ÖZET
Amaç:
Bu makale tasarımı ve üretimi yapılmış çalışan bir pupilametre sistemini tanıtmak ve geçerlilik test sonuçları ile birlikte bu sistemin yararlılığını sunmaktadır.
Gereç ve Yöntem:
Bir web kamerası, infrared filtrenin çıkarılması ile modifiye edilip çene dayama ünitesi üzerine monte edildi. İnfrared ve görünebilir ışık yayan diyot (LED) lambaların kullanılması ile ayrı ayrı zemin ve ışık uyarımı sağlandı. LED lambalar bir işlemci ünite ile kontrol edildi. Uyarı için değişken frekans ve görev döngüsü ile periyodik değerler dizisi kullanıldı. Video 30 kare/saniye hızında kaydedildi ve daha sonra, kendimizin geliştirdiği bir yazılım aracılığı ile işlendi. Sistemin geçerlilik testleri sağlıklı görme işlevi olan bireylerden farklı uyarım dizileri altında elde edilen veriler ile yapıldı. Pupil çapı zamansal değişimleri tanımlandı ve istatistiksel analizleri yapıldı.
Bulgular:
Analizler, infrared ve beyaz ışığın pupil dışında kalan yansımaları ile elde edilen video görüntülerindeki pupil alanının doğru bir şekilde ölçülebildiğini gösterdi. Sistem orta-mükemmel derecede tekrar edilebilir sonuçlara (kısa 1 saniye ve uzun 2 saniye süreli uyarımlar için %87,8 ve 86,8) ulaştı ki, bu da sistemin iyi olan kabiliyetini ve böylece bir pupilametre olarak güvenilir kullanımını doğruladı.
Sonuç:
Önerilen pupilametre sistemi tasarlanmış ışık yanıtının karakterize edilmesinde yararlı, niceliksel bilgi üretmektedir. Bununla birlikte otonom sinir sistemi, bilişsel işlevler, ilaç metabolizması, ağrı yanıtı, psikoloji, yorgunluk ve uyku bozukluklarını içeren diğer çalışmalar için potansiyel olarak düşük maliyetli bir alternatif haline getirilmesi için daha fazla geliştirme ve uygulama gerekmektedir.
Giriş
Pupilla, net görmeyi sağlamak için göze giren ışık miktarını düzenleyen önemli bir fonksiyonel yapıdır. Sfinkter pupilla ve dilatatör pupilla kasları, parasempatik ve sempatik sinir sistemlerinin kontrolü altında birlikte çalışırlar. Kaslar mezensefalon ve servikal omurilikte yer alan sırasıyla okülomotor sinir, sempatik sinir sistemi yolakları ve lifleri tarafından kontrol edilir. Bu yapıların fonksiyonel durumu (optik sinir, mezensefalon, omurilik, okülomotor sinir, servikal sempatik lifler ve pupiller kaslar) pupil ışık refleksi (PIR) ile değerlendirilir.1 Her ne kadar PIR genellikle fizik muayene ile değerlendirilse de, pupilametre adı verilen bir cihazın kullanılması sadece fizik muayene elde edilenden daha fazla tanısal duyarlılık sağlayabilir.2 Ticari pupilametreler, özellikle gelişmekte olan ülkelerde, hem maliyetli hem de klinik uygulamada erişilebilir değildir. Ayrıca, farklı değerler dizi ile ışık uyarısı verilmesi gereken araştırmalar için yeterli esneklik ve çok yönlülükten yoksundurlar. Bu yazıda bu konu ele alınmaktadır. PIR’nin değerlendirilmesi için kullanılabilecek geçerli bir pupilametre sistemi geliştirdik. Bu sistem pupillanın ışık uyaranına yanıtının gerçek zamanlı video kaydının yapılmasını sağlayan bir video analiz yazılımından oluşmaktadır. Sistem bir bütün olarak valide edildi ve kısa ve uzun pals süreli periyodik beyaz ışık uyarılarına maruz bırakılan sağlıklı kişilerden elde edilen veriler kullanılarak değerlendirildi.
