Virtual Reality-verktøy for å vurdere ensidig romlig forsømmelse: En ny mulighet for datainnsamling

Summary

Målet var å designe, bygge og pilotere en ny virtual reality-oppgave for å oppdage og karakterisere ensidig romlig forsømmelse, et syndrom som påvirker 23-46% av akutte slagoverlevere, og utvider rollen som virtuell virkelighet i studiet og styringen av nevrolog sykdom.

Abstract

Unilateral romlig forsømmelse (USN) er et syndrom preget av uoppmerksomhet eller passivitet i den ene siden av rommet og påvirker mellom 23-46% av akutte slagoverlevere. Diagnosen og karakteriseringen av disse symptomene hos enkeltpasienter kan være utfordrende og krever ofte dyktige kliniske ansatte. Virtual reality (VR) presenterer en mulighet til å utvikle nye vurderingsverktøy for pasienter med USN.

Vi hadde som mål å designe og bygge et VR-verktøy for å oppdage og karakterisere subtile USN-symptomer, og å teste verktøyet på personer behandlet med hemmende repeterende transkraniell magnetisk stimulering (TMS) av kortikale regioner assosiert med USN.

Vi skapte tre eksperimentelle forhold ved å bruke TMS på to forskjellige regioner av cortex forbundet med visuospatial prosessering – den overlegne temporale gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG) – og anvendt sham TMS som en kontroll. Vi plasserte deretter emner i et virtuelt virkelighetsmiljø der de ble bedt om å identifisere blomstene med laterale asymmetrier av blomster fordelt over busker i begge hemispaces, med dynamisk vanskelighetsjustering basert på hvert emnes ytelse.

Vi fant signifikante forskjeller i gjennomsnittlig hode yaw mellom forsøkspersoner stimulert ved STG og de som ble stimulert ved SMG og marginalt signifikante effekter i den gjennomsnittlige visuelle aksen.

VR-teknologi blir mer tilgjengelig, rimelig og robust, og presenterer en spennende mulighet til å lage nyttige og nye spilllignende verktøy. I forbindelse med TMS kan disse verktøyene brukes til å studere spesifikke, isolerte, kunstige nevrologiske underskudd hos friske personer, og informere om opprettelsen av VR-baserte diagnostiske verktøy for pasienter med underskudd på grunn av ervervet hjerneskade. Denne studien er den første til vår kunnskap der kunstig genererte USN-symptomer har blitt evaluert med en VR-oppgave.

Introduction

Unilateral romlig forsømmelse (USN) er et syndrom preget av uoppmerksomhet eller passivitet i den ene siden av rommet som påvirker mellom 23-46% av akutte slag overlevende, oftest involverer skade på høyre hjernehalvdel og resulterer i en tendens til å ignorere venstre side av rommet og / eller den overlevende ^kroppen1,2. Selv om flertallet av pasienter med USN opplever betydelig utvinning på kort sikt, vedvarer subtile USN-symptomer ^ofte3. USN kan øke pasientrisikoen for fall og hindre dagliglivets ^{aktiviteter2,4} Det har også vist seg å ha negativ innvirkning på både motoriske og globale ^{funksjonsresultater5,6}.

Underskudd i USN kan konseptualiseres som eksisterende på tvers av flere dimensjoner, for eksempel om en person ignorerer den ene siden av rommet med hensyn til sin egen kropp (egosentrisk) eller med hensyn til en ekstern stimulans (allocentric)^7,8,9, eller om en person ikke er i stand til å rette oppmerksomheten (oppmerksomhet) eller handlinger (forsettlig) mot den ene siden av ^rommet10 . Pasienter viser ofte en kompleks konstellasjon av symptomer som kan karakteriseres langs mer enn en av disse dimensjonene. Denne variasjonen av USN-syndromer antas å skyldes varierende grad av skade på spesifikke nevroanatomiske strukturer og nevronnettverk, som er ^komplekse11. Allokentrisk forsømmelse har vært forbundet med lesjoner av vinkel gyrus (AG) og overlegen temporal gyrus (STG), mens bakre parietal cortex (PPC) inkludert supramarginal gyrus (SMG) har blitt implisert i egosentrisk behandling12,13,14,15. Oppmerksomhetsforsømmelse antas å innebære lesjoner i høyre ^IPL16, mens forsettlig forsømmelse antas å være sekundær til skade på høyre frontal ^lobe17 eller basal ^ganglia18.

Klinisk vurdering av USN er for tiden avhengig av penn-og-papir nevropsykologiske instrumenter. Disse konvensjonelle vurderingsverktøyene kan være mindre følsomme enn mer teknologisk sofistikerte verktøy, noe som resulterer i feildiagnostisering eller underdiagnostisering av noen pasienter med ^USN19. Bedre karakterisering av gjenværende underskudd kan lette levering av terapi til pasienter med mildere USN og potensielt forbedre deres generelle utvinning, men slik karakterisering vil kreve svært følsomme diagnostiske verktøy. USN byr på lignende utfordringer i laboratoriemiljøet, der det kan være vanskelig å isolere seg fra motoriske og synshemmede som ofte følger med USN blant slagpasienter.

Virtual reality (VR) presenterer en unik mulighet til å utvikle nye verktøy for diagnostisering og karakterisering av USN. VR er et multisensorisk 3D-miljø presentert i den første personen med sanntidsinteraksjoner der enkeltpersoner er i stand til å utføre oppgaver som involverer økologisk gyldige ^{gjenstander20}. Det er et lovende verktøy for å vurdere USN; muligheten til å nøyaktig kontrollere hva brukeren ser og hører, gjør det mulig for utviklere å presentere et bredt utvalg av virtuelle oppgaver for brukeren. I tillegg tillater de sofistikerte maskinvare- og programvarepakkene som for øyeblikket er tilgjengelige, sanntidsinnsamling av et vell av data om brukerens handlinger, inkludert øye-, hode- og lembevegelser, som langt overstiger beregningene som tilbys av tradisjonelle diagnostiske ^tester21. Disse datastrømmene er øyeblikkelig tilgjengelige, og åpner muligheten for sanntidsjustering av diagnostiske oppgaver basert på brukerytelse (f.eks. målretting av det ideelle vanskelighetsgradsnivået for en gitt oppgave). Denne funksjonen kan lette oppgavetilpasning til det brede spekteret av alvorlighetsgrad sett i USN, som anses som en prioritet i utviklingen av nye diagnostiske verktøy for ^USN22. I tillegg kan oppslukende VR-oppgaver pålegge pasientene en økt belastning på pasientenes ^{oppmerksomhetsressurser23,24}, noe som resulterer i økte feil som kan lette påvisning av forsømmelsessymptomer; Faktisk har noen VR-oppgaver vist seg å ha økt følsomhet sammenlignet med konvensjonelle papir- og blyantmål på ^USN24,25.

I denne studien var målet å lage et vurderingsverktøy som ikke krever kompetanse innen nevrologi for å operere, og som på en pålitelig måte kan oppdage og karakterisere selv subtile tilfeller av USN. Vi bygde en virtual reality-basert, spilllignende oppgave. Vi induserte deretter et USN-lignende syndrom hos friske personer med transkraniell magnetisk stimulering (TMS), en ikke-invasiv hjernestimuleringsteknikk som bruker elektromagnetiske pulser som slippes ut fra en håndholdt stimuleringsspole, som passerer gjennom hodebunnen og skallen til motivet og induserer elektriske strømmer i motivets hjerne som stimulerer ^{nevroner26,27}. Denne teknikken har blitt brukt i studiet av USN av andre13,17,28,29,30, men til vår kunnskap aldri i forbindelse med et VR-basert vurderingsverktøy.

Mange forskere jobber allerede med diagnostiske og terapeutiske anvendelser av VR-systemer. Nylige ^{gjennomganger31,32} utforsket en rekke prosjekter rettet mot vurderingen av USN med VR-baserte teknikker, og en rekke andre studier med dette målet er ^{publisert33,34,35,36,37,38,39,40,41} . De fleste av disse studiene bruker ikke hele komplementet av VR-teknologi som for tiden er tilgjengelig for forbrukermarkedet (f.eks. en hodemontert skjerm (HMD) og øyesporingsinnlegg), og begrenser datasettene til et mindre antall lett kvantifiserbare beregninger. I tillegg ble alle disse studiene utført på pasienter med ervervet hjerneskade som førte til USN, og krevde screeningmetoder for å sikre at pasienter i det minste kunne delta i vurderingsoppgavene (f.eks. unntatt pasienter med store synsfeltunderskudd eller kognitiv svikt). Det er mulig at mer subtile kognitive, motoriske eller visuelle underskudd passerte under terskelen til disse screeningmetodene, muligens forvirrer resultatene av disse studiene. Det er også mulig at slik screening partisk utvalg av deltakere i disse studiene mot en bestemt undertype av USN.

For å unngå screeningforskjeller fra tidligere studier rekrutterte vi friske forsøkspersoner og kunstig simulerte USN-symptomer med en standard TMS-protokoll som er godt beskrevet i et nylig ^manuskript15, med sikte på å indusere allokentriske USN-lignende symptomer ved å målrette mot STG og egosentriske USN-lignende symptomer ved å målrette mot SMG. Vi designet oppgaven med å aktivt justere vanskelighetsstudien for å prøve og skille mellom forskjellige undertyper av USN, spesielt allokentriske vs. egosentriske symptomer. Vi brukte også standardpapir – blyantvurderinger av USN for formelt å demonstrere at underskuddene vi induserte med rTMS er USN-lignende. Vi tror metoden vil være nyttig for andre forskere som ønsker å teste nye VR-verktøy for vurdering og rehabilitering av USN.

Protocol

Denne studien ble godkjent av det lokale institusjonelle kontrollutvalget og oppfyller alle kriterier fastsatt av Good Clinical Practice Guidelines. Alle deltakerne ga informert samtykke før noen studieprosedyrer begynte. Det var forventet at deltakerne i studien skulle delta i tre separate samlinger (skissert i tabell 1). Elementene i eksperimentet er beskrevet trinnvis nedenfor. Øktrekkefølgen ble randomisert. <table border="1" fo:keep-together.within-page="always" fo:keep-with-next.within-page="always"…

Representative Results

Data ble samlet inn fra friske personer ved hjelp av protokollen beskrevet ovenfor for å demonstrere hvordan de forskjellige variablene som kan trekkes ut fra virtual reality-oppgaven, kan analyseres for å oppdage subtile forskjeller mellom grupper. I denne studien gjennomgikk 7 personer (2 menn) med en gjennomsnittsalder på 25,6 og i gjennomsnitt 16,8 års utdanning hver tre separate økter med TMS. Disse fagene ble delt inn…

Discussion

Vi induserte og målte USN-symptomer med henholdsvis TMS og VR. Selv om vi ikke hadde betydelige resultater sammenlignet med sham-studier, var vi i stand til å sammenligne flere beregninger av egosentrisk forsømmelse (gjennomsnittlig hodevinkel, tid brukt på å se på blomster i enten hemispace) og allokentrisk forsømmelse (ytelse i å velge blomster med asymmetriske kronblader til venstre vs. høyre side) mellom de forskjellige eksperimentelle gruppene, og fant betydelige forskjeller i gjennomsnittlig hodevinkel mel…

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