虚拟棱镜适应疗法：在健康成人中验证的方案
2020年2月12日
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。
我们的实验方案可用于评估棱镜适应疗法对偏侧空间忽略患者的疗效，以及我们的虚拟棱镜适应疗法系统是否能够促进空间重定位和皮层激活。虚拟棱镜适应疗法的研发旨在比传统棱镜适应疗法成本更低、设置更快、调节更方便。该技术可用于替代偏侧空间忽略患者的常规棱镜治疗，因为它能够模拟传统棱镜适应的效果。
该方法提示了使用虚拟现实进行中风治疗的潜在可能性，并可能为虚拟康复领域内的偏侧空间忽略康复提供见解。尽管该系统基于虚拟现实游戏引擎，因而易于使用，但在准备过程中务必谨慎小心。
进行功能性近红外光谱测量设置时，让受试者坐在直背椅上，并确认其伸手时手部不会碰到桌面。接下来，根据受试者的头围选择合适的功能性近红外光谱设备尺寸，将探头帽戴在受试者头部，使顶点位于枕外隆突与鼻根中点连线和左侧耳前点与右侧耳前点中点连线的交点处。在屏幕上显示蒙太奇图，并将15个光源和24个探测器连接至蒙太奇图中的相应位置。
在插入探头之前，如有必要，使用导电凝胶以增强光源的增益，并为受试者佩戴固定帽。设置软件时，运行功能近红外光谱系统软件并加载忽略任务的蒙太奇图。当屏幕上显示蒙太奇图后，根据图示设置15个光源和24个探测器，然后点击校准。
为了校准虚拟棱镜适应治疗系统，首先将虚拟现实头戴式显示器安装在功能性近红外光谱帽上，注意避免扰动帽子。显示器就位后，打开虚拟棱镜适应治疗软件，并输入受试者的信息。点击“开始”，并确认在显示器中能够看到虚拟手的图像。
启动两步校准程序，并指导参与者注视屏幕中央的红色十字标记。然后按 R 键校准屏幕。指导参与者用右手指向目标。
然后按 O 键校准手部位置。校准过程中，手部活动范围内应留有充足空间，且手部不应过度伸展以设定目标位置。校准结束后，确认参与者已准备好开始实验，随后在无棱镜模式下启动系统。
点击开始键，同时启动包含四个阶段的实验，并开始功能近红外光谱记录，指示参与者在相应图标出现后的三秒内用右手食指指向或点击该图标，或保持静止。在虚拟棱镜适应模式下，设定的偏转角度会导致虚拟手发生偏移。绿色手表示系统识别的实际手部位置，但该位置不会向用户显示。
向用户显示的蓝色手为偏转的手。在偏转模式下，用户的手需向左方伸展，以使用户的手越来越接近目标。对于点击模块，指导参与者按下按钮。
每个阶段将包含指向、点击或休息的区块。在此代表性图表中，展示了四位健康参与者在持续30秒的指向任务子阶段中，10次试验中位数的平均值所反映的指向误差。此处展示了每位受试者的指向误差，表明其在虚拟棱镜适应治疗阶段及棱镜适应后的适应过程。
使用屏幕校准将虚拟空间置于用户视野前方，并使用目标距离校准将目标置于用户可触及范围内。我们已对健康成年志愿者进行了研究，但该技术也可用于临床患者。此外，将数据与真实棱镜眼镜进行比较可能具有重要意义。
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概述
本实验方案展示了虚拟棱镜适应疗法（VPAT）在健康成人中的应用，及其模拟传统棱镜适应疗法的潜力。该研究探讨了VPAT与功能性近红外光谱技术之间的关联，以评估其对皮层激活的影响。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 康复医学
- 虚拟现实
背景
- 棱镜适应疗法用于治疗偏侧空间忽略患者。
- 虚拟棱镜适应疗法旨在更具成本效益且更易于实施。
- 该技术可能为中风患者的康复策略提供见解。
- 利用虚拟现实游戏引擎以提高可及性。
研究目的
- 评估VPAT在空间重定位方面的有效性。
- 确定VPAT对皮层激活的影响。
- 探索将VPAT作为传统疗法替代方案的可行性。
使用的方法
- 虚拟棱镜适应疗法的实施。
- 采用功能性近红外光谱技术测量皮层激活。
- 比较虚拟棱镜适应疗法与传统疗法之间的行为适应差异。
