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Unterabschnitte

1.4 Motivation der VOG-Methode

In diesem Abschnitt, der in allen Punkten Übersichtscharakter hat und nicht ins Detail gehen kann, werden kurz ausgewählte Anwendungsbereiche der Augenbewegungsmessung oder Okulographie (OG) dargestellt. Es werden im direkten Vergleich mit anderen Methoden Vor- und Nachteile der VOG-Methode dargestellt. Die Darstellung folgt im wesentlichen [Huber 1998] und [Zee 1983].

1.4.1 Nutzen von Augenbewegungsmessungen

Wie in der Einleitung bereits angedeutet, ist die genaue Messung von Augenbewegungen für verschiedene Forschungsbereiche von Interesse. Dabei bestehen je nach Fragestellung verschiedene Anforderungen an die verwendeten Meßverfahren.

Für einen kurzen Einblick in die Anwendungsbereiche der OG und die Arbeitsweise des visuellen neurologischen Systemes möchte ich vier wichtige Felder heranziehen und im Folgenden eingehender beschreiben. Dabei habe ich insbesondere im neurologischen Teil eine ausführlichere Übersicht der Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten gegeben, die durch Augenbewegungsmessung bereits untersucht wurden. Diese Übersicht dient vor allem dem Zweck, eine Einschätzung der Komplexität der Augenbewegungen zu erlauben und die Anforderungen an die Meßapparaturen im Bereich neurologischer Forschung und Diagnostik zu definieren.

1.4.1.1 Psychologie und Neuropsychologie

Zu den frühesten Anwendungsgebieten der OG gehörten sicherlich die wahrnehmungspsychologischen Untersuchungen von Blickfolgen.

Hier werden meist die Fixationspunkte bei Präsentation eines visuellen Reizes ermittelt, und aus der Blickfolge, der Fixationsdauer und ähnlichen Parametern Aufschluß über psychologische Mechanismen der Bildwahrnehmung und -verarbeitung gewonnen.

Weitere, eher in den Bereich der Neuropsychologie gehörende Fragestellungen, die sich mit okulographischen Methoden untersuchen lassen, betreffen zum Beispiel die visuelle Wahrnehmung und Bildverarbeitung im Gehirn oder Fragestellungen aus dem Bereich der Psycholinguistik, die sich durch das Beobachten der Augenbewegungen beim Lesen eines Textes beantworten lassen.1.8

1.4.1.2 Neurologie

Gegenstand der Forschung im Bereich der Augenbewegungen sind neben der Mechanik und Physiologie des Auges unter anderem die verschiedenen Reflexbögen und neurologischen Systeme, die das Auge zum Beispiel während Kopfbewegungen steuern.

Dabei erlaubt eine genaue Kenntnis der neurologischen Verhältnisse nicht nur tiefe Einblicke in die Funktionsweise der beteiligten Teile des Gehirnes, sondern in der Diagnose über die im nächsten Abschnitt beschriebenen Mechanismen durch die starke Modularität der verschiedenen Bewegungsformen auch genauen Aufschluß über den Ort eines neurologischen Defektes.

1.4.1.2.1 Der Vestibulo-Okuläre Reflex (VOR)

Die zwei hauptsächlichen Aufgaben des Gehirnes bei der Steuerung des Auges sind zum einen die Fixierung der Blickrichtung im Raum bei Bewegungen des Kopfes1.9, und zum anderen die willentliche Veränderung der Sichtlinie, die für die visuelle Fixation von Bedeutung ist.1.10

Für die erste Aufgabe, die Fixierung der Blickrichtung bei Kopfbewegungen, sind die Vestibulo-Okulären Reflexe zuständig, die durch Informationen aus dem Vestibulären System gesteuert werden.

