Pupillometrie

Was kann gemessen werden?

Pupille: Zum einen ist es möglich die Pupillenlichtreaktion zu messen. Hier wird auf eine, an mittlere Leuchtdichte adaptierte Vpn ein Lichtblitz abgeben, der in Länge und Intensität variiert werden kann. Die Pupille zieht sich nach einer kurzen Latenz (200ms) zusammen, erreicht eine maximale Konstriktionsamplitude und erweitert sich dann wieder auf die Baseline. An dieser Reaktion auf einen Lichtblitz (typischerweise von kurzer Dauer, mit hoher Intensität) lassen sich nun verschiedene Parameter erheben, die der EDA ähneln: Latenz der einsetzenden Reaktion, halbe Anstiegszeit, maximale Amplitude und halbe Abstiegszeit (Rößger, 1997). Als weiteres Maß dient die stimulusevozierte Veränderung des Pupillendurchmessers. Nach Applikation eines Stimulus, der in verschieden Modi, meist jedoch im visuellen, dargeboten wird, entsteht nach geringer Latenz eine Veränderung des Pupillendurchmessers. In den meisten Fällen erweitert sich die Pupille nach Reizdarbietung (Rößger, 1997).

Lidschlag: Der Lidschluß bietet weitere Parameter, die sensitiv gegenüber psychischen Prozessen sind. Nicht nur die Lidschlagfrequenz als solche, sondern auch die zeitliche Länge eines Lidschlusses stellen solche dar. Auch die zeitlichen, an Reizen gebundenen, Phasen eines vermehrten Lidschlages abgewechselt von Phasen mit sehr wenig Lidschlüssen können aussagekräftige Indikatoren psychischer Aktivität sein (Stern & Strock, 1987; in Gale & Christie, 1987).
Pupillendurchmesseränderungen aufgrund psychischer Prozesse

Hervorzuheben sind hier die Arbeiten von Eckhard H Hess. In den Sechzigern und Siebziger Jahren wurden zahlreiche Untersuchungen über den Zusammenhang von Emotionen und Pupillendurchmesser von Hess durchgeführt. Es wird von ihm die Konstriktions- Dilatations-Hypothese aufgestellt, nach der Pbn auf negative Reize eine Konstriktion und auf positive Reize eine Dilatation zeigen. In einem Artikel von 1972 sind viele seiner Arbeiten zusammengefaßt (Hess, 1972). Beispielsweise wurden Männern und Frauen Bilder verschieden emotionalen Gehalts präsentiert. Hypothesenkonform verringerte sich der Pupillendurchmesser bei heterosexuellen Männern wenn ein Bild mit halbnacktem Mann gezeigt wurde, während sich die Pupillen der Frauen auf diesen Stimulus erweiterten. Auch auf ein Bild eines Haies ergab sich eine Konstriktion bei Männern und Frauen u.s.w. (Hess, 1965). Es wurden auch Arbeiten zur Produktevaluation von ihm durchgeführt. Den Pbn wurden verschiedene Orangensäfte und Wasser zu trinken gegeben. Die daraufhin gemessenen Pupillendurchmesser zeigten eine Rangreihenfolge von starker Dilatation auf den vermutlich schmackhaftesten bis zur Konstriktion auf den am wenigsten schmackhaften Orangensaft und dem Wasser (Hess &Polt, 1966). Die Konstriktions- Dilatations- Hypothese wird heute allerdings angezweifelt. Methodisch unklar und nicht replizierbar waren die Arbeiten von Hess (Janisse, 1977). Es gilt eher die Annahme, daß Emotionen, unabhängig von ihren Qualitäten, nur in ihrer Quantität, allein durch die Stärke der Dilatation erkannt werden können, ganz im Sinne einer Aktivation (Janisse, 1977). Eine etwas andere Betrachtungsweise sieht mehr den kognitiven Áspekt als Hintergrund einer Pupillenreaktion. Zum Beispiel ist die Pupillenerweiterung auch ein Indikator der Orientierungsreaktion( Sokolov, 1958; in Hess, 1966). Auch wurde die Pupillenerweiterung als eine Reaktion interpretiert, die Interesse darstellt (Stern & Strock, 1987; in Gale & Christie, 1987 ). Die Erweiterung der Pupille durch kognitive Prozesse ist ein viel beachteter Punkt. In einer Untersuchung, die beispielhaft das typische Paradigma dieser Forschungsrichtung zeigt, wurden die Pbn angewiesen, Zahlenketten von verschiedener Länge zu wiederholen und sich zu merken. Es steigt der Pupillendurchmesser bis zu dem Zeitpunkt an dem die Pbn angewiesen wurden mit dem Wiederholen aufzuhören, und zwar steigt der Durchmesser verschieden stark mit den Bedingungen. Bei 7 zu merkenden Ziffern ist die stärkste Dilatation zu erkennen (Kahneman &Beatty, 1966; in Rößger, 1997). Das die Pupillenweite sensitiv gegenüber Reizen verschiedenster Modi ist zeigen einige Untersuchungen. Visuell dargebotene Stimuli wurden bereits erwähnt. Auch auf akustische Reize reagiert die Pupille sensibel. In einer Untersuchung wurden Töne mit steigender Intensität präsentiert. Je stärker der Ton desto größer die Dilatation der Pupille (Patrick, 1969; in Janisse, 1977). Die Reaktion auf gustatorische Reize wurde bereits erwähnt (Hess, 1966). In Hess, 1972 werden auch Beispiele für eine Veränderung der Pupillenweite durch olfaktorische Reize beschrieben (Hess, 1972). Eine Anwendung der Pupillometrie in die Produktevaluation und in die Adaptive Automation erscheint mir also möglich. Möglich ist auch eine Anwendung der Pupillometrie in die Lügendetektion, wie in Janisse, 1977 beschrieben (Janisse, 1977).
Technische Umsetzung

Moderne Videoverarbeitungstechnik erlaubt uns eine Umsetzung der Messung des Pupillendurchmessers und der Lidschlagfrepuenz. Als technische Ausstattung reicht ein PC mittlerer Leistung (Pentium MMX Prozessor), eine Video- „Grabber“ –Karte und eine Monochrom Videokamera und einer speziellen Bildverarbeitungsoftware. Die Firma National Instruments bietet hierfür alle interessierenden Artikel an. Hardware und Software speziell zur Video/Bildbearbeitung ist verfügbar. So läßt sich die Hard- und Software direkt in andere Anwendungen, die sich alle auf die Programmiersprache der 4. Generation „G“ stützen, implementieren. Da bereits eine Umstellung der Laborsoftware auf Lab View geplant und teilweise umgesetzt ist, empfiehlt sich eine Anschaffung der Komponenten bei dieser Firma. Zum Prinzip der Messung: Die Videokamera erfaßt das Gesicht des Probanden. Es ist nicht nötig den Kopf des Pbn starr zu fixieren, weil die Software die Software die Pupille entdecken kann (s.u.). Also reicht eine einfache Kopfstütze und die Anweisung an den Pbn den Kopf nicht allzu stark zu bewegen. Allerdings sollte der Pbn über die Dauer der Datenerfassung einen optischen Fixationspunkt haben um Winkelverzerrungen in der Bildverarbeitung zu vermeiden (unter Umständen kann auch dieses Problem per Software gelöst werden, d.h. durch eine Winkelkorrektur). Die Videokamera liefert bei einer Auflösung von 1/3 bis ½ Millimeter pro Pixel 25 b.z.w. 50 Bilder in der Sekunde. Auch die späteren Verarbeitungskomponenten der Hard- und Software werden diese Auflösung nicht unterschreiten. Eine solche Auflösung ist für die Anwendung der Messung der Pupillenweite über die Zeit und der Lidschlagfrequenz durchaus befriedigend. 25 b.z.w. 50 Bilder in der Sekunde bedeutet eine zeitliche Auflösung von 20 ms b.z.w 40 ms. Bei einer Dauer von 100ms bis 300ms für einen Lidschlag (Cacioppo &Tassinary, 1990) reicht diese für eine Evaluation aus. Die Konstriktions- und Dilatationslatenzen für die Pupillenreaktion beträgt minimal 200ms und auch der Verlauf einer Durchmesseränderung beträgt mindestens 200ms (Rößger, 1997). Ein größeres Problem stellt die räumliche Auflösung da. Der Anteil der Pupillendurchmesseränderungen aufgrund psychischer Einflüsse ist, im Gegensatz zum Einfluß der Leuchtdichte sehr gering. Variiert der Durchmesser mit schwankender Leuchtdichte noch in mehreren Millimetern, so sind die Schwankungen aufgrund psychischer Prozesse im Bereich von 1/10 bis 1/20 Millimeter zu suchen. (Rößger, 1997; Gruenberger, 1992; Hess & Polt, 1966), unabhängig davon ob es sich hierbei um kognitive oder emotionale Prozesse handelt. Das kritische Glied hierbei, in technischer Hinsicht, stellt die verwendete Videokamera da. Übliche Kameras haben eine Auflösung von 640 * 480 Pixel. Es ist also nötig die Pupille sehr nah heranzuzoomen oder besser die Kamera sehr nah am Auge zu positionieren, um die Auflösung der Pupille zu maximieren. Bei einer möglichen Lösung mit einer Brille auf dessen Bügel eine Kamera installiert ist, welche das Spiegelbild des Auges b.z.w. der Pupille von der Innenseite des Brillenglases aufnimmt, könnte man einen Augenausschnitt von beispielsweise 3*3cm erreichen. Bei einem angenommenen durchschnittlichen Pupillendurchmesser von ca. 5 Millimeter würde die Auflösung ca. 20 Pixel pro Millimeter betragen, was noch ausreichend wäre. Durch die „Brillenlösung“ wären auch Kopfbewegungen kein großes Problem mehr.

