This study investigates the spatial navigation challenges faced by visually impaired older adults in complex transportation hubs, using eye-tracking and mixed-reality simulations. Findings demonstrate that age-related neurocognitive declines necessitate evidence-based universal design interventions, including enhanced visual contrast and simplified architectural geometries, to preserve independent mobility.
Artykuł badawczy
Research on Inclusive Wayfinding Systems in Transportation Hubs for Visually Impaired Older Adults
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
As global demographics shift toward an increasingly aged society, the preservation of independent mobility and spatial navigation has emerged as a critical public health priority. This study investigates the spatial exploration behaviors of visually impaired older adults in complex airport terminals, utilizing real-world wayfinding tasks coupled with integrated eye-tracking technology. Through a comparative analysis between a visually impaired elderly cohort and a younger sighted control group, this research quantifies navigational effort via gaze angular velocity (AV), wayfinding duration, and gaze distribution heatmaps. Experimental results indicate that visually impaired older adults exhibit significantly higher gaze AV across all navigational sections, a phenomenon characterized here as a compensatory behavioral response to declining visuospatial function. However, this compensatory mechanism demonstrates a "saturation point" at structurally complex intersections, such as those with acute connection angles, where elderly participants fail to further scale their exploratory efforts. The analysis further reveals that dynamic traffic entities, specifically pedestrians, create an "attentional lock-in" effect that disproportionately suppresses peripheral awareness in older navigators. Correlating these behavioral markers with clinical indicators, including Mean Deviation (MD), Pattern Standard Deviation (PSD), and Useful Field of View (UFOV), this article establishes a logical framework for evidence-based inclusive design. Recommendations focus on geometric simplification of transit nodes, multisensory redundancy, and the integration of adaptive assistance technologies to mitigate the "environmental press" on the aging brain.
Wprowadzenie
The global transition toward an increasingly aged society represents a profound multi-disciplinary challenge for urban infrastructure, public health, and architectural engineering1. According to the World Health Organization (WHO), the population of individuals aged 65 and older is mathematically projected to reach 1.6 billion globally by 20502. Progressing in parallel to this demographic shift is a notable increase in age-related sensory and cognitive impairments3. The Lancet Global Health Commission indicates that approximately 1.1 billion people were living with untreated vision loss in 2020, a figure expected to escalate to 1.8 billion by 20504. In fact, epidemiological statistics suggest that one person in the world becomes functionally blind every 5 s5. Despite these significant demographic trends, visually impaired seniors remain structurally marginalized. It is crucial to acknowledge that "visually impaired older adults" do not constitute a homogeneous group; rather, they represent a highly diverse population characterized by intersecting variables, including varying degrees of sensory loss progression, baseline cognitive reserves, concurrent physical mobility constraints, and differing socioeconomic support systems6.
To systematically analyze the interaction between aging navigators and complex built environments, it is essential to anchor the discourse in M. Powell Lawton's seminal "Environmental Docility Hypothesis," originally conceptualized in 19687. This ecological model of aging posits a dynamic interaction between personal competence (biological health, sensory capacity, and cognition) and environmental press (the demands placed upon the individual by their surroundings)8. The fundamental axiom is that as an individual's internal competence decreases, the characteristics of their physical environment explain a significantly larger share of their behavioral outcomes9. In complex spatial hubs like airports, existing wayfinding systems impose a disproportionately high "navigational tax," rendering independent mobility almost impossible and causing direct "environmental exclusion"10,11.
Spatial navigation is a complex cognitive function coordinated by the hippocampal-entorhinal circuit, frequently described as the brain's internal Global Positioning System (GPS)12. Landmark research in Nature and Science has identified specialized neurons, such as grid cells and place cells, which allow the construction of internal cognitive maps13. However, as the brain ages, these neural representations become increasingly unstable14. High-resolution functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies demonstrate that older adults exhibit lower neural pattern similarity when retrieving spatial information15,16. For visually impaired older passengers, a significant majority of whom rely on static signage in unfamiliar terminals, inadequate wayfinding systems constitute a substantial barrier to independent mobility and social participation. In the long term, such spatial and environmental exclusion directly precipitates severe real-world mobility outcomes, including chronic social isolation, a forced transition to a sedentary lifestyle, and a consequent acceleration of both physical frailty and cognitive decline.
Furthermore, older adults exhibit a "dedifferentiation" of neural patterns, meaning their neural representations of different spatial environments become less distinct, leading to profound difficulties in spatial distance discrimination and allocentric orientation (i.e., the cognitive ability to map and understand the relationship between objects in space independently of one's own physical position)17,18.
