I denne artikel beskriver vi de metoder, procedurer og teknologier, der kræves for at estimere vestibulære perceptuelle tærskler ved hjælp af en bevægelsesplatform med seks frihedsgrader.
Vestibulære perceptuelle tærskler henviser til den bevægelsesintensitet, der kræves for at gøre det muligt for en deltager at detektere eller diskriminere en bevægelse baseret på vestibulært input. Ved hjælp af passive bevægelsesprofiler leveret af seks bevægelsesgrader kan vestibulære perceptuelle tærskler estimeres for enhver form for bevægelse og derved målrette mod hver af delkomponenterne i det vestibulære slutorgan. Vurderinger af vestibulære tærskler er klinisk relevante, da de supplerer diagnostiske værktøjer såsom kalorievanding, hovedimpulstesten (HIT) eller vestibulære fremkaldte myogene potentialer (VEMP’er), som kun giver information om delkomponenter i det vestibulære system, men ingen af dem giver mulighed for at vurdere alle komponenter. Der er flere metoder med forskellige fordele og ulemper til estimering af vestibulære perceptuelle tærskler. I denne artikel præsenterer vi en protokol ved hjælp af en adaptiv trappealgoritme og sinusformede bevægelsesprofiler til en effektiv estimeringsprocedure. Adaptive trappealgoritmer overvejer responshistorikken for at bestemme tophastigheden for de næste stimuli og er de mest almindeligt anvendte algoritmer i det vestibulære domæne. Vi diskuterer yderligere virkningen af bevægelsesfrekvens på vestibulære perceptuelle tærskler.
Det menneskelige vestibulære endeorgan består af fem komponenter, der hver er optimeret til at detektere en specifik komponent i det naturlige bevægelsesspektrum. De tre halvcirkelformede kanaler er orienteret nogenlunde ortogonalt mod hinanden, hvilket gør det muligt for dem at registrere hovedrotationer omkring tre akser. Kanalerne ledsages af to makulaorganer til registrering af translationelle accelerationer langs den lodrette akse eller i vandret plan1. Et funktionelt fald eller tab i hver af de fem komponenter kan føre til alvorlige symptomer som svimmelhed, svimmelhed, ubalance og en øget risiko for at falde2. Imidlertid er objektiv vurdering af funktionen af alle komponenter separat en besværlig opgave og kræver flere vurderinger3. For eksempel vurderes tilstanden af den vandrette kanal typisk gennem kalorievanding og hovedimpulstesten (HIT). Den nuværende guldstandard til vurdering af makulaorganerne er vestibulære fremkaldte myogene potentialer (VEMP’er). Ved at kombinere flere vurderinger når klinikere frem til et mere komplet billede af den vestibulære tilstand, hvorfra de kan udlede diagnose- og behandlingsmuligheder.
En lovende tilgang til kvantificering af vestibulær ydeevne er vestibulære perceptuelle tærskler, som giver et objektivt, kvantitativt mål for den laveste selvbevægelsesintensitet, der pålideligt kan detekteres eller diskrimineres af en deltager. Selvom perceptuelle tærskelprocedurer er veletablerede i nogle kliniske discipliner (f.eks. audiologi), anvendes perceptuelle vestibulære tærskler endnu ikke til diagnostiske formål i det vestibulære domæne4. En af grundene til dette er den manglende tilgængelighed af bevægelsesplatforme og brugervenlig software. I princippet kan bevægelsesplatforme og drejestole bruges til tærskelberegning. Mens bevægelsesplatforme med seks frihedsgrader (6DOF) er egnede til at estimere tærskler for forskellige bevægelsesprofiler, hvilket muliggør undersøgelse af alle fem delkomponenter i det vestibulære organ, kan roterende stole kun bruges til at få adgang til rotationer i det vandrette (yaw) plan 1,4.
Vestibulære tærskler estimeres typisk for oversættelser langs de tre hovedakser (naso-occipital, inter-aural, head-vertical) og for rotationer omkring dem (yaw, pitch, roll), som visualiseret i figur 1. Vestibulære perceptuelle tærskler afhænger også af stimulusfrekvensen5. For at tage højde for dette bruges bevægelsesprofiler med en sinusformet accelerationsprofil, der består af en enkelt frekvens, oftest til tærskelestimering, men andre profiler 6,7,8 er også tidligere blevet brugt.
Vestibulære perceptuelle tærskler giver et værktøj til at studere samspillet mellem vestibulær fornemmelse og højere kognitive processer. Tærskler supplerer derfor kliniske vurderinger som HIT, kalorievanding og vestibulære fremkaldte potentialer, der er afhængige af mekanismer (refleksbuer), der omgår cortex. Derudover vurderer vestibulære perceptuelle tærskler estimeret på en bevægelsesplatform vestibulær funktion i en økologisk gyldig indstilling9 snarere end at bruge kunstig stimulering, som introducerer multisensoriske konflikter1.
