Eine Methode zur Quantifizierung von Visual Information Processing bei Kindern Eye-Tracking
Summary
A method is described to quantify the quality of visual information processing based on reflexive eye movements in response to specific visual modalities. Reaction times and fixation output parameters are used to characterize visual performance in children with and without visual impairments from 6 months of age.
Abstract
Visual problems that occur early in life can have major impact on a child’s development. Without verbal communication and only based on observational methods, it is difficult to make a quantitative assessment of a child’s visual problems. This limits accurate diagnostics in children under the age of 4 years and in children with intellectual disabilities. Here we describe a quantitative method that overcomes these problems. The method uses a remote eye tracker and a four choice preferential looking paradigm to measure eye movement responses to different visual stimuli. The child sits without head support in front of a monitor with integrated infrared cameras. In one of four monitor quadrants a visual stimulus is presented. Each stimulus has a specific visual modality with respect to the background, e.g., form, motion, contrast or color. From the reflexive eye movement responses to these specific visual modalities, output parameters such as reaction times, fixation accuracy and fixation duration are calculated to quantify a child’s viewing behavior. With this approach, the quality of visual information processing can be assessed without the use of communication. By comparing results with reference values obtained in typically developing children from 0-12 years, the method provides a characterization of visual information processing in visually impaired children. The quantitative information provided by this method can be advantageous for the field of clinical visual assessment and rehabilitation in multiple ways. The parameter values provide a good basis to: (i) characterize early visual capacities and consequently to enable early interventions; (ii) compare risk groups and follow visual development over time; and (iii), construct an individual visual profile for each child.
Introduction
Die Prävalenz von Hirnschäden im Zusammenhang mit Sehstörungen bei Kindern hat sich erhöht. Da Sehstörungen großen Einfluss auf die Entwicklung des Kindes haben kann, ist die Früherkennung bei jungen Säuglingen und Kindern mit einem Risiko sehr wichtig. Derzeit visuelle Funktionstests visuelle Sinnesfunktionen wie Sehschärfe und Kontrastempfindlichkeit zu bewerten (zB Sehzeichen – Tests) sind anwendbar bei Kindern von 1 bis 2 Jahren 1. Bei jüngeren Kindern werden diese Tests auf der Basis strukturierter Beobachtungen eines Betrachtungs Verhalten des Kindes auf visuelle Informationen. Die Interpretation eines solchen Verhaltens, dh wenn man sich eines Kindes Augenbewegungen suchen, können durch oculomotor oder Aufmerksamkeits Dysfunktionen des Kindes behindert werden, oder auch durch das Verhalten des Beobachters betrachtet. Cerebral vermittelte visuelle Funktionen wie visuospatial Speicher und Objekterkennung sind mit visuellen Wahrnehmungstests (zB DTVP 2) bewertet. Diese Tests erfordern verbal instructions und Kommunikation und kann von 4 bis 5 Jahren verwendet werden. Im Hinblick auf die postnatale Entwicklung des visuellen Systems und die Vorteile der hohen Plastizität früh im Leben zu nehmen, ist es wünschenswert, das Vorhandensein und das Ausmaß von Störungen in visuellen Informationsverarbeitung so früh wie möglich festzustellen. Auf diese Weise Kinder mit (zerebrale) Sehbehinderungen können von Frühintervention, visuelle Stimulation oder unterstützende Strategien maximal profitieren. Folglich besteht ein Bedarf für ein Bewertungsverfahren der visuellen Informationsverarbeitung, die bei Kindern ohne verbale Kommunikation verwendet werden kann, und dass auf quantitative Ergebnisse beruhen.
Die Augenbewegungen sind ein gutes Modell visuell geführte Orientierungsverhalten zu studieren 3,4 auf Reize, und im Zusammenhang mit der Wahrnehmung und kognitiven Funktionen 5. Die Augenbewegungen zeigen den Fokus der visuellen Aufmerksamkeit in Szenen und sind dafür bekannt, ergeben sich entweder aus Bottom-up (reflexiv, salience gesteuert) oder von oben nach unten (intentional verarbeitet kognitive) 6. Augenbewegungen werden verwendet , um die Fovea zu lenken, das heißt, die Schärfe der Vision, um neue Objekte. Der visuelle Inhalt eines Objekts von Interesse wird über Pfade verarbeitet , die über den seitlichen geniculate Kern primären visuellen Kortex (V1) von der Netzhaut führen, und daß sich über cerebral Verarbeitungsbereiche zu verteilen (beispielsweise in Aufmerksamkeit beteiligt, räumliche Orientierung, die Anerkennung, Gedächtnis und Emotionen). Die Augenbewegungen sind sowohl eine Voraussetzung und eine Fortsetzung der visuellen Informationsverarbeitung.
Die Entwicklungen bei der Messung der Augenbewegungen mit Infrarot-Auge-Tracker die Möglichkeit geben, quantitative Parameter okulomotorischer und visuelle Funktion zu erhalten. Automatisierte Eyetracker sind heutzutage allgegenwärtig in der medizinischen und psychologischen Forschung an gesunden und klinischen Populationen. Ihr Zweck ist nicht nur oculomotor Funktion und Aufmerksamkeit Zuteilung 7, zu studieren , aber auch Fragen zu beantworten about Verhaltens- und psychologische Mechanismen 8,9. Mit dem Aufstieg der zugänglich und kommerzielle Eye – Tracking – Systeme, sind sie zunehmend gebrauchte gefährdeten Bevölkerungsgruppen von Kleinkindern zu testen und Kinder 10-12, ohne einschränkende Bedingungen, komplexe Befehle oder aktive Zusammenarbeit 12,13. Durch die enge Kopplung des oculomotor und visuellen Systems auf ein Okular und zerebrale Ebene, Eye-Tracking-basierte Methoden sind eminent geeignet visuellen Kapazitäten zu bewerten. Bisher Neben der Messung der Sehschärfe 14 wird die Verwendung der Technik bei der Beurteilung der Sehfunktion bei Kindern wurde relativ wenig Aufmerksamkeit erhalten.
Unsere Gruppe hat mit einem Vorzugs aussehendes Paradigma 13 Augenbewegungsmessungen kombiniert. Bevorzugte suchen , ist die Präferenz auf gemusterten Oberflächen über homogene diejenigen fixieren 15. Dieses Prinzip wird unter Verwendung von visuellen Stimuli mit einem Zielbereich in einem von vier Quadranten angelegt, der differ aus dem Hintergrund in Bezug auf eine bestimmte visuelle Funktion, zB kohärente Form, kohärente Bewegung, Kontrast und Farbe. Diese visuellen Merkmale sind bekannt durch separate peripheren und zentralen Sehbahn verarbeitet werden. Beispielsweise Informationen über die Form wird von ventral Bahnen verarbeitet werden, von V1 auf der temporalen Kortex. Informationen über Bewegung wird durch dorsale Wege verarbeitet, von V1 16 parietalen Kortex nach posterior. Daher werden spezifische Stimuli verwendet visuellen Informationsverarbeitung in verschiedenen Bereichen des visuellen Systems auszulösen. Wenn ein Kind die spezifische visuelle Informationen zu sehen, ist in der Lage, die präsentiert wird, wird diese Information visuelle Aufmerksamkeit in Form von Augenbewegungen zu gewinnen. Diese reflexive Augenbewegung Antworten auf die visuellen Reize werden mit einer Infrarot-Fern Eye-Tracker erfasst. Auf diese Weise Augenbewegung Maßnahmen bieten eine kommunikationsfreie Beurteilung der Qualität der verschiedenen Aspekte der visuellen Informationsverarbeitung 13.
Die Augenbewegungen bieten nicht nur Beobachtungsdaten eines Kindes Sehverhalten 11, kann aber auch für mehr objektive Ergebnisse Maßnahmen verwendet werden. In Kombination mit einem sorgfältig gestalteten Test Paradigma können Augenbewegungen geben genaue und objektive Informationen über die visuelle Informationsverarbeitung. Diese Information wird durch die Berechnung quantitative Parameter auf räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der Augenbewegung basierend Antworten erhalten. Beispiele für solche Parameter sind Reaktionszeit 13, Fixierzeit 17, Sakkaden Metriken 7 oder kumulative Aufmerksamkeit Zuteilung 18. Die Verfügbarkeit dieser Parameter ist neu auf dem Gebiet der visuellen Beurteilung bei Kindern bereits in jungen Entwicklungsstadium.
Das Ziel dieser Arbeit ist ein Eye-Tracking-basierte Methode zur Messung der visuellen Informationsverarbeitung bei Kindern ab dem Alter von 6 Monaten zu präsentieren. Der Messaufbau und Verfahren (dh nonverbale Paradigma, Post-Kalibrierung und mobility) gelten speziell diese Methode bei Kindern mit einem Risiko zu verwenden. Ein wichtiger Aspekt ist die quantitative Analyse von visuellen Antwortparameter, dh Reaktionszeit, Fixierung Dauer und Fixierungsgenauigkeit. Diese Parameter werden verwendet, um Bereiche zu schaffen Bezug von visuell geführten Reaktionen in der Regel entwickeln Kinder, die visuelle Informationsverarbeitung in Risikogruppen von Kindern mit Sehbehinderungen zu charakterisieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die vorgestellte Messaufbau in Kombination mit quantitativen Blickbewegungsanalyse liefert eine eindeutige Charakterisierung der visuellen Verarbeitungsfunktionen in verschiedenen Gruppen von Kindern mit oculomotor und Sehbehinderungen. Das Hauptmerkmal dieses Paradigmas ist, dass die Leistung auf Augenbewegung Reaktionen auf visuelle Reize basiert, die in einer reflexiven Weise ausgelöst werden. Keine spezifischen verbale Anweisungen gegeben werden, und es gibt keine Notwendigkeit für Kinder verbal zu reagieren. Die Parameter RTF, GFA und FD zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen von typischerweise Entwicklungs- und sehbehinderte Kinder, trotz der begrenzten Verbreitung der Parameterwerte , die in jeder Gruppe (Figuren 4 – 6) vorhanden ist . So wurde auf dem ausgewerteten Parameter abhängig, können einige der Regel entwickeln Kinder abweichende Leistung zeigen, während einige Kinder mit Sehbehinderungen "normalen" Leistung zeigen. Letztlich mehrere Ergebnisse Maßnahmen in Reaktion auf mehrere visuelleModalitäten sollten auf individueller Ebene in Betracht gezogen werden. Eine Zusammenfassung aller Ergebnisse Maßnahmen bietet eine einzigartige Charakterisierung von visuellen Informationen Verarbeitungskapazitäten, die in einem visuellen Profil bei Kindern ab 6 Monaten umgesetzt werden können.
Mehrere Studien haben den Wert von Remote – Eye – Tracking in gefährdeten Bevölkerungsgruppen von Kindern, gezeigt 9,12,18 attentional oder psychologischen Fähigkeiten zu schließen. Während die meisten Studien über Verhaltensbeobachtungen stützen und die Verwendung von Anweisungen, ein besonderes Merkmal des aktuellen Paradigma ist die nonverbale, quantitativen Ansatz. Kritische Schritte innerhalb des Protokolls sind daher die Reize, die zu Vorzugs suchen, die mobile Messaufbau und die individuelle Kalibrierung und Analyse-Software basieren. Die vorgestellte Erweiterung der beobachtungsbasierten Ergebnisse mit aufwendigen Analyseverfahren liefert standardisierte und detaillierte Ergebnisse auf einer visuellen Verarbeitungsfunktionen. Dies steht im Einklang mit der Arbeit an der Beurteilung derSäugling Sehschärfe mit einem Eye – Tracker 14, und die Arbeit an den Blick Kontrolle in verschiedenen Störungen 7. Das Verfahren ist flexibel und ermöglicht den mobilen Beurteilung, die unverzichtbar ist, wenn der klinischen Beurteilung bei kleinen Kindern oder Kindern mit mehrfachen Behinderungen durchführen. Daher ist es geeignet, praktisch alle Kinder in oculomotor und visuelle Verarbeitungskapazitäten zu messen, die einen Monitor zu beobachten können.
Die Bedeutung dieses Verfahrens in Bezug auf den bestehenden visuellen Diagnoseverfahren (dh Validität) wurde als erster Schritt zur klinischen Anwendung untersucht. Das gegenwärtige Paradigma wurde mit derzeit verwendeten visuellen Funktion Beurteilung (VFA) bei Kindern kombiniert. Beobachtungen von oculomotor und visuellen Funktionen, die auf Augenbewegung Aufnahmen waren vergleichbar mit Standard-Verhaltensbeobachtungen dieser Funktionen basieren. Darüber hinaus Eye – Tracking – Parameter, zB Fixationsdauer und Sakkaden Richtung, sofern adsätzliche Wert oculomotor und Sehleistung bei Kindern während der VFA bei der Charakterisierung (Kooiker MJG et. al., 2015, eingereicht). Die Hauptverstärkung des dargestellten Verfahrens liegt in der Möglichkeit , mehr Sehfunktionen zu bewerten als die derzeit in Sehfunktion Abschätzungen in jungen Jahren durchgeführt wird, und sie in einer quantitativen Weise 26 zu beurteilen. Eine Einschränkung in Bezug auf bestehende Methoden ist , dass, ohne Anpassungen, es noch nicht möglich ist , mit der vorliegenden Testbatterie 14 Sehschärfe oder Gesichtsfeld gründlich zu beurteilen.
Obwohl wir beschränkten uns in zukünftigen Anwendungen auf die Darstellung der Ergebnisse von Cartoon Reize können unterschiedliche visuelle Modalitäten mit anderen Stimuli getestet werden (zB verschiedene Formen, Bewegung, Farbe und Kontrast Informationen) 22,20,25. Auf diese Weise bestimmte visuelle Verarbeitungsbereiche jenseits der primären Sehbahn sind gezielte, wie visuelle Assoziation Bereiche in zeitlicher oder parietalen Kortex.Eine Beschränkung des Verfahrens besteht darin, daß die vorliegenden visuelle Reize lediglich die Erkennung der visuellen Eingangs auslösen, und der Anfangsphase der visuellen Verarbeitung aufzurufen. Diese Reize zielen nicht auf Funktionen höherer Ordnung, die nach dem Stimulus Erkennung relevant werden und dass in der Regel mit der visuellen Wahrnehmung Tests gemessen. Obwohl ihre Ausführung ohne den Einsatz von Kommunikation ist eine Herausforderung, ein Eye – Tracking-basierte Paradigma ist eine vielversprechende Zukunft Format für den Nachweis von wahrnehmungsbezogenen Informationen, zB visuelle Suche, -Speicher oder -selektiven Aufmerksamkeit.
Zusammengefasst bieten detaillierte Augenbewegungsantworten auf verschiedene Typen von visuellen Stimulation umfassende Charakterisierung von visuellen Informationsverarbeitungsfunktionen, früh in der Entwicklung. Folglich ist für jedes Kind ein individuelles visuelles Profil in Bezug auf intakte und beeinträchtigte Funktionen erstellt werden. Ein solches Profil detaillierte Informationen über Stärken und Schwächen in oculomotor und visuelle können vorsehen,Funktion. Es kann als Ausgangspunkt für die Unterstützung im täglichen Leben verwendet werden, und für Lehrer und Betreuer Ausbildung. Die quantitative Informationen, die mit diesem Verfahren verfügbar geworden ist, kann für folgende visuelle Entwicklung im Laufe der Zeit von Vorteil sein, und für Programme visuelle Interventionen und Rehabilitation zu überwachen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank daycare centers (Wasko, Alblasserwaard) for their support in recruiting the control group, and Mark Vonk for his help in data collection in the control group. The authors also thank the children from the control group and the children who are clients from Royal Dutch Visio for participation in the study. The authors are grateful to the children and their parents for participation in the video.
The development of the method was supported by a grant from the Novum Foundation: a non-profit organization providing financial support to (research) projects that improve the quality of life of individuals with a visual impairment (www.stichtingnovum.org). Financial support for the current study was provided by ‘ZonMw Inzicht’ (Netherlands Organization for Health Research and Development-Insight Society), grant number: 60-00635-98-10.
Materials
| Tobii T60 XL | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/hardware/tobii-t60xl-eye-tracker/ | remote infrared eye tracker |
| Tobii Studio | Tobii Technology: http://www.tobii.com | http://www.tobii.com/en/eye-tracking-research/global/products/software/tobii-studio-analysis-software/ | eye tracker software |
| MATLAB | MathWorks Inc | http://nl.mathworks.com/products/matlab/ | data analysis software |
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