Traditional wayfinding assessments primarily rely on post-task questionnaires or observational protocols, which often fail to capture the real-time cognitive workload and transient attentional shifts of users19. Furthermore, conventional studies typically evaluate aging and visual impairment in isolation, utilizing standardized clinical tests that do not reflect the dynamic, multisensory demands of large-scale transit hubs. To bridge this methodological gap, this study proposes an integrated approach combining real-world eye-tracking with mixed-reality (MR) visual impairment simulations. The primary objective of this study is to quantitatively isolate and evaluate the specific navigational burdens placed on older adults with visual impairments in a complex airport terminal. By deploying this dual-modal methodology, we aim to uncover the precise visual and architectural variables that precipitate wayfinding failure, thereby translating behavioral deficits into evidence-based, inclusive design mandates.
Protokół
Wszystkie procedury eksperymentalne z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską. Protokół badania został przeanalizowany i zatwierdzony przez Komitet Etyki Nauki i Technologii Uniwersytetu Tsinghua (Medycyna) (Projekt nr THU01-20250087). Przed włączeniem do badania od wszystkich uczestników uzyskano pisemną świadomą zgodę. Wykorzystane materiały eksploatacyjne i sprzęt zostały wymienione w Tabeli materiałów.
Dwumodalny schemat eksperymentalny
W metodologii zastosowano dwumodalny system weryfikacji, aby uchwycić punkt przecięcia rzeczywistości i upośledzenia funkcji. W pierwszej fazie uczestnicy korzystali z noszonego systemu eye-trackingowego o częstotliwości próbkowania 50 Hz. Urządzenie to rejestrowało dynamikę spojrzenia w wysokiej rozdzielczości, w tym częstotliwość sakad i czas trwania fiksacji, podczas gdy uczestnicy samodzielnie poruszali się po rzeczywistej trasie w terminalu, od wejścia do bramki. W drugiej fazie wykorzystano gogle mieszanej rzeczywistości (MR) mocowane na głowie w celu symulacji patologicznej utraty wzroku. Dzięki shaderom OpenGL działającym w czasie rzeczywistym, system nakładał defekty pola widzenia na obraz otoczenia terminala widziany przez uczestników, odwzorowując charakterystykę zwyrodnienia plamki żółtej (owidnia centralna), jaskry (utrata widzenia obwodowego), retinopatii cukrzycowej (widzenie plamiste) oraz zapalenia treściastego siatkówki (widzenie tunelowe). Aby zidentyfikować konkretne zmienne prowadzące do błędów w nawigacji, wdrożono standardowy projekt macierzy ortogonalnej L9. Ten projekt statystyczny systematycznie oceniał cztery zmienne niezależne, z których każda miała trzy dyskretne poziomy: gęstość informacji (niska, średnia, wysoka), format kodowania (tylko tekst, tylko ikony, hybrydowy), zakłócenia środowiskowe (niskie, umiarkowane, silne) oraz presję czasu (brak, umiarkowana, wysoka). Parametry te pozwoliły na wygenerowanie dziewięciu symetrycznych kombinacji eksperymentalnych. Wraz z jednym nieważonym scenariuszem kontrolnym bazowym, dało to łącznie 10 warunków eksperymentalnych. Aby ograniczyć efekty uczenia sekwencyjnego i błąd przeniesienia, kolejność prezentacji tych 10 scenariuszy była ściśle randomizowana dla każdego uczestnika przy użyciu strategii kwadratu łacińskiego (Supplementary Table 1).
