Wie die Universität Osaka Eye Tracking zur Erkennung von Autismus einsetzt

In einem Forschungsprojekt zur Entwicklung eines objektiven Index zur Erkennung von Autismus bei Patienten wurden Probanden beim Betrachten von Videoclips mit Tobii Pro Eye Trackers aufgezeichnet. Durch die Analyse der Blickmuster entwickelten die Forscher eine quantitative Methode, die bei der Diagnose von Autismus helfen soll.

Hintergrund

Die Prävalenz von Autismus, einer Entwicklungsstörung, die durch Beeinträchtigungen der sozialen Interaktion und Kommunikation gekennzeichnet ist, hat sich in den letzten 30 Jahren verzehnfacht. Die Diagnose hängt von der korrekten Beurteilung ab, ob jedes der in den Diagnosekriterien aufgeführten Symptome erfüllt ist oder nicht. Dies bedeutet, dass eine genaue Autismusdiagnose einen Experten auf diesem Gebiet erfordert, von denen es jedoch zu wenige gibt, um den wachsenden Bedarf der Bevölkerung zu decken. Folglich besteht ein Bedarf an einem System, das auch von Nicht-Experten mit einer Genauigkeit verwendet werden kann, die mit derjenigen von Personen vergleichbar ist, die in diesem Bereich geschult sind.

Die Blickanalyse kann als Autismus-Diagnosesystem eingesetzt werden. In den letzten Jahren sind unauffällige Eye Tracking-Systeme ohne Kinnstütze oder Kopfbedeckung immer genauer geworden. Dank dieser neuen Technologie ist Eye Tracking bei Säuglingen und Kleinkindern genauso einfach wie bei erwachsenen Probanden.

Zielsetzung

Das Ziel der Forscher an der Universität Osaka war es, eine quantitative Skala zur Identifizierung von Personen mit Autismus auf der Grundlage von Blickmessdaten zu entwickeln, die sowohl bei Erwachsenen als auch bei Kindern angewendet werden kann.

Methode

Aufzeichnung und Analyse von zeitlich-räumlichen Blickmustern

Das Team der Graduate School of Frontier Biosciences der Universität Osaka in Japan untersuchte 25 kleine Kinder (Durchschnittsalter 3 Jahre) mit Autismus, 25 altersgleiche Kinder mit typischer Entwicklung (auch bekannt als TD oder neurotypische Kinder), 27 Erwachsene mit Autismus und 27 neurotypische Erwachsene. Die Probanden sahen sich dieselben kurzen Videoclips aus Filmen und Fernsehprogrammen für Kleinkinder an.

Der Videostimulus zeigte mehrere Personen, die sich unterhielten, wobei in jeder Szene ein unterschiedlicher Grad an sozialem Kontext und Ablenkungen vorhanden war. Die Blickpositionen beider Augen wurden mit einem bildschirmbasierten Eye Tracker von Tobii gemessen. Die Forscher analysierten dann die Blickmuster aller Teilnehmer und konzentrierten sich dabei auf die Aufmerksamkeit der Probanden auf Augen und Mund während der Videoclips.

Eine bekannte Beobachtung aus früheren Untersuchungen ist, dass Erwachsene mit Autismus mehr auf den Mund einer Person schauen als auf die Augen. Bei der Untersuchung von Kindern mit Autismus waren diese Beobachtungen jedoch nicht konsistent. Das Forschungsteam beschloss, zunächst diese Hypothese zu untersuchen.

Die Theorie schien für Erwachsene zuzutreffen. Die neurotypische Gruppe verbrachte mehr Zeit damit, in die Augen zu schauen als die Teilnehmer mit Autismus. Die Ergebnisse der Kindergruppe wiesen jedoch auf die gegenteilige Schlussfolgerung hin: Neurotypische Kinder schauten mehr auf den Mund als die Kinder mit Autismus.

Beim Vergleich der Daten von Kindern und Erwachsenen, Bild für Bild, wurde deutlich, dass der Unterschied am deutlichsten wurde, wenn eine Figur zu sprechen begann. Während neurotypische Erwachsene im Allgemeinen auf die Augen der Figur schauten (links), achteten die meisten TD-Kinder stattdessen auf den Mund (Mitte). Während der verbalen Entwicklung kann es eine gewisse Zeit geben, in der die menschliche Stimme mit Mundbewegungen assoziiert wird. Wenn das Kind eine gewisse Erfahrung gesammelt hat, konzentriert es sich schließlich auf die Augen des Sprechers, um sich vollständig mitzuteilen. Wenn man davon ausgeht, dass der Wechsel des Fokus vom Mund zu den Augen mit der Entwicklung einhergeht, wäre es unmöglich, einen Index für soziale Störungen zu entwickeln, der auf der Grundlage dieses Verhältnisses zwischen Augen- und Mundbetrachtungszeit für alle Altersgruppen gilt.

