一方的な空間無視を評価するためのバーチャルリアリティツール:データ収集のための新しい機会

Summary

目標は、一方的な空間無視、急性脳卒中生存者の23〜46%に影響を与える症候群を検出し、特徴付ける新しいバーチャルリアリティタスクを設計、構築、および試験し、神経疾患の研究と管理におけるバーチャルリアリティの役割を拡大することでした。

Abstract

一方的な空間無視(USN)は、空間の片側に不注意または不作為を特徴とする症候群であり、急性脳卒中生存者の23〜46%の間に影響を及ぼす。個々の患者におけるこれらの症状の診断と特徴付けは困難であり、多くの場合、熟練した臨床スタッフを必要とします。バーチャルリアリティ(VR)は、USN患者のための新しい評価ツールを開発する機会を提供します。

我々は、微妙なUSN症状を検出し、特徴付けるためのVRツールを設計し、構築することを目指し、USNに関連する皮質領域の抑制的な反復経頭蓋磁気刺激(TMS)で治療された被験者に対してツールをテストすることを目指した。

粘度空間処理に関連する2つの異なる領域(上側頭回(STG)と上限回(SMG))にTMSを適用し、シャムTMSをコントロールとして適用することで、3つの実験条件を作成しました。その後、被験者をバーチャルリアリティ環境に置き、両ヘミスペースの茂みに分布する花の横非対称性を持つ花を識別し、各被験者のパフォーマンスに基づいて動的に難易度を調整するよう求められました。

STGで刺激された被験者とSMGで刺激された被験者との間の平均頭部ヨーの有意な差と、平均視覚軸にわずかに有意な効果が見つかりました。

VR技術は、よりアクセスしやすく、手頃な価格で堅牢になりつつあり、便利で斬新なゲームのようなツールを作成するエキサイティングな機会を提供しています。TMSと組み合わせることで、これらのツールは、健康な被験者における特定の孤立した人工神経学的欠陥を研究するために使用することができ、後天性脳損傷による欠陥を有する患者のためのVRベースの診断ツールの作成を知らせる。この研究は、人工的に生成されたUSN症状がVRタスクで評価された最初の研究です。

Introduction

一方的な空間無視(USN)は、急性脳卒中生存者の23〜46%の間に影響を及ぼす空間の片側の不注意または不作為を特徴とする症候群であり、最も一般的には右脳半球の傷害を伴い、その結果、空間の左側および/または生存者^の身体を無視する傾向が生じる^1,2。USN患者の大半は短期的に有意な回復を経験するが、微妙なUSN症状はしばしば持続^する3。USNは、転倒の患者リスクを高め、日常生活の活動を妨げる^2,4モーターおよび世界的な機能的転帰の両方に悪影響を及ぼすことも示されている^5,6。

USNの赤字は、人が自分の体(自己中心)に関して空間の片側を無視するか、外部刺激(同心円)^7,8,9に関して、または人が自分の注意(注意)または行動(意図的)をスペースの片側に向けることができないかどうかなど、複数の次元にわたって存在するように概念化することができます¹⁰.患者は、多くの場合、これらの次元の複数に沿って特徴付けることができる症状の複雑な星座を示す。USN症候群のこの変動は、複雑な¹¹である特定の神経解剖学的構造および神経ネットワークへの傷害の様々な程度から生じると考えられている。同心円下無視は角回(AG)および上側頭回(STG)の病変に関連しており、超周頭回(SMG)を含む後頭頂皮質(PPC)は自己中心的な処理に関与している12,13,14,15である。注意無視は右の^IPL16の病変を伴うと考えられているが、意図的な無視は右前頭葉¹⁷または基底核の損傷に二次的であると考^{えられている。}

USNの臨床評価は現在、ペンと紙の神経心理学的器具に依存しています。これらの従来の評価ツールは、より技術的に洗練されたツールよりも感度が低く、^USN19の一部の患者を誤診または診断不足にする可能性があります。残留欠損のより良い特徴付けは、軽度のUSN患者への治療の提供を促進し、潜在的に全体的な回復を改善する可能性があるが、そのような特徴付けは非常に敏感な診断ツールを必要とするであろう。USNは、脳卒中患者の間で一般的にUSNに付随する運動障害や視覚障害から分離することが困難な実験室の設定でも同様の課題を提起する。

バーチャルリアリティ(VR)は、USNの診断と特性評価のための新しいツールを開発するユニークな機会を提供します。VRは、個人が生態学的に有効なオブジェクト²⁰を含むタスクを実行することができるリアルタイムの相互作用を持つ最初の人に提示された多感覚3D環境です。これは、USNを評価するための有望なツールです。ユーザーが見たり聞いたりするものを正確に制御できるため、開発者はさまざまな仮想タスクをユーザーに提示できます。さらに、現在利用可能な洗練されたハードウェアおよびソフトウェアパッケージは、眼、頭、四肢の動きなど、ユーザーの行動に関する豊富なデータをリアルタイムに収集することができ、従来の診断テスト²¹で提供される指標をはるかに上回っています。これらのデータストリームは瞬時に利用可能であり、ユーザーのパフォーマンスに基づいて診断タスクをリアルタイムで調整する可能性を開きます(例: 特定のタスクの理想的な難易度レベルを対象とします)。この機能は、^USN22の新しい診断ツールの開発において優先事項と見なされるUSNで見られる広範囲の重症度に対するタスクの適応を容易にすることができる。さらに、没入型VRタスクは、患者の注意リソース^23,24に負担を増大させ、誤った症状の検出を容易にするエラーを増大させる可能性があります。実際、一部のVRタスクは、^USN24,25の従来の紙と鉛筆の尺度と比較して感度が高くなることが示されています。

