Methodenartikel

Eye-Tracking-Steuerung zur Beurteilung kognitiver Funktionen bei Patienten mit amyotropher Lateralsklerose

8.1K Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/54634

⸱

13. Oktober 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Neurology, Ulm University, 2Institute of Medical Technology, Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Kognitive Defizite treten häufig bei etwa einem Drittel der Patienten mit amyotropher Lateralsklerose auf, einer neurologischen Erkrankung, die zu fortschreitenden Beeinträchtigungen der Sprach- und Bewegungsfähigkeiten führt. Um kognitive Tests bei Patienten durchzuführen, die nicht sprechen oder schreiben können, wurde ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Eye-Tracking-Paradigma entwickelt.

Zusammenfassung

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine neurodegenerative Erkrankung mit pathologischer Beteiligung der oberen und unteren Motoneuronen, die in der Folge zu einem fortschreitenden Verlust der motorischen und sprachlichen Fähigkeiten führt. Darüber hinaus sind die kognitiven Funktionen bei einer Untergruppe der Patienten beeinträchtigt. Um diese potenziellen Defizite bei stark körperlich beeinträchtigten ALS-Patienten zu bewerten, ist Eye-Tracking ein vielversprechendes Mittel, um kognitive Tests durchzuführen. Der vorliegende Artikel befasst sich mit der Frage, wie Augenbewegungen, ein indirektes Kommunikationsmittel für körperlich behinderte Patienten, genutzt werden können, um eine detaillierte neuropsychologische Beurteilung zu ermöglichen. Es werden die Anforderungen an okulomotorische Parameter vorgestellt, die für ein ausreichendes Eye-Tracking bei ALS-Patienten erfüllt sein müssen. Die Eigenschaften von Reizen, einschließlich der Art der neuropsychologischen Tests und des Darstellungsstils, die am besten geeignet sind, um kognitive Funktionen erfolgreich zu beurteilen, werden ebenfalls beschrieben. Darüber hinaus werden Empfehlungen zu verfahrensrechtlichen Anforderungen gegeben. Insgesamt bietet diese Methodik einen zuverlässigen, einfach zu handhabenden und schnellen Ansatz zur Beurteilung kognitiver Defizite bei Patienten, die nicht sprechen oder schreiben können, wie z. B. Patienten mit schwerer ALS. Der einzige Störfaktor könnten Defizite in der willkürlichen Augenbewegungskontrolle bei einer Untergruppe von ALS-Patienten sein.

Einleitung

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine tödliche neurodegenerative Erkrankung in der Regel innerhalb von 3 bis 5 Jahren zum Tode. Im Zuge der Pathologie, Patienten mit einer progressiven Verlust von Atmungs- und bulbar Funktionsweise sowie Beeinträchtigungen der Bewegungsfähigkeiten 1. Es teilt sich einige klinische, pathologische und genetische Merkmale mit frontotemporal Demenz 2 und es ist gut dokumentiert , dass etwa 30% der ALS - Patienten 3 kognitive Defizite aufweisen. Diese Defizite sind am deutlichsten in den Bereichen der Exekutive Funktion, Wortflüssigkeit und Sprache 4 und haben einen Einfluss auf das Überleben 5, Compliance 6 und Pfleger Belastung 7. So zuverlässige neuropsychologischen Diagnostik ist bei dieser Krankheit von entscheidender Bedeutung.

Vorschieben Beeinträchtigungen in Motor und Sprachfähigkeiten sind jedoch ein begrenzender Faktor für eine gründliche Bewertung der kognitiven Fähigkeiten in späteren Stadien der Krankheit 8. Ihre, oculomotor basierte Ansätze scheinen sehr vielversprechend zu sein, als Steuergrundaugenbewegung für eine vergleichsweise lange Zeit im Verlauf der ALS für die Mehrheit der Patienten 9 intakt bleibt. Eye-Tracking - Parameter selbst verwendet wurden Informationen über die kognitiven Status von Patienten mit ALS 10 zu gewinnen , und auch mit der sequentiellen Streubild von ALS 11 korrelieren. Augenbewegung als Mittel kognitiven Tests im Rahmen der ALS zu steuern auch in früheren Arbeiten untersucht worden. Eine Studie hat gezeigt , erfolgreich ihre Verwendbarkeit bei gesunden Kontrollen unter Verwendung eines oculomotor basierte Version des Trail-Making Test 12, während ein anderer fand es passend zwischen gesunden Kontrollen und ALS - Patienten basiert auf der kognitiven Leistung zu unterscheiden und zwischen kognitiv mehr und weniger beeinträchtigte Patienten zu diskriminieren 13.

