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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Zerebrale Verletzungen kann okuläre und somatische Motorsysteme beschädigen. Charakterisierung der Motorsteuerung posttraumatischen bietet Biomarker, die bei Krankheit Erkennung, Überwachung und Prognose zu unterstützen. Wir überprüfen eine Methode zur Messung der Auge-Hand-Bewegungssteuerung in Gesundheit und pathologische Koordinationsstörungen, mit Blick und Reichweite Paradigmen zur Koordination zwischen Auge und Hand zu beurteilen.

Zusammenfassung

Die objektive Analyse von Augenbewegungen hat eine bedeutende Geschichte und hat lange nachweislich ein wichtiges Recherche-Tool in der Umgebung von Hirn-Trauma. Quantitative Aufnahmen haben eine starke Kapazität diagnostisch auf den Bildschirm. Gleichzeitige Untersuchung der Augen und der oberen Extremität Bewegungen richtet sich an gemeinsamen Handlungsziele (z.B. Auge-Hand-Koordination) dienen als zusätzliche stabile Biomarker-beladenen Pfad zu erfassen und zu verhören neuronalen Verletzungen, einschließlich erworbener Hirnschädigung (ABI ). Während quantitative Dual-Effektor-Aufnahmen in 3D viele Möglichkeiten im Okular-Handbuch motor Untersuchungen im Rahmen des ABI leisten, ist die Machbarkeit solcher dual Aufnahmen für Auge und Hand in pathologischen Einstellungen, eine besondere Herausforderung Wenn näherte sich mit Forschungsqualität strenge. Hier beschreiben wir die Integration einer Eye-tracking System mit einem Motion-tracking-System in erster Linie für Gliedmaßen Kontrolle Forschung, ein natürliches Verhalten zu studieren. Das Protokoll ermöglicht die Untersuchung der uneingeschränkten, dreidimensionale (3D) Auge-Hand Koordinationsaufgaben. Genauer gesagt, prüfen wir eine Methode zur Auge-Hand-Koordination in optisch geführte Saccade zu erreichende Aufgaben bei Patienten mit chronischen mittlere zerebrale Arterie (MCA) Schlaganfall zu beurteilen und im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen. Besondere Aufmerksamkeit ist die spezielle Auge und Gliedmaßen-Tracking-System-Eigenschaften gewidmet, um High-Fidelity-Daten von Teilnehmern nach der Verletzung zu erhalten. Sampling-Rate, Genauigkeit, zulässige Kopfbewegung Festigkeitsklasse erwarteten Toleranz und die Machbarkeit der Verwendung mehrere wichtigen Eigenschaften, die bei der Auswahl eines Eye-Tracker und einen Ansatz in Betracht gezogen wurden. Die Gliedmaßen Tracker wurde ausgewählt, basierend auf eine ähnliche Rubrik aber enthalten die Notwendigkeit einer 3-d-Aufnahme, der dynamischen Interaktion und eine miniaturisierte Platzbedarf. Die quantitativen Daten vorausgesetzt, durch diese Methode und die allgemeine Annäherung, wenn korrekt ausgeführt hat enormes Potenzial für weitere verfeinern unser mechanistische Verständnis der Auge-Hand-Bedienung und dienen als machbare Diagnose- und pragmatische Interventionen innerhalb die neurologischen und rehabilitative Praxis.

Einleitung

Ein entscheidendes Element der neurologischen Funktion ist, Auge-Hand-Koordination oder die Integration von okulären und manuelle Antriebssysteme für die Planung und Ausführung der kombinierten Funktion auf ein gemeinsames Ziel, beispielsweise ein Blick erreichen und greifen von der TV-Fernbedienung. Viele sinnvolle Aufgaben hängen visuell geführten Aktionen, wie z. B. erreichen, greifen, Objektmanipulation und Werkzeug zu verwenden, welche Scharnier auf die zeitlich und räumlich gekoppelten Auge und Hand Bewegungen. Erworbenen Hirnverletzungen (ABI) verursachen nicht nur Gliedmaßen Dysfunktion, sondern auch okuläre Dysfunktion; in jüngerer Zeit, gibt es auch Hinweise auf die Dysfunktion der Auge-Hand Koordination1. Koordinierte Auge-Hand-motor Control-Programme sind anfällig für neurologische Verletzungen von Gefäß-, traumatische und degenerative Ätiologie zu beleidigen. Diese Beleidigungen können dazu führen, dass eine Aufteilung eines der unverzichtbaren Beziehungen benötigt für die integrierte und schnelle Motorsteuerung2,3,4,5,6. Viele Studien über die manuelle Motorik sind abgeschlossen und haben visuelle Führung als zentrale Säule des Paradigmas ohne eine Methode oder ein Protokoll zu Augenbewegungen gleichzeitig analysieren genutzt.

