Name: 一种方法来量化视觉信息加工儿童使用眼动追踪 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 47 s
Description: 学习使用眼动追踪技术量化儿童视觉信息加工的方法，通过反射性眼动反应评估视觉表现。该方法适用于六个月以上儿童，为临床视觉评估和康复提供客观测量指标。

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作者感谢日托中心（Wasko、Alblasserwaard）在招募对照组过程中提供的支持，以及Mark Vonk在对照组数据收集中的协助。作者同时感谢来自对照组的儿童以及荷兰皇家Visio机构的儿童客户参与本研究。作者对参与视频录制的儿童及其家长表示衷心感谢。
本方法的开发得到了诺弗姆基金会（Novum Foundation）的资助：该基金会是一家非营利组织，为旨在改善视觉障碍人士生活质量的研究项目提供资金支持（www.stichtingnovum.org）。本研究的经费由“ZonMw Inzicht”（荷兰健康研究与发展组织-洞察社会）提供，资助编号：60-00635-98-10。

本方案已获得荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯医学中心医学伦理研究委员会（MEC 2012-097）批准。研究过程遵循《赫尔辛基宣言》（2013年）关于涉及人类受试者研究的伦理原则。
1. 视觉刺激
<ol>
	<li>选择一组视觉刺激， 即，图像和视频，以针对基本的眼动功能和视觉处理功能进行研究。</li>
	<li>使用图像和视频评估基本的眼动功能，如凝视、扫视、平滑追踪和视动性眼震。当检测到眼动功能异常时，应在数据分析与解释中予以考虑。
	<ol>
		<li>使用图像评估固视和扫视。本范式包含半径为3的笑脸图片&#186; 以视角为单位，在显示器的左、右、上、下半区呈现。</li>
		<li>使用缓慢移动的图像评估平滑追踪眼动。本范式包含移动的笑脸图像，其移动距离为16&#186; 以4的速度在显示器上沿正弦波形的水平和垂直方向移动&#186;/秒</li>
		<li>使用视频评估视动性眼震反射。本范式包含黑白正弦光栅向左和向右移动的视频。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>利用图像和视频评估视觉处理功能， 例如， 对比度、颜色、形状或运动。</li>
	<li>使用基于四选一强制选择性偏好注视范式（4-AFC PL）的一组视觉刺激19）。在当前的范式中，4 个刺激角（即， 左上象限、右上象限、左下象限、右下象限分别代表一种可选方案， 即，一个目标区域。每个目标区域的半径为6&#186; 并且在特定视觉信息方面不同于其他三个象限， 例如，基于对比度、颜色、形状或运动。以下视觉刺激可作为示例：
	<ol>
		<li>使用图像评估形状一致性加工：一幅包含大量随机定向短线条的图像 w白色线条（0.2&#186; × 0.6&#186;；密度 4.3 线/度2）在黑色背景上。在目标区域，所有线条排列成圆形。</li>
		<li>使用电影评估局部运动处理：一部包含黑白图案方形目标的电影，其视觉角度为2.3&#186;，相对于同样具有图案的背景，移动2.5&#186; 向左和向右在一个象限内移动2.5&#186;/秒</li>
		<li>使用电影评估全局运动处理：呈现包含一系列白色圆点（直径0.25）的图像&#186;，密度为2.6个点/度2）从目标区域中心向外扩展至显示器边缘。光点在黑色背景上以11.8的速度移动&#186;/秒，且半衰期为0.4秒。</li>
		<li>使用图像评估对比度检测：目标区域中为一张亮度0%（黑色）的隐藏海蒂图像，背景为亮度75%（浅灰色）的区域。</li>
		<li>使用图像评估颜色检测：目标区域中有一个绿色数字17，背景为红黄色。</li>
		<li>使用电影评估同时性视觉加工 例如，一幅卡通画：一幅色彩鲜艳、高对比度的图片（经荷兰阿姆斯特丹Mercis BV公司Dick Bruna许可复制），视觉角度为4.5&#186; x 9.0&#186; （宽 × 高）移动 1.5&#186; 以每秒3次的频率上下移动&#186;在目标区域以每秒 /sec 的速度，黑色背景。 
		注意：为了清晰起见，本文的代表性结果将聚焦于包含多种视觉信息的显著卡通刺激图1）。有关其他视觉刺激材料的图片，请参阅之前的研究20.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="图1" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig1.jpg" /> 
图1.&#160;卡通刺激图像。 该卡通刺激图像包含多种视觉模态（形状、运动、颜色和对比度）。这种刺激可引发视觉注意力，并在儿童中产生最快的反应时间。图中叠加显示了一次眼动（灰色），从显示器的左下角移向右上角的目标区域（即 对刺激的反射性反应）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
2. 基于眼动追踪的测试范式
<ol>
	<li>选择适用于儿童群体的眼动追踪系统（例如，非侵入性，耐受头部运动，以及操作简便）12. 这通常包括远程红外眼动仪（例如，Tobii T60XL，SMI RED）10,11.</li>
	<li>选择大尺寸宽屏计算机显示器以完整显示每个刺激即， 最小视场角为24&#186; × 30&#186; 在60 cm的观看距离下）。远程眼动仪可与显示器集成，也可单独附着于显示器上。 
	注意：远程眼动仪会发射红外光，并通过角膜反射进行采样。通常，60 Hz 左右的眼动采样率足以用于研究儿童的注视行为模式。</li>
