シミュレートされた中心視力喪失を伴う知覚学習研究のための視線依存ディスプレイフレームワーク

中心視力喪失をシミュレートする知覚および眼球運動研究のために設計された視線コンティンジェントディスプレイフレームワークの開発を紹介します。このフレームワークは、シミュレートされた中心視力喪失と病的な中心視力喪失の両方を経験している個人の代償性行動および眼球運動戦略の研究に特に適応できます。

黄斑変性症(MD)は、西洋諸国における視力障害の主な原因の1つです。MDの患者は、視力喪失を補うために自発的な眼球運動戦略を開発する傾向があり、これには、損傷した中心窩を置き換えるためにより頻繁に使用する予備の周辺領域である優先網膜遺伝子座(PRL)を採用することが含まれます。しかし、すべての患者がPRLの発症に成功しているわけではなく、発症したとしても数か月かかる場合があります。現在、ゴールドスタンダードのリハビリテーション療法は存在せず、MDの研究は、募集、コンプライアンス、および併存疾患の問題によってさらに妨げられています。これらの問題に対処するために、無傷の視力を持つ個人のシミュレートされた中心視力喪失パラダイムで、視線追跡ガイド付きの視線偶発的ディスプレイを使用する研究が増えています。シミュレートされた視力喪失は病的な中心視力喪失とは質的に異なりますが、私たちのフレームワークは、代償性眼球運動を研究し、ロービジョンで可能なリハビリテーション介入をテストするための高度に制御されたモデルを提供します。孤立したタスクや分断されたタスクに頼るのではなく、包括的なフレームワークを開発することで、より大規模な仮説を検証できるまとまりのある環境を作り出し、タスク間の相互作用を調べ、複数のメジャーにわたるトレーニング効果を評価し、将来の研究のための一貫した方法論を確立することができます。さらに、シミュレートされた中心視力喪失研究の参加者は、MD患者と比較して、眼球運動代償行動に類似性を示しています。ここでは、シミュレートされた中心視力喪失に関連する視線偶発的研究を実施するためのフレームワークを紹介します。私たちは、さまざまなレベルの視覚処理を網羅する幅広い知覚課題について、健康な個人の行動および眼球運動能力をテストするためのフレームワークの利用を強調しています。また、このフレームワークをMD患者のトレーニングにどのように適応できるかについても説明します。

黄斑変性症(MD)は、世界的に視力障害の主な原因であり、2040年までに世界中で2億4,800万人が罹患すると予測されています^1。後期MDは、視野の中心(中心窩)にある光受容体の損傷を特徴としています。中心視力の喪失は、ナビゲーション²、読書³、顔認識⁴など、中心視力に依存する日常業務に深刻な影響を及ぼします。MDの結果は、^{これらの個人の生活の質}に大きく影響し5、心理的に否定的な結果⁶につながります。中心視力を奪われたMD患者は、中心窩を置き換えるために末梢網膜領域を使用する代償性眼球運動戦略を自発的に開発する可能性があります(図1)。この領域は、優先網膜遺伝子座(PRL)⁷と呼ばれ、固定、読影、顔認識などの課題で患者によく採用されます。MD 患者では、中心窩 ^8,9 の眼球運動参照業務を引き継ぐ PRL の証拠があります。さらに、中心視力喪失の患者では注意力と認知制御の変化が観察され、視力喪失と認知機能との関係が示唆されています¹⁰。

図 1.健康な視力を持つ個人と中心窩暗点を持つ黄斑変性症患者の知覚経験の図。 中心窩暗点は、黄斑変性症の患者において中心視力の喪失を引き起こします。一部の個人は、優先網膜遺伝子座(PRL)として定義される末梢網膜位置を使用することにより、中心窩への視覚入力の喪失を部分的に補うことができます。PRLを発症した患者では、これは偏心固定や日常業務中によく使用されます。PRLの網膜の位置、形状、サイズは人によって異なります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

