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]
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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
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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
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Quelle: [Temp08]
Analyse von Impulsmustern
Welche dieser Aspekte sind relevant für die Amblyopie?
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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
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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
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Analyse von Impulsmustern Prototypische Umsetzung in Matlab
Darstellung des Fourierleistungsspektrums Anwendung verschiedener vorverarbeitender Schritte
(Rotation, Fensterfunktionen)
Problem der Periodizität Log - Powerspektrum Spektrum mit Barletfilter
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High fq
High fq High fqLow fq
Low fq
High fq
High fq High fqLow fq
Low fq
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Analyse von Impulsmustern
Gewichtung der Fourierspektren mit Hilfe der Kellyfunktion Verschiedene Visualisierungshilfen (Kontrastspreizung, Logarithmierung,
etc.)
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High fq
High fq High fqLow fq
Low fq
High fq
High fq High fqLow fq
Low fq
Driftgeschwindigkeit 9 cpd
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Ergebnisse der Analyse
1. Artefakte in den Spektren der Sinusoidalgitter
Verbesserung des Algorithmus
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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
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Bisher verwendete Muster
Neuer Algorithmus
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Ergebnisse der Analyse
2. Idee Mehrfachstimulation
3. Sehtests zur Bewertung der Gitter
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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.
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Bildschirmkalibrierung
Kalibrierung von Helligkeit (Schwarzpunkt) und Kontrast (Weißpunkt)
Kalibrierung von Gamma
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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
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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
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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
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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
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Therapiesystem - Ergebnis
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Zusammenspiel der Komponenten
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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
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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)
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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
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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
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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
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….vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Die Diskussion ist hiermit eröffnet…