追踪自闭症幼儿的眼动行为

摘要

眼动追踪技术长期以来被用于研究正常发育个体的注视模式，但近年来的技术进步使其在临床人群（包括自闭症患者）中的应用变得更加可行。对自闭症儿童进行眼动追踪可有助于了解早期症状的表现，但也涉及方法学上的挑战。本文提供了相关最佳实践建议。

摘要

可及的商用眼动追踪系统的兴起，推动了其在心理学和精神病学研究中应用的迅速增长。通过提供对注视行为的直接、详细且客观的测量，眼动追踪已成为研究临床人群中异常感知策略的有力工具，并已被用于识别特定疾病的特征¹、促进早期识别²以及指导治疗³。特别是自闭症谱系障碍（ASD）的研究人员已从将眼动追踪整合到研究范式中获益良多^4-7。在这些研究中，眼动追踪主要用于揭示任务表现受损⁸和大脑功能异常⁹的潜在机制，尤其是在处理社会信息过程中所表现出的异常^1,10-11。尽管目前该领域的研究主要集中在年长儿童和成年ASD个体，但眼动追踪在研究年幼儿童患者方面可能尤为有用，因为它为评估和量化早期出现的发育异常提供了一种非侵入性的工具^2,12-13。然而，在年幼儿童ASD个体中实施眼动追踪也面临一系列独特的挑战，包括由特定任务要求引起的依从性行为问题以及与疾病相关的心理社会因素。在本方案中，我们详细阐述了在对ASD年幼儿童进行眼动追踪时，优化研究设计、数据采集和心理测量分析的方法学考量。所提出的建议也旨在更广泛地适用于对其他发育障碍儿童进行眼动追踪的研究。通过基于我们自身研究经验总结出的最佳实践指南，我们希望帮助其他研究者在研究设计和分析方面做出科学合理的选择，同时避免常见误区，从而防止在对ASD或其他发育困难的年幼儿童进行眼动追踪时影响数据采集的质量。

方案

1. 眼动追踪设备

尽管市面上有多种眼动追踪系统，但最适合用于测试患有自闭症谱系障碍（ASD）儿童的系统通常具有以下特征：

1. 首先，眼动仪必须能够校正头部运动，否则未加校正的头部移动可能会影响所获取眼动数据的准确性。尽管许多较早的系统通过使用颏托或头戴装置来固定头部以确保精确追踪（见图1），但这些方法并不适合年幼儿童，因为儿童可能抗拒限制头部活动或佩戴设备。幸运的是，目前大多数商用红外视频眼动系统均采用基于角膜反射的参考系统，对轻微的头部移动具有较强的容错性。推荐选用提供集成式或远程头部追踪解决方案的眼动系统，此类系统现已广泛可用。
2. 对自闭症谱系障碍（ASD）儿童进行测试时，建议使用不会干扰测试过程的非侵入式眼动追踪系统。这类系统可以是集成于显示器内部的型号（例如 Tobii Technology 的 TX300、T60XL 或 T120 型号；SensoMotoric Instruments 的 RED500 型号），也可以是隐蔽放置在受试者可及范围内的桌面式版本（例如 Tobii Technology 的 TX300、X120；Applied Science Laboratories 的 D6 Optics；SR Research 的 EyeLink 1000）。由于桌面式系统不受特定屏幕尺寸限制，因此在方法学上更具灵活性，但自动化程度较低，可能需要更多手动调节。
3. 研究人员还应根据研究问题选择具有合适采样率的眼动追踪系统。大多数基于角膜反射的眼动系统最低采样率为 50 Hz（即每秒 50 个数据点），这足以用于分析年幼儿童在观察静态图像¹³和动态视频¹⁰时的视觉感知模式。然而，若研究关注的是细微的眼动行为¹⁴（如平滑追踪、增益和/或快扫视），则应选用更高采样率的系统（即 ≥ 250 Hz）。需注意的是，在某些支持多种采样率选项的系统中，较高的采样率通常以牺牲头部活动自由度为代价，使得活动较多的儿童更难保持在眼动追踪的有效范围内。更高的帧率需要更快地采集和处理视频数据，通常通过裁剪摄像头获取的图像来实现，这会导致有效视场减小，从而限制允许的头部移动范围。因此，使用具备多种采样率选项系统的研究人员，应选择一个既能满足研究需求，又足以容纳预期头部活动程度的采样率。