視力喪失を回復したり、中心視力の喪失を補ったりするためのゴールドスタンダードの介入は存在しないが、検眼、作業療法、および視覚科学からの実験的アプローチは、周辺視野^11,12による補償を改善するためにテストされている。眼球運動アプローチは、患者に眼球運動の制御と協調を改善するように教えることに焦点を当てており、これにはより適切なPRL11,12,13,14,15を使用するように患者に教えることに焦点を当てているが、知覚的介入は、PRL内の一般的な周辺視覚能力または視力の改善に焦点を当て、周辺視野の限界を部分的に克服する16,17,18^、19,20.最近の研究では、中心視力喪失21,22,23,24,25,26,27,28,29における眼球運動の研究のパラダイムとして、視線追跡ベースの視線コンティンジェントディスプレイが使用されています。このアプローチは、健康な個人のシミュレートされた暗点(すなわち、視野の中央領域を塞ぐための閉塞器)を利用します(図1)は、募集とコンプライアンスの問題を軽減しながら、暗点のサイズや形状などのいくつかのパラメーターを高度に制御し、それによってMD患者の直接的な関与に代わる有望な選択肢を提供します。中心視力喪失とシミュレートされた暗点^30,31との間にはいくつかの違いが存在するが、PRLの発達など、前者で観察された眼球運動行動の一部は後者27,30,32で見ることができ、この視線偶発的パラダイムによって代償性眼球運動戦略のいくつかの側面が引き出されることを示唆している。重要なことに、シミュレートされた中心視力喪失は、健康な視覚系とその後の中心視力喪失の両方における可塑性を研究するための幅広いフレームワークを提供します。

ここでは、健康な個人、およびいくつかの変更を加えたMD患者の知覚、眼球運動、および注意のパフォーマンスをテストするために使用できる視線コンティンジェントフレームワークの設計、開発、および使用を示します(図2)。また、視線を伴う周辺トレーニングに伴う技術的および心理物理学的考慮事項についても詳しく説明します。主要な技術的課題は、暗点³³の滑らかで短い待ち時間の動きの知覚を作り出すことである。この短い待ち時間は、適切なディスプレイデバイス、アイトラッカー、およびオペレーティングシステム^34、35、36を選択することによって得られる。以前の研究では、各ハードウェアがどのように遅延を追加するか³⁷ と、全体的な遅延を減らし、まばたきに対応し、眼球運動を遅くするための戦略³³を文書化してきました。私たちのパラダイムの斬新な側面は、健康な集団と患者集団の両方における知覚研究のための単一のフレームワーク内の多様なトレーニングと評価タスクのセットです。このフレームワークは、中心視力喪失の影響を受ける複数のレベルの視覚処理、特に低レベル視力、高レベル視覚、注意力、眼球運動制御、および認知制御を特徴付けます。このアプローチの修正版を使用して実施された予備試験では、健康な対照群と患者集団の両方で視力の改善の証拠が示された³²。

図 2.視覚系の可塑性の研究への多次元的アプローチ、および黄斑変性症の視力リハビリテーション。 視覚、眼球運動、認知制御など、視覚処理に寄与し、中心視力喪失の影響を受ける相互接続された次元の図解。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

すべての参加者は、視力が20/40以上で、既知の視力の問題がない健康な個人でした。代表参加者はいずれも女性で、年齢は27歳と24歳です。すべての参加者がインフォームドコンセントを提供し、研究はアラバマ大学バーミンガム校の治験審査委員会(IRB)から承認を受けました。

1. 中心視力喪失のシミュレーション研究に最適なシステムの特定

1. アイトラッカーから刺激生成ソフトウェアに連続ループで情報を効率的に伝送するシステムを特定します。³⁷ で説明した方法を使用して、さまざまなシステムの組み合わせのレイテンシを測定し、レイテンシが最も低いシステムを特定します。
   注: 図3は、2つのアイトラッカー(EyeLink 1000 Plus Tower MountとTRACKPixx3)、2つのディスプレイデバイス(CRTモニター(リフレッシュレート=100Hz)とDisplay++(リフレッシュレート=120Hz))、2つのオペレーティングシステム(Windows 10とMac iOS)で構成されるシステムの4つの異なる組み合わせを組み合わせたレイテンシの比較を示しています。各組み合わせを20回測定しました。その結果、Vpixx TrackPixx3アイトラッカーをWindows 10オペレーティングシステムと組み合わせて使用した場合、システム遅延が最も低くなることが示されました。

図3:モニター、視線追跡デバイス、オペレーティングシステムのさまざまな組み合わせでの遅延の比較。 バーは、組み合わせごとに 20 回の繰り返しにわたる ± 1 の標準偏差を表します。Macオペレーティングシステムの電話をスローモーションモードで対策し、リフレッシュレートを240Hzにしました。TP/CRS/Win は、E1000/CRT/Mac (t(38)=9.53, p<0.001)、E1000/CRS/Mac (t(38)=16.24, p<0.001)、E1000/CRS/Win (t(38)=3.94, p<0.001) と統計的に異なります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 視線コンティンジェントディスプレイによるシミュレートされた中心視力喪失に対する参加者の習熟

注: 中心視力の喪失をシミュレートする基本的な要素は、参加者に視線コンティンジェント ディスプレイに慣れ親しむことです。適切な習熟がなければ、能力の尺度は、視線依存ディスプレイをナビゲートする参加者の努力によって混同される可能性があります。プロトコルのいくつかの重要なステップにより、視線コンティンジェントディスプレイに十分に精通し、視覚パフォーマンスを確実に測定できるようになります。

1. 特定のセッション中に実行するタスクについて、参加者に視聴覚指示を提供します。各タスクには、実際のタスクの画面キャプチャを含む専用のビデオ指示があります。次に、参加者が特定のタスクで何を期待するかを十分に理解できるように、指示を口頭で説明します。
2. 各主要なタスクを開始する前に、参加者に模擬試験を提供します。これにより、タスクに関連する質問を明確にする機会が得られます。
3. 最初の訪問では、視線コンティンジェントタスクを実行する前に、参加者に固視トレーニングを実施し、シミュレートされた暗点を画面上の白い中央ボックス内にさまざまな時間配置する方法を学び、試行ごとに空間耐性が増加しますが、画面に表示される可能性のある気を散らすものを無視します。
4. さらに、参加者に対してPRL導入タスクを実行します。これは、PRLのような行動の発達を促進するように設計されています。このタスクでは、被験者に、ターゲットを覆うように画面上にランダムに配置された不透明な円盤(ランドルトCなど)を表示させ、暗点を不透明な円盤に近づけてターゲットを表示させます。
   注:この課題の眼球運動解析は、後で訓練軌跡として使用できる初期のPRL様位置を示すことができる。この実験パラダイムでは、円形の中央暗点が10°の視野角を支配していました。これらのステップにより、参加者は視線コンティンジェントディスプレイに慣れ、周辺視野を使用して幅広い知覚評価とトレーニングタスクを実行する準備をすることができます。

3. 効果的な指示書の開発

注:指示は、さまざまなタスク中に刺激に応答し、シミュレートされた暗点を管理する方法について参加者を導く上で重要な役割を果たします。適切な指示は、混乱を避けるために徹底的かつ明確でなければなりません。理解を確保するために、必要に応じて指示を繰り返す必要があります。

1. 教育ビデオ
   1. 視覚的なデモンストレーション: タスクの各ステップを視覚的に示すビデオを提供します。ビデオは、タスク中にシミュレートされた暗点を適切に管理する方法と、刺激にどのように反応するかを明確に示す必要があります。
   2. ナレーション:プロセスを簡単な言葉で説明する視覚的なデモンストレーションに付随するように開発された簡潔なスクリプトを提供します。理解しやすい言語にし、専門用語は避けてください。
2. 台本付きの口頭による指示
   1. 一貫性:口頭での指示には標準化されたスクリプトを使用して、異なるセッションや参加者間で一貫性を確保します。例:タスク全体を通して、目を休めるための休憩が複数回あります。これらの休憩中は、頭をあご当てに置いておくようにしてください。タスクを続行する準備ができたら、スペースバーを押すと、タスクが再開されます。
   2. 明瞭さ:ゆっくりとはっきりと話す - タスクのすべての重要な側面を強調するようにしてください。
3. 視覚的な指示
   1. 画面上の指示: 参加者がタスクの完了前と完了中に読むことができる画面上に書面によるガイダンスを提供します。視覚補助を使用して明確にするために短い文章を使用し、参加者が各タスクで遭遇する可能性のある刺激を示します。

4. 評価タスクの設計と実施

注:このフレームワーク内で設計されたタスクは、大きく分けて2つのカテゴリに分けられます:(1)自由な眼球運動タスクと(2)固定制約のあるタスク。自由視運動課題では、参加者に画面上を視線運動させて、画面上のランダムな場所に現れるターゲットを特定させます(またはテキストを読みます)が、固視制約のある課題では、タスク全体を通して中央の白いボックス内で固視を維持し、周辺視野を使用して判断を下すように参加者に依頼します。 図 4 は、各カテゴリーのタスクの例と説明を示しています。タスクの詳細については、³⁸を参照してください。