Zadania nawigacyjne i symulacje upośledzenia widzenia
W badaniu zastosowano dwuetapowy aparat metodologiczny. W pierwszej fazie uczestnicy wykonali sekwencję zestandaryzowanych, rzeczywistych zadań z zakresu orientacji przestrzennej (Wejście → Ochrona → Bramka, na wstępnie określonej trasie o długości około 450 m) w działającym terminalu dużego lotniska. Uczestnicy otrzymali instrukcję, aby poruszać się w naturalnym tempie marszu, nie prosząc o zewnętrzną pomoc. Wszystkie sesje eksperymentalne przeprowadzono w zestandaryzowanych dziennych warunkach oświetlenia otoczenia (około 300–500 lux). Każda sesja trwała około 30 min i obejmowała obowiązkowy 5-minutowy okres adaptacji, aby umożliwić uczestnikom przyzwyczajenie się do wagi zestawu nagłownego i wyświetlaczy wizualnych przed rozpoczęciem rejestracji danych. Ciągłe dane dotyczące spojrzeń rejestrowano z częstotliwością próbkowania 50 Hz. Przetwarzanie wstępne danych i analiza operacyjna zostały wykonane przy użyciu dedykowanego oprogramowania do analizy eye-trackingowej. Podczas tej fazy uczestnicy nosili wspomniane okulary do śledzenia wzroku. Przed nawigacją system był indywidualnie kalibrowany dla każdego uczestnika przy użyciu standardowej procedury kalibracji jednopunktowej poprzez powiązaną aplikację sterującą. Próby eksperymentalne rozpoczynano dopiero po wygenerowaniu przez oprogramowanie potwierdzenia udanej kalibracji, co zapewniało próg dokładności mapowania przestrzennego <0,5 stopnia kąta widzenia. Surowe wektory spojrzeń zostały wygładzone za pomocą filtra medianowego (szerokość okna = 3 próbki), aby odizolować wysokoczęstotliwościowy szum sygnału. Fiksacje zdefiniowano operacyjnie przy użyciu algorytmu identyfikacji progu prędkości (I-VT), z progiem prędkości ustawionym na 30 deg/s i minimalnym czasem trwania fiksacji wynoszącym 60 ms. Parametry filtrowania spojrzeń wykluczały okresy utraty sygnału przekraczające 100 ms, wynikające z mrugnięć lub artefaktów sprzętowych. W drugiej fazie, aby ściśle odizolować behawioralny wpływ deficytów wizualnych od ogólnego związanego z wiekiem spadku funkcji poznawczych, tylko młodsza grupa kontrolna osób widzących korzystała z zestawów MR do symulacji specyficznych profili patologicznej utraty wzroku. Poprzez uruchomienie zaprogramowanych w czasie rzeczywistym shaderów OpenGL (opracowanych w standardowym międzyplatformowym silniku gier), system MR nakładał filtry wizualne na środowisko fizyczne. Przed każdym blokiem symulacji zespół badawczy systematycznie weryfikował aktywację shaderów i dokładność przesłonięcia pola widzenia względem zestandaryzowanej fizycznej siatki kalibracyjnej jako niezbędny punkt kontrolny. Aby zapewnić powtarzalność, parametry symulacji oparto na uznanych klinicznych modelach okulistycznych20: zwyrodnienie plamki żółtej symulowano poprzez centralną absolutną scotomę przesłaniającą centralne 10° pola widzenia; jaskrę oraz zapalenie nabłonkowe siatkówki symulowano poprzez różny stopień obwodowego przesłonięcia (widzenie tunelowe ograniczone odpowiednio do apertury centralnej 20° i 10°); natomiast retinopatię cukrzycową odwzorowano przy użyciu randomizowanych, plamistych scotom z jednolitym 40% spadkiem czułości kontrastowej.
Rozwiązywanie problemów metodologicznych i kontrola jakości
Aby zapewnić niezawodność protokołu dualnego, wdrożono rygorystyczne środki kontroli jakości. Kluczowym krokiem dla dokładności śledzenia wzroku było utrzymanie progu precyzji mapowania przestrzennego <0,5 stopnia; dryft kalibracji, będący częstym problemem podczas przedłużonych zadań polegających na chodzeniu w warunkach rzeczywistych, był niwelowany poprzez zaplanowanie obowiązkowych punktów kontrolnych rekalibracji co 10 min. W przypadku symulacji rzeczywistości mieszanej znacznym wyzwaniem technicznym było utrzymanie stabilnej okluzji pola widzenia pomimo ruchów głowy uczestnika. Problem ten rozwiązano, wykorzystując możliwości kotwiczenia przestrzennego gogli MR do sztywnego powiązania shaderów z odległością między źrenicami (IPD) użytkownika oraz poprzez systematyczną weryfikację wyrównania okluzji względem fizycznej siatki kalibracyjnej przed każdą próbą.
