1. Sprzęt do okulografii
Choć na rynku dostępnych jest wiele systemów eye-trackingu, te, które najlepiej nadają się do badania małych dzieci z ASD, charakteryzują się następującymi cechami:
- Przede wszystkim okulograf musi uwzględniać ruchy głowy, które w przypadku braku korekty mogą naruszyć spójność pozyskanych danych dotyczących spojrzenia. Choć wiele starszych systemów zapewniało dokładne śledzenie poprzez stabilizację głowy za pomocą podpórki pod brodę lub systemów montowanych na głowie (patrz Rysunek 1), opcje te nie są idealnymi rozwiązaniami w przypadku małych dzieci, które mogą stawiać opór przy próbach ograniczenia ruchów głowy lub nakładania na nie urządzeń. Na szczęście większość nowoczesnych komercyjnych systemów wideo-okulografii na podczerwień wykorzystuje system referencyjny oparty na odbiciach rogówkowych, które są odporne na niewielkie ruchy głowy. Preferowane i obecnie powszechnie dostępne są systemy okulograficzne oferujące zintegrowane lub zdalne rozwiązania śledzenia głowy.
- W przypadku badania dzieci z ASD zaleca się stosowanie nieinwazyjnych systemów okulograficznych, które nie zakłócają przebiegu sesji testowej. Mogą to być modele zintegrowane z monitorem (np. modele Tobii Technology TX300, T60XL lub T120; model SensoMotoric Instruments RED500) lub wersje nablatowe (np. Tobii Technology TX300, X120; model Applied Science Laboratories D6 Optics; model SR Research EyeLink 1000) umieszczone w sposób niepozorny w zasięgu uczestnika. Ponieważ wersje nablatowe nie są przypisane do konkretnego rozmiaru ekranu, oferują one większą elastyczność metodologiczną, ale są mniej zautomatyzowane i mogą wymagać częstszej ręcznej regulacji.
- Badacze powinni również wybrać system okulograficzny o częstotliwości próbkowania odpowiedniej dla stawianych pytań badawczych. Większość systemów okulograficznych opartych na odbiciu rogówkowym posiada minimalną częstotliwość próbkowania 50 Hz (tj. 50 punktów danych na sekundę), co jest wystarczające do badania wzorców percepcyjnych małych dzieci podczas wizualnego skanowania statycznych obrazów13 oraz dynamicznych filmów10. Jednak badacze zainteresowani subtelnymi zachowaniami okulomotorycznymi14 (np. śledzeniem gładkim, wzmocnieniem i/lub sakkadami ekspresowymi) powinni zainwestować w system o wyższej częstotliwości próbkowania (tj. ≥ 250 Hz). Należy pamiętać, że w niektórych systemach oferujących kilka opcji częstotliwości próbkowania, wyższe wartości są często aktywowane kosztem zakresu ruchów głowy, co utrudnia utrzymanie ruchliwego dziecka w zasięgu okulografu. Wyższa liczba klatek wymaga szybszego próbkowania i przetwarzania danych wideo, co zazwyczaj osiąga się poprzez przycinanie obrazu uzyskanego z kamery. Skutkuje to zmniejszeniem wykorzystywanego pola widzenia, co tym samym ogranicza dopuszczalny zakres ruchów głowy. Badacze korzystający z systemów oferujących różne opcje częstotliwości próbkowania powinni wybrać taką, która jest wystarczająco wysoka, aby odpowiedzieć na pytanie badawcze, ale jednocześnie na tyle niska, by umożliwić spodziewany poziom ruchów głowy.
2. Środowisko testowe i bodźce
- Zaleca się minimalistyczną dekorację pomieszczenia w bezpośrednim otoczeniu urządzenia do okulografii, aby zminimalizować ryzyko odciągnięcia uwagi dziecka od ekranu. Podobnie, słabe oświetlenie pokoju pomaga zmniejszyć istotność konkurencyjnych bodźców spoza wyświetlacza.
- Jednakże, ponieważ niektóre małe dzieci z ASD mogą wykazywać nadwrażliwość wzrokową i/lub słuchową, badacze powinni unikać przeprowadzania testów w całkowicie zaciemnionym pomieszczeniu, co potęguje jasność ekranu, a także unikać stosowania zbyt głośnych lub gwałtownych efektów dźwiękowych w prezentacjach, gdyż mogą one być awersyjne dla niektórych dzieci z ASD i skutkować mniejszą współpracą podczas testów. Zaciemnione środowisko może również zwiększyć rozszerzenie źrenic, co może utrudnić ich śledzenie, choć zależy to od zastosowanego sprzętu okulograficznego. W większości przypadków zalecane jest standardowe oświetlenie biurowe.