Im ABI werden auffällige motorische Defizite oft während der Nachttisch klinische Untersuchung erkannt. Jedoch können gleichzeitiger okulärer motorischen Beeinträchtigungen und komplexen Beeinträchtigungen der Integration von sensorischen und motorischen Systemen subklinische und erfordern objektive Aufnahme zu identifizierten7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16. Okular-Handbuch motorische Koordination hängt ein großes und vernetzten zerebralen Netzwerk, die Notwendigkeit einer detaillierten Studie. Eine Auge-Hand Koordination Bewertung mit zwei Objektiven Aufnahmen bietet die Möglichkeit, kognitive und motorische Funktion in mehrere Populationen, einschließlich gesunden Kontrollpersonen und Themen mit einer Geschichte von Hirn-Trauma, somit bietet Einblick in die Testdurchführung zerebrale Schaltung und Funktion3.

Während Sakkaden ballistischen Bewegungen, die in der Amplitude abhängig von Aufgabe variieren können, Studien Abhängigkeiten zwischen Saccade und Hand Bewegung während optisch geführte Aktion17,18,19, 20. In der Tat neue Experimente haben gezeigt, dass Steuerungssysteme für beide Bewegungen Planung Ressourcen21,22teilen. Die motorische Planung Hub für die Auge-Hand-Koordination liegt im posterioren parietalen Kortex. Bei einem Schlaganfall gibt es bekannte Defizite in Motorsteuerung; hemiparetischen Patienten haben gezeigt, dass ungenaue Prognosen angesichts einer Reihe von neuronalen Befehle, wenn aufgefordert, optisch geführte Handbewegungen auszuführen, (kontralateralen) mit entweder mehr betroffen oder weniger stark (ipsilateral) Glied23 betroffen zu generieren ,24,25,26,27,28,29. Darüber hinaus sind Auge-Hand-Koordination und verwandte Motorsteuerung Programme anfällig für Beleidigung nach neurologischen Verletzungen, Entkopplung der Beziehungen, zeitlich und räumlich zwischen Effektoren30. Objektiven Aufnahmen von Auge und Hand Kontrolle sind ausschlaggebend für die Charakterisierung der Koordinationsstörungen oder Grad der Beeinträchtigung der Koordination und verbessert das wissenschaftliche Verständnis der Auge-Hand-Motorsteuerung-Mechanismus in einem funktionalen Zusammenhang.

Obwohl es viele Studien der Auge-Hand-Koordination im gesunden Kontrollpersonen17,31,32,33,34 gibt, hat unsere Fraktion das Feld durch unsere Einstellung der neurologischen Verletzungen für fortgeschrittene bei Schlaganfall-Schaltung Bewertung beispielsweise haben die räumliche und zeitliche Organisation der Handbewegungen, oft als Reaktion auf optisch angezeigten räumliche Ziele untersucht. Studien, die die Objektive Charakterisierung für Auge und Hand erweitert haben konzentrierten sich fast ausschließlich auf die Leistungsfähigkeit, Datensatz, den beiden Effektoren Post-Schlaganfall oder in pathologischen Einstellungen; Das beschriebene Protokoll ermöglicht robuste Charakterisierung der okulären und manuelle Motorsteuerung in ungezwungenen und natürlichen Bewegungen. Hier beschreiben wir die Technik in einer Untersuchung der optisch geführte Saccade zu erreichende Bewegungen bei Patienten mit chronischen mittlere zerebrale Arterie (MCA) Schlaganfall im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen. Für die gleichzeitige Aufzeichnung von Saccade und zu erreichen beschäftigen wir gleichzeitige Auge und Hand-Motion-Tracking.

