Terapia de Adaptação virtual de Prisma: Protocolo para Validação em Adultos Saudáveis

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Summary

Este protocolo experimental demonstra o uso da terapia de adaptação de prismas virtuais (VPAT) em adultos saudáveis e a associação entre VPAT e espectroscopia funcional perto do infravermelho para determinar o efeito do VPAT na ativação cortical. Os resultados sugerem que o VPAT pode ser viável e pode induzir adaptação comportamental semelhante à terapia convencional de adaptação de prismas.

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Cho, S., Kim, W. S., Park, S. H., Park, J., Paik, N. J. Virtual Prism Adaptation Therapy: Protocol for Validation in Healthy Adults. J. Vis. Exp. (156), e60639, doi:10.3791/60639 (2020).

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Abstract

Negligência hemiespacial é um prejuízo comum após o Derrame. Está associado a resultados funcionais e sociais ruins. Portanto, uma intervenção adequada é imprescindível para a gestão bem-sucedida da negligência hemiespacial. No entanto, o uso clínico de várias intervenções é limitado na prática clínica real. A terapia de adaptação do prisma é uma das modalidades de reabilitação mais baseadas em evidências para tratar a negligência hemiespacial. Para superar qualquer possível deficiência que possa ocorrer com a terapia prisma, desenvolvemos um novo sistema usando realidade virtual imersiva e câmera de sensoriamento de profundidade para criar uma terapia virtual de adaptação de prismas (VPAT). Para validar o sistema VPAT, projetamos um protocolo experimental que investiga os erros comportamentais e mudanças na ativação cortical através do sistema VPAT. A ativação cortical foi medida por espectroscopia funcional perto do infravermelho (fNIRS). O experimento consistia em quatro fases. Todos os quatro incluíram clicar, apontar ou descansar aplicado sem pessoas saudáveis. Clicar versus apontar foi usado para investigar a região cortical relacionada com a tarefa motora bruta, e apontar com VPAT versus apontar sem VPAT foi usado para investigar a região cortical associada à percepção visuoespacial. Os resultados preliminares de quatro participantes saudáveis mostraram que apontar erros pelo sistema VPAT foi semelhante à terapia convencional de adaptação de prismas. Podem ser necessárias análises posteriores com mais participantes e dados do FNIRS, bem como um estudo em pacientes com AVC.

Introduction

A negligência hemiespacial, que afeta a capacidade de perceber o campo visual hemiespacial contralateral, é uma deficiência comum após o AVC1,2. Embora a reabilitação após a negligência hemiespacial seja importante, devido à sua associação com desfechos funcionais e sociais ruins, a reabilitação é muitas vezes subutilizada na prática clínica real3,4.

Entre as várias abordagens de reabilitação existentes sugeridas para negligência hemiespacial, a terapia de adaptação de prismas (Pa) tem se mostrado eficaz para a recuperação e melhoria da negligência hemiespacial em pacientes com avc subagudo ou crônico5,6,7,8. No entanto, o PA convencional é subutilizado devido a várias desvantagens9,10. Estes incluem 1) alto custo e exigência de tempo devido à lente prisma que precisa ser alterada para ajustar-se ao grau de desvio; 2) a necessidade de configurar materiais adicionais a serem apontados e mascarar a trajetória da mão; e 3) Pa só pode ser usado por pacientes que podem sentar e controlar sua posição de cabeça.

Um estudo recente reproduzindo os efeitos de adaptação no ambiente de realidade virtual (VR) relatou que pode ser possível que a terapia virtual de adaptação de prismas (VPAT) tenha efeitos diferentes dependendo dos subtipos de negligência11. Também foi sugerido que a ativação cortical para Pa pode variar de acordo com lesões cerebrais12. No entanto, pouco se sabe sobre o padrão de ativação cortical visto em PA induzido por VR.

Para superar esses obstáculos e promover o uso de AF em um ambiente clínico, desenvolvemos um novo sistema de terapia pa usando uma tecnologia vr imersiva chamada terapia de adaptação de prismas virtuais (VPAT), através do uso de uma câmera de sensoriamento de profundidade. Projetamos um sistema VR imersivo com a capacidade de fornecer feedback visual sobre a posição de um membro virtual para promover o realinhamento espacial13. Usando essa tecnologia vr imersiva, que imitava o efeito do PA convencional, projetamos um experimento para validar o sistema VPAT em participantes saudáveis.

Ao conduzir nosso protocolo experimental visualizado, investigamos se o novo sistema VPAT pode induzir adaptação comportamental, semelhante à AF convencional. Além disso, gostaríamos de explorar se o sistema VPAT pode induzir a ativação nas regiões corticais associadas à percepção visuoespacial ou recuperação da negligência hemiespacial após o Derrame.