Gereç ve Yöntem
Video Acquisition and Recording Hardware
Video acquisition and recording functions in the pupillometer system were achieved in a cost-effective manner using a common web camera (INCA_IC-3562 model) attached to a standard laptop PC via a USB cable and a software package (AMCAP Version 8.11). The camera was modified by removing the infrared filter in front of its lens. This expanded the operation of the camera into a near-infrared spectrum and allowed visualization of the pupil in both dark and light conditions. The frame rate of the camera was set at 30 frame/second, but the actual rate was determined to be 25 frame/second for the real video recordings in mpeg4 format. During the examination, the subject sat on a chair in an upright position, placed his/her chin on a metal structure to which the camera was mounted, and was asked to focus on the camera (Figure 1). Eye-to-camera position was carefully leveled to remain horizontal, and the distance between was maintained at 24 cm.
Video Yakalama ve Kayıt Donanımı
Pupilametre sistemindeki video yakalama ve kayıt fonksiyonları için standart bir dizüstü bilgisayara USB kablo ve kendi yazılım paketi (AMCAP Version 8.11) ile bağlanan sıradan bir web kamerası (INCA_IC-3562 modeli) kullanıldı ve maliyetin düşük olması sağlandı. Lensin önündeki kızılötesi filtre çıkartılarak kamera modifiye edildi. Bu sayede kameranın yakın kızılötesi spektrumda da işlev görmesi sağlandı ve hem karanlık hem aydınlık koşullarda pupillanın kaydedilmesi mümkün oldu. Kameranın kare oranı 30 kare/saniye olarak ayarlandı, ancak mpeg4 formatında yapılan kayıtların gerçek hızın 25 kare/saniye olduğu görüldü. Muayene sırasında hastadan dik olarak sandalyeye oturması, çenesini kameranın monte edildiği metal çene dayama ünitesine yerleştirmesi ve kameraya odaklanması istendi (Şekil 1). Göz-kamera pozisyonunun yatay olmasına dikkat edildi ve mesafe 24 cm’de tutuldu.
Infrared and White Light Setup
The stimulation arrangement consisted of infrared and white light emitting diodes, placed separately on a specially designed circuit board. Four diodes were placed side-by-side as a bank. White lights were positioned below the infrared diodes. The printed circuit board spanned both eyes and was placed near the cheek, below the eyes. It was oriented at an angle of approximately 130-140° to the horizontal, sloping away from the subject. This orientation prevented white light reflections as they remained below the pupil during the recordings. Otherwise, the reflections within the pupil interfered with the process of pupil size estimation during the off-line video analysis. This approach improved the accuracy of the estimates calculated using semi-automatic software developed in-house as discussed below.
Both the white light and infrared diodes were connected electrically to a microcontroller board (Arduino UNO). It was programmed (Arduino 1.6.0) to carry out the specific stimulation paradigms by periodically turning the white light diodes on and off for a predefined duration while leaving the infrared diodes on for the entire recording time. The peak wavelength of the infrared diode was 940 nm. Turning this diode on alone did not induce any pupillary reaction nor interfere with the eye response induced by the white light.
In a PLR examination, both eyes were stimulated simultaneously with light-dark periods and the responses of both pupils were recorded throughout the session. The resulting video was appropriately named and stored digitally for post-processing.
Kızılötesi ve Beyaz Işık Düzeneği
Stimülasyon düzeneği, özel olarak tasarlanmış bir devre kartı üzerinde ayrı ayrı yerleştirilmiş olan kızılötesi ve beyaz LED’lerden yapıldı. Dört diyot bir grup olarak yan yana yerleştirildi. Beyaz ışıklar kızılötesi diyotların altına yerleştirildi. Baskılı devre kartı her iki gözü kapsayacak şekilde tasarlandı ve gözlerin altında, yanaklar hizasına yerleştirildi. Yatayda yaklaşık 130-140 derecelik bir açı ile hastadan aşağıya doğru eğimli olarak yerleştirildi. Bu pozisyon, kayıtlar sırasında pupillanın altında kaldığı için beyaz ışık yansımalarını önledi. Aksi takdirde, pupilladaki yansımalar çevrimdışı video analizi sırasında pupilla büyüklüğü hesaplama sürecini etkiledi. Bu yaklaşım, aşağıda tartışıldığı gibi geliştirdiğimiz yarı otomatik yazılım kullanılarak hesaplanan değerlerin doğruluğunu artırdı.