	<li>将显示器和远程眼动仪系统连接到笔记本电脑或台式计算机，组装成一个可移动的测量装置。</li>
	<li>在计算机上安装兼容的软件程序（例如， Tobii Studio、iView）用于呈现视觉刺激并记录眼动。</li>
	<li>设计一个测试序列，包含所有用于测试眼动功能和/或视觉处理功能所需的刺激类型（参见方案步骤1：视觉刺激）。本示例包含步骤1中描述的所有刺激类型。 即，共9个。
	<ol>
		<li>将不同类型视觉刺激以随机顺序放入测试序列中，但需确保目标区域的位置在每次试验中交替变化。这可确保受试者需要向目标位置做出反射性眼动。</li>
		<li>每种刺激至少呈现4次（即（确保每个象限的目标区域至少呈现一次），且每次持续至少4秒，以留出足够时间作出眼动反应。在本示例中，卡通刺激呈现16次，而其他所有刺激各呈现4次，总计48次刺激呈现，总测试时间约为3.5分钟。 
		注意：重复呈现刺激可增加采集到儿童视野内每个刺激和每个目标区域足够注视点的概率。通常，至少需要获得25%刺激呈现次数的注视数据，以确保结果的可靠性。21.</li>
		<li>确保每个序列的测试时间不超过约5分钟，因为一旦测试序列开始运行，便无法暂停。建议将测试分为两个序列连续运行，以便在中途提供一段休息时间。 
		注意：为了在测试期间最大限度地提高注意力，应在视觉刺激呈现之间（而非同时）于显示器附近呈现听觉或视听提示。视觉障碍儿童对听觉提示尤为敏感且反应更强。此类提示可能有助于提高该人群在测试中的注意力。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在眼动仪软件中应用测试序列。首先，选择要添加到眼动仪软件时间轴上的刺激类型：图像或视频。然后，从其所在文件夹中选择所需的刺激材料，点击“添加”。重复上述步骤，直至所有刺激材料均已添加。</li>
</ol>
3. 运行眼动追踪实验
<ol>
	<li>将眼动仪显示器通过可调节的LCD支架固定在稳固的桌面或墙壁上。选择可在三维空间内移动的支架（即，3个平移，3个旋转</li>
	<li>将儿童置于距离显示器较近的位置（通常约60 cm），以确保对双眼瞳孔的高效追踪。</li>
	<li>调整显示器位置，使其与儿童的眼睛完全垂直。使用液晶显示屏支架时，即使儿童躺在或坐在婴儿车或轮椅上，也能实现这一调整。 
	注意：该设置可用于评估年龄较小及有智力障碍的儿童，因其无需特定的身体姿势、言语交流或主动参与。某些眼动功能障碍（例如 眼球震颤）的特征是头部倾向于特定位置，以代偿异常的眼球位置（例如，斜颈）。能够根据个体儿童的头部位置调节眼动仪显示器，可在此类儿童中实现准确的瞳孔追踪。</li>
	<li>检查瞳孔接收质量。这通常由代表儿童双眼的两个标记的存在来指示例如，白色斑点）。如果两个标记清晰可见且不频繁消失，则质量足够。在另一个显示界面中，检查眼睛与显示器之间的距离（建议约60 cm）。 
	注意：大多数眼动仪分别记录每只眼睛的注视位置，并可补偿自由头部运动。佩戴眼镜或隐形眼镜的儿童、单眼或双眼功能正常的儿童，以及斜视儿童，其瞳孔信号接收通常不受影响。</li>
	<li>在开始测量之前，启动眼动仪软件的校准程序，以将注视位置与显示器上的预定义位置对齐。在大多数眼动仪软件包中，该校准程序包括在显示器的预定义区域呈现移动的光点，要求被试者注视这些光点。对于儿童，可采用卡通图像或逐渐放大的光点版本，以提高其视觉注意力。 
	注意：尽管儿童校准程序已显著改进，但在年幼儿童以及患有某些眼部或行为障碍的儿童中仍可能难以实施。</li>
	<li>检查预设校准的质量。当校准质量较差时，（例如，由于头部运动过度、固定不当、视线位置异常或头部位置异常），无法进行记录。为避免此问题，应在记录完成后、进一步数据分析之前，应用后校准程序（参见 讨论 部分）。</li>
	<li>开始测试记录前，激活“实时查看器”：一个独立窗口，通过将注视信号叠加在视频记录上来显示儿童对测试刺激的眼动反应。</li>
	<li>启动一个对准儿童的网络摄像头，以观察并记录儿童在测试期间的一般行为。此类录像可提供关于儿童视觉注意力、行为表现、疲劳程度及环境状况的总体信息。</li>
	<li>测试开始前，告诉儿童他或她将“观看电视”。测试过程中无需提供具体指示。</li>
	<li>测试执行期间，观察儿童的身体行为和眼球运动反应。可通过实时行为观察，或通过观察网络摄像头录制的视频进行。
	<ol>
		<li>当测试执行过程中瞳孔信号消失时，应重新调整儿童或显示器的位置，以恢复正常的瞳孔检测。</li>
		<li>当儿童未注意显示器时，应口头鼓励其观看显示器。切勿将儿童的注意力直接引导至目标区域，而应仅将儿童的视线引导至眼动仪显示器的大致位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测试执行后，离线回放眼动记录，以观察受试儿童对所呈现刺激的眼动反应。这是表征儿童视觉定向行为的第一步。 
	注意：在全部测试过程中，眼动仪软件会持续记录大量参数。针对本实验范式进行数据分析时，需导出的关键参数包括：时间戳、双眼与显示器之间的观看距离、左右眼在显示器上的注视位置（x轴和y轴坐标）、注视数据的有效性，以及所呈现刺激的呈现时间与位置即, 事件。</li>
	<li>每位受试者分别导出并存储记录的眼动特征时序数据（如注视距离、注视位置等注视数据），以及单独导出呈现的视觉刺激时序列表（如刺激位置等事件数据）。确保将这两类数据文件导出为文本文件，并将其转换为数据电子表格例如， 保存为 Excel 文件。 
	注意：使用相应的 时间戳 将两个文本文件（事件数据和注视数据）合并，并通过自编软件程序转换为一组定量参数值（见下一节）。与标准的眼动仪分析软件相比，此类参数可提供更精确、定量的眼动分析，以深入研究视觉和认知过程。</li>
