Method Article

Виртуальная prism Адаптация терапия: Протокол для проверки у здоровых взрослых

DOI:

10.3791/60639

⸱

February 12th, 2020

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Этот экспериментальный протокол демонстрирует использование виртуальной призмы адаптационной терапии (VPAT) у здоровых взрослых и связь между VPAT и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии, чтобы определить влияние VPAT на корковую активацию. Результаты показывают, что VPAT может быть осуществимым и может вызвать аналогичную поведенческую адаптацию, как обычная призма адаптации терапии.

Abstract

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

Гемпространственное пренебрежение является распространенным нарушением после инсульта. Это связано с плохими функциональными и социальными результатами. Поэтому для успешного управления недоверием к ней необходимо адекватное вмешательство. Тем не менее, клиническое применение различных вмешательств ограничено в реальной клинической практике. Prism адаптационная терапия является одним из наиболее доказательных реабилитационных методов для лечения полупространственного пренебрежения. Чтобы преодолеть любой возможный недостаток, который может возникнуть с призма терапии, мы разработали новую систему с использованием погружения виртуальной реальности и глубины зондирования камеры для создания виртуальной призмы адаптации терапии (VPAT). Для проверки системы VPAT мы разработали экспериментальный протокол, исследующий поведенческие ошибки и изменения в корковой активации через систему VPAT. Кортикальная активация измерялась функциональной ближней инфракрасной спектроскопией (fNIRS). Эксперимент состоял из четырех этапов. Все четыре включены нажав, указывая или отдых применяется к правой рукой здоровых людей. Нажав против указывая был использован для исследования корковой области, связанные с валовой двигательной задачи, и указывая с VPAT против указывая без VPAT был использован для исследования корковой области, связанные с visuospatial восприятия. Предварительные результаты четырех здоровых участников показали, что указывая ошибки системы VPAT был похож на обычной призмы адаптации терапии. Дальнейший анализ с большим количеством участников и данные fNIRS, а также исследование у пациентов с инсультом может потребоваться.

Introduction

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

Гемпространственное пренебрежение, которое влияет на способность воспринимать контралатерациальное поле зрения, является распространенным нарушением после инсульта1,2. Хотя реабилитация после незабвения имеет важное значение, из-за его связи с плохими функциональными и социальными исходами, реабилитация часто недостаточно используется в реальной клинической практике3,4.

Среди различных существующих реабилитационных подходов, предложенных для гемппространственного пренебрежения, призма адаптации (ПА) терапия оказалась эффективной для восстановления и улучшения в состоянии здоровья пренебрежения у пациентов с подострым или хроническим инсультом5,6,7,8. Тем не менее, обычные PA используется из-за нескольких недостатков9,10. К ним относятся 1) высокая стоимость и время требования из-за призмы объектив необходимо изменить, чтобы приспособиться к степени отклонения; 2) необходимость создания дополнительных материалов для укачаний и маскировки траектории движения; и 3) PA может быть использован только пациентами, которые могут сидеть и контролировать свое положение головы.

Недавнее исследование, воспроизводящее эффекты адаптации в виртуальной реальности (VR) окружающей среды сообщили, что это может быть возможным для виртуальной призмы адаптации терапии (VPAT) иметь различные эффекты в зависимости от подтипов пренебрежения11. Было также высказано предположение, что корковая активация для PA может варьироваться в зависимости от поражения мозга12. Тем не менее, мало что известно о корковой активации картины видели в VR-индуцированной PA.

Чтобы преодолеть эти препятствия и содействовать использованию ПА в клинических условиях, мы разработали новую систему PA терапии с использованием иммерсивной технологии VR называется виртуальная призма адаптации терапии (VPAT), с помощью камеры глубины зондирования. Мы разработали иммерсивную систему VR с возможностью обеспечить визуальную обратную связь о положении виртуальной конечности для содействия пространственной перестройки13. Используя эту иммерсивную технологию VR, которая имитировала эффект обычного PA, мы разработали эксперимент для проверки системы VPAT у здоровых участников.

Проводя наш визуализированный экспериментальный протокол, мы исследовали, может ли новая система VPAT вызвать поведенческую адаптацию, похожую на обычную PA. Кроме того, мы хотели бы изучить, может ли система VPAT вызвать активацию в корковых областях, связанных с висуопространственным восприятием или восстановлением гемппространственного пренебрежения после инсульта.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Все процедуры были рассмотрены и одобрены Советом по институциональному обзору больницы Сеульского национального университета Бунданг (IRB). Для вербовки здоровых участников, плакаты были использованы для рекламы вокруг больницы.