På grund af den tovejs karakter af vestibulære stimuli10 er det almindeligt at estimere vestibulær diskrimination snarere end detektionstærskler4. Under en diskriminationsopgave opfatter deltageren en stimulus og skal beslutte, hvilken kategori den tilhører. For eksempel skal deltagerne beslutte, i hvilken retning de flyttes (f.eks. Venstre / højre). Den teoretiske ramme for tærskelestimering er signaldetektionsteori10,11. Diskriminationstærskler kan estimeres ved hjælp af forskellige tilgange, men i det vestibulære domæne er adaptive trappeprocedurer standarden. I en adaptiv trappeprocedure afhænger intensiteten, typisk tophastigheden, af den efterfølgende bevægelse af deltagernes respons (korrekt / forkert) på den sidste stimulus / stimuli. Adaptive trappeprocedurer kan implementeres på mange måder12, men den mest anvendte algoritme i vestibulær forskning er x-down/y-up procedurer med faste trinstørrelser. I en tre-ned/en-op-trappe reduceres stimulusintensiteten, efter at deltageren har givet korrekte svar i tre efterfølgende forsøg, men intensiteten øges, når der er givet et forkert svar (figur 2). Det nøjagtige valg af x og y i en x-down/y-up trappe gør det muligt at målrette mod forskellige tærskelværdier (procentdel af korrekte svar)13. En tre-ned/en-op-trappe retter sig mod intensiteten, hvor deltagerne reagerer korrekt i 79,4% af forsøgene. Ud over adaptive trappeprocedurer har andre undersøgelser14 brugt foruddefinerede, faste intensiteter til tærskelestimater. Brug af faste intensiteter gør det muligt at estimere hele den psykometriske funktion, som indeholder meget mere information end en enkelt tærskelværdi. Procedurer med fast intensitet er imidlertid tidskrævende og mindre effektive, når kun en bestemt tærskelværdi er af interesse.
Denne artikel beskriver en protokol til estimering af vestibulære genkendelsestærskler ved hjælp af en 6DOF-bevægelsesplatform og en adaptiv trappeprocedure.
Den præsenterede protokol giver mulighed for en pålidelig og effektiv estimering af vestibulære perceptuelle tærskler. Protokollen er velegnet til tærskelestimering langs og omkring vilkårlige akser og kan anvendes for alle relevante stimulusfrekvenser (f.eks. 0,1-5 Hz). Selvom vi præsenterer data ved hjælp af en standard tre-ned/en-op adaptiv trappeprocedure, kan protokollen også bruges til andre, mere effektive estimeringsprocedurer12, herunder fast intensitet, transformeret/vægtet op/ned eller Bayesianske (f.eks. Quest18) tilgange. En udtømmende diskussion af de tilgængelige algoritmer ligger uden for rammerne af det fremlagte manuskript, men en fremragende sammenligning af teori, simuleringer og faktiske data kan findes andre steder19. Effektive estimeringsprocedurer er af stor relevans i klinisk sammenhæng, hvor tiden er begrænset, og forskning i hurtigere vurderinger udføres i øjeblikket19,20.
Et lovende forskningsfelt er identifikation af bestemte bevægelsesprofiler og andre klinisk relevante parametre såsom balance 2,21. Denne forskningslinje er vigtig, da den giver vejledning om, hvilke akser og frekvenser der er mest forudsigelige for klinisk relevant adfærd og begivenheder, såsom risikoen for at falde, og derved reducere søgerummet i en klinisk sammenhæng.
Når udstyret og softwaren er tilgængeligt og fungerer efter hensigten, er to faktorer afgørende for pålidelig tærskelberegning. For det første skal eksperimentatoren sikre, at deltageren forstår opgaven og forbliver årvågen gennem hele proceduren. For de fleste stimuli (f.eks. alle oversættelser) er instruktionerne klare og lette at følge. For tonehøjde- og rullerotationer kan instruktionen om at svare med venstre eller højre imidlertid være tvetydig, især når rotationsaksen er placeret på hovedniveau. I disse tilfælde roterer kropsdelene over rotationsakserne (f.eks. Hovedet) i den modsatte retning end kropsdelene under rotationsakserne (f.eks. Fødder). Udtrykkene venstre/højre kan være tvetydige, og det kan være nyttigt at bede deltagerne om at klassificere bevægelser som med uret eller mod uret. Det er vigtigt at forklare og øve, hvordan deltageren forventes at bedømme bevægelsesstimulikerne. Et tilstrækkeligt antal testforsøg er særlig vigtigt, når patienter eller ældre voksne undersøges.