Die Forschung hier beschriebenen verwendet, um eine oculomotor basierte Methodik kognitiven Beeinträchtigungen in AL zu studierenS Patienten, speziell im Bereich der exekutiven Funktionen. Zwei gut validiert und am häufigsten verwendeten wurden neuropsychologische Tests angepasst Augenbewegungskontrolle: Die Ravens farbigen progressive Matrizen (CPM) 14 und die D2-Test 15. Die CPM ist eine nonverbale Instrument zur Exekutive und visuospatial Fähigkeiten sowie fluide Intelligenz messen. Die D2-Test ist auch eine nonverbale Werkzeug benutzt, um Exekutive Dysfunktion in den Bereichen selektive und nachhaltige Aufmerksamkeit und visuelle Verarbeitungsgeschwindigkeit aufzudecken. Beide sind klinische Werkzeuge weit verbreitet , die in früheren Untersuchungen erfolgreich verwendet wurden , im Verlauf des Krankheitspotenzial kognitiver Abnahme der Beurteilung 16 und der neuropsychologischen Status von ALS - Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen 17.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Auswertung der kognitiven Defizite bei ALS unabhängig von Bewegung und Sprache Behinderungen zeigen eine reliable, Eye-Tracking-basierte Version des CPM und der D2-Test. Wichtig ist, dass das hier beschriebene Verfahren hat das Potenzial, mit schweren motorischen Beeinträchtigungen zu studieren anderen Populationen von Patienten erweitert werden.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

Die Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Ulm (Statement No. 19/12) zugelassen ist und das Protokoll beschrieben deshalb ihre Richtlinien folgt. Alle Teilnehmer gaben informierte Zustimmung geschrieben.

1. Stimuli und Testumgebung

  1. Um halten Ablenkungen auf ein Minimum führen die Forschung in einem dunklen oder sehr schwach beleuchtet und Ruheraum.
  2. Verwenden Sie eine geeignete Eye-Tracking-Gerät.
    HINWEIS: Es gibt eine Vielzahl von Geräten zur Verfügung Augenbewegungsstudien durchzuführen. In der vorliegenden Forschung eine tragbare Augenbewegungsaufnahmegerät mit Brille verwendet, das binokulare Augenpositionen synchron zu messen, mit zwei integrierten Kameras mit einer Infrarot - Leuchtdiode (IR - LED), eine für jedes Auge 18.
    1. Um eine optimale Eyetracking, passen Sie die manuell Kameras, indem sie in allen sechs Freiheitsgraden Kippen (3 translationale, 3 Dreh) bis Augenbewegungserkennung ist optimal.
      HINWEIS:Die Messungen des Systems werden in Echtzeit auf einem Experimentator Bildschirm angezeigt Aufnahmequalität und Teilnehmerantwortverhalten zu überwachen. Die wichtigsten Merkmale des Systems sind unten und detaillierte Spezifikationen sind in Tabelle 1 angegeben beschrieben.
  3. Implementieren eines standardisierten oculomotor Test Paradigma, das in der Lage ist, Defizite in der Steuerung der Augenbewegung zu erkennen.
    HINWEIS: Dies kann eine Reihe von Aufgaben , wie glatte Verfolgung oder Sakkaden Aufgaben sein, bei denen die Teilnehmer mit Kontrolle beeinträchtigte Augenbewegung ausführen schlecht (zB die von Gorges beschriebenen Methoden et al 2015 11.). Diese Teilnehmer müssen von der weiteren Prüfung ausgeschlossen werden.
  4. Derzeitige Aufgaben entsprechende Software , die die Reize auf einem halbzylindrisch Bildschirm über einen Projektor über das Thema des Kopfes 11 montiert ragt. Darüber hinaus gewährleisten, dass ein roter Laserpunkt (Durchmesser: 0,3 °, Position: 10 ° vertikal) für die D2- vorhanden istTest.
  5. Setzen Sie die Teilnehmer auf einem erhöhten Stuhl mit einem verstellbaren Kinnstütze, so dass Auge-zu-Bildschirmabstand ca. 150 cm ist.
  6. Verwenden Sie set A und B des CPM (12 Stimuli für jeden Satz) für den ersten Teil des Experiments. Zeigen diese Reize als 22 ° lang / 15 ° hohe Matrizen mit sechs möglichen Alternativen unten dargestellt, die in einem 6 ° breit und 5 ° hohe Leerraum aus der Matrix ausgeschnitten passen könnte.
  7. Für die D2-Test mit Hilfe der fünf Blöcke mit 47 Stimuli entsprechende Leitung 2 - 6 des Standard D2-Test 15, und sie einen Reiz nach dem anderen in der Mitte des Bildschirms mit einer Höhe von 11 ° und einer Breite zeigen von 2,5 °. Stellen Sie sicher, jeder Stimulus für 2000 ms dauert.