Protokoll

(1) Teilnehmer

  1. Kontrolle Teilnehmer älter als 18 Jahre, ohne eine Geschichte von neurologische Dysfunktion, erhebliche Augenverletzungen, bedeutende Depression, große Behinderung und/oder elektrische Implantate zu rekrutieren.
  2. Rekrutieren Sie Schlaganfall Teilnehmer älter als 18 Jahre, mit einer Geschichte von Hirn-Trauma in der Verteilung der mittleren zerebralen Arterie (MCA), die Möglichkeit haben, komplette Fugl-Meyer-Skala, erhalten eine vollständige Palette von Auge Bewegungen35,36, haben die Leistungsfähigkeit zeigen Aufgaben, und ohne die Geschichte der zusätzliche neurologische Dysfunktion, bedeutende Auge Gesundheit Komorbidität, bedeutende Depression, große Behinderung und/oder elektrische Implantate.
  3. Bitten Sie die Teilnehmer eine genehmigte von der institutionellen Review Board der New York University School of Medicine Einverständniserklärung zu unterschreiben.
  4. Teilnehmer Screening (für detaillierte Ausschlusskriterien Rizzo Et al.37 Siehe)
    1. Nehmen Sie Geschichte und durchführen Sie klinischen Untersuchungen, wie weiter unten besprochen.
      1. Beurteilen Sie den kognitiven Zustand der Teilnehmer mit Mini Mental State Prüfung (MMSE)38.
      2. Durchführen Sie neurologische Untersuchung.
      3. Extraokularen Muskeln und Augenbewegungen zu untersuchen.
        1. Bitten Sie die Teilnehmer des Forschers Finger mit den Augen folgen und dabei ihren Kopf in einer Position. Zeichne einen imaginäre H Buchstaben davor und stellen Sie sicher, dass Ihre Finger bewegt sich weit genug heraus und nach oben/unten, Beurteilung Zentrum, oben, unten, links, rechts, unten/links, unten/rechts, oben/links und oben/rechts.
        2. Bitten Sie die Teilnehmer beobachten und den Blick auf ein Objekt bewegt sich langsam durch ihre Gesichtsfeld zu beurteilen, glatte Verfolgung zu unterhalten. Eine Strecke von ungefähr 24 Zoll und mit einem Bleistift als Ziel fegen hin und her langsam in horizontalen und vertikalen Richtungen, jeweils dreimal zu wiederholen.
        3. Bitten Sie die Teilnehmer so schnell wie möglich zwischen 2 Zielen suchen, die 24 Zoll auseinander gesetzt werden, um Sakkaden zu beurteilen. Verwenden Sie einen Bleistift und einen Stift, wie Ziele und direkt zu den Zielen in einem hin und her Weise dreimal horizontal und vertikal bestaunen.
        4. Bitten Sie die Teilnehmer auf ein Objekt zu fixieren, wie es langsam in Richtung zu ihren Augen bewegt Konvergenz, Zentrierung des Ziels, einen Bleistift, auf den Nasenrücken zu beurteilen. Nach diesem Verfahren, wiederholen Sie der Test, indem dasselbe Ziel aus der Nase wieder in die Ausgangsposition (Divergenz).
        5. Bitten Sie den Patienten, ein Auge abdecken und schauen Sie sich die Forscherin Nase. Bewegen Sie die Hand aus der Patient Gesichtsfeld bringen es in Wag den Finger langsam und lassen Sie den Patienten lassen die Forscher wissen, wann die Hand kommt wieder ins Blickfeld, wiederholen Sie diesen Vorgang für den unteren rechten Quadranten oben links und oben rechts, unten links.
          Hinweis: Wenn der Patient ihr rechte Auge bedeckt, decken das linke Auge und umgekehrt.
      4. Bewerten Sie der Sehbehinderung, indem Sie ein Visual-Motor Integrationstest.
      5. Beurteilen Sie die Sehschärfe von Snellen Diagramm39,40.
      6. Beurteilen Sie das Gesichtsfeld mit Konfrontation zu und wenn in Frage, führen Sie Goldman oder Humphrey Gesichtsfeld Test41,42.
      7. Hemi-räumlichen Vernachlässigung durch Zweiteilung Leitungstest und die einzelnen Buchstaben Stornierung Test43zu beurteilen.
      8. Das Ausmaß der Behinderung über 25-Element National Eye Institute visuelle funktionieren Fragebogen (NEI-VFQ-25) und eine 10-Element-Ergänzung Umfrage44zu quantifizieren.