Es gibt hier zwei wichtige Reflexbögen. Zum einen werden die Informationen aus den Winkelgeschwindigkeits-Sensoren der halbkreisförmigen Bogengänge des Gleichgewichtssystems verarbeitet. Dies ermöglicht ein Nachstellen der Augenposition bei Drehung oder Verkippung des Kopfes, und damit das Aufrechterhalten der Sehfähigkeit bei Rotationen. Die Augen werden hierbei in Gegenrichtung der Drehung mit derselben Winkelgeschwindigkeit geführt.

Der zweite Bereich des VOR, der Otolitho-Okuläre-Reflex, wertet Signale aus den ebenfalls im Gleichgewichtsapparat befindlichen Otolithen aus, die auf Linearbeschleunigungen des Kopfes reagieren.

Der VOR ist dabei einer direkten optischen Rückkopplung (d.h. einer Auswertung der auf der Netzhaut aufgenommenen Bilder und einer anschließenden darauf beruhenden Richtungskorrektur des Auges) durch seine viel kürzere Zeitkonstante deutlich überlegen: Während der VOR eine Antwortzeit von nur etwa 10 ms bis 12 ms hat, braucht das visuelle System für die Verarbeitung um 100 ms.

1.4.1.2.2 Optokinetischer Reflex

Dennoch hat auch die visuelle Rückkopplung Anteil am Reflexverhalten des Auges, da nämlich bei anhaltenden Rotationen aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Kanäle das Signal aus dem vestibulären System nach etwa 30 Sekunden abgeklungen ist und die visuellen Reflexe in etwa mit derselben Zeitkonstanten aktiv werden. So kann auch bei fortgesetzten Drehungen die Sehfähigkeit aufrecht erhalten werden.

1.4.1.2.3 Schnellphasige Sakkaden

Zusätzlich zum oben beschriebenen VOR und der visuellen Rückkopplung ist ein Korrekturverfahren nötig, das beispielsweise ein Abwandern der Blickrichtung an den Rand des Sichtfeldes bei anhaltenden Rotationen verhindert. Diese Funktion erfüllen die schnellen Phasen des sakkadischen Systemes, die eine Rückführung des Auges in die Nähe der zentralen Position vornehmen.

Die schnellen Phasen erreichen dabei Winkelgeschwindigkeiten von bis zu 500/s.

1.4.1.2.4 Willkürliche Sakkaden

Tiere, deren Augen eine Fovea1.11 aufweisen, haben die Fähigkeit entwickelt, die Sichtlinie auch ohne Kopfbewegungen zu verändern. Solche willkürlichen Sakkaden können von optischen oder akustischen Reizen oder aus der Erinnerung ausgelöst werden.

1.4.1.2.5 Augenfolgebewegungen

Durch Sakkaden alleine ist das Bild von Objekten, insbesondere das von bewegten Objekten, nicht dauerhaft auf einer Stelle der Netzhaut zu halten. Deswegen verfügt das Gehirn foveater Tiere über einen speziellen Mechanismus, der die gleitende Nachführung des Auges erlaubt (''smooth pursuit''). Der Input dieses Systemes speist sich dabei nicht nur aus dem visuellen Apparat, sondern kann aus ganz unterschiedlichen Bereichen stammen. So können manche Testpersonen beispielsweise den Bewegungen ihrer Hand bei völliger Dunkelheit folgen.

Davon vermutlich verschieden ist der visuelle Apparat, der die Fixation stillstehender Objekte erlaubt. Obwohl auch die Meinung existiert, daß es sich dabei um einen Spezialfall der Augenfolgebewegung mit Objektgeschwindigkeit Null handelt, deuten jüngere Ergebnisse auf die Existenz eines eigenen Fixationssystems für unbewegte Ziele hin.

1.4.1.2.6 Kombinierte Augen-/Kopfbewegungen

Die vorstehenden Steuersysteme der Augenbewegungen werden im Falle kombinierter Augen- und Kopfbewegungen durch andere Funktionsweisen und Gesetze ergänzt und kompliziert. Im Falle langsamer Bewegungen, bei denen Kopf und Blick einem bewegten Objekt gemeinsam folgen, würde ein funktionierender VOR beispielsweise durch Kompensation der Kopfbewegung eine Fixation unmöglich machen. Tatsächlich findet man ein Aussetzen des VOR für solche Bewegungen.

