Virtual Prism Adaptation Therapy: Protocollo per la convalida in adulti sani

Summary

Questo protocollo sperimentale dimostra l'uso della terapia di adattamento del prisma virtuale (VPAT) negli adulti sani e l'associazione tra VPAT e spettroscopia funzionale vicino infrarossa per determinare l'effetto di VPAT sull'attivazione corticale. I risultati suggeriscono che VPAT può essere fattibile e potrebbe indurre un adattamento comportamentale simile a quello della terapia di adattamento del prisma convenzionale.

Abstract

L'incuria emispatiale è una menomazione comune dopo l'ictus. È associato a scarsi risultati funzionali e sociali. Pertanto, un intervento adeguato è indispensabile per una gestione efficace dell'incuria emispaziale. Tuttavia, l'uso clinico di vari interventi è limitato nella pratica clinica reale. La terapia di adattamento del prisma è una delle modalità di riabilitazione più basate sulle prove per trattare l'abbandono emispatiale. Per superare ogni possibile difetto che può verificarsi con la terapia del prisma, abbiamo sviluppato un nuovo sistema utilizzando la realtà virtuale immersiva e la fotocamera di rilevamento della profondità per creare una terapia virtuale di adattamento del prisma (VPAT). Per convalidare il sistema VPAT, abbiamo progettato un protocollo sperimentale che analizza gli errori comportamentali e i cambiamenti nell'attivazione corticale tramite il sistema VPAT. L'attivazione corticale è stata misurata mediante spettroscopia funzionale vicino infrarossa (fNIRS). L'esperimento consisteva in quattro fasi. Tutti e quattro inclusi clic, puntamento o riposo applicato a persone sane destrorso. Fare clic contro puntamento è stato utilizzato per studiare la regione corticale correlata con il compito del motore lordo, e puntando con VPAT rispetto a puntamento senza VPAT è stato utilizzato per studiare la regione corticale associata alla percezione visuospatial. I risultati preliminari di quattro partecipanti sani hanno mostrato che indicare gli errori da parte del sistema VPAT era simile alla terapia convenzionale di adattamento del prisma. Possono essere necessarie ulteriori analisi con più partecipanti e dati fNIRS, nonché uno studio in pazienti con ictus.

Introduction

L'incuria emispaziale, che colpisce la capacità di percepire il campo visivo emispatiale contralaterale, è una menomazione comune dopo il tratto^1,2. Anche se la riabilitazione dopo la negligenza emispaziale è importante, a causa della sua associazione con scarsi esiti funzionali e sociali, la riabilitazione è spesso sottoutilizzata nella pratica clinica reale^3,4.

Tra i vari approcci riabilitativi esistenti suggeriti per la negligenza emispaziale, la terapia di adattamento prisma (PA) si è dimostrato efficace per il recupero e il miglioramento della negligenza emispaziale nei pazienti con ictus subacuto o cronico^5,6^,7,8. Tuttavia, PA convenzionale è sottoutilizzato a causa di diversi inconvenienti^9,10. Questi includono 1) elevato fabbisogno di costi e tempo dovuto alla lente del prisma che necessita di essere modificata per adattarsi al grado di deviazione; 2) la necessità di impostare materiali aggiuntivi da indicare e di mascherare la traiettoria della mano; e 3) L'AP può essere utilizzato solo dai pazienti che possono sedersi e controllare la loro posizione della testa.

Un recente studio che ha riprodotto gli effetti di adattamento nell'ambiente della realtà virtuale (VR) ha riferito che la terapia di adattamento del prisma virtuale (VPAT) potrebbe avere effetti diversi a seconda dei sottotipi di negligenza¹¹. È stato anche suggerito che l'attivazione corticale per LA PA può variare in base alle lesioni cerebrali¹². Tuttavia, si sa poco sul modello di attivazione corticale visto nella PA indotta da VR.

