일방적인 공간 방치 평가를 위한 가상 현실 도구: 데이터 수집을 위한 새로운 기회

Summary

목표는 신경질환 연구 및 관리에 가상현실의 역할을 확대하는 것이 목표인 일방적인 공간 태만, 급성 뇌졸중 생존자의 23~46%에 영향을 미치는 증후군을 감지하고 특성화하는 새로운 가상현실 과제를 설계, 구축 및 시범운용하는 것이었다.

Abstract

일방적인 공간 방치(USN)는 공간의 한쪽에 부주의하거나 행동하지 않는 것을 특징으로 하는 증후군이며 급성 뇌졸중 생존자의 23-46%에 영향을 미칩니다. 개별적인 환자에 있는 이 현상의 진단 그리고 특성은 도전적일 수 있고 수시로 숙련된 임상 직원을 요구합니다. 가상 현실(VR)은 USN 환자를 위한 새로운 평가 도구를 개발할 수 있는 기회를 제공합니다.

우리는 미묘한 USN 증상을 감지하고 특성화하기 위해 VR 도구를 설계하고 구축하고 USN과 관련된 피질 영역의 억제 반복 성 경두개 자기 자극 (TMS)으로 치료 대상자에 대한 도구를 테스트하는 것을 목표로했습니다.

당사는 visuospatial 처리와 관련된 피질의 두 개의 뚜렷한 부위에 TMS를 적용하여 3개의 실험 조건을 만들었습니다- 우수한 측두엽 자이러스(STG)와 초라한계 자이러스(SMG)-및 대조군으로서 샴 TMS를 적용하였다. 그런 다음 가상 현실 환경에 피사체를 배치하여 두 헤미스페이스의 덤불에 분포된 꽃의 측면 비대칭으로 꽃을 식별하도록 요청받았으며, 각 피사체의 성능에 따라 동적 난이도 조정을 했습니다.

우리는 STG에서 자극된 과목과 SMG에서 자극된 과목 과목 사이 평균 머리 야우에 있는 중요한 다름 및 평균 시각 축에 있는 약간 중요한 효력을 찾아냈습니다.

VR 기술은 접근성이 높아지고 저렴하며 견고해지고 있으며, 유용하고 새로운 게임 과 같은 도구를 만들 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다. TMS와 함께, 이러한 도구는 건강한 과목에서 특정, 고립 된, 인공 신경 적자를 연구하는 데 사용할 수 있습니다, 인수 된 뇌 손상으로 인해 적자를 가진 환자를위한 VR 기반 진단 도구의 생성을 알리는. 이 연구는 인위적으로 생성된 USN 증상이 VR 작업으로 평가된 지식에 대한 첫 번째 연구입니다.

Introduction

일방적인 공간 방치(USN)는 급성 뇌졸중 생존자의 23-46%에 영향을 미치는 공간의 한쪽에 부주의하거나 행동하지 않는 것을 특징으로 하는 증후군으로, 가장 일반적으로 오른쪽 뇌반구에 부상을 입어 공간 및/또는 생존자의 신체를 무시하는 경향이 있다^1,2. USN을 가진 환자의 대다수는 단기적으로 중요한 복구를 경험하더라도, 미묘한 USN 현상은 수시로 지속³. USN은 일상 생활의 낙상 및 방해 활동에 대한 환자 위험을 증가시킬 수 ^{있습니다2,4} 그것은 또한 모터와 글로벌 기능 결과 모두에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다^5,6.

