Eye tracking Små barn med Autism

Summary

Eye tracking har länge använts för att studera blick mönster i normalt-utveckling av individer, men de senaste tekniska framsteg har gjort sin användning med kliniska populationer, inklusive autism, mer praktiskt genomförbar. Medan eye-tracking små barn med autism kan erbjuda en inblick i tidigt symtom manifestationer, handlar det metodologiska utmaningar. Förslag på bästa praxis finns.

Abstract

Ökningen av tillgängliga kommersiella eye-tracking system har underblåst en snabb ökning av användningen av dem i psykologiska och psykiatriska forskningen. Genom att ge en direkt, detaljerad och objektiv mätning av blick beteende har eye-tracking blivit ett värdefullt verktyg för att undersöka onormala perceptuella strategier i kliniska populationer och har använts för att identifiera sjukdom-specifika egenskaper ^1, främja tidig upptäckt ^2, och informera behandling ³ . I synnerhet har utredare autismspektrumstörningar (ASD) dragit nytta av att integrera eye-tracking i sina forsknings-paradigm ^4-7. Eye-tracking har till stor del använts i dessa studier för att avslöja mekanismerna bakom nedsatt uppgift prestanda ⁸ och avvikande hjärnfunktion ^9, särskilt vid behandling av social information ^1,10-11. Medan äldre barn och vuxna med ASD består huvuddelen av forskningen på detta område, eye-trackingkan vara särskilt användbart för att studera små barn med sjukdomen eftersom den erbjuder en icke-invasiv verktyg för att bedöma och kvantifiera tidiga framväxande utvecklingsmässiga avvikelser ^2,12-13. Implementera eye-tracking med små barn med ASD är emellertid förknippad med ett antal unika utmaningar, bland annat problem med efterlevnad av bestämmelser till följd av specifika uppgiften krav och sjukdom psykosociala överväganden. I detta protokoll, detalj vi metodologiska överväganden för att optimera forskningen design, datainsamling och psykometrisk analys, medan eye-tracking barn med ASD. De ger rekommendationer är också avsedda att vara mer brett tillämpbar för eye-tracking barn med andra funktionshinder. Genom att erbjuda riktlinjer för bästa praxis inom dessa områden baseras på lärdomar som härrör från vårt eget arbete, hoppas vi kunna hjälpa andra forskare att göra god forskning design och val analys och samtidigt undvika vanliga fallgropar som kan äventyra uppgifterFörvärvet medan eye-tracking små barn med ASD eller andra utvecklingsstörningar svårigheter.

Protocol

1. Eye-Tracking utrustning

Även om en rad olika eye-tracking system är kommersiellt tillgängliga, de som är mest bidrar till att testa små barn med ASD delar följande funktioner:

