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方法文章

虚拟棱镜适应疗法：在健康成人中验证的方案

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DOI：

10.3791/60639

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2020年2月12日

 ,  ,  ,  , 
1Delvine Inc., 2Department of Rehabilitation Medicine, Seoul National University College of Medicine, Seoul National University Bundang Hospital

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本实验方案演示了虚拟棱镜适应疗法（VPAT）在健康成年人中的应用，以及VPAT与功能性近红外光谱技术联合使用以确定VPAT对皮层激活影响的方法。结果表明，VPAT可能具有可行性，并能诱导出与传统棱镜适应疗法相似的行为适应效应。

摘要

偏侧空间忽略是中风后常见的功能障碍，常导致不良的功能和社交预后。因此，采取适当的干预措施对于成功管理偏侧空间忽略至关重要。然而，在实际临床实践中，各类干预方法的应用仍存在局限性。棱镜适应疗法是目前治疗偏侧空间忽略证据最充分的康复手段之一。为克服棱镜疗法可能存在的局限性，我们开发了一种结合沉浸式虚拟现实与深度感知摄像头的新系统，用于实现虚拟棱镜适应疗法（VPAT）。为验证该VPAT系统的有效性，我们设计了一项实验方案，通过该系统评估行为误差及皮层激活的变化情况，并采用功能性近红外光谱成像（fNIRS）测量皮层激活水平。实验共包含四个阶段，均针对惯用右手的健康个体实施，内容包括点击、指向或静息任务。其中，“点击”与“指向”用于探究与粗大运动任务相关的皮层区域，而“使用VPAT指向”与“不使用VPAT指向”则用于探究与视觉空间感知相关的皮层区域。来自四名健康受试者的初步结果显示，VPAT系统引起的指向误差与传统棱镜适应疗法相似。未来仍需纳入更多受试者并结合fNIRS数据进行深入分析，同时在中风患者中开展相关研究。

引言

偏侧空间忽略是一种中风后常见的功能障碍，会影响对对侧半侧空间视野的感知能力1,4。尽管偏侧空间忽略后的康复治疗至关重要，因其与不良的功能恢复和社会预后密切相关，但在实际临床实践中，康复治疗往往未被充分应用3,4。

在针对偏侧空间忽略症的各种现有康复方法中，棱镜适应（PA）疗法已被证明对亚急性期或慢性期脑卒中患者的偏侧空间忽略症具有显著的恢复和改善效果5,6,7,8。然而，由于存在多种局限性，传统的PA疗法尚未得到充分应用9,10。这些局限性包括：1）由于需要更换棱镜镜片以适应不同的偏移程度，导致成本较高且耗时较长；2）需要额外设置供指向的目标材料，并需遮蔽手部运动轨迹；3）仅适用于能够保持坐姿并控制头部位置的患者。

最近一项在虚拟现实（VR）环境中重现适应效应的研究报告指出，虚拟棱镜适应疗法（VPAT）的效果可能因忽视症的不同亚型而异11。另有研究提示，棱镜适应（PA）所引发的大脑皮层激活可能因脑损伤部位的不同而有所差异12。然而，目前对VR诱导的棱镜适应所呈现的大脑皮层激活模式仍知之甚少。

为了克服这些障碍并促进PA在临床环境中的应用，我们开发了一种新的PA治疗系统，该系统采用一种称为虚拟棱镜适应疗法（VPAT）的沉浸式VR技术，并结合使用深度感知相机。我们设计了一套沉浸式VR系统，能够提供关于虚拟肢体位置的视觉反馈，以促进空间重对齐13。利用这种模拟传统PA效果的沉浸式VR技术，我们设计了一项实验，以在健康受试者中验证VPAT系统的有效性。

通过实施本可视化实验方案，我们探究了新型VPAT系统是否能够诱导行为适应，类似于传统的PA。此外，我们还想探讨VPAT系统是否能够激活与视觉空间感知相关的大脑皮层区域，或在中风后促进偏侧空间忽略的恢复。