- Aby dalej zredukować ryzyko rozproszenia uwagi dziecka i odwrócenia jej od ekranu, eksperymentator nie powinien być widoczny dla uczestniczącego dziecka. Można to osiągnąć poprzez umieszczenie przegrody między stanowiskiem okulograficznym a komputerem sterującym obsługiwanym przez eksperymentatora lub po prostu poprzez ustawienie eksperymentatora poza zasięgiem wzroku uczestnika. Druga kamera może pomóc eksperymentatorowi zachować widoczność uczestnika w takiej sytuacji. Rzeczywiście, niektóre komercyjne okulografy integrują kamerę wewnątrz wyświetlacza, dzięki czemu obraz wideo uczestnika jest przesyłany w czasie rzeczywistym do komputera sterującego w celu monitorowania przez eksperymentatora.
3. Procedury
- Małe dzieci, zwłaszcza te z ASD, mogą odczuwać niepokój w związku z przebywaniem w nowym środowisku testowym. Chociaż wcześniejsze zapoznanie się z przestrzenią testową i/lub eksperymentatorem może pomóc złagodzić te uczucia, nie zawsze jest to możliwe. W minimalnym stopniu dzieci odczuwające niepokój powinny być przez cały czas trwania sesji testowej w towarzystwie rodzica lub znajomej osoby dorosłej. W niektórych przypadkach badacze powinni być przygotowani na zachowanie cierpliwości, dopóki dziecko nie przyzwyczai się do nowego otoczenia.
- Przed rozpoczęciem sesji testowej eksperymentator może zdecydować o odtworzeniu na monitorze filmu dla dzieci lub kreskówki. Często pomaga to dziecku poczuć się swobodniej, zapewniając jednocześnie skierowanie uwagi na ekran testowy. Eksperymentator może następnie wykorzystać przyciągniętą uwagę dziecka, aby ustawić je w zasięgu eytrackera i przejść bezpośrednio do sekwencji kalibracji.
- Siedzisko dla dziecka musi umożliwiać regulację pionową, aby zapewnić, że wszystkie dzieci, niezależnie od wzrostu i postawy, mogą zostać ustawione w zasięgu eytrackera. Choć odległość krzesła od wyświetlacza zależy od wielkości ekranu i pożądanego kąta widzenia, wysokość krzesła musi być dostosowana do wzrostu dziecka, aby linia wzroku była zestandaryzowana dla wszystkich uczestników. Ponieważ nie wszystkie dzieci siedzą w krześle w dokładnie taki sam sposób, często konieczne jest również niewielkie skorygowanie odległości uczestnika od wyświetlacza, aby zapewnić, że każde dziecko znajduje się w optymalnej odległości od ekranu dla pozyskania wysokiej jakości danych. Odległość ta jest określona przez producenta eytrackera i najłatwiej ją osiągnąć, korzystając z krzesła mobilnego.
- Eksperymentatorzy mogą najpierw spróbować posadzić dziecko (jeśli jest wystarczająco małe) samotnie w przypiętym foteliku samochodowym na regulowanej platformie podnośnikowej lub w przenośnym krzesełku do karmienia przymocowanym do biurowego krzesła o regulowanej wysokości. Odnieśliśmy również sukces, stosując krzesło Rifton, szczególnie u dzieci, które korzystały z niego wcześniej w klasie lub w domu, ponieważ jest ono łatwe do ustawienia i pomaga ograniczyć ruchliwość, która mogłaby skutkować utratą danych.
- Dzieci, które pozostają posłuszne tylko podczas siedzenia na kolanach opiekuna lub które wymagają wsparcia fizycznego, jakiego może udzielić opiekun, mogą być również zakwaterowane poprzez posadzenie opiekuna na krześle biurowym, którego wysokość można regulować, aby ustawić dziecko w ramach zestandaryzowanych parametrów odległości. Przykład takiej konfiguracji przedstawiono na Rysunku 2. Statystyki dotyczące siedzenia na kolanach w porównaniu do siedzenia na krześle powinny być zawsze zapisywane w celu analizy możliwych zmiennych zakłócających. Aby upewnić się, że eytracker rejestruje wyłącznie oczy dziecka, badacze mogą poprosić opiekunów o założenie okularów przeciwsłonecznych blokujących podczerwień lub nieprzezroczystych, albo po prostu poinstruować ich, aby zamknęli oczy podczas testu. Opiekunowie powinni być również poinstruowani, aby pozostali w bezruchu i powstrzymali się od komunikacji werbalnej lub niewerbalnej z dzieckiem podczas procedury testowej.

Rycina 1. System śledzenia wzroku montowany na głowie.

