如何發(fā)表一篇高質(zhì)量眼動研究論文——眼動追蹤研究行文指南

原創(chuàng) 零卡果凍 心儀腦 
 
說起眼動大家肯定都不陌生，但是也會有些新研究者對眼動的了解不夠深入。眼動追蹤研究是一種豐富的實驗方法，近年來使用激增。隨著這種情況的擴散，濫用的可能性也在增加。由于信息的缺乏和培訓(xùn)的不足導(dǎo)致研究設(shè)計的不合理和報告的不充分，也使得很多眼動研究的可重復(fù)性很低。我們希望通過這篇文章可以充分介紹眼動追蹤的基本理論和實踐，來幫助交叉學(xué)科及剛接觸眼動追蹤技術(shù)的研究者避免一些錯誤，做出適當?shù)牟僮鳌?br />  
為了實現(xiàn)這些目標，本文主要包含以下內(nèi)容：



在一篇文章中詳析介紹眼動的所有研究方向是不可能的，所以本文只是簡單概況眼動研究在各個學(xué)科中的應(yīng)用，希望可以幫助大家得到更全面的指導(dǎo)。
 

嬰兒期發(fā)展研究	經(jīng)濟學(xué)	閱讀	學(xué)習
情感障礙	孤獨癥	記憶	診斷
神經(jīng)系統(tǒng)和 神經(jīng)精神疾病	運動研究	決策	航海
用戶體驗設(shè)計 和可用性研究	組織研究	溝通	翻譯

01

#什么是眼動追蹤 # 
 

眼球追蹤是一種記錄不同時間和任務(wù)的眼球運動和注視位置的實驗方法。眼動追蹤的起源可以追溯到Charles Bell，他首先將眼動控制歸因于大腦，對眼動進行分類，并描述了眼動對視覺定向的影響(Bell, 1823)。這定義了眼睛和神經(jīng)系統(tǒng)之間的生理聯(lián)系，將動作與神經(jīng)和認知過程聯(lián)系起來，從而打開了一扇潛在的窗口，進入大腦的內(nèi)部工作。在接下來的一個世紀里，發(fā)展出了各種方法來客觀地測量眼球運動。例如，Dodge和Cline(1901)讓平行光照射在人的眼球上，再讓角膜反射出來的光進入攝像機，攝像機的感光膠片勻速移動，這樣就可以把角膜反射出來的光點移動軌跡拍攝下來，這個軌跡就是眼動軌跡。Dohlman(1935)將一個光源及一個光電管固定在被試頭上，并將一個膠質(zhì)環(huán)狀物吸附在被試的眼睛上（眼睛經(jīng)過麻醉）。膠質(zhì)環(huán)狀物上有一個遮蔽物，它可以阻斷一部分反射光線落在光電管上。遮蔽物可以在水平眼動發(fā)生時，調(diào)節(jié)眼睛反射光線的多少。記錄被放大的光電電流，通過電流變化來判斷眼動。Yarbus(1967)開發(fā)了一種角膜鏡片，可以通過吸力附著在鏡片上，并在他的經(jīng)典感知實驗中使用。無論采用何種方法，從歷史上看，眼動追蹤都是昂貴和費力的，需要研究者直接觀察和分類單個研究對象的行為。這成為許多研究者的障礙，限制了研究的速度。

 

圖3 Dodge使用的眼動儀示意圖	圖5 Dohlman使用的眼動儀示意圖
圖4 Yarbus使用的眼動儀示意圖

圖3、4、5均來自：閆國利、白學(xué)軍2012年科學(xué)出版社《眼動研究心理學(xué)導(dǎo)論》

值得慶幸的是，眼動追蹤技術(shù)的改進使得眼動追蹤對研究對象和研究者來說都更加實惠和友好�；�于視頻的眼動儀通過測量紅外光在角膜上的反射相對于瞳孔的位置，可以高精度地確定注視的方向。這些可以在臺式和頭戴式配置中找到，并允許實時眼動追蹤，從而實現(xiàn)比以前更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著眼動追蹤方法的不斷發(fā)展，越來越多的研究者開始進行眼動追蹤的研究。因此，在過去20年里，眼動追蹤在多個學(xué)科的研究中得到了爆炸式的應(yīng)用。
    

