Eye Tracking jonge kinderen met autisme

Summary

Eye tracking is al lange tijd gebruikt om de blik te bestuderen, in het algemeen-de ontwikkeling van individuen, maar recente technologische vooruitgang hebben gemaakt het gebruik ervan met klinische populaties, met inbegrip van autisme, meer haalbaar is. Terwijl de eye-tracking jonge kinderen met autisme kan inzicht bieden in vroeg symptoom manifestaties, het gaat om methodologische uitdagingen. Suggesties voor best practices zijn aanwezig.

Abstract

De opkomst van toegankelijke commerciële eye-tracking-systemen heeft geleid tot een snelle toename van het gebruik ervan in psychologisch en psychiatrisch onderzoek. Door het verstrekken van een directe, gedetailleerde en objectieve maatstaf voor de blik van gedrag, is eye-tracking uitgegroeid tot een waardevol instrument voor de behandeling van abnormale perceptuele strategieën in klinische populaties en is gebruikt om de aandoening-specifieke kenmerken ¹ te identificeren, vroege identificatie ² te bevorderen en behandeling ³ op de hoogte . In het bijzonder, hebben onderzoekers van autisme spectrum stoornissen (ASS) geprofiteerd van de integratie van eye-tracking in hun onderzoek paradigma ^4-7. Eye-tracking is grotendeels gebruikt in deze studies om mechanismen ten grondslag liggen aan een verminderde taakuitvoering ⁸ en abnormaal functioneren van de hersenen ⁹ onthullen, met name tijdens het verwerken van sociale informatie ^1,10-11. Terwijl de oudere kinderen en volwassenen met ASS bestaan ​​uit het overwicht van het onderzoek op dit gebied, eye-trackingkan vooral nuttig zijn voor het bestuderen van jonge kinderen met de aandoening, omdat daarmee een niet-invasieve tool voor het beoordelen en te kwantificeren vroeg opkomende ontwikkeling van afwijkingen ^2,12-13. Uitvoering van eye-tracking met jonge kinderen met ASS, echter, wordt geassocieerd met een aantal unieke uitdagingen, waaronder problemen met compliant gedrag dat voortvloeit uit de specifieke taakeisen en wanorde psychosociale overwegingen. In dit protocol hebben we detail methodologische overwegingen voor het optimaliseren van onderzoeksopzet, data-acquisitie en psychometrische analyse, terwijl eye-tracking jonge kinderen met ASS. De verstrekte aanbevelingen zijn ook ontworpen om meer breed toepasbaar voor de eye-tracking kinderen met andere ontwikkelingsstoornissen zijn. Door het aanbieden van richtlijnen voor beste praktijken op dit gebied op basis van lessen die zijn afgeleid van ons eigen werk, hopen we helpen andere onderzoekers te maken gedegen onderzoek ontwerp en de analyse keuzes terwijl het vermijden van valkuilen die in gevaar kunnen brengen van gegevensverwerving, terwijl eye-tracking jonge kinderen met ASS of andere ontwikkelingsstoornissen.

Protocol

1. Eye-tracking apparatuur

Hoewel een verscheidenheid van eye-tracking-systemen zijn commercieel verkrijgbaar, die het meest bevorderlijk zijn voor het testen van jonge kinderen met ASS hebben de volgende functies:

1. Eerst en vooral, de eye-tracker rekening moet worden gehouden voor het hoofd beweging, die, indien niet wordt ingegrepen, kan afbreuk doen aan de integriteit van de verworven blik gegevens. Hoewel veel oudere systemen gegarandeerd nauwkeurige tracking door het hoofd van stabilisatie door het gebruik van een kin-rest of het hoofd gemonteerde systemen (zie figuur 1), deze opties zijn niet ideaal eye-tracking oplossingen voor jonge kinderen die kunnen weerstaan ​​inspanningen om hoofdbewegingen te beperken, of hebben apparatuur die op hen. Gelukkig zijn de meeste moderne commerciële infrarood video eye-tracking systemen maken gebruik van een referentie-systeem op basis van het hoornvlies reflecties die bestand zijn tegen kleine hoofdbewegingen. Eye-tracking systemen die ofwel bieden geïntegreerde of externe head tracking-oplossingen hebben de voorkeur en zijn nu breedly beschikbaar.
2. Onopvallend eye-tracking systemen die niet interfereren met de testsessie worden aanbevolen voor het testen van kinderen met ASS. Dit kunnen modellen die zijn geïntegreerd in een display monitor (bijv. Tobii Technology modellen TX300, T60XL of T120; sensomotorische Instruments model RED500), of table-top versies (bijv. Tobii Technology TX300, X120, Applied Science Laboratories model D6 Optics ; SR Research model EyeLink 1000) geplaatst onopvallend binnen het bereik van de deelnemer. Als table-top-versies zijn niet opgesloten in een bepaalde grootte van het scherm, ze bieden meer methodologische flexibiliteit, maar zijn minder geautomatiseerd en kunnen meer handmatige aanpassing vereisen.
3. Onderzoekers moeten ook kiezen voor een eye-tracking systeem met een sampling rate geschikt is voor het aanpakken van hun onderzoeksvragen. De meeste cornea-reflectie eye-tracking-systemen hebben een minimale bemonsteringsfrequentie van 50 Hz (dat wil zeggen, 50 meetpunten per seconde), dat passend is voor de behandeling van jonge kinderen perceptuele PattErns tijdens hun visuele scannen van statische beelden ¹³ en dynamische video's ^10. Toch zijn de onderzoekers geïnteresseerd zijn in subtiele oculomotorische het gedrag van ¹⁴ (bv., glad streven, te verwerven, en / of express saccades) zal willen investeren in een systeem met een hogere sampling rate (dwz ≥ 250 Hz). Wees ervan bewust dat in sommige systemen die het mogelijk maken voor verschillende sampling rate opties, vaak hoger is sampling rates in staat worden gesteld ten koste van de vrijheid van beweging van het hoofd, waardoor het moeilijker om een ​​kinetische kind te houden binnen de eye-tracking bereik. Hogere frame rates nodig hebben sneller de bemonstering en de verwerking van video-data, die doorgaans wordt bereikt door het bijsnijden van het beeld verkregen van de camera. Dit resulteert in een vermindering van de gebruikte gezichtsveld, die daardoor vermindert de reeks toelaatbare hoofdbewegingen. Onderzoekers die gebruik maken van systemen die verschillende sampling rate opties te bieden moet er een die hoog genoeg is om de onderzoeksvraag aan te pakken, maar laag genoeg om voor verwachte niveauvan de beweging van het hoofd.

2. Testen Milieu en stimuli

1. Sparse kamer inrichting is aan te bevelen voor de onmiddellijke eye-tracking-omgeving, om de kans dat het kind de aandacht wordt gevestigd buiten het scherm te minimaliseren. Ook een slecht verlichte kamer helpt de saillantie van concurrerende niet-display stimuli.
2. Echter, omdat sommige jonge kinderen met ASS kunnen ervaren visuele en / of auditieve overgevoeligheden, onderzoekers moet het testen te vermijden in een volledig verduisterde kamer die de helderheid van het scherm of met overdreven hard of schokkend geluidseffecten in hun presentaties verhoogt, want deze kunnen aversieve zijn voor sommige kinderen met ASS en resulteren in verminderde het testen van de naleving. Donkere omgevingen kan ook toenemen pupilverwijding die kan de leerling moeilijker op te sporen, maar dit kan variëren afhankelijk van de gebruikte eye-tracking apparatuur. Voor de meeste gevallen wordt standaard kantoorverlichting aanbevolen.
3. Om further de kansen van het kind wordt afgeleid uit de buurt van het scherm, moet de onderzoeker niet zichtbaar zijn voor de deelnemende kind. Dit kan worden bereikt door het plaatsen van een scheidingswand tussen de eye-tracking station en de experimentator-bemande host-computer of door simpelweg het plaatsen van de onderzoeker uit het zicht van de deelnemer. Een tweede camera kan helpen bij de experimentator te behouden uitzicht op de deelnemer in deze situatie. Sterker nog, sommige commerciële eye-trackers te integreren een camera in het scherm, zodat video van de deelnemer wordt doorgegeven in real-time naar de host computer voor experimentator monitoring.

3. Procedures

1. Jonge kinderen, vooral die met een ASD, kan zijn bezorgd over het ervaren van een nieuwe testomgeving. Hoewel voorafgaande kennis van de testruimte en / of kunnen helpen experimentator deze gevoel verzachten, is dit niet altijd mogelijk. Op zijn minst moet beducht kinderen worden begeleid door een ouder of familiar volwassen gehele testsessie. In sommige gevallen dient de onderzoekers bereid om geduldig te zijn terwijl het kind wordt aangepast aan de nieuwe omgeving.
2. Voordat de test sessie begint, kan de onderzoeker kiezen om een ​​voor kinderen video of cartoon te spelen op de monitor te hebben. Dit helpt vaak het kind meer op hun gemak voelen en te zorgen voor de aandacht is gericht op het testen display. De onderzoeker kan dan gebruik maken van de gevangen van het kind aandacht voor het kind te positioneren binnen de eye-tracking bereik en de overgang direct in de kalibratieprocedure.
3. Zitplaatsen voor het kind kunnen in verticale richting om te waarborgen dat alle kinderen, ongeacht de lengte en positie, kan worden tussen eye-tracking bereik. Terwijl de afstand van de stoel van het scherm zal afhangen van de grootte van het scherm en de gewenste gezichtsveld, de hoogte van de stoel moet worden aangepast op basis van het kind gestalte zodat lijn isechts is gestandaardiseerd over alle deelnemers. Omdat niet alle kinderen in de stoel zitten in precies dezelfde wijze is het ook vaak nodig enigszins aanpassen deelnemer te weergave afstand zodat elke kind zich op een optimale afstand van het scherm voor het verkrijgen van hoge kwaliteit data . Deze afstand wordt bepaald door het oog-tracking fabrikant en wordt het gemakkelijkst bereikt door een mobiele stoel.
4. Onderzoekers kan eerst proberen om het kind te hebben, als klein genoeg is, zitten alleen in een geknikte autostoeltje op een verstelbare lift of op een draagbare hoge stoel die hecht aan de in hoogte verstelbare bureaustoel. We hebben ook succes gehad met een Rifton stoel, in het bijzonder met kinderen die gebruik hebben gemaakt van het eerder in de klas of thuis instellingen, want het is gemakkelijk te plaatsen en het helpt de mobiliteit die kunnen leiden tot verlies van gegevens.
5. Kinderen die alleen maar blijven voldoen terwijl het zitten op de schoot van de mantelzorger, of die behoefte hebben aan het lichaam te ondersteunen de zorgverlener can van de passagiers kan worden ondergebracht door het hebben van verzorger zitten in een bureaustoel die kan worden verhoogd of verlaagd om het kind te positioneren binnen de gestandaardiseerde afstand parameters. Zie figuur 2 een voorbeeld van deze opstelling. Statistieken betreffende ronde versus stoel zitten moet altijd in de detailhandel voor het analyseren van mogelijke verwart. Om ervoor te zorgen dat alleen het kind de ogen van zijn verworven door de eye tracker, kunnen onderzoekers hebben hulpverleners te dragen infrarood-blocking of ondoorzichtig zonnebril, of gewoon de opdracht om hun ogen te sluiten tijdens het testen. Zorgverleners moeten ook worden geïnstrueerd om stil te zijn en zich onthouden van verbaal of non-verbaal communiceren met het kind tijdens de testprocedure.

Figuur 1. Een head-mounted eye-tracking-systeem.

Figuur 2.

6. Voor de eye-tracking systemen die de experimentator te voorzien van een venster met de deelnemer de ogen binnen het bereik van de toegestane beweging van het hoofd, moet het kind de ogen worden geplaatst in het midden van het venster, om de kansen te vergroten dat de eye tracker zal een beeld te behouden van het oog, zelfs als het kind slouches, rechtzetten of zwaait tijdens het testen.
7. Eens goed geplaatst is, moet de onderzoeker beginnen met de kalibratie procedure. Als jonge kinderen met ass mogelijk niet in staat of niet bereid om verbale instructies te volgen om te kijken naar specifieke locaties op het scherm (zoals kenmerkend is voor veel kalibratie-sequenties), kan het gebruik van dynamische stimuli, vergezeld van geluid effectiever vast te leggen aandacht en dus leiden in nauwkeuriger blik data. Typisch, een 5-punts sequentie kort genoeg te behoudenhet kind de aandacht, terwijl ook het verstrekken van een nauwkeurige kalibratie. Eye-tracking studies met baby's maken vaak gebruik van slechts een 2-punts kalibratie terwijl een 9-punts kalibratie is typisch voor onderzoeken met adolescenten en volwassenen.
8. Onderzoekers kunnen maximaliseren van het kind visuele aandacht voor het scherm tijdens het testen door het ontwerpen van een beknopte en boeiende taak die minimaal taakeisen (bijvoorbeeld een passieve bezoeker taak) heeft. Verder kan ook een inter-stimulus animatie met een begeleidende geluidseffect (misschien vergelijkbaar met die tijdens de kalibratie volgorde) te helpen richten de aandacht op het display voor kinderen van wie de aandacht is komen te vervallen. Bovendien kan het plaatsen van deze inter-stimulus animatie in een vooraf bepaalde locatie ervoor te zorgen dat alle visuele scannen patronen beginnen in dezelfde plaats voor alle deelnemers.
9. Als de onderzoekstaak is lang, de onderzoeker kan dit inter-stimulus animatie te gebruiken als een "anker" om te bepalen of kalibratie drift optreedt. Typically, als drift groter is dan 3 graden van de gezichtshoek, moet herijking worden toegediend. Bovendien, als meerdere taken of processen zijn opgenomen, wordt re-kalibratie aanbevolen tussen elke een tot drift te elimineren in de loop van de test.

4. Analyse

1. De meeste eye-tracking systemen langs opleveren ruwe data bestanden die zijn op zijn minst, een tijdstempel, X-en Y-coördinaten van het punt van de betrekking (soms voor beide ogen), de afstand van het scherm of stimulus, met een index die een kenmerkend gebeurtenis of verandering in stimulus presentatie. In sommige programma's leveren ook informatie over de leerling diameter en fixatie statistieken.
2. Hoe men kiest te condenseren de grote hoeveelheid ruwe data wordt bepaald door de vraagstelling. Meestal is het doel te karakteriseren statistieken van fixatie dichtheid en / of oculomotorische dynamiek. Echter, zodra deze constructies worden gekenmerkt, kunnen overkoepelende constructies zoals aandacht en geheugen worden onderzocht in het specIFIC ontwerpcondities.
3. Fixatie Dichtheid: Hoewel er veel verschillende algoritmen bestaan ​​die kenmerkend zijn fixatie dichtheid ^15, alle te analyseren twee primaire componenten: temporele en ruimtelijke informatie. Bijvoorbeeld kan een fixatie worden gedefinieerd als het punt van betrekking blijven binnen een diameter van 1 ° van de gezichtshoek ten minste 100 milliseconden, hoewel deze parameters vaak verankerd door de vraagstelling. Vaak afhankelijke variabelen zijn onder andere het aantal fixaties, gemiddelde duur van de fixatie, en de totale fixatie tijd, en de ruimtelijke ordening en / of reeks van afzonderlijke fixaties (dat wil zeggen, scan-paden) ^16.
4. Fixatie analyses worden vaak uitgevoerd binnen de vooraf gedefinieerde "Gebieden van belang" (AOI). Onderzoekers misschien geïnteresseerd in de vraag of kinderen met en zonder ASS in hun fixatie tijd verschillen voor specifieke AOIs (zoals de ogen op een gezicht), hun latency eerst fixeren AOIs, of in de patronen van hun blik verschuift tussen AOIs. Daarnaast zijn de statistieken vermeldin 4.3 kan ook worden toegepast op AOI analyses.
5. Kinderen met ASS, met name die met een beperking bij het instandhouden van aandacht, vertonen vaak meer ontbrekende blik gegevens dan de controlegroep. Dit kan optreden als gevolg van minder visuele aandacht voor het scherm stimuli of door buitensporige knipperen (soms door een te helder display of een te donkere testomgeving). Om te bepalen voor de ontbrekende gegevens verschillen tussen de groepen, kunnen onderzoekers willen analyse uit te voeren als een percentage van de tijd blik op het scherm in plaats van in absolute waarden die kunnen worden verward door ontbrekende gegevens. Verder, om te beschermen tegen onbetrouwbare gegevens veroorzaakt door onvoldoende bemonstering dienen de onderzoekers eisen dat alle deelnemers die zijn opgenomen in de uiteindelijke steekproef een "minimale tijd" afgesneden passeren. De specificiteit van deze cut off is afhankelijk van de studie, maar in het algemeen de deelnemers met meer dan ontbrekende geregistreerde gegevens moeten worden beschouwd verdachte.
6. In tegenstelling tot fixatie analyse, snelheid-gebaseerde algoritmen nemen lAnge in de Euclidische afstand tussen de opeenvolgende opnamen en zich primair richten op saccades. Een saccade wordt aangegeven wanneer de snelheid (afstand / tijd) een bepaalde drempel overschrijdt. Als gelijktijdige opnames niet meer bedragen dan deze snelheid drempel voor een bepaalde periode van tijd, is een fixatie aangegeven.
7. Oculomotorische Dynamics: Kenmerkend oculomotorische dynamiek vereist een hoge sampling eye-tracking systeem dat gevoelig genoeg om subtiele veranderingen in het oog van positie en oogbeweging. Hoewel veel afhankelijke variabelen kunnen worden onderzocht in het kader van oculomotorische dynamiek waaronder saccades, oculaire drift, en de uitoefening, alle indices rusten op de snelheid van de oogbeweging. Kenmerkend deze snelheid is gebaseerd op twee eigenschappen (dat wil zeggen, afstand en tijd) en dus maakt voor het onderzoek van andere eigenschappen van oculomotorische dynamiek, met inbegrip van de distributie of het patroon van saccade snelheden, de distributie of het patroon van saccade amplitude, de distributie of het patroon van saccade duration, alsmede de latentie van saccade en de nauwkeurigheid van saccade beëindiging (bijvoorbeeld gain). Gemeenschappelijke uitdagingen zijn onder andere visueel geleid saccade taken, antisaccade taken, geheugen begeleide saccade taken, en voorspellende saccade taken. ^{7, 17} De bestaande literatuur bevat een grote hoeveelheid onderzoek naar saccade dynamiek die zouden kunnen profiteren geïnteresseerde onderzoekers ^18-20.

5. Representatieve resultaten

Figuur 3. Figuur 3 een fixatie kaart gegenereerd onderzoek door onze groep. Hier worden de individuele fixaties, afgebeeld door de paarse cirkels, door een kind met ASS tijdens het bekijken van een statisch beeld. Fixaties van deze en vergelijkbare taken worden geanalyseerd over de deelnemers om te bepalen of kinderen met en zonder ASS verschillen in hun visuele aandacht voor verschillende AOIs.