Beyaz ışık ve kızılötesi diyotlar elektriksel olarak bir mikro kontrol devresine (Arduino UNO) bağlandı. Devre (Arduino 1.6.0), kızılötesi diyotlar tüm kayıt boyunca açık kalırken, beyaz ışık diyotlarını belirlenen süre boyunca periyodik olarak açıp kapatarak spesifik stimülasyon değerler dizisini gerçekleştirecek şekilde programlandı. Kızılötesi diyotun tepe dalga boyu 940 nm idi. Bu diyodun tek başına açılması, bir pupil reaksiyona neden olmadı ve beyaz ışığın neden olduğu göz yanıtını değiştirmedi.
Bir PIR incelemesinde, her iki göz birlikte aydınlık-karanlık dönemlerle eşzamanlı olarak uyarıldı ve her iki pupilin yanıtları seans boyunca kaydedildi. Kaydedilen video, ileri işleme için uygun şekilde adlandırıldı ve dijital olarak saklandı.
Video Processing Software
The video files were analyzed using software developed in the Matlab environment (Matlab Version R2015A, The MathWorks Inc., Natick, MA). The Matlab code is given in Figure 2. The program runs in semiautomatic mode. The code opens the video file, starts with a predefined video frame, and lets the user manually mark the centers of the pupils in both eyes. The pupils in the first and the following frames were identified automatically. Also, the pupils were segmented out and their sizes were calculated pixel-wise, both automatically, in each video frame and recorded sequentially in a text file along with the frame number. Estimating pupil size was not possible in some frames due to eye blinking or closing. These data points were filled with zero automatically.
Video İşleme Yazılımı
Video dosyaları Matlab ortamında geliştirilen yazılım kullanılarak analiz edildi (Matlab Sürümü R2015A, MathWorks Inc., Natick, MA). Matlab kodu Şekil 2’de verilmiştir. Program yarı otomatik şekilde çalışır. Kod video dosyasını açar, önceden tanımlanmış bir video karesi ile başlar ve kullanıcının her iki gözdeki pupil merkezlerini manuel olarak işaretlemesine izin verir. İlk ve takip eden karelerdeki pupiller otomatik olarak tanımlandı. Ayrıca, pupiller otomatik olarak segmentler ayrıldı ve her video karesinde boyutları piksel olarak hesaplandı ve kare numarasıyla birlikte bir metin dosyasına sırayla kaydedildi. Göz kırpma veya kapama nedeniyle bazı karelerde pupil boyutunun hesaplanması mümkün olmadı. Bu veri noktaları otomatik olarak sıfır ile dolduruldu.
Validation Measurements of Repeatability
The light stimulation paradigms used for validation purposes involved periodic short 1 second light/1 second dark or long 2 second light/2 second dark pulses. Each recording started with a baseline acquisition of 5 second followed by at least 12 periods of light/dark stimulus cycles. Under each paradigm, the intensity produced by white light was measured using a power meter (Lutron-Model LX-1108) which was placed at the same level as the left eye. During the examination, videos were acquired with both 1 second and 2 second stimulation paradigms. To test repeatability, the same paradigm was repeated in each session with a 2 minute rest interval in between. The videos were processed off-line using the code in Figure 2. The pupil size estimates for both eyes in the frames under each stimulation paradigm were sequentially stored in text files.