2. Ausführen des Experiment

  1. Bevor das Experiment beginnt die Teilnehmer bitten, eine schriftliche Einverständniserklärung Formular auszufüllen die Studie in Übereinstimmung mit ethischen Standards zu gewährleisten.
  2. Geben Sie allgemeine Anweisungenden Zweck und das Verfahren des Experiments und Kontrolle für ZNS-aktiven Drogen über, das heißt, fragen Sie den Teilnehmer , wenn er / sie zur Zeit der Einnahme von Medikamenten , die die Aufmerksamkeit und damit die kognitive Leistung auswirkt.
  3. Schalten Sie alle Geräte, die eine potentielle Störung sein könnte, wie zum Beispiel Mobiltelefone oder Pager.
  4. Sitz Teilnehmer bequem mit dem Kinnstütze in der optimalen Position. Stellen Sie sicher, dass der gesamte Bildschirm sichtbar ist und bitten die Teilnehmer Haltung während des gesamten Experiments aufrecht zu erhalten.
  5. Bitten Sie die Teilnehmer den Kopf auf der Kinnstütze zu legen und die videooculography Brille auf den Kopf stellen. Passen sie auf individuelle Kopf Größe / Form.
    HINWEIS: Dadurch wird der bestmögliche Kompromiß zwischen Komfort für den Teilnehmer und ein minimales Risiko von unerwünschten Verrutschen während der Messung durchgeführt werden muss.
  6. Stellen Sie sicher, dass beide Augen auf den Experimentator Bildschirm sichtbar sind, in dem die Bilder der beiden Augenbewegung Aufzeichnungskameras innerhalb der goggles werden angezeigt und dann konzentrieren sich die Kameras, die Bilder auf dem Bildschirm zu zentrieren.
    Hinweis: Dies ist wichtig für eine optimale Erkennung und Verfolgung der Pupille als ein ungeeignetes Sehschärfe zu einem gestörten Signal führen kann.
  7. Für eine kontinuierliche Aufzeichnung der Augenbewegungen zu allen Zeiten, starten Sie die Kalibrierung des Systems durch den Teilnehmer anweist in jeder Ecke des halbzylindrisch Bildschirm zu schauen. Falls das Signal verloren, ändern Sie den Winkel der Kamera die jeweiligen Schüler des Eye-Tracking, das Problem zu lösen.
  8. Starten Sie das standardisierte oculomotor Test Paradigma oben beschrieben und schließen alle Patienten mit erheblichen Sehbehinderungen, da diese beschädigte Aufgabe Leistung führen wird.
  9. Weisen Sie den Teilnehmer einen einzigen Punkt auf dem Bildschirm zu verfolgen, horizontal oszillierend (± 20 °) und dann vertikal (± 15 °) mit einer Frequenz von 0.125 Hz die unkalibrierten abzubilden orthogonalisierter 'raw' Daten aus der Augenbewegung Aufnahmegerät with Bezug auf den "wahren" orthogonalisiert Augenposition zur Kalibrierung des Systems.
  10. Überprüfen Sie, ob die Kalibrierung akzeptabel ist, dh wenn die "wahre" Augenbewegung und die "rohen" Daten sind räumlich und zeitlich synchronisiert und dann anweisen , die Teilnehmer an den Kopf nicht bewegen , wie dies in der schlechten Datenqualität führen könnte.
    HINWEIS: Position des videooculography Vorrichtung und der Gegenstand wird voraussichtlich im Laufe des Versuchs stationär zu sein, so dass es keine Notwendigkeit einer erneuten Kalibrierung ist.
  11. Erklären Sie das Verfahren der Trainingseinheit für die CPM:
    1. Weisen Sie die Themen, die fehlenden Stücke unter den kommenden Matrizen auf dem halbzylindrisch Bildschirm angezeigt zu identifizieren, für die sie unendlich viel Zeit haben. Nach eine Wahl, haben das Thema die Augen für mindestens 250 ms schließen jeweils einen grünen Rahmen umreißt alle möglichen Alternativen von fehlenden Teile für 1500 ms zu beginnen.
    2. Haben die Teilnehmer wählendie Alternative, die sie denken, ist richtig in ihren Augen für mindestens 250 ms zu schließen, während ihre Wahl eingerahmt wird.
    3. Projekt die Wahl separat auf dem halbzylindrisch Bildschirm. Bitten Sie die Teilnehmer zu bestätigen. Wenn der Teilnehmer bestätigt, sie anweisen, ihre Augen wieder für mindestens 250 ms zu schließen.
    4. Weisen Sie die Teilnehmer , dass der nächste Stimulus (Matrix mit 6 Alternativen von fehlenden Teile) wird automatisch (wieder, die von der Software in Schritt 2 beschrieben vorgelegt) erscheinen und dass dies viermal mit Trainingsreize aus der Serie AB des 14 CPM genommen erfolgen .
  12. Beantworten Sie alle Fragen Themen über das Verfahren haben könnte. Dann anweisen , die Teilnehmer das fehlende Stück der Matrix zu wählen, da sie während des Trainings und starten Sie den CPM (Abbildung 1) gelernt haben.
  13. Erklären Sie das Verfahren der Trainingseinheit für die D2-Test:
    1. Weisen Sie die Teilnehmer ihren Blick auf die cente zu lenkenr des Bildschirms und beobachten 47 Stimuli getrennt (47 d's entspricht 1 der Norm D2-Test Linie).
    2. Weisen Sie die Teilnehmer an der roten Laserpunkt über die Reize, wenn ein "d" mit zwei Strichen positioniert aussehen präsentiert wird, bis der nächste Stimulus erscheint. HINWEIS: Wenn kein Ziel-Stimulus präsentiert wird der Blick muss in der Mitte des Bildschirms fokussiert zu werden, wo der nächste Stimulus präsentiert.
  14. Beantworten Sie alle Fragen Themen über das Verfahren haben könnte. Dann weisen Sie den Teilnehmer für die folgenden fünf Blöcke von 47 Stimuli, ähnlich wie bei der Trainingseinheit, um fortzufahren und die D2-Test starten.
  15. Für die Qualitätskontrolle, überprüfen Sie die Daten von jeder Sitzung für jeden Patienten erhalten sorgfältig (visuell durch einen geschulten Experimentator). Überprüfen Sie, ob die Datenqualität beschädigt ist, beispielsweise aufgrund von technischen Schwierigkeiten, beschädigte Augenbewegungen oder Missverständnisse.
  16. Vielen Themen für ihre Teilnahme und beantworten Sie alle Fragenwährend des Experiments.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