</ol>
4. 眼球运动的定量分析
注意：本方案专用于一款自行编写的软件程序。为实现重复实验，需自行编写相应的软件程序。 例如在 MATLAB 或 Python 中量化儿童的视觉定向行为。在软件程序中，对每种刺激类型执行以下步骤。本示例聚焦于卡通图像；相同方案适用于其他刺激类型。
<ol>
	<li>校准后校正眼动数据
	<ol>
		<li>打开 MATLAB。通过在所选刺激旁输入“1”来选择要分析注视数据的刺激。</li>
		<li>点击运行。在弹出的菜单中，选择“对数据进行后校准”选项。此时将显示每个被试的注视数据文件列表。选择一名被试的注视数据，然后点击“打开”。</li>
		<li>在下一个弹出菜单中，选择要分析的眼部：左眼、右眼或双眼。程序将生成一张散点图，显示在全部刺激呈现时间内记录的所有注视位置和目标位置。</li>
		<li>检查注视位置是否与相应的目标位置正确重合。如果校准正确，请按“是”；否则按“否”。这将启动重新校准选项。</li>
		<li>通过单击注视点的中心，将注视点中心与显示器中心对齐。该中心点位于垂直轴和水平轴正中央。</li>
		<li>通过单击四个目标区域中每个区域的注视点中心各一次，将注视位置缩放至相应的目标位置（即，4个象限）。</li>
		<li>再次检查注视位置是否与相应的目标位置正确重合。如果情况如此，在下一个弹出菜单中按“是”表示校准已正确完成，随后保存校准后的注视数据。否则，请按“否”，之后将从步骤 4.1.5 重新开始后校准。 
		注意：校准后，每种刺激类型和每位受试者可获得多个注视反应。这些数据可用于计算视觉加工的定量参数。在计算这些参数之前，请验证注视反应是否针对目标区域做出即，即该特定刺激已被儿童看到）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确定刺激是否已被看见
	<ol>
		<li>每个被试在每种刺激呈现期间，于总呈现时间内记录的相应眼动数据均以图形形式呈现图2）。通过检查所述标准，验证该刺激是否已被观察到 表1，且在 图2如果眼动反应符合标准， 即如果眼动反应符合标准，可将刺激归类为“看到”，在弹出菜单中点击“Accept”；如果眼动反应不符合标准，则点击“Reject”。</li>
		<li>同时，绘制出属于所呈现刺激的所有注视点及相应的目标区域（即， 在第二个图中检查注视点是否位于正确的象限。</li>
		<li>继续进行后续的刺激呈现，并对所有可用的眼动反应执行步骤 4.2.1 和 4.2.2。在人工检查眼动反应后，软件程序将计算三个结果参数：RTF、FD 和 GFA。图3).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="图2" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig2.jpg" /> 
图2.&#160;对刺激目标区域的眼动反应。 一条眼动轨迹（水平和垂直方向合并）表示在刺激呈现时间内（横轴，单位为毫秒）距目标区域中心的距离（纵轴，单位为度）。虚线表示目标区域的边界（半径6°）。字母表示判断是否看到刺激的判定标准：（A）前500毫秒内的注视信号；（B）在120毫秒之前未注视目标区域；（C）在目标区域内持续注视≥200毫秒。请注意，本图中所示的呈现时间最大为2,000毫秒，以便可视化首次的反射性反应。在实际测试中，所有刺激的总呈现时间为4,000毫秒。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>标准（图 2）</td>
			<td>验证注视信号：&#160;</td>
			<td>原理：</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A</td>
			<td>在刺激呈现后已记录 ≥500 毫秒</td>
			<td>捕捉反射性定向反应</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B</td>
			<td>在刺激呈现后 <120 毫秒内未进入目标区域，且在刺激呈现开始时未处于目标区域内</td>
			<td>排除因偶然性导致的正确反应&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C</td>
			<td>在目标区域内持续 ≥200 毫秒</td>
			<td>确保对目标的注视</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D</td>
			<td>在 1,500 毫秒的时间窗口内进入目标区域，且发生的扫视次数少于 4 次&#160;</td>
			<td>排除视觉搜索行为</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：确定刺激是否被看见的标准。 标准A、B和C在图2中展示。
<img alt="图3" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig3.jpg" /> 
图3.&#160;定量参数RTF、FD和GFA的可视化。 一条眼动轨迹，表示在刺激呈现时间（毫秒，x轴）内，视线距离目标区域中心的距离（度，y轴）。红色垂直线表示视线进入目标区域的时刻； 即， 反应时间至注视（RTF）。水平红线表示注视目标区域的总时长； 即， 注视持续时间（FD）。垂直的红色箭头表示注视轨迹的宽度，单位为视觉角度的度数。 即注视区域（GFA） <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