For det andet er det vigtigt at vælge et tilstrækkeligt antal forsøg omkring tærsklen. Vi anbefaler et adaptivt termineringskriterium som antallet af intensitetsvending i stedet for et fast antal forsøg, som er blevet brugt af andre 7,22. Derudover kan brug af et foruddefineret antal forsøg blive ineffektivt og bære risikoen for, at trappen ikke konvergerer, når startintensiteten er for langt væk fra tærsklen. Generelt er der behov for pilotforsøg for at vælge rimelige startintensiteter og afslutningskriterier.
Trappealgoritmer sigter mod at estimere et enkelt punkt på den psykometriske funktion23,24. Derfor giver de begrænsede oplysninger, fordi responsbias og hældningen af den psykometriske funktion ikke kan udledes af den estimerede tærskel. Hvis sådanne parametre er af interesse, kan faste intensiteter bruges til at prøve over et større interval, hvilket gør det muligt at passe til den psykometriske funktion. Selvom en sådan procedure er mere tidskrævende, giver den mulighed for mere sofistikerede analyser, der kan give værdifuld indsigt14,25. Alternativt kan adaptive hældningsestimeringsalgoritmer anvendes13.
Et vigtigt aspekt i estimeringen af vestibulære opfattelsestærskler er minimering af signaler fra andre sensoriske systemer. For at opnå dette maskeres støj genereret af platformen typisk af hvid støj. Minimering af proprioceptive eller taktile signaler er mere udfordrende1 og kan kun delvis opnås, fordi acceleration kræver en kraft, der virker på kroppen, hvilket uundgåeligt vil fremkalde ekstra-vestibulær stimulering. Puder bruges dog ofte til at reducere taktile og proprioceptive signaler. På samme måde er hovedfikseringen nødvendig for at sikre en konstant orientering af de vestibulære organer i forhold til bevægelsen og for at sikre, at det bevægelsesprofil, der udføres af hovedet, er det samme som det ved platformen, uden filtrering af kroppen, der forekommer under ubegrænsede bevægelsesbetingelser26.
På dette tidspunkt anvendes vestibulære perceptuelle tærskler overvejende i grundforskning. Undersøgelser viste, at vestibulære tærskler stiger medalderen 27,28, og de afhænger af retning 20,28 og bevægelsesfrekvensen 5,29. For nylig blev perceptuelle tærskler brugt til at dokumentere det første bevis for perceptuel læring i det vestibulære domæne14.
Undersøgelser, der sammenlignede patienter med vestibulære lidelser med sunde kontroller, viste ændrede vestibulære perceptuelle tærskler i overensstemmelse med deres patologi. For eksempel blev tærsklerne øget hos patienter med vestibulær svigt 29,30,31, og en tendens til reducerede tærskler eller endda en overfølsomhed blev vist hos patienter med vestibulær migræne31,32. Disse undersøgelser indebærer potentialet for kliniske anvendelser, og en nylig gennemgang4 diskuterede anvendeligheden og anvendeligheden af vestibulære perceptuelle tærskler i en klinisk diagnose. Et vigtigt aspekt er, at perceptuelle tærskler tilføjer unikke egenskaber til lægens værktøjskasse. Standardprocedurerne (HIT, VEMP, kalorievanding) bruger direkte veje fra de vestibulære endeorganer til musklerne i øjnene eller livmoderhalsen. Dermed giver de ikke mulighed for at undersøge informationskæden til neo-cortex. Estimeringen af vestibulære perceptuelle tærskler inkluderer på den anden side kognitive processer, der gør det muligt at teste det vestibulære system fra en anden vinkel, hvilket kan være særligt interessant i forbindelse med vedvarende postural-perceptuel svimmelhed (PPPD). En mangel ved den præsenterede procedure er dens manglende evne til at opdage retningsasymmetrier, som er blevet rapporteret af andre33.
Vestibulære perceptuelle tærskler er også af interesse for evaluering og overvågning af (terapeutiske) interventioner. Mange undersøgelser bruger risikoen for fald som et endepunkt i evalueringen af behandlingseffektiviteten. Da der imidlertid er påvist en sammenhæng mellem vestibulære tærskler om rulleaksen og risiko for at falde2 og ydeevne under balanceopgaver34 , kan tærskler anvendes som en mere pålidelig afhængig variabel, for eksempel til at vurdere resultatet35 eller optimal konfiguration af vestibulære implantater.
The authors have nothing to disclose.
Vi er taknemmelige for støtten fra Carlo Prelz fra Technology Platform of the Human Sciences Faculty. Vi takker Noel Strahm for hans bidrag til trappeimplementeringen.
6-DOF Motion Platform | MOOG | Models 170E122 or 170E131; Nov 12, 1999 | |
Headphones | Sony | WH-100XM3 | |
PlatformCommander | University of Bern | does not apply | Open Source control software: https://gitlab.com/KWM-PSY/platform-commander |
Response Buttons | Logitech | G F310 |