Assessment of performance in patients with homonymous visual field defects by analysis of their visual exploration, using standardized, virtual reality environments – a study for critical comparison with the current approach by conventional perimetry.

Abstract

Aims of the present work were (i) to assess the performance of patients with homonymous visual field defects (HVFDs) in comparison to normal-sighted control subjects in a dot-counting (DC) task, a comparative visual search (CVS) paradigm and a dynamic collision avoidance task, (ii) to investigate the underlying factors affecting performance (i.e. compensatory gaze patterns, visual field measures, age, gender, side of brain injury), (iii) to assess the brain regions associated with impaired performance of patients with HVFDs, and (iv) to describe the vision-targeted, health-related quality of life (QOL), assessed with the 25-item National Eye Institute Visual Functioning Questionnaire (NEI-VFQ-25) in patients with HVFDs.

Patients and Methods: Thirty eligible patients with HVFDs due to cerebrovascular accidents and 30 normal-sighted group-age-matched control subjects were enrolled into the study. Time since lesion onset was at least six months. There were 15 patients with right-hemispheric and 15 patients with left-hemispheric lesions, which were in the majority of cases located in the occipital lobe. Performance of study participants was assessed in a dot-counting (DC) task, a comparative visual search (CVS) paradigm and a dynamic collision avoidance task under virtual reality conditions. Eye and head movements were monitored by means of eye and head trackers.

Results: In the DC task, successfully compensating patients demonstrated gaze patterns similar to those of normal subjects and solved the task by relying on working memory. However, in the CVS task, working memory was needed for object recognition, such that scanning compensation had to be achieved via gaze movements. In the collision avoidance task with moving objects, patients with HVFDs had on average more collisions than subjects with normal vision. However, wide variability in performance among patients with identical visual field defects was observed and performance of some patients was similar to that of normal subjects. Those patients who adapted successfully to their visual deficit, displayed distinct gaze patterns characterized by increased exploratory eye and head movements, particularly towards moving objects of interest on their blind side. Lesion analysis showed that the cortical structures associated with impaired collision avoidance were the parieto-occipital region and posterior cingulate gyrus in the right hemisphere, and the inferior occipital cortex and parts of the fusiform (occipito-temporal) gyrus in the left hemisphere. Finally, assessment of QOL showed that patients with HVFDs due to cerebrovascular disease experienced a reduction in vision-targeted QOL. However, the correlation of the NEI-VFQ-25 score with the extent of the HVFD was weak, indicating that an objective assessment of the visual field alone may not accurately reflect the actual or perceived ability of the patient to function.

Conclusions: Visual-field related parameters per se are inadequate in predicting patient performance in naturalistic tasks. Our results underline the importance of individualized-based approaches and highlight the growing need to design clinical tests of vision that also consider compensation by visual exploration, in order to understand functional behavior of patients with HVFDs in dynamic tasks.

Ziele der vorliegenden Arbeit waren (i) die visuelle Leistung von Patienten mit homonymen Gesichtsfeldausfällen (HVFD) im Vergleich zu gesunden Probanden in einem Punkte-Zähl-Paradigma (dot counting task, DC), einem Schrankexperiment (comparative visual search task, CVS) und einem dynamischen Kreuzungsexperiment zu beurteilen, (ii) die zugrunde liegenden Faktoren, die die visuelle Leistung beeinflussen, zu untersuchen (z. B. kompensatorische Blickbewegungen, Gesichtsfeld-Parameter, Alter, Geschlecht, Seite der Hirnschädigung), (iii) die Hirnregion, die für die eingeschränkte Leistung der Patienten mit HVFDs zuständig ist, zu beschreiben, und (iv) die visuelle, gesundheitsbezogene Lebensqualität bei Patienten mit HVFD mit dem 25-item National Eye Institute Visual Functioning Questionnaire (NEI-VFQ-25) zu beschreiben.