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<li>Pel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+visual+processing+and+congenital+nystagmus+on+visually+guided+ocular+motor+behaviour%5BTitle%5D)+AND+%22Dev.+Med.+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">Effects of visual processing and congenital nystagmus on visually guided ocular motor behaviour.</a> Dev. Med. Child Neurol. 53 (4), 344-349 (2011).</li>
<li>Kooiker, M. J., Pel, J. J., van der Steen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+visual+orienting+responses+and+clinical+characteristics+in+children+attending+special+education+for+the+visually+impaired%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">The relationship between visual orienting responses and clinical characteristics in children attending special education for the visually impaired.</a> J. Child Neurol. 30 (6), 690-697 (2014).</li>
<li>Ricci, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+assessment+of+visual+function+in+full+term+newborns%5BTitle%5D)+AND+%22Early+Hum.+Dev%22%5BJournal%5D)">Early assessment of visual function in full term newborns.</a> Early Hum. Dev. 84 (2), 107-113 (2008).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

所展示的测量装置结合定量的眼动分析，可对患有眼动和视觉障碍的各类儿童的视觉处理功能进行明确表征。该范式的关键特征在于，其表现基于对以反射方式触发的视觉刺激所产生的眼动反应。实验过程中不提供特定的口头指示，也无需儿童进行言语回应。尽管各组参数值的分布范围有限，但RTF、GFA和FD参数在典型发育儿童组与视觉障碍儿童组之间仍显示出显著差异（图4–图6）。因此，根据所评估的参数不同，部分典型发育儿童可能表现出异常表现，而部分视觉障碍儿童则可能表现出“正常”表现。最终，应针对个体水平综合考虑对多种视觉模式刺激所产生的多项结果指标。所有结果指标的汇总可提供一种独特的视觉信息处理能力表征，该表征可转化为自6个月龄起儿童的视觉功能特征图谱。
多项研究已表明，远程眼动追踪在儿童弱势群体中具有重要价值，可用于推断其注意力或心理能力9,12,18。尽管大多数研究依赖行为观察和指令使用，本范式的一个显著特点是采用非语言、定量的方法。因此，该方案中的关键步骤包括基于偏好注视的刺激材料、可移动的测量装置，以及定制的校准与分析软件。通过精细的分析方法对基于观察的结果进行扩展，可提供关于视觉处理功能的标准化且详细的结果。这与利用眼动仪评估婴儿视觉敏锐度的研究14，以及关于多种障碍中注视控制的研究7相一致。该方法具有灵活性，支持可移动评估，在对幼儿或多重残疾儿童进行临床评估时，这种灵活性至关重要。因此，该方法适用于几乎所有能够注视显示器的儿童，用以测量其眼动控制和视觉处理能力。
该方法相较于现有视觉诊断方法（即，有效性）的意义已被研究，作为临床应用的第一步。当前范式已与儿童中常用的视觉功能评估（VFA）相结合。基于眼动记录对眼动和视觉功能的观察结果，与这些功能的标准行为学观察结果相当。此外，眼动追踪参数，例如，注视持续时间和扫视方向，在表征儿童VFA期间的眼动和视觉表现方面提供了额外价值（Kooiker MJG et. al., 2015, 已投稿）。本方法的主要优势在于，能够在幼儿期评估比当前视觉功能评估更多的视觉功能，并以定量方式进行评估26。相较于现有方法的一个局限性是，若不进行调整，目前尚无法利用该测试组合全面评估视力或视野14。
尽管我们仅限于展示来自卡通刺激的结果，但在未来应用中，可使用其他刺激（例如，不同形状、运动、颜色和对比度信息）来测试不同的视觉模式22,20,25。通过这种方式，可针对初级视觉通路之外的特定视觉处理区域，例如颞叶或顶叶皮层中的视觉联合区。该方法的一个局限性在于，当前的视觉刺激仅能触发视觉输入的检测，并引发视觉处理的初始阶段。这些刺激并未涉及刺激检测后相关的高阶功能，而这些功能通常需通过视觉感知测试进行测量。尽管在不使用交流手段的情况下执行此类测试具有挑战性，但基于眼动追踪的实验范式有望成为未来检测与感知相关的信息（例如，视觉搜索、视觉记忆或视觉选择性注意）的一种有效形式。
总之，在发育早期，对各种视觉刺激产生的眼动反应能够全面表征视觉信息处理功能。因此，可以针对每个儿童建立其视觉功能完整与受损情况的个体化视觉特征图谱。这种图谱可提供关于眼球运动功能和视觉功能优势与缺陷的详细信息，可作为日常生活支持以及教师和照护者教育的起点。该方法所提供的定量信息，有助于长期追踪视觉发育过程，并用于监测视觉干预措施和康复训练的效果。

