Entwicklung eines zeitabhängigen Modells der menschlichen Pupille mit adaptiver Rezeptorgewichtung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh
• Fachliche Zuordnung: Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450636577

Forschungsvorhaben zum menschlichen Pupillendurchmessers haben in den letzten Jahren an Intensität zugenommen und erhebliche Fortschritte erzielt, speziell zur Nutzung des Pupillendurchmessers als Biomarker in interdisziplinären Anwendungsgebieten. So ist es möglich, über die zeitliche Variation des Pupillendurchmessers eine kognitive Leistungsbewertung vorzunehmen oder verschiedene Körperzustände zu erfassen wie Müdigkeit, Erregung oder tiefe Depression. In der Lichttechnik gilt der Pupillendurchmesser als relevantes Themengebiet, vor allem im Kontext des augenoptischen Apparates und in der anwendungsorientierten Innenraumbeleuchtung. Durch die Größe des Pupillendurchmessers wird die retinale Beleuchtungsstärke variiert, was sich indirekt auf die Helligkeitswahrnehmung und die Sehschärfe des Menschen auswirken kann. Die Entdeckung der intrinsisch photosensitiven Ganglienzellen (ipRGCs) hat zu einer intensiveren Forschung auf dem Gebiet des afferenten Pupillenkontrollpfades und dem Pupillenlichtreflex geführt. Aus den Ergebnissen der neurophysiologischen Grundlagenforschung kann abgeleitet werden, dass der photopisch adaptierte Pupillenlichtreflex aus einer Kombination von äußeren retinalen Photorezeptoren und den ipRGCs gesteuert wird. Der Anteil der unterschiedlichen Photorezeptorklassen am Pupillenlichtreflex ist nicht nur zeitabhängig, sondern hängt auch von unterschiedlichen Lichtmodalitäten und experimentellen Bedingungen ab, wie der Darbietungszeit, der spektralen Zusammensetzung des Lichts, der Intensität und der Adaptationszeit. Trotz Forschungserfolgen auf dem Gebiet der neurophysiologischen Grundlagenforschung zum Pupillenlichtreflex, fehlt ein mathematisches Modell, das die zeitliche Variation des absoluten menschlichen Pupillendurchmessers in Abhängigkeit von Lichtspektren oder photometrischen Kennwerten vorhersagen kann. Vorhandene Pupillenmodelle nutzen maßgeblich eine V(𝜆)-gewichtete Größe als unabhängigen Parameter und berücksichtigen den Einfluss der ipRGCs nicht, was zu signifikanten Vorhersagefehlern des Pupillendurchmessers beim Einsatz von LED-Spektren führen kann. Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines neuen Modells zur Vorhersage des lichtinduzierten Pupillendurchmessers, welches durch den Einsatz von künstlichen neuronalen Netzwerken (Deep Learning) erstmals in der Lage sein soll, den zeit- und spektralabhängigen Pupillendurchmesser des Menschen vorherzusagen. Vorläufige Modellierungsversuche auf Testdatensätzen haben verdeutlicht, dass mit der vorgeschlagenen Methodik der zeitliche Pupillendurchmesser mit einer mittleren absoluten Genauigkeit von unter 0.1 mm aus lichttechnischen Kennwerten rekonstruiert werden kann. Im Rahmen dieses Fortsetzungsantrages planen wir den nicht-parametrischen Ansatz weiter zu entwickeln und erstmals die Möglichkeit zu eröffnen die neusten Erkenntnisse zum neurophysiologischen Mechanismus des lichtinduzierten Pupillenverhaltens in einem mathematischen Modell zu integrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen