Frequenzanalyse der Blickbewegungen zur Unterscheidung dynamischer Blickparameter bei leseschwachen Kindern

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1 G. Schneider Frequenzanalyse der Blickbewegungen zur Unterscheidung dynamischer Blickparameter bei leseschwachen Kindern Zur Schwierigkeit der statistischen Auswertung von Blickparametern bei längeren Texten Lesen ist kein kontinuierlicher Prozess einer fortschreitenden Blickrichtung, sondern ein Wechsel zwischen Blicksprüngen (Sakkaden) und dem Verweilen des Blickes (Fixationen) zur Sinnentnahme, aber mit gelegentlichen überprüfenden Rücksprüngen. In der Leseforschung, insbesondere bei der Analyse schlecht lesender Kinder, sind folgende Parameter der Blicksteuerung interessant: Sprungweite der Sakkaden Anzahl und Dauer der Fixationen und Sakkaden Anzahl der rückwärtsgerichteten Sakkaden (Regressive Sakkaden) Lokalisierung am Wort bei regressive Sakkaden Treffsicherheit der Sakkaden Frequenzcharakteristik der Sakkaden. (zur Analyse der Unsicherheiten der Blickrichtung) Konstanz der Fixationen (Drift auf den Blickpunkt) Die Verteilung der Häufigkeiten der Sakkadenweiten und Fixationszeiten unterscheidet sich, wie in [Grundlagen des Lesens] dargestellt, von der Art des Lesens. Bei einem durch eine Frage angeregten wiederholten Lesen können im Gegensatz zu einem ersten gemurmelten Lesen gehäuft kürzere, jedoch auch einzelne sehr weite Sakkaden festgestellt werden. Die Fixationszeiten sind deutlich kürzer. Beim sofortigen inhaltlichen Verarbeiten, wie dies bei dem Lesen einer Frage zu beobachten ist, treten sehr kurze, aber vereinzelt auch sehr lange Fixationszeiten auf. Doch welche Aussagekraft hat die Häufigkeiten der Sakkadenweiten und Fixationszeiten zur Charakterisierung der Lesegüte bei Kindern mit Lese-Rechtschreib- Schwäche. Diese Parameter sind sehr differenziert zu betrachten, da bei diesen Kindern das typische Blickmuster kompetenter Leser sehr häufig fehlt. Es ist schwer zu unterscheiden, wann von einer Sakkade gesprochen werden kann oder wann gleitet das Auge beim Lesen nur über das Wort bzw. die Zeile bzw. wann treten nur Schwankungen auf dem Fixationspunkt auf? Software, die zur Auswertung des Blickes der Eye-Tracking-Technik [EyeLink] mit angeboten wird, geht von dem kompetenten Leser mit markanten Sakkaden (Abb.1c) aus und ist damit nicht zur Untersuchung von Leseanfängern und Kindern mit Lese-Rechtschreib- Schwäche (Abb.1a) geeignet. [weitere Schneider, Kurt 2003] Merkmale der Blicksteuerung, die besonders bei Leseschwäche beobachtet werden, sind: zu kurze Sakkadenweite; viele oder keine regressiven Sakkaden; viele kurze Fixationen gleitende Augenbewegungen zwischen den Buchstaben Es sind am gleichen Text bei sehr schlechten Lesern neben der sehr langsamen Lesegeschwindigkeit deutlich Unterschiede in der Blicksteuerung im Verhältnis zu Kindern Frequenzanalyse.doc - 1 -

2 der Regelschule zu erkennen. (2. Klasse einer LRS-Förderklasse als Wiederholer der 2. Klasse/Regel) [in Wagner 2002] a) erste Zeile 1.Mal - laut gelesen (Fehlen von Sakkaden) b) erste Zeile leise mitgelesen; (Gleiten auf den Fixationen) c) erste Zeile 2.Mal - laut gelesen; (kompetente Sakkaden und Fixationen) Abb.1 Blicksteuerung im Vergleich beim lauten Lesen, leisen Mitlesen und anschließendem lautem Lesen bei Kindern mit LRS ( Abbildungen im gleichen Zeitmaßstab!) Die Abbildungen zeigen, dass je nach individueller Situation die dynamischen Parameter sehr unterschiedlich sind und für eine Bestimmung der Häufigkeiten von vor- und rückwärtsgerichteten Sakkaden als auch der Fixationsdauer eine genaue Klassifizierung der Parameter notwendig ist. Darüber hinaus soll ein Maß für die Frequenzcharakteristik der Sakkaden. (zur Analyse der Unsicherheiten der Blickrichtung) Konstanz der Fixationen (Drift auf den Blickpunkt) im Vergleich zur Definition der Mikrosakkaden bzw. Background Nystagmus gefunden werden. Geht man von dem in der Literatur nicht kritiklos hingenommenen Therapieansatz über ein reines okulomotorisches Training mit wechselnden Lichtpunkten [Fischer 1997] aus, sollen Kinder mit LRS auch gehäuft eine Schwäche in der willentlichen okolumotorischen Steuerung der Augen haben. In dieser Arbeit gehen wir von der Annahme aus, dass diese Schwäche, so sie besteht, auch aus dem Blickmuster der Messungen am Text geschlossen werden können. Insbesondere der Rücksprung zum Zeilenanfang sollte bei den sehr leseschwachen Kindern nicht genügend Frequenzanalyse.doc - 2 -