1.4.1.2.7 Vergenz

Der letzte größere Bereich von Augenbewegungen betrifft die zur binokulären Erfassung von Objekten - und damit zum räumlichen Sehen - notwendige Koordination zwischen den Bewegungen beider Augen. Dabei muß einmal die Blickrichtung der beiden Augen koordiniert werden (fusionale Vergenz), der sich ergebende Parallaxenwinkel zwischen den Blickrichtungen beider Augen ist dabei um so größer, je näher das fixierte Objekt dem Betrachter ist. Zum anderen ist eine gemeinsame Akkomodation (akkomodative Vergenz) auf das betrachete Objekt nötig.

1.4.1.3 Diagnostik

In der Neurologie verwendet man die bei der OG gewonnenen Daten routinemäßig bei der Diagnose neuronaler Läsionen und Ausfälle. Die besonders gute diagnostische Verwendbarkeit der Augenbewegungsdaten gegenüber anderen Quellen rührt dabei von einer Reihe von Besonderheiten her, die die Interpretation gewonnener Daten erleichtern.

1.4.1.4 Praktische Anwendungen

Die Augenbewegungsmessung, vor allem in der 2-D-Variante, birgt neben dem in den letzten Abschnitten angedeuteten medizinischen und wissenschaftlichen Nutzen auch Möglichkeiten zur praktischen und kommerziellen Anwendung.

Ein wichtiger Anwendungsbereich ist dabei die Blicksteuerung technischer Geräte und Computer. Dies ist zum einen in Umgebungen interessant, in denen die Hände für andere Tätigkeiten frei bleiben sollen, zum Beispiel in der bemannten Raumfahrt, erlaubt irdisch vor allem aber auch körperlich behinderten Menschen die Nutzung ihnen sonst nicht zugänglicher Geräte.

Von großem kommerziellen Interesse ist die Blickfolgeuntersuchung bei der Betrachtung von Bildmotiven beispielsweise im Marketing.

1.4.2 Vor- und Nachteile verschiedener Meßverfahren

1.4.2.1 Nachbilder

Eine der frühesten, beispielsweise von Helmholtz und Listing1.12 angewandten Methoden zur Messung von 3-D-Augenbewegungen war die Methode der Nachbilder, bei der von den Testpersonen längere Zeit ein räumliches Gitter an einem vorgegebenen Punkt fixiert wird. Anschließend wird die Augenposition (der Fixationspunkt) verändert und das nun gesehene Gitter mit dem von der Netzhaut erzeugten Nachbild aus der ersten Fixation verglichen.

Daraus läßt sich insbesondere die torsionelle Komponente der Augenbewegung bestimmen, was von Listing und Helmholtz zur Ermittlung von Listings Gesetz verwendet wurde.

Listings Gesetz ist ein Spezialfall von Donders Gesetz1.13, das besagt, daß jeder 2-D-Augenposition ein eindeutiger Torsionswinkel zugeordnet werden kann. Die Bewegung des Auges findet also nicht in vollen drei Dimensionen sondern in einem zweidimensionalen Unterraum statt. Listings Gesetz besagt, daß diese Torsion so ausfällt, als ob die Rotation in eine bestimmte Position aus der Referenzposition um eine einzelne Achse ausgeführt würde, die senkrecht auf der Start- und Endrichtung der optischen Achse des Auges steht. Das Auge befolgt die Vorgabe von Listings Gesetz in der Praxis während Fixationen sehr gut ( $\sigma \le 1$)

Durch ihre geringe Exaktheit und ihre beschränkte Anwendbarkeit ist die Nachbildermethode heute hauptsächlich von historischem Interesse.

