Eye movement-based analysis in reading: a method for evaluating functional vision in normal ageing, presbyopia correction and in retinal diseases

Abstract

Visual acuity assessment is the preferred first-line test among clinicians to evaluate the integrity of the visual system. However, simple measures of near acuity, while of interest, may provide only a partial indication of functional vision and of the effectiveness of surgical or optical corrections. Since many activities of daily living rely on reading it is not surprising that reading difficulty is the most common complaint among individuals with decreased vision, while it forms the primary reason for patients to seek referral to a low vision clinic and a strong predictor of vision-related quality of life. Reading, however is a complex function. It requires a proper retinal image and intact retina to send information to the brain, where the image is analyzed for extraction of meaning. Thus it is difficult to evaluate functional vision based on reading performance. The evolution of eye trackers, new standardised reading tests and computational and statistical methods have given valuable tools to further analyse reading performance through eye movement parameters. The aim of this work is to use eye movement analysis during text reading to evaluate functional vision under different conditions. It is divided into four studies involving: assessment of method repeatability, applications to age-related macular disease, anti-VEGF treatment, and presbyopia correction, as well as the study of reading comprehension. A secondary aim is to find certain eye movement parameters that are distinctly affected under each condition and factor. In this context, the ex-Gaussian analysis is used to evaluate the fixation duration distribution. The results highlight certain distinct effects of specific factors on eye movement and ex-Gaussian parameters. Ex-Gaussian parameter τ, the percentage of regression and the number of forward fixations were affected by cognitive (higher-level) processes while ex-Gaussian μ, fixation duration and the number of fixations were mainly affected by optical (lower-level) factors. In the future, studies of specifically manipulated changes in certain factors have to be performed. More refined computational methods and machine learning approaches could provide more thorough analysis of eye movement parameters during reading.