Rycina 2. Dziecko może siedzieć na kolanach opiekuna, jeżeli wymaga ono fizycznej pomocy w siedzeniu lub jeśli jest to konieczne dla zachowania współpracy.
- W przypadku systemów eyetrackingowych, które zapewniają eksperymentatorowi okno wyświetlające oczy uczestnika w zakresie dopuszczalnego ruchu głowy, oczy dziecka powinny znajdować się w centrum okna, aby zwiększyć szansę na utrzymanie obrazu oka przez eye tracker, nawet jeśli dziecko zgarbi się, wyprostuje lub zacznie kołysać się podczas badania.
- Po prawidłowym ustawieniu eksperymentator powinien rozpocząć procedurę kalibracji. Ponieważ małe dzieci z ASD mogą być niezdolne lub niechętne do stosowania się do instrukcji słownych dotyczących patrzenia w określone miejsca na ekranie (co jest typowe dla wielu sekwencji kalibracyjnych), zastosowanie dynamicznych bodźców z towarzyszącym im dźwiękiem może skuteczniej przyciągnąć uwagę, a tym samym przełożyć się na dokładniejsze dane dotyczące fiksacji wzroku. Zazwyczaj sekwencja 5-punktowa jest wystarczająco krótka, aby utrzymać uwagę dziecka, zapewniając jednocześnie precyzyjną kalibrację. W badaniach eyetrackingowych z niemowlętami często stosuje się kalibrację 2-punktową, natomiast w badaniach z młodzieżą i dorosłymi typowa jest kalibracja 9-punktowa.
- Eksperymentatorzy mogą zmaksymalizować uwagę wizualną dziecka skierowaną na wyświetlacz podczas badania, projektując zwięzłe i angażujące zadanie o minimalnych wymaganiach (np. zadanie pasywnego oglądania). Ponadto wprowadzenie animacji międzybodźcowej z towarzyszącym efektem dźwiękowym (być może podobnym do tych używanych podczas sekwencji kalibracyjnej) może pomóc w przekierowaniu uwagi na ekran w przypadku dzieci, których uwaga osłabła. Dodatkowo umieszczenie tej animacji międzybodźcowej w zdefiniowanej lokalizacji pozwala zapewnić, że wszystkie wzorce skanowania wizualnego będą rozpoczynać się w tym samym punkcie u wszystkich uczestników.
- Jeśli zadanie badawcze jest długie, eksperymentator może wykorzystać tę animację międzybodźcową jako „kotwicę” do ustalenia, czy występuje dryf kalibracji. Zazwyczaj, jeśli dryf przekracza 3 stopnie kąta widzenia, należy przeprowadzić ponowną kalibrację. Ponadto w przypadku zastosowania wielu zadań lub prób zaleca się ponowną kalibrację pomiędzy nimi, aby wyeliminować dryf w trakcie przebiegu badania.
4. Analiza
- Większość systemów eyetrackingowych generuje surowe pliki danych, które zawierają co najmniej znacznik czasu, współrzędne X i Y punktu fiksacji (czasem dla obu oczu), odległość od wyświetlacza lub bodźca, a także indeks charakteryzujący zdarzenie lub zmianę w prezentacji bodźca. Niektóre programy komputerowe dostarczają również informacji o średnicy źrenicy i wskaźnikach fiksacji.
- Sposób kondensacji ogromnej ilości surowych danych zależy od pytania badawczego. Najczęściej celem jest określenie wskaźników gęstości fiksacji i/lub dynamiki okulomotorycznej. Jednak po scharakteryzowaniu tych konstruktów można zbadać konstrukty nadrzędne, takie jak uwaga i pamięć, w określonych warunkach eksperymentalnych.
- Gęstość fiksacji: Choć istnieje wiele różnych algorytmów określających gęstość fiksacji15, wszystkie analizują dwa główne komponenty: informacje czasowe i przestrzenne. Na przykład fiksację można zdefiniować jako pozostawanie punktu fiksacji w obrębie średnicy 1° kąta widzenia przez co najmniej 100 ms, choć parametry te są często dostosowywane do pytania badawczego. Typowe zmienne zależne obejmują liczbę fiksacji, średni czas trwania fiksacji i całkowity czas fiksacji, a także układ przestrzenny i/lub sekwencję poszczególnych fiksacji (tj. ścieżki skanowania)16.
- Analizy fiksacji są często przeprowadzane w obrębie zdefiniowanych „obszarów zainteresowania” (Areas of Interest, AOI). Badaczy może interesować, czy dzieci z ASD i bez ASD różnią się czasem fiksacji na konkretnych AOI (np. na oczach na twarzy), latencją pierwszej fiksacji AOI lub wzorcami przesunięć spojrzenia między AOI. Dodatkowo wskaźniki wymienione w punkcie 4.3 mogą być również stosowane w analizach AOI.