Für die Zwecke der Forschung hier dargestellt, dh die Entwicklung eines zuverlässigen oculomotor neuropsychologische Beurteilung für ALS - Patienten, in-house entwickelte Software speichert das Thema der Auswahl der CPM in einer separaten Datei, so dass für die manuelle Berechnung der Prozentsatz der richtigen Basis Antworten. Für die D2-Test wird eine Aufzeichnung der vertikalen Augenbewegungen manuell unter Verwendung einer Schwelle von + 5 ° für den Nachweis einer relevanten ...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

Es ist eine anspruchsvolle Aufgabe, um erfolgreich den kognitiven Status von Patienten mit ALS beurteilen, die nicht in der Lage sind, zu sprechen und zu schreiben. Die Verwendung von videooculography Systeme bietet einen vielversprechenden Ansatz. Die hier vorgestellte Technik ist zuverlässig kognitive Defizite bei der Erkennung, die eine zentrale Rolle im Rahmen der Betreuungsperson Belastung und Disease - Management 20 ALS - Patienten spielen. Auch sind die oculomotor Versionen des CPM und der D2-Test korr...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Die Autoren danken Ralf Kühne für die technische Unterstützung danken. Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF # 01GM1103A) gefördert. Dies ist ein EU gemeinsame Programm-Neurodegenerative Disease Research (JPND) Projekt. Das Projekt wird unter der Schirmherrschaft der JPND- zB durch die folgenden Organisationen unterstützt., Deutschland, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, FKZ), Schweden, Vetenskaprådet Sverige, Polen, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
EyeSeeCamEyeSeeTec GmbH; 82256 Fü rstenfeldbruck, DeutschlandVideookulographie-Gerät