1. Först och främst behöver öga-tracker att ta hänsyn till huvudet rörelse, som om okorrigerat, kan äventyra integriteten i förvärvade blick data. Medan många äldre system säkerställs korrekt spårning genom huvudet stabilisering genom användning av en chin-vila eller Huvudmonterade system (se figur 1), dessa alternativ inte är idealiska eye-tracking-lösningar för små barn som kan motstå ansträngningar för att begränsa huvudrörelser eller har utrustning placeras på dem. Lyckligtvis flesta moderna kommersiella IR video eye-tracking system använder ett referenssystem baserat på hornhinnan reflektioner som är motståndskraftiga mot mindre huvudrörelser. Eye-tracking system som antingen erbjuder integrerade eller på distans lösningar huvud spårning är att föredra och är nu storaly tillgängliga.
2. Diskreta eye-tracking system som inte stör testningen session rekommenderas för att testa barn med ASD. Dessa kan vara modeller som är integrerade i en bildskärm (t.ex. Tobii Technology modellerna TX300, T60XL eller T120, SensoMotoric Instruments modell RED500) eller bordssötningsmedel versioner (t.ex. Tobii Technology TX300, X120, Applied Science Laboratories modell D6 Optik ; SR analysmodell EyeLink 1000) placeras diskret inom räckhåll för deltagaren. Som bordssötningsmedel versionerna inte är låsta till en viss skärmstorlek, erbjuder de ökade metodologiska flexibilitet men är mindre automatiserade och kan kräva mer manuell inställning.
3. Forskare bör också välja en eye-tracking system med en samplingsfrekvens lämplig för att hantera sina frågeställningar. De flesta hornhinnan reflektion eye-tracking system har en minsta samplingshastighet på 50 Hz (dvs. 50 datapunkter per sekund), vilket är tillräckligt för att pröva små barns perceptuella PattERN under deras visuella skanning av statiska bilder ¹³ och dynamiska videor ^10. Men forskarna är intresserade av subtila ögonmuskelförlamningar beteende ¹⁴ (t.ex. slät strävan, förstärkning och / eller uttrycka saccades) kommer att vilja investera i ett system med en högre samplingsfrekvens (dvs. ≥ 250 Hz). Var medveten om att i vissa system som möjliggör flera alternativ samplingsfrekvens, ofta högre samplingsfrekvenser aktiveras på bekostnad av frihet huvudrörelse, vilket gör det svårare att hålla en kinetisk barn inom eye-tracking sortiment. Högre bildfrekvens kräver snabbare provtagning och behandling av videodata, som normalt åstadkommes genom att beskära bilden från kameran. Detta resulterar i en minskning av den använda synfältet, vilket därigenom reducerar området av tillåtna huvudrörelsen. Forskare som använder system som erbjuder olika alternativ provtagning ränta ska välja en som är tillräckligt hög för att ta itu med sin forskning fråga men tillräckligt låg för att möjliggöra förväntade nivåerpå huvudrörelsen.

2. Testmiljö och Stimuli

1. Sparse room inredning rekommenderas för omedelbar eye-tracking miljö för att minimera chanserna för att barnets uppmärksamhet dras utanför skärmen. På samma sätt hjälper ett svagt upplyst rum minska framträdande av konkurrerande icke-display stimuli.
2. Men eftersom vissa barn med ASD kan uppleva visuell och / eller auditiva överkänslighet, forskare undvika att testa i ett helt mörklagt rum som ökar ljusstyrkan på displayen eller med alltför högt eller skärande ljudeffekter i sina presentationer, eftersom dessa kan vara obehaglig för vissa barn med ASD och resultera i minskad testning efterlevnad. Mörka miljöer kan också öka elev dilatation som kan göra eleven svårare att spåra, men detta kan variera beroende på vilken eye-tracking utrustning. För de flesta fall standard kontorsbelysning rekommenderas.
3. Att further att minska risken för att barnet distraheras bort från skärmen, bör försöksledaren inte synliga för de deltagande barn. Detta kan uppnås genom att placera en skiljevägg mellan ögon-spårning stationen och den som utför experimentet-bemannade värddatorn eller genom att helt enkelt placera den som utför experimentet utanför synfältet från deltagaren. En andra kamera kan hjälpa försöksledaren behålla en bild av deltagaren i denna situation. Faktum är att vissa kommersiella ögon-trackers integrera en kamera i displayen så att video deltagaren är förmedlas i realtid till värddatorn för försöksledaren övervakning.

3. Förfaranden

1. Små barn, särskilt de med en ASD, kan vara oroliga att uppleva en ny testmiljö. Medan tidigare kännedom om tester lokaler och / eller försöksledaren kan hjälpa till att blidka dessa känslor, är detta inte alltid möjligt. Som ett minimum bör ängslig barn åtföljas av en förälder eller familiar vuxna hela testet sessionen. I vissa fall bör forskare vara beredd att ha tålamod när barnet blir anpassat sig till den nya miljön.
2. Innan testsession börjar kan försöksledaren välja att få ett barns video eller tecknade spela på bildskärm. Detta hjälper ofta gör barnet känner sig mer tillfreds och samtidigt också uppmärksamheten riktas mot testning displayen. Försöksledaren kan då dra nytta av barnets fångade uppmärksamheten att placera barnet inom eye-tracking sortiment och övergången direkt i kalibreringssekvensen.
3. Sittplatser för barnet måste ge utrymme för vertikal justering för att se till att alla barn, oavsett höjd och hållning, kan placeras inom eye-tracking sortiment. Medan avståndet av stolen från displayen kommer att bero på storleken av skärmen och den önskade synvinkeln, behöver höjden av stolen justeras baserat på barnets resning så att raden av aright är standardiserad i alla deltagare. Eftersom inte alla barn sitta i stolen på exakt samma sätt är det också ofta nödvändigt att något justera deltagare till-display avstånd för att säkerställa att varje barn är placerad på det optimala avståndet från skärmen för att förvärva data av hög kvalitet . Detta avstånd kommer att specificeras av eye-tracking tillverkare och lättast uppnås genom att använda en mobil stol.
4. Praktiker kan först försöka att ha barnet, om den är liten nog, sitter ensam i en bucklig bil plats på en justerbar hiss eller i en bärbar barnstol som fäster justerbar höjd kontorsstol. Vi har också haft framgång med hjälp av en Rifton stol, speciellt med barn som har använt det tidigare i klassrummet eller hemma inställningar eftersom det är lätt att placera och hjälper begränsar rörligheten som kan resultera i förlust av data.
5. Barn som bara fortsätter att följa när man sitter på knä av vårdgivaren eller som behöver kroppen stödja vårdgivaren can ger, kan även tillgodoses genom att ha vårdgivaren sitta i en kontorsstol som kan höjas eller sänkas för att placera barnet inom de standardiserade avstånd parametrar. Se Figur 2 visas ett exempel på denna uppsättning. Statistik över varv kontra sittande på stol bör alltid detaljhandeln för att analysera eventuella förvirrar. För att säkerställa att endast barnets ögon förvärvas av ögat tracker, kan forskarna vårdgivare använda infraröda-blockering eller ogenomskinliga solglasögon, eller helt enkelt instruera dem att blunda under testning. Vårdgivare bör också uppmanas att vara stilla och avhålla sig från verbala eller icke-verbalt kommunicera med barnet under testproceduren.

Figur 1. En på huvudet monterad ögon-följningssystem.

Figur 2.

6. För eye-tracking system som ger försöksledaren med ett fönster som visar deltagarens ögon i området tillåts huvudrörelse, bör barnets ögon placeras i mitten av fönstret för att öka chanserna att ögat trackern kommer att behålla en bild av ögat, även om de underordnade slouches, rätar eller gungar under testningen.
7. När de väl positionerad bör försöksledaren påbörja kalibreringen. Som små barn med ASD kan vara oförmögna eller ovilliga att följa muntliga instruktioner för att se till specifika platser på skärmen (vilket är typiskt för många kalibrering sekvenser), kan användningen av dynamiska stimuli tillsammans med ljud, mer effektivt fångar uppmärksamhet och därmed leda till i mer korrekta blick data. Normalt är en 5-plats sekvensen korta nog för att behållabarnets uppmärksamhet och samtidigt ge en noggrann kalibrering. Eye-tracking studier med spädbarn använder ofta bara en 2-punkts kalibrering medan en 9-punkts kalibrering är typisk för undersökningar med ungdomar och vuxna.
8. Praktiker kan maximera barnets visuella uppmärksamhet på displayen under testningen genom att designa en koncis och övertygande uppgift som har minimala uppgift krav (t.ex. en passiv visning uppgift). Vidare kan även en inter-stimulus animation med en medföljande ljudeffekt (kanske liknande dem som används under kalibreringssekvensen) hjälper omdirigera uppmärksamheten till displayen för barn vars uppmärksamhet har löpt ut. Dessutom kan placera detta mellanstatliga stimulans animering i en på förhand fastställd plats se till att alla visuella skanning mönster börjar på samma plats för alla deltagare.
9. Om forskningen uppgiften är lång, kan försöksledaren använda denna inter-stimulus animation som "ankare" för att avgöra om kalibreringen drift sker. Typically, om drift än 3 grader av siktvinkeln bör omkalibrering ges. Dessutom, om flera uppgifter eller försök ingår, är re-kalibrering rekommenderas mellan varje för att eliminera drift under loppet av testning.