1.1  為什么要追蹤眼睛
眼動儀測量在特定任務(wù)期間目光的方向、方式和順序。 眼睛的結(jié)構(gòu)將高清晰的視力限制在視野的一小部分（稱為中央凹）。因此，我們會有強烈的動機去移動眼睛，這樣大腦中央凹就會指向我們當前正在思考或處理的任何刺激。這被稱為眼-心連接( Rayner & Reingold, 2015)，并使眼動追蹤成為探索視覺注意力分配問題的可靠工具。

 
我們看哪里，看多長時間，受到了注意力之外的認知過程的影響，比如知覺、記憶、語言和決策。雖然眼睛和大腦之間的聯(lián)系不是絕對的，但通常來說，眼睛反映了我們在任何特定時刻看到的任何東西的心理過程。由于其高度的時間敏感性，眼動追蹤可以對研究對象進行實時觀察，而不僅僅是揭示最終的結(jié)果。此外，眼球運動在很大程度上不受意識控制，也就是說，雖然個人可以選擇看什么和什么時候看，但運動的細節(jié)在很大程度上是反射性的；人們通常不善于記住他們看的具體位置(Clarke, Mahon, Irvine, & Hunt, 2017)。這意味著眼動追蹤可以進入無意識的處理過程。

眼球運動是由一個廣泛而分散的系統(tǒng)控制的，當大腦受損或紊亂時，眼球運動就會受到干擾(Wang et al., 2015)。大腦眼球運動控制網(wǎng)絡(luò)中的擾動會產(chǎn)生獨特且可測量的信號，使眼球運動可用于表征病變位置和寬度(Leigh & Zee, 2015)。因此，眼球運動有可能被用作診斷標準(Carter & Luke, 2018)。
 

02

#眼睛解剖學(xué)和眼動運動基礎(chǔ)# 
 

對眼睛生理學(xué)和眼睛如何運動的基本了解有助于進行成功的眼動追蹤研究。接下來的部分提供眼睛結(jié)構(gòu)和運動的基本信息，這對任何使用眼動追蹤技術(shù)的研究者來說都是很重要的。

2.1  眼睛解剖學(xué)
眼睛的功能是收集、聚焦和傳導(dǎo)光線。在許多方面，它類似于有光圈、鏡頭和感光區(qū)的照相機。光線通過瞳孔進入眼睛，瞳孔的直徑控制進入眼睛的光線量和產(chǎn)生的圖像強度。角膜和晶狀體將光線聚焦在視網(wǎng)膜上(Wade & Tatler, 2005)，形成了一個倒置但清晰的圖像(Wade & Tatler, 2005)。落在中央凹上的光線形成了視野的中心，在中央凹的外面是一個叫做副中央凹的區(qū)域，這里的靈敏度較弱，但可以收集到一些信息。在此之外是邊緣，它只檢測低頻視覺信息(Rayner, 2009)。由于中央凹很小，眼睛必須在視覺環(huán)境中大范圍注視才能收集到有關(guān)它的信息，這種運動是由遍布大腦皮層和腦干的復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的。

 

2.2  眼球運動：注視和眼跳

注視是指眼睛在一段時間內(nèi)固定在視覺目標上，感知穩(wěn)定，并接收視覺信息(Rayner, 2009)。單次注視無法從整個視野獲得高質(zhì)量的信息，因此需要眼球頻繁運動，所以大多數(shù)注視時間相對較短。

 
眼跳是眼球從一個注視點到下一個注視點的快速眼動(Rayner, 2009)，在眼跳期間，視覺輸入被抑制。眼跳的距離和持續(xù)時間根據(jù)任務(wù)而有所不同。典型的閱讀眼跳很�。ㄐ�轉(zhuǎn)2度）并持續(xù)約30毫秒，而場景感知中的眼跳通常較大（約旋轉(zhuǎn)5度）并持續(xù)40到50毫秒(Abrams, Meyer, & Kornblum, 1989)。
    
