Τέστ γλαυκώματος - οπτικού πεδίου με γυαλιά εικονικής πραγματικότητας μέσω διαδικτύου: σύγκριση με το περίμετρο Humphrey

Abstract

Glaucoma represents a diverse group of disorders that have common characteristic changes in the optic nerve neuroretinal rim tissue and is a major cause of blindness. It is estimated that half of glaucoma cases are undiagnosed. The prevalence of glaucoma in the general US population 40 years of age and older is 2.1%, and ~2.4 million people in the US have undetected and untreated glaucoma. Visual field testing is one of the most important exams for determining the stage of glaucoma, the efficacy of medical or surgical treatment, and the prognosis, as well as for assessing the patient’s quality of life and his/her ability to perform the activities of daily living. Increasing the frequency of visual field testing leads to earlier detection of glaucoma progression. The most widely used method to assess visual field deficits in glaucoma is automated perimetry. Automated perimeters are objective and accurate devices but despite their advantages, there are a few disadvantages. Automated perimeters are built for physicians’ offices or hospitals. They are bulky and heavy devices and they are neither portable nor available for home use or at bedside. Often, it is tiring and difficult for patients to concentrate throughout the test and a large majority of the patients who have visual field test examination belong to the age group over 50. On the other hand, smartphones are found everywhere, and they are inexpensive. Virtual reality (VR) glasses have some advantages in visual field testing. They are lightweight, portable, comfortable, and affordable, and there is no need for an eye patch. Online visual field testing is interesting for its potential to be used as a low-cost method for glaucoma screening. The potential benefits of an effective online telemedicine system are plentiful, especially in countries with high prevalence of glaucoma or in developing countries, and may save costs to patients and costs to the health care system as a whole. In this thesis the possibility of using VR glasses for glaucoma/visual field testing is examined. Virtual reality glasses, an android smartphone with a 6 inch display, and software that implements a: 1) FASTPAC 3 dB step staircase algorithm and 2) a Supra-Threshold algorithm, at three threshold levels: 1) -4 db, 2) -8 db, and 3) -12 db, from the age-expected sensitivity, for the central 24° (52 points) of visual field, was used for the purpose of testing. The software uses the web camera as a “virtual photometer” in order to detect room luminosity and allows self-testing using either a computer monitor or virtual reality glasses using an Android smartphone with a 6-inch display. The software includes an expert system to analyze the visual field image and validate the reliability of the results. It allows the user to email the test results to his/her doctor and also allows the physician to combine the results from two or more tests into a single test in order to achieve higher statistical accuracy of the final result: 1) A total of 10 patients, were tested, as they appeared randomly and consecutively, using the VR-FASTPAC algorithm and the results were compared point to point to those obtained using the Humphrey perimeter for the same patients (20 eyes tested×52 points per eye=1,040 visual field test points). The result’s values were continuous ranging from 0 to 40 dB. High correlation coefficient (r=0.808, P < 0.0001). A total of ten patients, were tested, as they appeared randomly and consecutively, using the VR-Supra-Threshold algorithm and the results were compared point to point to those obtained using the Humphrey perimeter for the same patients (20 eyes tested×52 points per eye=1,040 visual field test points). The results were binary, seen/not seen. ROC curves were used because they have the ability to assess the performance of a binary classifier over its entire operating range using a graphical approach. The most desirable property of ROC analysis is that the accuracy indices derived from this technique are not distorted by fluctuations caused by the use of arbitrarily chosen decision criteria or cut-offs. In other words, the indices of accuracy are not influenced by the decision criterion. Using this as a measure of a diagnostic performance, one can compare individual tests or judge whether the various combination of tests can improve diagnostic accuracy. The ROC curves for each threshold level as well as the generalized Youden Index and the optimal cut points were computed using easyROC, an interactive, open-source web tool for ROC curve analysis using R Language Environment. Good receiver operating characteristic/area under the curve coefficient was found, ranging from 0.762 to 0.837 (P < 0.001). Virtual reality glasses perimetry has many similarities to classical bowl perimetry. The most important advantages of the virtual reality glasses method is the ease of use and the comfortable patient position, in fact it has been found that the patients tolerated the test well and fixation losses occurred rarely. The patients can move their heads freely. VR visual field testing is simple, easy and does not require specialized equipment. It takes approx 2 minutes per eye using the supra-threshold algorithm and 8 mins per eye using the FASTPAC. The high correlation coefficient/ROC curves results between the virtual reality glasses and the Humphrey perimeter shows that the method is reliable at least when compared to Humphrey perimeter. The test may be useful for for glaucoma screening/monitoring.

Το γλαύκωμα είναι ένας όρος που περιλαμβάνει ένα σύνολο οφθαλμολογικών διαταραχών, που καταλήγουν σε μη αναστρέψιμη απώλεια όρασης και είναι η κύρια αιτία τύφλωσης. Εκτιμάται ότι οι μισές περιπτώσεις γλαυκώματος είναι αδιάγνωστες. Στις Ηνωμένες Πολιτείες η επίπτωση του γλαυκώματος στις ηλικίες άνω των 40 ετών είναι 2,1% και περίπου 2.3 εκατομμύρια άτομα πάσχουν από γλαύκωμα αλλά δεν το γνωρίζουν και δεν λαμβάνουν θεραπεία. Η εξέταση του οπτικού πεδίου είναι από τις πιο σημαντικές εξετάσεις για τη διάγνωση και τη παρακολούθηση του γλαυκώματος. Η αύξηση τη συχνότητα της εξέτασης του οπτικού πεδίου οδηγεί σε πρωιμότερη διάγνωση. Η συχνότερη μέθοδος που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του οπτικού πεδίου είναι η αυτοματοποιημένη περιμετρία. Τα αυτοματοποιημένα περίμετρα είναι αντικειμενικά και ακριβή μηχανήματα αλλά παρά τα πλεονεκτήματά τους, έχουν μερικά μειονεκτήματα. Είναι φτιαγμένα για χρήση στο νοσοκομείο ή στο ιατρείο. Είναι ογκώδεις και βαριές συσκευές. Δεν είναι φορητά και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατ’ οίκον ή σε κλινήρεις ασθενείς. Συχνά είναι κουραστικό και δύσκολο για τους ασθενείς να συγκεντρωθούν καθόλη τη διάρκεια της εξέτασης και μία μεγάλη πλειοψηφία των ασθενών είναι άνω των 50 ετών. Από την άλλη πλευρά τα smartphones βρίσκονται παντού. Τα γυαλιά εικονικής πραγματικότητας έχουν μερικά πλεονεκτήματα για την εξέταση του οπτικού πεδίου. Είναι ελαφρά, φορητά, εύχρηστα, οικονομικά, και δεν χρειάζεται κάλυμμα για τον οφθαλμό. Η εξέταση του οπτικού πεδίου online παρουσιάζει επίσης πλεονεκτήματα για την δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σαν μία χαμηλού κόστους μέθοδος για την ανίχνευση του γλαυκώματος. Τα δυνητικά ωφέλη ενός τέτοιου συστήματος είναι πολλά, ιδίως σε χώρες με υψηλή επίπτωση της νόσου και μπορεί να εξοικονομήσει χρήματα στους ασθενείς αλλά και στο σύστημα υγείας. Στην εργασία αυτή, εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης γυαλιών εικονικής πραγματικότητας για την καταγραφή του οπτικού πεδίου. Χρησιμοποιήθηκαν VR γυαλιά, ένα android smartphone με οθόνη 6’’ και λογισμικό που υλοποιεί : 1) τον αλγόριθμο FASTPAC 3 dB και 2) ένα υπερουδικό αλγόριθμο σε τρία επίπεδα ευαισθησίας α) -4dB, β) -8dB και γ) -12dB από τη φυσιολογικά αναμενόμενη ευαισθησία για την ηλικία, για τις 24° κεντρικές μοίρες του οπτικού πεδίου (52 σημεία). Το λογισμικό μπορεί να χρησιμοποιήσει τη web camera σαν εικονικό φωτόμετρο ώστε να ανιχνεύσει τη φωτεινότητα του περιβάλλοντος και επιτρέπει τη εξέταση του οπτικού πεδίου χρησιμοποιώντας τόσο γυαλιά εικονικής πραγματικότητας όσο και ένα μόνιτορ. Περιλαμβάνει επίσης ένα expert system το οποίο αναλύει την εικόνα του οπτικού πεδίου και αξιολογεί την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Δίνει τη δυνατότητα αποστολής των αποτελέσματων μέσω email και επιτρέπει να συνενωθούν τα αποτελέσματα από δύο ή περισσότερα τεστ, ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη στατιστική αξιοπιστία. Δοκιμάστηκαν δύο αλγόριθμοι, ο