高解像度、超高速、広視野の網膜アイトラッキングによる固定運動とサッカード運動の定量化の強化

High-resolution, ultrafast, wide-field retinal eye-tracking for enhanced quantification of fixational and saccadic motion.

• Maciej M Bartuzel
• Krystian Wróbel
• Szymon Tamborski
• Michał Meina
• Maciej Nowakowski
• Krzysztof Dalasiński
• Anna Szkulmowska
• Maciej Szkulmowski

抄録

我々は、角度分解能0.039 arcmin、最大速度300°/秒、8°スパンでの眼球変位を検出することができる、新しい非侵襲的網膜アイトラッキングシステムを紹介します。我々のシステムは、走査型レーザー検眼鏡に似た共焦点網膜イメージングモジュールをベースに設計されています。これは、2D MEMSスキャナを利用しており、最大1.24kHzの高い画像フレーム取得周波数を確保しています。最先端のアイトラッキング技術とは対照的に、我々は、完全な取得サイクルに対応するすべての時間の観測された空間的なエクスカーションの収集を介して眼球変位を測定するため、ベースライン基準フレームと絶対的な空間較正の両方の必要性を省略することができます。このアプローチを使用して、既存の画像ベースの網膜トラッカーでは不可能な、単一フレームの空間的範囲を超える大きさの眼球運動の正確な測定を実証します。我々は、我々の網膜トラッカー、トラッキングアルゴリズムを説明し、プログラムされた人工眼球運動を使用して、我々のシステムの性能を評価します。また、0.028°という小さな角度の微小弛緩を検出することで、被験者を対象とした本システムの臨床能力を実証する。我々のシステムが提供する豊富な運動学的眼球データは、その優れた精度と拡張されたダイナミックレンジによって、網膜イメージングと臨床神経科学の新しいエキサイティングな道を切り開くことができます。測定された網膜軌跡からは、サッカード機能不全、固定の不安定性、異常な滑らかな追従性などの眼球運動の微妙な特徴を容易に抽出して推測することができ、これらの眼症状に関連する神経変性疾患のバイオマーカーを特定するための有望なツールを提供します。

We introduce a novel, noninvasive retinal eye-tracking system capable of detecting eye displacements with an angular resolution of 0.039 arcmin and a maximum velocity of 300°/s across an 8° span. Our system is designed based on a confocal retinal imaging module similar to a scanning laser ophthalmoscope. It utilizes a 2D MEMS scanner ensuring high image frame acquisition frequencies up to 1.24 kHz. In contrast with leading eye-tracking technology, we measure the eye displacements via the collection of the observed spatial excursions for all the times corresponding a full acquisition cycle, thus obviating the need for both a baseline reference frame and absolute spatial calibration. Using this approach, we demonstrate the precise measurement of eye movements with magnitudes exceeding the spatial extent of a single frame, which is not possible using existing image-based retinal trackers. We describe our retinal tracker, tracking algorithms and assess the performance of our system by using programmed artificial eye movements. We also demonstrate the clinical capabilities of our system with subjects by detecting microsaccades with angular extents as small as 0.028°. The rich kinematic ocular data provided by our system with its exquisite degree of accuracy and extended dynamic range opens new and exciting avenues in retinal imaging and clinical neuroscience. Several subtle features of ocular motion such as saccadic dysfunction, fixation instability and abnormal smooth pursuit can be readily extracted and inferred from the measured retinal trajectories thus offering a promising tool for identifying biomarkers of neurodegenerative diseases associated with these ocular symptoms.

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