3 genau und nicht ausreichend schnell erfolgen. Im Einzelnen wurden folgende dynamischen Blickparameter über eine Frequenzanalyse untersucht: Zeilenwechsel Sakkade von Wort zu Wort Sakkade im Wort (silbenförmig) Sakkade zwischen Buchstaben Shift zwischen Buchstaben Shift auf den Fixationen Frequenzanalyse für Zeilenwechsel und den Shift s auf den Fixationen Das hierzu eingesetzte Auswerteprogramm wurde mit den komplexen mathematischen Sprachen: Matlab und LabView programmiert, wobei die Rohdaten des Blickverhaltens zeitlich über eine Fourieranalyse in den Frequenzbereich transformiert und die Intensitäten der einzelnen Frequenzanteile der Augenbewegung zueinander ins Verhältnis gesetzt wurden. Dabei wurden die dynamischen Anteile der Blicksprünge, die den Zeilenwechsel simulierten, einer Frequenzanalyse in 3 Bereichen unterzogen: 1) Frequenzbereich bis 3 Hz dies entspricht den Augenbewegungen größer ca. 200ms für die Fixation beim Lesen. 2) Hochfrequente Anteile größer 10 Hz mit Blick auf die Sakkadenzeiten <80ms und 3) Freuenzbereich zwischen diesen Zeiten 1) und 2), der für die Korrektur und genaue Positionierung auf der Fixationsstelle verantwortlich ist. Abb.2 willentliche okulomotorische Steuerung des Zeilenwechsel (200 Zeilenpunkte entsprechen ca. 5 ) Frequenzanalyse.doc - 3 -

4 Hochfrequente Anteile (>10Hz) der Blicksteuerung größer 1 sind nur bei der Initiierung der Sakkaden (auch beim Zeilenrücksprungs) zu erkennen, wogegen das nur im Blickfeld wahrgenommene oder erwartete Ziel eine deutliche Verringerung der Sakkadengeschwindigkeit bewirkt. Fixationen In der vergrößerten Darstellung des nicht textorientierten Blickzieles sind Bewegungen zu beobachten, die im Wesentlichen und zu gleichen Anteilen, Bewegungen >10Hz und Bewegungen zwischen 3 bis 10Hz sind. Abb.3 Bei einem kompetenten Leser zeigt die vergrößerte Darstellung auf den Fixationsplatos beim Betrachten eines 0,5 cm (ca. 0,2 ) großen Kreises Blickbewegungen von ca. 0,5 (hier in Zeilenrichtung) Frequenzanalyse.doc - 4 -

5 Abb.4 Blicksprung- und Fixationsvergleich mit sehr leseschwachen Kindern beispielhaft für Sowohl bei den 15 sehr schlecht lesenden Kinden [aus Wagener 2002], beispielhaft in Abb. 4, als auch bei kompetenten Lesern (Abb.3) ist zu sehen, dass die individuellen Unterschiede bei großen Blicksprüngen und der Fixationsgenauigkeit in den dargestellten dynamischen Parametern sehr groß sind. Zur Initiierung des Zeilenwechsels wenden aber alle 15 sehr schlecht lesenden Kinder okulomotorische Fähigkeiten an, die in den ersten 20 ms der Sakkade wesentliche Frequenzanteile >10Hz enthalten. Das bedeutet, dass in 20ms ¼ der Zeilenweite überwunden werden. Kompetente Leser der gleichen Altersstufe unterscheiden sich nicht in diesem Parameter. Bei den von uns untersuchten schlecht lesenden Kindern kann somit nicht anhand von okulomotorischen Schwächen oder Defiziten in der willentlichen Blicksteuerung auf die Leseschwierigkeit geschlossen werden. Somit erscheint ein Therapieansatz über ein reines okulomotorisches Training mit wechselnden Lichtpunkten (Fischer 1997) wenig sinnvoll, da bei den Kindern, die wir untersucht haben, eine Schwäche in der willentlichen okolumotorischen Steuerung der Augen Frequenzanalyse.doc - 5 -