Obliczanie średniej prędkości kątowej
Głównym wyekstrahowanym miernikiem ilościowym była średnia prędkość kątowa (AV) spojrzenia, służąca jako operacyjny wskaźnik intensywności skanowania przestrzennego, który potencjalnie odzwierciedla zarówno kompensacyjny wysiłek eksploracyjny, jak i podstawową niepewność nawigacyjną. AV obliczono jako wartość szybkości przemieszczenia kątowego wektora spojrzenia w dyskretnych odstępach próbkowania (Δt = 20 ms, co matematycznie odpowiada sprzętowej częstotliwości próbkowania 50 Hz). Natychmiastową prędkość kątową, oznaczoną jako ω(t), obliczono przy użyciu przefiltrowanych dwuwymiarowych współrzędnych spojrzenia (x, y) na rzutowanej płaszczyźnie wizualnej:
(3)
Wyniki
Ilościowa analiza danych z okulografii wykazała znaczną różnicę w efektywności między głównymi kohortami, wskazując na obszary, w których współczesne projektowanie terminali może w niewystarczający sposób uwzględniać neuropoznawcze starzenie się organizmu. Analiza ilościowa ujawniła istotne różnice w efektywności nawigacji między dwiema kohortami. Grupa osób starszych z zaburzeniami widzenia wymagała znacznie więcej czasu na pokonanie sekwencji od kontroli bezpieczeństwa do bramki w porównaniu z młodszą grupą kontrolną z zachowanym wzrokiem (1092.9 s ± 134.5 s vs. 467.3 s ± 42.1 s; t(60) = 24.62, p < 0.001). Ponadto wskaźniki błędów, zdefiniowane jako wejście do niewłaściwego korytarza wymagające fizycznej korekty kursu, były znacząco wyższe w kohorcie osób starszych z zaburzeniami widzenia (22.8% ± 5.4% vs. 5.2% ± 2.1%; t(60) = 16.85, p < 0.001). Szczegółowe charakterystyki demograficzne i bazowe wskaźniki nawigacyjne w poszczególnych grupach, wraz z ich porównaniami statystycznymi, zostały zestawione w Tabeli 1.
Dane z okulografii i analiza trajektorii
Surowe dynamiki spojrzeń, zarejestrowane przez system eye-trackingowy, dostarczyły informacji na temat dynamiki poszukiwania wizualnego oraz modulowanego obciążenia poznawczego i wewnętrznej dezorientacji w grupie osób starszych. Rysunek 1 przedstawia surowe dane z eye-trackingu oraz wynikające z nich trajektorie eksploracji przestrzennej dla obu grup podczas fazy podejmowania decyzji na głównym skrzyżowaniu korytarzy.
Wskaźniki średniej prędkości kątowej (AV) służyły jako główny wskaźnik obciążenia poznawczego i wysiłku związanego z przeszukiwaniem wizualnym. Grupa osób starszych z zaburzeniami widzenia wykazała znacznie wyższą średnią AV spojrzenia w porównaniu z grupą kontrolną widzącą (129.0 deg/s ± 14.8 deg/s vs. 75.1 deg/s ± 9.3 deg/s; t(60) = 17.24, p < 0.001). Podwyższone tempo próbkowania przestrzennego stanowi ilościowy dowód na zwiększone zapotrzebowanie informacyjne u uczestników z deficytami strukturalnymi pola widzenia. Generowanie map ciepła dodatkowo wyjaśniło te rozbieżności. Osoby widzące z grupy kontrolnej wykazały bardzo wydajne przetwarzanie wizualne typu „top-down”, grupując fiksacje ściśle wokół wysokopoziomowych oznakowań kierunkowych. Z kolei uczestnicy z zaburzeniami widzenia wykazali chaotyczny rozkład spojrzeń typu „bottom-up”. Często fiksowali wzrok na niepomagających w nawigacji elementach strukturalnych, takich jak odblaski na podłodze lub ruch dynamicznych obiektów, całkowicie pomijając krytyczne nadgłowne wskazówki nawigacyjne.
Wizualizacja mapy ciepła uwagi przestrzennej
Generowanie map ciepła dodatkowo uwidoczniło fundamentalną rozbieżność w rozkładzie uwagi między dwiema grupami. Rycina 2 i Rycina 3 przedstawiają porównanie rozkładu spojrzeń przy wejściu do strefy kontroli bezpieczeństwa.
Analiza symulacyjna z perspektywy patologicznej
Zastosowanie shaderów rzeczywistości mieszanej zademonstrowało, w jaki sposób konkretne schorzenia okulistyczne zaburzają proces orientacji w przestrzeni (Tabela 2). Uczestnicy symulujący zwyrodnienie plamki żółtej (AMD) doświadczyli centralnego badanego pola widzenia (skotoma), co zniosło widzenie dołkowe. W konsekwencji odnotowano u nich 45-procentowy wzrost wysokich prędkości obrotu głowy (odchylenie w osi pionowej), aby móc korzystać z widzenia ekscentrycznego, co zmuszało obwodową siatkówkę o niskiej rozdzielczości do interpretacji tekstu w oddali, co często prowadziło do błędnej identyfikacji. W symulacji jaskry (widzenie tunelowe) uczestnicy całkowicie przeoczyli 65% znaków zamontowanych poniżej 1,4 metra, ponieważ ich wąska apertura wizualna była ściśle skupiona na bezpośrednio przylegającej podłodze w celu uniknięcia potknięcia. Retinopatia cukrzycowa poważnie zaburzyła rozpoznawanie symboli na zasadzie postaci (gestalt) z powodu plamistych skotomów, co spowodowało dużą dyspersję spojrzenia. Na koniec, zapalenie siatkówki barwnikowe (RP) znacząco upośledziło aktualizację przestrzenną; ekstremalna utrata widzenia obwodowego ograniczyła ciągły przepływ optyczny związany z integracją ścieżki, co prowadziło do całkowitej „utraty pamięci” w zakresie granic otoczenia za każdym razem, gdy uczestnicy manewrowali wokół dynamicznych obiektów.
DOSTĘPNOŚĆ DANYCH:
Zestawy danych wygenerowane i przeanalizowane podczas niniejszego badania zostały zdeponowane w serwisie Zenodo i są dostępne pod adresem: https://zenodo.org/records/20772473.
Rycina 1: Rejestry danych z eksperymentu ruchu gałek ocznych i analiza eksperymentalna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 2: Wizualizacja mapy ciepła uwagi przestrzennej. Rozkład spojrzeń w widzącej grupie kontrolnej przy wejściu do strefy kontroli bezpieczeństwa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 3: Wizualizacja mapy ciepła uwagi przestrzennej. Rozkład spojrzeń grupy osób starszych z dysfunkcjami wzroku przy wejściu do strefy kontroli bezpieczeństwa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Grupa uczestników | Średni czas trwania (min:sek) | Śr. AV spojrzenia (stop/s) | Wskaźnik błędów (%) |
| Widzące (kontrola) | 07:47.3 | 75.1 | 5.2 |
| Osoby z dysfunkcją wzroku (seniorzy) | 18:12.9 | 129 | 22.8 |
Tabela 1: Metryki nawigacyjne i subiektywne obciążenie pracą w podziale na kohorty.
| Typ symulacji | Kluczowa cecha wizualna | Wpływ behawioralny |
| AMD (zwyrodnienie plamki związane z wiekiem) | Centralny scotom (czarna plama) | Błąd rozpoznawania tekstu bramki głównej; wysoka częstotliwość odchylenia głowy w osi pionowej. |
| Jaskra | Utrata widzenia obwodowego (widzenie tunelowe) | Systematyczny brak oznakowania obiektów pomocniczych (np. wind). |
| Retinopatia cukrzycowa | Kątnaki plamiste i nieregularne | Zaburzenie rozpoznawania znaków; wysoka dyspersja spojrzeń. |
| zwyrodnienie barwnikowe siatkówki | Ekstremalna utrata pola widzenia obwodowego + rozmycie | Utrata kontekstu przestrzennego; niezdolność do powrotu do zadania po rozproszeniu uwagi. |
Tabela 2: Analiza symulacji z perspektywy patologicznej.
Tabela uzupełniająca 1: Projekt macierzy ortogonalnej L9 dla scenariuszy symulacji orientacji w przestrzeni.Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
The transition from raw empirical data to actionable architectural intelligence requires rigorous deductive reasoning. To maintain scientific transparency, the following discussion explicitly delineates between direct behavioral observations measured in our eye-tracking and mixed-reality paradigms, and theoretical extrapolations based on established neurocognitive literature. The primary theoretical discovery of this research is the behavioral manifestation of the "Compensation Ceiling" effect. To understand the elevated AV scores in the elderly cohort, this study applies the Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis (CRUNCH) developed by Reuter-Lorenz. The CRUNCH model posits that the aging brain attempts to counteract declining neural efficiency by over-recruiting cortical resources at lower levels of task demand. In airport wayfinding, this likely manifests as heightened oculomotor activity; visually impaired older subjects exhibited elevated spatial sampling rates (driving AV higher), which may reflect a combination of active compensatory scanning and increased visual uncertainty when attempting to synthesize a coherent map from a degraded sensory environment. However, this compensatory mechanism hits a strict functional plateau. In corridors with acute-angle intersections, younger cohorts scaled their exploration upward to meet the structural demand, whereas the elderly group failed to do so. This drop in adaptability implies a cognitive breakdown; when the environment's complexity exceeds the brain's remaining "reserve," spatial disorientation occurs21.
This suggests that aging navigators may struggle to construct stable structural anchors in complex hubs, potentially leading them to rely on more dispersed and less efficient visual search strategies. Consequently, the elevated gaze AV observed in the visually impaired elderly group suggests an intensified, yet potentially fragmented, visual search strategy to acquire environmental cues, which may accelerate cognitive fatigue and contribute to subsequent decision errors22.
Furthermore, the data revealed a phenomenon of "Attentional Lock-in." Tracking dynamic pedestrians consumed the limited divided-attention capacity of the elderly (quantified by lower UFOV scores), causing them to miss peripheral signage. This is explained by the concept of "foveal load" in visual psychology (the cognitive demand placed on central, high-resolution vision). High cognitive foveal load has been associated with a functional constriction of the peripheral visual field (often referred to as cognitive "tunnel vision," where individuals fail to perceive peripheral spatial cues when central attention is heavily taxed). This dynamic may contribute to a "Search Paradox": as older navigators engage in resource-intensive sampling (higher AV) to compensate for central vision loss, their effective rate of holistic information acquisition appears to decrease. They are looking harder, but seeing less23. It is critical to note, however, that while elevated AV is interpreted here primarily within the framework of compensatory exploration, this behavioral metric inherently confounds multiple underlying states, including localized environmental unfamiliarity, search inefficiency, and cognitive distraction.
While the integration of mobile eye-tracking and MR simulations provides high ecological validity, several methodological limitations must be explicitly acknowledged. Technically, the physical weight of the MR headsets and their constrained field of view (FOV) may introduce artificial biomechanical movement constraints, potentially altering natural gait. Experimentally, simulating pathological visual impairment in healthy young adults assesses acute sensory deprivation, which does not fully replicate the long-term neurocognitive adaptations and compensatory strategies developed by actual visually impaired individuals over the years. Interpretively, as previously noted, AV remains a composite behavioral metric that cannot definitively isolate active compensatory scanning from baseline cognitive disorientation without concurrent subjective self-reporting. Regarding practical implementation and scalability, the extensive calibration requirements and high hardware costs currently limit the rapid deployment of this protocol across larger, more diverse architectural layouts. Future research should prioritize optimizing the reproducibility of these MR paradigms through standardized, open-source shader libraries and the adoption of lighter-weight spatial computing hardware.
These behavioral findings align with existing theoretical frameworks of spatial disorientation. When peripheral vision is eliminated (as in RP simulations), participants lose the continuous optical flow traditionally associated with anchoring internal spatial maps, which may contribute to the observed navigational errors and spatial memory loss. The navigator cannot subconsciously calculate their trajectory and must rely entirely on immediate, redundant visual cues. Therefore, the architectural environment must be systematically simplified to stay below the user's CRUNCH point, acting as an external cognitive prosthesis23.
Based on the empirical findings of this study (e.g., the specific impact of acute-angle intersections and high visual scanning burdens) and established ergonomic literature, this study proposes an inclusive framework. The following recommendations explicitly differentiate between our direct experimental outcomes and supplementary literature-supported guidelines. This framework aims to reduce the "navigational tax" imposed on fragile cognitive systems through standardized environmental interventions.
While the heatmap data highlights the severe negative impact of central scotomas on text recognition, existing accessibility literature suggests that spatial designers should implement verified contrast standards to mitigate this effect. For instance, established guidelines recommend enforcing a Light Reflectance Value (LRV) difference of ≥70% between navigational text and its background. This specific threshold ensures that symbols can be detected by rod cells in the peripheral retina without requiring foveal fixation, which is often obstructed in elderly populations. Furthermore, character height (H) must be scaled according to the viewing distance (D) using the formula H ≥D/100, with a minimum character size of 200 mm for primary directional signs to account for reduced visual acuity24.
To counteract the "Search Paradox" and ensure information is accessible under high cognitive load, critical junction points should introduce dynamic or animated graphics. The human visual system's motion-detection pathways remain highly preserved even when static object recognition fails, allowing a "flickering" arrow or high-saliency symbol to trigger an orienting response24. Additionally, informational signage should be simplified to contain no more than 3 to 4 units of information per panel to prevent the "choice overload" that destabilizes mental maps in aged navigators25.
To address the "Attentional Lock-in" caused by foveal load and the physical constraints of scanning overhead gantries, transportation hubs must mandate a "Dual-Height" wayfinding architecture. Primary 3 m overhead signs must be supplemented with auxiliary identifiers mounted at the 1.4 m to 1.6 m eye-level. This vertical zoning intersects the natural downward-resting gaze vector of an elderly pedestrian, ensuring information is absorbed passively without demanding high-cost saccadic vertical scanning. This redundancy is particularly critical near stairs and elevators, where the visual focus is primarily occupied by ground-level obstacles and physical balance.
Furthermore, to keep cognitive demands below the CRUNCH compensation ceiling, fundamental floorplan geometries must be standardized to right-angle (orthogonal) intersections. This approach eradicates the severe wide-angle scanning burden imposed by acute junctions, which this study identified as a primary failure point for elderly navigators. Standardizing nodes to a symmetric tree-branch structure rather than complex circular layouts fosters environmental legibility and reduces the frequency of "stops" required for spatial re-orientation. Designers should also prioritize "Geometric Polarization", the use of high-contrast pavement markings and large-scale architectural walls, to provide the hippocampal system with stable structural anchors26.
Finally, to compensate for failing medial entorhinal cortex (MEC) grid-cell networks and prevent spatial "memory leaks," wayfinding must transition from discrete checkpoints to continuous, multisensory guidance vectors. Navigational systems should establish an unbroken "wayfinding chain" where each decision point is logically linked to the next. The integration of Augmented Reality (AR) path projection, projecting high-contrast navigational arrows directly onto the physical floor via MR head-mounted displays, dramatically reduces the spatial scanning burden (AV) by providing a persistent egocentric cue27.
For passengers with severe visual impairment, these visual cues must be coupled with acoustic and tactile redundancy. Acoustic beacons utilizing directional sound or chimes at elevator banks can announce location arrivals, effectively bypassing damaged visual cortices28. High-contrast Tactile Walking Surface Indicators (TWSI) should be deployed at primary nodes to provide uninterrupted physical grounding, supporting "path integration" through proprioceptive and vestibular feedback. By aligning environmental "press" with the remaining functional "competence" of the elderly, these mandates fulfill the Universal Design vision of a hub that moves before the people do.
This study highlights the substantial navigational burden placed on visually impaired older adults in complex transportation hubs. By utilizing mixed-reality simulations and real-world eye-tracking, we demonstrated that spatial disorientation in this population primarily manifests as more dispersed and less efficient visual search patterns (elevated AV), rather than merely prolonged navigation times. Furthermore, the current empirical data emphasizes the critical need for clearer, geometrically simpler wayfinding systems, specifically, the implementation of orthogonal intersections and dual-height signage architectures. Future design interventions should prioritize these data-driven geometric and visual simplifications to effectively support the independent mobility of aging populations, avoiding over-reliance on complex theoretical cognitive reserves.
Oświadczenia
The authors have nothing to disclose.
Podziękowania
The authors would like to express their sincere gratitude for the support that made this study possible. This research was funded by the 7th Batch of the 2025 Ministry of Education of the PRC Industry-University Collaborative Education Program, specifically the Kingfar-CES Human Factors and Ergonomics Program under Program No. 20251109. Appreciation is also extended to the Xiamen Academy of Arts and Design at Fuzhou University and Xiamen Rekey Medical Technology Co., Ltd. for providing the collaborative environment necessary to conduct our neurocognitive and spatial navigation simulations.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Airport terminal wayfinding scenarios | Self-developed experimental setup | N/A (self-developed) | Standardized navigation task design for behavioral assessment |
| Microsoft HoloLens | Microsoft, USA | www.microsoft.com/hololens | Simulation of pathological visual impairment in mixed-reality conditions |
| OpenGL shaders | Custom programmed | www.opengl.org | Real-time rendering of simulated visual field defects |
| Tobii Pro Glasses 3 | Tobii Pro, Sweden | www.tobii.com/products/eye-trackers/wearables/tobii-pro-glasses-3 | Real-world eye-tracking data acquisition during wayfinding tasks |
| Tobii Pro Lab | Tobii Pro, Sweden | www.tobii.com/products/software/applications-and-tools/tobii-pro-lab | Recording and analysis of fixation, saccade, and gaze trajectory data |
Bibliografia
- Beard JR, et al. The World report on ageing and health: a policy framework for healthy ageing. Lancet. 2016;387(10033):2145–2154.
- Vollset SE, et al. Fertility, mortality, migration, and population scenarios for 195 countries and territories from 2017 to 2100: a forecasting analysis for the Global Burden of Disease Study. Lancet. 2020;396(10258):1285–1306.
