Analisi dei segnali elettro-oculografici per la stima della direzione dello sguardo (anche in condizioni di chiusura palpebrale)

Questo elaborato si propone di analizzare il segnale elettro-oculografico (EOG) come strumento per la stima dei movimenti oculari, approfondendo la possibilità di ricavare la direzione dello sguardo anche in condizioni di chiusura palpebrale, situazione in cui i tradizionali sistemi di eye-tracking basati su videocamera mostrano forti limiti. Potersi affidare ad una tecnica capace di operare indipendentemente dalla visibilità dell'occhio risulta di particolare interesse sia per applicazioni cliniche sia per lo sviluppo di interfacce uomo-macchina più robuste e continuative e proprio in questo ambito l'EOG si propone come alternativa economica e non invasiva rispetto ai sistemi ottici tradizionali. Il lavoro inizia con un’esposizione dell'anatomia dell'occhio e dell'origine fisiologica del segnale, generato dal potenziale di riposo corneo-fundale dell'epitelio pigmentato retinico, ripercorrendo poi l’evoluzione storica del segnale dalla sua scoperta a fine 1800 fino al primo uso clinico nel secondo dopoguerra. Vengono poi descritte le caratteristiche del tracciato EOG, distinguendo i contributi di fissazioni, saccadi e battiti di palpebra e illustrando il fenomeno del baseline drift che ne complica l'interpretazione. Si affrontano in seguito gli aspetti pratici dell'acquisizione, dalla scelta e dal posizionamento degli elettrodi ai protocolli di stimolazione luminosa e amplificazione del segnale e successivamente le tecniche di elaborazione impiegate per isolarne le componenti utili, dal filtraggio classico agli approcci basati su wavelet, analisi delle componenti indipendenti, filtro di Kalman e machine learning, evidenziando per ognuno i rispettivi vantaggi e limiti in termini di accuratezza, onere computazionale e campi di utilizzo. Segue una rassegna dei principali campi di applicazione dell'EOG, sia in ambito clinico-diagnostico, dove viene usato per la diagnosi di patologie retiniche (ad esempio la malattia di Best) e il monitoraggio del sonno, sia nelle interfacce uomo-macchina, dove saccadi e chiusure palpebrali vengono sfruttati come strumenti per l’interazione tra utenti e macchine. La parte conclusiva presenta un caso di studio sperimentale in cui la traiettoria dello sguardo ricavata dall'EOG viene confrontata con quella ideale e con quella ottenuta da eye-tracking a videocamera, sia a occhi aperti sia a occhi chiusi. I risultati mostrano un'elevata similarità tra le stime tramite segnale EOG e quelle da eye-tracking a occhi aperti, statisticamente equivalenti in entrambe le direzioni spaziali, e indicano che la condizione di illuminazione non influisce in modo rilevante sull'accuratezza della stima. Anche a occhi chiusi il segnale EOG mantiene informazione utile sulla direzione dello sguardo, con un errore significativamente inferiore rispetto a quello ottenuto mediante un segnale di test randomico, a conferma della sua validità anche in condizioni di chiusura palpebrale. Questi risultati aprono prospettive interessanti per l'impiego dell'EOG in applicazioni continuative e indipendenti dalle condizioni visive, sebbene la variabilità del segnale tra soggetti e, nello stesso soggetto, diverse sessioni, insieme alla mancanza di validazione in tempo reale e in contesti reali, renda necessari ulteriori studi prima di un utilizzo su larga scala.