2. 测试环境与刺激

1. 建议眼动追踪测试环境中的房间布置尽量简洁，以尽量减少儿童注意力被显示屏以外的物体吸引的可能性。同样，较暗的照明环境有助于降低非显示屏刺激物的显著性。
2. 然而，由于部分患有自闭症谱系障碍（ASD）的幼儿可能存在视觉和/或听觉过敏，研究人员应避免在完全黑暗的房间中进行测试，以免增强显示屏的亮度，或在演示中使用过响或刺耳的声音效果，因为这些因素可能令部分ASD儿童感到不适，从而降低其配合度。黑暗环境还可能导致瞳孔过度扩张，增加瞳孔追踪难度，尽管这一影响可能因所使用的眼动仪设备而异。在大多数情况下，建议采用标准的办公室照明条件。
3. 为进一步降低儿童注意力偏离显示屏的可能性，实验者不应让受试儿童看到自己。可通过在眼动仪设备与实验者操作的主机电脑之间设置隔板，或简单地将实验者置于受试儿童视线之外来实现。在此情况下，可使用第二个摄像头帮助实验者持续观察受试儿童。事实上，一些商用眼动仪在显示屏内部集成了摄像头，可将受试儿童的视频实时传输至主机电脑，供实验者监控。

3. 实验步骤

1. 幼儿，尤其是患有自闭症谱系障碍（ASD）的幼儿，可能对陌生的测试环境感到不安。尽管事先熟悉测试场所和/或实验人员可能有助于缓解这些情绪，但这并不总是可行的。至少，在整个测试过程中，应由一名家长或熟悉的成人陪同感到不安的儿童。在某些情况下，研究人员应做好准备，耐心等待儿童逐渐适应新环境。
2. 在测试开始前，实验人员可以选择在显示屏幕上播放儿童视频或动画片。这通常有助于使儿童感到更加放松，同时确保其注意力集中在测试显示器上。实验人员可借此机会利用儿童已被吸引的注意力，将其调整至眼动追踪的有效范围内，并直接进入校准程序。
3. 儿童座椅必须具备垂直调节功能，以确保所有儿童无论身高或坐姿如何，均可被安置在眼动追踪的有效范围内。虽然座椅与显示器之间的距离取决于屏幕尺寸和所需的视觉角度，但座椅高度需根据儿童的身高进行调节，以使所有被试的视线保持标准化。由于并非所有儿童都会以完全相同的方式坐在椅子上，因此通常还需要略微调整被试与显示器之间的距离，以确保每位儿童都处于获取高质量数据的最佳屏幕距离。该距离由眼动仪制造商指定，使用可移动座椅最容易实现。
4. 对于体型较小的儿童，实验人员可首先尝试让其独自坐在带有安全带的儿童汽车座椅中，该座椅安装在可调节升降平台上，或固定在便携式高脚椅上，后者可连接至可调高度的办公椅。我们还成功使用过Rifton椅，特别是那些在课堂或家庭环境中曾使用过该座椅的儿童，因其易于定位，并有助于限制可能导致数据丢失的身体活动。
5. 对于仅在看护人膝上才能保持配合的儿童，或需要看护人提供身体支撑的儿童，可通过让看护人坐在可升降的办公椅上来实现适当定位，从而将儿童调整至标准化的距离参数内。此设置示例见图2。分析可能的混杂因素时，应始终保留关于“膝上坐”与“独立坐”的统计信息。为确保眼动仪仅捕捉儿童的眼睛数据，研究人员可要求看护人佩戴阻隔红外线或不透明的太阳镜，或简单指示其在测试期间闭上眼睛。同时应明确指示看护人保持静止，并在测试过程中避免以语言或非语言方式与儿童交流。