Das Forschungsteam beschloss daraufhin, einen Index aus allen verfügbaren Blickdaten des Eye Trackers von Tobii zu erstellen.

Ergebnisse

Unter Berücksichtigung aller Blickmuster der Probanden fasste das Team die Daten mit Hilfe der multidimensionalen Skalierung (MDS) zusammen. Wenn die zeitlich-räumlichen Blickverläufe bei einem Probandenpaar ähnlich sind, werden sie sehr nahe beieinander aufgetragen. So würde eine Gruppe von Probanden mit ähnlichem Blickverhalten ein Cluster bilden, während diejenigen mit untypischem Blickverhalten in der Peripherie, weit entfernt von den anderen, eingezeichnet würden.

Wenn die Daten auf diese Weise aufgetragen wurden, waren die meisten neurotypischen Teilnehmer der Kontrollgruppe in der Nähe des Zentrums verteilt, während die Teilnehmer mit Autismus entlang der Peripherie verteilt waren (siehe das Diagramm in der Abbildung oben rechts; die "+"-Markierung in der Mitte des Diagramms zeigt den Median an, der als die neurotypischste Art, den Videostimulus zu betrachten, angesehen werden kann). Der Abstand vom "Zentrum" (MDS-Abstand) war also bei den neurotypischen Gruppen kleiner als bei den Teilnehmern mit Autismus. Die Ergebnisse zeigen, dass neurotypische Kontrollgruppen ähnliche Blickmuster aufweisen, während Teilnehmer mit Autismus atypisches Blickverhalten zeigen, das sich von Proband zu Proband unterscheidet.

Der Abstand von der "Mitte" der MDS-Ebene, der den Grad der Abweichung vom zeitlich-räumlichen Standardblickmuster widerspiegelt, unterschied sowohl bei Kindern (87 %) als auch bei Erwachsenen (75 %) wirksam zwischen Kontrollteilnehmern und solchen mit Autismus.

Das Team geht davon aus, dass dieser Abstand als effektive Skala für soziale Beeinträchtigungen bei Autismus verwendet werden könnte, die nicht nur bei Erwachsenen, sondern auch bei Kindern angewendet werden kann.

Das Forschungsteam wandte dieselbe Methode auch bei den Teilnehmern mit spezifischer Sprachbehinderung (SLI) an, die zwar eine verzögerte verbale Entwicklung, aber keine sozialen Beeinträchtigungen aufwiesen. Auf der MDS-Ebene war es möglich, die Personen mit SLI mit 80 % Genauigkeit von der Kontrollgruppe zu unterscheiden. Anhand des Abstands zum MDS-Median war es ebenfalls möglich, die Gruppe mit SLI von den autistischen Teilnehmern mit derselben Genauigkeit zu unterscheiden. Schließlich wurde beim Vergleich der Teilnehmer mit SLI mit der neurotypischen Kontrollgruppe deutlich, dass die Probanden mit SLI mehr auf den Mund schauten als die neurotypischen Probanden.

Die Analyse der Blickmuster von Personen, die sich den in dieser Untersuchung erwähnten Videostimulus ansehen, kann eine Fülle von Informationen liefern. Durch die Extraktion dieser Informationen könnte eine einfache, aber wirksame Methode zur Erkennung geschaffen werden. In Zukunft könnte dieselbe Methode auch zur Bewertung der Ergebnisse von Behandlungsmethoden wie der angewandten Verhaltensanalyse verwendet werden.

Referenzen

1. Nakano, T. et al. Atypical gaze patterns in children and adults with autism spectrum disorders dissociated from developmental changes in gaze behaviour. Proc R Soc B277, 2935-43 (2010).
2. Hosozawa, M., Tanaka, K., Shimizu, T., Nakano, T. & Kitazawa, S. How children with specific language impairment view social situations: An eye Tracking study.pediatrics129, e1453-e1460 (2012).

Verwandte Informationen

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