseados em observação com métodos de análise elaborados oferece resultados padronizados e detalhadas sobre as funções de processamento visual. Isto está de acordo com o trabalho sobre a avaliação daacuidade visual infantil com um rastreador ocular 14, e trabalhar em controle de olhar em vários distúrbios 7. O método é flexível e permite a avaliação móvel, que é indispensável ao realizar avaliações clínicas em crianças pequenas ou crianças com deficiências múltiplas. Por conseguinte, é adequado para medir oculomotor e capacidades de processamento visual em virtualmente todas as crianças que são capazes de ver um monitor.
A importância deste método em relação a métodos de diagnóstico visuais existentes (ou seja, de validade) tem sido estudado como um primeiro passo para a implementação clínica. O atual paradigma foi combinada com a avaliação actualmente utilizado função visual (VFA) em crianças. Observações de funções oculomotores e visuais que são baseados em gravações de movimento do olho eram comparáveis com as observações comportamentais normais destas funções. Além disso, os parâmetros de acompanhamento dos olhos, por exemplo, a duração de fixação e direção sacádica, ad fornecidavalor nal na caracterização oculomotor e desempenho visual em crianças durante VFA (Kooiker MJG et. al., 2015, submetido). O principal ganho do método apresentado reside na possibilidade de avaliar mais funções visuais do que é feito atualmente em avaliações de função visual em uma idade jovem, e avaliá-los de uma forma quantitativa 26. Uma limitação com relação aos métodos existentes é que, sem adaptações, ainda não é possível avaliar completamente a acuidade visual ou do campo visual com o presente bateria de testes 14.
Embora nos limitamos à apresentação de resultados de estímulos desenhos animados, em futuras aplicações diferentes modalidades visuais podem ser testados utilizando outros estímulos (por exemplo, formas distintas, movimento, cor e informação contraste) 22,20,25. Dessa forma, áreas específicas de processamento visual para além das vias visuais primárias são direcionados, tais como áreas de associação visuais no córtex temporal ou parietal.Uma limitação deste método é que os presentes estímulos visuais implicam apenas a detecção de informação visual, e invocar a etapa inicial de processamento visual. Esses estímulos não-alvo funções de ordem superior que se tornam relevantes após a detecção de estímulo e que normalmente são medidos com testes de percepção visual. Embora sua execução sem o uso de comunicação é um desafio, um paradigma baseado no rastreamento do olhar é um formato de futuro promissor para a detecção de informações relacionadas com a percepção, por exemplo, busca visual, atenção -Memória ou seletivo.
Em suma, detalhadas respostas de movimento dos olhos para vários tipos de estimulação visual fornecer uma caracterização completa de funções de processamento de informações visuais, no início do desenvolvimento. Consequentemente, para cada criança um perfil visuais indivíduo em termos de funções intactas e deficientes podem ser criados. Tal perfil pode fornecer informações detalhadas sobre os pontos fortes e fracos em oculomotor e visualfunção. Pode ser utilizado como um ponto de partida para o suporte da vida diária, e para o professor e educação cuidador. As informações quantitativas que se tornou disponível com este método pode ser vantajoso para seguir o desenvolvimento visual ao longo do tempo, e para monitorar intervenções visuais e programas de reabilitação.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |