Rastreamento ocular crianças com autismo

Summary

Eye tracking tem sido muito utilizado para estudar padrões de olhar em indivíduos tipicamente de desenvolvimento, mas recentes avanços tecnológicos tornaram a sua utilização com populações clínicas, incluindo autismo, mais viável. Enquanto olho-rastreamento de crianças jovens com autismo pode oferecer uma visão sobre as manifestações dos primeiros sintomas, envolve desafios metodológicos. Sugestões para as melhores práticas são fornecidos.

Abstract

A ascensão da acessíveis comerciais de rastreamento ocular sistemas alimentou um rápido aumento na sua utilização na pesquisa psicológica e psiquiátrica. Ao fornecer uma medida direta, detalhada e objetiva do comportamento olhar, olho de rastreamento tornou-se uma ferramenta valiosa para examinar estratégias perceptivas anormais em populações clínicas e tem sido utilizado para identificar as características específicas de desordem ^1, promover a identificação precoce ^2, e informar o tratamento ³ . Em particular, os pesquisadores de desordens do espectro autista (ASD) beneficiaram da integração de eye-tracking em paradigmas de investigação ^4-7. Eye-tracking tem sido largamente utilizado nesses estudos para revelar mecanismos subjacentes à realização da tarefa prejudicada ⁸ e funcionamento anormal do cérebro ^9, particularmente durante o processamento de informação social ^1,10-11. Enquanto as crianças mais velhas e adultos com ASD compreendem a preponderância de pesquisas nessa área, eye-trackingpode ser especialmente útil para estudar as crianças com o transtorno, pois oferece uma ferramenta não invasiva para avaliar e quantificar início de emergentes anormalidades do desenvolvimento ^2,12-13. Implementação de rastreamento ocular com crianças com ASD, no entanto, está associada a uma série de desafios, incluindo problemas com comportamento compatível resultantes de demandas de tarefas específicas e desordem relacionados considerações psicossociais. Neste protocolo, detalhe que considerações metodológicas para a otimização projeto de pesquisa, aquisição de dados e análise psicométrica enquanto olho-de rastreamento crianças com ASD. As recomendações fornecidas também são projetados para serem mais amplamente aplicável para rastreamento ocular crianças com outras deficiências de desenvolvimento. Ao oferecer diretrizes para as melhores práticas nestes domínios com base em lições derivadas de nosso trabalho, esperamos ajudar os pesquisadores a outros fazer o projeto de pesquisa sólida e opções de análise, evitando as armadilhas comuns que podem comprometer os dadosaquisição enquanto eye-tracking crianças com ASD ou outras dificuldades de desenvolvimento.

Protocol

1. Eye-Tracking Equipamentos

Embora uma variedade de sistemas de rastreamento ocular estão comercialmente disponíveis, aqueles que são mais propícias para testar crianças com ASD partes os seguintes recursos:

1. Em primeiro lugar, o olho-tracker precisa de conta para movimentação da cabeça, que se não corrigida, pode comprometer a integridade dos dados adquiridos olhar. Enquanto muitos sistemas mais antigos assegurado um acompanhamento preciso através de estabilização da cabeça através do uso de um queixo resto ou sistemas de cabeça montada (veja Figura 1), estas opções não são ideais para soluções de rastreamento ocular para crianças pequenas que possam resistir a esforços para restringir o movimento da cabeça, ou dispor de um equipamento colocado em cima deles. Felizmente, mais modernos comerciais infravermelho vídeo eye-tracking sistemas utilizam um sistema de referência com base em reflexões de córnea que são resistentes aos movimentos da cabeça menores. Eye-tracking ou sistemas que oferecem soluções integradas de monitoramento remoto ou de cabeça são os preferidos e agora estão de larguraly disponível.
2. Discretas eye-tracking sistemas que não interferem com a sessão de testes são recomendados para testar crianças com ASD. Estes podem ser modelos que estão integrados dentro de um monitor (por exemplo, modelos Tobii Tecnologia TX300, T60XL, ou T120, modelo Instrumentos SensoMotoric RED500), ou table-top versões (por exemplo, Tobii Tecnologia TX300, X120; Applied Science Laboratories modelo D6 Optics ; SR Research modelo EyeLink 1000) discretamente colocado ao alcance do participante. Como table-top versões não estão presos em um tamanho específico de tela, eles oferecem maior flexibilidade metodológica, mas são menos automatizada e podem exigir um ajustamento mais manual.
3. Os pesquisadores também deve escolher um sistema de rastreamento ocular com uma taxa de amostragem adequada para lidar com suas perguntas de pesquisa. A maioria de córnea reflexão eye-tracking sistemas têm uma taxa de amostragem mínima de 50 Hz (ou seja, 50 pontos de dados por segundo), que é adequada para examinar patt crianças pequenas perceptualRER durante a varredura visual de imagens estáticas e vídeos dinâmicos ^{13 10.} No entanto, os pesquisadores interessados ​​em comportamento oculomotor sutil ¹⁴ (por exemplo, bom ganho de perseguição, e / ou sacadas expressas) vai querer investir em um sistema com uma maior taxa de amostragem (ou seja, ≥ 250 Hz). Esteja ciente de que em alguns sistemas que permitem várias opções de taxa de amostragem, as maiores taxas de amostragem muitas vezes estão habilitados à custa da liberdade de movimento da cabeça, tornando-se mais difícil manter uma criança dentro de cinética de rastreamento ocular intervalo. Taxas de quadros mais altas exigem mais rápida amostragem e processamento de dados de vídeo, que é tipicamente realizadas por cortar a imagem obtida com câmera. Isto resulta numa redução do campo de vista utilizado, o que portanto reduz a amplitude do movimento da cabeça admissível. Os pesquisadores que utilizam os sistemas que oferecem opções de taxa de amostragem diferentes deve selecionar um que é alto o suficiente para resolver a sua questão de pesquisa, mas baixa o suficiente para permitir níveis esperadosde movimentação da cabeça.

2. Ambiente de teste e Estímulos

1. Décor do quarto Sparse é recomendado para o ambiente de rastreamento ocular imediato, a fim de minimizar as chances de que a atenção da criança é desenhado fora da tela. Da mesma forma, uma sala mal iluminada ajuda a reduzir a importância das concorrentes não-exibição estímulos.
2. No entanto, porque algumas crianças com ASD podem experimentar visual e / ou hipersensibilidades auditivas, os pesquisadores devem evitar o teste em uma sala completamente escura que aumenta o brilho da tela ou incluindo efeitos sonoros excessivamente altos ou dissonante em suas apresentações, como estes podem ser aversivo para algumas crianças com ASD e resultado em conformidade testes reduzida. Ambientes escuros podem também aumentar a dilatação da pupila que pode tornar a pupila mais difícil de controlar, embora isto possa variar dependendo do equipamento de rastreamento ocular utilizado. Para a maioria dos casos, a iluminação de escritório padrão é recomendado.
3. Para further reduzir as chances de a criança se distrair longe da tela, o pesquisador não deve ser visível para a criança participar. Isto pode ser conseguido colocando uma partição entre a estação de olho-tracking e ao computador host experimentador-tripulado ou, simplesmente posicionando o experimentador para fora da vista do participante. Uma segunda câmera pode ajudar o pesquisador manter uma visão da participante nesta situação. De fato, alguns comerciais olho-trackers integrar uma câmera dentro do ecrã, de modo que o vídeo do participante é retransmitida em tempo real para o computador host para monitoramento experimentador.

3. Procedimentos

1. As crianças, particularmente aquelas com TEA, podem ficar apreensivo experimentando um ambiente de teste da novela. Enquanto familiaridade prévia com o espaço de ensaio e / ou experimentador pode ajudar a acalmar esses sentimentos, nem sempre isso é possível. No mínimo, apreensivos crianças devem ser acompanhadas pelos pais ou Familiar de adultos em toda a sessão de testes. Em alguns casos, os pesquisadores devem estar preparados para ser paciente enquanto a criança torna-se acomodado ao novo ambiente.
2. Antes da sessão de testes começa, o experimentador pode escolher ter vídeo infantil ou desenho animado jogar no monitor. Isso muitas vezes ajuda a fazer a criança se sinta mais à vontade ao mesmo tempo, garantindo a atenção está voltada para a exibição teste. O experimentador pode então aproveitar capturou a atenção da criança para posicionar a criança dentro de eye-tracking alcance e transição diretamente para a sequência de calibração.
3. O assento para a criança deve permitir a regulação vertical, a fim de assegurar que todas as crianças, independentemente da altura e da postura, pode ser posicionada dentro do olho-tracking intervalo. Enquanto a distância da cadeira a partir do visor irá depender do tamanho do ecrã eo ângulo desejado visual, a altura da cadeira necessita de ser ajustada com base na estatura da criança de modo que linha de sight é padronizada em todos os participantes. Uma vez que nem todas as crianças sentar-se na cadeira em exactamente da mesma maneira, também é muitas vezes necessário para ajustar a distância ligeiramente-participante para o visor, a fim de assegurar que cada criança está posicionado a uma distância óptima a partir do ecrã para a aquisição de dados de alta qualidade . Esta distância será especificado pelo fabricante do olho-tracking, e é mais facilmente conseguida usando uma cadeira móvel.
4. Experimentadores podem primeiro tentar ter o filho, se for pequeno o suficiente, sente-se sozinho em um assento de carro fivela ajustável em um elevador ou em uma cadeira portátil de alta que atribui à altura ajustável cadeira de escritório. Nós também tivemos sucesso usando uma cadeira Rifton, principalmente nas crianças que usaram anteriormente em sala de aula ou em casa, como é fácil para a posição e ajuda a restringir a mobilidade que pode resultar em perda de dados.
5. As crianças que permanecem apenas compatível ao sentar-se sobre o colo do cuidador, ou que requerem do corpo apoiar o cuidador can proporcionar, também podem ser acomodados por ter sit cuidador em uma cadeira de escritório que pode ser levantado ou abaixado para posicionar a criança dentro dos parâmetros distância padronizados. Ver Figura 2 para um exemplo deste set-up. Estatísticas relativas sessão volta contra cadeira deve sempre ser vendido por analisar confunde possíveis. A fim de garantir que apenas os olhos da criança são adquiridas pelo rastreador de olhos, os pesquisadores podem ter cuidadores usar infravermelho bloqueio ou óculos opacos ou simplesmente instruí-los a fechar os olhos durante o teste. Os cuidadores devem também ser instruídos a ficar quieto e abster-se de verbal ou não-verbal se comunicar com a criança durante o procedimento de teste.

Figura 1. A cabeça-montado sistema de eye-tracking.

Figura 2.

6. Para olho-tracking sistemas que proporcionam o experimentador com uma janela exibindo olhos do participante dentro da gama de movimento da cabeça permitido, os olhos da criança deve ser posicionado no centro da janela, a fim de aumentar as hipóteses de o rastreador olho irá reter uma imagem do olho, mesmo que os slouches criança, endireita ou obviamente alteram durante o teste.
7. Uma vez posicionado corretamente, o experimentador deve iniciar o procedimento de calibração. Como crianças com ASD podem ser incapazes ou não querem seguir as instruções verbais a olhar para locais específicos na tela (como é típico de muitas seqüências de calibração), o uso de estímulos dinâmicos, acompanhados de som, podem mais eficazmente captar a atenção e, assim, resultar em dados mais precisos olhar. Tipicamente, uma sequência de 5-ponto é breve suficiente para retera atenção da criança ao mesmo tempo proporcionar uma calibração precisa. Eye-tracking estudos com crianças muitas vezes empregam apenas uma calibração de 2 pontos, enquanto uma calibração de 9 pontos é típico para investigações com adolescentes e adultos.
8. Experimentadores podem maximizar a atenção visual da criança para a exibição durante o teste através da concepção de uma tarefa conciso e atraente, que tem demandas das tarefas mínimas (por exemplo, uma tarefa de visualização passiva). Além disso, incluindo uma animação inter-estímulo com um efeito de som de acompanhamento (talvez semelhantes aos utilizados durante a sequência de calibração) pode ajudar a redireccionar a atenção para o visor para as crianças cujo atenção caducada. Além disso, posicionando esta animação inter-estímulo em um local pré-definido pode assegurar que todos os padrões de varredura visual começam no mesmo ponto para todos os participantes.
9. Se a tarefa de investigação é demorado, o experimentador pode usar esta animação inter-estímulo como uma "âncora" para determinar se deriva de calibração está ocorrendo. Tipicoy, se deriva superior a 3 graus de ângulo visual, a recalibração deve ser administrada. Além disso, se as tarefas múltiplas, ou dos ensaios estão incluídos, re-calibração é recomendado entre cada um para eliminar deriva ao longo do teste.

4. Análise

1. A maioria dos sistemas de rastreamento ocular produzir arquivos de dados brutos que incluem, no mínimo, uma hora, X e Y coordenadas do ponto de respeito (às vezes por ambos os olhos), a distância da tela ou estímulo, juntamente com um índice que caracteriza uma evento ou alteração de apresentação do estímulo. Alguns programas de software também fornecem informações sobre o diâmetro pupilar e métricas de fixação.
2. Como se escolhe para condensar a vasta quantidade de dados brutos é determinado pela pergunta da pesquisa. Na maioria das vezes o objetivo é caracterizar as métricas de densidade de fixação e / ou dinâmica oculomotores. No entanto, uma vez que essas construções são caracterizados, construções superordenado, tais como atenção e memória pode ser examinado sob especificaçãoIFIC condições de projeto.
3. Densidade de Fixação: Enquanto muitos algoritmos diferentes existem que caracterizam a densidade de fixação ^15, todos analisar dois componentes principais: informação temporal e espacial. Por exemplo, uma fixação pode ser definido como o ponto de conta remanescente dentro de um diâmetro de 1 ° de ângulo visual durante pelo menos 100 milissegundos, embora estes parâmetros são frequentemente ancorado por questão de pesquisa. Variáveis ​​dependentes comuns incluem o número de fixações, duração média de fixação, e tempo de fixação total, eo arranjo espacial e / ou sequência de fixações individuais (isto é, os caminhos de digitalização) ^16.
4. Análises de fixação são muitas vezes conduzidos dentro predefinidos "Áreas de Interesse" (AOI). Pesquisadores pode estar interessado em saber se as crianças com e sem ASD diferem em seu tempo de fixação para AOIs específicas (tais como os olhos em uma face), a sua latência para AOIs fixarmos primeiros, ou nos padrões de seu olhar desloca entre AOIs. Além disso, as métricas de listadoem 4,3 pode também ser aplicado para análises AOI.
5. As crianças com ASD, especialmente aqueles com dificuldades em sustentar a atenção, muitas vezes apresentam dados olhar mais falta do que nos controles. Isso pode ocorrer a devida atenção aos estímulos menos visual na tela ou por piscar excessiva (por vezes produzido por uma exibição demasiado brilhante ou um ambiente de teste muito escuro). Para controlar dados perdidos diferenças entre os grupos, os pesquisadores podem querer realizar análise como uma proporção do tempo de olhar na tela em vez de valores absolutos que podem ser confundidos por dados perdidos. Além disso, a fim de proteger contra dados não fiáveis ​​causadas por amostragem insuficiente, os investigadores deve exigir que todos os participantes que estão incluídos na amostra final passar um "tempo mínimo" cortado. A especificidade desta ao corte irá variar de acordo com estudo, mas em geral com os participantes suspeito mais ausente do que os dados registados devem ser considerados.
6. Em contraste com a análise de fixação, a velocidade à base de algoritmos de incorporar o chAnge em distância euclidiana entre as gravações posteriores e se concentram principalmente em sacadas. A sacada é indicada quando a velocidade (distância / tempo) excede um certo limite. Se gravações simultâneas não exceder este limite de velocidade para um período de tempo especificado, a fixação é indicado.
7. Dynamics Oculomotor: Caracterização dinâmica oculomotores requer uma alta de amostragem do sistema de rastreamento ocular que é suficientemente sensível a mudanças sutis na posição dos olhos eo movimento dos olhos. Embora muitas variáveis ​​dependentes podem ser investigadas no âmbito da dinâmica oculomotoras incluindo sacadas, deriva ocular, e de exercício, tudo o resto índices sobre a velocidade de movimento do olho. Caracterizando esta velocidade é baseada em duas propriedades (ou seja, distância e tempo) e, portanto, permite o exame de outras propriedades da dinâmica oculomotores, incluindo a distribuição ou padrão de velocidades sacádicos, a distribuição ou o padrão da amplitude dos movimentos sacádicos, a distribuição ou padrão de saccade duratiónica, bem como a latência de saccade e precisão de terminação saccade (isto é, o ganho). Paradigmas comuns incluem tarefas visualmente guiadas sacádicos, tarefas antisaccade, tarefas de memória guiadas sacádicos e tarefas de Sacada Preditiva. ^{7, 17} A literatura existente contém um grande corpo de pesquisa sobre a dinâmica sacádicos que poderiam se beneficiar pesquisadores interessados ^​​18-20.