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Protocol

Todos os procedimentos foram revisados e aprovados pelo Conselho Nacional de Revisão Institucional do Hospital Bundang (IRB) da Universidade Nacional de Seul. Para recrutar participantes saudáveis, cartazes foram usados para anunciar em torno do hospital.

1. Configuração experimental

  1. Recrutamento de participantes
    1. Realizar o processo de triagem do assunto utilizando os seguintes critérios de inclusão: 1) saudável, entre 18 e 50 anos; 2) destro, avaliado pelo inventário de entregas de Edimburgo14; 3) capaz de usar o display de montagem da cabeça para VR e detectar objetos dentro de VR; e 4) nenhum histórico de doenças que afetam o cérebro, como derrame, doença de Parkinson ou lesão cerebral traumática.
      NOTA: Esses critérios foram projetados para selecionar os participantes com a capacidade de participar do experimento e regular fatores que afetam os resultados.
    2. Recrutar participantes e fornecer uma explicação detalhada de todo o estudo e problemas clínicos esperados. O consentimento deve ser obtido antes da inclusão.
  2. Sistema experimental
    NOTA: Um sistema VPAT personalizado usando um sistema VR imersivo e câmera de sensoriamento de profundidade foi usado. A espectroscopia infravermelha funcional (fNIRS) foi usada simultaneamente para investigar a ativação cortical. Vpat e fNIRS foram ligados juntos para o experimento (Figura 1).
    1. Sistema VPAT
      NOTA: O sistema VPAT consiste em um display de montagem da cabeça para implementação vr, um sensor de rastreamento manual que pode reconhecer gestos manuais para entrada intuitiva pelo usuário e um botão de pressão de hardware. A composição geral é mostrada na Figura 1.
      1. Certifique-se de que o sensor de rastreamento de mão não está inclinado na frente do display da montagem da cabeça.
      2. Verifique se a câmera de referência do sistema VR está devidamente instalada na parte superior do monitor frontal.
      3. Segure o botão de apertar em um local próximo à mão para ser usado pelo participante para o experimento.
      4. Execute o software para ter certeza de que não há erros.
        NOTA: O ambiente virtual foi implementado para combinar com o ambiente real o mais próximo possível. A tarefa foi realizada através do direcionamento manual dentro do ambiente virtual e entrada do botão através do botão de pressão.
    2. fNIRS
      1. Use um sistema comercial fNIRS, incluindo um computador pessoal (PC), 31 optodes (15 fontes de luz e 16 detectores), tampas eEG têxteis e software de gravação de dados.
    3. Ligação entre o sistema VPAT e fNIRS (Figura 1).
      1. Use o software de controle remoto do teclado usando a comunicação TCP/IP para sincronizar o evento inicial no sistema VPAT com o tempo de gravação no sistema fNIRS.
      2. Use a chave de comando remota no computador para iniciar a gravação do fNIRS.

