Eye tracking børn med autisme

Summary

Eyetracking har længe været brugt til at studere blikket mønstre i typisk-udviklingslandene individer, men de seneste teknologiske fremskridt har gjort sit brug med kliniske populationer, herunder autisme, mere realistisk. Mens eye-tracking børn med autisme kan give indsigt i tidligt symptom manifestationer, det indebærer metodologiske udfordringer. Forslag til bedste praksis til rådighed.

Abstract

Fremkomsten af ​​tilgængelige kommercielle eye-tracking-systemer har givet næring til en hurtig stigning i deres anvendelse i psykologisk og psykiatrisk forskning. Ved at give en direkte, detaljeret og objektivt mål for blik adfærd, har eye-tracking blive et værdifuldt værktøj til at undersøge unormale perceptuelle strategier i kliniske populationer og har været anvendt til at identificere sygdom-specifikke karakteristika ^1, fremme en tidlig identifikation ^2, og informere behandling ³ . I særdeleshed, har efterforskere af autisme spektrum forstyrrelser (ASF) nydt godt af at integrere eye-tracking i deres forsknings-paradigmer ^4-7. Eye-tracking er stort set blevet anvendt i disse undersøgelser for at afsløre mekanismerne bag forringet opgaveløsning ⁸ og unormal hjernefunktion ^9, især i behandlingen af social information ^1,10-11. Mens ældre børn og voksne med ASF omfatter overvægt af forskning på dette område, eye-trackingkan især være nyttigt for at studere små børn med sygdommen, da det giver en non-invasiv værktøj til at vurdere og kvantificere tidlig fremkommende udviklingsmæssige abnormiteter ^2,12-13. Implementering eye-tracking med små børn med ASF, men er forbundet med en række unikke udfordringer, herunder spørgsmål med kompatibel adfærd som følge af specifikke opgave krav og lidelse psykosociale overvejelser. I denne protokol, detalje vi metodiske overvejelser for at optimere forskningen design, datafangst og psykometrisk analyse, mens eye-tracking små børn med ASF. De leverede anbefalinger er også designet til at være mere bredt anvendelig til eye-tracking børn med andre udviklingsforstyrrelser. Ved at tilbyde retningslinjer for bedste praksis på disse områder baseret på erfaringer stammer fra vores eget arbejde, håber vi at kunne hjælpe andre undersøgere gøre forsvarlig forskning design og analyse valg, og samtidig undgå almindelige faldgruber, der kan kompromittere dataerhvervelse mens eye-tracking små børn med ASF eller anden udviklingsmæssige vanskeligheder.

Protocol

1. Eye-tracking udstyr

Selv om en bred vifte af eye-tracking-systemer er kommercielt tilgængelige, dem, der er bedst egnet til at teste børn med ASF har følgende funktioner:

1. Først og fremmest, at eye-tracker skal redegøre for hoved bevægelse, som, hvis ukorrigeret, kan kompromittere integriteten af ​​erhvervede blikket data. Mens mange ældre systemer sikres nøjagtig sporing gennem hovedet stabilisering ved brug af en hage-hvile-eller hovedmonteret systemer (se figur 1), disse muligheder er ikke ideelle eye-tracking løsninger til små børn, der kan modstå bestræbelser på at begrænse hoved bevægelse, eller have udstyr placeret på dem. Heldigvis er de fleste moderne kommercielle infrarøde video eye-tracking-systemer bruger et referencesystem baseret på hornhinden reflekser, der er modstandsdygtig over for mindre hoved bevægelser. Eye-tracking systemer, der enten tilbyder integrerede eller eksterne hoved tracking-løsninger foretrækkes, og er nu bredtly tilgængelige.
2. Diskrete øjet sporingssystemer, som ikke interfererer med testsession anbefales til testning børn med ASD. Disse kan være modeller, der er integreret i en skærm (f.eks Tobii Technology modeller TX300, T60XL eller T120, SensoMotoric Instruments model RED500), eller table-top versioner (f.eks Tobii Technology TX300, X120, Applied Science Laboratories model D6 Optics ; SR Forskning model EyeLink 1000) placeres diskret inden for rækkevidde af deltageren. Som table-top versioner ikke er låst fast i en bestemt skærmstørrelse, de tilbyder større metodisk fleksibilitet, men er mindre automatiseret og kan kræve mere manuel justering.
3. Forskere skal også vælge en eye-tracking system med en samplingfrekvens egnet til at løse deres forskningsresultater spørgsmål. Mest hornhinde refleksion eye-tracking systemer har et minimum sampling rate på 50 Hz (dvs. 50 datapunkter pr sekund), hvilket er tilstrækkeligt for at undersøge små børns perceptuelle PattErns under deres visuelle scanning af statiske billeder ¹³ og dynamiske videoer ^10. Men forskerne er interesseret i subtile oculomotoriske adfærd ¹⁴ (f.eks glat forfølgelse, gain, og / eller udtrykkelige saccades) vil gerne investere i et system med en højere samplingfrekvens (dvs. ≥ 250 Hz). Vær opmærksom på, at nogle systemer, som giver mulighed for flere prøvetagningsfrekvens muligheder, højere samplingfrekvenser ofte er aktiveret på bekostning af den frie hoved bevægelse, hvilket gør det vanskeligere at holde en kinetisk barn inden for eye-tracking rækkevidde. Højere rammehastigheder kræver hurtigere prøveudtagning og behandling af videodata, der opnås typisk ved at beskære billedet fra kameraet. Dette resulterer i en reduktion af den anvendte synsfelt, som derved reducerer række tilladte hovedbevægelse. Forskere, der anvender systemer, der tilbyder forskellige prøvetagningsfrekvens muligheder bør vælge en, der er højt nok til at tage deres forskning spørgsmål, men lav nok til at tillade forventede niveauaf hovedet bevægelse.