1.4.2.2 Verfahren mit Kontaktlinsen-Spulen

Ein seit langer Zeit erfolgreich angewandtes Verfahren zur Messung von Augenbewegungen stellt das Aufbringen von magnetischen Induktionsspulen auf die Hornhaut dar.1.14 Durch oszillierende äußere Magnetfelder wird in diesen Spulen induktiv Strom erzeugt, der als Meßsignal abgenommen wird. Mittels zweier nichtparalleler Spulen kann man die Augenposition sehr exakt bestimmen. Da das Anbringen von zwei Spulen unhandlich ist, wählt man eine spezielle Form der Spulen, die dann vollständig in einer einzelnen Kontaktlinse eingebettet werden können.

Die großen Vorteile der Spulen-Methode liegen in der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Auf der anderen Seite stehen als Nachteile die Invasivität der Methode und die Stationarität des Apparates, die beide insbesondere bei klinischen Untersuchungen die Untersuchung sehr erschweren können. Zwar gibt es Versuche, mit kleinen, kompakten Magnetfeldspulen eine mobile Meßvorrichtung zu erhalten, doch spricht auch in diesem Fall die umständliche Anwendung der Kontaktlinsen gegen eine klinische Verwendung des Verfahrens.

1.4.2.3 Elektro-Nystagmographie (ENG)

Die Messung der Augenposition im Kopf ist nicht nur durch direkte optische oder elektromagnetische Beobachtung, sondern auch durch Messung der elektrischen Dipolmomentes des Auges möglich. Zwischen Retina und Cornea besteht eine Spannung von etwa 1 mV, und die Messung des vom Auge erzeugten Feldes ermöglicht Aufschluß über seine Lage im Raum.

Dieses Verfahren wird routinemäßig in der klinischen Praxis zu Diagnosezwecken angewandt.

1.4.2.4 Purkinje-Tracker

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der Augenposition besteht darin, die Reflektionen des Lichtes von zum Beispiel Infrarot-Leuchtdioden auf den verschiedenen optischen Grenzflächen des Auges, die sogenannten Purkinje-Bilder, zu lokalisieren und aus ihrer Verteilung auf die Richtung des Auges rückzuschließen. Für die Arbeit mit Purkinje-Trackern ist naturgemäß ein recht detailliertes Modell der verschiedenen Grenzflächen und optischen Systeme im Auge erforderlich.

1.4.2.5 Video-Okulographie (VOG)

Erst durch jüngere Entwicklungen im Bereich digitaler Datenverarbeitung möglich geworden ist die Video-Okulographie (VOG), bei der Bilder des Auges mit Videogeräten aufgenommen und die aufgezeichneten Bilder anschließend mit Computern ausgewertet werden.

Den Vorteilen der Methode - der Nichtinvasivität und der verhältnismäßigen Mobilität der Apparate - stehen Nachteile im Hinblick auf die zeitliche und räumliche Auflösung des Verfahrens entgegen. Während die zeitliche Auflösung durch die Aufzeichnungsfrequenz (bei Videoaufnahmen in der Regel 50 Hz oder 60 Hz) und die endliche Belichtungszeit begrenzt wird, ist die räumliche Auflösung durch die Auflösungen entweder des verwendeten Videosystems oder der eingesetzten Framegrabber-Hardware begrenzt.

Da hier erst verhältnismäßig hochwertige Geräte akzeptable Werte erreichen, ist die VOG im Verhältnis recht teuer. Daß sie dennoch in zunehmendem Maße im klinischen Bereich eingesetzt wird, verdankt sie dem entscheidenden Vorteil der leichteren Anwendbarkeit - und den stetig fallenden Preisen digitaler Ausrüstung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung.

Außerhalb der medizinischen Forschung ist zudem die durch Bildverarbeitung gestützte Messung von Augenbewegungen die attraktivste Variante. Für die Blicksteuerung von Windows 2000 wird sich wohl niemand Kontaktlinsen mit Magnetspulen einsetzen wollen.


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1999-04-24