Articolo metodologico

Registrazione in modo efficiente la coordinazione occhio-mano allo spettro di incoordinazione

DOI:

10.3791/58885

⸱

21 marzo 2019

 ,  ,  ,  , 
1Dept. of Rehabilitation Med, New York University Langone Health, 2Dept. of Neurology, New York University Langone Health, 3Dept. of Ophthalmology, New York University Langone Health

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Lesione cerebrale possa danneggiare sistemi motori sia oculari che somatici. Caratterizzazione di post-lesioni controllo motore offre biomarcatori che aiutano nella diagnosi della malattia, il monitoraggio e la prognosi. Esaminiamo un metodo per misurare il controllo del movimento di occhio-mano in salute e in incoordinazione patologica, con paradigmi di look-and-reach per valutare la coordinazione tra occhio e mano.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'analisi oggettiva dei movimenti di occhio ha una storia significativa e ha dimostrato lungo di essere uno strumento di ricerca importante nella regolazione del trauma cranico. Le registrazioni quantitative hanno una forte capacità di schermo diagnostico. Gli esami simultanei dell'occhio e movimenti degli arti superiori diretti verso obiettivi condivisi e funzionali (ad es., coordinazione occhio-mano) servono come un percorso aggiuntivo di carichi di biomarcatore robusto per catturare e interrogare lesioni neurali, tra cui lesioni cerebrali acquisite (ABI ). Mentre quantitative dual-effector registrazioni in 3-d permettersi ampie opportunità all'interno di indagini motore oculare-manuale nella cornice di ABI, la fattibilità di tali registrazioni dual per occhio e la mano è una sfida nelle impostazioni patologiche, in particolare Quando si avvicinò con rigore di ricerca-grado. Qui descriviamo l'integrazione di un sistema di tracciamento con un sistema destinato principalmente per ricerca controllo degli arti studiare un comportamento naturale di tracciamento del movimento di occhio. Il protocollo consente l'indagine dei compiti di coordinamento occhio-mano (3D) tridimensionale, senza restrizioni. Più specificamente, esaminiamo un metodo per valutare la coordinazione occhio-mano in visivamente guidate saccade da raggiungere compiti in soggetti con ictus cronico arteria cerebrale media (MCA) e confrontarli ai comandi sani. Speciale attenzione è rivolta alle proprietà del sistema di monitoraggio specifico dell'occhio e arto al fine di ottenere dati di alta fedeltà da alberino-ferita di partecipanti. Frequenza di campionamento, precisione, gamma di movimento della testa ammissibile dato tolleranza prevista e la fattibilità dell'uso erano diverse proprietà critica considerata nella scelta di eye tracker e un approccio. L'inseguitore dell'arto è stato selezionato basato su una rubrica simile ma inclusa la necessità di 3-d registrazione, interazione dinamica e un ingombro fisico miniaturizzato. I dati quantitativi forniti da questo metodo e nel complesso approccio quando eseguita correttamente ha un enorme potenziale per ulteriore affinare la nostra comprensione meccanicistica della occhio-mano di controllo e aiutano a informare gli interventi diagnostici e pragmatici fattibili all'interno la pratica neurologica e riabilitativa.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un elemento critico della funzione neurologica è coordinazione occhio-mano o l'integrazione dei sistemi di motore oculare e manuale per la pianificazione e l'esecuzione della funzione combinato verso un obiettivo condiviso, ad esempio, uno sguardo, raggiungere e afferrare del televisore remoto. Molte attività utile dipendono da azioni visivamente guidate, come raggiungere, afferrare, manipolazione di oggetti e strumento utilizzare, quale cerniera sui movimenti dell'occhio e mano temporalmente e spazialmente accoppiati. Causano lesioni cerebrali acquisite (ABI) non solo la disfunzione degli arti, ma anche disfunzione oculare; più recentemente, ci è inoltre prova che indica la disfunzione della occhio-mano coordinamento1. Programmi di controllo del motore di coordinamento occhio-mano sono suscettibili di insultare in lesioni neurologiche da eziologie vascolare, traumatiche e degenerative. Questi insulti possono causare una ripartizione fra le relazioni indispensabili necessari per il controllo del motore integrato e rapida2,3,4,5,6. Molti studi sulla funzione motoria manuale sono stati completati e hanno sfruttato la guida visiva come un pilastro fondamentale del paradigma senza un metodo o un protocollo in grado di analizzare simultaneamente i movimenti oculari.