1. Экспериментальная настройка

  1. Набор участников
    1. Выполнение процесса скрининга предмета с использованием следующих критериев включения: 1) здоровый, между 18 и 50 лет; 2) правша, оцененный Эдинбургом handness инвентаризации14; 3) возможность носить головной дисплей крепления для VR и обнаруживать объекты в VR; и 4) нет истории заболеваний, затрагивающих мозг, таких как инсульт, болезнь Паркинсона, или черепно-мозговая травма.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти критерии были разработаны для проверки участников с возможностью участия в эксперименте и регулирования факторов, влияющих на результаты.
    2. Набирать участников и предоставить подробное объяснение всего исследования и ожидаемых клинических проблем. Согласие должно быть получено до включения.
  2. Экспериментальная система
    ПРИМЕЧАНИЕ: Использовалась настраиваемая система VPAT с использованием иммерсивной VR-системы и камеры глубокого зондирования. Функциональная инфракрасная спектроскопия (fNIRS) одновременно использовалась для исследования корковой активации. VPAT и fNIRS были связаны друг с другом для эксперимента(рисунок 1).
    1. Система VPAT
      ПРИМЕЧАНИЕ: Система VPAT состоит из дисплея head mount для реализации VR, датчика ручного слежения, который может распознавать жесты рук для интуитивного ввода пользователем, и аппаратной кнопки. Общая композиция показана на рисунке 1.
      1. Убедитесь, что датчик отслеживания рук не наклонен перед дисплеем крепления головы.
      2. Убедитесь, что эталонная камера для системы VR правильно установлена поверх монитора.
      3. Защищайте кнопку в месте, расположенном рядом с рукой, для использования участником для эксперимента.
      4. Запустите программное обеспечение, чтобы убедиться, что нет ошибок.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Виртуальная среда была реализована, чтобы соответствовать реальной среде как можно ближе. Задача выполнялась через сторону, указывая в виртуальной среде и кнопку ввода через кнопку.
    2. fNIRS
      1. Используйте коммерческую систему fNIRS, включающая персональный компьютер (ПК), 31 оптод (15 источников света и 16 детекторов), текстильные эЭГ-шапки и программное обеспечение для записи данных.
    3. Связь между системой VPAT и fNIRS(рисунок 1).
      1. Используйте программное обеспечение для дистанционного управления клавиатурой с помощью TCP/IP-коммуникации для синхронизации стартового события в системе VPAT со сроками записи в системе fNIRS.
      2. Используйте пульт дистанционного управления ключом в компьютере, чтобы начать запись fNIRS.

2. Экспериментальная настройка(рисунок 2)