图1. 一种头戴式眼动追踪系统。

图 2. 如果儿童在坐立时需要身体上的辅助，或为了保持配合度而需要支持，可让其坐在看护者的腿上。

6. 对于向实验者提供显示被试眼睛图像窗口的眼动追踪系统（该窗口涵盖允许头部移动的范围），应将儿童的眼睛置于窗口中央，以增加眼动仪在儿童测试过程中出现低头、抬头或晃动头部时仍能持续捕捉到眼睛图像的可能性。
7. 正确就位后，实验者应开始校准程序。由于患有自闭症谱系障碍（ASD）的年幼儿童可能无法或不愿遵从口头指令注视屏幕上的特定位置（而许多校准程序通常依赖此类指令），使用伴随声音的动态刺激物可能更有效地吸引其注意力，从而获得更准确的注视数据。通常，采用5点校准程序已足够简短，既能维持儿童注意力，又能实现准确校准。针对婴儿的眼动追踪研究常仅使用2点校准，而针对青少年和成人的研究则通常采用9点校准。
8. 实验者可通过设计简洁且具有吸引力、任务要求最低（例如被动观看任务）的实验任务，以最大化儿童在测试期间对显示屏的视觉注意力。此外，在刺激间插入带有音效的动画（可与校准过程中使用的动画类似），有助于将注意力已分散的儿童重新吸引回显示屏。同时，将该刺激间动画固定在预设位置，可确保所有被试的视觉扫描模式均从同一位置开始。
9. 如果研究任务较长，实验者可利用此刺激间动画作为“锚点”，以判断是否出现校准漂移。通常，当漂移超过3度视觉角时，应重新进行校准。此外，若实验包含多个任务或多次试验，建议在每个任务或试验之间进行重新校准，以消除测试过程中累积的漂移。

4. 分析

1. 大多数眼动追踪系统会生成原始数据文件，其中至少包含时间戳、注视点的 X 和 Y 坐标（有时包括双眼数据）、眼睛与显示器或刺激之间的距离，以及表征事件或刺激呈现变化的索引。一些软件程序还会提供有关瞳孔直径和注视指标的信息。
2. 如何选择对大量原始数据进行压缩处理，取决于具体的研究问题。通常目标是量化注视密度和/或眼动动力学的指标。然而，在这些构念被明确表征后，可在特定实验设计条件下进一步考察更高级的构念，如注意力和记忆。
3. 注视密度：尽管存在多种用于表征注视密度的算法¹⁵，但它们均分析两个主要成分：时间和空间信息。例如，可将一次注视定义为注视点在至少 100 毫秒内保持在 1° 视角直径范围内，尽管这些参数通常由研究问题决定。常见的因变量包括注视次数、平均注视持续时间、总注视时间，以及单个注视的空间分布和/或序列（即扫描路径）¹⁶。
4. 注视分析通常在预定义的“兴趣区域”（AOI）内进行。研究者可能关注患有和未患孤独症谱系障碍（ASD）的儿童在特定兴趣区域（如面孔的眼睛部位）的注视时间是否存在差异、首次注视兴趣区域的潜伏期，或在不同兴趣区域之间眼跳模式的差异。此外，4.3 节中列出的指标也可应用于兴趣区域分析。
5. 患有孤独症谱系障碍（ASD）的儿童，尤其是那些持续注意力受损的儿童，往往比对照组出现更多的缺失眼动数据。这可能由于对屏幕上刺激的视觉注意力较低，或眨眼过于频繁（有时由过亮的显示器或过暗的测试环境引起）。为控制组间缺失数据的差异，研究者可考虑以屏幕注视时间的比例进行分析，而非使用可能受缺失数据干扰的绝对数值。此外，为防止因采样不足导致不可靠的数据，研究者应设定所有纳入最终样本的参与者必须通过“最小时间”阈值。该阈值的具体标准因研究而异，但通常而言，缺失数据多于有效记录数据的参与者应被视为可疑。
6. 与注视分析不同，基于速度的算法纳入了连续记录之间欧几里得距离的变化，并主要关注眼跳。当速度（距离/时间）超过某一阈值时，即判定为一次眼跳。若连续记录在指定时间段内未超过该速度阈值，则判定为一次注视。
7. 眼动动力学：表征眼动动力学需要高采样率的眼动追踪系统，该系统需足够灵敏以检测眼位和眼动的细微变化。尽管在眼动动力学范围内可研究多种因变量，包括眼跳、眼球漂移和追踪运动，但所有指标均基于眼动速度。该速度的表征依赖于两个属性（即距离和时间），从而允许进一步分析眼动动力学的其他特性，包括眼跳速度的分布或模式、眼跳幅度的分布或模式、眼跳持续时间的分布或模式，以及眼跳潜伏期和眼跳终止的准确性（即增益）。常见范式包括视觉引导眼跳任务、反向眼跳任务、记忆引导眼跳任务和预测性眼跳任务。^{7, 17} 现有文献中包含大量关于眼跳动力学的研究，可供感兴趣的研究者参考^18-20。