2.3  其它類型的眼球運動

雖然眼跳是最常被追蹤的眼球運動形式，但研究人員有時也會對其他形式的運動感興趣。例如平滑追隨運動（跟隨移動的視覺目標）和集散運動（當視覺目標靠近或遠離參與者時將眼睛合攏或分開）。其他眼球運動不受自主控制的影響。例如，瞳孔直徑受到副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)系統(tǒng)的拮抗作用的調(diào)節(jié)。其他反射性運動包括視動反應(yīng)(物體在環(huán)境中平滑追蹤，眼睛立即返回到原來的位置; Distler & Hoffmann, 2011)和前庭-眼反射(由于前庭激活而保持穩(wěn)定的視網(wǎng)膜圖像的運動; Hess, 2011)。即使在注視期間，當感知穩(wěn)定時，眼睛也會繼續(xù)移動，同時出現(xiàn)震顫、漂移和微眼跳(Duchowski, 2017)。
 

03

#眼睛儀# 

本節(jié)主要討論眼球追蹤設(shè)備的相關(guān)問題，并特別關(guān)注該技術(shù)的選擇和使用。

 

3.1  眼動儀是如何工作的

大多數(shù)現(xiàn)代眼動儀都是基于視頻的。它們將一些光源射入眼睛，通常是人類看不見的紅外光。這種光會在眼動追蹤軟件識別的角膜上產(chǎn)生反射。瞳孔中心也被軟件識別出來。然后進行校準，研究對象被指示注視屏幕上已知位置的一系列點，該校準在驗證階段進行測試。如果校準很好，那么就可以從瞳孔和角膜反射的相對位置以較高的精度估計注視點（參與者正在看的地方）。

 

3.2  選擇眼動儀

市售的眼動儀種類繁多。兩個最著名的制造商是Tobii和SR Research，研究人員正在開發(fā)開放訪問軟件以將網(wǎng)絡(luò)攝像頭轉(zhuǎn)換為低分辨率眼動儀(Semmelmann & Weigelt, 2018)。

在決定使用眼動儀之前，重要的是要考慮該眼動儀的用途。眼動儀的數(shù)據(jù)采集速度各不相同，眼動儀的采樣率以赫茲(Hz)為單位。最快的商用眼動儀每秒可記錄眼球位置2000次(2000 Hz)，可穿戴式眼動儀每秒可記錄100次(100 Hz)。當采樣率較低時，必須收集更多數(shù)據(jù)以平均時間采樣誤差(Andersson, Nystrom, & Holmqvist, 2010)。

一些眼動儀需要通過下巴托來穩(wěn)定頭部，而另一些則不需要支撐頭部。下巴托提高了測量的準確度，這對研究精確的注視位置很重要。許多眼動儀是固定的，非常適合實驗室使用，也有些是便攜式的(Tobii Pro Nano)，而另一些則被設(shè)計為可在研究對象從事日常任務(wù)時佩戴的移動眼動儀(Tobii Pro Glasses)。通常情況下，增加移動性意味著降低精確度和準確度。此外，一些眼動儀追蹤兩只眼睛，而另一些只追蹤一只眼睛（還有一些可以配置為追蹤一只或兩只眼睛）。因為在大多數(shù)情況下眼睛會一起運動，所以追蹤兩只眼睛通常是不必要的。請參閱Hooge等人(2018)的研究，了解單眼跟蹤和雙眼跟蹤的比較。

眼動追蹤可以提供多種不同的相關(guān)分析指標(Holmqvist et al., 2011)。這使得眼動追蹤成為一種高度靈活的技術(shù)，可以應(yīng)用于許多不同的研究問題和實驗任務(wù)，但豐富的測量方法可能也會導(dǎo)致一些問題。在本節(jié)中，我們將介紹一些從眼動數(shù)據(jù)中得出的常見測量方法，以及何時使用它們。并不是所有的研究者都以同樣的方式標注這些測量方法，所以一定要檢查研究中提供的測量方法的定義。