  1. настройка измерения fNIRS
    1. Поместите участника в кресло спиной в прямой позе, примерно в пятнадцати сантиметрах от стола. Подтвердите, что рука участника не попадает в стол при выходе.
    2. Для установки крышки fNIRS выберите размер крышки в соответствии с окружностью головы участника. Поместите крышку так, чтобы вершина (Cz) располагалась на пересечении средней точки между инионом и nasion и средней точкой между левой предаурикулярной и правой предавикулярной областями. Отобразите монтаж на экране и подключите к монтажу 15 источников и 24 детектора. При необходимости улучшить выгоду от источника света, используйте проводящий гель после приготовления волос и вставьте оптод. Поимеет ли участник надеть подпорную кепку.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В исследовании использовались три различных размера текстильных колпачков ЭЭГ с окружностью 54, 56 и 58 см.
    3. Для настройки программного обеспечения (калибровка и т.д.) запустите программное обеспечение системы fNIRS и загрузите монтаж запущенного.
    4. Пусть монтаж будет отображаться на экране и установить 15 источников и 24 детекторов в соответствии с монтажом (Рисунок 3).
    5. Нажмите кнопку калибровки. Если"Lost"отображается на экране, повторите подготовку волос, а затем перекалибруйте.
  2. Настройка системы VPAT
    1. Подключите HMD, справочную камеру и камеру движения Leap и нажмите кнопку, соединяющую компьютер, чтобы настроить систему VPAT.
    2. Установите виртуальную реальность головной дисплей (VR HMD) на голове участника над крышкой для fNIRS. Убедитесь в том, чтобы избежать движения крышки.
    3. Выполнить программное обеспечение VPAT. Введите информацию участника (имя аббревиатива, возраст, handness) и нажмите кнопку"Начать".
    4. Подтвердите визуализацию виртуальной руки на дисплее. Продолжить двухэтапную калибровку (т.е. калибровку экрана и калибровку целевого расстояния).
    5. Поручить участнику наблюдать за красным крестом (к) в центре, а затем нажмите клавишу«r»для калибровки экрана.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка экрана помещает виртуальное пространство перед визуальным диапазоном пользователя, перецентривая систему координат.
    6. Поручить участнику указать на цель (т.е. мяч) правой рукой, а затем нажмите клавишу«O»,чтобы откалибровать положение руки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В нашем исследовании, объект, который участник должен был целевой был белый шар на розовой палкой, которая спустилась с верхней части зрения. Калибровка целевого расстояния помещает цель в пределах досягаемости пользователя. Это используется для правильного расположения цели во время эксперимента.
    7. После калибровки нажмите на ключ«w»,чтобы начать эксперимент.
  3. Настройка связи VPAT и fNIRS
    1. Используйте программное обеспечение синхронизации событий, чтобы ввести триггер для анализа в fNIRS и подключить VPAT к fNIRS.
    2. Для синхронизации времени между VPAT и fNIRS подключите компьютеры с двумя системами к одной и той же сети, а затем синхронизируйте их через самостоятельно созданную программу передачи ключей.
    3. После подключения через IP и порт входы обоих компьютеров, начать эксперимент сессии с помощью "W" ключ в программе VPAT. Программное обеспечение синхронизации событий выполняется автоматически, а триггеры во время выполнения автоматически передаются в fNIRS и сохраняются.
    4. После эксперимента получите данные по автоматическому прекращению программного обеспечения и VPAT. Затем остановите программное обеспечение системы VPAT и fNIRS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Участники должны вернуть свои руки в исходное положение после указания во время эксперимента VPAT.

3. Эксперимент по проверке системы VPAT

  1. Блок разработан эксперимент с fNIRS записи (Рисунок 4)
    1. После завершения процесса настройки в шаге 2, подтвердите готовность участника начать эксперимент.
    2. Запустите систему VPAT без режима призмы и поручите участнику немедленно указать на цель в системе VR для ознакомления с процедурой.
    3. Каждая фаза состоит из блоков для указания, нажатия или отдыха(рисунок 4). Опять же, поручить участнику нажать на кнопку или указать на цель в системе VR с правым указательным пальцем как можно быстрее.
    4. Начните эксперимент с четырех этапов одновременно с записью fNIRS, нажав на стартовый ключ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Во время указывая задачи, белый шар должен быть коснулся в течение фиксированного времени.
      1. Проинструктируйте участников указать, щелкнуть или отдохнуть, когда появится соответствующий значок.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Во время выполнения задачи, указывая и нажав были указаны значок непосредственно над белым шаром и правой стороне таймер бар. Время выполнения задачи было указано баром таймера, как показано на рисунке 2.
      2. Покажите участнику коснуться цели, которая появляется на левой или правой стороне в течение 3 с. Для нажатия блока поручить участнику нажать кнопку.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Целевой набор, содержащий белый шар, был расположен на расстоянии -10 или 10 градусов от центра участника, полученного путем калибровки. Целевой набор появился случайным образом на правой или левой стороне. Согласно экспериментальной конструкции, цель появилась на 3 с, затем исчезла, а затем регенерировалась в новую позицию.
      3. Убедитесь, что участник выполняет одинаково, когда фаза включена.
        ПРИМЕЧАНИЕ: В указывая задачу, Виртуальный режим адаптации Prism показал отклонение 10 "или 20" в левую сторону мнимой стороны в пространстве VR по отношению к голове участника. Нулевые градусы показали, что позиции виртуальной руки и фактической руки совпали.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперимент(Рисунок 4) состоит из в общей сложности четыре фазы, с каждой фазы, состоящей из указывая и нажав или отдыха попеременно (Фаза 1 и 4 были указывая и нажав, и фаза 2 и 3 были указывая и отдыха).

