Introduction
A esclerose lateral amiotrófica (ELA) é uma doença neurodegenerativa fatal geralmente levando à morte dentro de 3 a 5 anos. No decurso da patologia, os pacientes apresentam-se com a perda progressiva de funcionamento respiratória e bulbar, bem como deficiências na capacidade de movimento 1. Ele compartilha algumas características clínicas, patológicas e genéticas com demência frontotemporal 2 e é bem documentado que cerca de 30% dos pacientes com ELA apresentam déficits cognitivos 3. Estes défices são mais proeminentes nos domínios da função executiva, fluência verbal e linguagem 4 e ter uma influência na sobrevida em 5, 6 e cumprimento cuidador carga 7. Assim, a avaliação neuropsicológica confiável é crucial nesta doença.
Avançando deficiências em habilidades motoras e de fala são, no entanto, um fator limitante para avaliação completa de habilidades cognitivas em estágios posteriores da doença 8. Delae, abordagens baseadas oculomotores parecem ser muito promissoras, como controlo de base movimento ocular permanece intacta durante um tempo comparativamente longo durante o curso da ELA para a maioria dos pacientes 9. -Se parâmetros de rastreamento ocular têm sido usados para obter informações sobre o estado cognitivo dos pacientes com ALS 10 e também se correlacionam com o padrão de disseminação sequencial de ALS 11. O movimento do olho, como um meio para controlar testes cognitivos no contexto de ALS também tem sido estudado em trabalhos anteriores. Um estudo demonstrou com sucesso a sua usabilidade em controles saudáveis utilizando uma versão com base oculomotor do Trail-Making Test 12, enquanto outro encontrou-o adequado para distinguir entre controles saudáveis e pacientes com ELA com base no desempenho cognitivo e de discriminar entre pacientes cognitivamente mais e menos prejudicada 13.
A pesquisa descrita aqui utilizada uma metodologia baseada oculomotor para estudar alterações cognitivas em ALpacientes S, especificamente no domínio do funcionamento executivo. Dois testes neuropsicológicos bem validados e comumente usados foram adaptados para controlar o movimento dos olhos: matrizes do Corvo coloridos progressivos (CPM) 14 e o D2-teste 15. O CPM é um instrumento não-verbal usado para medir habilidades executivas e viso-espaciais, bem como inteligência fluida. O D2-teste também é uma ferramenta não-verbal utilizado para descobrir disfunção executiva nos domínios da atenção seletiva e sustentada e velocidade de processamento visual. Ambos são amplamente utilizados instrumentos clínicos que foram empregues com sucesso em estudos anteriores que avaliam o declínio cognitivo potencial durante o curso da doença e o estado 16 neuropsicológica de pacientes de ALS em comparação com controlos saudáveis 17.
O objetivo deste trabalho foi mostrar os requisitos de avaliação bem-sucedida de déficits cognitivos em ALS independente do movimento e fala deficiência usando um reliable, versão baseada eye-tracking da CPM e da D2-teste. Mais importante, o método descrito aqui tem o potencial de ser expandido para estudar outras populações de pacientes com deficiências motoras graves.
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Protocol
O estudo foi aprovado pelo Comitê da Universidade de Ulm (Declaração No. 19/12) Ética e o protocolo descrito, portanto, segue suas orientações. Todos os participantes assinaram termo de consentimento.
1. Estímulos e Ambiente de Teste
- Para manter as distrações ao mínimo realizar a pesquisa em um escuro ou um quarto muito mal iluminado e silencioso.
- Use um dispositivo de rastreamento visual apropriado.
NOTA: Há uma grande variedade de dispositivos disponíveis para efectuar estudos de movimento do olho. Na presente pesquisa foi utilizado um dispositivo de gravação de movimento ocular portátil com óculos de proteção, que sincronicamente medir posições de olho binocular, usando duas câmeras integradas com um diodo emissor de luz infravermelha (IR LEDs), um para cada olho 18.- Para garantir eye-tracking ideal, ajuste as câmeras manualmente inclinando-los em todos os 6 graus de liberdade (3 translacional, 3 rotacional) até a detecção de movimento dos olhos é o ideal.