Tekrarlanabilirliğin Validasyonu için Ölçümler
Validasyon amaçlı kullanılan ışık stimülasyon değer dizileri, periyodik kısa 1 saniye ışık/1 saniye karanlık veya uzun 2 saniye ışık/2 saniye karanlık palslardan oluşuyordu. Her kayda 5 saniye süre ile baz hattı kaydı ile başlandı ve en az 12 ışık/karanlık döngüsü ile devam edildi. Her değer dizisinde, beyaz ışık yoğunluğu, sol göz ile aynı seviyeye yerleştirilen bir güç ölçer (Lutron-Model LX-1108) kullanılarak ölçüldü. Muayene sırasında, hem 1 saniye hem de 2 saniye stimülasyon değer dizileri kullanılarak videolar kaydedildi. Tekrarlanabilirliği test etmek için, her seansta aynı değerler dizisi, aralarında 2 dakikalık bir dinlenme aralığı konarak tekrar edildi. Videolar, Şekil 2’deki kod kullanılarak çevrimdışı olarak değerlendirildi. Her stimülasyon değer dizisinde video karelerinden hesaplanan her iki pupilin boyutları, metin dosyalarına sırayla kaydedildi.
Ethical Issues, Inclusion and Exclusion Criteria
The study was approved by the Medical Ethics Committee of Adnan Menderes University (2015/577). Signed consent forms were obtained from the volunteers. Inclusion criteria were: having no history of any previous disorders which caused transient visual loss, being free from any medication, and having no sleep complaints. After being informed about the procedures, volunteers underwent a full ophthalmological evaluation either between 10:00 and 12:00 am or between 1:00 and 4:00 pm.3 Those with a best corrected visual acuity of 20/20 in both eyes were subjected to further examination for PLR. All volunteers completed the evaluation process.
Etik Konular, Çalışmaya Dahil Etme ve Dışlama Ölçütleri
Bu çalışma için Adnan Menderes Üniversitesi Tıp Fakültesi Etik Kurulu’ndan onay alındı (2015/577). Gönüllüler imzalı onam verdiler. Çalışmaya dahil etme kriterleri: Geçici görme kaybına neden olan herhangi bir hastalık öyküsü olmamak, herhangi bir ilaç kullanıyor olmamak ve uyku şikayeti olmamak. İşlemler hakkında bilgilendirildikten sonra gönüllülere 10:00 ile 12:00 arasında ya da 13:00 ile 16:00 arasında tam bir oftalmolojik değerlendirme yapıldı.3 Her iki gözde düzeltilmiş en yüksek görme keskinliği 20/20 düzeyinde olanlar PIR için daha ileri değerlendirmeye alındı. Tüm gönüllüler değerlendirme sürecini tamamladı.
Temporal Analysis of Pupil Size Changes with Light Stimulus
The text files were analyzed in Excel (MS Office) and the temporal data were plotted as a function of frame number. Data series with zero values or those identified with eye movement or with abnormally high or low values were excluded from the analysis. Once satisfied with the behavior of the displayed graphs, we went back and normalized the pupil size measurements frame-by-frame by the baseline recording (averaged over 5 s of time duration). That is, all pupil size estimates including the baselines were scaled according to the following formula:4
The resulting NPA readings were equivalent to the percentage reduction in pupil size. Normalization also reduced the effect of aging on the temporal dynamics of pupil size, according to a previous report.5
Next, the time signals were consecutively extracted period by period (i.e. over the total duration of 12 consecutive light and darkness) and the segments were further averaged temporally to obtain a single trace of pupil response profile for each eye. This approach eliminated the variation in pupil response with the stimulus cycle. The resulting signal profile was described by a set of parameters which were then measured from the data gathered from all research participants and further analyzed statistically.
Işık Uyaranı ile Pupil Büyüklüğü Değişikliklerinin Zamansal Analizi
Metin dosyaları Excel programı (MS Office) ile analiz edildi ve zamansal veriler kare numarasının bir fonksiyonu olarak çizildi. Sıfır olan veya göz hareketi ile ilişkili değerler veya anormal derecede yüksek veya düşük değerler içeren veri serileri analizden çıkartıldı. Görüntülenen grafiklerden memnun olduktan sonra, geri dönerek pupil boyutu ölçümlerini her karede baz hattına (5 saniyelik sürenin ortalaması) göre normalize ettik. Yani, baz hattı dahil tüm pupil boyutu hesapları aşağıdaki formül ile yapıldı:4
Elde edilen NPA sonuçları, pupil boyutundaki yüzde azalmaya eşdeğerdi. Normalizasyonun ayrıca yaşlanmanın pupilla boyutu üzerine zamansal dinamiklerin etkisini azalttığı daha önce bildirilmiştir.5
Daha sonra, zaman sinyalleri ardışık olarak her frekans için (örneğin; ardışık 12 ışık ve karanlık süresi boyunca) çıkarıldı ve segmentler, her göz için tek bir pupil yanıt profili trasesi elde etmek için, temporal olarak ortalamaları hesaplandı. Bu yaklaşım, uyaran döngüsüne bağlı pupil cevabındaki varyasyonun ortadan kalkmasını sağlamıştır. Elde edilen sinyal profili bir dizi parametre kullanılarak tanımlanmıştır ve bu parametreler daha sonra çalışmaya dahil edilen tüm katılımcılarından toplanan verilerden yapılacak ölçümlerde kullanılmış ve elde edilen sonuçlar daha sonra istatistiksel olarak analiz edilmiştir.
Statistical Analysis
The data included temporal variations of NPA. The periodic signals obtained from both right and left eyes under the stimulation protocols were investigated for compatibility, consistency, and repeatability by intra-class correlation coefficient test (single-measurement, absolute-agreement, 2-way mixed effects model).6
İstatistiksel Analiz
Verilerin içinde NPA’nın zamansal varyasyonları dahildi. Stimülasyon protokolleri altında sağ ve sol gözlerden elde edilen periyodik sinyaller uyumluluk, tutarlılık ve tekrarlanabilirlik açısından sınıf içi korelasyon katsayısı testi (tek ölçüm, mutlak-uzlaşma, 2 yönlü karma etkiler modeli) ile değerlendirildi.6
Bulgular
Çalışmaya, 16 kadın (yaş ortalaması 34; minimum 20 ve maksimum 61 yaş) ve 21 erkek (yaş ortalaması 36; minimum 20 ve maksimum 60 yaş) olmak üzere 35 gönüllü dahil edildi. Stimülasyon değer dizileri ile yapılan denemelerde elde edilen ışık yoğunlukları Tablo 1’de listelenmiştir. Yoğunluk değerleri, 12 periyot karanlık ve aydınlık sürenin ortalamasıdır. Değer dizileri ile elde edilen aydınlık düzeyleri, güçlü pupil yanıtı indüklemek için yeterince yüksekti. Yukarıda açıklanan yöntem ile bir seansta elde edilen NPA’ların temsili grafiği Şekil 3’te yer almaktadır. Her iki gözde de, NPA’larda tam olarak aynı değişimler meydana geldi. Bu sistemin, ışık uyaranına yanıt olarak pupil boyutunda meydana gelen değişiklikleri hızlı şekilde izleyebildiğini göstermektedir.
Her iki değer dizisi ile birinci ve ikinci denemede elde edilen sınıf içi korelasyon katsayısı hesabı sonuçları Tablo 2’de özetlenmiştir. Olguların çoğunda orta ile mükemmel düzeyde tekrarlanabilirlik skorları elde edildi (1 saniye stimülasyon değer dizisi için %87,8 ve 2 saniye için %86,8). Bu bulgular tekrarlar ile elde edilen sinyal çiftleri arasındaki eşleşmenin kalitesini doğrulamaktadır.6,7
Şekil 4, Şekil 3’teki pupil yanıtının temsili ortalama trasesini (12 döngünün ortalaması) göstermektedir. Her bir göz için karşılık gelen grafikler birbirine çok benzerdir.
Tartışma
Ticari olarak mevcut olmasına rağmen, özel gereksinimler nedeniyle halen özel tasarlanmış pupilametreler geliştirilmektedir.7 Başlangıç pupil boyutu ve pupilla kasılması ve dilatasyonunun süresi/hızı/latansı gibi parametreler, gözün fonksiyonel durumunu yansıttıkları için klinik açıdan ilgi çekmektedir. Klasik olarak, ışık uyaranı ile V-şeklinde yanıt görülür. Işık açıldığında, pupil önce kasılır ve sonra ışık kapandıktan sonra dilate olur (Şekil 3, 4). Bir saniye ve 2 saniye stimülasyon değer dizisi ile PIR traselerinin temporal görünümleri, ticari pupilametreler ile elde edilenlere benzerdi.7 Bununla birlikte, ticari cihazlar tipik olarak sabit frekans ve görev döngüsü kullanarak tek bir uyarandan veri üretirken, sistemimiz farklı periyotlar ve çalışma döngüsünden oluşan periyodik uyaranları işleyebilmektedir. Bu sistem aynı zamanda esneklik sağlamaktadır. Öyle ki beyaz diyotlar istenen farklı renkte diyotlar ile değiştirilerek renge bağımlı PIR çalışmalarını yapılabilir. Dahası, stimülasyonun sürekli olması habitüasyona neden olmamaktadır.
