Eye Tracking små barn med autisme

Summary

Eye tracking har lenge blitt brukt til å studere blikket mønstre i typisk utvikle individer, men de siste teknologiske fremskritt har gjort sitt bruk med kliniske populasjoner, inkludert autisme, mer gjennomførbare. Mens eye-tracking små barn med autisme kan gi innsikt i tidlig symptom manifestasjoner, innebærer det metodiske utfordringer. Forslag til beste praksis tilbys.

Abstract

Framveksten av tilgjengelige kommersielle eye-tracking-systemer har bidratt til en rask økning i bruken i psykologisk og psykiatrisk forskning. Ved å gi en direkte, detaljert og objektiv måling av blikket atferd, har øye-sporing blitt et verdifullt verktøy for å undersøke unormale perseptuelle strategier i kliniske populasjoner og har blitt brukt til å identifisere lidelsen-spesifikke egenskaper ^1, fremme tidlig identifisering ^2, og informere behandling ³ . Spesielt har etterforskerne av autismespekterforstyrrelser (ASD) godt av å integrere øye-sporing i sine forskningsprosjekter paradigmer ^4-7. Eye-tracking har i stor grad blitt brukt i disse studiene for å avsløre mekanismene bak svekket oppgave ytelse ⁸ og unormal hjerne fungerer ^9, spesielt under behandlingen av sosial informasjon ^1,10-11. Mens eldre barn og voksne med ASD omfatter overvekt av forskning på dette området, øye-sporingkan være spesielt nyttig for å studere små barn med sykdommen som det tilbyr en ikke-invasiv verktøy for å vurdere og kvantifisere tidlig framvoksende utviklingsabnormiteter ^2,12-13. Implementering av eye-tracking med små barn med ASD, derimot, er assosiert med en rekke unike utfordringer, inkludert problemer med kompatibel atferd som følge av spesifikke oppgaven krav og lidelse-relaterte psykososiale hensyn. I denne protokollen, detalj vi metodiske betraktninger for å optimalisere forskningsdesign, datainnsamling og psykometrisk analyse mens øye-sporing små barn med ASD. De som tilbys anbefalingene er også designet for å være mer bredt aktuelt for øye-sporing barn med andre utviklingshemming. Ved å tilby retningslinjer for beste praksis i disse områdene, basert på lærdommer som stammer fra vårt eget arbeid, håper vi å hjelpe andre forskere gjøre god forskning design og analyse valg og samtidig unngå vanlige fallgruver som kan kompromittere dataOppkjøpet mens øye-sporing små barn med ASD eller andre utviklingsmessige vansker.

Protocol

1. Eye-Tracking Utstyr

Selv om en rekke øye-sporing systemer er kommersielt tilgjengelig, de som er mest bidrar til å teste små barn med ASD andel følgende funksjoner:

1. Først og fremst trenger øye-tracker til konto for hode bevegelse, som hvis ukorrigert, kan kompromittere integriteten av ervervede blikket data. Mens mange eldre systemer sikres nøyaktig sporing gjennom hodet stabilisering via bruk av en hake-hvile eller hode montert systemer (se figur 1), er disse alternativene ikke ideelle eye-tracking løsninger for små barn som kan motstå forsøk på å begrense hodebevegelser, eller har utstyr plassert på dem. Heldigvis mest moderne kommersielle infrarøde video eye-tracking-systemer bruker en referanse system basert på hornhinnen refleksjoner som er motstandsdyktige mot mindre hodebevegelser. Eye-tracking systemer som enten tilby integrerte eller ekstern head tracking løsninger er å foretrekke og er nå bredtly tilgjengelig.
2. Påtrengende eye-tracking-systemer som ikke forstyrre testøkt anbefales for å teste barn med ASD. Disse kan være modeller som er integrert i en skjerm skjerm (f.eks Tobii Technology modeller TX300, T60XL, eller T120; SensoMotoric Instruments modell RED500), eller table-top versjoner (f.eks Tobii TX300 Technology, X120, Applied Science Laboratories modell D6 Optics ; SR Forskning modell EyeLink 1000) plassert ubemerka innenfor rekkevidden av deltakeren. Som table-top-versjonene ikke er låst til en bestemt skjermstørrelse, de tilbyr økt metodisk fleksibilitet, men er mindre automatisert og kan kreve mer manuell justering.
3. Forskere bør også velge en eye-tracking system med en samplingsfrekvens passende for adressering sine problemstillinger. Mest hornhinnen refleksjon eye-tracking-systemer har en minimum samplingsfrekvens på 50 Hz (dvs. 50 datapunkter per sekund), noe som er tilstrekkelig for å undersøke barns perseptuell Patterns under sitt visuelle skanning av statiske bilder ¹³ og dynamiske videoer ^10. Men forskere er interessert i subtil oculomotor oppførsel ¹⁴ (f.eks glatt jaktstart, gain, og / eller uttrykke saccades) vil ønske å investere i et system med en høyere samplingsfrekvens (dvs. ≥ 250 Hz). Vær oppmerksom på at i noen systemer som gir rom for flere prøvetaking renteopsjoner, høyere samplingsfrekvens ofte er aktivert på bekostning av frihet hodebevegelser, noe som gjør det vanskeligere å holde en kinetisk barn innenfor øye-sporing rekkevidde. Høyere bildefrekvens krever raskere prøvetaking og bearbeiding av video data, som er typisk oppnås ved å beskjære bildet hentet fra kameraet. Dette resulterer i en reduksjon av brukte synsfelt, som dermed reduserer omfanget av tillatte hodebevegelser. Forskere som bruker systemer som tilbyr ulike prøvetaking renteopsjoner bør velge en som er høy nok til å ta sin problemstilling, men lav nok til å tillate forventet nivåav hodebevegelser.

2. Testing Miljø og Stimuli

1. Sparsomme rom innredning anbefales for umiddelbar øye-sporing miljø for å minimere sjansene for at barnets oppmerksomhet er tegnet utenfor skjermen. Tilsvarende hjelper en dunkelt opplyst rom redusere salience av konkurrerende ikke-skjerm stimuli.
2. Men fordi noen små barn med ASD kan oppleve visuell og / eller auditiv overfølsom, bør forskerne unngå testing i et helt mørkt rom som øker lysstyrken på skjermen eller herunder altfor høye eller skurring lydeffekter i sine presentasjoner, da disse kan være motvilje for noen barn med ASD og resultat i redusert testing samsvar. Mørklagte miljøer kan også øke elevens utvidelse som kan gjøre eleven mer vanskelig å spore, selv om dette kan variere avhengig av øye-sporing utstyr som brukes. For de fleste tilfeller er standard kontorbelysning anbefales.
3. Til further redusere sjansene for at barnet blir distrahert bort fra skjermen, bør eksperimentator ikke være synlig for deltakende barn. Dette kan oppnås ved å plassere en partisjon mellom øye-sporing stasjon og eksperimentator-bemannede vertsdatamaskinen eller ved å posisjonere eksperimentator ute av syne fra deltakeren. Et annet kamera kan hjelpe eksperimentator beholde en visning av deltakeren i denne situasjonen. Faktisk noen kommersielle øye-trackere integrere et kamera i skjermen slik at video av deltakeren blir videreformidlet i sanntid til vertsmaskinen for eksperimentator overvåking.

3. Prosedyrer

1. Små barn, særlig de med en ASD, kan være engstelige for å oppleve en roman testmiljøet. Mens tidligere kjennskap til testing plass og / eller eksperimentator kan bidra til å formilde disse følelsene, er dette ikke alltid mulig. Som et minimum bør redd barna være ledsaget av en forelder eller familiar voksen hele testøkt. I noen tilfeller bør forskerne være forberedt på å være tålmodig mens barnet blir tilpasset til det nye miljøet.
2. Før testing økten begynner, kan eksperimentator velge å ha et barnehjem video eller tegneserie spille på skjermen skjermen. Dette bidrar ofte gjør at barnet føler seg mer avslappet og samtidig sikre oppmerksomhet er rettet mot testing displayet. Den eksperimentator kan da dra nytte av barnets fanget oppmerksomheten til å plassere barnet i øye-sporing utvalg og overgang direkte inn i kalibreringssekvensen.
3. Seating for barnet må tillate vertikal justering for å sikre at alle barn, uavhengig av høyde og posisjon, kan plasseres innenfor øye-sporing rekkevidde. Mens avstanden til stolen fra skjermen vil avhenge av størrelsen på skjermen og ønsket visuell vinkel, må høyden på stolen justeres basert på barnets vekst, slik at linjen eright er standardisert på tvers av alle deltakerne. Fordi ikke alle barn sitte i stolen i nøyaktig samme måte, er det også ofte nødvendig å finjustere deltaker-til-skjerm avstand for å sikre at hvert barn er plassert på optimal avstand fra skjermen for å skaffe data av høy kvalitet . Denne avstanden vil bli angitt av øye-sporing produsent, og er lettest oppnås ved hjelp av en mobil stol.
4. Eksperimentatorer kan først forsøke å få barnet, hvis små nok, sitte alene i en spent bilsete på en justerbar heis eller i en bærbar høy stol som festes til justerbar høyde kontorstol. Vi har også hatt suksess med en Rifton stol, spesielt med barn som har brukt det tidligere i klasserommet eller hjemme innstillinger, som det er lett å plassere og hjelper begrense mobilitet som kan resultere i tap av data.
5. Barn som bare forblir kompatibel mens du sitter på fanget til omsorgsperson, eller som krever at kroppen støtte pleieren can gi, kan også bli innkvartert ved å ha omsorgsperson sitte i en kontorstol som kan heves eller senkes for å plassere barnet i de standardiserte avstand parametrene. Se Figur 2 for et eksempel på dette oppsettet. Statistikker vedrørende runde versus stol sitter alltid bør selges for å analysere mulige forundrer. For å sikre at bare barnets øyne blir overtatt av øyet tracker, kan forskerne ha omsorgspersoner bære infrarød-blokkering eller opake solbriller, eller bare instruere dem til å lukke øynene under testing. Omsorgspersoner bør også få beskjed om å være stille og ikke verbalt eller ikke-verbalt kommuniserer med barnet under testprosedyre.

Figur 1. Et hode montert øye-sporing system.

Figur 2.

6. For øye-sporingssystemer som gir eksperimentator med et vindu som viser deltakernes øyne innenfor det tillatte hodebevegelser, bør barnets øyne være plassert i midten av vinduet for å øke sjansene for at øyet tracker vil beholde et bilde av øyet selv om barnet slouches, retter eller svaier under testing.
7. Når riktig plassert, bør eksperimentator begynne kalibreringsprosedyren. Som små barn med ASD kan være ute av stand eller uvillig til å følge muntlige instruksjoner se til bestemte steder på skjermen (som er typisk for mange kalibrering sekvenser), kan bruk av dynamiske stimuli, akkompagnert av lyd, mer effektivt fange oppmerksomhet og dermed gi i mer nøyaktige blikket data. Vanligvis er en 5-punkts sekvens kort nok til å beholdebarnets oppmerksomhet samtidig gir en nøyaktig kalibrering. Eye-tracking studier med spedbarn ofte ansette bare en to-punkts kalibrering, mens en 9-punkts kalibrering er typisk for undersøkelser med ungdom og voksne.
8. Eksperimentatorer kan maksimere barnets visuelle oppmerksomhet til skjermen under testing ved å utforme en kortfattet og overbevisende oppgave som har minimale oppgaveruter krav (for eksempel en passiv visning oppgave). Videre kan inkludert en inter-stimulus animasjon med en medfølgende lydeffekt (kanskje lik de som brukes under kalibreringssekvensen) hjelpe avlede oppmerksomheten til skjermen for barn som oppmerksomheten har bortfalt. I tillegg kan plassere dette inter-stimulans animasjon i en forhåndsdefinert plassering sikre at alle visuelle skanning mønstre begynner på samme sted for alle deltakerne.
9. Hvis forskningen oppgaven er lang, kan eksperimentator bruke denne inter-stimulus animasjon som en "anker" for å avgjøre om kalibrering drift skjer. Typically, hvis drift overstiger 3 grader av visuell vinkel, bør re-kalibrering gis. I tillegg, hvis flere oppgaver eller prøvelser er inkludert, er re-kalibrering anbefales mellom hver en å eliminere drift i løpet av testingen.

4. Analyse

1. De fleste eye-tracking-systemer gir rådata-filer som inneholder et minimum, et tidsstempel, X og Y koordinater av poenget med hensyn (noen ganger for begge øyne), avstand fra skjermen eller stimulus, sammen med en indeks som kjennetegner en hendelse eller endring i stimulans presentasjon. Noen programmer også gi informasjon om eleven diameter og fiksering beregninger.
2. Hvordan man velger å kondensere den enorme mengden av rådata bestemmes av problemstillingen. Oftest målet er å karakterisere beregninger av fiksering tetthet og / eller oculomotor dynamikk. Men når disse konstruerer er preget, kan overordnede konstruksjoner som oppmerksomhet og hukommelse undersøkes under specific utforming forhold.
3. Fiksering Tetthet: Mens mange forskjellige algoritmer eksistere som preger fiksering tetthet ^15, alt analysere to primære komponenter: tidsmessige og romlig informasjon. For eksempel kan en fiksering defineres som poenget med hensyn gjenværende innenfor en diameter på 1 ° av visuell vinkel i minst 100 millisekunder, selv om disse parametrene er ofte forankret ved problemstillingen. Vanlige avhengige variabler inkluderer antall fikseringer, gjennomsnittlig varighet av fiksering, og total fiksering tid, og den romlige ordningen og / eller sekvens på enkelte opptak (dvs. skanning stier) ^16.
4. Fiksering analyser blir ofte gjennomført innenfor forhåndsdefinerte "Områder av interesse" (AOI). Forskere kan være interessert i hvorvidt barn med og uten ASD ulik fiksering tid til bestemte AOIs (som øynene på et ansikt), deres ventetid til første fiksere AOIs, eller i de mønstre av blikket deres skifter mellom AOIs. I tillegg til beregningene oppførti 4,3 kan også brukes til AOI analyser.
5. Barn med ASD, særlig de med svekkelser i å opprettholde oppmerksomheten, ofte har flere manglende blikket data enn kontroller. Dette kan skje på grunn av mindre visuell oppmerksomhet til skjermen stimuli eller ved overdreven blinker (noen ganger produsert av en altfor lyssterkt display eller en altfor mørk testmiljøet). For å kontrollere for manglende data forskjeller mellom gruppene, kan forskerne ønsker å gjennomføre analyser som en andel av blikk tid på skjermen i stedet for i absolutte verdier som kan forveksles med manglende data. Videre, for å beskytte mot upålitelige data forårsaket av utilstrekkelig prøvetaking, bør forskere krever at alle deltakere som inngår i den endelige prøven passere en "minste tid" kuttet. Spesifisiteten av dette kuttet av, vil variere fra studien, men generelt deltakere med mer mangler enn registrerte data bør vurderes mistenkte.
6. I motsetning til fiksering analyse, hastighet-baserte algoritmer innlemme lmange i Euklidsk avstand mellom etterfølgende opptak og fokuserer primært på saccades. En saccade indikeres når hastigheten (avstand / tid) overstiger en viss terskel. Hvis samtidige opptak ikke overstige denne hastigheten terskelen for en spesifisert periode, er en fiksering indikert.
7. Oculomotor Dynamics: Karakterisere oculomotor dynamikk krever en høy sampling eye-tracking system som er tilstrekkelig følsom til subtile endringer i øye posisjon og øyebevegelser. Selv om mange avhengige variabler kan bli undersøkt innenfor rammen av oculomotor dynamikk, inkludert saccades, okulær drift, og jaktstart, alle indeksene hvile over hastigheten øyebevegelser. Karakterisere denne hastigheten er basert på to eiendommer (dvs. avstand og tid) og dermed gjør det mulig for behandlingen av andre egenskaper oculomotor dynamikk, herunder utdeling eller mønsteret på saccade hastighetene, utdeling eller mønsteret på saccade amplitude, utdeling eller mønsteret på saccade duration, samt ventetid på saccade og nøyaktighet av saccade oppsigelse (dvs. gevinst). Vanlige paradigmer inkluderer visuelt guidet saccade oppgaver, antisaccade oppgaver, minne guidede saccade oppgaver, og logisk saccade oppgaver. ^{7, 17} den eksisterende litteraturen inneholder en stor mengde forskning på saccade dynamikk som kunne ha nytte interesserte forskere ^18-20.

5. Representative Resultater

Figur 3. Figur 3 representerer en fiksering kart generert på forskning av vår gruppe. Her vises de enkelte opptak og avbildet av lilla sirkler, av en enkelt barn med ASD Mens du leser et statisk bilde. Fikseringer fra denne og lignende oppgaver blir analysert over deltakerne å avgjøre om barn med og uten ASD ulik visuell oppmerksomhet til ulike AOIs.

. Figur 4 Figur 4 representerer et eksempel på et sluttprodukt som inneholder mange av de trinnene som er beskrevet ovenfor, inkludert: 1) å bruke en fiksering filter til rå blikket data, 2) å tilordne fikseringer til bestemte AOIs, og 3) kondens og sammenligne mønstre av fikseringer på tvers av en gruppe typisk utvikling (TD) barn og en gruppe barn med ASD. Mer spesifikt, viser dette tallet at innen en visuell utforskning paradigme, barn med ASD utforske (dvs. Fiksér) færre sosiale bilder TD barn når "High autisme interesse" (HAI) objekter samtidig vises. Når "Low autisme interesse" (LAI) objekter presenteres med sosiale stimuli, derimot, utforskning av sosiale bilder ikke signifikant forskjellig mellom gruppene, tyder på at sosial oppmerksomhet i ASD er modulert basert på den relative salience av konkurrerende stimuli. ²¹

Discussion

Fremveksten av eye-tracking som en objektiv og tilgjengelig verktøy for å undersøke perseptuelle egenskapene til psykiatriske lidelser har muliggjort forskning på unormale visuelle oppmerksomhet og oculomotor mønstre som bidrar til kliniske kjennetegn ved ASD. En spesielt lovende anvendelsen av dette arbeidet har vært å studere små barn med ASD for å fange tidlig nye utviklingsmessige mekanismer for lidelse. Mens undersøkelser med denne aldersgruppen er kritisk for belysning tidlig kurset og kjennetegn ved ASD, gjøre det med tradisjonelle atferdsmessige paradigmer har ofte vært utfordrende gitt de sosiale og kommunikative vansker som eksisterer i denne populasjonen. Eye-tracking kan lindre noen av disse oppgave kravene ved å tilby en direkte og målbare mål av visuelle preferanser og stirre oppførsel. I siste instans kan denne tilnærmingen bidra til å avsløre viktig informasjon i en kritisk periode i utviklingen av ASD, en prosess that i sin tur kunne informere tidlig identifisering og intervensjon innsats.

Til tross for disse fordelene, er øye-sporing små barn med ASD komplisert ved en rekke metodiske utfordringer. De gjeldende protokoll detaljer retningslinjer for gjennomføring av eye-tracking med denne pasientgruppen. Mens forslagene skissert her er begrenset til felles og kommersielt tilgjengelig hornhinnens refleksjon eye-tracking-systemer, spesielt de som ikke begrenser deltaker bevegelse og kan korrigere for hode bevegelse, er de designet for å gi generell veiledning for interesserte forskere. Optimal design studere ofte spesifikk, men generelle anbefalinger inkluderer valg av utstyr og skape et testing miljø som bidrar til å studere denne populasjonen, implementere rutiner som minimerer hindringer og mulige distraksjoner, og forfølge hensiktsmessige analytiske strategier.

Innføringen av en slik praksis kan påskynde eye-tracking forskningrettet mot å undersøke tidlig symptom manifestasjoner av ASD, men de kan også gjelde forskningsmiljøene interessert i eye-tracking små barn i videre forstand, inkludert spedbarn ^22, samt barn med utviklingshemming enn autisme. Videre kan forskerne ønsker å bygge videre på disse anbefalingene ved å innlemme eye-tracking med andre fysiologiske tiltak, som for eksempel EEG, galvanisk hudledeevnen og hjerte-rate overvåking, for å gi en mer omfattende profil av psychobiological respons. Den økende tilgjengeligheten av mobile eye-tracking-systemer øker også muligheten for å utvide studiet av blikket oppførsel i ASD inn mer økologisk gyldige sammenhenger, inkludert levende sosialt samspill. Disse innovative design er forventet å stige i popularitet i de kommende årene.

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.