本研究では、神経学の専門知識を必要としない評価ツールを作成し、USNの微妙な症例を確実に検出して特徴付けることができる評価ツールを作成することが目標でした。私たちは、バーチャルリアリティベースのゲームのようなタスクを構築しました。その後、受話器の頭皮や頭蓋骨を通過し、ニューロンを刺激する被験者の脳内の電流を誘導する、ハンドヘルド刺激コイルから放出される電磁パルスを利用する非侵襲的な脳刺激技術である経頭蓋磁気刺激(^TMS)を有する健康な被験者にUSN様症候群を誘発した。この技術は、他の人たちによるUSNの研究で利用されています 13,17,28,29,30 しかし、私たちの知る限りVRベースの評価ツールと組み合わせることはありません。

すでに多くの研究者がVRシステムの診断・治療アプリケーションに取り組んでいます。最近の^{レビュー31,32}は、VRベースの技術を用いたUSNの評価を目的とした多くのプロジェクトを探求し、この目的を持つ他の多くの研究が発表されました33,34,35,36,37,38,39,40,41 .これらの研究の大半は、消費者市場で現在利用可能なVR技術(例えば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)およびアイトラッキングインサート)を完全に補完するものではなく、データセットを定量化しやすい指標の数を少ない限りとしている。さらに、これらの研究はすべてUSNにつながる後天性脳損傷を有する患者に対して行われ、患者が少なくとも評価タスクに参加できることを保証するためのスクリーニング方法を必要とする(例えば、大きな視野障害または認知障害を有する患者を除く)。これらのスクリーニング方法の閾値の下で、より微妙な認知、運動、または視覚障害が通過し、これらの研究の結果を混乱させる可能性があります。また、このようなスクリーニングは、USNの特定のサブタイプに向けてこれらの研究の参加者のサンプルを偏った可能性があります。

以前の研究のスクリーニングバイアスを避けるために、SMGを標的にしてSTGおよび自己中心的なUSN様症状を標的にして同心円体USN様症状を誘導することを目的として、最近の原稿¹⁵によく記載されている標準的なTMSプロトコルを用いて健康な被験者を募集し、人工的にUSN症状をシミュレートした。試験困難を積極的に調整し、USNの異なるサブタイプ、特に同心円状と自己中心的な症状を区別するようにタスクを設計しました。また、USNの標準的な紙と鉛筆の評価を使用して、rTMSで引き起こされた赤字がUSNに似ていることも正式に実証しました。この方法は、USNの評価とリハビリテーションのための新しいVRツールをテストしたい他の研究者にとって有用であると考えています。

Protocol

この研究は、地元の機関審査委員会によって承認 され、グッド臨床実践ガイドラインによって定められたすべての基準を満たしています.すべての参加者は、研究手続きが始まる前にインフォームド・コンセントを提供しました。研究参加者は、3つの別々のセッションに参加することが期待された(表1に概要)。実験の要素は、以下の段階的な方法で説明されています。セッションの順?…

Representative Results

データは、上述のプロトコルを使用して健康な個人から収集され、バーチャルリアリティタスクから抽出できるさまざまな変数を分析してグループ間の微妙な違いを検出する方法を実証しました。 本研究では、平均年齢25.6歳、平均16.8年の教育を受けた7人(男性2名)が、それぞれTMSの3つの別々のセッションを受けた。これ?…

Discussion

私たちは、それぞれTMSとVRでUSN症状を誘導し、測定しました。シャム試験と比較すると有意な結果は得られませんでしたが、異なる実験群間で自己中心的な無視(平均頭角、片方の片空間で花を見るのに費やした時間)と同心心無視(左側と右側の非対称の花びらを持つ花を選択する際のパフォーマンス)の複数の指標を比較することができ、STGで刺激された被験者とSMGで刺激された被験者間の平?…

Materials

AirFilm Coil (AFC) Rapid Version	Magstim	N/A	Air-cooled TMS coil
Alienware 17 R4 Laptop	Dell	N/A	NVIDIA GeForce GTX 1060 (full specs at https://topics-cdn.dell.com/pdf/alienware-17-laptop_users-guide_en-us.pdf)
BrainSight 2.0 TMS Neuronavigation Software	Rogue Research Inc	N/A	TMS neural targeting software
CED 1902 Isolated pre-amplifier	Cambridge Electronic Design Limted	N/A	EMG pre-amplifier
CED Micro 401 mkII	Cambridge Electronic Design Limted	N/A	Multi-channel waveform data acquisition unit
CED Signal 5	Cambridge Electronic Design Limted	N/A	Sweep-based data acquisition and analysis software. Used to measure TMS evoked motor responses.
HTC Vive Binocular Add-on	Pupil Labs	N/A	HTC Vive, Vive Pro, or Vive Cosmos eye tracking add-on with 2 x 200Hz eye cameras.
Magstim D70 Remote Coil	Magstim	N/A	Hand-held TMS coil
Magstim Super Rapid 2 plus 1	Magstim	N/A	Transcranial Magnetic Stimulation Unit
Unity 2018	Unity	N/A	cross-platform VR game engine
Vive Pro	HTC Vive	N/A	VR hardware system with external motion sensors; 1440×1600 pixels per eye, 90 Hz refresh rate, 110° FoV