USN의 적자는 사람이 자신의 신체 (자기 중심)에 대해 공간의 한쪽을 무시하는지 또는 외부 자극 (동종)^7,8,9에 대하여 공간의 한쪽을 향할 수 없거나 사람이 공간 ^10의 한쪽으로 주의 (주의) 또는 행동 (의도적)을 지시 할 수 없는지 여부와 같은 여러 차원에 걸쳐 존재하는 것으로 개념화 될 수 있습니다. . 환자는 수시로 이 차원의 하나 이상을 따라 특징지을 수 있는 현상의 복잡한 별자리를 전시합니다. USN 증후군의 이 가변성은 특정 신경 해부학 구조 및 신경 네트워크에 상해의 다양한 정도에서 유래하기 위하여 생각됩니다, 이는 복잡합니다¹¹. 알로센트성 방치는 각자류(AG) 및 우수한 측두엽 자이러스(STG)의 병변과 연관되어 있으며, 초후정질 피질(PPC)은 초도경질(SMG)을 포함하는 직각질 피질(PPC)이 egocentric ^{processing12,13,14,15}에 연루되었다. 주의 적 방치는 오른쪽 ^IPL16에 병변을 포함 하는 것으로 생각 된다, 의도적인 방치 오른쪽 전두엽의 손상에 보조 것으로 생각 되는 동안¹⁷ 또는 기저 신경¹⁸.

USN의 임상 평가는 현재 펜 및 종이 신경 심리학 기기에 의존합니다. 이러한 전통적인 평가 도구는 ^USN19를 가진 몇몇 환자를 잘못 진단하거나 과소 진단의 결과로, 더 기술적으로 정교한 공구 보다는 보다 더 적게 민감할 지도 모릅니다. 잔류 적자의 더 나은 특성화는 온화한 USN을 가진 환자에게 치료의 전달을 촉진하고 잠재적으로 그들의 전반적인 복구를 향상할 수 있었습니다, 그러나 그 같은 특성은 아주 민감한 진단 공구를 요구할 것입니다. USN은 일반적으로 뇌졸중 환자 중 USN을 동반하는 모터 및 시각 장애로부터 분리하기가 어려울 수 있는 실험실 환경에서 도래하는 유사한 과제를 제기합니다.

가상 현실(VR)은 USN의 진단과 특성화를 위한 새로운 도구를 개발할 수 있는 특별한 기회를 제공합니다. VR은 개인이 생태학적으로 유효한 객체²⁰과 관련된 작업을 수행 할 수있는 실시간 상호 작용을 가진 첫 번째 사람에 제시 된 다감각 3D 환경입니다. 그것은 USN을 평가하기위한 유망한 도구입니다; 사용자가 보고 듣는 것을 정확하게 제어할 수 있으므로 개발자는 사용자에게 다양한 가상 작업을 제시할 수 있습니다. 또한 현재 사용 가능한 정교한 하드웨어 및 소프트웨어 패키지를 사용하면 눈, 머리 및 사지 움직임을 비롯한 사용자의 행동에 대한 풍부한 데이터를 실시간으로 수집할 수 있으며, 이는 기존 진단 테스트에서 제공하는 메트릭을 훨씬 초과합니다²¹. 이러한 데이터 스트림은 즉시 사용할 수 있으며 사용자 성능(예: 지정된 작업에 대한 이상적인 난이도 타겟팅)에 따라 진단 작업을 실시간으로 조정할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 이 기능은 ^USN22에 대한 새로운 진단 도구 의 개발에 우선 순위로 간주되는 USN에서 볼 수있는 광범위한 심각도에 대한 작업 적응을 용이하게 할 수 있습니다. 또한, 몰입형 VR 작업은 환자의 주의력 자원에 부담을 줄 수 ^있다23,24, 방치 증상의 검출을 용이하게 할 수 있는 증가 된 오류의 결과; 실제로, 일부 VR 작업은 ^USN24,25의 기존의 종이 및 연필 측정에 비해 감도가 증가한 것으로 나타났습니다.

이 연구에서, 목표는 작동하는 신경학에 있는 전문지식이 없고 USN의 미묘한 케이스조차 확실하게 검출하고 특성화할 수 있는 평가 공구를 만드는 것이었습니다. 우리는 가상 현실 기반의 게임과 같은 작업을 구축했습니다. 그런 다음, 피험자의 두피와 두개골을 통과하고 뉴런을 자극하는 피사체의 뇌에서 전류를 유도하는 휴대용 자극 코일에서 방출되는 전자기 펄스를 활용하는 비침습적 뇌 자극 기술인 경두개 자기 자극(TMS)을 가진 건강한 과목에서 USN과 같은 ^{증후군을 유도했습니다.} 이 기술은 다른 사람에 의해 USN의 연구에서 활용되었습니다13,17,28,29,30, 하지만 우리의 지식에 VR 기반 평가 도구와 함께 결코.

