有效地记录不协调谱的眼手协调

摘要

脑损伤会损害眼部和体细胞运动系统。损伤后运动控制的特性提供了有助于疾病检测、监测和预后的生物标志物。我们回顾了一种测量眼手运动控制在健康和病理不协调的方法, 用观察和接触的范式来评估眼睛和手之间的协调。

摘要

对眼球运动的客观分析有着重要的历史, 长期以来被证明是脑损伤背景下的重要研究工具。定量记录具有强大的诊断筛选能力。同时检查针对共同功能目标 (如手眼部协调) 的眼睛和上肢运动, 可作为捕获和询问神经损伤 (包括后天脑损伤 (ABI) 的额外有力的生物标志).虽然三维定量双效应器记录在 ABI 设置的眼科手动电机调查中提供了充分的机会, 但这种眼睛和手的双副记录在病理环境中具有挑战性, 特别是当接近与研究级的严谨。在这里, 我们描述了眼睛跟踪系统与运动跟踪系统的集成, 该系统主要用于肢体控制研究, 以研究自然行为。该协议能够调查不受限制的三维手部协调任务。更具体地说, 我们回顾了一种方法来评估眼睛手协调在视觉引导到到达任务的受试者慢性大脑中动脉 (MCA) 中风, 并将它们与健康的对照进行比较。特别注意特定的眼部和边缘跟踪系统属性, 以便从参与者受伤后获得高保真度数据。采样率、精度、给定的预期公差允许头移动范围和使用的可行性是选择眼动仪和方法时考虑的几个关键特性。肢体跟踪器是根据类似的标题选择的, 但包括需要三维记录、动态互动和小型化的物理足迹。该方法提供的定量数据和正确执行的整体方法具有巨大的潜力, 可以进一步提高我们对手眼控制的机械理解, 并有助于为可行的诊断和务实干预提供信息。神经和康复实践。

引言

神经功能的一个关键要素是眼手协调或集成眼动和手动运动系统, 以规划和执行综合功能, 实现一个共同的目标, 例如, 看, 达到和抓住电视遥控器。许多有目的的任务取决于视觉引导的行动, 例如伸手、抓握、对象操作和工具用途, 取决于时间和空间上的结合的眼睛和手的运动。获得脑损伤 (ABI) 不仅会导致肢体功能障碍, 还会导致眼功能障碍;最近, 也有证据表明眼手协调功能障碍¹。协调的眼手运动控制程序容易受到血管、创伤和退行性病因损伤的侮辱。这些侮辱可能会导致集成^和快速电机控制 2^{、3、4、5、6}所需的任何不可或缺的关系之间的崩溃。许多关于手动运动功能的研究已经完成, 并利用视觉引导作为范式的核心支柱, 没有一个方法或协议来同时分析眼睛的运动。

在 ABI, 在床边临床检查过程中经常发现明显的运动缺陷。然而, 同时出现的眼动运动障碍和复杂的缺陷涉及感觉和运动系统的整合可能是亚临床的, 需要客观记录, 以确定^{7,8, 9, 10、11、12、13、14、15、16}。探高手运动协调依赖于一个庞大且相互关联的大脑网络, 这突出表明需要进行详细的研究。通过双客观记录进行眼手协调评估, 提供了一个机会来分析多个人群中的认知和运动功能, 包括健康控制和有脑损伤史的受试者, 从而提供了对大脑损伤史的洞察大脑电路和功能³。

虽然囊体是弹道运动, 根据任务需要的不同, 其幅度可能会有所不同, 但研究表明, 在视觉引导的行动^{17、18、19、20}. 事实上, 最近的实验表明, 这两个运动的控制系统共用规划^{资源 21、22.}眼手协调的运动规划枢纽位于后顶叶皮层。在中风中, 有众所周知的缺陷, 在电机控制;在接受一组神经命令的情况下, 偏偏不线患者已被证明会产生不准确的预测, 当被要求进行视觉引导的手部运动时, 使用受影响较大的 (对侧) 或受影响较小的 (同侧) 肢体^{23 24,25,26,27,28, 29.}此外, 手部协调和相关的运动控制程序容易受到侮辱后, 神经损伤, 脱钩的关系, 时间和空间, 在效果30之间.客观记录眼部和手部控制是重要的表征不协调或协调程度的损害, 并提高科学认识眼手运动控制机制在功能的背景下。

虽然在健康对照 17^{、31、32、33、34中,}有许多关于眼手协调的研究, 但我们的小组通过设置神经损伤, 使之处于领先水平。例如, 在行程电路评估过程中, 研究了手部运动的空间和时间组织, 通常是为了响应视觉上显示的空间目标。将客观特征扩大到眼睛和手的研究几乎完全集中在记录中风后或病理环境中的效应的性能能力上;所述协议能够在无约束和自然运动中对视觉和手动运动控制进行可靠的表征。在这里, 我们描述了在研究的技术, 在视导的囊到到达运动的受试者慢性大脑中动脉 (MCA) 中风相对于健康的控制。对于同步记录的囊和触角, 我们采用并发眼和手运动跟踪。

研究方案

1. 参与者

1. 招募18岁以上的对照参与者, 没有神经功能障碍、严重眼损伤、严重抑郁症、重大残疾和/或电气植入的历史。
2. 招募18岁以上的中风参与者, 有脑损伤史的大脑中动脉分布, 有能力完成 fugl-meyer 量表, 保持 35, 36 眼动的全范围,^有执行指点任务的能力, 没有额外的神经功能障碍的历史, 显著的眼睛健康合并症, 严重抑郁症, 重大残疾和/或电气植入。
3. 请参加者签署经纽约大学医学院机构审查委员会批准的同意书。
4. 参与者筛选 (详情排除标准见 Rizzo 等^{人 37}人)
   1. 采取病史和进行临床检查, 如下所述。
      1. 通过迷你心理状态考试 (MMSE)³⁸评估参与者的认知状态。
      2. 进行神经学检查。
      3. 检查眼外肌肉和眼动。
         1. 让参与者用眼睛跟随研究人员的手指, 同时保持头部在一个位置。在他们面前画一个想象中的 H 字母, 并确保你的手指向下移动足够远, 评估中心, 向上, 向下, 左, 右/左, 向下/右, 向下/左, 上/左, 上/右。
         2. 要求参与者跟随并保持对一个物体的注视, 缓慢地穿过他们的视野, 以评估流畅的追求。覆盖约24英寸的距离, 并使用铅笔作为目标, 在水平和垂直方向缓慢地来回扫来扫, 每重复三次。
         3. 让参与者尽可能快地在两个距离24英寸的目标之间寻找, 以评估囊面。使用铅笔和钢笔作为目标, 并以水平和垂直三次的来回方向直接注视目标。
         4. 让参与者固定在一个物体上, 因为它慢慢向他们的眼睛移动, 以评估收敛, 中心目标, 一支铅笔, 在他们的鼻梁上。按照此过程, 重复测试, 将相同的目标从鼻子带回起始位置 (发散)。
         5. 让病人捂住一只眼睛, 看看研究人员的鼻子。将手移出患者的视野, 然后将其带入, 慢慢晃动手指, 让患者在手返回视线时让患者知道, 对左上角、右上角、左下角和右下角象限重复此操作。
            注: 当患者覆盖他们的右眼, 覆盖左眼, 反之亦然。
      4. 通过视觉电机集成测试评估视觉损伤。
      5. 通过斯内伦图表^39,40评估视力。
      6. 评估与对抗的视野, 如果有问题, 执行高盛或汉弗莱的视野^{测试 41,42}。
      7. 通过线分度测试和单字母取消试验^{43 评估半}空间忽视。
      8. 通过25项国家眼科研究所的视觉功能问卷 (NEI-VFQ-25) 和10项补充调查⁴⁴量化残疾程度。

2. 实验准备和设备的物理配置

1. 设备:
   1. 选择眼动仪
      1. 选择能够安装在头上的眼动仪 (以避免干扰基于桌面的移动)、高空间分辨率 (≤0.1^o)和高时间分辨率 (≥250 hz)。
      2. 用眼动仪记录双目眼动的运动, 采样率为250赫兹 (每4毫秒采样一次眼睛位置), 跟踪瞳孔和角膜反射。
   2. 肢体跟踪器的选择
      1. 选择一个肢体跟踪器, 可以映射的运动在 x, y, z 位置, 0.08 厘米精度, 延迟3.5 毫秒。
   3. 选择能够运行自定义脚本的笔记本电脑, 该脚本控制从两个系统获取的数据的实时集成, 并实时同时注册信号 (材料表)。
   4. 选择能够与所选笔记本电脑集成的显示器, 该显示器足够大, 可支持显示器和桌面覆盖空间之间的一对一通信
   5. 在参与者和显示监视器之间的表表面上定义一个大小与显示监视器相同的矩形, 用作实验工作的功能到达空间。
2. 设置准备:
   1. 设置一张高度可调的椅子的桌子。
   2. 放置距离桌子远边40厘米的显示器 (材料表)。
   3. 将桌面板 (到达表面) 与显示器的1-1 比例尺寸放在一起。
   4. 通过将电磁源安装在表格下方 (材料表) 来设置肢体跟踪器。
   5. 设置眼动仪、主机 PC (材料表)。
      1. 使用皮带将四个红外 (IR) 照明器连接到显示器的四个角落。
      2. 从眼动仪设置选项屏幕设置眼动仪配置。
         1. 从眼动仪的预设配置中选择13点校准。
         2. 选择高囊感来检测小的囊面。
         3. 选择 "学生-cr 模式" 以记录瞳孔和角膜。
         4. 选择 250 Hz 的采样率。
3. 参与者的身体准备
   1. 将与会者坐在带有电脑显示屏的可调节高度的椅子上。
   2. 将参与者放置在距离显示器60厘米的地方 (材料表)。
   3. 将运动传感器 (材料表) 固定到待测试手臂的手的食指的远端 (用于控制的主要手臂, 以及中风参与者的两臂)
   4. 将眼动仪放在参与者的头带上, 并调整头带和相机 (材料表)。
      1. 安装头带
         1. 调整头带的密封性和位置 (使用头带旋钮), 使前垫位于前额中央, 侧垫位于参与者耳朵上方。
         2. 确保头带相机位于额头中央和鼻梁上。
         3. 要求参与者抬起眉毛, 如果头带移动, 将其重新调整到额头上更高或更低。
      2. 调整相机和角膜照明器的位置。让参与者查看显示监视器。
         1. 从相机屏幕中, 选择头部相机图像, 验证它是否显示了位于头部相机图像中心的红外标记中的四个大斑点。如果它们不在中心, 请进行相应调整。
         2. 从相机设置屏幕中, 选择一次的一只眼睛。通过降低和提高眼相机手柄来调整两个眼相机, 直到眼睛的瞳孔位于相机图像的中心
         3. 通过旋转镜头支架对焦眼睛摄像头。
         4. 按下相机设置屏幕上的 "自动阈值" 按钮, 设置瞳孔阈值。
         5. 对另一只眼睛执行相同的调整。
4. 校准
   1. 使用9点校准将肢体跟踪器输出校准到表面, 要求参与者将传感器连接的手指放在到达显示器屏幕上显示的表面 (桌面) 位置。
   2. 校准眼动仪, 让参与者查看显示为蓝点的校准目标, 并保持固定, 直到屏幕上出现下一个点
      注: 校准目标显示在屏幕上随机选择的13个位置
   3. 每次会话至少校准两次眼动仪, 第一次在实验开始时和中间点。

3. 实验

1. 要求参与者将手指移动到开始位置, 用手指指示器点 (红点) 覆盖屏幕上的起始圆, 同时固定屏幕上的起始位置 (眼睛)。
   注: 起始位置是固定点 (蓝点) 显示在屏幕中心的对应位置 (图 1a)。手指的位置在屏幕上表示为4毫米半径的红点。
2. 要求参与者在起始圈上保持手指位置150毫秒, 直到目标出现。
3. 确保参与者固定开始位置, 直到听到蜂鸣声 ("转到蜂鸣声")。(图 1)
   注: 目标外观和转信号之间的持续时间是随机的250到750毫秒之间, 以防止对进入信号的预期。
4. 指示参与者在听到蜂鸣声时, 快速准确地将眼睛和指尖移动到指定的目标上 (图 1)
   1. 指定目标出现1厘米半径白色圆圈
5. 通过抬起手和手指并重新连接指尖和桌面, 指示参与者触摸屏幕上显示的虚拟目标位置的桌面位置
   1. 确保参与者通过举起手和手指而不是将手和手指拖到桌面上来进行指点动作。
   2. 在到达完成后, 将触角的结束位置显示为红点。
   3. 确定通过低速 (和 lt;5 峰值) 和3毫米 z 平面阈值的组合达到完成。
6. 在开始数据采集之前, 请参与者进行一系列熟悉测试。
7. 在参与者成功触及最后10个目标中的5个目标后开始数据采集。
8. 要求参与者进行一系列的观察和进入试验, 因为他们在熟悉情况试验期间得到指示。
   1. 让参与者总共进行76项试验。
9. 让控制参与者用他们的优势手进行实验。
10. 只要有可能, 让中风的参与者用双手进行实验, 受影响更大, 受影响较小。
11. 参与者用至少一只手完成整个实验。

图1。设置和实验的示意图。(a)试验期间显示显示器和到达表面的示意图。(b)在视觉指导下对行动进行排序。将出现第一个固定 (F)。目标 (T) 出现在随机时间长度之后。"go" 信号在一个不可预知的时间间隔 (f 的并发偏移量) 之后, 以听觉蜂鸣声 (由浅灰色垂直条表示) 的形式出现, 然后按目标外观跟踪。手 (H) 和眼睛 (E) 运动跟随去信号。请点击这里查看此图的较大版本.

结果

30名参与者参加了这项研究。对照组有 1 7名参与者, 中风组有 1 3 人。两名参与者无法完成整个实验, 因此他们的数据被排除在分析之外。

人口统计和问卷评估

表 1显示了具有代表性的中风群的临床和人口特征。

讨论

眼睛和手部跟踪系统作为客观探索球室手动电机系统特性的可用工具的出现加快了研究, 从而实现了细致入微的记录方法, 可作为日常活动中的一项重要任务–眼手协调。许多自然的动作依赖任务是视觉引导, 并依赖于视觉作为一个主要的感官输入。凝视是通过将中央视觉指向关键空间目标的视觉运动命令编程的;这些信息是关键的, 有助于获得手的目标。关键是要有效、准确地执行协调的眼眼行为?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
27.0" Dell LED-Lit monitor	Dell	S2716DG	QHD resolution (2560 x 1440)
ASUS ROG G750JM 17-Inch	AsusTek Computer Inc
Eye Link II	SR-Research	500 Hz binocular eye monitoring 0.01 º RMS resolutions
Matlab	MathWorks
Polhemus MicroSensor 1.8	Polhemus		240 Hz, 0.08 cm accuracy