- 系统设置及用户体验的评估。
主要结果
- 虚拟现实辅助疗法（VPAT）可能诱导出与传统疗法相似的行为适应。
- VPAT 在健康成人中的可行性已得到证实。
- 存在与 VPAT 相关的大脑皮层激活变化的证据。
- VPAT 在临床康复环境中应用具有潜力。
结论
- 虚拟棱镜适应疗法（VPAT）是一种有前景的传统棱镜适应疗法替代方案。
- 仍需进一步研究以验证其在临床人群中的有效性。
- 该方法有望改进偏侧空间忽略的康复治疗策略。
常见问题
行业重要性概述
虚拟棱镜适应疗法（VPAT）为神经康复研究中评估空间重定向和皮层激活提供了一种经济高效且可扩展的方法。通过结合虚拟现实与功能性近红外光谱技术（fNIRS），VPAT能够对与视觉空间运动整合相关的治疗假设进行机制层面的风险评估，从而支持在卒中相关认知功能障碍的早期发现阶段实现靶点验证和提高预测可信度。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：探讨偏侧空间忽略模型中空间重定向机制的治疗假设。
- 操作价值：通过可量化的行为空间误差减少和皮层激活模式，实现功能靶点的验证。
- 预测价值：在临床投入前提供可测量的视觉空间适应生物标志物，支持项目组合的优先筛选。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪性： 提供经过验证的神经行为学读数（指向误差、偏移角度），适用于高通量化合物或干预措施的筛选。
- 可重复性： 标准化的校准流程（屏幕与手部位置）确保不同操作人员和实验地点之间定量结果的一致性。
- 可扩展性： 基于虚拟现实的系统可在不同受试者群体中快速部署和适应，无需依赖物理棱镜硬件。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过功能性近红外光谱（fNIRS）测量背外侧前额叶和顶叶区域的皮层激活，将发现阶段的机制性见解与临床前有效性相衔接。
- 基于风险调整的推进：依据行为与神经生理适应阈值的汇聚结果，支持“推进/不推进”的决策制定。
- 疾病相关系统：模拟与卒中后半侧空间忽略相关的视觉空间功能障碍，支持与生物标志物相一致的临床前验证。
流程与工作流整合
VPAT 通过在先导化合物优化之前实现对神经修复机制的假设驱动型评估，融入了从发现到临床前研究的连续过程。
- 发现生物学：检验涉及视觉运动整合和注意力重定向网络的通路特异性假设。
- 筛选：提供标准化、定量的行为读数（指向误差中位数），适用于干预措施的比较。
- 分析：生成由功能性近红外光谱（fNIRS）导出的皮层激活图谱，用于评估靶点参与度并降低机制风险。
- 转化研究：在健康模型中通过同源的皮层激活模式改变，预测患者反应，具有临床前有效性。
- 企业级复用：平台无关的虚拟现实/功能性近红外光谱（VR/fNIRS）框架，支持在忽略症以外的认知运动领域中广泛复用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过将行为适应与前额叶-顶叶皮层激活相联系，减少机制上的模糊性。
- 操作价值：消除了物理棱镜的限制，实现更快的实验设置、更低的成本和更便捷的参数调整。
- 战略价值：通过多模态验证（行为学+神经影像学）提高“执行/不执行”决策的置信度，降低后期失败风险。
- 项目组合影响：利用客观的神经行为学阈值，促进对神经康复候选对象的风险调整优先排序。
实施注意事项
- 需要具备虚拟现实系统校准、功能性近红外光谱蒙太奇放置以及神经行为任务设计的专业知识。
- 依赖于功能性近红外光谱硬件、虚拟现实头戴式显示器和深度感知相机的集成。
- 需要跨团队对校准协议（屏幕和手部位置）进行标准化，以实现可重复的多中心部署。
- 适应性考虑因素包括根据不同的运动能力和视野调整偏差角度和目标距离。
- 实际限制：目前的验证仅限于健康成年人；临床转化需要脑卒中患者的数据。
