Eyetracking in der Anwendung bei einer Autismus-Spektrum Störung

Inhaltsverzeichnis

1. Physiologische Grundlagen: Das menschliche Auge und Sehen
1.1 Augenbewegungen
1.1.1 Fixationen und Sakkaden
1.1.2 Folgebewegungen (Smooth Pursuit)
1.1.3 Mikrobewegungen (Drift, Mikrosakkaden, Tremor)

2. Methodik Eyetracking
2.1 Anwendungsbereiche
2.2 Erfassung und Bildverarbeitung

3. Autismus und Eyetracking
3.1 Autismus-Spektrum-Störungen
3.2 Anwendung des Eyetrackers bei Menschen mit einer autistischen Störung
3.2.1 Studie 1:Visual Fixation Patterns During Viewing of Naturalistic Social Situations as Predictors of Social Competence in Individuals With Autism(Klein et al., 2002)
3.2.2 Studie 2:The role of Face Familiarity in Eye Tracking of Faces by Individuals with Autism Spectrum Disorders(Sterling et al., 2008)

4. Diskussion und Ausblick

1. Physiologische Grundlagen: Das menschliche Auge und Sehen

Vom Objekt reflektiertes Licht fällt durch die Pupille auf die Linse und wird von dieser auf die Retina (Netzhaut) projiziert. Dieses visuelle Feld spannt sich über 220 Grad aus und besteht, wie in der folgenden Abbildung (Abb.1) dargestellt aus der Fovea, der Peripherie und dem parafovealen Bereich (M. Joos, M. Rötting, B.M. Velichkovsky, 2003).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1 Darstellung des Auges (Joos et al., 2003)

Die Fovea bezeichnet die sogenannte Sehgrube und ist der Bereich des schärfsten Sehens. Sie besteht aus Zapfen (cons), die das Erkennen von Farben und eine klare Sicht ermöglichen. Obwohl sie nur etwa 8% des visuellen Feldes (Retina) ausmacht, werden 50% aller visuellen Informationen, die das Gehirn erreichen, von ihr ausgesandt. Die Peripherie macht den größten Teil der Retina aus und besteht aus hoch lichtsensitiven Stäbchen (rods). Diese ermöglichen das Erkennen von Kontrasten, Bewegungen und Konturen. Stäbchen sind wesentlich lichtempfindlicher als die Zapfen der Fovea. Deutlich wird dies in Dunkelheit, wenn scharfes Sehen und das Erkennen von Farben nicht mehr möglich ist. Kontraste, Bewegungen und Konturen sind jedoch auch bei solchen Sichtverhältnissen auszumachen. Das produzierte Gesamtbild ist dabei sehr verschwommen. Der parafoveale Bereich bezeichnet den Übergangsbereich von der Fovea in die Peripherie, in der sich die Anzahl der Zapfen mit Auslaufen in die Peripherie verringert und die Anzahl der Stäbchen vergrößert. Schärfstes Sehen (mit der Fovea) ist nur in einem Winkel von ca. 1° um den fixierten Blickort möglich. Weiter entfernt liegende Objekte werden mit progressiv verringerter Auflösung und abnehmender Farbintensität wahrgenommen. Der Grund dieser peripheren Unschärfe besteht in der Konvergenz mehrerer Rezeptoren auf eine Ganglionzelle (Verhältnis 125:1). Bereits bei einer Abweichung von 3° vom Fixationsort vermindert sich die Sehschärfe um die Hälfte. (M. Joos, M. Rötting, B.M. Velichkovsky, 2003).

1.1 Augenbewegungen

Da die periphere Sicht also sehr inakkurat ist, wird das Objekt des Interesses durch Augenbewegungen über die Fovea platziert, um somit maximale Auslösung zu erhalten. Insgesamt verfügt das menschliche Auge über drei Hauptbewegungsformen, Fixationen und Sakkaden, sogenannte Folgebewegungen (Smooth Pursuit) und die Gruppe der Mikrobewegungen bestehend aus Mikrosakkaden, Drift und Tremor (Joos et al., 2003).

1.1.1 Fixationen und Sakkaden

Fixationen bezeichnen die Fixierungen auf Punkte der Aufmerksamkeit innerhalb weniger Millisekunden. Hierbei werden die visuellen Informationen der Umgebung aufgenommen und verarbeitet. Des Weiteren findet bereits eine Planung der nächsten Sakkade statt. Sakkaden benennen die Blicksprünge zwischen zwei Fixationen. Während dieses Prozesses wird die Informationsaufnahme unterdrückt um eine weitere Informationsverarbeitung der letzten Fixation zu ermöglichen. Dem zur Folge beruht der menschliche Wahrnehmungseindruck auf einer Integration vieler Einzelbilder. (Joos et al., 2003)

1.1.2 Folgebewegungen (Smooth Pursuit)

Bei dem sogenannten Smooth Pursuit handelt es sich um autonome Folgebewegungen des Auges um wandernde Objekte optisch zu verfolgen (Joos et al., 2003).

1.1.3 Mikrobewegungen: Drift, Mikrosakkaden, Tremor

Beim Drift handelt es sich um eine langsame Abgleitung des Auges vom Fixationsort, während der fortdauernden Fixation. Dies bewirkt eine fortwährende Verschiebung der Retina um mehrere Sehzellen, um einen Sichtverlust durch Rezeptorermüdung vorzubeugen. Somit werden sowohl „frische“ Nervenzellen aktiviert, also auch neue Reize zur Verfügung gestellt. Die Mikrosakkaden korrigieren die, durch den Drift, verursachte Verschiebung und bewirken demnach eine Refixierung des intendierten Objektes. Diese typische Kombination von Drift und Mikrosakkade wird auch als physiologischer Nystagmus bezeichnet. (Joos et al., 2003) Beim Tremor handelt es sich um kleinste zitterartige Bewegungen des Auge (ca. 50Hz). Wie der Drift bewirkt auch er eine Verschiebung der Netzhaut um einen Bereich von fünf bis zehn Sehzellen und verhindert demnach eine Rezeptorermüsung. Ob dieser Effekt nur eine positive Nebenwirkung einer eigentlich suboptimalen Interaktion der antagonistischen Augenmuskeln ist, wird aktuell diskutiert (Joos et al., 2003).

2. Methodik Eyetracking

2.1 Anwendungsbereiche

In der Verwendung des Eyetrackers unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Anwendungsgebieten, zum einen als Mensch-Maschine-Schnittstelle und zum anderen als Analyseinstrument (Joos et al., 2003). Die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine sei beispielsweise im Sinne einer neuen Bedienmethodik von Computern zu verstehen, die anstelle der Nutzung von Maus, Tastatur oder eines Touchscreens, die Augenbewegungen ermittelt und diese zur Steuerung nutzt (Tobii Technology, 2010). Als Analyseinstrument ist er etwa in der Verkehrspsychologie im Einsatz, um anhand von computerbasierten Fahrsimulationen die Zeit bis zum Erkennen (Erblicken) von Gefahren zu ermitteln. Diese Daten könnten in der Zukunft zur Entwicklung von Fahrassistenzsystemen genutzt werden, die den Fahrer beim Übersehen von potenziellen Gefahren warnen (Tobii Technology, 2010). Ein weiterer wichtiger Bereich, der analytischen Anwendung, auf den im Weiteren genauer eingegangen werden soll, liegt in der human- und (psycho-) pathologischen Forschung.

2.2 Erfassung und Bildverarbeitung

Wie die meisten technischen Innovationen hat auch der Eyetracker eine langjährige Historie der Entwicklung hinter sich. Heute ist es anhand der videobasierten Bilderfassung möglich, eine sehr exakte und reliable Messung von Blickbewegungen durchzuführen, deren Material zuverlässig und digitalisiert verarbeitet werden kann. Zusätzlich nicht intrusive Vorrichtungen erlauben es auch Messungen in möglichst authentischen Situationen vorzunehmen, da die Vermeidung von direktem Körperkontakt oder eingeschränkter Bewegungsfreiheit, Testpersonen das Gefühl einer möglichst natürlichen Situation vermittelt und Testergebnisse weniger verfälscht. Grundsätzlich, wird mittels einer Videokamera oder eines anderen lichtempfindlichen Sensors das Bild des Auges aufgezeichnet. Das erzeugte Bild wird dann an eine computerbasierte Bildverarbeitung weitergeleitet, die die bedeutenden charakteristischen Merkmale des Augenbildes extrahieren. In der Regel leisten heutige kommerzielle Systeme eine zeitliche Auflösung von 250 bis 600 Hz (Duchowski, A. T., 2009). Durch punktförmige Bestrahlung des Auges entstehen Reflexionen auf der Vorder-bzw. Rückseite der Cornea (Netzhaut) und Linse. Diese Reflexionen, auch Purkinje Bilder genannt, geben Aufschluss über die Lage der Cornea bzw. der Linse und auf diese Weise über den Blickfokus. Die Auswahl an Eyetracking-Verfahren ist vielfältig (Blickachsenmessung, Kontaktlinsenmethode, Doppelte Purkinje-Bild-Technik: Cornea-Reflex-Methode, Bright Pupil, Dark Pupil). Einige beziehen dabei mehrere Reflexionspunkte in die Berechnung mit ein. Ausreichend ist bereits das erste Purkinje-Bild, also die erste Reflexion, was der sogenannten Cornea-Reflex-Methode entspricht. Diese lässt sich weiter durch ein Bright - Pupil oder ein Dark-Pupil Verfahren anwenden. (Duchowski, A. T., 2009)

An dieser Stelle wollen wir genauer auf die Dark Pupil Methode eingehen, da sie auch den anschließenden Studien zugrunde liegt. Zur Erzeugung des „Dark Pupil-Reflexes“ muss das Auge mit einer Infrarot-LED ausgeleuchtet werden, die sich seitlich der Kameralinse befindet. Das vom Auge reflektierte Infrarotlicht wird anschließend durch einen Infrarotfilter vom Tageslicht getrennt. Durch die seitliche Positionierung der Kamera erfasst diese nicht die direkte Infrarotreflexion der Iris (wie bei der Bright Pupil-Methodik), sondern filmt den Schatten, der neben dem auftreffenden Infrarotstrahl auf der Iris entsteht. Dadurch erscheint die Pupille für die Kamera in einem schwarzen Farbton. Dies verdeutlicht Abbildung 2, wobei „Glint“ für die Reflexion der Lichtquelle im Auge steht (auch Cornea-Reflex genannt). (Richters, N., 2005)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Darstellung der Dark-Pupil Reflex -Methode (Richters, N., 2005)

Zusätzliche Parameter der Augenbewegungsregistrierung stellen sowohl das Pupillendurchmesser, als auch der Lidschlag dar. In Momenten der Erstaunens, der Überraschung, weitet sich die Pupille und liefert somit physiologische Informationen über psychologische Vorgänge (Joos et al., 2003). Diese Parameter ermöglichen somit nicht nur die Messung der reinen Blickbewegung, Aufmerksamkeit und Wahrnehmung, sondern erlauben auch einen gewissen Einblick in das emotionale Geschehen des Wahrnehmenden.

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