2. Configuração experimental(Figura 2)

  1. configuração de medição fNIRS
    1. Coloque o participante em uma cadeira com as costas em uma postura reta, cerca de quinze centímetros de distância da mesa. Confirme que a mão do participante não bate na mesa ao chegar.
    2. Para a configuração da tampa fNIRS, selecione o tamanho da tampa de acordo com a circunferência da cabeça do participante. Coloque a tampa para que o vértice (Cz) esteja localizado no cruzamento do ponto médio entre a inion e a nasion e o ponto médio entre as áreas preauriculares esquerda e direita. Exibir a montagem na tela e conectar 15 fontes e 24 detectores à montagem. Se necessário, para melhorar o ganho da fonte de luz, use gel condutor após a preparação do cabelo e insira o optode. Mande o participante usar um boné de retenção.
      NOTA: O estudo utilizou três tamanhos diferentes de tampas eEG têxteis com circunferências de 54, 56 e 58 cm.
    3. Para configuração de software (calibração, etc.), execute o software do sistema fNIRS e carregue a montagem de negligência.
    4. Deixe a montagem ser exibida na tela e definir 15 fontes e 24 detectores de acordo com a montagem(Figura 3).
    5. Pressione o botão calibrar. Se "Lost" for exibido na tela, repita a preparação do cabelo e, em seguida, recalibrar.
  2. Configuração do sistema VPAT
    1. Conecte o HMD, a câmera de referência e a câmera de movimento Leap e aperte o botão que conecta o computador para configurar o sistema VPAT.
    2. Monte o display montado na cabeça de realidade virtual (VR HMD) na cabeça do participante sobre a tampa para fNIRS. Certifique-se de evitar o movimento da tampa.
    3. Execute o software VPAT. Digite as informações do participante (abreviação de nome, idade, handedness) e pressione o botão "Iniciar".
    4. Confirme a visualização da mão virtual no visor. Proceda com uma calibração de duas etapas (ou seja, calibração da tela e calibração de distância alvo).
    5. Instrua o participante a observar a marca da cruz vermelha (+) no centro e pressione a tecla "r" para calibrar a tela.
      NOTA: A calibração da tela coloca o espaço virtual na frente do alcance visual do usuário, recentemente ao sistema de coordenadas.
    6. Instrua o participante a apontar para o alvo (ou seja, bola) com sua mão direita, em seguida, pressione a tecla "O" para calibrar a posição da mão.
      NOTA: Em nosso estudo, o objeto que o participante teve que atingir era uma bola branca em uma vara rosa que desceu do topo da vista. A calibração de distância alvo coloca o alvo ao alcance do usuário. Isso é usado para posicionar corretamente o alvo durante o experimento.
    7. Após a calibração, pressione a chave"w" para começar o experimento.
  3. Configuração de linkage VPAT e fNIRS
    1. Use o software de sincronização do evento para inserir o gatilho para análise no fNIRS e conecte VPAT ao fNIRS.
    2. Para sincronização de tempo entre VPAT e fNIRS, conecte os computadores com os dois sistemas à mesma rede e, em seguida, sincronize-os através do programa de transferência de chaves auto-produzido.
    3. Depois de se conectar através das entradas IP e Port de ambos os computadores, inicie a sessão de experimentos através da chave "w" no programa VPAT. O software de sincronização do evento é executado automaticamente, e os gatilhos durante a execução são automaticamente transferidos para o fNIRS e salvos.
    4. Após o experimento, obtenha os dados de auto-rescisão e VPAT de software. Em seguida, pare o software do sistema VPAT e fNIRS.
      NOTA: Os participantes devem retornar as mãos à sua posição original após apontarem durante o experimento VPAT.

3. Experimento para validar sistema VPAT

  1. Experimento projetado em bloco com gravação fNIRS(Figura 4)
    1. Após concluir o processo de configuração na etapa 2, confirme a prontidão do participante para iniciar o experimento.
    2. Inicie o sistema VPAT sem o modo prisma e instrua o participante a apontar para o alvo no sistema VR imediatamente para familiarização com o procedimento.
    3. Cada fase consiste em blocos para apontar, clicar ou descansar(Figura 4). Novamente, instrua o participante a clicar no botão ou apontar para o alvo no sistema VR com o dedo indicador direito o mais rápido possível.
    4. Inicie o experimento com quatro fases simultaneamente com gravação do fNIRS clicando na tecla inicial.
      NOTA: Durante a tarefa de apontar, a bola branca teve que ser tocada dentro de um tempo fixo.
      1. Instrua os participantes a apontar, clicar ou descansar quando o ícone apropriado aparecer.
        NOTA: Durante a tarefa, apontar e clicar foram indicados por um ícone diretamente acima da bola branca e do lado direito da barra de cronometragem. O tempo para realizar a tarefa foi indicado pela barra do temporizador, como mostrado na Figura 2.
      2. Diga ao participante para tocar no alvo que aparece no lado esquerdo ou direito dentro de 3 s. Para o bloqueio de cliques, instrua o participante a pressionar o botão de pressão.
        NOTA: O conjunto de alvos contendo a bola branca foi localizado a uma distância de -10° ou 10° do centro do participante, obtido por calibração. O conjunto de alvos apareceu aleatoriamente no lado direito ou esquerdo. De acordo com o projeto experimental, o alvo apareceu para 3 s, depois desapareceu e depois se regenerou para uma nova posição.
      3. Certifique-se de que o participante se realize da mesma forma quando a fase for trocada.
        NOTA: Na tarefa de apontar, o Modo de Adaptação virtual prisma mostrou um desvio de 10° ou 20° para o lado esquerdo da mão imaginária no espaço VR em relação à cabeça do participante. Zero graus indicaram que as posições da mão virtual e da mão real coincidiram.
        NOTA: O experimento (Figura 4) consiste em um total de quatro fases, com cada fase consistindo em apontar e clicar ou descansar alternadamente (fase 1 e 4 estavam apontando e clicando, e as fases 2 e 3 estavam apontando e descansando).