4. Analys

1. De flesta eye-tracking system ger rådata filer som ingår på ett minimum, en tidsstämpel, X och Y koordinater för den punkt när det gäller (ibland båda ögonen), avståndet från skärmen eller stimulus, tillsammans med ett index som kännetecknar en händelser eller förändrade stimulans presentation. Vissa program ger också information om elevens diameter och statistik fixering.
2. Hur man väljer att kondensera den stora mängden rådata bestäms av frågeställningen. Oftast är målet att karakterisera variabler av fixering densitet och / eller okulomotoriska dynamik. Men när dessa konstruktioner kännetecknas kan överordnade konstruktioner såsom uppmärksamhet och minne ska granskas inom specific konstruktionsvillkor.
3. Fixering Densitet: Medan många olika algoritmer finns som kännetecknar fixering densiteten ^15, alla analyserar två primära komponenter: tid och geografisk information. Till exempel kan en fixering definieras som den punkt i beaktande kvar inom en diameter av 1 ° av siktvinkeln för åtminstone 100 millisekunder, även om dessa parametrar är ofta förankrad genom frågeställningen. Vanliga beroende variabler är antalet upptagningar, genomsnittlig löptid fixering, och total fixering tid, och den rumsliga arrangemanget och / eller sekvens av enskilda upptagningar (dvs. scan banor) ^16.
4. Fixering analyser ofta bedrivs inom fördefinierade "Områden av intresse" (AOI). Forskare kan vara intresserad av om barn med och utan ASD skiljer sig fixering tid till särskilda AOIs (såsom ögonen på ett ansikte), deras latens till första fixera AOIs eller i mönstren för deras blick växlar mellan AOIs. Dessutom är statistik listadei 4,3 kan också appliceras på AOI analyser.
5. Barn med ASD, särskilt de med funktionsnedsättningar att klara av uppmärksamhet, uppvisar ofta flera saknade blick data än kontrollerna. Detta kan uppstå på grund av mindre visuell uppmärksamhet åt skärmen stimuli eller av överdriven blinkar (ibland producerad av en alltför ljus display eller en för mörk testmiljö). Att kontrollera för uppgifter som saknas skillnader mellan grupper kan forskarna vill göra analys som en del av blick tiden på skärmen i stället för i absoluta värden som kan förväxlas med uppgifter som saknas. Vidare, i syfte att skydda mot otillförlitliga uppgifter på grund av otillräcklig provtagning, forskare kräva att alla deltagare som ingår i det slutliga provet passera en "minsta tid" avskurna. Specificiteten av denna avskurna varierar genom studier, men i allmänhet deltagare med mer saknade än inspelade data bör övervägas misstänkt.
6. I motsats till fixering analys, velocity-baserade algoritmer införliva lmÅnge i euklidiska avståndet mellan efterföljande inspelningar och fokusera främst på saccades. En saccade indikeras när hastigheten (avstånd / tid) överstiger ett visst tröskelvärde. Om samtidiga inspelningar inte överstiger denna hastighet tröskelvärdet för en viss tid, en fixering anges.
7. Ögonmuskelförlamningar Dynamics: karaktärisera ögonmuskelförlamningar dynamik kräver en hög provtagning eye-tracking system som är tillräckligt känslig för subtila förändringar i ögat position och ögonrörelser. Även om många beroende variabler kan undersökas inom ramen för ögonmuskelförlamningar dynamik, inklusive saccades, okulär Drift och strävan, alla index vila på hastighet ögonrörelser. Karakterisera denna hastighet är baserad på två fastigheter (dvs., avstånd och tid) och därmed gör det möjligt för undersökning av andra egenskaper hos ögonmuskelförlamningar dynamik, inklusive distribution eller mönstret av saccade hastigheter, distribution eller mönster av saccade amplitud, distribution eller mönster av saccade-rörelser duratjon, samt latensen för saccade och noggrannhet saccade uppsägning (dvs vinst). Vanliga paradigm inkluderar visuellt väglett saccade insatser, insatser antisaccade, minne guidade uppgifter saccade, och automatisk uppgifter saccade ^{7, 17} Den bevarade litteraturen innehåller en stor mängd forskning om saccade dynamik som kan dra nytta intresserade forskare ^18-20.