図4:フレームワークを使用して設計されたさまざまな評価タスクを視覚的に表現したものです。 タスクは、暗点が参加者の眼球運動に追従してターゲットを自由に見る自由眼球運動タスク(上段)と、暗点をタスク全体の中央の白いボックス内に配置する必要がある固定制約タスク(下段)に大きく分類されます。この数値は³⁸から修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1. 自由な眼球運動タスク
   注:無料の眼球運動タスクは、タスクを実行している間の参加者の眼球運動行動を測定します。これらは、読書や視覚検索などの自然主義的なタスクの文脈での目の動きの理解を促進します。
   1. 説明ビデオ/口頭による指示
      1. キャリブレーションの前に、説明ビデオと台本付きの口頭での指示を参加者に提示します。
   2. キャリブレーション
      1. タスク間での以前のキャリブレーションの検証と、検証が不十分な場合、または参加者がタスク間で休憩を取るときに追加のキャリブレーションの検証を実行します。
   3. フリービューイングタスク固有の方法
      1. 1つの領域に固執するのではなく、視線を使用してさまざまなアクションを実行するように参加者に指示するフリービューイングタスクを実行します。次のいずれかのバリアントでタスクを実行することを選択します。
      2. 暗点をキューに近づけると、刺激が現れます。特定の画面位置に一定時間固定し続けます。読書や視覚検索などの標準的なタスクを実行し、中心視野を暗点に閉ざします。
      3. タスクの開始時に、参加者に画面上の指示を提供し、その後、一連の模擬試験を行います。模擬試験の完了後、タスクに進む前にリマインダーの指示を出してください。パフォーマンスを測定する前に、参加者が視覚的なレイアウト、必要な眼球運動動作、および各タスクの応答特性を理解し、習熟度を示したことを確認します。
      4. 暗点の使用により視覚的なフィードバックが見逃される可能性があるため、各タスクを完了する際の応答の正確さを示す聴覚フィードバックを参加者に提供します。
      5. 各タスクに最大1分の休憩を組み込んで、疲労をテストする可能性を減らします。テストの疲労の可能性を減らすために、評価のより長いセッションを含む日には3分以上の休憩を組み込んでください。
2. 固定に制約のあるタスク
   注:固定に制約のあるタスクは、特定の視野位置で周辺視野をテストまたはトレーニングするのに役立ちます。これらのタスクは、視力、コントラスト感度、混雑などを含む初期および中期レベルの視覚処理だけでなく、外因性および内因性の注意を含む高レベルの視覚処理のテストにも適しています。これらの課題では、参加者が安定した固定を維持することを学び、タスクのパフォーマンスが安定した固定に専念する注意リソースによって混乱することを避けることが重要です。これらのタスク中、参加者は、周辺視野に現れる刺激に反応しながら、固定補助具(図5B)の助けを借りて中心視を画面の中心に集中させるように求められます。
   1. 説明ビデオ/口頭による指示
      1. キャリブレーションの前に、説明ビデオと台本付きの口頭での指示を参加者に提示します。
   2. キャリブレーション
      1. タスク間での以前のキャリブレーションの検証と、検証が不十分な場合、または参加者がタスク間で休憩を取るときに追加のキャリブレーションの検証を実行します。
   3. 固定制約のあるタスク固有の方法
      1. 固定に制約のあるタスクでは、タスクの期間中、参加者に頭の位置をあご当てに保持するように依頼し、プロセス全体を通じてキャリブレーションが元の位置にできるだけ正確になるようにします。
      2. 参加者に画面上で指示を出し、その後に一連の模擬試験を行います。模擬試験の完了後、タスクに進む前に、画面上の一連の指示をリマインダーします。
      3. これらのタスクでは、参加者に、固定ボックスの両側にある周辺視野に現れる刺激に反応しながら、固定補助具 (白い長方形の固定ボックス) を使用して中心視を画面の中央に集中させるように依頼します。
      4. 評価中に、右側にある5つのボタンの回答ボックスで右手の人差し指を使用して応答するように参加者に依頼します。固視が維持されない場合、刺激は提示されず、固視が再開されない限りタイムアウトします。
      5. 参加者が各タスクを完了する際の応答の正確さを示す聴覚フィードバックを提供しますが、ここでも、暗点の使用により視覚的なフィードバックが見逃される可能性があります。