NOTA:As medições do sistema são exibidos em tempo real na tela de um experimentador para monitorar a qualidade de gravação e comportamento de resposta dos participantes. As principais características do sistema são descritas abaixo e especificações detalhadas são apresentadas na Tabela 1.
- Para garantir eye-tracking ideal, ajuste as câmeras manualmente inclinando-los em todos os 6 graus de liberdade (3 translacional, 3 rotacional) até a detecção de movimento dos olhos é o ideal.
- Implementar um paradigma teste oculomotor padronizado, que é capaz de detectar déficits de controle de movimento dos olhos.
NOTA: Esta pode ser uma série de tarefas como a perseguição ou sacádicos tarefas suaves, em que os participantes com controle de movimento do olho prejudicada executar mal (por exemplo, os métodos descritos por Gorges et al 2015 11.). Estes participantes tem que ser impedida de continuar os testes. - Tarefas atuais usando software apropriado que projeta os estímulos na tela de um hemi-cilíndrica através de um projetor montado acima da cabeça do sujeito 11. Além disso, garantir que um ponto de laser vermelho (diâmetro: 0,3 °, das posições: 10 ° vertical) está presente para o D2-teste.
- Acomodar os participantes em uma cadeira elevada com um descanso de queixo ajustável, de modo que a distância olho-no-ecrã é de aproximadamente 150 cm.
- Uso conjunto A e B do CPM (12 estímulos para cada conjunto) para a primeira parte da experiência. Mostra a estes estímulos como a 22 ° / 15 ° longos elevados com seis matrizes possíveis alternativas descritos abaixo, que podem caber num espaço de alta 6 ° de largura e 5 ° em branco cortada a partir da matriz.
- Para o D2-teste, usar os cinco blocos com 47 estímulos, correspondente à linha 2-6 da D2-teste padrão de 15, e descrevem-los um estímulo após o outro no meio do ecrã com uma altura de 11 ° e uma largura de 2,5 °. Certifique-se de cada estímulo tem a duração de 2.000 ms.
2. A execução do Experimento
- Antes do experimento começa, peça aos participantes para preencher um formulário de consentimento informado por escrito para garantir o estudo está de acordo com padrões éticos.
- Dar instruções geraissobre a finalidade eo procedimento do experimento e controle de drogas CNS-ativas, ou seja, pedir ao participante se ele / ela está a tomar qualquer medicação que afeta o estado de alerta e desempenho, portanto, cognitivo.
- Desligue todos os dispositivos que podem ser uma perturbação potencial, tais como telefones celulares ou pagers.
- participantes acomodar confortavelmente com o resto queixo na posição ideal. Certifique-se que toda a tela é visível e pedir ao participante para manter a postura durante todo o experimento.
- Peça aos participantes para colocar sua cabeça no descanso de queixo e colocar os óculos videooculography sobre sua cabeça. Ajustá-los para indivíduo cabeça tamanho / formato.
NOTA: Assim, o melhor compromisso possível entre conforto para o participante e risco mínimo de indesejado escorregar durante a medição deve ser feita. - Certifique-se que ambos os olhos são visíveis na tela do experimentador, onde as imagens das duas câmeras de gravação de movimento do olho dentro do goggles são exibidos e, em seguida, concentrar as câmeras para centralizar as imagens na tela.
NOTA: Isto é importante para a detecção e rastreamento do aluno ideal como uma acuidade inadequada pode levar a um sinal perturbado. - Para garantir a gravação contínua de movimentos dos olhos em todos os momentos, iniciar a calibração do sistema, instruindo o participante para olhar em cada canto da tela do hemi-cilíndrica. No caso de o sinal se perde, mudar o ângulo da câmara de acompanhamento respectivo pupila do olho para resolver o problema.
- Comece o paradigma testes oculomotor padronizado descrito acima e excluir todos os pacientes com deficiência visual substanciais como estes irão causar o desempenho da tarefa corrompido.
- Instruir o participante para acompanhar um único ponto na tela, oscilando horizontalmente (± 20 °) e depois na vertical (± 15 °) com uma frequência de 0,125 Hz para mapear os dados não-calibrados ortogonalizados "brutos" do dispositivo de gravação de movimento dos olhos Wom relação à posição dos olhos ortogonalizados "verdadeiro" para a calibração do sistema.
- Verifique se a calibração é aceitável, isto é, se o "verdadeiro" movimento dos olhos e os dados "brutos" são espacialmente e temporalmente sincronizado e, em seguida, instruir o participante para não mover a cabeça, pois isso pode resultar em qualidade de dados ruim.
NOTA: Posição do dispositivo videooculography e o sujeito deve ser parado durante o decurso da experiência, de modo que não há necessidade de recalibração. - Explique o procedimento da sessão de treino para o CPM:
- Instrua os assuntos para identificar as peças que faltam abaixo as próximas matrizes exibidos na tela hemi-cilíndrico para que eles tenham tempo infinito. Depois de fazer uma escolha, tem o assunto fechar os olhos por pelo menos 250 ms para começar uma moldura verde que define todas as possíveis alternativas de peças que faltam para 1.500 ms cada.
- Tem o participante escolhera alternativa eles acham que é correto, fechando os olhos por pelo menos 250 ms, enquanto a sua escolha é enquadrado.
- Projetar a escolha separadamente na tela de hemi-cilíndrica. Peça aos participantes para confirmar. Se o participante confirma, instruí-los a fechar os olhos novamente por pelo menos 250 ms.
- Instrua os participantes que o próximo estímulo (matriz com 6 alternativas de peças que faltam) será automaticamente (novamente, apresentados pelo software descrito no passo 2) aparecem e que isso será feito quatro vezes com estímulos de treinamento tomadas a partir conjunto AB do CPM 14 .
- Responder a quaisquer perguntas assuntos pode ter sobre o procedimento. Em seguida, instruir os participantes para escolher a peça que faltava da matriz, como eles aprenderam durante a sessão de treinamento e iniciar o CPM (Figura 1).
- Explique o procedimento da sessão de treino para o D2-teste:
- Instrua os participantes a dirigir o olhar ao center da tela e observar 47 estímulos separadamente (47 d's correspondente a linha 1 do D2-teste standard).
- Instrua os participantes a olhar para o ponto de laser vermelho posicionado acima dos estímulos sempre que um "d" com dois traços é apresentado até a próxima estímulo aparece. NOTA: Se não houver estímulo alvo é apresentado o olhar precisa ser focada no centro da tela onde o próximo estímulo será apresentado.
- Responder a quaisquer perguntas assuntos pode ter sobre o procedimento. Em seguida, instruir o participante da marca para os seguintes cinco blocos de 47 estímulos, semelhante à sessão de treinamento e iniciar o D2-teste.
- Para controle de qualidade, inspecionar os dados obtidos a partir de cada sessão para cada assunto com cuidado (visualmente por um pesquisador treinado). Verifique se a qualidade dos dados está corrompido, por exemplo, devido a dificuldades técnicas, movimentos oculares danificados ou mal-entendidos.
- Obrigado assuntos para sua participação e responder todas as perguntasdurante a experiência.
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Representative Results
Para o propósito da pesquisa aqui apresentada, ou seja, o desenvolvimento de um oculomotor confiável com base avaliação neuropsicológica para pacientes com ELA, desenvolvido in-house software armazena escolhas do sujeito do CPM em um arquivo separado, permitindo o cálculo manual da porcentagem de correta respostas. Para o D2-teste, um registo dos movimentos oculares verticais são analisados manualmente usando um limiar de + 5 ° para a detecção de uma resposta relevante. As gravações são atribuídos a cada apresentação do estímulo e porcentagem de acertos pode, posteriormente, ser computada. Há muitas opções disponíveis de como os dados podem ser analisados, quer com base na inspeção visual dos movimentos oculares ou totalmente informatizado, dependendo das tarefas neuropsicológicos utilizados.
A Figura 2 mostra a boa congruência entre o oculomotor e da versão padrão (ou seja, aplicados de acordo com protocolo padrão de versões em papel a ser marcado com um lápis) da CPM, em uma amostra de pacientes com ELA (R = 0,712;. p = 0,001) Figura 3 mostra os resultados de uma comparação entre cognitivamente mais e menos ALS pacientes debilitados, indicando diferenças estatisticamente significativas grupo no CPM (p <0,001) e o D2-teste (p = 0,024) 13. Isso confirma a capacidade de utilização desta técnica, uma vez que distingue de forma confiável entre mais e menos prejuízo cognitivo pacientes com ELA.
Figura 1. Ilustração de Eye-tracking CPM Baseado Exemplo do processo de selecção CPM como exibido na tela participantes (painel superior), com seus traços correspondentes da horizontal (linha superior) e (linha inferior) posições oculares verticais (painel inferior).; uma barra de escala indicaTing tempo é dada na parte inferior da Figura. Quando o sujeito decidiu mentalmente para uma escolha, o movimento de um quadro verde ao longo das alternativas apresentadas de peças que faltam, que é desencadeada por um piscar prolongada do assunto (A). Selecção de uma alternativa de uma peça em falta é realizada por outro piscar prolongada do objecto (B). Posteriormente, apresentação de escolha do sujeito aparece separadamente e confirmação da escolha é feita através de fechar os olhos do assunto para pelo menos 250 ms (C). Modificado de Keller et al. 2015 13. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 :. congruência entre as Oculomotor e versão padrão do tele CPM. Correlação entre os resultados do padrão e da condição oculomotor do CPM. Dada é a percentagem de respostas correctas na oculomotor (eixo X) eo lápis-papel padrão (eixo y) condição do CPM em pacientes com ELA (R = 0,712; p = 0,001). Por favor clique aqui para ver uma maior versão desta figura.
Figura 3. Comparação entre mais e menos perturbações cognitivas pacientes. Os pacientes foram divididos em mais e menos cognitivamente prejudicada de acordo com uma divisão mediana em seus resultados na tela do Edinburgh Cognitiva e Comportamental ALS (ECAS) 19, uma ferramenta padrão na avaliação neuropsicológica de ALS pacientes. São mostrados boxplots representando a porcentagem de acertos no olho-traversões cking do CPM eo teste D2 para ambos os grupos. As barras de erro indicam o percentual maior ea menor marcou. Modificado de Keller et al. 2015 13. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| PARÂMETRO | VALOR |
| Câmeras | 2 |
| IR LED Comprimento de onda | > 850 nm |
| Peso total Cabeça Mount | 60 g |
| Taxa de amostragem | 220 Hz |
| Resolução espacial | 0,05 ° - 0,1 ° |
| Nível de ruído | 0.015 ° |
| Precisão | 1 ° |
| Distância Camera-Eye | ~ 50 mm |
Tabela 1: especificações do sistema Videooculography parâmetros importantes e os seus respectivos valores do sistema utilizado..
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Discussion
É uma tarefa desafiadora para avaliar com sucesso o estado cognitivo dos pacientes com ALS que são incapazes de falar e escrever. A utilização de sistemas de videooculography fornece uma abordagem promissora. A técnica aqui apresentada é fiável na detecção de deficiências cognitivas, que desempenham um papel essencial no contexto da carga prestador de cuidados e gestão da doença em 20 pacientes com ELA. Além disso, as versões oculomotoras da CPM e da D2-teste correlação significativa com as respectivas versões padrão papel-lápis, mas um apoio adicional é necessário para reivindicar a utilidade em um contexto clínico.
O pesquisador precisa ter certeza de que as gravações de movimento dos olhos são como o ruído livre quanto possível para permitir a qualidade dos dados suficientes. Portanto, é importante para os pesquisadores para selecionar um dispositivo de gravação de movimento dos olhos com uma taxa de amostragem adequada. Normalmente, as taxas de amostragem variam entre 50 Hz e 1000 Hz. Em geral, o MeasureMe oculomotor mais subtilNTS são necessárias para a tarefa, a maior resolução temporal, tem de ser usado. Ele precisa ser concluiu que as taxas de amostragem mais altas normalmente exigem uma restrição maior de movimento da cabeça. Além disso, para permitir uma taxa de amostragem mais alta, os investigadores podem gravar o movimento de apenas um olho. Outro parâmetro importante é a precisão espacial, que é expressa em graus de ângulo visual e neste trabalho é de 0,05 ° - 0,1 °, dependendo do tamanho da pupila. Mais uma vez, maiores as exigências de acuidade visual na tarefa da melhor resolução espacial precisa ser. Além disso, uma questão importante na qualidade dos dados obtidos oculomotoras é o movimento da cabeça, que tem de ser limitada a um mínimo tolerável. A maioria dos estudos de rastreamento ocular usar um descanso de queixo e / ou um dispositivo de cabeça montado. Se possível, combine as duas opções, pois isso restringe o movimento da cabeça e de seus fatores de confusão que acompanham a maioria. No entanto, isto não é possível em todos os pacientes, por exemplo., Pacientes com deficiências físicas muito graves, e, em seguida, pode ser alteradade acordo com as capacidades do indivíduo. Deve também ser notado que dispositivos mais recentes, que calculam a posição do olho através de uma pequena câmara estacionária colocada em frente do objecto por baixo da tela em que estímulos são apresentados, não necessitam de óculos ou um apoio de queixo, ao mesmo tempo, suficientemente correcção para os movimentos da cabeça .
Os testes cognitivos são intercambiáveis com outros testes neuropsicológicos padrão, dependendo do domínio cognitivo alguém está interessado em. Para usar outros testes em pacientes com ELA, eles só precisam de ser adaptados a um formato em que as respostas podem ser dadas usando os movimentos dos olhos. Especialmente tendo em conta o avanço tecnológico rápido no campo de rastreamento de olho, aumentando ainda mais acuidade, flexibilidade e praticidade, esta metodologia pode também ser adequado para uma grande variedade de questões de pesquisa cognitivas em diferentes amostras clínicas.
Alguns pacientes podem ser muito prejudicada em suas habilidades cognitivas para entender corretamente the instruções de tarefas utilizados neste estudo. Uma outra limitação grave para o uso de tecnologias de rastreamento ocular em pacientes com ELA são anormalidades oculomotoras potenciais, ou mesmo a perda completa de controle de movimento dos olhos, anteriormente relatados em pacientes com a doença 21,22. Estas anomalias são muito sutis em estágios iniciais da doença e sequencialmente impacto funções oculomotoras mais básicas no progresso da ALS patologia 11.
O protocolo aqui apresentado é, portanto, apenas adequado para esses pacientes com ELA incapazes de falar e escrever, mas ainda capaz de controlar os seus movimentos oculares. Este, porém, engloba um comparavelmente grande grupo, para o qual informação fiável sobre o estado cognitivo é crucial 23. Para pacientes com nenhum controle do movimento ocular satisfatória ou a capacidade de piscar, este protocolo não é adequado. No entanto, uma outra maneira mão e motor da fala livre para avaliar a função cognitiva nestes casos é o controle de interface cérebro-computador, comofoi feito em trabalhos recentes 24.
A técnica apresentada aqui é rápido, fácil de administrar, user-friendly e potencialmente permite que médicos e pesquisadores para realizar avaliação neuropsicológica com pacientes que estão gravemente deficientes físicos e, portanto, não são capazes de passar por testes em papel-lápis mais, tais como - mas não necessariamente limitando a - pacientes com ALS, usando um dispositivo de rastreamento ocular.
Ele fornece uma oportunidade para obter informações sobre possíveis déficits cognitivos em pacientes com paralisia completa, ou seja, informações que, em seguida, desempenha um papel crítico no contexto da vida prolongando tratamentos terapêuticos e de fim de vida de tomada de decisão em ALS 6,25.
No futuro, os dispositivos móveis com alta acuidade e na cabeça movimento tolerabilidade que pode ser tratada de forma mais flexível pode ser usado para avaliar confortavelmente cognição em pacientes imóveis ao lado da cama, eliminAting a necessidade de um ambiente de teste especial. Além disso, é necessária a utilização de outros procedimentos experimentais, possivelmente mais sofisticados de rastreamento ocular controlados para avaliar os déficits cognitivos mais sutis em pacientes gravemente prejudicada.
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Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer a Ralf Kühne para suporte técnico. Este trabalho foi financiado pelo Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) eo Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF # 01GM1103A). Este é um projeto do Programa Conjunto-Neurodegenerativas Doença de Investigação da UE (JPND). O projeto é apoiado pelas seguintes organizações sob a égide da JPND- eg., Alemanha, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, FKZ), Suécia, Vetenskaprådet Sverige, Polónia, Narodowe Centrum Badan i Rozwoju (NCBR).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EyeSeeCam | EyeSeeTec GmbH; 82256 Fürstenfeldbruck, Germany | Videooculography device |
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