6 aus dem Blickmuster unserer Messungen ausgeschlossen werden kann. Insbesondere der Rücksprung zum Zeilenanfang, auch bei den sehr leseschwachen Kindern, war genügend genau und ausreichend schnell. Trotzdem besteht ein deutlicher Unterschied in den dynamischen Parametern, sobald die Kinder einen Text lasen. Dies wird im Vergleich zwischen guten und sehr schlecht lesenden Kindern oder aber in unterschiedlichen Lesesituationen deutlich (Abb.1). Die genaue Definition der Grenzen zwischen gut und schlecht ist jedoch die Voraussetzung, um eine Aussage über die Häufigkeit von Sakkaden, Fixationen und rückwertsgerichtete Sakkaden zu treffen. Unsere Untersuchungen an Schülern einer Spezialklasse für sehr Lese-Rechtschreib- Schwäche [Wagner 2002] zeigten, dass die okulomotorische Besonderheiten nur am Text auftraten. Abb.5 kompetent [a) 3sec] und sehr schwach lesendes [b) 30 sec] Kind 10 Jahre einer Textzeile Abb.6 schwach lesendes Kind 10 Jahre eines Ausschnittes aus Abb.5 b) der Textzeile [ca. 10 Buchstaben in 3 sec für einen gleichen Zeitmaßstab wie Abb. 5a] Im Vergleich von Abb. 5 a) und Abb. 6 wird deutlich, dass eine allgemeine Frequenzanalyse zwischen kompetent und schwach lesenden Kindern zu keinem Unterscheidungsmerkmal Frequenzanalyse.doc - 6 -

7 führt, da nur die Summe der Frequenzanteile im Wort oder Wortsegment (buchstabierend, feste Fixation oder über Buchstaben gleitend) ins Verhältnis gesetzt werden kann. Jedoch sind die Amplituden von Frequenzanteilen >10Hz charakteristisch für die Initiierung von Blicksprüngen, da sie auf Blicksprünge zum Zeilenwechsel (Abb.5) oder Blicksprünge zwischen Wörter oder Buchstaben hinweisen. (Abb.6) Die Amplitude sagt somit etwas aus über die geplante Blicksprungweite und kann als individuelles Maß zwischen Schnellesern, kompetenten Lesern, Schulanfängern und sehr schwach lesenden Kindern angepasst werden. Diese Abhängigkeit wurde in die Analysesoftware integriert und je nach Alterstufe der Kinder konnte dieses Verhältnis interaktiv angepasst werden. Damit konnten Sakkaden von Kindern der 1. als auch der 5. Klasse von Kindern mit LRS und vom gleitenden Leseverhalten unterschieden werden. Verteilung der Häufigkeit von Sakkaden, Fixationen und regressive Sakkaden Mit dieser Voraussetzung einer individuellen Steuerung der auszuwertenden Sakkadenweite kann die Frage diskutiert werden, ob eine Auswertung der Verteilung der Häufigkeit von Sakkaden, Fixationen und regressive Sakkaden in einem Histogramm zur Charakterisierung der Lesegüte herangezogen werden kann. Nur eine ausreichend Anzahl von Blickbewegungen, wie bei einem längeren Text, kann die Qualität der statistischen Aussage über ein Histogramm sichern. Um Kinder nicht zu überfordern, wurden aus diesem Grund mehrere Texte mit je 6 Zeilen und mit ca. 10 Wörtern pro Zeile zur Analyse herangezogen. Es wurde definiert: Fixation >80ms Sakkadenweite für LRS 1 Buchstabe Sakkadenweite für kompetente Leser 5 Buchstaben Balkenweite des Histogramms 2 Buchstaben Balkenweite des Histogramms 20ms Abb. 7 Histogram von Sakkadenweite und Fixationszeit einer schwachen Leserin; Histogram über 6 Texten je 5 Zeilen und 10 Wörter pro Zeile 1340 vorwärts-; 300 rückwärts- Sakkaden; mittlere Sakkadenweite 47, Standardabweichung 98 Frequenzanalyse.doc - 7 -

8 Abb.8 Histogram von Sakkadenweite und Fixationszeit einer kompetenten Leserin; Histogram von 6 Texten je 5 Zeilen und 10 Wörter pro Zeile 229 vorwärts-; 70 rückwärts- Sakkaden; mittlere Sakkadenweite 91, Standardabweichung 127 Wird die Sakkadenweite dem Leseverhalten angepasst, ist ein Maximum der Verteilung der Fixationszeit von ca. 200ms sowohl für sehr leseschwache als auch kompetente Leser zu erkennen. Wie zu erwarten war, ist für den gleichen Text die Sakkadenweite für schwache Leser deutlich kürzer, die Anzahl der Fixationen höher und damit die Lesezeit länger. Eine mittlere Sakkadenweite zur Qualifizierung des Blickes beim Lesen, wie häufig in der Literatur angegeben, führt bei leseschwachen Kindern zu keinen verlässlichen Aussagen, da die Varianz der Sakkadenweite teilweise doppelt so groß wie der Mittelwerte ist und die Verteilung bei den einzelnen Lesern sehr unterschiedlich ist. Frequenzanalyse.doc - 8 -