4. Анализ данных

  1. Анализ ошибок на указание
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данные хранились с того момента, как экспериментатор нажал кнопку запуска "w". Данные автоматически хранились на частоте около 60 Гц в каждом кадре с помощью программного обеспечения VPAT. Имя фазы, прошедшее время и виртуальное положение указательного пальца хранились с течением времени. Ошибка указателя была значением угла между целевым и указательным пальцем, сосредоточенным на положении головы участника.
    1. Классифицировать данные указателей по этапам (до VPAT, VPAT 10 ", VPAT 20", пост-VPAT).
    2. Классифицировать данные указывающей задачи и задачи щелчка в данных каждого этапа (фаза 1 и 4).
    3. Классифицировать данные по подфазе в единицах по 30 с в зависимости от каждого этапа и каждого типа задач.
    4. Извлеките среднее значение 10 значений пробной ошибки (указывающей ошибки) из данных положения указательного пальца для анализа медианы, указывающих на ошибку.
    5. Используйте повторный анализ показателей теста дисперсии (ANOVA) для анализа разницы между каждой фазой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В случае ручного слежения с помощью датчика движения Leap, выбросы были из-за окклюзии или ложного обнаружения позы руки. За исключением ложных данных о положении рук, медианное значение использовалось для поиска значения ошибки представителя, указывающей на подфазе.
  2. обработка данных fNIRS
    1. Запустите программное обеспечение для анализа fNIRS и загрузите необработанный файл данных и информацию о зонде.
    2. Выполните процесс настройки маркера, редактируя запись события для проверки каждого состояния во время эксперимента.
    3. Выполняйте предварительную обработку данных, удаляя экспериментально нерелевантные временные интервалы, удаляйте артефакты, такие как шаги и шипы, и применяйте частотные фильтры, чтобы исключить экспериментально нерелевантные частотные диапазоны.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все наборы данных были отфильтрованы с 0,01 Гц высокопроходной фильтр и 0,2 Гц низкопроходной фильтр для удаления инструментальных или физиологических шумовых вкладов.
    4. Укажите длины волн, введя значение пиковых длин освещения (т.е. 760 и 850 нм). Используйте физическое расстояние 3 см между источником и детектором для канала.
    5. Выберите базовое поле, которое относится к периоду времени, который соответствует базовому, в котором участники обычно спокойно отдыхают.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Мы выбрали базовое поле в качестве дневного курса набора данных, который был параметром по умолчанию.
    6. Вычислите временные ряды гемодинамических состояний, чтобы закончить предварительную обработку из отфильтрованных данных.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

В качестве репрезентативных результатов были использованы данные четырех здоровых участников (1 мужчина и 3 женщины). Ошибка указателя показана на рисунке 5A,со средним средним значением 10 испытаний в подфазе каждой указывающей задачи продолжительностью 30 с. Значения в среднем для средних указывая ошибки в первом блоке каждого этапа были 0,45 и 0,92 (до VPAT), 4,69 и 3,08 (VPAT 10 " ), 5,43 и 2,22 (VPAT 20 " и -5,17 и 1,60 (после VPAT). Тенденция к изменению ошибки указыва...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Это исследование реализовано призма адаптации терапии с использованием переведенных движения рук в среде VR. Оно исследовало ли отклонение снабжено причиняет угол overshooting и поведенческую адаптацию, как в обычной терапии адаптации призмы.

В медианном результате ошибки указателя(рисунок 5)и первом результате ошибки указания ошибка, ошибка указывая значительно изменилась, когда фаза была переключена. Хотя некоторые ошибки распознавания рук были устранены, все ещ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Won-Seok Ким, Sungmin Чо, и Нам-Jong Paik имеют патент под названием "Метод, система и читаемый носителезаписи создания визуальной стимуляции с помощью виртуальной модели", номер 10-1907181, который имеет отношение к этой работе.

Acknowledgements

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

Это исследование было поддержано Сеульским национальным университетом Bundang больницы научно-исследовательский фонд (14-2015-022) и Министерство торговли промышленности и энергетики (MOTIE, Корея), Министерство науки и ИКТ (MSIT, Корея), и Министерство здравоохранения и социального обеспечения (MOHW, Корея ) в рамках программы развития технологий для Конвергенции AI-Bio-Robot-Medicine (20001650). Мы хотели бы поблагодарить Су-Бин Парк, Ну-Ри Ким и Е-Лин Джанг за помощь в подготовке и продолжении видеосъемки.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
EASYCAPEasycapC-SAMSПлатформа для размещения оптических систем fNIRS
Leap Motion 3D Контроллер движенийUltrahapticsFBA_LM-C01-USУстройство обнаружения рук Прикрепленное HMD
Leap Motion VR Крепление для разработчика VRUltrahapticsVR-UAZ
Matlab R2015aMathworksЯзык программирования с NIRStar
NIRScoutMedical Technology LLCNSC-corefNIRS system
nirsLAB v201605Medical Technology LLC Программноеобеспечение для анализа данных, собранных с помощью NIRScout
NIRStar 14.1Medical Technology LLCNIRScout
Occulus Rift DK2OcculusVR HMD
PowerMate USB Multimedia ControllerGriffin ТехнологияNA16029кнопка в задаче
SuperLab 5.0Cedrus Corp.Синхронизация презентаций стимулов, связанных с NIRScout
Acquisition Software

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Appelros, P., Karlsson, G. M., Seiger, A., Nydevik, I. Neglect and anosognosia after first-ever stroke: incidence and relationship to disability. Journal of Rehabilitation Medicine. 34 (5), 215-220 (2002).
  2. Buxbaum, L., et al. Hemispatial neglect subtypes, neuroanatomy, and disability. Neurology. 62 (5), 749-756 (2004).
  3. Jehkonen, M., et al. Visual neglect as a predictor of functional outcome one year after stroke. Acta Neurologica Scandinavica. 101 (3), 195-201 (2000).
  4. Jehkonen, M., Laihosalo, M., Kettunen, J. Impact of neglect on functional outcome after stroke–a review of methodological issues and recent research findings. Restorative Neurology and Neuroscience. 24 (4-6), 209-215 (2006).
  5. Mizuno, K., et al. Prism adaptation therapy enhances rehabilitation of stroke patients with unilateral spatial neglect: a randomized, controlled trial. Neurorehabilitation and Neural Repair. 25 (8), 711-720 (2011).
  6. Shiraishi, H., Yamakawa, Y., Itou, A., Muraki, T., Asada, T. Long-term effects of prism adaptation on chronic neglect after stroke. NeuroRehabilitation. 23 (2), 137-151 (2008).
  7. Yang, N. Y., Zhou, D., Chung, R. C., Li-Tsang, C. W., Fong, K. N. Rehabilitation interventions for unilateral neglect after stroke: a systematic review from 1997 through 2012. , (2013).
  8. Rossetti, Y., et al. Prism adaptation to a rightward optical deviation rehabilitates left hemispatial neglect. Nature. 395 (6698), 166-169 (1998).
  9. Barrett, A., Goedert, K. M., Basso, J. C. Prism adaptation for spatial neglect after stroke: translational practice gaps. Nature Reviews Neurology. 8 (10), 567-577 (2012).
  10. Maxton, C., Dineen, R., Padamsey, R., Munshi, S. Don't neglect 'neglect'-an update on post stroke neglect. International Journal of Clinical Practice. 67 (4), 369-378 (2013).
  11. Gammeri, R., Turri, F., Ricci, R., Ptak, R. Adaptation to virtual prisms and its relevance for neglect rehabilitation: a single-blind dose-response study with healthy participants. Neuropsychol Rehabilitation. , 1-14 (2018).
  12. Saj, A., Cojan, Y., Assal, F., Vuilleumier, P. Prism adaptation effect on neural activity and spatial neglect depend on brain lesion site. Cortex. 119, 301-311 (2019).
  13. Redding, G. M., Wallace, B. Generalization of prism adaptation. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 32 (4), 1006-1022 (2006).
  14. Caplan, B., Mendoza, J. E. Encyclopedia of Clinical Neuropsychology. , Springer. 928(2011).
  15. Kim, W. S., Paik, N. J., Cho, S. 2017 International Conference on Virtual Rehabilitation (ICVR). , IEEE. 1-2 (2017).
  16. Munafo, J., Diedrick, M., Stoffregen, T. A. The virtual reality head-mounted display Oculus Rift induces motion sickness and is sexist in its effects. Experimental Brain Research. 235 (3), 889-901 (2017).
  17. Merhi, O. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. , SAGE Publications Sage CA. Los Angeles, CA. 2618-2622 (2018).
  18. Duh, H. B. L., Parker, D. E., Furness, T. A. Proceedings of 9th International Conference on Human-Computer Interaction. , Citeseer. New Orleans, LA, USA. 5-10 (2018).
  19. Prothero, J. D., Draper, M. H., Parker, D., Wells, M. The use of an independent visual background to reduce simulator side-effects. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 70, 3 Pt 1 277-283 (1999).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Virtual Prism Adaptation TherapyPrism Adaptation TherapyFunctional Near Infrared SpectroscopyVirtual Reality SystemDepth Sensing CameraCortical Activation MeasurementHemispatial Neglect RehabilitationPointing Error AnalysisfNIRS Montage SetupVR Head Mounted Display

Related Articles