      6. 各タスクに最大1分の休憩を組み込んで、疲労をテストする可能性を減らします。テストの疲労の可能性を減らすために、評価のより長いセッションを含む日には3分以上の休憩を組み込んでください。
3. 適切な固定ディスプレイの開発
   注:周辺的に提示されたターゲットと中心視野を遮るシミュレートされた暗点を含むタスクは、レチノトピー的に定義された場所でのパフォーマンスを推定しようとするとき、課題を提示します。実際、中心窩のタスクでさえ、目はドリフトやマイクロサッケードの形で小さな不随意運動をします)。したがって、固定の安定性を最適化するためには、固定補助具の設計に慎重な検討が必要です。
   1. 大きな固定クロスと固定ボックスの両方を組み込んだ固定補助具の設計を開発します(図5)。参加者に、不透明なオクルーダーを固定ボックス内に保持し、固定十字の長いアームを画面の中央の基準として使用するように指示します。
      注:このデザインは、ブルズアイタイプとクロスヘアタイプの視覚補助を組み合わせたもので、最高の固定安定性³⁹につながることが示されています。さらに、固定ボックスと固定クロスの両方を備えているため、この設計は、MD患者の場合のように、中心視力喪失の患者をテストするための並進コンテキストで簡単に使用できます。
4. パフォーマンスを正確に測定するための適応手順の最適化
   注:さまざまな評価を実装する際の重要な側面は、これらのタスクのサブセット(特に視力、コントラスト感度、混雑、および輪郭積分)のパフォーマンスしきい値を迅速かつ正常に推定する能力です。課題は、従来の階段では収束が遅く、閾値近くでパフォーマンスを目標とするため、フラストレーションや疲労を引き起こす可能性があることです。これを回避するために、これらのタスクの参加者のパフォーマンスを推定するための3段階の手順を実装しました。
   1. 最初の段階では、実際の実験の前に、参加者に12回の模擬試験を行ってもらいます。第2段階では、3回の下向き反転(つまり、刺激の変化方向が下(ハード)から上(イージー)に変わる、代表的な結果セクションも参照)後に終了する2ダウン1アップ階段を利用し、続いて、60回の試行で終了する従来の3ダウン1アップ階段で構成される第3ステージを使用します。
      注:パイロット研究では、この手順はほとんどのタスク(視力、クラウディング、およびコントラスト感度タスク)で信頼性の高いしきい値を達成することが示されました。ただし、一部のタスクでは、特にパフォーマンスが参加者間で大きく異なる場合は、他の方法が必要になる場合があります。たとえば、等高線統合タスクでは、手順の最初の段階(実践)の後、追加の手順が実装されました。タスクの難易度は、方向ジッター(0°、1°、2°、4°、6°、8°、10°、12°)が3回の試行ごとに増加し、合計24回の試行を行うプログレッシブステアケース法を使用して操作されました。その後、手順の第2段階と第3段階(適応階段)は通常どおり続きました。一般に、タスクが異なれば、適応手順もわずかに異なる場合があります。ただし、3段階のアプローチにより、参加者は練習してすぐにしきい値の範囲内に入ることができ、その範囲内で詳細な測定を行うことができます。

図5:参加者の固定安定性を促進するために使用された固定補助具(A)固定クロスと固定ボックスは、固定安定性タスクに使用されました。(B)固定十字、固定ボックス、および中央の黒十字は、低レベルの視力課題で使用されました。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

このセクションでは、自由な眼球運動と凝視に制約のあるタスクの両方から得られたデータを示します。このセクションの目標は、フレームワークを使用して取得されたデータと、その末梢視覚機能を測定する能力を説明することです。このセクションは 4 つの異なるカテゴリに分類され、それぞれがシミュレートされた中心視力損失の下での正確な視覚パフォーマ...

この方法論論文では、シミュレートされた中心視力喪失で知覚研究を実施するための視線コンティンジェントフレームワークを提示し、(1)視線コンティンジェントディスプレイの最短システム遅延を選択し、(2)幅広い視覚知覚タスクを管理し、(3)このパラダイム内の参加者の眼球運動および知覚パフォーマンスを測定するために必要なハードウェア、設計、および方...

著者は、この論文の出版に関して利益相反がないことを宣言します。

この研究は、NIH NEI 1 U01 R01EY031589 および 1R21EY033623-01 によってサポートされています。