Argus II 사용자의 지각 경험

색소성 망막염 및 황반 변성과 같은 망막 이영양증은 전 세계적으로 1,000만 명이 넘는 사람들에게 심각한 시각 장애를 초래합니다. 한 가지 치료 기술인 시각 신경 보철물은 달팽이관 이식과 유사하게 망막 또는 초기 시각 피질에서 살아남은 세포를 전기적으로 자극하여 시력을 회복하는 것을 목표로 합니다. 2개의 장치가 상업적 용도로 승인되었으며 다른 장치는 몇 년 내에 임상 시험을 시작할 예정입니다. 그러나 현재 장치는 임플란트 전자 장치와 기본 신경 생리학 간의 상호 작용으로 인해 상당한 지각 왜곡을 겪고 있습니다. 여기에서 조사관은 인간 정신 물리학, 계산 모델링, 가상 현실(VR) 및 기계 학습(ML)을 결합하여 지각 왜곡을 줄이고 신경 보철의 효과를 향상시키는 시각 보철 환자를 위한 새로운 자극 프로토콜을 개발하고 검증할 것입니다.

목표 1: 정신 물리학적으로 검증된 포스펜 모델을 사용하여 자극 프로토콜을 최적화합니다.

보철 장치 제조업체에서 현재 사용하는 단순한 시뮬레이션 프로토콜은 임상 시험에서 보고된 지각 왜곡을 설명하지 않습니다. 대조적으로 정신물리학적 데이터를 기반으로 한 전산 모델은 Argus II(Second Sight) 사용자의 지각 왜곡을 더 잘 예측할 수 있습니다.

1. 조사관은 단일 전극, 쌍 전극 및 다중 전극의 임의 조합을 자극하여 계산 모델을 정신물리학적으로 검증합니다. 이 모델은 Argus II 환자에서 테스트될 것이며, 그 성능은 모델에 의해 생성된 지각을 보는 '가상 환자' 시력 피험자의 성능과 비교될 것입니다.
2. 모델에 의해 생성된 훈련 세트를 사용하여 조사관은 지향 격자 및 이동 막대에 대한 지각 왜곡을 최소화하는 자극 프로토콜을 식별하는 데 사용할 수 있는 모델의 대략적인 역 변환을 학습하기 위해 심층 신경망을 훈련합니다. 그런 다음 조사관은 이것이 오리엔테이션 차별 및 동작 방향 식별 작업에서 Argus II 및 가상 환자의 성능을 향상시키는지 여부를 테스트합니다.

목표 2: 자극 프로토콜을 더욱 최적화할 수 있는 전기 생리학적 데이터를 통합하여 개선된 모델을 개발합니다.

목표 1에서 개발된 모델은 정신물리학적 데이터를 기반으로 합니다. 그러나 위에서 설명한 왜곡은 시험관 내에서도 관찰되었습니다. 이 목표에서 연구자들은 시공간 신경 역학이 보철 효과에 미치는 영향을 연구하기 위해 개선된 모델을 개발할 것입니다. 이렇게 하면 최적화된 프로토콜을 검색할 수 있는 검색 공간이 확장됩니다. 조사관은 다음을 수행합니다.

1. 문헌의 주요 생리적 관찰을 단계별 방식으로 위에서 설명한 모델에 통합합니다. 각 단계 후에 이러한 변경이 정신물리학적 데이터를 예측하는 모델의 능력에 미치는 영향이 측정됩니다.
2. 심층 신경망을 사용하여 이 더 복잡하고 개선된 모델의 대략적인 역변환을 학습하고 이것이 방향 식별 및 동작 방향 식별 작업에서 Argus II 및 가상 환자의 성능을 향상시키는지 테스트합니다.

목표 3: VR에서 '가상 환자'에게 컴퓨터 비전을 적용하여 새로운 자극 프로토콜을 개발합니다.

