Virtual Reality-tools voor het beoordelen van eenzijdige ruimtelijke verwaarlozing: een nieuwe kans voor gegevensverzameling

Summary

Het doel was om een nieuwe virtual reality-taak te ontwerpen, bouwen en testen om eenzijdige ruimtelijke verwaarlozing te detecteren en te karakteriseren, een syndroom dat 23-46% van de overlevenden van een acute beroerte treft, waardoor de rol van virtual reality in de studie en het beheer van neurologische ziekten wordt uitgebreid.

Abstract

Unilaterale ruimtelijke verwaarlozing (USN) is een syndroom dat wordt gekenmerkt door onoplettendheid voor of inactiviteit aan één kant van de ruimte en treft tussen 23-46% van de overlevenden van een acute beroerte. De diagnose en karakterisering van deze symptomen bij individuele patiënten kan een uitdaging zijn en vereist vaak bekwaam klinisch personeel. Virtual reality (VR) biedt een kans om nieuwe beoordelingsinstrumenten te ontwikkelen voor patiënten met USN.

We wilden een VR-tool ontwerpen en bouwen om subtiele USN-symptomen te detecteren en te karakteriseren, en om de tool te testen op proefpersonen die werden behandeld met remmende repetitieve transcraniële magnetische stimulatie (TMS) van corticale gebieden geassocieerd met USN.

We creëerden drie experimentele omstandigheden door TMS toe te passen op twee verschillende gebieden van cortex geassocieerd met visuospatiale verwerking – de superieure temporale gyrus (STG) en de supramarginale gyrus (SMG) – en pasten sham TMS toe als een controle. Vervolgens plaatsten we proefpersonen in een virtual reality-omgeving waarin ze werden gevraagd om de bloemen te identificeren met laterale asymmetrieën van bloemen verdeeld over struiken in beide hemispaces, met dynamische moeilijkheidsaanpassing op basis van de prestaties van elk onderwerp.

We vonden significante verschillen in gemiddelde hoofdgier tussen proefpersonen gestimuleerd op de STG en die gestimuleerd op de SMG en marginaal significante effecten in de gemiddelde visuele as.

VR-technologie wordt toegankelijker, betaalbaarder en robuuster, wat een opwindende kans biedt om nuttige en nieuwe game-achtige tools te maken. In combinatie met TMS kunnen deze hulpmiddelen worden gebruikt om specifieke, geïsoleerde, kunstmatige neurologische tekorten bij gezonde proefpersonen te bestuderen, waarbij de creatie van VR-gebaseerde diagnostische hulpmiddelen voor patiënten met tekorten als gevolg van verworven hersenletsel wordt geïnformeerd. Deze studie is de eerste bij onze weten waarin kunstmatig gegenereerde USN-symptomen zijn geëvalueerd met een VR-taak.

Introduction

Unilaterale ruimtelijke verwaarlozing (USN) is een syndroom dat wordt gekenmerkt door onoplettendheid voor of inactiviteit aan één kant van de ruimte dat tussen 23-46% van de overlevenden van een acute beroerte treft, meestal met letsel aan de rechterhersenhelft en resulterend in een neiging om de linkerkant van de ruimte en / of het lichaam van de overlevende te ^negeren1,2. Hoewel de meerderheid van de patiënten met USN op korte termijn een significant herstel ervaart, blijven subtiele USN-symptomen vaak ^bestaan3. USN kan het risico op vallen van patiënten verhogen en activiteiten van het dagelijks leven ^{belemmeren2,4} Het is ook aangetoond dat het zowel de motorische als de wereldwijde functionele uitkomsten negatief ^{beïnvloedt5,6}.