与脑损伤相关的儿童视觉问题患病率有所上升。由于视觉问题可能对儿童的发育产生重大影响，因此对高风险的婴幼儿进行早期检测尤为重要。目前，用于评估视觉感知功能（如视力和对比敏感度）的视觉功能检测方法 （例如， 视标检测适用于1至2岁儿童1在年幼儿童中，这些测试基于对儿童视觉信息观看行为的结构化观察。对这类行为的解读， 即， 通过观察儿童的眼动来评估其视觉功能时，可能会受到儿童自身的眼动或注意力功能障碍，甚至观察者观察行为的干扰。诸如视觉空间记忆和物体识别等由大脑介导的视觉功能，需通过视觉感知测试进行评估。例如， DTVP2）。这些测试需要口头指令和交流，适用于4至5岁及以上儿童。鉴于视觉系统在出生后的发育情况，以及为了充分利用生命早期较高的可塑性，尽早确定视觉信息加工障碍的存在及其程度十分必要。这样，患有（脑性）视觉障碍的儿童便能最大程度地从早期干预、视觉刺激或支持性策略中获益。因此，亟需一种无需依赖语言交流、基于定量结果的儿童视觉信息加工评估方法。
眼动是研究视觉引导的刺激定向行为的良好模型3,4以及相关的感知和认知功能5眼动反映了场景中视觉注意的焦点，已知其产生机制可分为自下而上（反射性、由显著性驱动）或自上而下（有意识、认知驱动）的过程。6眼动用于引导中央凹， 即，视觉敏锐度，对新物体的识别。感兴趣物体的视觉信息通过从视网膜经外侧膝状体核投射至初级视皮层（V1）的通路进行处理，并进一步分布到大脑的各级视觉处理区域例如， 参与注意力、空间定向、识别、记忆和情绪）。眼动既是视觉信息加工的前提，也是其结果。
红外眼动仪在眼动测量方面的进展使得获取眼动和视觉功能的定量参数成为可能。如今，自动化眼动仪在涉及健康人群和临床人群的医学与心理学研究中无处不在。其用途不仅在于研究眼动功能和注意力分配7，还可用于探讨行为与心理机制相关的问题8,9。随着便捷式和商业化眼动追踪系统的兴起，这些设备越来越多地被用于测试婴儿和儿童等脆弱人群10-12，且无需施加限制性条件、复杂的指示或主动配合12,13。由于在眼球和大脑层面，眼动系统与视觉系统紧密耦合，基于眼动追踪的方法特别适用于评估视觉能力。迄今为止，除了视觉敏锐度的测量14之外，该技术在儿童视觉功能评估中的应用相对较少受到关注。
我们的研究团队已将眼动测量与偏好注视范式相结合13偏好注视是指更倾向于注视有图案的表面，而非均匀的表面15该原理通过使用视觉刺激来实现，其中目标区域位于四个象限之一，且在某一特定视觉特征上与背景不同。 例如 连贯形式、连贯运动、对比度与颜色。这些视觉特征已知由不同的外周和中枢视觉通路分别处理。例如，关于形态的信息由腹侧通路处理，从V1传递至颞叶皮层；而关于运动的信息则由背侧通路处理，从V1传递至后顶叶皮层。16因此，使用特定刺激来触发视觉系统不同区域的视觉信息加工。如果儿童能够看到所呈现的特定视觉信息，该信息便会以眼动形式吸引其视觉注意。这些对视觉刺激产生的反射性眼动反应由远程红外眼动仪记录。通过这种方式，眼动指标可提供一种无需交流的、针对多种视觉信息加工质量的评估方法13.
眼动不仅提供了儿童视觉行为的观察数据11，还可用于更客观的结果评估。结合精心设计的测试范式，眼动能够提供关于视觉信息处理的精确且客观的信息。这些信息通过计算基于眼动反应的时间和空间特性的定量参数获得。此类参数的例子包括反应时间13、注视时间17、扫视度量7或累积注意力分配18。这些参数的可获取性为处于早期发育阶段儿童的视觉评估领域带来了新的可能性。
本文旨在介绍一种基于眼动追踪的方法，用于测量6个月龄及以上儿童的视觉信息加工能力。该测量装置与操作流程（即非语言范式、校准后测试及可移动性）特别适用于对存在风险的儿童群体使用该方法。其中关键环节是对定量视觉反应参数的分析，即反应时间、注视持续时间和注视准确性。这些参数可用于建立典型发育儿童视觉引导反应的参考范围，进而刻画存在视觉障碍风险儿童群体的视觉信息加工特征。

<table><tbody><tr><td>Tobii T60 XL</td><td>Tobii Technology: http://www.tobii.com&amp;nbsp;</td><td>http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/</td><td>远程红外眼动仪&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Tobii Studio</td><td>Tobii Technology: http://www.tobii.com&amp;nbsp;</td><td>http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/</td><td>眼动仪分析软件</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks Inc</td><td>http://nl.mathworks.com/products/matlab/</td><td>数据分析软件</td></tr></tbody></table>

一种利用眼动追踪量化儿童视觉信息处理的方法

A Method to Quantify Visual Information Processing in Children Using Eye Tracking