Auf der Videokarte, die durch das PCI- Bus System mit dem Speicher und der CPU verbunden ist, wird das analoge Signal digitalisiert. Die Videoverarbeitungssoftware (unser Vorschlag ist: IMAQ Vision Advanced für Lab View von National Instruments) verarbeitet das Signal nun weiter. Die Software ist in der Lage sehr schnell Formen innerhalb des Bildes zu erkennen und zu analysieren ( diese Funktionen sind u.a. für Werkstückerkennung und Qualitätsevaluation in der industriellen Anwendung entwickelt, um ein anschauliches Beispiel zu nennen). Die erkannte Form kann nun nach mehreren Parametern „vermessen“ werden, natürlich auch nach Durchmesser. In unserem Falle würde die Software angewiesen werden einen Kreis in dem Bild zu suchen und seinen Durchmesser zu bestimmen. Der einzige Kreis im Bild stellt die Pupille dar, und so wird ihr Durchmesser gemessen. Die Verarbeitung innerhalb der Bildbearbeitung stellt die Suche nach einem den Schwellwert unterschreitenden Helligkeitsareal dar. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß, für unseren Fall, grundsätzlich mit einer normalen monochrom Kamera oder mit einer Infrarot- Licht empfindlichen Kamera gearbeitet werden kann. Aber für beide Kamerasysteme ist das Prinzip der Bildevaluation im folgenden gleich. Das Auge reflektiert Licht genauso wie jeder andere Gegenstand. Nicht jeder Teil des Auges reflektiert aber gleich stark. Wobei Sclera und Iris Licht (IR oder normal-Spektral) relativ stark reflektieren, wird das Licht von der Pupille relativ schwach reflektiert ( solange die Lichtquelle nicht auf einer Achse der Kamera liegt -> „Rote Augen“ Effekt bei Blitzlichtaufnahmen). Es kann also nun von der Software das Areal ausgemessen werden, was einen bestimmten Helligkeitswert unterschreitet. Beim Berechnungsprozeß wird der ganze Bereich des Bildschirms abgescannt. Für die Messung beispielsweise des horizontalen Durchmessers wird der Bildschirm vertical (spaltenweise) abgescannt. Die Spalte, die als erstes auf ein Areal trifft, welches den Helligkeitsschwellwert unterschreitet, und die Spalte die als letztes den Helligkeitsschwellwert unterschreitet, werden erkannt. Die Anzahl der Spalten vom ersten bis zur letzten Spalte, die den Schwellwert unterschreiten ergeben den horizontalen Durchmesser.