Tekorten in USN kunnen worden geconceptualiseerd als bestaand in meerdere dimensies, zoals of een persoon één kant van de ruimte negeert met betrekking tot zijn eigen lichaam (egocentrisch) of met betrekking tot een externe stimulus (allocentrisch)^7,8,9, of dat een persoon niet in staat is om zijn aandacht (aandacht) of acties (opzettelijk) naar één kant van de ruimte te ^richten10 . Patiënten vertonen vaak een complexe constellatie van symptomen die langs meer dan één van deze dimensies kunnen worden gekenmerkt. Deze variabiliteit van USN-syndromen wordt verondersteld het gevolg te zijn van verschillende gradaties van letsel aan specifieke neuroanatomische structuren en neuronale netwerken, die complex ^zijn11. Allocentrische verwaarlozing is geassocieerd met laesies van de hoekige gyrus (AG) en superieure temporale gyrus (STG), terwijl de posterieure pariëtale cortex (PPC) inclusief de supramarginale gyrus (SMG) betrokken is bij egocentrische verwerking12,13,14,15. Aandachtsverwaarlozing wordt verondersteld laesies in de rechter ^IPL16 te omvatten, terwijl opzettelijke verwaarlozing wordt beschouwd als secundair aan schade aan de rechter frontale ^kwab17 of basale ^ganglia18.

Klinische beoordeling van USN is momenteel afhankelijk van pen-en-papier neuropsychologische instrumenten. Deze conventionele beoordelingsinstrumenten kunnen minder gevoelig zijn dan meer technologisch geavanceerde hulpmiddelen, wat resulteert in een verkeerde diagnose of onderdiagnose van sommige patiënten met ^USN19. Een betere karakterisering van resttekorten zou de levering van therapie aan patiënten met mildere USN kunnen vergemakkelijken en mogelijk hun algehele herstel kunnen verbeteren, maar een dergelijke karakterisering zou zeer gevoelige diagnostische hulpmiddelen vereisen. USN stelt vergelijkbare uitdagingen in de laboratoriumomgeving, waar het moeilijk kan zijn om te isoleren van de motorische en visuele beperkingen die gewoonlijk gepaard gaan met USN bij patiënten met een beroerte.

Virtual reality (VR) biedt een unieke kans om nieuwe tools te ontwikkelen voor de diagnose en karakterisering van USN. VR is een multisensorische 3D-omgeving gepresenteerd in de eerste persoon met real-time interacties waarin individuen in staat zijn om taken uit te voeren met ecologisch geldige ^objecten20. Het is een veelbelovend instrument voor het beoordelen van USN; de mogelijkheid om precies te bepalen wat de gebruiker ziet en hoort, stelt ontwikkelaars in staat om een breed scala aan virtuele taken aan de gebruiker te presenteren. Bovendien maken de geavanceerde hardware- en softwarepakketten die momenteel beschikbaar zijn het mogelijk om in realtime een schat aan gegevens te verzamelen over de acties van de gebruiker, inclusief oog-, hoofd- en ledemaatbewegingen, die veel verder gaan dan de statistieken die worden geboden door traditionele diagnostische ^tests21. Deze gegevensstromen zijn onmiddellijk beschikbaar, wat de mogelijkheid biedt voor real-time aanpassing van diagnostische taken op basis van gebruikersprestaties (bijvoorbeeld gericht op de ideale moeilijkheidsgraad voor een bepaalde taak). Deze functie kan de aanpassing van taken aan het brede scala aan ernst van USN vergemakkelijken, wat wordt beschouwd als een prioriteit bij de ontwikkeling van nieuwe diagnostische hulpmiddelen voor ^USN22. Bovendien kunnen meeslepende VR-taken een verhoogde belasting vormen voor de aandachtsmiddelen van de ^{patiënt23,24}, wat resulteert in meer fouten die de detectie van verwaarlozingssymptomen kunnen vergemakkelijken; inderdaad, van sommige VR-taken is aangetoond dat ze een verhoogde gevoeligheid hebben in vergelijking met conventionele papier-en-potloodmetingen van ^USN24,25.

In deze studie was het doel om een beoordelingsinstrument te creëren dat geen expertise in neurologie vereist om te werken en dat zelfs subtiele gevallen van USN betrouwbaar kan detecteren en karakteriseren. We bouwden een op virtual reality gebaseerde, game-achtige taak. Vervolgens hebben we een USN-achtig syndroom geïnduceerd bij gezonde proefpersonen met transcraniële magnetische stimulatie (TMS), een niet-invasieve hersenstimulatietechniek die gebruik maakt van elektromagnetische pulsen die worden uitgezonden door een handheld stimulatiespoel, die door de hoofdhuid en schedel van het onderwerp gaan en elektrische stromen in de hersenen van het onderwerp induceren die neuronen ^{stimuleren26,27}. Deze techniek is gebruikt in de studie van USN door anderen13,17,28,29,30, hoewel voor zover wij weten nooit in combinatie met een VR-gebaseerde beoordelingstool.