Abi, cospicuo deficit motori vengono spesso rilevati durante l'esame clinico sul comodino. Tuttavia, può essere infraclinica e necessitano di registrazione oggettiva per essere identificato7,8,9, simultanee oculari motorie e disabilità complesse che coinvolgono l'integrazione dei sistemi sensoriali e motori 10,11,12,13,14,15,16. Coordinamento motorio oculare-manuale dipende da una rete cerebrale grande e interconnessa, evidenziando la necessità di uno studio dettagliato. Una valutazione di coordinazione occhio-mano con doppia obiettive registrazioni offre l'opportunità di analisi di funzione di motore e conoscitiva in popolazioni multiple, tra cui controlli sani e soggetti con una storia di trauma cranico, fornendo così spaccato circuiti e funzione cerebrale3.

Mentre saccades sono balistici bisogno di movimenti che possono variare in ampiezza a seconda del compito, gli studi hanno indicato le dipendenze tra movimento delle saccadi e la mano durante l'azione visivamente guida17,18,19, 20. infatti, gli esperimenti recenti hanno dimostrato che i sistemi di controllo per entrambi i movimenti condividano pianificazione risorse21,22. Il motore di pianificazione hub per la coordinazione occhio-mano si trova nella corteccia parietale posteriore. In un colpo, vi sono ben note carenze nel controllo motorio; pazienti emiparetici hanno dimostrati di generare stime imprecise, dati un insieme di comandi neurali, quando viene chiesto di eseguire movimenti della mano visivamente guida, utilizzando sia il più (controlaterale) o meno interessati dall'arto (ipsilateral)23 ,24,25,26,27,28,29. Inoltre, coordinazione occhio-mano e programmi di controllo motore correlato sono suscettibili di insultare segue le lesioni neurologiche, le relazioni, il disaccoppiamento temporalmente e spazialmente, tra effettori30. Oggettive registrazioni di controllo occhio e la mano sono di fondamentale importanza per caratterizzare l'incoordinazione o il grado di compromissione della coordinazione e migliora la comprensione scientifica del meccanismo di controllo motorio occhio-mano in un contesto funzionale.

Anche se ci sono molti studi di coordinazione occhio-mano in controlli sani17,31,32,33,34, il nostro gruppo ha avanzato il campo dal nostro ambiente della ferita neurologica, per esempio durante la valutazione di circuiti di corsa, hanno studiato l'organizzazione spaziale e temporale dei movimenti della mano, spesso in risposta agli obiettivi spaziali visivamente visualizzati. Studi che hanno esteso la caratterizzazione oggettiva all'occhio e la mano si sono concentrati quasi esclusivamente sulla capacità delle prestazioni per registrare che entrambi effettori post-ictus o nelle impostazioni patologiche; il protocollo descritto consente robusta caratterizzazione del controllo motorio oculare e manuale nei movimenti naturali e senza vincoli. Qui descriviamo la tecnica in un'indagine dei movimenti di saccade da raggiungere visivamente guidate in soggetti con ictus cronico arteria cerebrale media (MCA) rispetto a controlli sani. Per la registrazione simultanea delle saccadi e dalla portata, ci avvaliamo di simultanea occhio e mano motion tracking.

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Protocollo

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1. partecipante

  1. Reclutare partecipanti di controllo più di 18 anni, senza una storia di disfunzione neurologica, lesioni agli occhi significativi, depressione significativa, inabilità principale e/o impianti elettrici.
  2. Reclutare partecipanti di ictus età superiore a 18 anni, con una storia di trauma cranico nella distribuzione dell'arteria cerebrale centrale (MCA), hanno la possibilità di completare la scala Fugl-Meyer, mantenere una gamma completa di movimenti occhio35,36, hanno il capacità di eseguire indicando le attività e senza la storia di disfunzione neurologica ulteriore, comorbidità di salute significativi occhio, depressione significativa, major disabilità e/o impianti elettrici.
  3. Chiedere ai partecipanti di firmare un modulo di consenso approvato istituzionale Review Board di New York dell'Università Facoltà di medicina.
  4. Partecipante di Screening (per criteri di esclusione dettagliate consultate Rizzo et al.37)
    1. Prendere storia ed eseguire gli esami clinici, come discusso di seguito.
      1. Valutare lo stato cognitivo dei partecipanti con Mini Mental State esame (MMSE)38.
      2. Eseguire l'esame neurologico.
      3. Esaminare i muscoli extraocular e movimenti oculari.
        1. Chiedere ai partecipanti di seguire il dito del ricercatore con i loro occhi, mantenendo la testa in una posizione. Disegnare un'immaginaria lettera H davanti a loro e assicurarsi che il dito si muove abbastanza lontano e su/giù, valutazione centro, su, giù, sinistra, destra, giù/sinistra, giù/destra, alto/sinistra e su/destra.
        2. Chiedere ai partecipanti di seguire e mantenere lo sguardo su un oggetto spostato lentamente attraverso il loro campo visivo per valutare inseguimento regolare. Coprire una distanza di circa 24 pollici e con una matita come bersaglio, spazzare avanti e indietro lentamente in direzioni orizzontale e verticale, ripetere ogni tre volte.
        3. Chiedere ai partecipanti di guardare più velocemente possibile tra 2 bersagli che vengono inseriti 24 pollici a parte per valutare le saccadi. Utilizzare una matita e una penna come bersagli e diretto lo sguardo agli obiettivi in una parte posteriore avanti e indietro modo tre volte orizzontalmente e verticalmente.
        4. Chiedere ai partecipanti di fissarsi su un oggetto che si muove lentamente verso ai loro occhi per valutare la convergenza, centrare il bersaglio, una matita, sul ponte del loro naso. Seguendo questa procedura, ripetere il test portando lo stesso bersaglio dal naso indietro alla posizione di partenza (divergenza).
        5. Chiedere al paziente di coprire un occhio e guardare al naso del ricercatore. Spostare la mano fuori del campo visivo del paziente e quindi portare in, scodinzolare il dito lentamente e chiedere al paziente di fare il ricercatore a sapere quando la mano ritorna nella visualizzazione, ripetere questa operazione per angolo superiore sinistro, superiore destro, inferiore sinistro e inferiore destra quadranti.
          Nota: Quando il paziente copre loro occhio destro, coprire l'occhio sinistro e viceversa.
      4. Valutare il danno visivo da un test di integrazione visivo-motorie.
      5. Valutare l'acuità visiva di Snellen39,40.
      6. Valutare il campo visivo con confronto e in caso di domanda, eseguire Goldman o Humphrey campo visivo test41,42.
      7. Valutare la negligenza hemi-spaziale tramite test di bisezione di linea e testare la cancellazione singola lettera43.
      8. Quantificare l'entità della disabilità via 25 elementi National Eye Institute Visual funzionamento questionario (NDA-VFQ-25) e un supplemento di 10 oggetti sondaggio44.