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方案

所有操作均经首尔国立大学盆塘医院机构审查委员会（IRB）审查并批准。为招募健康参与者，通过在医院周围张贴海报进行宣传。

1. 实验设置

  1. 受试者招募
    1. 采用以下纳入标准进行受试者筛选：1）健康，年龄在18至50岁之间；2）右利手，通过爱丁堡利手量表评估14；3）能够佩戴用于虚拟现实（VR）的头戴式显示器，并能在虚拟现实中识别物体；4）无影响大脑功能的疾病史，如中风、帕金森病或创伤性脑损伤。
      注：这些标准旨在筛选具备参与实验能力的受试者，并控制可能影响实验结果的因素。
    2. 招募受试者，并详细说明整个研究内容及预期的临床问题。纳入前必须获得知情同意。
  2. 实验系统
    注：本研究使用了一套定制的VPAT系统，结合沉浸式虚拟现实系统和深度感知摄像头。同时采用功能性近红外光谱成像（fNIRS）技术检测皮层激活情况。VPAT系统与fNIRS系统在实验中相互连接（图1）。
    1. VPAT系统
      注：VPAT系统包括用于实现虚拟现实的头戴式显示器、可识别手势以实现用户直观输入的手部追踪传感器，以及一个硬件按钮。整体构成如图1所示。
      1. 确保手部追踪传感器未在头戴式显示器前方发生倾斜。
      2. 检查虚拟现实系统的参考摄像头是否已正确安装在前部显示器顶部。
      3. 将按钮固定在受试者实验时便于用手操作的位置。
      4. 运行软件以确保无任何错误。
        注：虚拟环境的设计尽可能与真实环境一致。任务通过在虚拟环境中进行手势指向以及通过按钮输入完成。
    2. fNIRS
      1. 使用商用fNIRS系统，包括个人计算机（PC）、31个光极（15个光源和16个探测器）、纺织脑电帽及数据记录软件。
    3. VPAT系统与fNIRS的连接（图1）。
      1. 使用基于TCP/IP通信的远程键盘控制软件，将VPAT系统中的起始事件与fNIRS系统记录的时间同步。
      2. 使用计算机上的远程命令键启动fNIRS数据记录。

2. 实验装置（图2）

  1. 功能性近红外光谱（fNIRS）测量设置
    1. 让受试者坐在椅子上，背部保持直立姿势，距离桌子约十五厘米。确认受试者伸手时手部不会碰到桌子。
    2. 进行fNIRS帽设置时，根据受试者头围选择合适尺寸的帽。将帽佩戴好，使头顶中点（Cz）位于枕外隆凸至鼻根中点连线与左、右耳前区中点连线的交点处。在屏幕上显示探头布局图，并将15个光源和24个探测器连接至该布局。若需提高光源增益，可在理顺头发后使用导电凝胶，再插入光探测器。让受试者戴上固定帽。
      注：本研究使用了三种不同尺寸的纺织脑电帽，周长分别为54、56和58厘米。
    3. 进行软件设置（校准等）时，运行fNIRS系统软件并加载忽略症专用探头布局图。
    4. 在屏幕上显示探头布局图，并根据该布局图设置15个光源和24个探测器（图3）。
    5. 按下校准按钮。若屏幕上显示"Lost"，则需重新进行头发处理，然后再次校准。
  2. VPAT系统设置
    1. 连接头戴式显示器（HMD）、参考摄像头和Leap Motion摄像头，并按下按钮将计算机连接以设置VPAT系统。
    2. 将虚拟现实头戴式显示器（VR HMD）戴在受试者头部的fNIRS帽之上，注意避免移动fNIRS帽。
    3. 运行VPAT软件。输入受试者信息（姓名缩写、年龄、利手），然后按下"Start"按钮。
    4. 确认显示器中虚拟手的可视化效果。进行两步校准（即屏幕校准和目标距离校准）。
    5. 指导受试者注视屏幕中央的红色十字标记（+），然后按下"r"键以完成屏幕校准。
      注：屏幕校准通过重新设定坐标系，将虚拟空间置于用户视野正前方。
    6. 指导受试者用右手指向目标（即球），然后按下"O"键以校准手部位置。
      注：在本研究中，受试者需指向的目标是一个从视野顶部垂下的粉红色杆上的白色球。目标距离校准可确保目标位于用户可触及范围内，用于在实验过程中准确定位目标。
    7. 校准完成后，按下"w"键开始实验。
  3. VPAT与fNIRS联动设置
    1. 使用事件同步软件，将用于分析的触发信号输入fNIRS，并将VPAT与fNIRS连接。
    2. 为实现VPAT与fNIRS之间的时间同步，将运行两个系统的计算机连接至同一网络，并通过自研的密钥传输程序进行同步。
    3. 在通过两台计算机的IP和端口输入完成连接后，通过VPAT程序中的"w"键启动实验会话。事件同步软件将自动运行，执行过程中的触发信号将自动传输至fNIRS并保存。
    4. 实验结束后，获取软件自动终止信号及VPAT数据，然后停止VPAT和fNIRS系统软件。
      注：在VPAT实验过程中，受试者在完成指向动作后必须将手返回至原始位置。