生命早期出现的视觉问题可能对儿童发育产生重大影响。由于缺乏语言交流能力，仅依靠观察方法难以对儿童的视觉问题进行定量评估，这限制了对4岁以下儿童及智力障碍儿童的准确诊断。本文介绍一种可克服上述问题的定量检测方法。该方法采用远程眼动仪结合四选一偏好注视范式，测量儿童对不同视觉刺激的眼动反应。儿童无需头部固定，坐在配备集成红外摄像头的显示器前方。视觉刺激随机呈现在显示器的四个象限之一，每种刺激在背景基础上具有特定的视觉模式， 例如、形态、运动、对比度或颜色。通过分析儿童对这些特定视觉模式产生的反射性眼动反应，计算反应时间、注视准确性和注视持续时间等输出参数，以量化儿童的视觉行为。该方法无需依赖语言交流即可评估视觉信息处理的质量。通过将结果与0至12岁典型发育儿童的参考值进行比较，可对视觉障碍儿童的视觉信息处理能力进行特征描述。该方法所提供的定量信息在临床视觉评估与康复领域具有多方面的优势：参数值可为以下方面提供良好依据：（i）表征早期视觉能力，从而实现早期干预；（ii）比较不同风险群体，并追踪视觉能力的长期发展变化；（iii）为每位儿童建立个体化的视觉特征档案。

本研究方法已应用于两组儿童群体：一组为337名无视觉障碍的对照组儿童（平均年龄（标准差）= 4.8（3.3）岁），另一组为在荷兰皇家荷兰视康中心（Royal Dutch Visio, the Netherlands）招募的119名有视觉障碍的儿童（平均年龄（标准差）= 8.10（2.96）岁）。其中，74名儿童患有眼部视觉障碍，45名儿童患有脑部视觉障碍。所有对照组儿童的结果分别在图4–图6中展示，对应反应时间、注视持续时间和注视区域。参考限值（以黑线表示）通过基于年龄对对照组数据拟合对数函数而建立。这些图表可作为评估视觉障碍儿童视觉处理功能（功能受损或完整）的依据。
参数“注视反应时间”（RTF）可区分有或无视觉障碍的儿童，以及不同类型的视觉障碍。RTF 是指处理视觉信息并执行眼动所需时间的度量指标（具体计算方法参见先前的研究13）。RTF 数值越低，表示眼动反应越快。在0至12岁正常发育儿童群体中，RTF 已显示出良好的重复性13,21,22，在患有不同类型视觉障碍的儿童中亦有类似结果21。图4展示了对照组儿童、脑性视觉障碍（CVI）儿童和眼性视觉障碍（OVI）儿童在不同年龄阶段对动态卡通刺激的平均 RTF 值。与无视觉障碍儿童相比，有视觉障碍儿童的 RTF 值显著更高（平均差异 = 85 毫秒；t = -13.91，p &#60;0.001，Cohen's d = 1.32）；CVI 儿童的 RTF 值也显著高于 OVI 儿童（平均差异 = 99 毫秒；t = -6.90，p &#60;0.001，Cohen's d = 1.25）。这些结果验证了此前在本数据集子组中发表的关于 RTF 的研究发现20,24,25。
<img alt="图4" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig4.jpg" /> 
图4.&#160;存在与不存在视觉障碍儿童的平均 RTF 比较。 以儿童为单位的平均 RTF 值（毫秒，y 轴）随年龄（x 轴）的变化。控制组儿童（空心圆）、OVI 儿童（实心圆）和 CVI 儿童（十字叉）的数值分别显示。黑线表示对照组中 RTF 的上限参考值，高于此线的 RTF 值被视为异常。 即 反应时间较长。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
注视持续时间是指注视点位于目标区域内的总时长。FD 是衡量持续视觉注意力的指标，其数值依赖于刺激呈现时间，在本示例中为 4 秒。注视持续时间（FD）参数还可区分存在不同类型视觉障碍与无视觉障碍的儿童。图5分别展示了对照组儿童、CVI 儿童和 OVI 儿童在不同年龄阶段的平均 FD。存在视觉障碍的儿童 FD 显著短于无视觉障碍儿童（平均差异 = 850 毫秒；t = 11.72，p &#60;0.001，Cohen's d = -1.12），且 CVI 儿童的 FD 显著短于 OVI 儿童（平均差异 = 325 毫秒；t = 2.44，p &#60;0.05，Cohen's d = -0.50）。该结果验证了先前研究中关于存在视觉障碍与无视觉障碍儿童之间的差异（Kooiker MJG et al., 已投稿）。
<img alt="图5" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig5.jpg" /> 
图5.&#160;视觉障碍与无视觉障碍儿童的平均FD比较 每名儿童的平均FD值（毫秒，y轴）随年龄（x轴）的变化。数据分别显示对照组儿童（空心圆）、OVI儿童（黑色实心圆）和CVI儿童（十字叉）。黑色线条表示对照组FD值的下限参考线，低于该线的FD值被视为异常。 即 固定时间较短 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
参数注视固定区域（GFA）对检测眼动控制障碍（尤其是眼球震颤）具有较高的敏感性。GFA表示以度为单位的注视固定区域大小，是衡量注视准确性的指标（具体计算方法参见先前的研究13,23）。较小的注视区域表明较高的注视准确性。GFA取决于刺激物的大小及相应的目标区域（即，在本示例中为6º半径）。已有研究显示，GFA在0至12岁典型发育儿童群体中具有良好的重复性13, 21，也在患有不同类型视觉障碍的儿童中表现出良好的重复性21。图6展示了对照组儿童、患有眼动障碍（眼球震颤）的儿童以及患有视觉障碍但无眼球震颤的儿童在不同年龄阶段对卡通刺激的平均GFA响应。与无视觉障碍的儿童相比，有视觉障碍的儿童GFA值显著更大（即注视准确性更低）（均值差异 = 1.34º；t = -25.09，p &#60;0.001，Cohen's d = 2.37）。此外，伴有眼球震颤的儿童比其他类型视觉障碍但无眼球震颤的儿童注视准确性更低（均值差异 = 0.71º；t = 5.03，p &#60;0.001；Cohen's d = 1.04）。这一结果与此前在本数据集亚组中发表的关于GFA的研究结果一致20,24,25。
<img alt="图6" src="/files/ftp_upload/54031/54031fig6.jpg" /> 
图6.&#160;视觉障碍与无视觉障碍儿童的平均GFA比较 以儿童年龄（x轴）为横坐标，每名儿童的平均GFA值（以度为单位，y轴）的变化趋势。数据分别显示了对照组儿童（空心圆）、伴有眼球震颤的视觉障碍儿童（星号）以及不伴有眼球震颤的视觉障碍儿童（黑色菱形）。黑色实线表示对照组中GFA值的上限参考值，高于此线的GFA值被视为异常。 即 固定准确度低 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54031/54031fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