2. Test Miljø og stimuli

1. Sparse værelse indretning anbefales til øjeblikkelig eye-tracking miljø for at minimere chancerne for, at barnets opmærksomhed henledes udenfor skærmen. Tilsvarende, et svagt oplyst rum bidrager til at reducere prominens af konkurrerende ikke-display stimuli.
2. Men fordi nogle små børn med ASF kan opleve visuelle og / eller auditive hypersensibiliteter, forskere undgå at teste i et helt mørkt rum, der øger lysstyrken på skærmen eller herunder alt for høj eller skurrende lydeffekter i deres præsentationer, da disse kan være aversiv for nogle børn med ASF og resultere i reduceret test overholdelse. Mørklagte miljøer kan også øge udvidelse af pupillerne, der kan gøre eleven vanskeligere at spore, selvom det kan variere afhængigt af eye-tracking udstyr, der anvendes. For de fleste tilfælde er standard kontorbelysning anbefales.
3. Til ytterligarer mindske risikoen for barnet at blive distraheret væk fra skærmen, bør forsøgslederen ikke være synlig for de deltagende børn. Dette kan opnås ved at placere en skillevæg mellem øjet-tracking station og eksperimentatoren-bemandet værtscomputeren eller ved simpelthen at placere eksperimentatoren af ​​lyset fra deltager. Et andet kamera kan hjælpe forsøgslederen bevare et overblik over deltageren i denne situation. Faktisk er nogle kommercielle eye-trackere integrere et kamera i skærmen, så video af deltageren er videresendt i realtid til værtscomputeren for experimenter overvågning.