연구자들은 Aim 2에서 개발된 모델을 VR에 내장하여 시각적으로 일반적인 개인을 사용하여 새로운 자극 프로토콜을 빠르고 효율적으로 테스트하기 위해 'VR 가상 환자'를 생성할 것입니다. 우수한 VR 성능을 제공하는 프로토콜은 실제 의지 환자에서 검증될 것입니다. 조사관은 다음을 수행합니다.

1. VR 가상 환자를 사용하여 2점 식별 작업에서 Argus II 사용자의 체계적 오류를 예측합니다.
2. VR의 응시 조건 디스플레이를 사용하여 안구 운동이 행동 수행에 미치는 영향을 평가합니다.
3. VR에서 개체 인식 작업에 대한 행동 메트릭을 측정하여 시력을 개선하기 위해 에지 향상, 대상 변경, 디클러터링과 같은 컴퓨터 비전 전처리 방법의 잠재력을 평가합니다. 가장 유망한 기술은 Argus II 환자에서 테스트됩니다.

이러한 실험은 망막 보철물 환자의 지각 경험을 정량화하고 행동 데이터 수집을 위한 표준 절차를 따르도록 설계되었습니다. 환자의 성능은 보철물 환자의 예상 지각 경험과 일치하도록 조작된 자극을 보는 정상 시력 제어 대상의 성능과 비교됩니다.

조사관은 전극을 직접 자극(FDA 승인 펄스 트레인 사용)하거나 컴퓨터 또는 프로젝터 스크린을 보도록 요청하고 표준 FDA 승인 자극 프로토콜(장치에 표준으로 사용됨)을 사용하여 환자의 시각적 인식을 생성합니다. 컴퓨터 또는 프로젝터 화면 이미지를 전극의 펄스 열로 변환합니다. 모든 자극 프로토콜은 FDA 승인을 받습니다. 제어 대상은 컴퓨터 모니터 또는 가상 현실(VR) 시스템을 통해 자극을 봅니다. 어떤 경우에는 정상적인 시력을 가진 대상을 제어하기 위해 제시된 자극이 왜곡되어 보철물을 가진 대상의 지각 경험과 일치합니다.

일반적인 자극 방법은 비디오 이미지를 FDA 승인 전자 펄스 트레인으로 변환하는 비디오 처리 장치(VPU)를 통해 안경에 장착된 카메라의 체인입니다.

때로는 피사체가 카메라를 사용하여 테스트됩니다. 더 자주 조사관은 외부 컴퓨터를 사용하여 펄스 트레인을 직접 지정함으로써 '직접 자극'을 수행합니다(예: 전극 12에 대한 전류 진폭이 100μAmps이고 펄스 폭이 45마이크로초인 1s 10Hz 음극 펄스 트레인) . 이러한 직접 펄스 열은 VPU로 전송됩니다.

이 VPU에는 이러한 펄스 열이 FDA 승인 안전 한계 내에 있는지 확인하는 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 예를 들어, 이러한 펄스는 전하 균형(동일한 양극/음극 전하)이어야 하며 35 microCoulombs/cm2 미만의 전하 밀도를 가져야 합니다. 때로는 피사체가 카메라를 사용하여 테스트됩니다. 때때로 조사자는 펄스 열을 직접 지정하여 VPU에 펄스를 직접 보냅니다(예: Second Sight의 FDA 승인 소프트웨어 제품군(임상 피팅 시스템 포함)을 통해 전류 진폭 100마이크로암페어 및 펄스 폭 45마이크로암페어의 1s 10Hz 음극 펄스 트레인을 전극 12로 보냅니다. 소프트웨어에는 이러한 펄스 트레인이 FDA 한도 내에서 유지되도록 보장하는 두 단계가 있습니다. (1) 소프트웨어 제품군의 모든 앱은 확인을 수행하고 "정상적인 오류"를 발생시키는 FDA 승인 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 기반으로 합니다. 지정된 펄스 트레인이 허용 범위를 벗어나면 (2) VPU의 펌웨어는 FDA 승인 펄스만 전달하도록 프로그래밍됩니다.