Patienten und Methoden: 30 Patienten mit HVFDs nach Schlaganfällen und 30 gesunde Kontrollpersonen mit gleicher Altersverteilung haben an der Studie teilgenommen. Die Zeit zwischen Läsionsbeginn und Aufnahme in die Studie lag bei mindestens sechs Monaten. Die visuelle Leistung der Probanden wurde in dem klassischen Punkte-Zähl-Paradigma (DC), einem Schrankexperiment (CVS) und einem dynamischen Kreuzungsexperiment unter Virtual-Reality-Bedingungen untersucht. In dem Schrankexperiment, wurden zwei Regale, mit den gleichen geometrischen Objekten bestückt, präsentiert. Dabei konnten jedoch Unterschiede in der Objektkonfiguration auftreten. Ziel der Versuchsperson (VP) war es, die Anzahl dieser Unterschiede so schnell wie möglich herauszufinden. Im Kreuzungsszenario hatte die Versuchsperson die Aufgabe, eine beidseitig befahrene Kreuzung schnellst¬möglich zu überqueren, ohne einen Unfall zu verursachen. Dabei konnten die Verkehrsdichte, die Arten und Größen sowie die Geschwindigkeiten der Fahrzeuge verändert werden. Bei der Annäherung an die Kreuzung war es der Versuchsperson möglich, aktiv ihre Geschwindigkeit anzupassen um eine Verkehrslücke zu passieren. Sie konnte jedoch niemals anhalten, sodass ein Zeitdruck ausgeübt wurde. Die Augen- und Kopfbewegungen wurden über einen Kopf- und einen Augen-Tracker gemessen. Alle Experimente wurden auf einer Projektionsleinwand präsentiert, welche einen horizontalen „field of vision“ von 150° und einen vertikalen von 70° ermöglichte. Der Proband saß dabei auf einem in der Höhe verstellbaren Sessel in 1,2 m Augenhöhe und hatte einen Abstand von 1,62 m zum Projektionsschirm.

Ergebnisse: In der DC Aufgabe waren die Blickmuster der Patienten mit ausreichender Kompensation ähnlich mit denen der gesunden Probanden. Die Patienten hatten vor allem das Arbeitsgedächtnis benutzt, um die Aufgabe zu lösen. In den CVS Aufgabe war es allerdings nötig, das Arbeitsgedächtnis für Objekterkennung zu implementieren, so dass jetzt die erfolgreiche Kompensation mittels aktiver Blickbewegungen erreicht werden sollte. In dem Kreuzungsexperiment mit dynamischen Objekten wiesen Patienten mit HVFD mehr Kollisionen auf als die Kontrollpersonen. Allerdings wurde eine große Variabilität in der Leistung der Patienten mit identischen Gesichtsfeldausfällen festgestellt und einige Patienten waren bei der Kollisionsvermeidung genau so effektiv wie die Gesunden. Patienten, die erfolgreich kompensiert haben, zeigten unterschiedliche Blickmuster, die von zahlreichen Augen- und Kopfbewegungen, insbesondere zu bewegten Objekten auf ihre blinde Seite, charakterisiert waren. Eine Läsionsanalyse wies auf die Hirnregionen, die mit eingeschränkter Kollisionsvermeidung einhergehen: Der parieto-okzipitale Bereich und der posteriore Gyrus cinguli in der rechten Hemisphäre, und der inferiore okzipitale Kortex und Teile des okzipito-temporalen Gyrus (fusiformis) in der linken Hemisphäre. Unsere Befunde deuten weiter auf nachweisbare Einschränkungen in visueller, gesundheitsbezogener Lebensqualität bei Patienten mit HVFD hin. Die Ergebnisse zeigten eine Tendenz für sinkende Lebensqualität mit steigenden HVFD. Die Korrelation des NEI-VFQ-25 Scores mit der Größe der HVFD war allerdings schwach. Dies ist ein Hinweis, dass die Gesichtsfeldmessung (Perimetrie) allein nicht genügt, um das funktionelle Verhalten der Patienten im alltäglichen Leben zu erfassen.

Schlussfolgerung: Gesichtsfeld-Parameter per se sind unzureichend, um die visuelle Leistung von Patienten mit HVFD bei alltäglichen Aufgaben vorherzusagen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass individuelle, realistische Verfahren nötig sind, um das kompensatorische Potential der Patienten mit HVFD in dynamischen Szenarien zu beurteilen. Klinisch anwendbare visuelle Aufgaben, die auch die Kompensation mittels visueller Exploration (Augen- und Kopfbewegungen) prüfen, sollten entwickelt werden.