Η εξέταση της οπτικής οξύτητας αποτελεί το τεστ πρώτης γραμμής που προτιμάται από τους κλινικούς γιατρούς για την αξιολόγηση της ακεραιότητας του οπτικού συστήματος. Παρ΄ όλα αυτά, η εξέταση της κοντινής οξύτητας, αν και χρήσιμη, μπορεί να παρέχει μόνο μερική ένδειξη της λειτουργικής όρασης και της αποτελεσματικότητας μιας χειρουργικής ή οπτικής διόρθωσης. Αφού πολλές δραστηριότητες της καθημερινής ζωής στηρίζονται στην ανάγνωση, δε μας εκπλήσσει το ότι η δυσκολία στην ανάγνωση είναι το πιο σύνηθες παράπονο ατόμων με χαμηλή όραση και ότι αποτελεί τον βασικό λόγο που ασθενείς παραπέμπονται σε κλινική χαμηλής όρασης και ισχυρό προγνωστικό παράγοντα για την ποιότητα ζωής σχετικά με την όραση.Η ανάγνωση παρ΄ όλα αυτά, είναι μια περίπλοκη διαδικασία. Απαιτεί καλή αμφιβληστροειδική εικόνα και ακέραιο αμφιβληστροειδή για να στείλει την εικόνα στον εγκέφαλο, όπου αναλύεται για την κατανόηση του μηνύματος. Εξού και είναι δύσκολη η αξιολόγηση της λειτουργικής όρασης με βάση την αναγνωστική συμπεριφορά. Η εξέλιξη των eye trackers, νέες τυποποιημένες κάρτες ανάγνωσης και νέες υπολογιστικές και στατιστικές μέθοδοι έχουν δώσει πολύτιμα εργαλεία για την περαιτέρω ανάλυση της αναγνωστικής συμπεριφοράς με τη χρήση παραμέτρων οφθαλμικών κινήσεων. Σκοπός αυτή της εργασίας είναι η χρήση της ανάλυσης οφθαλμικών κινήσεων κατά την ανάγνωση κειμένου για την αξιολόγηση της λειτουργικής όρασης κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Χωρίζεται σε τέσσερις μελέτες: έλεγχος επαναληψιμότητας της μεθόδου, μελέτη της επίδρασης της ηλικιακής εκφύλισης της ωχράς κηλίδας AMD και της αποτελεσματικότητας της anti-VEGF θεραπείας στις οφθαλμικές κινήσεις κατά την ανάγνωση και μελέτη της επίδρασης της πρεσβυωπίας και τεχνικών διόρθωσής της με φακούς επαφής, καθώς και μελέτη της επίδρασης της κατανόησης του κειμένου στις οφθαλμικές κινήσεις.΄Ενας δεύτερος σκοπός είναι να βρεθούν συγκεκριμένες παράμετροι οφθαλμικών κινήσεων που επηρεάζονται σαφώς από την επίδραση κάθε παράγοντα. Σε αυτό το πλαίσιο, η ανάλυση ex-Gaussian χρησιμοποιείται προκειμένου να αξιολογηθεί η κατανομή της διάρκειας των σημείων προσήλωσης. Στη σχετική βιβλιογραφία, η ανάλυση ex-Gaussian στην κατανομή της διάρκειας των σημείων προσήλωσης έχει χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της επίδρασης πολλών παραγόντων στις οφθαλμικές κινήσεις. Είναι υπό συζήτηση αν η κάθε παράμετρος της κατανομής ex-Gaussian υποδηλώνει διαφορετική γνωσιακή διεργασία. Η μελέτη μας, έχει ως σκοπό να συμβάλει σε αυτή τη συζήτηση ελέγχοντας αυτές τις παραμέτρους κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Στη μελέτη για την επίδραση της ηλικιακής εκφύλισης της ωχράς κηλίδας AMD τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ασθενείς με AMD είχαν σημαντικά χειρότερη οπτική οξύτητα και μεγαλύτερο πάχος αμφιβληστροειδή CRT από την ομάδα των υγιών συμμετεχόντων, καθώς επίσης και σημαντικά διαφορετικές τιμές στην ταχύτητα ανάγνωσης και σε όλες τις παραμέτρους των οφθαλμικών κινήσεων. Μετά από τρεις μήνες θεραπείας anti-VEGF, οι ασθενείς παρουσίασαν βελτίωση στην ταχύτητα ανάγνωσης και στον αριθμό των σημείων προσήλωσης. Αντίθετα, η οπτική οξύτητα παρέμεινε σχετικά σταθερή, στηρίζοντας την άποψη ότι η οπτική οξύτητα δεν είναι αρκετή για να αξιολογηθεί η λειτουργική όραση σε ασθενείς με χαμηλή όραση.Η διόρθωση της πρεσβυωπίας με φακούς επαφής διαφορετικών σχεδιασμών (πολυεστιακοί και φακοί που παρέχουν μονοόραση), είχε σημαντικά αποτελέσματα στην οπτική οξύτητα, στην ταχύτητα ανάγνωσης και σε παραμέτρους των οφθαλμικών κινήσεων, όπως στον αριθμό των σημείων προσήλωσης και τη διάρκεια της προσήλωσης, καθώς επίσης και στην παράμετρο μ της ex-Gaussian. Παρ΄ όλο που η οπτική οξύτητα ήταν σημαντικά καλύτερη με την μονοόραση απ΄ ότι με τους πολυεστιακούς φακούς επαφής, καμία άλλη διαφορά δε βρέθηκε μεταξύ των δύο τρόπων διόρθωσης. Ηανάγνωση σε χαμηλή φωτεινότητα είχε σημαντική επίδραση σχεδόν σε όλες τις παραμέτρους των οφθαλμικών κινήσεων και στην παράμετρο μ της ex-Gaussian. Η επίδραση αυτή ήταν μεγαλύτερη στους πολυεστιακούς φακούς επαφής.Στη μελέτη της επίδρασης της κατανόησης του κειμένου στις οφθαλμικές κινήσεις κατά την ανάγνωση, δώσαμε στους συμμετέχοντες δύο διαφορετικά σετ οδηγιών. Στο πρώτο σετ, καλούνταν να διαβάσουν το κείμενο σε έναν άνετο, γι΄ αυτούς ρυθμό ενώ στο δεύτερο σετ, καλούνταν να διαβάσουν το κείμενο έτσι ώστε να το καταλάβουν και να είναι σε θέση να απαντήσουν μετά σε ερωτήσεις κατανόησης του κειμένου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δεύτερη συνθήκη σχετίζεται με χαμηλότερη ταχύτητα ανάγνωσης, μεγαλύτερο αριθμό σημείων προσήλωσης, μεγαλύτερο ποσσοστό κινήσεων προς τα πίσω (regressions) και υψηλότερη τιμή στην παράμετρο τ της ex-Gaussian. Η αύξηση του αριθμού των σημείων προσήλωσης μπορεί να προβλέψει σε σημαντικό βαθμό τη μείωση στην ταχύτητα ανάγνωσης.Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφή επίδραση συγκεκριμένων παραγόντων στις παραμέτρους οφθαλμικών κινήσεων και στις παραμέτρους της ανάλυσης ex-Gaussian. Η παράμετρος τ της ex-Gaussian, το ποσοστό των κινήσεων προς τα πίσω (regressions) και ο αριθμός των σημείων προσήλωσης μετά από σακκαδική κίνηση προς τα μπροστά, εξαρτώνται κυρίως από γνωσιακές διεργασίες, όπως η κατανόηση του κειμένου, ενώ η παράμετρος μ της ex-Gaussian, η διάρκεια και ο αριθμός των σημείων προσήλωσης επηρεάζονται κυρίως από οπτικούς παράγοντες, όπως η φωτεινότητα και η θόλωση. Ενδιαφέρον έχει το γεγονός ότι οι ασθενείς με AMD είχαν σημαντικά διαφορετικές τιμές από την ομάδα των υγιών, σε όλες τις παραμέτρους που μελετήθηκαν. Θα περιμέναμε η ηλικιακή εκφύλιση τηε ωχράς κηλίδας να επηρεάζει την όραση κυρίως μέσω οπτικών παρεμβολών στο επίπεδο του αμφιβληστροειδή επίπεδο. Φαίνεται όμως, ότι επηρεάζει την όραση σε τέτοιο επίπεδο, ώστε να μειώνεται η ικανότητα αναγνώρισης λέξεων και νοήματος, με αποτέλεσμα να υπάρχουν επιπτώσεις και σε γνωσιακό επίπεδο. Στο μέλλον, θα πρέπει να πραγματοποιηθούν μελέτες με αλλαγές συγκεκριμένων παραγόντων, με κατά το δυνατόν, διαχωρισμό γνωσιακών και οπτικών παραγόντων, προκειμένου να εξαχθούν πιο ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με τη συσχέτιση συγκεκριμένων παραγόντων με τη λειτουργία της όρασης κατά την ανάγνωση. Περισσότερο εκλεπτυσμένες υπολογιστικές μέθοδοι και προσεγγίσεις μηχανικής μάθησης μπορούν να δώσουν πιο λεπτομερή ανάλυση των παραμέτρων των οφθαλμικών κινήσεων κατά την ανάγνωση.