4. Análise de dados

  1. Apontando análise de erro
    NOTA: Os dados foram armazenados a partir do momento em que o experimentador pressionou o botão de partida "w". Os dados foram armazenados automaticamente a cerca de 60 Hz a cada quadro através do software VPAT. O nome da fase, o tempo decorrido e a posição do dedo do índice virtual foram armazenados ao longo do tempo. O erro de apontamento foi o valor do ângulo entre o alvo e o dedo indicador, centrado na posição da cabeça do participante.
    1. Classifique os dados da tarefa por fases (pré-VPAT, VPAT 10°, VPAT 20°, pós-VPAT).
    2. Classifique os dados da tarefa de apontamento e a tarefa de clique nos dados de cada fase (fase 1 e 4).
    3. Classifique os dados por subfase em unidades de 30 s de acordo com cada fase e cada tipo de tarefa.
    4. Extrair o valor médio dos valores de erro de tentativa (erro de apontamento) dos dados da posição do dedo indicador para análise mediana de erro apontando.
    5. Use as repetidas medidas de análise do teste de variância (ANOVA) para analisar a diferença entre cada fase.
      NOTA: No caso do rastreamento manual usando o sensor de movimento Leap, os outliers foram devido à oclusão ou falsa detecção da postura da mão. Com exceção dos dados de posição falsa, o valor médio foi utilizado para encontrar o representante apontando valor de erro na subfase.
  2. processamento de dados fNIRS
    1. Inicie o software de análise fNIRS e carregue o arquivo de dados brutos e as informações da sonda.
    2. Realize um processo de definição de marcador editando o registro do evento para verificar cada condição durante o experimento.
    3. Realize o pré-processamento de dados excluindo os intervalos de tempo experimentalmente irrelevantes, remova artefatos, como passos e picos, e aplique filtros de frequência para excluir faixas de frequência experimentalmente irrelevantes.
      NOTA: Todos os conjuntos de dados foram filtrados com um filtro de alta passagem de 0,01 Hz e um filtro de passe baixo de 0,2 Hz para remover contribuições de ruído instrumental ou fisiológico.
    4. Especifique os comprimentos de onda digitando o valor dos comprimentos de onda de iluminação máxima (ou seja, 760 e 850 nm). Use uma distância física de 3 cm entre a fonte e o detector para canal.
    5. Selecione o campo de base, que se refere ao período de tempo que corresponde a uma linha de base em que os participantes normalmente descansam silenciosamente.
      NOTA: Selecionamos o campo de base como o curso em tempo integral do conjunto de dados, que foi a configuração padrão.
    6. Calcule a série de tempo de estados hemodinâmicos para terminar o pré-processamento a partir dos dados filtrados.

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Representative Results

Dados de quatro participantes saudáveis (1 homem e 3 mulheres) foram utilizados como resultados representativos. Um erro de apontamento é mostrado na Figura 5A,com as médias de valor médio de 10 ensaios na subfase de cada tarefa de apontamento com duração de 30 s. Os valores em média para os erros médios de apontamento no primeiro bloco de cada fase foram 0,45 ± 0,92 ±pré-VPAT), 4,69 ± 3,08 (VPAT 10°), 5,43 ± 2,22 ±VPAT 20°) e -5,17 ± 1,60 (pós-VPAT). A tendência de alteração de erro foi estatisticamente significante (p = 0,001) através das repetidas medidas ANOVA. Um erro de apontamento para cada assunto é apresentado na Figura 5B,ilustrando a adaptação durante a fase VPAT e adaptação pós-prismática (erro de apontamento negativo).

Figure 1
Figura 1: Configuração experimental com vpat e sistema de ligação fNIRS. VPAT = terapia de adaptação virtual de prismas; fNIRS = funcional perto da espectroscopia infravermelha. Este número foi publicado anteriormente por Kim et al.15Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 2
Figura 2: O sujeito realizando o experimento com o sistema VPAT e fNIRS. VPAT = terapia de adaptação virtual de prismas; fNIRS = funcional perto da espectroscopia infravermelha. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 3
Figura 3: Montagem contendo 54 canais organizando 15 fontes de luz (círculos vermelhos) e 24 detectores (círculos azuis) em intervalos de 3 cm. O espaço entre as fontes mais próximas e o detector constituiu um canal, que é representado como círculos amarelos com um número. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 4
Figura 4: Design experimental. VPAT = terapia de adaptação virtual de prismas; Pt = apontando; Cl = clicando; Re = descansando. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 5
Figura 5: Apontar erros em cada bloco. (A)Gráfico de valor médio do erro de apontamento mediano do sujeito em cada bloco. Esse número foi publicado anteriormente por Kim et al.15 (B) Erro de apontamento mediano em cada bloco por cada assunto. A direção anti-horário (ou seja, deixada do alvo) é o valor positivo. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Discussion

Este estudo implementou a terapia de adaptação do prisma usando um movimento de mão traduzido em um ambiente VR. Investigou se o desvio implementado estava causando superação de ângulo e adaptação comportamental, como na terapia convencional de adaptação de prismas.