Per superare questi ostacoli e promuovere l'uso della PA in un ambiente clinico, abbiamo sviluppato un nuovo sistema di terapia PA utilizzando una tecnologia VR immersiva chiamata terapia virtuale di adattamento del prisma (VPAT), attraverso l'uso di una telecamera di rilevamento della profondità. Abbiamo progettato un sistema VR immersivo con la capacità di fornire un feedback visivo sulla posizione di un arto virtuale per promuovere il riallineamento spaziale¹³. Utilizzando questa tecnologia VR immersiva, che ha imitato l'effetto della PA convenzionale, abbiamo progettato un esperimento per convalidare il sistema VPAT in partecipanti sani.

Conducendo il nostro protocollo sperimentale visualizzato, abbiamo studiato se il nuovo sistema VPAT può indurre adattamento comportamentale, simile alla PA convenzionale. Inoltre, vorremmo esplorare se il sistema VPAT può indurre l'attivazione nelle regioni corticali associate alla percezione visuospatial o al recupero di negligenza emispaziale dopo l'ictus.

Protocol

Tutte le procedure sono state riviste e approvate dal Bundang Hospital Institutional Review Board (IRB) dell'Università Nazionale di Seoul. Per reclutare partecipanti sani, i poster sono stati utilizzati per pubblicizzare in tutto l'ospedale.

1. Configurazione sperimentale

1. Assunzione dei partecipanti
   1. Eseguire il processo di screening del soggetto utilizzando i seguenti criteri di inclusione: 1) integro, tra i 18 e i 50 anni; 2) con la mano destra, valutata dall'inventario di Edimburgo¹⁴; 3) in grado di indossare il display di montaggio della testa per la realtà virtuale e di rilevare gli oggetti all'interno della realtà virtuale; e 4) nessuna storia di malattie che colpiscono il cervello, come ictus, morbo di Parkinson, o lesioni cerebrali traumatiche.
      NOTA: questi criteri sono stati progettati per vagliare i partecipanti con la possibilità di partecipare all'esperimento e regolare i fattori che influenzano i risultati.
   2. Recluta reclute i partecipanti e fornisci una spiegazione dettagliata dell'intero studio e dei problemi clinici attesi. Il consenso deve essere ottenuto prima dell'inclusione.
2. Sistema sperimentale
   NOTA: è stato utilizzato un sistema VPAT personalizzato che utilizza un sistema VR immersivo e una telecamera di rilevamento della profondità. La spettroscopia funzionale a infrarossi (fNIRS) è stata utilizzata contemporaneamente per studiare l'attivazione corticale. VPAT e fNIRS sono stati collegati tra loro per l'esperimento (Figura 1).
   1. Sistema VPAT
      NOTA: il sistema VPAT è costituito da un display di montaggio della testa per l'implementazione VR, un sensore di tracciamento della mano in grado di riconoscere i gesti della mano per l'input intuitivo da parte dell'utente e un pulsante di comando hardware. La composizione complessiva è illustrata nella Figura 1.
      1. Assicurarsi che il sensore di tracciamento della mano non sia inclinato davanti al display del supporto della testa.
      2. Verificare che la telecamera di riferimento per il sistema VR sia installata correttamente sul monitor anteriore.
      3. Fissare il pulsante push in una posizione vicino alla mano per essere utilizzato dal partecipante per l'esperimento.
      4. Eseguire il software per assicurarsi che non vi siano errori.
         NOTA: l'ambiente virtuale è stato implementato in modo da corrispondere il più possibile all'ambiente effettivo. L'attività è stata eseguita tramite puntamento manuale all'interno dell'ambiente virtuale e l'input del pulsante tramite il pulsante di comando.
   2. fNIRS (informazioni in base al sistema ingrandi
      1. Utilizzare un sistema fNIRS commerciale che include un personal computer (PC), 31 optodi (15 sorgenti luminose e 16 rivelatori), tappi EEG tessili e software di registrazione dei dati.
   3. Collegamento tra sistema VPAT e fNIRS (Figura 1).
      1. Utilizzare il software di controllo della tastiera remota utilizzando la comunicazione TCP/IP per sincronizzare l'evento di avvio nel sistema VPAT con la temporizzazione della registrazione nel sistema fNIRS.
      2. Utilizzare il tasto di comando remoto nel computer per avviare la registrazione fNIRS.

2. Configurazione sperimentale (Figura 2)

1. Impostazione di misurazione fNIRS
   1. Posizionare il partecipante su una sedia con la schiena in una postura dritta, a circa quindici centimetri di distanza dal tavolo. Confermare che la mano del partecipante non colpisce il tavolo quando si raggiunge.
   2. Per l'impostazione del tappo fNIRS, selezionare la dimensione del tappo in base alla circonferenza della testa del partecipante. Posizionare il limite in modo che il vertice (Cz) si trovi all'intersezione del punto medio tra l'inione e il nasion e il punto medio tra le aree preapicolari sinistra e destra. Visualizzare il montaggio sullo schermo e collegare 15 sorgenti e 24 rilevatori al montaggio. Se necessario per migliorare il guadagno dalla fonte di luce, utilizzare gel conduttivo dopo la preparazione dei capelli e inserire l'optode. Chiedi al partecipante di indossare un berretto di sostegno.
      NOTA: Lo studio ha utilizzato tre diverse dimensioni di tappi EEG tessili con circonferenze di 54, 56 e 58 cm.
   3. Per l'impostazione del software (calibrazione, ecc.), eseguire il software di sistema fNIRS e caricare il montaggio di negligenza.
   4. Lasciare che il montaggio venga visualizzato sullo schermo e impostare 15 fonti e 24 rilevatori in base al montaggio (Figura 3).
   5. Premere il pulsante di calibrazione. Se sullo schermo viene visualizzato "Lost", ripetere la preparazione dei capelli e quindi ricalibrare.
2. Impostazione del sistema VPAT
   1. Collegare l'HMD, la fotocamera di riferimento e la telecamera in movimento Leap e premere il pulsante che collega il computer per configurare il sistema VPAT.
   2. Montare il display della testa di realtà virtuale (VR HMD) sulla testa del partecipante sopra il tappo per fNIRS. Assicurarsi di evitare il movimento del tappo.
   3. Eseguire il software VPAT. Inserisci le informazioni del partecipante (abbreviazione del nome, età, mancia) e premi il pulsante "Start".
   4. Confermare la visualizzazione della mano virtuale sul display. Procedere con una calibrazione in due fasi (ad esempio, la calibrazione dello schermo e la calibrazione della distanza di destinazione).
   5. Indicare al partecipante di guardare il segno di croce rosso al centro, quindi premere il tasto "r" per calibrare lo schermo.
      NOTA: la calibrazione dello schermo posiziona lo spazio virtuale davanti all'intervallo visivo dell'utente facendo un'analisi del sistema di coordinate.
   6. Indicare al partecipante di indicare il bersaglio (cioè la palla) con la mano destra, quindi premere il tasto "O" per calibrare la posizione della mano.
      NOTA: Nel nostro studio, l'oggetto che il partecipante doveva colpire era una palla bianca su un bastone rosa che scendeva dalla parte superiore della vista. La calibrazione della distanza di destinazione colloca il bersaglio alla portata dell'utente. Viene utilizzato per posizionare correttamente il target durante l'esperimento.
   7. Dopo la calibrazione, premere il tasto "w" per iniziare l'esperimento.
3. Impostazione del collegamento VPAT e fNIRS
   1. Utilizzare il software di sincronizzazione degli eventi per immettere il trigger per l'analisi in fNIRS e connettere VPAT a fNIRS.
   2. Per la sincronizzazione dell'ora tra VPAT e fNIRS, collegare i computer con i due sistemi alla stessa rete e quindi sincronizzarli tramite il programma di trasferimento delle chiavi autoprodotto.
   3. Dopo la connessione tramite gli ingressi IP e Port di entrambi i computer, avviare la sessione dell'esperimento tramite il tasto "w" nel programma VPAT. Il software di sincronizzazione degli eventi viene eseguito automaticamente e i trigger durante l'esecuzione vengono trasferiti automaticamente a fNIRS e salvati.
   4. Dopo l'esperimento, ottenere la terminazione automatica del software e i dati VPAT. Quindi arrestare il software di sistema VPAT e fNIRS.
      NOTA: i partecipanti devono riportare le mani alla loro posizione originale dopo aver puntato durante l'esperimento VPAT.

3. Sperimentare per convalidare il sistema VPAT

1. Esperimento progettato a blocchi con registrazione fNIRS (Figura 4)
   1. Dopo aver completato il processo di configurazione nel passaggio 2, confermare la disponibilità del partecipante ad avviare l'esperimento.
   2. Avviare immediatamente il sistema VPAT senza la modalità prisma e indicare al partecipante di puntare immediatamente all'obiettivo nel sistema VR per la familiarità con la procedura.
   3. Ogni fase è costituita da blocchi per puntare, fare clic o riposare (Figura 4). Anche in questo caso, indicare al partecipante di fare clic sul pulsante o puntare al bersaglio nel sistema VR con il dito indice destro il più rapidamente possibile.
   4. Inizia l'esperimento con quattro fasi contemporaneamente con la registrazione fNIRS facendo clic sul tasto di avvio.
      NOTA: Durante il compito di puntamento, la palla bianca doveva essere toccata entro un tempo fisso.
      1. Indicare ai partecipanti di puntare, fare clic o riposare quando viene visualizzata l'icona appropriata.
         NOTA: durante l'attività, puntando e facendo clic sono stati indicati da un'icona direttamente sopra la palla bianca e il lato destro della barra del timer. Il tempo di esecuzione dell'attività è stato indicato dalla barra del timer, come illustrato nella Figura 2.
      2. Dite al partecipante di toccare il bersaglio che appare sul lato sinistro o destro entro 3 s. Per il blocco clic, indicare al partecipante di premere il pulsante .
         NOTA: Il bersaglio che contiene la palla bianca si trovava ad una distanza di -10 o 10 gradi dal centro del partecipante, ottenuto per calibrazione. Il set di destinazione è apparso in modo casuale sul lato destro o sinistro. Secondo il progetto sperimentale, l'obiettivo è apparso per 3 s, poi è scomparso, e poi rigenerato in una nuova posizione.
      3. Assicurarsi che il partecipante funzioni allo stesso modo quando la fase viene cambiata.
         NOTA: Nell'attività di puntamento, la modalità di adattamento del prisma virtuale ha mostrato una deviazione di 10 o 20 gradi sul lato sinistro della mano immaginaria nello spazio VR rispetto alla testa del partecipante. I gradi zero indicano che le posizioni della mano virtuale e della mano effettiva coincidevano.
         NOTA: l'esperimento (Figura 4) è costituito da un totale di quattro fasi, con ogni fase costituita da puntamento e clic o riposo alternativamente (Fase 1 e 4 puntavano e facevano clic, e la fase 2 e 3 puntavano e riposavano).