3. Procedurer

1. Små børn, især dem med ASF, kan være bekymret for at opleve en roman testmiljø. Mens forudgående kendskab til test rum og / eller forsøgslederen kan hjælpe med at formilde disse følelser, er det ikke altid muligt. På et minimum bør bange børn ledsages af en forælder eller familiar voksen hele test session. I nogle tilfælde bør forskerne være parat til at være tålmodig, mens barnet bliver imødekommet i det nye miljø.
2. Før testen sessionen begynder, kan forsøgslederen vælge at få en børns video eller tegneserie spille på displayet skærmen. Det hjælper ofte gøre barnet føler sig mere tryg og samtidig sikre opmærksomhed rettet mod at teste skærmen. Eksperimentatoren kan derefter drage fordel af barnets fanget opmærksomhed at placere barnet i øjet-tracking område og overgangen direkte i kalibreringen sekvens.
3. Plads til barnet skal give mulighed for lodret justering med henblik på at sikre, at alle børn, uanset højde og kropsholdning, kan placeres inden for eye-tracking rækkevidde. Medens afstanden af ​​stolen fra displayet vil afhænge af størrelsen af ​​skærmen og den ønskede visuelle vinkel, at stolen skal justeres baseret på barnets statur så linje søjre er standardiseret på tværs af alle deltagere. Da ikke alle børn sidder i stolen i nøjagtig samme måde, er det også ofte nødvendigt med en mindre justering deltageren-til-display afstand for at sikre, at hvert barn er placeret i den optimale afstand fra skærmen for at erhverve data af høj kvalitet . Denne afstand vil blive specificeret af eye-tracking producent, og er lettest opnås ved hjælp af en mobil stol.
4. Eksperimentatorer kan først forsøge at få barnet, hvis de små nok, sidde alene i en bulet bil sæde på en justerbar lift eller i en bærbar høj stol, der tillægger justerbar højde kontorstol. Vi har også haft succes med en Rifton stol, især med børn, der har brugt det tidligere i klasseværelset eller hjemme indstillinger, da det er let at placere og hjælper begrænse mobilitet, der kan resultere i tab af data.
5. Børn, der kun forbliver kompatibel, mens du sidder på skødet af de pårørende, eller som kræver, at kroppen støtte pårørende can giver, kan også tilgodeses ved at have plejepersonalet sidde i en kontorstol, der kan hæves eller sænkes for at placere barnet i de standardiserede afstand parametre. Se figur 2 for et eksempel på dette set-up. Statistik vedrørende skød versus stol møde bør altid detail til at analysere mulige forvirrer. For at sikre, at kun barnets øjne er erhvervet af øjet tracker, kan forskerne få hjælpere bære infrarøde-blokering eller uigennemsigtige solbriller, eller blot instruere dem i at lukke øjnene under testen. Pårørende bør også instrueres i at være stille og afstå fra verbalt eller ikke-verbalt at kommunikere med barnet under testproceduren.

Figur 1. Et hoved-monteret eye-tracking system.

Figur 2.

6. For øjet sporingssystemer, der giver forsøgslederen med et vindue deltagerens øjne i området tilladte hovedbevægelse, bør barnets øjne være placeret i midten af ​​vinduet for at øge chancerne for, at øjefølger bevarer et billede i øjet selv hvis barnet slænger, retter eller svajer under testning.
7. Når de er korrekt placeret, bør forsøgslederen begynde kalibreringsproceduren. Som små børn med ASF kan være ude af stand eller uvillige til at følge mundtlige instruktioner at se til specifikke steder på skærmen (som er typisk for mange kalibrerings-sekvenser), kan brugen af ​​dynamiske stimuli, ledsaget af lyd, mere effektivt fange opmærksomheden og dermed resultere i mere præcise blikket data. Typisk en 5-punkts sekvens er kort nok til at tilbageholdebarnets opmærksomhed mens der også tilvejebringes en nøjagtig kalibrering. Eye-tracking studier med spædbørn ofte ansætter kun en 2-punkts kalibrering, mens en 9-punkts kalibrering er typisk for undersøgelser med unge og voksne.
8. Eksperimentatorer kan maksimere barnets visuelle opmærksomhed på skærmen under testen ved at designe en koncis og overbevisende opgave, der har minimal opgave krav (fx en passiv visning opgave). Endvidere kan herunder en inter-stimulus animation med en tilhørende lydeffekt (måske svarende til dem, der anvendes under kalibreringen sekvens) hjælpe omdirigere opmærksom på displayet for børn, hvis opmærksomhed er bortfaldet. Derudover kan placere denne indbyrdes stimulus animation i et forudbestemt sted sikre, at alle visuelle scanning mønstre begynde i det samme sted for alle deltagere.
9. Hvis forskningsopgave er langvarig, kan eksperimentatoren anvende denne indbyrdes stimulus animation som et "anker" til at bestemme, om kalibrering drift forekommer. Typically, hvis drift mere end 3 grader af synsvinklen, bør re-kalibrering skal administreres. Desuden, hvis flere opgaver eller forsøg er inkluderet, er re-kalibrering anbefales mellem hver en til at fjerne drift i løbet af test.