No resultado médio do erro de apontamento (Figura 5) e no primeiro resultado de erro de apontamento, o erro de apontamento mudou significativamente quando a fase foi trocada. Embora alguns erros de reconhecimento manual tenham sido eliminados, ainda pode haver falsa detecção. O uso de um valor mediano para eliminar erros sistemáticos, como o falso rastreamento, mostrou que os resultados médios de erro de apontamento foram inferiores ao esperado. A adaptação pós-prismática era constantemente mostrada em cada assunto (Figura 5B). Esses resultados mostraram adaptação comportamental semelhante à terapia convencional de adaptação de prismas.

Houve alguns problemas no experimento. A falsa detecção da mão ocorreu com frequência na tarefa de apontar. Em alguns casos, embora a mão tenha atingido o alvo durante a apontou, a mão virtual não foi rastreada devido a um erro de reconhecimento de movimento Leap. Além disso, como os participantes usavam HMD na tarefa de clique, era difícil para eles localizar o botão de pressão e o experimentador tinha que prestar assistência contínua. O peso do HMD e sua aplicação de longo prazo também podem causar dor na área que entra em contato com o optode fNIRS. Portanto, houve momentos em que o HMD foi levantado ou os próprios participantes estavam segurando o HMD.

Se superarmos as deficiências do sistema e consolidarmos os resultados do experimento através de mais análisede dados, incluindo dados fNIRS, ele poderia potencialmente ser usado no tratamento da negligência visuoespacial. Além disso, conteúdos amigáveis ao jogo podem ser aplicados para apresentar uma modalidade de tratamento imersivo e divertido. No entanto, é necessário um estudo mais avançado com um sistema VPAT mais avançado que comprove a eficácia clínica em pacientes com derrame com negligência visuoespacial.

Vários estudos anteriores relataram doença de movimento induzida pelo uso de VR imersivo, ou conjuntos vr montados na cabeça16. A doença de movimento é relatada como pouco frequente se vr for implementada em posições sentadas17. O incompatibilidade de movimento também pode causar enjoo de movimento, mas pode ser reduzido configurando independentemente o fundo no ambiente virtual18,19. Neste sistema, apenas o ângulo de desvio de mão causou incompatibilidade de movimento, que deve ter menos impacto sobre a doença do movimento em geral.

Os participantes deste experimento eram adultos normais, por isso não havia problemas consistentes. No entanto, para serem utilizados como tratamento terapêutico para pacientes com AVC, as questões acima precisam ser consideradas, e protocolos virtuais de terapia prisma precisam ser levados em conta, como fazer pausas durante o tratamento ou o tempo de tratamento.

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Disclosures

Won-Seok Kim, Sungmin Cho e Nam-Jong Paik têm uma patente intitulada "Método, sistema e meio de gravação legível de criar estimulação visual usando modelo virtual", número 10-1907181, que é relevante para este trabalho.

Acknowledgments

Este estudo foi apoiado pelo Fundo nacional de pesquisa hospitalar da Universidade Nacional de Seul (14-2015-022) e pelo Ministério da Indústria do Comércio & Energia (MOTIE, Coreia), Ministério da Ciência e TIC (MSIT, Coreia) e Ministério da Saúde e Bem-Estar (MOHW, Coreia ), no âmbito do Programa de Desenvolvimento Tecnológico para Convergência De IA-Bio-Robô-Medicina (20001650). Gostaríamos de agradecer a Su-Bin Park, Nu-Ri Kim e Ye-Lin Jang por ajudarem a preparar e prosseguir com a filmagem do vídeo.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
EASYCAP Easycap C-SAMS Platform to accommodate fNIRS optodes
Leap Motion 3D Motion Controller Ultrahaptics FBA_LM-C01-US Hand detection device attached HMD
Leap Motion VR Developer Mount for VR Headset Ultrahaptics VR-UAZ
Matlab R2015a Mathworks Programming language running with NIRStar
NIRScout Medical Technology LLC NSC-CORE fNIRS system
nirsLAB v201605 Medical Technology LLC Software for analyzing data collected with NIRScout
NIRStar 14.1 Medical Technology LLC NIRScout Acquisition Software
Occulus Rift DK2 Occulus VR HMD
PowerMate USB Multimedia Controller Griffin Technology NA16029 Push Button in task
SuperLab 5.0 Cedrus Corp. Synchronize the stimulus presentations allied to NIRScout

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