Generierung von Impulsmedien und deren Bewertung durch die computergestützte Sehschulung

Dresden, 16.04.2009 Matthias Dodt

Diplomverteidigung

Amblyopie Sehschwäche

Häufigste Ursache: Strabismus

Neuronale Synchronisation fehlerhaft

Training durch Stimulationsmuster

Quelle: [Roe94]

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 2 von 22

Aufgabenstellung

Theoretische Analyse relevanter Eigenschaften von Stimulationsmustern

Entwurf eines webbasierten Therapiesystems für Ärzte und Patienten Kombination der Stimulationsmuster mit Flashanwendungen Verwaltungssoftware für Therapien Durchführung von Sehtests am Client

Entwurf einer aufmerksamkeitsbindenden Beispielanwendung

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 3 von 22

Analyse von Stimulationsmustern

Merkmale der Amblyopie:

Störung der low–level Mechanismen Sehschärfe, temporale Instabilität,

Lokalisierungsfehler Unabhängig von:

Psychischen Faktoren Lichtadaption

Therapierung: Minimalokklusion Sinusoidalgitter Festlegung der Gitterparameter beruht auf Einschätzung des

Therapeuten

Patient BB Patient SB

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 4 von 22

Quelle: [Temp08]

Analyse von Impulsmustern

Welche dieser Aspekte sind relevant für die Amblyopie?

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt

Visuelle Wahrnehmung

Psychische Faktoren

Größe eines Stimulus

Kontrast eines Stimulus

Saliency Maps

Detail eines Stimulus

Semantik

Fokus

Bewegung des StimulusKelly

Farbe des Stimulus

Orientierung eines StimulusCampbell 1979

M. Reddy

Single channel models

Multi channel models

Schade’s 1956

Mannon and Sakrison

Lukas and Budrikis

Watson cortex transform

HOP Transform

Licht - AdaptionPhysiologische

Faktoren

Rezeptive Felder

Foley and Boynton

Maskierung

Legge

Folie 5 von 22

Modell der Sinneskanäle

Campbell, Blakemore 1985 [CBl85]

Reaktion auf niederfrequente Reizung

Fourier - Frequenzanalyse

D.H.Kelly [Kel79]

Reaktion auf bewegte niederfrequente Reizung

Gewichtungsfunktion für Frequenzen

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 6 von 22

Analyse von Impulsmustern Prototypische Umsetzung in Matlab

Darstellung des Fourierleistungsspektrums Anwendung verschiedener vorverarbeitender Schritte

(Rotation, Fensterfunktionen)

Problem der Periodizität Log - Powerspektrum Spektrum mit Barletfilter

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

Folie 7 von 22

Diplomverteidigung, Matthias Dodt

Analyse von Impulsmustern

Gewichtung der Fourierspektren mit Hilfe der Kellyfunktion Verschiedene Visualisierungshilfen (Kontrastspreizung, Logarithmierung,

etc.)

TU Dresden, 16.04.2009

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

Driftgeschwindigkeit 9 cpd

Folie 8 von 22

Ergebnisse der Analyse

1. Artefakte in den Spektren der Sinusoidalgitter

Verbesserung des Algorithmus

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt

sin(

t)

tBA

Maxima

Minima

Bildschirm

Polygon

Textur

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

High fq

High fq High fqLow fq

Low fq

Folie 9 von 22

Bisher verwendete Muster

Neuer Algorithmus

Diplomverteidigung, Matthias Dodt

Ergebnisse der Analyse

2. Idee Mehrfachstimulation

3. Sehtests zur Bewertung der Gitter

TU Dresden, 16.04.2009 Folie 10 von 22

Bewertung der Wirksamkeit von Impulsmustern

Sehtest: Welche Optotypen eignen sich?

Kontrastsensitivität Visus (Sehschärfe)

- Zusätzlich jeweils bei Bewegung der Optotype - Meridionale Amblyopie (Orientierungsabhängigkeit)

Problematik: Kalibrierung:

Bildschirm/Grafikkarte: Farbtreue, Blickwinkel, Auflösung / dotpitch, Leuchtkraft

Weitere Faktoren: Umgebungslicht, etc.

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 11 von 22

Bildschirmkalibrierung

Kalibrierung von Helligkeit (Schwarzpunkt) und Kontrast (Weißpunkt)

Kalibrierung von Gamma

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 12 von 22

Sehtest

Jan Rimbach, 1999 [Rim99]

Meridionale Amblyopie

Basis für Sehtest

DIN EN ISO 8596 und 8597 / DIN 58220

Landoltringe als Sehschärfenzeichen Pro Visusstufe weniger als 2/5 bzw.

4/10 falsche Antworten Vorgeschlagen wird eine

Stufenweise Erhöhung um den Faktor 10*sqrt(10)

Bestimmung des Schwellwertes

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 13 von 22

Quelle: [DrW02]

Entwurf eines TherapiesystemsZielstellung: Standortübergreifende Betreuung von Patienten und Ärzten Verteilung der Therapiesoftware über das Web Durchführung von Sehtests im Heimbetrieb Anbindung von Flash-Anwendungen, flexible Basistechnologie

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 14 von 22

Webbasierte Realisierung

Konzeptionierung: Auswahl möglicher Realisierungen (C++ Bibliothek vorhanden)

Flash Anwendung Video Streaming Director Anwendung Java mit JFlashPlayer

Aufstellen von Kriterien (Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Flexibilität,…) Bewertung Auswahl einer Clienttechnologie Auswahl einer Servertechnologie

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 15 von 22

Arbeitsschritte Konzipierung der Kommunikationsabläufe

Berücksichtigung von Nachrichtenverlusten, Ausfällen

Entwurf eines Dienstes zur Verarbeitung von Anfragen

Entwurf einer serverseitigen Datenbank

Bereitstellung von Interfaces für den Zugriff auf die Daten durch Ärzte und Patienten

Implementierung des Clients

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 16 von 22

Therapiesystem - Ergebnis

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 17 von 22

Zusammenspiel der Komponenten

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt

3. Sitzungsschlüssel

2. Anmeldedaten

4. Aktuelle Therapie anfordern,Sitzungsschlüssel

5. Aktuelle Therapie

Persistierung von Trial n bestätigen

Abgespieltes Trial n bestätigen,Sitzungsschlüssel

Bestätigen der Persistierung

Ergebnis der Sehtest(s) übermiteln

Für jedes Trial

Für jeden Test

AmbViz

Flash Anwendung Shockwave Bühne / Xtra

1. Login

6. TRUE

9. Starte Stimulation

7. Stimulation starten?

8. TRUE

Stimulation pausieren?

Stimulation pausieren?

Zustand?

Zustand?

Therapie beendet, Sehtest bereit

FALSE

FALSE

Starte Sehtest

Sehtest starten?TRUE

Therapie läuft

Folie 18 von 22

Webbasierte Umsetzung

Beispielanwendung:

Spielidee: Navigieren eines Autos zum Levelausgang in vorgegebener Zeit

Verschiedene Elemente: Schalter, Kisten, Fahrstühle, Schleudern, etc.

Basierend auf Physik – Engine APEngine (nach ActionScript 2 portiert)

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 19 von 22

Zusammenfassung Theoretische Analyse

Implementierung eines Analysewerkzeugs in MatLab Ergebnis:

Verbesserung des Algorithmus zur Darstellung der Stimulationsmuster Implementierung von parallel laufenden Stimuli Sehtest (Kontrast, Visus, meridional)

Konzeptionierung und Implementierung einer webbasierten Therapieplattform Evaluierung von Basistechnologien

Entwurf einer Datenbank Implementierung eines Serverdienstes Implementierung eines Clients auf C++/Shockwave Basis

Implementierung eines Sehtests nach ISO-Norm Implementierung eines Verwaltungsbackends in Flex Implementierung einer Aufmerksamkeitsbindung in ActionScript2

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 20 von 22

Diplomverteidigung, Matthias Dodt

Ausblick

Analysetool Einfluss von Farben? Verarbeitung von Bildfolgen

Therapieplattform Integration des Clients in den Browser Verschlüsselung der Kommunikation Usability des Backends verbessern Vergleich der Sehtestdaten, Datamining

Sehtest nach Maximum Likelihood Ansatz

TU Dresden, 16.04.2009 Folie 21 von 22

Quellen

[Roe94] Pieter R. Roelfsema, Peter Konig, Andreas K. Engel, Ruxandra Sireteanu and Wolf Singer: „Reduced Synchronization in the Visual Cortex of Cats with Strabismic Amblyopia“, European Journal of Neuroscience. Vol. 6, pp. 1645-1655. 1994

[Kel79] D.H. Kelly: Motion and vision. II. Stabilized spatio-temporal threshold surface., California, 1979

[CBl85] F.W. Campbell C. Blakemore: On the existence of neurons in the human visual system selectively sensitive to the orientation and size of retinal images., Cambrige, Cambrige University, 1985

[Temp08] Claudia C. Bäumer and Adrian Iftime Ruxandra Sireteanu: Temporal Instability in Amblyopic Vision: Relationship to a Displacement Map of Visual Space.In: IOVS, Vol. 49, No. 9, Frankfurt am Main, 2008

[Rim99] Jan Rimbach : Diagnosesoftware zur Bestimmung der meridionalen Kontrastsensitivität, Dresden, 1999

[DrW02] Dr. W. Wesemann: Die Grenzen der Sehschärfe, Köln, Höhere Fachschule für Augenoptik Köln, 2002

Verwendete Programmiersprachen: MatLab, C++, Java, Lingo,JavaScript, SQL, ActionScript 2.0/3.0 bzw. Flex 3, Delphi

TU Dresden, 16.04.2009 Diplomverteidigung, Matthias Dodt Folie 22 von 22

….vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Die Diskussion ist hiermit eröffnet…