04

#設(shè)計一個有效的眼動追蹤研究# 
 

眼動儀可以提供高度可靠的數(shù)據(jù)(Carter & Luke, 2018)。雖然可靠性是良好數(shù)據(jù)的先決條件，但如果缺乏有效性，那么數(shù)據(jù)也是無用的。研究者需要精確的研究設(shè)計和適當?shù)姆治鰜泶_保眼動追蹤數(shù)據(jù)是有效的，設(shè)計一個好的眼動追蹤實驗需要考慮很多因素。

4.1  做適當?shù)谋容^
眾所周知，眼球運動受到多種因素的影響(Henderson, 2011)。視覺上更復(fù)雜的刺激會得到更多的注意，更吸引眼球的刺激，因為明亮的顏色或大的物體，會吸引注意力。視覺刺激的質(zhì)量也很重要；退化的、模糊的、黑暗的或其他更難看到的刺激將需要更多的觀看時間(Henderson, Olejarczyk, Luke, & Schmidt, 2014)。當然，較大的刺激會比較小的刺激吸引更多的注視。即使注視是隨機分布在屏幕上，一個更大的刺激也會接收到更多的注視。這種尺寸效應(yīng)適用于較長的單詞和句子，以及較大的圖像和興趣區(qū)。因此，控制視覺刺激的復(fù)雜性、顯著性、質(zhì)量和大小以及這些刺激的興趣區(qū)是很重要的。

4.2  選擇分析指標
從眼動追蹤數(shù)據(jù)中可以得到大量的測量數(shù)據(jù)。大部分眼動分析軟件描述了研究中每個研究對象的注視和眼跳，可以包含77個不同的變量。這些包括注視時間、注視次數(shù)、注視位置、眼跳速度、眼跳持續(xù)時間、眼跳振幅、眼跳潛伏期和眼跳方向。當使用興趣區(qū)時，甚至可以使用更多的測量，例如首次注視時間、停留時間、興趣區(qū)的注視次數(shù)，以及興趣區(qū)的訪問次數(shù)。

05

#正確報告眼球追蹤研究# 
 

當報告眼動追蹤研究的結(jié)果時，需要一些獨特的信息。許多眼動追蹤研究未能報告足夠的信息以確保重現(xiàn)性(Fiedler et al., 2019)。在這一節(jié)中，我們將描述一些必須提供的最重要的信息，重點是特定于眼球追蹤的信息，以下內(nèi)容在論文中以APA格式進行書寫。

5.1  研究方法
研究方法包含以下內(nèi)容：

5.2  結(jié)果部分
在報告結(jié)果之前，需要對發(fā)生的任何數(shù)據(jù)處理進行描述。最常見的是，眼動軟件會將數(shù)據(jù)自動分類成注視和眼跳。應(yīng)該指出用于做這項工作的軟件，并說明識別眼跳的標準。這些信息通常可以在該軟件的用戶手冊中找到。此外，任何數(shù)據(jù)清理，如去除缺失的注視、眼跳、被眨眼干擾的數(shù)據(jù)，都應(yīng)加以描述和說明，并應(yīng)報告去除數(shù)據(jù)的百分比。如果對注視點進行了任何空間調(diào)整，也應(yīng)該報告出來，還要寫出選擇的因變量清單以及選擇理由。

5.3  提高研究透明度
眼動追蹤研究有時依賴于定制的軟件或腳本，這些軟件或腳本由研究者修改或完全由研究者創(chuàng)建，用于實驗和數(shù)據(jù)的處理和分析。在這種情況下，代碼和腳本應(yīng)該是公開的。這樣做可以確保所有的相關(guān)信息都被報告。只要有可能，數(shù)據(jù)本身也應(yīng)該被共享；眼動追蹤數(shù)據(jù)比其他類型的數(shù)據(jù)相對更緊湊，所以非常適合公開共享�？傊�，只要不泄露受保護的信息（如受法律保護的參與者信息、受版權(quán)保護的文件），任何有助于重復(fù)研究的東西都應(yīng)公布。