5. 典型结果

图3. 图3展示了本研究团队在研究中生成的注视图。图中显示了一名孤独症谱系障碍（ASD）儿童在观看静态图像时的个体注视点，以紫色圆圈表示。通过对本任务及类似任务中所有参与者的注视点进行分析，以确定患有ASD与未患ASD的儿童在对不同感兴趣区域（AOI）的视觉注意力上是否存在差异。

图4. 该图展示了一个最终结果示例，包含了上述多个步骤：1）对原始眼动数据应用注视点过滤算法，2）将注视点分配至特定兴趣区域（AOI），以及3）整合并比较典型发育（TD）儿童组与自闭症谱系障碍（ASD）儿童组在注视模式上的差异。更具体而言，本图表明，在视觉探索范式中，当同时呈现“高自闭症兴趣”（HAI）物体时，ASD儿童对社交图像的探索（即注视）少于TD儿童。然而，当“低自闭症兴趣”（LAI）物体与社交刺激物共同呈现时，两组在社交图像探索上无显著差异，提示ASD个体的社交注意力受竞争性刺激相对显著性的影响而发生调节。²¹

讨论

眼动追踪技术作为一种客观且易于获取的工具，用于研究精神障碍的感知特征，推动了关于自闭症谱系障碍（ASD）异常视觉注意和眼动模式如何促成其临床特征的研究。该技术一个颇具前景的应用方向是研究患有ASD的幼儿，以捕捉该障碍早期出现的发展机制。尽管针对这一年龄段的研究对于揭示ASD的早期发展过程和特征至关重要，但鉴于该人群普遍存在社交与沟通障碍，采用传统行为范式进行研究往往面临挑战。眼动追踪技术可通过提供对视觉偏好和注视行为的直接且可量化的测量，减轻部分实验任务的负担。最终，这种方法可能在ASD发展的关键时期揭示重要信息，进而为早期识别和干预措施提供科学依据。

尽管存在这些优势，对患有自闭症谱系障碍（ASD）的幼儿进行眼动追踪仍面临诸多方法学上的挑战。本方案详细说明了在此类人群中实施眼动追踪的技术指南。虽然此处列出的建议仅限于常见且 commercially available 的角膜反射眼动追踪系统，特别是那些不限制受试者运动并能校正头部运动的系统，但其旨在为相关研究人员提供通用指导。最优设计通常因研究而异，但一般建议包括选择适合该人群研究的设备，创建适宜的测试环境，实施可最大限度减少障碍和潜在干扰的实验流程，以及采用恰当的数据分析策略。

采用这些实践方法可能加快旨在研究自闭症谱系障碍（ASD）早期症状表现的眼动追踪研究，同时也可能适用于更广泛关注幼儿眼动追踪的研究团队，包括婴儿²²，以及患有除自闭症以外其他发育障碍的儿童。此外，研究人员可在此基础上，将眼动追踪与其他生理测量方法结合，例如脑电图（EEG）、皮肤电导和心率监测，以提供更全面的心理生物学反应特征。随着移动式眼动追踪系统的日益普及，将ASD的注视行为研究扩展到更具生态效度的情境（包括真实的社交互动）也成为可能。预计未来几年，这类创新性研究设计将越来越受到青睐。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
眼动仪	Tobii	Tobii 60XL	一种独立的基于角膜反射的系统。眼动仪集成于24" TFT宽屏显示器中，采样频率为60Hz。如图2所示。该系统是多种允许头部运动的系统之一（在本例中，允许被试在距离屏幕60cm处、40×20×27cm的立方空间内自由移动头部，同时保持约0.5° 视角的平均定位精度）。
眼动仪控制软件	Tobii	Tobii Studio v. 2.1.14
注视点分析程序	Tobii	Tobii Studio v. 2.1.14	图3中的注视点分析由该程序生成。图4的输出结果由外部软件生成。