9 Analyse der Sakkadenweite ist dem Leseverhalten anzupassen Wie aus dem Strukturbild zur Gewinnung einer Verteilung der Sakkadenweite und Fixationszeiten zu erkennen, muss für eine Auswertung bei Leseanfängern bzw. sehr leseschwachen Kindern einige Besonderheiten beachtet werden. Interaktive Cursorsteuerung für die individuelle Definition einer Sakkade und die Beachtung der Frequenzcharakteristik für quasi gleitende Sakkaden (Frequenz < 3 Hz) und kompetente Sakkaden mit Frequenzanteilen über 10 Hz. In Abb. 9 und Abb.10 sind zwei charakteristische Blicksteuerungen für das Leseverhalten gegenübergestellt. Abb.9 Frequenzanteile >10 Hz bei einem kompetenten Leser. Die Cursoren (blau und orange) sind individuell und interaktiv festzulegen. (auch bei einem kompetenten Leser sind einige wenige Sakkaden mit geringen Sakkadengeschwindigkeiten zu erkennen; Pfeile) Bei dem sehr schwachen Leser Abb.10 ist bei der Blicksteuerung ein visuelles Buchstabieren zu erkennen. Sakkaden werden im Wesentlichen in Buchstabenweite eingesetzt. Somit muss für diesen Leser die Sakkaden-Definition auf dieses Maß über Cursoren individuell eingestellt werden. Die bei EyeLink eingesetzte Analysesoftware zeigt diese Sakkaden nicht im Ergebnis, so dass für Fixationenszeiten und Sakadenhäufigkeiten fehlerhafte Ergebnisse für Leseanfänger und leseschwache Kinder errechnet werden. Diese buchstabierenden Sakkaden werden oft in der Literatur [in Rayner 98] auch neutral als Mikrosakkaden bezeichnet. Diese Bezeichnung ist nicht sehr treffend, da diese Sakkaden nur am Text zu beobachten sind. Auch eine Vermischung der Bezeichnung dieser visuell buchstabierenden Sakkaden mit den von Fischer [Fischer98] bezeichneten Expresssakkaden bei Lese-Rechtschreibschwachen Kindern verbietet sich, da diese Expresssakkaden bei Fischer an nonverbalen Tests beobachtet wurden. Frequenzanalyse.doc - 9 -

10 Abb.10 Frequenzanteile >3 Hz bei einem sehr schwachen Leser. Die Cursoren (blau und orange) sind individuell und interaktiv auf Buchstabenweite festgelegt. Frequenzanalyse.doc

11 Literatur: [Fischer 1997] Fischer, B., Gezeck, S. & Hartnegg, K. (1997). The analysis of saccadic eye movements from gap and overlap paradigms. Brain Research Protocols, 2, [Rayner 1989] K.Rayner ; EyeMovements in Reading and Information Processing; 20Years of Research Physiological Bulletin 1998 V.124 Nr.3, [Schneider; Kurt 2003] Blickrichtungsanalyse zur Diagnose von umschriebenen Entwicklungsstörungen ; Schneider Gerd. & Kurt Joachim; 12. Rehabilitationswissenschaftliche Kolloquium 2003; Bad Kreuznach [Wagener 2002] Wagener, Kerstin (2002) Empirische Analyse der Leseblickbewegungen bei leserechtschreibschwachen Schülern. Examensarbeit. Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Rehabilitationswissenschaften. Frequenzanalyse.doc

12 Sakkadenweite (Auschluss Zeilenrücksprung) Histogramm Frequenzanteile unter 3 Hz (Butterworth 2.Ord) Anzahl n=47 Abstand = Fixationszeit (> 80ms) interaktive Cursorsteuerung (Amplitude der hochfrequententen Sakkadenanteile Histogramm Lesen auf einer Zeile bei visuellem Alphabetisieren Frequenzanteile größer 10 Hz (Butterworth 2.Ord) Peak-Detektion Vorwärts-Sakkaden Peak-Detektion regressive Sakkaden Peak-Breite interaktive Cursorsteuerung Abb. 11 Strukturbild zur Gewinnung der Vereilung der Blick-Parameter für schwach lesende Kinder Anzahl n=37 Abstand = Fixationszeit Histogramm Frequenzanalyse.doc