- Swenor BK, Lee MJ, Tian J, Varadaraj V, Bandeen-Roche K. Visual impairment and frailty in older adults. JAMA Ophthalmol. 2020;138(1):11–19.
- Burton MJ, et al. The Lancet Global Health Commission on Global Eye Health: vision beyond 2020. Lancet Glob Health. 2021;9(4):e489–e551.
- Bourne RRA, et al. Causes of blindness and vision impairment in 2020 and trends over 30 years, and prevalence of avoidable blindness in relation to VISION 2020: the Right to Sight: an analysis for the Global Burden of Disease Study. Lancet Glob Health. 2021;9(2):e144–e160.
- Flaxman SR, et al. Global causes of blindness and distance vision impairment 1990-2020: a systematic review and meta-analysis. Lancet Glob Health. 2017;5(12):e1221–e1234.
- Wahl HW, Gerstorf D. Person-environment-behavior research: where we have been, where we are, and where we could be heading. Gerontologist. 2020;60(1):108–112.
- Chaudhury H, Oswald F. Advancing understanding of person-environment interaction in later life: a commentary. J Aging Stud. 2019;51:100808.
- Iwarsson S, Horstmann V, Carlsson G, Oswald F, Wahl HW. Importance of the home environment for healthy aging: a conceptual framework. Gerontologist. 2023;63(3):442–452.
- Jia G, Guo C, Han X, Zhu W, Ji M. Wayfinding behaviors of elderly passengers in airport terminals: an empirical study based on eye-tracking technology. Appl Ergon. 2022;106:103901.
- Chang YC, Chen CF. Meeting the needs of disabled air passengers: factors that facilitate help from airlines and airports. Tour Manage. 2017;63:161–171.
- Lester AW, Moffat SD, Wiener JM, Barnes CA, Wolbers T. The aging navigational system. Neuron. 2017;95(5):1019–1035.
- Rowland DC, Roudi Y, Moser MB, Moser EI. Ten years of grid cells. Annu Rev Neurosci. 2016;39:19–40.
- Stangl M, et al. Compromised grid-cell-like representations in old age as a key mechanism to explain age-related navigational deficits. Curr Biol. 2018;28(7):1108–1115.
- Zheng L, Gao Z, McAvan AS, Isham EA, Ekstrom AD. Hippocampal contributions to novel spatial learning are both age-related and age-invariant. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024;121(3):e2307884120.
- Berron D, et al. Age-related functional changes in domain-specific pathways of the hippocampus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018;115(11):E2595–E2604.
- Koen JD, Rugg MD. Neural dedifferentiation in the aging brain. Trends Cogn Sci. 2019;23(7):547–559.
- Colombo D, et al. Egocentric and allocentric spatial reference frames in aging: a systematic review. Neurosci Biobehav Rev. 2017;80:605–621.
- Wang L, Wang X. Design mechanisms of airport visual guidance systems on passenger wayfinding performance: evidence from causal machine learning and a moderated mediation approach. J Air Transp Manage. 2024;115:102521.
- Churchill A, Dada E, de Barros AG, Wirasinghe SC. Quantifying and validating measures of airport terminal wayfinding. Journal of Air Transport Management. 2008;14(3):151–158.
- Jones PR, Somoskeöy T, Chow-Wing-Bom H, Crabb DP. Seeing other perspectives: evaluating the use of virtual and augmented reality to simulate visual impairments (OpenVisSim). npj Digital Medicine. 2020;3(1):32.
- Cabeza R, et al. Maintenance, reserve and compensation: the cognitive neuroscience of healthy ageing. Nat Rev Neurosci. 2018;19(11):701–710.
- Ringer RV, Throneburg Z, Johnson AP, Kramer AF, Loschky LC. Impairing the useful field of view in natural scenes: tunnel vision versus general interference. J Vis. 2016;16(2):1167.
- Legge GE, Chung STL. Low vision and reading: what makes a letter legible? Vision Res. 2016;129:117–130.
- Theeuwes J. Goal-driven, stimulus-driven, and history-driven selection. Curr Opin Psychol. 2019;29:97–101.
- Cowan N. The many faces of working memory and short-term storage. Psychon Bull Rev. 2017;24(4):1158–1170.
- Spiers HJ, Gilbert SJ. Solving the detour problem in navigation: a model of prefrontal and hippocampal interactions. Front Hum Neurosci. 2015;9:125.
- Rehman U, Cao S. Augmented-reality-based indoor navigation: a comparative analysis of handheld devices versus Google Glass. IEEE Trans Hum-Mach Syst. 2017;47(1):140–151.