本文描述了一种基于特定视觉模式下反射性眼动来量化视觉信息处理质量的方法。通过反应时间和注视输出参数，对6个月及以上儿童在有无视觉障碍情况下的视觉功能表现进行表征。

生命早期出现的视觉问题可能对儿童的发育产生重大影响。在缺乏语言交流的情况下，仅依靠观察……

基于眼动追踪的偏好注视法的总体目标是，通过反射性的视觉引导定向反应，量化儿童视觉信息处理的质量。该方法在6个月及以上儿童的临床视觉评估和康复领域具有重要价值。此外，该方法基于对眼动反应的客观测量与分析。这些反应能够提供有关视觉功能的定量信息，且无需依赖语言交流即可获取。反应时间、注视质量等定量视觉处理参数在表征视觉功能方面具有额外价值，尤其适用于年幼儿童及智力障碍儿童。该方法的意义不仅在于刻画健康儿童的视觉处理能力和眼动功能，还可用于识别视觉障碍儿童中存在的异常视觉表现。首先选择一组视觉刺激材料，例如图像或视频，以针对基本的眼动功能和视觉处理功能。使用这些视觉刺激来评估基本的眼动功能，如注视和扫视、平滑追踪以及视动性眼震。接下来，采用基于四选一强制选择偏好注视范式的视觉刺激，其中四个不同的刺激区域分别代表四个可选目标区域。使用这些视觉刺激来评估视觉处理功能，例如同时处理、形状、对比度、颜色或运动。接下来，在眼动仪软件中设计测试序列，选择要添加的刺激类型，可以是图像或视频。具体操作为：从其所在文件夹中选择所需的刺激，然后点击“添加”。重复这些步骤，直至所有刺激均已添加到时间轴中。最后，将不同类型的视觉刺激以随机顺序排列，组成测试序列。确保目标区域的位置在每次试验中交替变化，以诱发参与者朝向目标的反射性眼动。首先选择一种适用于儿童群体的眼动追踪系统，例如采用远程红外光源的系统，并使用可灵活调节的液晶显示器支架将眼动仪显示器固定在稳固的桌面上。选择可沿三个维度移动的支架。引导儿童进入测试房间，将其安置在距离显示器约60厘米的位置，以确保双眼瞳孔追踪的有效性。然后，调整显示器位置，使其与儿童的眼睛垂直。接着，通过屏幕上是否出现两个清晰可见的白点来确认瞳孔接收质量，这两个白点代表儿童的眼睛。启动眼动仪软件校准程序，该程序会在显示器的预设区域显示移动的光点，以校准视线位置。检查此预设校准的质量，以确保能够进行记录。接下来，激活一个名为查看器的独立窗口，该窗口通过将注视信号叠加到视频记录上来选择儿童对测试刺激的眼动反应。启动一个指向儿童的网络摄像头，以观察并记录儿童在测试期间的一般行为。告诉孩子他们将观看电视。然后，实施测试，并观察孩子的身体行为和眼动反应。测试完成后，离线回放注视记录，观察孩子对所呈现刺激的注视反应，以获得其视觉定向行为的定性表征。最后，导出并存储每位受试者记录的基于时间的眼动特征数据，例如注视距离和视线位置，同时单独存储呈现的视觉刺激的基于时间列表，例如刺激位置。在记录完成后，应用事后校准程序，以克服因头部过度移动、缺乏适当注视或异常的视线或头部位置所导致的测试前校准不佳问题。为此，打开分析软件，通过在所选刺激旁输入数字“1”，选择要分析视线数据的刺激。点击运行。在弹出菜单中，选择“对数据进行后校准”选项。然后，从文件列表中选择一名受试者的注视数据，点击打开。在接下来的弹出菜单中，选择要分析的眼部数据：左眼、右眼或双眼，以生成散点图，显示在整个刺激呈现时间内记录的所有注视点与目标位置。然后，根据注视点是否正确地与相应的目标位置重叠，选择“是”或“否”。如果校准不正确，请选择“否”以执行后续校准。通过单击“注视点中心”，或位于垂直和水平轴正中央的中心点，将注视点中心移至显示器中心。通过在四个目标象限中的每一个象限内单击一次注视点中心，将注视位置缩放至对应的目标位置。再次检查注视位置是否与相应的目标位置正确重合。如果校准正确，请选择“是”，以保存校准后的注视数据；否则选择“否”，并重复校准后程序。此外，通过检查注视数据是否符合以下标准以及可视化图表，确认受试者已看到刺激呈现。如果可将刺激归类为已被看到，则在弹出菜单中点击“是”；否则，点击“否”。同时，将属于所呈现刺激的所有注视点绘制在相应的目标象限中。目视检查注视点是否位于正确的象限。最后，在手动核对眼动反应后，使用软件计算三个参数：注视反应时间（RTF）、注视持续时间（FD）和注视区域（GFA）。反应时间（RTF）是衡量处理视觉信息并执行眼动所需时间的指标。在此，使用动态卡通刺激时，视觉障碍儿童的平均RTF值显著高于无视觉障碍儿童。此外，与眼部视觉障碍儿童相比，脑部视觉障碍儿童的RTF值也显著更高。注视持续时间是指注视点位于目标区域内的时间总和。与无视觉障碍的儿童相比，有视觉障碍的儿童其注视持续时间显著更短。此外，与患有眼源性视觉障碍的儿童相比，患有脑源性视觉障碍的儿童其注视持续时间也显著更短。此外，注视区域（Gaze Fixation Area, GFA）是衡量注视准确性的指标，较小的注视区域表明较高的注视准确性。在此，视觉障碍儿童的GFA值显著大于无视觉障碍的儿童。另外，伴有眼球震颤的视觉障碍儿童的GFA值显著大于无眼球震颤的视觉障碍儿童。观看本视频后，您应能够充分理解如何在临床和实践中使用基于眼动追踪的方法。这些方法可用于量化六个月大及以上儿童的视觉信息处理质量。该方案中的关键步骤包括基于偏好注视的刺激材料、眼动追踪数据的后校准能力，以及定量结果指标的可获得性。通过这些方法获得的官方处理参数，有助于长期跟踪视觉发育情况，并监测视觉干预项目的效果。这些方法可提供个体化的视觉功能特征分析，此类分析可用于日常生活中的功能性支持，并根据儿童的具体需求进行个性化定制。