2. preparazione per l'esperimento e la configurazione fisica di apparecchiature

  1. attrezzatura:
    1. Scegliere eye tracker
      1. Scegliere eye tracker che è in grado di testa-montata di uso (per evitare interferenze con i movimenti di interesse su base documentaria) alta risoluzione spaziale (≤ 0,1o) e alta risoluzione temporale (≥ 250 Hz).
      2. Registrare il movimento oculare binoculare con il tracker di occhio a una frequenza di campionamento di 250 Hz (posizione dell'occhio di campionamento ogni 4 ms) rilevamento pupilla sia riflesso cornea.
    2. Scegliere di un tracker di arto
      1. Scegliere un tracker di arto in grado di mappare il movimento in x, y, z posizione, precisione di 0,08 cm ³, latenza ³ di 3,5 ms.
    3. Scegliere un computer portatile in grado di esecuzione di uno script personalizzato che controlla in tempo reale integrazione dei dati acquisiti da due sistemi e co-registrazione dei segnali in tempo reale (Tabella materiali).
    4. Scegliere un monitor in grado di integrarsi con il computer portatile selezionato e che è grande abbastanza per sostenere la corrispondenza univoca tra monitor e portata da tavolo spazio
    5. Definire un rettangolo di dimensioni identico al monitor su una superficie di tabella tra il partecipante e il monitor, da utilizzare come un funzionale spazio raggiungendo per lavoro sperimentale.
  2. Preparazione dei set up:
    1. Istituito un tavolo con la sedia ad altezza regolabile.
    2. Posto un monitor a 40 cm dal bordo estremo della tabella (Tabella materiali).
    3. Il luogo un asse da tavolo (raggiungendo la superficie) con la dimensione di rapporto 1-1 con il monitor.
    4. Impostare il tracker di arto montando la sorgente elettromagnetica sotto la tabella (Tabella materiali).
    5. Impostare l'inseguitore dell'occhio, host PC (Tabella materiali).
      1. Collegare gli illuminatori ad infrarosso (IR) quattro ai quattro angoli del monitor tramite cinghie.
      2. Impostare le configurazioni di tracking occhio dalla schermata di opzioni installazione di eye tracking.
        1. Selezionare Taratura 13 punti dalla configurazione pre-impostata dell'inseguitore dell'occhio.
        2. Selezionare la sensibilità alta saccade per rilevare piccole saccade.
        3. Selezionare modalità allievo-CR per registrare gli alunni e la cornea.
        4. Selezionare una frequenza di campionamento a 250 Hz.
  3. Preparazione fisica partecipante
    1. Partecipanti seduta su una sedia regolabile in altezza a tavola con lo schermo del computer.
    2. Posizionare il partecipante 60 cm dal monitor display (tabella materiali).
    3. Fissare il sensore di movimento (tabella di materiale) alla parte distale del dito indice della mano della da sottoporre a braccio (braccia dominante per i controlli ed entrambe le braccia in partecipanti con il colpo)
    4. Posizionare il tracker di occhio sulla fascia dei partecipanti e regolare l'archetto e telecamere (Tabella materiali).
      1. La fascia di montaggio
        1. Regolare la tenuta e la posizione del girotesta (tramite manopole archetto) in modo che il cuscinetto anteriore è nel centro della fronte e le pastiglie di lato sopra le orecchie del partecipante.
        2. Assicurarsi che la fotocamera di fascia è al centro della fronte e sopra il ponte del naso.
        3. Chiedere ai partecipanti di alzare le sopracciglia e se si sposta l'archetto, rimontarlo in maggiore o minore sulla fronte.
      2. Regolare la macchina fotografica e la posizione di illuminatore corneale. Chiedere ai partecipanti di guardare il monitor.
        1. Dallo schermo della fotocamera, selezionare l'immagine di testa fotocamera, verificare che mostra quattro grandi macchie dal marcatori che sono posizionati nel centro della immagine della testa telecamera IR. Se non sono nel centro, regolare di conseguenza.
        2. Dalla schermata di installazione della fotocamera, selezionare un occhio al momento. Regolare l'occhio due telecamere abbassando e alzando la telecamera eye gestire fino a che la pupilla dell'occhio è al centro dell'immagine della telecamera
        3. Mettere a fuoco la fotocamera occhio ruotando il portalente.
        4. Impostare la soglia di pupilla premendo il pulsante di soglia automatica sullo schermo di impostazione della fotocamera.
        5. Eseguire la stessa regolazione per l'altro occhio.
  4. Calibrazione
    1. Calibrare il tracker di arto di uscita per raggiungere la superficie utilizzando una calibrazione di 9 punti, chiedere al partecipante di posizionare loro sensore collegato dito raggiungendo la superficie (da tavolo) posizioni come visualizzato sullo schermo del monitor.
    2. Calibrare l'inseguitore dell'occhio, chiedere ai partecipanti di guardare il bersaglio di calibrazione che appare come un puntino blu e mantenere la fissazione fino a quando sullo schermo appare il punto successivo
      Nota: Calibrazione obiettivi appaiono in 13 posizioni selezionati in modo casuale sullo schermo
    3. Calibrare l'inseguitore dell'occhio almeno due volte per sessione, prima quello che all'inizio dell'esperimento e al relativo punto a metà strada.