펄스 열의 주파수와 펄스 열의 전류 진폭은 전자/신경 인터페이스가 매우 높은 속도의 자극과 높은 전류 수준에 견고하기 때문에 실제로 중요한 안전 문제는 아닙니다.

그러나 고주파 펄스 트레인 또는 고진폭 펄스 트레인은 대규모 신경 발화를 유도하기 때문에 환자에게 불편함(어두운 영화관에서 햇빛으로 이동하는 것과 유사)을 유발할 수 있습니다. 조사자는 일반적으로 장치를 사용할 때 환자가 사용하는 정상 범위에 있는 펄스열 주파수/진폭에 초점을 맞춥니다.

조사자가 보다 강렬한 신경 반응을 생성할 것으로 예상되는 매개변수를 사용하는 경우(따라서 불편함을 유발할 가능성이 있음) 그들은 항상 단계적 기능(예: 점진적으로 진폭을 증가) 감각이 '불편할 정도로 밝지' 않은지 확인하면서 환자가 감각이 불편함에 가까워진다고 보고하면 즉시 자극의 강도를 낮춥니다. PI는 이 접근 방식에 대한 경험이 있으며 이러한 프로토콜에 대해 모든 직원을 교육할 것입니다.

모니터의 자극/이미지에 대한 응답으로 피험자는 행동 판단을 하도록 요청받습니다. 예를 들면 자극 감지('그 시도에서 빛을 보았습니까?'), 터치 스크린에 그림을 그려 크기를 보고, 비슷한 모양의 촉각 개체를 선택하여 모양을 보고하거나 제시된 문자를 식별하는 것 등이 있습니다. 조사관은 행동 데이터를 수집하기 위해 표준 프로토콜을 사용합니다. 환자는 구두 보고를 사용하거나, 터치 스크린에 모양을 그리거나, 자극에 대한 보고 수단으로 컴퓨터에 부착된 키보드나 키패드를 사용할 것입니다. 환자 반응과 반응 시간이 모두 기록됩니다.

이러한 자극 중 어느 것도 감정적 반응을 이끌어내거나 어떤 식으로든 혐오하지 않습니다.

경우에 따라 조사관은 피험자의 눈 위치를 측정하는 데이터도 수집합니다. 이것은 피험자의 동공 위치를 추적하는 적외선 카메라를 통해 표준 안구 추적 장비를 사용하여 수행되는 비침습적 절차입니다. 눈 위치 또는 눈 깜박임과 같은 측정값만 기록되므로 이러한 데이터에는 식별 가능한 정보가 포함되지 않습니다.

환자는 컴퓨터 모니터 또는 비디오 프로젝터를 사용하여 이미지가 투사되는 후면 투사 스크린에서 약 100cm 떨어진 편안한 의자에 앉습니다. 환자의 턱은 머리 움직임을 방지하기 위해 턱 받침대에 놓입니다. 시련/반응 기간의 시작을 알리기 위해 청각 자극을 사용할 수 있습니다. 이러한 청각 신호는 편안한 음량 수준입니다.

환자는 필요한 만큼 자주 휴식을 취하도록 권장됩니다(검사실을 떠날 수 있음). 연구자들은 다음을 포함한 다양한 실험 기술을 사용할 것입니다. 주제는 두 가지 지각을 보여주고 그들이 같은지 다른지 묻습니다. (2) 조정 방법 - 예. 피험자는 지각이 거의 보이지 않을 때까지 디스플레이/자극 강도를 조정하도록 요청받습니다. (3) 2-대체 강제 선택 - 예. 환자에게 두 개의 자극이 제시되고 두 자극 중 어느 것이 더 밝은지 질문합니다. (4) 식별 - 환자에게 어떤 문자가 제시되었는지 식별하도록 요청합니다.

어떤 경우에는 정확성을 측정할 뿐만 아니라 조사관이 여러 세션(각각 다른 테스트 날짜에 수행되는 최대 5개의 세션)에 걸쳐 동일한 작업을 반복하여 실습을 통해 개선을 측정합니다.