Referenzen

  1. Kiernan, M. C., et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet. 377 (9769), 942-955 (2011).
  2. Neumann, M., et al. Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Science. 314 (5796), 130-133 (2006).
  3. Beeldman, E., Raaphorst, J., Klein Twennaar,, de Visser, M., Schmand, B. A., de Haan, R. J. The cognitive profile of ALS: a systematic review and meta-analysis update. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. , (2015).
  4. Phukan, J., et al. The syndrome of cognitive impairment in amyotrophic lateral sclerosis: a population-based study. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 83 (1), 102-108 (2012).
  5. Elamin, M., et al. Executive dysfunction is a negative prognostic indicator in patients with ALS without dementia. Neurology. 76 (14), 1263-1269 (2011).
  6. Martin, N. A., et al. Psychological as well as illness factors influence acceptance of non-invasive ventilation (NIV) and gastrostomy in amyotrophic lateral sclerosis (ALS): a prospective population study. Amyotroph. Lateral. Scler. Frontotemporal. Degener. 15 (5-6), 376-387 (2014).
  7. Chiò, A., et al. Neurobehavioral symptoms in ALS are negatively related to caregivers' burden and quality of life. Eur. J. Neurol. 17 (10), 1298-1303 (2010).
  8. Lakerveld, J., Kotchoubey, B., Kübler, A. Cognitive function in patients with late stage amyotrophic lateral sclerosis. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 79 (1), 25-29 (2008).
  9. Sharma, R., Hicks, S., Berna, C. M., Kennard, C., Talbot, K., Turner, M. R. Oculomotor dysfunction in amyotrophic lateral sclerosis: a comprehensive review. Arch. Neurol. 68 (7), 857-861 (2011).
  10. Witiuk, K., Fernandez-Ruiz, J., McKee, R. Cognitive Deterioration and Functional Compensation in ALS Measured with fMRI Using an Inhibitory Task. J. Neurosci. 34 (43), 14260-14271 (2014).
  11. Gorges, M., et al. Eye Movement Deficits Are Consistent with a Staging Model of pTDP-43 Pathology in Amyotrophic Lateral Sclerosis. PLoS One. 10 (11), 0142546(2015).
  12. Hicks, S. L., et al. An eye-tracking version of the trail-making test. PLoS One. 8 (12), 84061(2013).
  13. Keller, J., et al. Eye-tracking controlled cognitive function tests in patients with amyotrophic lateral sclerosis: a controlled proof-of-principle study. J. Neurol. 262 (8), 1918-1926 (2015).
  14. Raven, J. C., Court, J. H., Raven, J. Manual for Raven's progressive matrices and vocabulary scales. Section 2, the coloured progressive matrices. , Oxford Psychologists Press. Oxford. (1998).
  15. Brickenkamp, R. Aufmerksamkeits-Belastungs-Test (Test d2), 8th edn. , Hogrefe, Göttingen. (1994).
  16. Elamin, M., et al. Cognitive changes predict functional decline in ALS. Neurology. 80 (17), 1590-1597 (2013).
  17. Ludolph, A. C., et al. Frontal lobe function in amyotrophic lateral sclerosis: a neuropsychologic and positron emission tomography study. Acta. Neurol. Scand. 85 (2), 81-89 (1992).
  18. Schneider, E., et al. Eye-SeeCam: an eye movement-driven head camera for the examination of natural visual exploration. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1164, 461-467 (2009).
  19. Lulé, D., et al. The Edinburgh Cognitive and Behavioural Amyotrophic Lateral Sclerosis Screen: a cross-sectional comparison of established screening tools in a German-Swiss population. Amyotroph. Lateral. Scler. Frontotemporal. Degener. 16 (1-2), 16-23 (2015).
  20. Olney, R. K., et al. The effects of executive and behavioral dysfunction in the course of ALS. Neurology. 65 (11), 1774-1777 (2005).
  21. Donaghy, C., Thurtell, M. J., Pioro, E. P., Gibson, J. M., Leigh, R. J. Eye movements in amyotrophic lateral sclerosis and its mimics: a review with illustrative cases. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 82 (1), 110-116 (2011).
  22. Mizutani, T., et al. Development of ophthalmoplegia in amyotrophic lateral sclerosis during long-term use of respirators. J. Neurol. Sci. 99 (2-3), 311-319 (1990).
  23. Khin Khin, E., Minor, D., Holloway, A., Pelleg, A. Decisional Capacity in Amyotrophic Lateral Sclerosis. J. Am. Acad. Psychiatry Law. 43 (2), 210-217 (2015).
  24. Kübler, A., et al. Patients with ALS can use sensorimotor rhythms to operate a brain-computer interface. Neurology. 64 (10), 1775-1777 (2005).
  25. Connolly, S., Galvin, M., Hardiman, O. End-of-life management in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Lancet Neurol. 14 (4), 435-442 (2015).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Kognitive BeurteilungALS Patientenokulomotorische Testsneuropsychologische TestsRaven CPM TestD2 TestAugenbewegungsaufzeichnungsakkadische Aufgabenhemizylindrischer Bildschirm

Verwandte Artikel