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一种方法来量化视觉信息加工儿童使用眼动追踪

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。...

追踪自闭症幼儿的眼动行为

本文介绍了如何使用眼动追踪方法来研究文本理解过程中的认知活动。内容包括眼动追踪设备的描述、实验刺激材料的设计方法以及实验操作建议。文中提供的信息适用于大多数使用语言刺激材料的研究。...

利用眼动追踪评估文本理解中的认知过程

视觉世界范式通过监测参与者在倾听或说出口语时其在视觉工作区中的眼动，来研究心理语言学中的多种在线加工问题，包括诸如析取语句等语义复杂的陈述。...

利用视觉世界范式中记录的眼动数据探究口语的在线加工过程

幼儿并非被动地观察世界，而是主动探索并积极与周围环境互动。本方案提供了使用头戴式眼动仪记录婴儿和幼儿在自然行为情境下动态视觉环境及视觉注意力的指导原则和实用建议。...

动态行为中儿童动态视觉注意的头戴式眼动追踪研究

这是一项定性比较案例研究，分析了三名参与者观看社交视频场景最初时刻的眼动追踪数据：一名自闭症谱系障碍患者、一名共患注意力缺陷多动障碍患者，以及一名神经发育典型对照个体。...

比较高功能型自闭症谱系障碍儿童、共病注意力缺陷多动障碍儿童及对照组儿童观看社交视频时的眼动追踪数据

采用偏好注视范式的眼动追踪研究可用于探究婴儿对外部视觉世界的初步认知及其注意力发展。...

使用眼动追踪与偏好注视范式探究婴儿对视觉语言的敏感性

该研究提出了一种激活-匹配模型，用于探讨当孤独的观众观看包含理性诉求和情感诉求的弹幕视频时，孤独感如何得到缓解。本方案采用眼动追踪技术记录注视时长和注视点，以评估当内容和弹幕满足情感需求时的满足程度。...

孤独的慰藉：眼动追踪观众观看弹幕视频的研究

我们提出了一种针对参与学习过程的成年人（年龄18至70岁）进行行为分析的实验方案，这些成年人执行旨在促进自我调节学习（Self-Regulated Learning,...

用于成人学习过程行为分析的眼动追踪技术与数据挖掘技术

本文介绍了一种利用眼动追踪系统评估婴幼儿视力的新自动化方法。...

使用眼动追踪系统评估婴幼儿视力的自动化方法

我们提出了一种利用眼动追踪技术监测受试者在基于视觉事件的时间间隔比较（时长感知）任务中眼动行为的实验方案。该方案旨在初步指导如何将受试者在时长感知任务（时间间隔的比较或分辨）中的眼动反应与对刺激本身的眼动反应区分开来。...

视觉时长感知中的眼动：在决策前过程中分离刺激与时间因素

学习使用眼动追踪技术量化儿童视觉信息加工的方法，通过反射性眼动反应评估视觉表现。该方法适用于六个月以上儿童，为临床视觉评估和康复提供客观测量指标。

一种利用眼动追踪量化儿童视觉信息处理的方法

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