많은 연구자들은 이미 VR 시스템의 진단 및 치료 응용 프로그램에 노력하고 있습니다. 최근 리뷰^31,32 VR 기반 기술로 USN의 평가를 목표로 프로젝트의 숫자를 탐구하고,이 목표를 가진 다른 연구의 숫자는 출판되었다^{3333334,35,36,37,38,39,40,41} . 이러한 연구의 대부분은 현재 소비자 시장에서 사용할 수 있는 VR 기술의 전체 보완을 활용 하지 않습니다 (예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이 (HMD) 및 아이 트래킹 인서트), 쉽게 정량화 할 수 있는 메트릭의 작은 수로 그들의 데이터 집합을 제한. 또한, 이러한 모든 연구는 USN으로 이어지는 뇌 손상을 가진 환자에서 수행되었으며, 환자가 적어도 평가 작업 (예 : 큰 시각 필드 적자 또는 인지 장애를 가진 환자를 제외)에 참여할 수 있음을 보장하기 위해 선별 방법을 요구했습니다. 더 미묘한 인지, 모터, 또는 시각적 결핍이 이 검열 방법의 문턱에서 통과할 수 있습니다, 가능하게 이 연구 결과의 결과를 혼동합니다. 그러한 선별이 USN의 특정 하위 형으로 이러한 연구에서 참가자의 샘플을 편향시킬 수도 있습니다.

이전 연구의 선별 편향을 피하기 위해, 우리는 건강한 과목을 모집하고 SMG를 표적으로 하여 STG 및 자기 중심 USN 과 같은 현상을 표적으로 하여 동종 중심 USN 같이 현상을 유도하는 것을 목표로, 최근 원고¹⁵에서 잘 기술되는 표준 TMS 프로토콜을 가진 건강한 과목을 모집하고 인위적으로 USN 현상을 시뮬레이션했습니다. 우리는 적극적으로 재판에 어려움 재판을 조정하고 USN의 다른 특수형, 특히 동종 과 자기 중심증상을 구별하는 작업을 설계했다. 우리는 또한 USN의 표준 종이 및 연필 평가를 사용하여 rTMS로 인한 적자가 USN과 같다는 것을 공식적으로 입증했습니다. 우리는 이 방법이 USN의 평가 및 재활을 위해 새로운 VR 도구를 테스트하려는 다른 연구들에게 유용할 것이라고 믿습니다.

Protocol

이 연구는 지역 기관 검토 위원회에 의해 승인 되었고 좋은 임상 사례 지침에 의해 명시된 모든 기준을 충족합니다. 모든 참가자는 연구 절차가 시작되기 전에 정보에 입각한 동의를 제공했습니다. 연구 참가자는 세 개의 별도 세션(표 1에 설명된 세션)에 참여할 것으로 예상되었습니다. 실험의 요소는 아래의 단계적 방식으로 설명됩니다. 세션 순서가 무작위로 정렬되었습니다. <table bord…

Representative Results

상기에 설명된 프로토콜을 사용하여 건강한 개인들로부터 데이터를 수집하여 가상 현실 작업에서 추출할 수 있는 다양한 변수를 분석하여 그룹 간의 미묘한 차이를 감지하는 방법을 보여 줍니다. 이 연구에서는 평균 연령 이 25.6세, 평균 16.8년의 교육을 받은 7명의 개인(남성 2명)이 각각 3개의 TMS 세션을 거쳤습니다. 이 과목은…

Discussion

우리는 TMS와 VR로 USN 증상을 각각 성공적으로 유도하고 측정했습니다. 우리는 가짜 시험에 비해 중요한 결과를 하지 않았지만, 우리는 다른 실험 그룹 사이의 자기 중심 적소 (평균 머리 각도, 중간 공간에서 꽃을 보는 데 소요된 시간) 및 동문 성소 (왼쪽과 오른쪽에 비대칭 꽃잎을 가진 꽃을 선택하는 성능)의 여러 메트릭을 비교할 수 있었고, STG에서 자극 대상간의 평균 머리 각도에서 상당한 차?…

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