FASTPAC και ο Supra-Threshold 1) FASTPAC: εξετάσθηκαν 10 ασθενείς, με τη σειρά που εμφανίστηκαν – τυχαία, χρησιμοποιώντας τα γυαλιά εικονικής πραγματικότητας και τον αλγόριθμο FASTPAC, και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν σημείο προς σημείο με τα αντίστοιχα από το περίμετρο Humphrey για τους ίδιους ασθενείς. Συνολικά συγκρίθηκαν 20 μάτια × 52 σημεία ανά μάτι =1,040 σημεία οπτικού πεδίου). Τα αποτελέσματα είχαν συνεχείς τιμές μεταξύ 0 και 40 dB. Βρέθηκε υψηλός συντελεστής συσχέτισης (r=0.808, P<0.0001) Supra-Threshold: εξετάσθηκαν 10 ασθενείς με τη σειρά που εμφανίστηκαν – τυχαία, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Supra - Threshold, και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν σημείο προς σημείο με τα αντίστοιχα από το περίμετρο Humphrey για τους ίδιους ασθενείς. Συνολικά συγκρίθηκαν 20 μάτια × 52 σημεία ανά μάτι =1,040 σημεία οπτικού πεδίου. Τα αποτελέσματα ήταν δυαδικά: ναι / όχι. Για τη στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν καμπύλες ROC γιατί έχουν τη δυνατότητα να εκτιμούν καλύτερα την απόδοση ενός δυαδικού συστήματος ταξινόμησης πάνω σε όλη τη περιοχή λειτουργίας του με τη βοήθεια μίας γραφικής απεικόνισης. Η πλέον σημαντική ιδιότητα όμως την ανάλυσης με καμπύλες ROC είναι ότι οι δείκτες αξιοπιστίας που προκύπτουν από αυτή τη τεχνική δεν επηρεάζονται από αυθαίρετα επιλεγμένα κριτήρια αποκοπής. Χρησιμοποιώντας αυτή τη τεχνική μπορούν να συγκριθούν διαγνωστικά τεστ, ή να διευκρινιστεί εάν συνδυασμοί διαγνωστικών τεστ βελτιώνουν τη διαγνωστική ακρίβεια. Οι καμπύλες ROC για κάθε επίπεδο ουδού όπως και ο γενικευμένος δείκτης Youden και τα βέλτιστα σημεία αποκοπής υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας το easyROC, ένα διαδραστικό εργαλείο ανοικτού κώδικα για τη ανάλυση ROC καμπυλών γραμμένο σε περιβάλλον της γλώσσας R. Βρέθηκαν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά ROC/AUC που κυμαίνονται από 0.762 σε 0.837 (P < 0.001). Το λογισμικό επιτρέπει στο χρήστη να επιλέξει και να συνδυάσει τα αποτελέσματα από δύο ή περισσότερες εξετάσεις, σε ένα τεστ. Υπολογίζεται το σύνολο των θετικών απαντήσεων σε κάθε σημείο. Η περιμετρία με τη βοήθεια γυαλιών εικονικής πραγματικότητας έχει ομοιότητες μα τη κλασσική περιμετρία. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της VR περιμετρίας είναι η ευκολία και η άνετη θέση εξέτασης του ασθενούς. Οι ασθενείς είναι ελεύθεροι να κινούν το κεφάλι τους, Βρέθηκε ότι οι ασθενείς ανέχθηκαν το τεστ καλά και απώλειες εστίασης δεν συνέβαιναν συχνά. Η VR περιμετρία είναι απλή και δεν χρειάζεται εξιδικευμένο εξοπλισμό. Χρειάζεται περίπου 2 λεπτά ανά μάτι για το υπερουδικό αλγόριθμο και 8 περίπου λεπτά ανά μάτι για το FASTPAC. Ο υψηλός συντελεστής συσχέτισης και οι ικανοποιητικές καμπύλες ROC ανάμεσα στο VR περίμετρο και στο Humphrey δείχνουν ότι η μέθοδος είναι αξιόπιστη, τουλάχιστον όταν συγκρίνεται με το περίμετρο Humphrey. Η μέθοδος μπορεί να είναι χρήσιμη για την ανίχνευση ή/και παρακολούθηση του γλαυκώματος.