Veel onderzoekers werken al aan diagnostische en therapeutische toepassingen van VR-systemen. Recente ^{beoordelingen31,32} onderzochten een aantal projecten gericht op de beoordeling van USN met VR-gebaseerde technieken, en een aantal andere studies met dit doel zijn ^{gepubliceerd33,34,35,36,37,38,39,40,41} . De meeste van deze studies maken geen gebruik van de volledige aanvulling van VR-technologie die momenteel beschikbaar is voor de consumentenmarkt (bijv. Een head-mounted display (HMD) en eye-tracking inserts), waardoor hun datasets worden beperkt tot een kleiner aantal gemakkelijk kwantificeerbare statistieken. Bovendien werden al deze studies uitgevoerd bij patiënten met verworven hersenletsel dat leidde tot USN, waarvoor screeningmethoden nodig waren om ervoor te zorgen dat patiënten op zijn minst konden deelnemen aan de beoordelingstaken (bijvoorbeeld het uitsluiten van patiënten met grote gezichtsveldtekorten of cognitieve stoornissen). Het is mogelijk dat meer subtiele cognitieve, motorische of visuele tekorten onder de drempel van deze screeningsmethoden zijn gegaan, waardoor de resultaten van deze studies mogelijk worden verstoord. Het is ook mogelijk dat een dergelijke screening de steekproeven van deelnemers aan deze studies heeft vertekend in de richting van een bepaald subtype van USN.

Om de screeningsbias van eerdere studies te voorkomen, rekruteerden we gezonde proefpersonen en simuleerden we kunstmatig USN-symptomen met een standaard TMS-protocol dat goed is beschreven in een recent ^manuscript15, met als doel allocentrische USN-achtige symptomen te induceren door zich te richten op de STG en egocentrische USN-achtige symptomen door zich te richten op de SMG. We hebben de taak ontworpen om de moeilijkheidsgraad van de proef actief aan te passen aan de proef en om onderscheid te maken tussen verschillende subtypen van USN, met name allocentrische versus egocentrische symptomen. We hebben ook standaard papier- en potloodbeoordelingen van USN gebruikt om formeel aan te tonen dat de tekorten die we met rTMS hebben geïnduceerd USN-achtig zijn. We geloven dat de methode nuttig zal zijn voor andere onderzoekers die nieuwe VR-tools willen testen voor de beoordeling en revalidatie van USN.

Protocol

Deze studie werd goedgekeurd door de lokale Institutional Review Board en voldoet aan alle criteria die zijn uiteengezet in good clinical practice guidelines. Alle deelnemers gaven geïnformeerde toestemming voordat de onderzoeksprocedures begonnen. Van de deelnemers aan het onderzoek werd verwacht dat zij deelnamen aan drie afzonderlijke sessies (weergegeven in tabel 1). De elementen van het experiment worden hieronder stapsgewijs beschreven. De volgorde van de sessie werd gerandomiseerd. <table border="1" …

Representative Results

Gegevens werden verzameld van gezonde individuen met behulp van het hierboven beschreven protocol om aan te tonen hoe de verschillende variabelen die kunnen worden geëxtraheerd uit de virtual reality-taak kunnen worden geanalyseerd om subtiele verschillen tussen groepen te detecteren. In deze studie ondergingen 7 personen (2 mannen) met een gemiddelde leeftijd van 25,6 en een gemiddelde van 16,8 jaar onderwijs elk drie afzonder…

Discussion

We hebben met succes USN-symptomen geïnduceerd en gemeten met respectievelijk TMS en VR. Hoewel we geen significante resultaten hadden in vergelijking met schijnproeven, waren we in staat om meerdere metrieken van egocentrische verwaarlozing (gemiddelde balhoofdhoek, tijd besteed aan het kijken naar bloemen in beide hemispace) en allocentrische verwaarlozing (prestaties bij het selecteren van bloemen met asymmetrische bloemblaadjes aan de linkerkant versus de rechterkant) tussen de verschillende experimentele groepen te…

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