Hier taucht eine weiter zu diskutierendes Problem auf: Die Entscheidung zwischen normaler Monochrom Kamera und Infrarot sensitiver Kamera. Bei einer Messung der Pupillenweite ist die Leuchtdichte, die in der optischen Fixation herrscht zu kontrollieren. Bei zu hoher Leuchtdichte erreicht man die maximale Konstriktion und damit den Deckeneffekt bei der Messung der Durchmesserveränderungen. Es ist daher eigentlich nötig die Beleuchtung des Auges auf einem mittleren Niveau zu halten um auch die Pupillenweite auf einem mittleren Niveau zu halten. Andererseits braucht man eine gewisse Höhe der Leuchtdichte am Auge, damit die Bildbearbeitung den Helligkeitsunterschied zwischen Pupille und Umgebung eindeutig differenzieren kann. Durch eine zusätzliche Lichtquelle, die beinahe im rechten Winkel zur Blickachse installiert ist, kann dieses Problem aber wahrscheinlich gelöst werden, denn die zusätzliche Lichtquelle tangiert den Pupillendurchmesser kaum, da die Anzahl der Photoreceptoren der Retina, die dem Licht (aus eunem solchen Winkel) ausgesetzt werden, sehr gering ist. Die elegantere Lösung stellt die Messung mit einer Infrarot empfindlichen Kamera dar. Das Auge wird mit Infrarotscheinwerfer beleuchtet, die Inrarotkamera nimmt das Auge auf und die Sofware evaluiert das Bild wie oben beschrieben. Da das Auge gegenüber Infrarotlicht nicht empfindlich ist, kann man die Leuchtdichte im Infrarotbereich nun maximieren, um den maximalen Kontrast zwischen Pupille und Umgebung herzustellen.

Literatur:

Rößger, P. (1997) Die Entwicklung der Pupillometrie zu einer Methode der Messung mentaler Beanspruchung in der Arbeitswissenschaft. 1. Auflage. ZMMS Spektrum, Bd. 3. Pro Universitate Verlag Sinzheim, 1997.

Stern, J.A. & Strock, B.D. (1987) Oculomotor Activity and User-System Interaction in the Workplace. In: Gale,A. & Christie, B. (1987) Psychophysiology and the Electronic Workplace. John Wiley & Sons LTD: New York.

Hess, E. H. (1972) Pupillometrics. In: Handbook of Psychophysiology. Eds. Greenfield, N. & Sternbach, R.. Holt, Rinehart, Winston, 1972.

Hess, E.H. (1966) Changes in Pupil Size as a measure of taste difference. Perceptual & motor Skills, 1966, 23, 451-455

Janisse, M. P. (1977). Pupillometry . John Wiley & Sons: New York.

Gruenberger, J et al.(1992). Pupillometry in Clinical Psychophysiological Diagnostics: Methodology and Proposals for Application in Psychiatry. Israel Journal for Psychiatry and related Sciences, Vol 29, 1992, 100-113.

Cacioppo & Tassinary (1990). .