- Dzieci z ASD, szczególnie te z zaburzeniami utrzymania uwagi, często wykazują więcej brakujących danych dotyczących spojrzenia niż grupa kontrolna. Może to wynikać ze zmniejszonej uwagi wizualnej na bodźce wyświetlane na ekranie lub z nadmiernego mrugania (czasami spowodowanego zbyt jasnym wyświetlaczem lub zbyt ciemnym środowiskiem testowym). Aby kontrolować różnice w brakujących danych między grupami, badacze mogą przeprowadzić analizę jako proporcję czasu spojrzenia na ekran zamiast wartości bezwzględnych, które mogą być zaburzone przez brakujące dane. Ponadto, aby zapobiec błędom wynikającym z niewystarczającego próbkowania, badacze powinni wymagać, aby wszyscy uczestnicy włączeni do końcowej próby przekroczyli próg „minimalnego czasu”. Specyfika tego progu będzie różnić się w zależności od badania, ale ogólnie uczestników z większą liczbą danych brakujących niż zarejestrowanych należy uznać za podejrzanych.
- W przeciwieństwie do analizy fiksacji, algorytmy oparte na prędkości uwzględniają zmianę odległości euklidesowej między kolejnymi pomiarami i koncentrują się głównie na sakkadach. Sakkada jest odnotowywana, gdy prędkość (odległość/czas) przekracza określony próg. Jeśli pomiary współbieżne nie przekraczają tego progu prędkości przez określony czas, odnotowywana jest fiksacja.
- Dynamika okulomotoryczna: Charakteryzowanie dynamiki okulomotorycznej wymaga systemu eyetrackingowego o wysokiej częstotliwości próbkowania, który jest wystarczająco czuły na subtelne zmiany pozycji i ruchu oka. Chociaż w ramach dynamiki okulomotorycznej można badać wiele zmiennych zależnych, w tym sakkady, dryf okularny i śledzenie, wszystkie wskaźniki opierają się na prędkości ruchu oka. Określanie tej prędkości bazuje na dwóch właściwościach (tj. odległości i czasie), co pozwala na badanie innych właściwości dynamiki okulomotorycznej, w tym rozkładu lub wzorca prędkości sakkad, rozkładu lub wzorca amplitudy sakkad, rozkładu lub wzorca czasu trwania sakkad, a także latencji sakkady i dokładności zakończenia sakkady (tj. gain). Typowe paradygmaty obejmują zadania sakkadyczne sterowane wizualnie, zadania antysakkadyczne, zadania sakkadyczne sterowane pamięciowo oraz zadania sakkadyczne predykcyjne.7, 17 Istniejąca literatura zawiera obszerny zbiór badań nad dynamiką sakkad, które mogą być pomocne dla zainteresowanych badaczy18-20.
5. Reprezentatywne wyniki

Rycina 3. Rycina 3 przedstawia mapę fiksacji wygenerowaną w badaniach przeprowadzonych przez naszą grupę. Pokazano tutaj poszczególne fiksacje, oznaczone fioletowymi okręgami, jednego dziecka z ASD podczas oglądania statycznego obrazu. Fiksacje z tego oraz podobnych zadań są analizowane w całej grupie uczestników, aby ustalić, czy dzieci z ASD i bez ASD różnią się pod względem uwagi wzrokowej skierowanej na różne AOI.

Rycina 4. Rycina 4 przedstawia przykład produktu końcowego obejmującego wiele opisanych powyżej etapów, w tym: 1) zastosowanie filtra fiksacji do surowych danych o spojrzeniu, 2) przypisanie fiksacji do konkretnych AOI oraz 3) kondensację i porównanie wzorców fiksacji w grupie dzieci rozwijających się typowo (TD) oraz grupie dzieci z ASD. Bardziej szczegółowo, rycina ta wykazuje, że w ramach paradygmatu eksploracji wizualnej dzieci z ASD eksplorują (tj. fiksują wzrok) rzadziej na obrazy społeczne niż dzieci TD, gdy jednocześnie wyświetlane są obiekty o „wysokim zainteresowaniu autystycznym” (HAI). Jednakże, gdy bodźce społeczne są prezentowane wraz z obiektami o „niskim zainteresowaniu autystycznym” (LAI), eksploracja obrazów społecznych nie różni się znacząco między grupami, co sugeruje, że uwaga społeczna w ASD jest modulowana w zależności od względnej istotności konkurujących bodźców.21