3. 验证VPAT系统的实验

  1. 带有 fNIRS 记录的区组设计实验（图 4）
    1. 完成第 2 步的设置过程后，确认参与者已准备好开始实验。
    2. 启动 VPAT 系统但不启用棱镜模式，指导参与者立即在 VR 系统中指向目标，以熟悉实验流程。
    3. 每个阶段包括指向、点击或休息的区组（图 4）。再次指导参与者尽快用右手食指在 VR 系统中点击按钮或指向目标。
    4. 通过按下开始键，同时启动包含四个阶段的实验并开始 fNIRS 记录。
      注意：在指向任务期间，必须在固定时间内触碰白色球体。
      1. 指导参与者在相应图标出现时进行指向、点击或休息。
        注意：任务过程中，指向和点击操作由白色球体正上方以及计时条右侧的图标指示。任务执行时间由计时条显示，如 图 2 所示。
      2. 告知参与者需在 3 秒内触碰出现在左侧或右侧的目标。对于点击区组，指导参与者按下按钮。
        注意：包含白色球体的目标组位于参与者中心左侧或右侧 -10° 或 10° 处，该角度由校准获得。目标组随机出现在右侧或左侧。根据实验设计，目标呈现 3 秒后消失，随后在新位置重新生成。
      3. 确保参与者在阶段切换时保持一致的操作方式。
        注意：在指向任务中，虚拟棱镜适应模式会使虚拟手相对于参与者头部在 VR 空间中向左侧偏移 10° 或 20°。0° 表示虚拟手与实际手位置重合。
        注意：该实验（图 4）共包含四个阶段，每个阶段交替进行指向与点击或指向与休息（第 1 和第 4 阶段为指向与点击，第 2 和第 3 阶段为指向与休息）。

4. 数据分析

  1. 指向误差分析
    注意：从实验者按下开始按钮 "w" 的时刻起，数据即开始记录。通过 VPAT 软件，数据以约 60 Hz 的频率逐帧自动存储。随时间记录的内容包括阶段名称、经过时间以及虚拟食指位置。指向误差是指以受试者头部位置为中心，目标位置与食指位置之间的夹角值。
    1. 按阶段对指向任务数据进行分类（pre-VPAT、VPAT 10°、VPAT 20°、post-VPAT）。
    2. 在各阶段（第1和第4阶段）的数据中，将指向任务和点击任务的数据分别归类。
    3. 根据每个阶段和每种任务类型，以30秒为单位划分子阶段，并对数据进行分类。
    4. 从食指位置数据中提取10次试验误差（指向误差）值的中位数，用于中位指向误差分析。
    5. 采用重复测量方差分析（ANOVA）检验各阶段之间的差异。
      注意：在使用 Leap motion 传感器进行手部追踪时，异常值通常由遮挡或手部姿态误检引起。除错误的手部位置数据外，子阶段中的代表性指向误差值均采用中位数计算。
  2. fNIRS 数据处理
    1. 启动 fNIRS 分析软件，并加载原始数据文件和探头信息。
    2. 通过编辑事件记录完成标记设置，以确认实验过程中的各个条件。
    3. 进行数据预处理，删除与实验无关的时间段，去除步进和尖峰等伪迹，并应用频率滤波器以排除与实验无关的频段。
      注意：所有数据集均使用0.01 Hz高通滤波器和0.2 Hz低通滤波器进行滤波，以消除仪器或生理噪声的影响。
    4. 输入峰值照明波长值（即 760 和 850 nm）以指定波长。通道的光源与探测器之间的物理距离设为 3 cm。
    5. 选择基线时间段，该时间段对应于受试者通常安静休息的状态。
      注意：我们选择基线段为数据集的整个时间过程，这是默认设置。
    6. 基于滤波后的数据，计算血流动力学状态的时间序列，完成预处理。

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结果

采用四名健康参与者（1 名男性和 3 名女性）的数据作为代表性结果。图 5A 展示了指向误差，数据为每次持续 30 秒的指向任务各子阶段中 10 次试验中位数的平均值。各阶段第一区块的中位指向误差平均值分别为 0.45 ± 0.92（VPAT 前）、4.69 ± 3.08（VPAT 10°）、5.43 ± 2.22（VPAT 20°）和 -5.17 ± 1.60（VPAT 后）。通过重复测量方差分析，指向误差变化趋势具有统计学显著性（p = 0.001）。图 5B 展示了每位受试者的指向误差，体现了 VPAT 阶段期间的适应过程以及棱镜适应后的表现（负向指向误差）。

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讨论

本研究在虚拟现实（VR）环境中采用平移手部运动的方式实施了棱镜适应疗法。研究探讨了所实施的偏移是否会引起角度过度校正及行为适应，如同传统棱镜适应疗法中所观察到的现象。

在中位指向误差结果（图5）和首次指向误差结果中，当相位切换时，指向误差发生了显著变化。尽管部分手部识别错误被消除，但仍可能存在误检。采用中位数消除系统误差（如错误跟踪）后，平均指向误差结果低于预期。每位受试者均持续表现出棱镜后适应现象（图5B）。这些结果显示出与传统棱镜适应疗法相似的行为适应特征。

实验中出现了一些问题。在指向任务中，手部的误检情况频繁发生。在某些情况下，尽管手已到达目标位置，但由于Leap Motion识别错误，虚拟手未能被成功追踪。此外，在点击任务中，由于参与者佩戴了头戴式显示器（HMD），他们难以准确定位按钮，实验人员不得不持续提供协助。HMD的重量及其长时间使用还可能导致与fNIRS光极接触部位产生不适或疼痛。因此，有时...

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披露

Won-Seok Kim、Sungmin Cho 和 Nam-Jong Paik 拥有一项名为"使用虚拟模型创建视觉刺激的方法、系统及可读记录介质"的专利，专利号为 10-1907181，与本研究相关。

致谢

本研究由首尔国立大学盆唐医院研究基金（14-2015-022）和产业通商资源部资助 & 能源部（MOTIE，韩国）、科技部 & 信息通信技术部（韩国），以及卫生部 & 福利部（韩国）AI-生物-机器人-医学融合技术开发项目（20001650）资助。感谢朴素彬、金努里和张艺琳协助视频拍摄的准备与进行。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
EASYCAPEasycapC-SAMS用于容纳功能性近红外光谱成像探头的平台
Leap Motion 3D 动作控制器超触觉FBA_LM-C01-US头戴式显示器连接的手部检测装置
Leap Motion VR 开发者支架，用于 VR 头显超触觉VR-UAZ
Matlab R2015aMathworks使用 NIRStar 运行的编程语言
NIRScout医疗技术有限责任公司NSC-COREfNIRS 系统
nirsLAB v201605医疗技术有限责任公司用于分析 NIRScout 采集数据的软件
NIRStar 14.1医疗技术有限责任公司NIRScout 采集软件
Occulus Rift DK2奥克勒斯VR头戴式显示器
PowerMate USB 多媒体控制器Griffin TechnologyNA16029任务中的按钮操作
SuperLab 5.0Cedrus Corp.同步刺激呈现与NIRScout

参考文献

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