Offenheit der Augen - weniger Lärm, mehr Signal

Die Erfassung von Augenlidbewegungen kann die psychologische und neurowissenschaftliche sowie die klinische Forschung bereichern und die Qualität der Blicksignale in Eye Tracking-Experimenten verbessern.

Durch Eye Tracking untersuchte okulomotorische Veranstaltungen können zum besseren Verständnis der menschlichen Kognition, des Verhaltens und des physiologischen Zustands genutzt werden. So kann beispielsweise aus der Spitzengeschwindigkeit der Sakkaden auf die mentale Arbeitsbelastung geschlossen werden (Bachurina & Arsalidou, 2022), und die Dynamik der Pupillengröße kann auf Erregungsniveaus und Veränderungen in der Intensität der Aufmerksamkeit hinweisen (Strauch et al., 2022). Der visuelle Zugang zur Außenwelt und damit zur Messung der Augenbewegungen wird alle 4 bis 6 Sekunden durch den Lidschluss - einen Lidschlag - unterbrochen. Das menschliche Gehirn hat Wahrnehmungsmechanismen entwickelt, die es ermöglichen, dass diese Mini-Blackouts unbemerkt bleiben. Die Erfassung dieser kaum wahrnehmbaren Augenlidbewegung kann jedoch die psychologische und neurowissenschaftliche sowie die klinische Forschung bereichern und die Qualität der Blicksignale in Eye Tracking-Experimenten verbessern.

Offenheit der Augen - ein neues Signal zur Messung der Lidkinematik

Genauso wie es verschiedene Arten von Augenbewegungen gibt, existieren auch verschiedene Indizes für Lidbewegungen. Spontanes Blinzeln ist die am leichtesten zu beobachtende Augenlidbewegung, aber man kann auch partielles Blinzeln, Lidsakkaden oder Zeiten für das Schließen/Öffnen der Augenlider messen. Bei Tobii haben wir ein neues Eye Tracking Signal für Forscher entwickelt - das Eye Openness (EO) Datensignal - das ein Maß für die größte Kugel darstellt, die zwischen das obere und untere Augenlid passt. Das EO-Signal bildet die Grundlage für die genaue Erkennung von Augenlidbewegungen, einschließlich verschiedener Arten von Blinzeln.

Was können Augenlidbewegungen über kognitive und physiologische Prozesse verraten?

Das EO-Signal wurde hauptsächlich zur Erkennung von Schläfrigkeit beim Fahrer verwendet - dem Hauptrisikofaktor für Unfälle am Steuer. Augenlidbewegungen sind eines der stabilsten und aussagekräftigsten Merkmale für die Müdigkeitserkennung. Die Charakteristika der Augenlidbewegungen liefern mehrere Metriken, die für die Schläfrigkeitsabschätzung verwendet werden können (z. B. Prozentsatz der Augenschließung (PERCLOS), Dauer und Geschwindigkeit des Schließens/Öffnens der Augenlider und Blinzelrate).

Die Bewegungen der Augenlider gewähren aussagekräftige Einblicke in die menschliche Psychologie und Physiologie. Die spontane Blinzelrate wird stark von der mentalen Arbeitsbelastung, dem physiologischen Zustand und der Motivation beeinflusst (Biggs et al., 2015; Cori et al., 2019; Marquart et al., 2015). So deuten lange Blinzler auf Müdigkeit und Schläfrigkeit hin, während kurze Blinzler mit anhaltender Aufmerksamkeit und erhöhter Motivation verbunden sind. Forscher in verschiedenen Bereichen messen Blinzeln als Indikator für die Wahrnehmung von Zeit (Terhune et al., 2016), kreatives Denken (Agnoli et al., 2022) und visuelle Aufmerksamkeit (Nakano et al., 2009).

Augen- und Augenlidbewegungen sind neuroanatomisch miteinander verbunden. Störungen der Augenlidbewegung können als Biomarker für verschiedene klinische Erkrankungen dienen und die aus anderen Augenbewegungsindizes gewonnenen Erkenntnisse ergänzen. So kann beispielsweise eine erhöhte Blinzelrate bei Fixation und Verfolgung auf das Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit hinweisen (Coubard, 2016). Mit dem EO-Signal zur Hand wäre es nun möglich, verschiedene mit der Lidbewegung zusammenhängende Dysfunktionen zu beurteilen, wie z. B. die Erkrankung des trockenen Auges, Blepharospasmus und Ptosis (Hamedani & Gold, 2017). In Tier- und Humanstudien wird die Augenblinzelrate auch als Indikator für die striatale Dopaminverfügbarkeit verwendet. Das EO-Signal kann helfen, klinische Zustände zu erkennen, die durch abweichende Dopaminwerte gekennzeichnet sind, wie Parkinson oder Schizophrenie (Jongkees & Colzato, 2016).

Messungen der Augenliddynamik zur genauen Erkennung von Artefakten

Artefakte im Zusammenhang mit den Augenlidbewegungen führen zu erheblichen Datenveränderungen in den Eye Tracking-Daten. In der Eye Tracking-Community gibt es verschiedene Methoden zur Erkennung von Augenblinzeln. Einige Methoden stützen sich jedoch auf fehlende Datenwerte oder auf die Interpretation von Rauschen als Blinzeln, was ein Risiko für eine ungenaue Blinzelerkennung und unerwünschte Daten in der Analyse darstellt. So können beispielsweise Messungen des Pupillendurchmessers verunreinigt (und in der Regel unterschätzt) werden, wenn ein Blinzeln nicht korrekt erkannt und entfernt wird. Mit dem neuen EO-Signal ist es nun möglich, Blinzeln genau zu schätzen und eine korrekte Messung des Pupillendurchmessers zu erhalten.

Auch Lidbewegungen stören die Sakkaden. Sakkaden werden von ballistischen Lidbewegungen, so genannten Lidsakkaden, begleitet, die synchron mit der Drehung des Augapfels erfolgen. Sakkaden, die durch Blinzeln gestört sind, zeigen oft eine verringerte Spitzengeschwindigkeit und eine zwei- bis dreifache Verlängerung ihrer Dauer (Goossens & Van Opstal, 2000). Bei einigen Erkrankungen (z. B. Chorea Huntington) ist eine genaue Sakkadenerkennung von entscheidender Bedeutung, da sie helfen kann, das Krankheitsstadium und den Krankheitsverlauf anzuzeigen (Miranda et al., 2016). Eine genaue Erkennung von Augenlidbewegungen durch EO-Signale könnte dazu beitragen, Ungenauigkeiten bei Sakkadenindizes zu beheben.

Augenlidbewegungen sind eine Quelle von Artefakten auch in elektroenzephalographischen (EEG) Daten. Jede EEG-Aufzeichnung wird durch Artefakte verunreinigt, die durch Blinzeln, Lidsakkaden und post-sakkadische Lidbewegungen entstehen. Artefakte durch Lidbewegungen entstehen durch die Veränderung des Widerstands zwischen der positiv geladenen Hornhaut und der Stirn, wenn das Augenlid über die Hornhaut nach unten gleitet (Plöchl et al., 2012). Die Erkennung von Augenlidbewegungen mit dem neuen EO-Signal könnte die Identifizierung von Augenlidartefakten erleichtern, insbesondere in Szenarien, in denen elektrookulografische (EOG) Messungen nicht verfügbar sind.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Mit dem EO-Signal können Forscher verschiedene Augenlidbewegungen messen und von einer verbesserten Qualität des Blicksignals in ihrer Eye Tracking-Studie profitieren. Hier sind die wichtigsten Vorteile des EO-Signals:

• Einschätzung der Schläfrigkeit des Fahrers (z. B. PERCLOS, Blinzelrate, Dauer des Schließens/Öffnens der Augenlider und Geschwindigkeit)

• Einblicke in die menschliche Psychologie, Physiologie und kognitive Prozesse

• Bewertung von Funktionsstörungen der Augenlidbewegung

• Präzise Erkennung von Blinzelartefakten für verbesserte Messungen von Pupillendurchmesser und Sakkaden

• Einfachere Erkennung von Augenlidartefakten in EEG-Daten, insbesondere wenn keine EOG-Messungen verfügbar sind

Das Augenöffnungssignal ist derzeit in Tobii Pro Spectrum mit Firmware Version 2.6.1 und Tobii Pro Fusion mit Runtime Version 2.5.4 verfügbar. Sie können auf das Signal über alle Tobii Pro SDK (Version 1.10 oder neuer) Bindungen und für alle unterstützten Betriebssystemversionen zugreifen.

Bei Eye Trackern von Tobii, die ein Augenöffnungssignal liefern, kann Tobii Pro Lab (Version 1.194 oder neuer) die Daten aufzeichnen, während der Wiedergabe visualisieren und die Rohdaten sowie verschiedene auf der Augenöffnung basierende Metriken exportieren.

Zitierte Veröffentlichungen

Agnoli, S., Mastria, S., Zanon, M., & Corazza, G. E. (2022). Dopamine supports idea originality: Die Rolle der spontanen Augenblinzelrate beim divergenten Denken. Psychologische Forschung.

Bachurina, V., & Arsalidou, M. (2022): Mehrere Ebenen mentaler Aufmerksamkeitsanforderungen modulieren die Spitzen-Sakkadengeschwindigkeit und die Blinzelrate, Heliyon, 8(1).

Biggs, A. T., Adamo, S. H., & Mitroff, S. R. (2015). Mo' Money, Mo' Problems: Monetary Motivation Can Exacerbate the Attentional Blink. Perception , 44(4), 410-422.

Cori, J. M., Anderson, C., Shekari Soleimanloo, S., Jackson, M. L., & Howard, M. E. (2019). Narrative review: Do spontaneous eye blink parameters provide a useful assessment of state drowsiness? Sleep Medicine Reviews, 45, 95-104.