4. Analyse

1. De fleste eye-tracking-systemer giver rådata filer, der indeholder, på et minimum og et tidsstempel, X og Y koordinaterne for det punkt af hensyn (nogle gange begge øjne), afstanden fra skærmen eller stimulus, sammen med et indeks, der karakteriserer en begivenhed eller ændring i stimulus præsentation. Nogle programmer giver også oplysninger om pupildiameter og fiksering målinger.
2. Hvordan man vælger at kondensere den store mængde af rå data, bestemmes af forskningen spørgsmålet. Oftest er målet at karakterisere målinger af fiksering densitet og / eller oculomotoriske dynamik. Men når disse konstruktioner er karakteriseret, kan overordnet konstruktioner, såsom opmærksomhed og hukommelse undersøges under specforsk design forhold.
3. Fiksering Densitet: Mens mange forskellige algoritmer findes der kendetegner fiksering tæthed ^15, alle analysere to primære komponenter: tidslige og rumlige informationer. For eksempel kan en fiksering defineres som det punkt, henviser forbliver inden en diameter på 1 ° af synsvinklen i mindst 100 millisekunder, men disse parametre ofte er forankret ved problemstilling. Almindelige afhængige variable omfatter antallet af fikseringer, gennemsnitlig varighed af fiksering, og total fiksering tid, og den rumlige indretning og / eller sekvens af individuelle optagelser (dvs., scan stier) ^16.
4. Fiksering analyser ofte sker inden for fastlagte "Områder af interesse" (AOI). Forskere kan være interesseret i, om børn med og uden ASF er forskellige i deres fiksering tid til specifikke AOIs (såsom øjne på et ansigt), deres ventetid til første fiksere AOIs, eller i de mønstre i deres blik skifter mellem AOIs. Desuden er de parametre, der anføresi 4,3 kan også anvendes til AOI analyser.
5. Børn med ASF, især dem med funktionsnedsættelse i at opretholde opmærksomhed, ofte udviser mere manglende blikket data end kontrol. Dette kan forekomme på grund af mindre visuel opmærksomhed på skærmen stimuli eller ved overdreven blinker (undertiden fremstillet af en alt for lyst display eller en for mørk testmiljø). For at kontrollere for manglende data forskelle mellem grupperne, kan forskerne ønsker at foretage analysen som en del af blik tid på skærmen i stedet for i absolutte værdier, der kan forveksles med manglende data. Desuden, for at beskytte mod upålidelige data forårsaget af utilstrækkelig prøveudtagning, forskere kræve, at alle deltagere, der indgår i den endelige stikprøve bestå en "mindste tid" afbrudt. Det særlige ved dette cut off, vil variere fra undersøgelsen, men generelt deltagere med mere mangler end registrerede data bør overvejes mistænkte.
6. I modsætning til fiksering analyse, indarbejde hastigheds-baserede algoritmer CHange i euklidisk afstand mellem de efterfølgende optagelser og primært fokusere på saccades. En saccade er indiceret, når hastigheden (afstand / tid) overstiger en vis tærskel. Hvis samtidige optagelser ikke overskrider denne hastighed grænsen for en bestemt periode, er en fiksering angivet.
7. Oculomotoriske Dynamics: Karakterisering oculomotoriske dynamik kræver en høj sampling eye-tracking system, som er tilstrækkelig følsom til subtile ændringer i øjenhøjde og øjenbevægelser. Selv om mange afhængige variable kan undersøges inden for rammerne af oculomotoriske dynamik, herunder saccades, okulær drift og forfølgelse, alle indeks hvile på hastigheden af ​​øjenbevægelser. Karakteriserer denne hastighed er baseret på to ejendomme (dvs. afstand og tid), og dermed giver mulighed for undersøgelse af andre egenskaber ved oculomotoriske dynamik, herunder distribution eller mønster af saccade hastigheder, distribution eller mønster af saccade amplitude, distribution eller mønster af saccade duration, såvel som latensen af ​​saccade og nøjagtigheden af ​​saccade afslutning (dvs. forstærkning). Almindelige paradigmer omfatter visuelt vejledt saccade opgaver, antisaccade opgaver, hukommelses guidede saccade opgaver, og intelligent saccade opgaver. ^{7, 17} Den bevarede litteratur indeholder en stor mængde forskning i saccade dynamik, der kunne drage interesserede forskere ^18-20.

5. Repræsentative resultater

Figur 3. Figur 3 repræsenterer en fiksering kort genereret i forskning af vores gruppe. Vist her er de enkelte optagelser, vist med lilla cirkler, ved et enkelt barn med ASF, mens der har set et statisk billede. Optagelser fra denne og lignende opgaver analyseres på tværs af deltagerne at afgøre, om børn med og uden ASF er forskellige i deres visuelle opmærksomhed på forskellige AOIs.