06

#瞳孔測量法# 
 

現(xiàn)代視頻眼動儀通過識別瞳孔來追蹤眼睛，這意味著許多眼動儀也可以有效地用于瞳孔測量。瞳孔測量法是一種記錄瞳孔直徑變化的技術(shù)(Laeng & Alnaes, 2019)。瞳孔的大小隨著亮度的變化而變化，這種變化有大約200毫秒的延遲(Ellis, 1981)。瞳孔也會隨著內(nèi)部認知/情感過程的變化而放大，如注意力的轉(zhuǎn)移、動機、精神努力和認知負荷。大多數(shù)心理學(xué)研究都集中在這些認知/情感的擴張上，其幅度遠遠小于由亮度驅(qū)動的瞳孔大小變化(Mathôt, 2018)。

07

#結(jié)合EEG或fMRI進行眼動追蹤# 
 

眼動追蹤作為一種獨立的研究方法被廣泛使用。結(jié)合其他技術(shù)，眼動追蹤可以成為一個更強大的研究工具。大多數(shù)技術(shù)都與眼動追蹤無縫融合。在過去的幾年里，研究者一直致力于將眼動追蹤與腦電圖和功能磁共振成像相結(jié)合。眼動追蹤與腦電圖和功能磁共振成像的結(jié)合雖然復(fù)雜，但具有很高的潛在價值。下面為感興趣的讀者提供了一些關(guān)于這些技術(shù)如何與眼動追蹤相結(jié)合使用的基本信息。

7.1  EEG與眼動
眼動儀可以顯示一個人的視覺注意力集中在哪里，而腦電圖(EEG)則提供了神經(jīng)系統(tǒng)對該信息的反應(yīng)記錄。因此，將這兩種技術(shù)放在一起，比單獨使用任何一種技術(shù)都能給出更完整的畫面。此外，允許研究對象自由移動眼睛也增加了腦電圖研究的生態(tài)效度。然而在自由觀看刺激時，將眼動儀與腦電圖相結(jié)合，在技術(shù)和分析上面臨重大挑戰(zhàn)( Touryan et al., 2017)。其中值得注意的是，首先，腦電圖數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了大量與眼動相關(guān)的偽跡，其次，連續(xù)注視所產(chǎn)生的顯著大腦反應(yīng)重疊。

7.2  fMRI與眼動
眼動儀也與功能性磁共振成像(fMRI)相結(jié)合。就像與腦電圖結(jié)合一樣，將眼動儀和功能磁共振成像相結(jié)合的動機是，這兩種技術(shù)是互補的；眼動儀可以記錄人們所看的東西，功能磁共振成像(fMRI)則記錄大腦對視覺信息的反應(yīng)。此外，眼動儀的加入可以為功能磁共振成像研究增加顯著的生態(tài)效度。在某些方面，眼動儀和功能磁共振成像的結(jié)合不如眼動儀和腦電圖的結(jié)合效果明顯。眼動儀和腦電圖都是高度時間敏感的測量方法，但功能磁共振成像遠遠落后于兩者。眼動儀和功能磁共振成像相結(jié)合時，這種時間敏感度的不匹配確實帶來了一些分析上的挑戰(zhàn)。另一方面，允許研究對象自由地觀看刺激對功能磁共振成像數(shù)據(jù)的干擾要比腦電圖數(shù)據(jù)小得多。

08

#結(jié)論# 
 

眼動儀是一個強大的工具，可以應(yīng)用于許多不同學(xué)科的研究問題。技術(shù)進步使得眼動儀對許多研究者來說更加實惠和方便。隨著可訪問性的增加，錯誤使用的風險也隨之增加。本文是對眼動儀研究的粗略概述，提供了相關(guān)眼部解剖學(xué)的描述和有關(guān)眼動追蹤技術(shù)的基礎(chǔ)知識，以及關(guān)于構(gòu)建有效的、可重復(fù)的研究和完整報告的建議。為有興趣了解更多關(guān)于眼動儀的研究者提供了對眼動儀的指南。