3. esperimento

  1. Chiedere ai partecipanti di spostare il dito sulla posizione di partenza, che copre il cerchio di avvio sullo schermo con il dito-indicatore (punto rosso), mentre fissanti (occhio) la posizione iniziale sullo schermo.
    Nota: La posizione iniziale è una posizione corrispondente dei display punto (punto blu) fissazione al centro dello schermo (Figura 1a). La posizione del dito è rappresentata come punto 4 mm raggio rosso sullo schermo.
  2. Richiedere ai partecipanti di mantenere la posizione di dito sul cerchio inizio per 150 ms fino a quando viene visualizzata la finestra di destinazione.
  3. Garantire che i partecipanti fissano la posizione iniziale fino a quando sentono un segnale acustico "(beep Vai del). (Figura 1)
    Nota: La durata tra destinazione aspetto e il segnale vanno è casuale tra 250 a 750 ms per prevenire anticipazione del segnale vanno.
  4. Istruire i partecipanti a spostare gli occhi e la punta delle dita rapidamente e con precisione verso il bersaglio designato come sentono il segnale acustico (Figura 1)
    1. Area destinazione appare cerchio di raggio bianco cm 1
  5. Istruire i partecipanti a toccare la posizione da tavolo nella posizione del bersaglio virtuale come visualizzato sullo schermo di sollevare la mano e il dito e ri-collegare la punta delle dita e il ripiano del tavolo
    1. Assicurarsi che i partecipanti fanno un movimento di puntamento di sollevamento della mano e delle dita, anziché trascinando la mano e il dito sul piano del tavolo.
    2. Visualizzare la posizione di fine del regolamento reach, come un puntino rosso, segue raggiungere il completamento.
    3. Determinare la portata completamento da una combinazione di bassa velocità (< 5% di picco) e 3 mm z-plane soglia.
  6. Chiedere ai partecipanti di eseguire una serie di prove di familiarizzazione prima di iniziare l'acquisizione dei dati.
  7. Avvia acquisizione dati dopo i partecipanti ha toccato 5 degli ultimi 10 obiettivi con successo.
  8. Chiedere ai partecipanti di eseguire una serie di look e raggiungere prove come sono stati insegnati durante le prove di familiarizzazione.
    1. Chiedere ai partecipanti di eseguire un totale di 76 studi.
  9. Chiedere ai partecipanti di controllo eseguire l'esperimento con la loro mano dominante.
  10. Ogni volta che è possibile, avere partecipanti con corsa eseguire l'esperimento con entrambe le mani, più colpite e meno colpiti.
  11. I partecipanti completano l'intero esperimento con almeno una mano.

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Figura 1. Vista schematica di installazione e di esperimento. (a) rappresentazione schematica del monitor di visualizzazione e raggiungendo la superficie durante una prova. (b) l'ordinamento delle azioni visivamente guidato da raggiungere. Verrà visualizzata la finestra di prima fissazione (F). L'obiettivo (T) appare dopo un periodo randomizzato. Il segnale 'vanno' si presenta come uditiva bip sonoro (indicato dalla barra verticale grigio chiaro) dopo un tempo imprevedibile che segue intervallo (simultanee offset di F) dall'aspetto di destinazione. Mano (H) e i movimenti dell'occhio (E) seguono il segnale di andare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Risultati

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Trenta partecipanti hanno partecipato allo studio di ricerca. C'erano 17 partecipanti nel gruppo di controllo e 13 partecipanti nella coorte di colpo. Due partecipanti non potevano finire l'intero esperimento, quindi i dati sono stati esclusi dall'analisi.

Dati demografici e le valutazioni di questionario

La tabella 1 Mostra le caratte...

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Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L'avvento dell'occhio e mano sistemi di tracciamento come strumenti a disposizione per esplorare oggettivamente le caratteristiche dei sistemi motore oculare-manuale ha accelerato gli studi di ricerca, consentendo una sfumata registrazione approccio per un compito essenziale nelle attività quotidiane – coordinazione occhio-mano. Molte attività naturale di azione-dipendente sono visivamente guidate e dipendono dalla visione come un input sensoriale primaria. Lo sguardo è programmato attraverso i comandi di motori oculari ...

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Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Vorremmo ringraziare il Dr. Tamara Bushnik e il Team di ricerca di Rusk NYULMC per i loro pensieri, suggerimenti e contributi. Questa ricerca è stata sostenuta da 5K 12 HD001097 (per J-RR, MSL e PR).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Monitor Dell da 27,0" illuminato a LED Risoluzione DellS2716DGQHD (2560 x 1440)
ASUS ROG G750JM da 17 polliciAsusTek Computer Inc
Eye Link IISR-Research500 Hz monitoraggio oculare binoculare
0.01 º Risoluzioni
MatlabMathWorks
Polhemus MicroSensor 1.8 Polhemus240  Hz, 0,08  precisione in cm
RMS

Riferimenti

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