. Figuur 4 Figuur 4 is een voorbeeld van een eindproduct dat vele van de hierboven beschreven stappen omvat, waaronder: 1) het aanbrengen van een fixatie filter ruwe blik data, 2) het toekennen fixaties specifieke AOIs en 3) te condenseren en het vergelijken patronen fixaties over een groep van normaal ontwikkelende (TD) kinderen en een groep kinderen met ASS. Meer in het bijzonder, dit cijfer toont aan dat binnen een visuele verkenning paradigma, kinderen met ASS te onderzoeken (dat wil zeggen, fixeren) minder sociale beelden TD kinderen bij het "High Autisme Interest" (HAI) objecten gelijktijdig worden weergegeven. Als "Low Autisme Interest" (LAI) objecten worden met sociale stimuli, echter verkenning van maatschappelijke beelden niet significant verschillend tussen de groepen, wat erop wijst dat de maatschappelijke aandacht in ASD gemoduleerd is gebaseerd op de relatieve saillantie van concurrerende prikkels. ²¹

Discussion

De opkomst van eye-tracking als een objectieve en toegankelijk instrument voor de behandeling van perceptuele kenmerken van psychiatrische stoornissen is vergemakkelijkt het onderzoek naar de abnormale visuele aandacht en oculomotorische patronen die bijdragen aan de klinische kenmerken van ASS. Een bijzonder veelbelovende toepassing van dit werk was om jonge kinderen met ASS te bestuderen om vroeg opkomende ontwikkeling mechanismen van de aandoening vast te leggen. Hoewel onderzoek met deze leeftijdsgroep zijn van cruciaal belang voor het verlichten van het begin van de koers en de kenmerken van ASD, dit te doen met de traditionele paradigma's gedrag is vaak een uitdaging gezien de sociale en communicatieve beperkingen die er zijn in deze populatie. Eye-tracking kan verlichten sommige van deze taakeisen door middel van een directe en meetbare mate van visuele voorkeuren en kijken gedrag. Uiteindelijk kan deze aanpak helpen onthullen belangrijke informatie tijdens een kritische periode in de ontwikkeling van ASD, een proces that op hun beurt kunnen dienen voor vroegtijdige signalering en interventie inspanningen.

Ondanks deze voordelen is eye-tracking jonge kinderen met ASS bemoeilijkt door een aantal methodologische uitdagingen. Het huidige protocol details richtlijnen voor de uitvoering van eye-tracking met deze populatie. Terwijl de suggesties die hier geschetst zijn beperkt tot gemeenschappelijke en in de handel verkrijgbare hoornvlies-reflectie eye-tracking systemen, met name die welke niet beperken deelnemer beweging en kunnen corrigeren voor hoofd beweging, ze zijn ontworpen om algemene instructie voor geïnteresseerde onderzoekers. Optimaal ontwerp wordt vaak het onderzoek specifiek, maar algemene aanbevelingen zijn onder andere het selecteren van apparatuur en het creëren van een testomgeving die bevorderlijk zijn voor het bestuderen van deze populatie, wijze van uitvoering dat de belemmeringen en mogelijke afleiding te minimaliseren, en het nastreven van geschikte analytische strategieën.

De goedkeuring van dergelijke praktijken kunnen bespoedigen eye-tracking onderzoekgericht op de behandeling van vroege symptomen manifestaties van ASS, maar ze kunnen ook betrekking hebben op onderzoek groepen die geïnteresseerd zijn in het oog-tracking jonge kinderen meer in het algemeen, met inbegrip van baby's ^22, evenals kinderen met ontwikkelingsstoornissen dan autisme. Verder kunnen onderzoekers willen op deze aanbevelingen op te bouwen door het opnemen van eye-tracking met andere fysiologische maatregelen, zoals EEG, galvanische geleiding van de huid en hart-rate controle, naar een meer uitgebreid profiel van de psychobiologische antwoord te geven. De toenemende beschikbaarheid van mobiele eye-tracking-systemen verbetert ook de mogelijkheid om de studie van blik gedrag bij ASS uit te breiden naar meer ecologisch-valide contexten, inclusief live sociale interactie. Deze innovatieve ontwerpen zullen naar verwachting in populariteit stijgen in de komende jaren.

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.