5. Os resultados representativos

Figura 3. A Figura 3 representa um mapa de fixação gerada na pesquisa por nosso grupo. Mostrado aqui são as fixações individuais, representados por círculos roxos, por uma única criança com ASD durante a visualização de uma imagem estática. Fixações das tarefas deste e similares são analisados ​​através de participantes para determinar se as crianças com e sem ASD diferem em sua atenção visual para AOIs vários.

. Figura 4 A Figura 4 representa um exemplo de um produto final que inclui muitos dos passos descritos acima, incluindo: 1) aplicação de um filtro de fixação aos dados olhar-primas, 2) a atribuição de fixações para AOIs específicos, e 3) de condensação e comparando os padrões de fixações através de um grupo de desenvolvimento típico (DT) crianças e um grupo de crianças com ASD. Mais especificamente, este número demonstra que dentro de um paradigma de exploração visual, as crianças com ASD explorar (isto é, fixar-se) menos imagens sociais crianças com DT, quando "autismo de alto interesse" (HAI) objetos são simultaneamente exibido. Quando "Baixo autismo interesse" (LAI) os objetos são apresentados estímulos sociais, no entanto, a exploração das imagens sociais não diferem significativamente entre os grupos, sugerindo que a atenção social em ASD é modulada com base na importância relativa dos estímulos concorrentes ^21.

Discussion

O surgimento de eye-tracking como uma ferramenta objetiva e acessível para examinar as características perceptivas de transtornos psiquiátricos tem facilitado a investigação sobre a atenção visual anormal e padrões oculomotores que contribuem para as características clínicas da ASD. Uma aplicação particularmente promissora deste trabalho foi estudar crianças com ASD, a fim de capturar início de emergentes mecanismos de desenvolvimento da doença. Enquanto as investigações com esta faixa etária são fundamentais para iluminar o curso inicial e características dos ASD, fazê-lo com os tradicionais paradigmas de comportamento tem sido muitas vezes um desafio, dadas as deficiências sociais e comunicativas que existem nesta população. Eye-tracking pode aliviar algumas dessas demandas da tarefa, fornecendo uma medida directa e quantificável de preferências visuais e olhar comportamento. Em última análise, essa abordagem pode ajudar a revelar informações importantes durante um período crítico no desenvolvimento da CIA, um processo that por sua vez, poderia informar a identificação precoce e esforços de intervenção.

Apesar destes benefícios, eye-tracking crianças com ASD é complicado por uma série de desafios metodológicos. Os detalhes de protocolo atuais diretrizes para a implementação de rastreamento ocular com essa população. Enquanto as sugestões descritas aqui são limitados comuns e disponíveis comercialmente-reflexão da córnea do olho de rastreamento de sistemas, particularmente aqueles que não restringir os movimentos de participante e pode corrigir o movimento da cabeça, eles são projetados para fornecer instrução geral para pesquisadores interessados. Projeto ideal é frequentemente estudo específico, mas as recomendações gerais incluem selecção de equipamento e criando um ambiente de teste que são favoráveis ​​para o estudo dessa população, a implementação de procedimentos que minimizem os obstáculos e distrações potenciais, e buscar estratégias adequadas de análise.

A adoção de tais práticas podem acelerar a pesquisa de rastreamento ocularpor objetivo analisar as manifestações iniciais de sintomas de autismo, mas eles também podem pertencer a grupos de pesquisa interessados ​​em olho-de rastreamento crianças de forma mais ampla, incluindo crianças ^{de 22,} bem como crianças com deficiências de desenvolvimento que não autismo. Além disso, os pesquisadores podem querer construir em cima dessas recomendações, mediante a incorporação de rastreamento ocular com outras medidas fisiológicas, tais como EEG condutância da pele, galvânica e freqüência cardíaca de monitoramento, para proporcionar um perfil mais abrangente de resposta psicobiológica. A crescente disponibilidade de móveis de rastreamento ocular sistemas também aumenta a possibilidade de alargar o estudo do comportamento olhar em ASD em contextos mais ecologicamente válidas, incluindo a interação social ao vivo. Estes projetos inovadores devem crescer em popularidade nos próximos anos.

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.