5. Representativa resultat

Figur 3. Figur 3 visar en fixering karta genererats i forskning av vår grupp. Visas här är de enskilda upptagningar och avbildas med lila cirklar, genom ett enda barn med ASD medan du visar en statisk bild. Upptagningar från denna och liknande uppgifter analyseras över deltagarna att bestämma om barn med och utan ASD skiljer sig åt i sin visuella uppmärksamhet till olika AOIs.

. Figur 4 Figur 4 representerar ett exempel på en slutprodukt som innehåller många av de steg som beskrivs ovan, inklusive: 1) att tillämpa en fixering filter på rå blick data, 2) tilldela upptagningar till specifika AOIs, och 3) kondenserar och jämföra mönster upptagningar över en grupp av typiskt att utveckla (TD) barn och en grupp av barn med ASD. Mer specifikt visar denna siffra att inom en visuell undersökning paradigm, barn med ASD utforska (dvs Fixera) färre sociala bilder TD barn när är "Höga Autism intresse" (HAI) objekt samtidigt visas. Då är "Low Autism intresse" (LAI) objekt presenteras med sociala stimuli, men skiljer utforskande av sociala bilder inte signifikant mellan grupperna, vilket tyder på att social uppmärksamhet i ASD moduleras baserat på den relativa framträdande av konkurrerande stimuli. ²¹

Discussion

Framväxten av eye-tracking som en objektiv och tillgänglig verktyg för att undersöka perceptuella egenskaper psykiska störningar har underlättat forskningen om onormala visuella uppmärksamhet och mönster ögonmuskelförlamningar som bidrar till kliniska egenskaper ASD. En särskilt lovande tillämpning av detta arbete har varit att studera små barn med ASD för att fånga tidiga framväxande utvecklingsmässiga mekanismer av sjukdomen. Även om undersökningar med denna åldersgrupp är kritiska för att belysa den tidiga karakteristika och ASD, gör det med traditionella beteenden paradigm har ofta varit en utmaning med tanke på de sociala och kommunikativa funktionsnedsättningar som finns i denna population. Eye-tracking kan lindra en del av dessa arbetsgrupper krav genom att tillhandahålla en direkt och mätbar mått av visuella preferenser och blicka beteende. I slutändan kan detta tillvägagångssätt hjälpa avslöja viktig information under en kritisk period i utvecklingen av ASD, en process that i sin tur kan informera tidig identifiering och insatser insatser.

Trots dessa fördelar är eye-tracking småbarn med ASD kompliceras av ett antal metodologiska utmaningar. De nuvarande protokollet detaljer riktlinjerna för genomförandet eye-tracking med denna population. Medan förslagen som beskrivs här är begränsade till gemensamma och kommersiellt tillgängliga hornhinnan-reflektion eye-tracking system, särskilt de som inte begränsar deltagare rörligheten och kan korrigera för huvud rörelse, de är utformade för att ge generell instruktion för intresserade forskare. Optimal design studerar ofta specifika, men allmänna rekommendationer inkluderar val av utrustning och skapa en testmiljö som bidrar för att studera denna population, genomföra rutiner som minimerar hinder och potentiella distraktioner, och driva lämpliga analytiska strategier.

Antagandet av sådana metoder kan påskynda eye-tracking forskningsyftar till att undersöka tidigt symptom tecken på ASD, men de kan också gälla forskargrupper som är intresserade av eye-tracking småbarn mer allmänt, inklusive spädbarn ^22, samt barn med utvecklingsstörning än autism. Vidare kan forskarna vill bygga vidare på dessa rekommendationer genom att införliva eye-tracking med andra fysiologiska åtgärder, till exempel EEG, galvanisk hud konduktans och hjärt-rate övervakning, för att ge en mer omfattande profil psykobiologiska svar. Den ökande tillgången av mobila eye-tracking-system ökar också möjligheten att utvidga undersökningen av blicken beteende i ASD till mer ekologiskt giltiga sammanhang, bland annat levande social interaktion. Dessa innovativa konstruktioner förväntas öka i popularitet under de kommande åren.

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.