Göz hareketleri (sakkatlar), özellikle bilgisayar ekranı stimülasyon amacıyla kullanıldığında, video tabanlı pupil boyutu tahminlerini etkilemektedir.8 Düzeneğimizde, hastadan muayene sırasında kameranın obtüratörüne odaklanması istendi. Yazılım, her bir karede pupilla segmentinin merkezini takip ederek gözün sabit olup olmadığını takip etti. On pikselden uzun olan konumsal kaymalar, gözün hareket ettiğinin göstergesi olarak kabul edildi. Bu sayede, pupil yakalama alanında ölçüm keskinliğinin artması sağladı. Bununla birlikte, çok az sayıda olguda, göz kapağı pozisyonunun düşük olması, sık göz kırpma, ışık-karanlık döngüsünden kaynaklanan gölgenin neden olduğu enterferans nedeniyle yeterli pupil alanı verisi elde edilememesi veri toplanması ve analizi yeterli düzeyde yapılamadı. Bu nedenle Tablo 2’de frekans sütununda toplam sayı 74’e (2 gözü olan 37 katılımcı) eşit değildir, bu eksik veri noktalarını sıfır ile doldurduktan sonra bile pupil boyutunun hesaplanmasının mümkün olmadığı anlamına gelmektedir. Bununla birlikte, bu tür sorunlar olmadığında, bu çalışmada özel tasarlanan pupilametre ve video analiz yazılım platformunun tekrarlanabilirliği orta-mükemmel seviyedeydi (dahil edilen olguların %85’inden fazlası) ve performansı test-tekrar test güvenilirliği önceki pupilametre skorları ile benzer bulundu.2,7 Lei ve ark.7 yarı alan, santral-alan ve tam-alan kromatik pupilametrinin test-tekrar test güvenilirliğini değerlendirmiştir. Aydınlatma sonrası pupil cevabı için, mavi ışıkla tam alan uyarıldığında sınıf içi korelasyon katsayılarının 0,84 (0,69-0,95) ve 0,94 (0,83-0,98) olduğunu bildirmişlerdir. Gözlemciler arası değişkenliğin değerlendirilmediği çalışmamızın aksine, Couret ve ark.2, gözlemciler arası değişkenliği araştırmış ve dinlenimde ve ışık stimülasyonundan sonra pupil boyutu için sınıf içi korelasyon katsayılarının 0,95 ve 0,87 olarak bulunduğunu bildirmişlerdir. Elde ettiğimiz sınıf içi korelasyon katsayısı değerleri bu değerlere benzerdi ve bu nedenle pupilametre sisteminin PIR değerlendirmesi için güvenilir olduğunu düşünüyoruz.6
Otonom sinir sistemi, kognitif fonksiyon, ilaç metabolizması, ağrı yanıtı, psikoloji, yorgunluk ve uyku bozuklukları gibi alanlarda yapılan çalışmalarda, normal ve hastalık durumlarında PIR’nin değerlendirilmesinin olası değeri araştırılmıştır.9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 Bu alanlarda tanı araçlarına ilgi artmaktadır ve geliştirdiğimiz pupilametre kolay uygulanabilir, invaziv olmayan bir tanı aracı olarak faydalı olabilir.
Sonuç
Çalışmamız, geliştirdiğimiz pupilametre ve video analiz yazılım platformu ile PIR’nin güvenilir bir şekilde değerlendirebildiğini göstermektedir. Ancak, düzeneği düşük maliyetli bir alternatif haline getirmek için daha fazla geliştirme ve uygulamaya ihtiyaç vardır.