. Figur 4. Figur 4 viser et eksempel på et slutprodukt, der omfatter mange af de ovenfor beskrevne trin, herunder: 1) påføring af en fiksering filter rå blikket data, 2) at tildele optagelser specifikke AOIs, og 3) at kondensere og sammenligning mønstre optagelser på tværs af en gruppe på typisk udvikle (TD), børn og en gruppe af børn med ASF. Mere specifikt, dette tal viser, at inden for en visuel udforskning paradigme, børn med ASF udforske (dvs. fiksere) færre sociale billeder TD børn, når "High Autisme interesse" (HAI) objekter samtidig vises. Når "Low Autisme interesse" (LAI) objekter bliver præsenteret med sociale stimuli, dog ikke udforskning af sociale billeder ikke signifikant forskellig mellem grupper, tyder på, at social opmærksomhed i ASF moduleres baseret på den relative prominens af konkurrerende stimuli. ²¹

Discussion

Fremkomsten af ​​eye-tracking som en objektiv og tilgængeligt værktøj til at undersøge perceptuelle egenskaber ved psykiatriske lidelser har lettet forskning i den unormale visuelle opmærksomhed og oculomotoriske mønstre, der bidrager til kliniske karakteristika for ASF. En særlig lovende anvendelse af dette arbejde har været at undersøge småbørn med ASF for at fange den tidlige fremkommende udviklingsmæssige mekanismer lidelsen. Mens undersøgelser med denne aldersgruppe er kritiske til belysning af tidlige forløb og karakteristika ASD, at gøre det med traditionelle adfærdsmæssige paradigmer har ofte været en udfordring på grund af de sociale og kommunikative handicaps som findes i denne population. Eye-tracking kan afhjælpe nogle af disse task krav ved at give en direkte og kvantificerbar måling af visuelle præferencer og stirre adfærd. I sidste ende kan denne fremgangsmåde hjælpe afsløre vigtige oplysninger i en kritisk periode i udviklingen af ​​ASD, en proces THAt til gengæld kunne informere tidlig identifikation og intervention indsats.

På trods af disse fordele, er eye-tracking små børn med ASF kompliceres af en række metodiske udfordringer. Den nuværende protokol detaljer retningslinjer for gennemførelse af eye-tracking med denne patientgruppe. Mens de forslag, der er skitseret her, er begrænset til fælles og kommercielt tilgængelige hornhinde-refleksion eye-tracking-systemer, især dem, der ikke begrænser deltager bevægelse og kan korrigere for hoved bevægelse, er de designet til at give generel instruktion for interesserede forskere. Optimal design er ofte specifik undersøgelse, men generelle anbefalinger omfatter valg af udstyr og skabe et testmiljø, der er befordrende for at studere denne population, iværksættelse af procedurer, der minimerer forhindringer og potentielle distraktioner, og forfølge relevante analytiske strategier.

Vedtagelsen af ​​en sådan praksis kan fremskynde eye-tracking forskninghenblik på at undersøge tidligt symptom manifestationer af ASD, men de kan også vedrøre forskergrupper interesseret i eye-tracking små børn mere bredt, herunder spædbørn ^22, samt børn med udviklingsforstyrrelser andre end autisme. Desuden kan forskerne ønsker at bygge videre på disse anbefalinger ved at indarbejde eye-tracking med andre fysiologiske foranstaltninger, såsom EEG, galvanisk hud konduktans og hjerte-rate overvågning, for at give en mere omfattende profil af psychobiological respons. Den øgede tilgængelighed af mobile eye-tracking systemer øger også muligheden for at udvide undersøgelsen af ​​blik adfærd i ASF til mere økologisk gyldige sammenhænge, ​​herunder levende social interaktion. Disse innovative designs forventes at stige i popularitet i de kommende år.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Eye-tracker	Tobii	Tobii 60XL	A stand-alone corneal reflection based system. Eye-tracker is integrated into 24" TFT widescreen monitor. Records at 60Hz. Shown in Figure 2. This is one of several systems that allows for head motion (in this case, within a cubic space of 40x20x27cm from a distance of 60cm, while retaining an average accuracy of ~0.5° of visual angle).
Eye-tracker Control Software	Tobii	Tobii Studio v. 2.1.14
Fixation Analysis Program	Tobii	Tobii Studio v. 2.1.14	Fixation analysis in Figure 3 generated using this program. Output in Figure 4 generated in external software.