Eye-Tracking Control cognitieve functies bij patiënten beoordelen met Amyotrofische Lateraal Sclerose

Summary

Cognitieve tekorten komen vaak voor bij ongeveer een derde van de patiënten met amyotrofische laterale sclerose, een neurologische aandoening die leidt tot progressieve beperkingen in spraak- en bewegingsvermogen. Om cognitieve tests uit te voeren bij patiënten die niet kunnen spreken of schrijven, werd een betrouwbaar en eenvoudig te beheersen oogvolgparadigma ontwikkeld.

Abstract

Amyotrofische laterale sclerose (ALS) is een neurodegeneratieve aandoening met pathologische betrokkenheid van bovenste en onderste motoneuronen, wat vervolgens leidt tot progressieve verlies van motorische en spraakvermogens. Bovendien zijn cognitieve functies aangetast bij een deel van de patiënten. Om deze mogelijke tekorten te evalueren bij ernstig fysiek gehandicapte ALS-patiënten, is eye-tracking een veelbelovende manier om cognitieve tests uit te voeren. Het huidige artikel richt zich op hoe oogbewegingen, een indirecte communicatiemiddel voor fysiek gehandicapte patiënten, kunnen worden gebruikt om een gedetailleerd neuropsychologisch onderzoek mogelijk te maken. De vereisten, in termen van oculomotorische parameters die moeten worden voldaan voor voldoende eye-tracking bij ALS-patiënten, worden gepresenteerd. De eigenschappen van stimuli, inclusief het type neuropsychologische tests en de stijl van presentatie, die het meest geschikt zijn om cognitieve functies succesvol te beoordelen, worden ook beschreven. Verder worden aanbevelingen met betrekking tot procedurele vereisten gegeven. Over het algemeen biedt deze methodologie een betrouwbare, eenvoudig te toedienen en snelle benadering voor het beoordelen van cognitieve tekorten bij patiënten die niet kunnen spreken of schrijven, zoals patiënten met ernstige ALS. De enige storende factor zou kunnen zijn tekorten in vrijwillige oogbewegingscontrole bij een deel van de ALS-patiënten.

Introduction

Amyotrofe laterale sclerose (ALS) is een fatale neurodegeneratieve aandoening die gewoonlijk leidt tot de dood binnen 3 tot 5 jaar. Tijdens de pathologie, patiënten vertonen progressieve verlies van respiratoire en bulbaire functioneren en stoornissen in verplaatsingsmogelijkheden ^1. Het deelt sommige klinische, pathologische en genetische kenmerken met frontotemporale dementie ² en het is goed gedocumenteerd dat ongeveer 30% van de ALS-patiënten vertonen cognitieve tekorten ^3. Deze tekorten zijn het meest prominent in de domeinen van de uitvoerende functie, verbale vloeiendheid en taal ⁴ en hebben een invloed op de overleving ^5, compliance ⁶ en verzorger last ^7. Zo betrouwbaar neuropsychologisch onderzoek is cruciaal in deze ziekte.

Voortschrijdende stoornissen in motorische en spraak vermogens zijn echter een beperkende factor voor een grondige evaluatie van cognitieve vaardigheden in latere stadia van de ziekte ^8. Haare, oculomotorische benaderingen lijken veelbelovend te zijn als basis oogbeweging intact een relatief lange tijd in de loop van ALS voor de meeste patiënten ⁹ blijft. Eye-tracking parameters zelf zijn gebruikt om informatie te verkrijgen over het cognitief functioneren van patiënten met ALS ¹⁰ en ook correleren met de sequentiële strooibeeld van ALS ^11. oogbeweging als middel om cognitieve tests besturen in het kader van ALS is ook onderzocht in eerdere werken. Een studie heeft met succes de bruikbaarheid aangetoond bij gezonde controles met behulp van een oculomotor gebaseerde versie van de Trail-Making Test ^12, terwijl een ander vond het geschikt is om onderscheid te maken tussen gezonde controles en ALS patiënten op basis van cognitieve prestaties en onderscheid te maken tussen cognitief meer en minder gestoorde patiënten ^13.

De hier beschreven onderzoek gebruik gemaakt van een oculomotor gebaseerde methodologie om de cognitieve stoornissen in AL bestuderenS patiënten, in het bijzonder op het gebied van executief functioneren. Twee goed gevalideerd en algemeen gebruikte neuropsychologische tests werden aangepast aan oogbeweging controle: de Raven's gekleurde progressive matrices (CPM) ¹⁴ en de D2-toets ^15. De CPM is een non-verbale instrument gebruikt om de uitvoerende en de visueel-ruimtelijke vaardigheden en vloeibare intelligentie te meten. De D2-test is ook een non-verbale instrument dat wordt gebruikt om de uitvoerende disfunctie in de domeinen van selectieve en volgehouden aandacht en visuele verwerkingssnelheid bloot te leggen. Beide worden op grote schaal gebruikt klinische instrumenten die met succes zijn toegepast bij eerdere studies beoordeling van potentiële cognitieve achteruitgang in de loop van de ziekte ¹⁶ en neuropsychologische status van ALS patiënten vergeleken met gezonde controles ^17.

Het doel van dit werk was om de eisen voor een succesvolle evaluatie van cognitieve stoornissen in ALS onafhankelijk van de beweging en spraak een handicap met behulp van een rel te toneniable, eye-tracking-based versie van de CPM en de D2-toets. Belangrijk is dat de hier beschreven werkwijze heeft het potentieel om te worden uitgebreid naar andere populaties van patiënten met ernstige motorische stoornissen bestuderen.

Protocol

De studie werd goedgekeurd door de Ethische Commissie van de Universiteit van Ulm (Verklaring nr. 19/12) en het beschreven protocol volgt daarom hun richtlijnen. Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming.

1. Stimuli en testomgeving

1. Om afleiding tot een minimum te beperken, voer het onderzoek uit in een donkere of zeer zwak verlichte en stille ruimte.
2. Gebruik een geschikt oogvolgapparaat.
   OPMERKING: Er is een breed scala aan apparaten beschikbaar om oogbewegingsstudies uit te voeren. In het huidige onderzoek werd een draagbaar oogbewegingsopnameapparaat met een bril gebruikt, dat synchrone binoculaire oogposities meet met behulp van twee geïntegreerde camera's met een infraroodlichtemitterende diode (IR LED's), één voor elk oog¹⁸.
   1. Om een optimale oogvolging te garanderen, pas de camera's handmatig aan door ze in alle 6 vrijheidsgraden (3 translationeel, 3 rotatie) te kantelen tot de detectie van oogbewegingen optimaal is.
      OPMERKING: De metingen van het systeem worden in realtime weergegeven op het scherm van de onderzoeker om de opnamekwaliteit en het reactiegedrag van de deelnemers te controleren. De belangrijkste kenmerken van het systeem worden hieronder beschreven en gedetailleerde specificaties worden gegeven in Tabel 1.
3. Implementeer een gestandaardiseerd oculomotorisch testparadigma dat in staat is om tekortkomingen in de controle van oogbewegingen te detecteren.
   OPMERKING: Dit kan een reeks taken zijn zoals gladde achtervolging of saccadetaken, waarbij deelnemers met een verminderde oogbewegingscontrole slecht presteren (bijv. de methoden beschreven door Gorges et al. 2015¹¹). Deze deelnemers moeten worden uitgesloten van verder testen.
4. Presenteer taken met behulp van geschikte software die de stimuli projecteert op een hemi-cilindrische scherm via een projector gemonteerd boven het hoofd van de proefpersoon¹¹. Zorg er bovendien voor dat een rode laservlek (diameter: 0,3°, positie: 10° verticaal) aanwezig is voor de D2-test.
5. Laat de deelnemers plaatsnemen op een verhoogde stoel met een verstelbare kinsteun, zodat de afstand oog-scherm ongeveer 150 cm is.
6. Gebruik set A en B van de CPM (12 stimuli voor elke set) voor het eerste deel van het experiment. Toon deze stimuli als 22° lange/15° hoge matrices met zes mogelijke alternatieven hieronder afgebeeld, die in een 6° brede en 5° hoge blanco ruimte kunnen passen die uit de matrix is gesneden.
7. Voor de D2-test, gebruik de vijf blokken met 47 stimuli, overeenkomend met regel 2 - 6 van de standaard D2-test¹⁵, en toon ze een voor een in het midden van het scherm met een hoogte van 11° en een breedte van 2,5°. Zorg ervoor dat elke stimulus 2.000 msec duurt.

2. Het experiment uitvoeren

1. Vraag de deelnemers vóór het begin van het experiment om een schriftelijke geïnformeerde toestemmingsformulier in te vullen om ervoor te zorgen dat het onderzoek in overeenstemming is met ethische normen.
2. Geef algemene instructies over het doel en de procedure van het experiment en controleer op geneesmiddelen die het centraal zenuwstelsel activeren, d.w.z. vraag de deelnemer of hij/zij momenteel medicijnen gebruikt die de alertheid en daarom de cognitieve prestaties beïnvloeden.
3. Schakel alle apparaten uit die een mogelijke storing kunnen veroorzaken, zoals mobiele telefoons of pagers.
4. Laat de deelnemers comfortabel zitten met de kinsteun in de optimale positie. Zorg ervoor dat het hele scherm zichtbaar is en vraag de deelnemer om gedurende het hele experiment in dezelfde houding te blijven.
5. Vraag de deelnemers om hun hoofd op de kinsteun te plaatsen en de videooculografiebril op hun hoofd te zetten. Pas ze aan op de individuele hoofdgrootte/vorm.
   OPMERKING: Daarbij moet het best mogelijke compromis tussen comfort voor de deelnemer en minimaal risico op ongewenst verschuiven tijdens de meting worden gemaakt.
6. Zorg ervoor dat beide ogen zichtbaar zijn op het scherm van de onderzoeker, waar de beelden van de twee oogbewegingsopnamecamera's in de bril worden weergegeven en focus vervolgens de camera's om de beelden op het scherm te centreren.
   OPMERKING: Dit is belangrijk voor een optimale detectie en volgen van de pupil, omdat een onjuiste scherpte kan leiden tot een verstoord signaal.
7. Om een continue opname van oogbewegingen te garanderen, start de kalibratie van het systeem door de deelnemer te instrueren om in elke hoek van het hemi-cilindrische scherm te kijken. Als het signaal verloren gaat, verander dan de hoek van de camera die de betreffende pupil van het oog volgt om het probleem op te lossen.
8. Start het gestandaardiseerde oculomotorische testparadigma dat hierboven is beschreven en sluit alle patiënten met substantiële visuele beperkingen uit, omdat deze een vervormde taakuitvoering zullen veroorzaken.
9. Instrueer de deelnemer om een enkele vlek op het scherm te volgen, oscillerend horizontaal (± 20°) en vervolgens verticaal (± 15°) met een frequentie van 0,125 Hz om de niet-gekalibreerd orthogonale 'raw' data van het oogbewegingsopnameapparaat met betrekking tot de 'ware' orthogonale oogpositie voor kalibratie van het systeem in kaart te brengen.
10. Controleer of de kalibratie acceptabel is, d.w.z. of de 'ware' oogbeweging en de 'raw' data ruimtelijk en tijdelijk gesynchroniseerd zijn en instrueer de deelnemer om het hoofd niet te bewegen, omdat dit tot slechte gegevenskwaliteit kan leiden.
    OPMER

Results

Voor het doel van het hier gepresenteerde onderzoek, d.w.z. de ontwikkeling van een betrouwbare oculomotorische neuropsychologische beoordeling voor ALS-patiënten, slaat in-house ontwikkelde software de keuzes van de proefpersonen van de CPM op in een apart bestand, waardoor handmatige berekening van het percentage juiste antwoorden mogelijk is. Voor de D2-test wordt een record van de verticale oogbewegingen handmatig geanalyseerd met een drempel van + 5° voor detectie van een re...

Discussion

Het is een uitdagende taak om met succes de cognitieve status van patiënten met ALS te beoordelen die niet kunnen spreken en schrijven. Het gebruik van videooculografiesystemen biedt een veelbelovende aanpak. De hierbij gepresenteerde techniek is betrouwbaar in het detecteren van cognitieve deficiënties, die een cruciale rol spelen in de context van zorglast en ziektebeheer²⁰ bij ALS-patiënten. Ook correleren de oculomotorische versies van de CPM en de D2-test significant met hun respectieve standaardpapier-po...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
EyeSeeCam	EyeSeeTec GmbH; 82256 Fürstenfeldbruck, Duitsland		Videooculografie apparaat