4. Analisi dei dati

1. Analisi degli errori di puntamento
   NOTA: I dati sono stati memorizzati dal momento in cui lo sperimentatore ha premuto il pulsante di avvio "w". I dati sono stati automaticamente memorizzati a circa 60 Hz ogni fotogramma attraverso il software VPAT. Il nome della fase, il tempo trascorso e la posizione delle dita dell'indice virtuale sono stati archiviati nel tempo. L'errore di puntamento era il valore dell'angolo tra il bersaglio e l'indice, centrato sulla posizione della testa del partecipante.
   1. Classificare i dati dell'attività di puntamento in base a fasi (pre-VPAT, VPAT 10o, VPAT 20 o dopo LA VPAT).
   2. Classificare i dati dell'attività di puntamento e l'attività di clic nei dati di ogni fase (fase 1 e 4).
   3. Classificare i dati per sottofase in unità di 30 s in base a ogni fase e ogni tipo di attività.
   4. Estrarre il valore mediano di 10 valori di errore di prova (errore di puntamento) dai dati di posizione dell'indice per l'analisi degli errori di puntamento mediano.
   5. Utilizzare l'analisi delle misure ripetute del test di varianza (ANOVA) per analizzare la differenza tra ogni fase.
      NOTA: Nel caso di tracciamento delle mani utilizzando il sensore di movimento Leap, gli outlier erano dovuti all'occlusione o alla falsa rilevazione della postura della mano. Ad eccezione dei dati di posizione falsa, il valore mediano è stato utilizzato per trovare il valore di errore di puntamento rappresentativo nella fase secondaria.
2. FNIRS elaborazione dei dati
   1. Avviare il software di analisi fNIRS e caricare il file di dati non elaborati e le informazioni del probe.
   2. Eseguire un processo di impostazione del marcatore modificando il record dell'evento per verificare ogni condizione durante l'esperimento.
   3. Eseguire la pre-elaborazione dei dati eliminando gli intervalli di tempo irrilevanti sperimentalmente, rimuovere gli artefatti, ad esempio passi e picchi, e applicare filtri di frequenza per escludere le bande di frequenza irrilevanti sperimentalmente.
      NOTA: tutti i set di dati sono stati filtrati con un filtro a passaggio massimo da 0,01 Hz e un filtro a passaggio basso da 0,2 Hz per rimuovere i contributi di rumore strumentale o fisiologico.
   4. Specificare le lunghezze d'onda immettendo il valore delle lunghezze d'onda di illuminazione di picco (cioè 760 e 850 nm). Utilizzare una distanza fisica di 3 cm tra la sorgente e il rilevatore per il canale.
   5. Selezionare il campo della linea di base, che fa riferimento al periodo di tempo corrispondente a una linea di base in cui i partecipanti in genere riposano in silenzio.
      NOTA: abbiamo selezionato il campo di base come percorso a tempo pieno del set di dati, che era l'impostazione predefinita.
   6. Calcolare la serie temporale degli stati emodinamici per completare la pre-elaborazione dai dati filtrati.

Results

I dati di quattro partecipanti sani (1 uomo e 3 donne) sono stati utilizzati come risultati rappresentativi. Un errore di puntamento è illustrato nella Figura 5A, con le medie del valore mediano di 10 prove nella sottofase di ogni attività di puntamento della durata di 30 s. I valori in media per gli errori di puntamento mediano nel primo blocco di ogni fase sono stati 0,45 x 0,92 (pre-VPAT), 4,69 x 3,08 (VPAT 10o), 5,43 2,22 (VPAT 20) e -5,17 x 1,60 (post-VPAT). La tendenza...

Discussion

Questo studio ha implementato la terapia di adattamento del prisma utilizzando un movimento della mano tradotto in un ambiente VR. Ha studiato se la deviazione implementata causasse il superamento dell'angolo e l'adattamento comportamentale, come nella terapia convenzionale di adattamento del prisma.

Nel risultato dell'errore di puntamento mediano (Figura 5) e nel primo risultato dell'errore di puntamento, l'errore di puntamento è cambiato in modo significativo qu...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
EASYCAP	Easycap	C-SAMS	Piattaforma per l'alloggiamento di optodi fNIRS
Leap Motion 3D Motion Controller	Ultrahaptics	FBA_LM-C01-US	Dispositivo di rilevamento della mano collegato HMD
Leap Motion VR Supporto per sviluppatore per cuffie VR	Ultrahaptics	VR-UAZ
Matlab R2015a	Mathworks		Linguaggio di programmazione in esecuzione con NIRStar
NIRScout	Medical Technology LLC	NSC-CORE	fNIRS system
nirsLAB v201605	Medical Technology LLC		Software per l'analisi dei dati raccolti con NIRScout
NIRStar 14.1	Medical Technology LLC		NIRScout Acquisition Software
Occulus Rift DK2	Occulus		VR HMD
PowerMate USB Multimedia Controller	Griffin Tecnologia	NA16029	Pulsante nell'attività
SuperLab 5.0	Cedrus Corp.		Sincronizza le presentazioni di stimolo alleate a NIRScout