2. Vorbereitung für das Experiment und die physische Konfiguration von Geräten

  1. Ausstattung:
    1. Wählen Sie eine Eye-tracker
      1. Wählen Sie eine Eye-Tracker, der Kopf montiertes Einsatz (zur Vermeidung von Interferenzen mit Schreibtisch-basierte Reichweite Bewegungen) kann, hohe räumliche Auflösung (≤0.1o) und hoher zeitlicher Auflösung (≥250 Hz).
      2. Aufzeichnen der binokulare Augenbewegungen mit der Eye-Tracker bei einer Abtastrate von 250 Hz (Probenahme Augenposition alle 4 ms) tracking-Pupille und Hornhaut Reflexion.
    2. Wählen Sie ein Glied Tracker
      1. Wählen Sie einen Glied-Tracker, der die Bewegung in der X, y, Z-Position, 3,5 ms Latenz ³ ³ 0,08 cm Genauigkeit abbilden kann.
    3. Wählen Sie einen Laptop in der Lage, Ausführen eines benutzerdefinierten Skripts, die steuert, die Echtzeit-Integration von Daten übernommen aus zwei Systemen und Co die Signale in Echtzeit (Table of Materials) zu registrieren.
    4. Wählen Sie einen Display-Monitor für die Integration mit dem gewählten Laptop und das ist groß genug, um eins zu eins Korrespondenz zwischen Monitor und Tabletop Reichweite Raum unterstützen
    5. Definieren Sie ein Rechteck in der Größe identisch an den Monitor auf einer Tischfläche zwischen dem Teilnehmer und dem Monitor als ein funktionaler reichende Raum für experimentelle Arbeiten verwenden.
  2. Einrichten der Vorbereitung:
    1. Eine Tabelle mit der Höhe verstellbaren Sessel einrichten.
    2. Stellen Sie einen Anzeigemonitor 40 cm vom äußersten Rand der Tabelle (Table of Materials).
    3. Platzieren Sie eine Tischplatte Board (erreichen der Oberfläche) mit der Dimension 1: 1 Verhältnis mit dem Monitor.
    4. Einrichten des Extremität Trackers durch die Montage der elektromagnetische Quelle unter dem Tisch (Table of Materials).
    5. Richten Sie die Eye-Tracker, host-PC (Table of Materials).
      1. Legen Sie vier Infrarotbeleuchter (IR) an vier Ecken des Monitors mit Gurten.
      2. Legen Sie die Eye-Tracker Konfigurationen aus Eye Tracker Setup-Optionen-Bildschirm.
        1. Die voreingestellte Konfiguration des Eye-Trackers 13-Punkt-Kalibrierung auswählen.
        2. Wählen Sie die hohe Saccade Empfindlichkeit, kleine Saccade zu erkennen.
        3. Schüler-CR-Auswahlmodus Schüler und Hornhaut aufgezeichnet.
        4. Wählen Sie eine Sampling-Rate bei 250 Hz.
  3. Teilnehmer körperliche Vorbereitung
    1. Teilnehmer auf einem höhenverstellbaren Stuhl am Tisch mit dem Computerdisplay Platz.
    2. Positionieren Sie die Teilnehmer 60 cm weg von der Anzeigemonitor (Table of Materials).
    3. Beheben der Weg-und/oder Geschwindigkeitsgeber (Table of Material) auf den distalen Aspekt des Zeigefingers der Hand von der zu prüfenden Arm (dominante Arme für Steuerelemente und beide Arme in Teilnehmer mit Hub)
    4. Legen Sie den Eye-Tracker auf den Teilnehmern Stirnband und passen Sie das Stirnband und Kameras (Table of Materials).
      1. Das Stirnband passend
        1. Einstellen Sie die Dichtigkeit und die Position des Kopfbandes (mit Stirnband-Reglern) so, dass das vordere Pad in der Mitte der Stirn und die Seitenpolster oberhalb des Teilnehmers Ohren ist.
        2. Stellen Sie sicher, dass die Stirnband-Kamera in der Mitte der Stirn und über die Brücke der Nase ist.
        3. Bitten Sie die Teilnehmer, die ihre Augenbrauen heben, und bewegt sich das Stirnband, montieren Sie es höher oder niedriger auf der Stirn.
      2. Die Kamera und die Hornhaut Illuminator Position anpassen. Bitten Sie die Teilnehmer auf dem Monitor betrachten.
        1. Aus dem Kameradisplay Kopf Kamerabild auswählen, stellen Sie sicher, dass es vier große Flecken von den IR-Markern zeigt, die in der Mitte des Kopfes Kamerabildes positioniert sind. Wenn sie nicht in der Mitte sind, entsprechend anpassen.
        2. Wählen Sie aus der Kamera-Setup-Bildschirm ein Auge zur Zeit. Passen Sie die zwei Augen Kameras durch Absenken und Anheben der Eye-Kamera zu behandeln, bis die Pupille des Auges ist in der Mitte des Kamerabildes
        3. Die Eye-Kamera durch Drehen der Linse-Inhaber zu konzentrieren.
        4. Stellen Sie die Schüler-Schwelle durch drücken die Schaltfläche "Auto-Schwelle" auf der Kamera-Setup-Bildschirm ein.
        5. Führen Sie die gleiche Einstellung für das andere Auge.
  4. Kalibrierung
    1. Kalibrieren Sie den Leib Tracker Ausgang zum Erreichen der Oberfläche mit einem 9-Punkt-Kalibrierung, Fragen die Teilnehmer auf den Sensor beiliegenden Finger legen Sie auf Oberflächen (Tabletop) Standorten zu erreichen, wie auf dem Bildschirm angezeigt.
    2. Kalibrierung des Eye-Trackers, bitten Sie die Teilnehmer das Kalibrierungstarget betrachten, die als blauer Punkt erscheint und Fixierung aufrechterhalten, bis der nächste Punkt auf dem Bildschirm erscheint
      Hinweis: Kalibrierung Ziele in 13 nach dem Zufallsprinzip ausgewählten Positionen auf dem Bildschirm angezeigt
    3. Kalibrierung des Eye-Trackers mindestens zweimal pro Sitzung, ersterer zu Beginn des Experiments und in seiner Mitte.

(3) experiment

  1. Bitten Sie die Teilnehmer bewegen Sie ihren Finger auf die Startposition für den Start-Kreis auf dem Bildschirm mit dem Finger-Indikator-Punkt (roter Punkt), während Konzentration (Auge) die Startposition auf dem Bildschirm.
    Hinweis: Die Startposition befindet sich ein Korrespondent der Fixierung Punkt (blauer Punkt) zeigt auf die Mitte des Bildschirms (Abbildung 1a). Die Position des Fingers wird als 4 mm Radius roten Punkt auf dem Bildschirm dargestellt.
  2. Benötigen Sie Teilnehmer Fingerstellung auf den Start-Kreis für 150ms beizubehalten, bis das Ziel erscheint.
  3. Sicherstellen Sie, dass die Teilnehmer die Startposition zu fixieren, bis sie hören einen Piepton ("gehen Sie Piep"). (Abbildung 1)
    Hinweis: Die Dauer zwischen Ziel aussehen und das Signal gehen ist randomisiert zwischen 250 bis 750 ms, Vorfreude auf das Signal gehen zu verhindern.
  4. Weisen Sie Teilnehmer für ihre Augen und Finger schnell und präzise zum angegebenen Ziel bewegen, wie sie den Piepton (Abbildung 1) hören
    1. Angesetztes Ziel erscheint 1 cm Radius weißer Kreis
  5. Weisen Sie Teilnehmer, die Tischplatte Lage an der Zielposition der virtuellen zu berühren, wie auf dem Bildschirm angezeigt, durch Heben der Hand und Finger und wieder anschließen, die Fingerspitze und Tischplatte an
    1. Sicherstellen Sie, dass die Teilnehmer eine zeigende Bewegung durch Heben der Hand und Finger, anstatt zu ziehen die Hand und Finger auf der Tischplatte.
    2. Die Endposition der REACH-Verordnung als ein roter Punkt angezeigt, folgenden Abschluss zu erreichen.
    3. Bestimmen Reichweite Abschluss durch eine Kombination von Low Velocity (< 5 % Spitze) und 3 mm-Z-Ebene-Schwelle.
  6. Bitten Sie die Teilnehmer eine Reihe von Studien Einarbeitung führen Sie vor Beginn der Datenerfassung.
  7. Datenerfassung nach Teilnehmer 5 der letzten 10 Ziele erfolgreich berührt gestartet.
  8. Bitten Sie die Teilnehmer führen eine Reihe von Aussehen und versuche zu erreichen, wie sie während der Einarbeitung Studien angewiesen waren.
    1. Haben Sie die Teilnehmer insgesamt 76 Studien durchführen.
  9. Haben Sie die Kontrolle Teilnehmer das Experiment mit der dominanten Hand durchführen.
  10. Wann immer es möglich ist, haben Sie die Teilnehmer mit Schlaganfall führen Sie das Experiment mit beiden Händen, mehr betroffen und weniger betroffen.
  11. Die Teilnehmer füllen das gesamte Experiment mit mindestens einer Hand.

figure-protocol-12262
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Einrichtung und Experiment. (a) schematische Darstellung der Anzeige-Monitor und Oberfläche während eines Prozesses zu erreichen. (b) Sequenzierung von Aktionen visuell geführt zu erreichen. Erste Befestigung (F) erscheint. Das Ziel (T) erscheint nach einer randomisierten Zeitdauer. Das 'gehe' Signal tritt als auditive Piepton (bezeichnet durch die hellgrauen senkrechten Strich) nach einer unvorhersehbaren Zeit Intervall (gleichzeitige Offset des F) Folgendes durch Ziel aussehen. Hand (H) und Auge (E) Bewegungen folgen das Go-Signal. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Ergebnisse

30 Teilnehmer nahmen an der Studie. Es gab 17 Teilnehmer in der Steuerelement-Kohorte und 13 Teilnehmer in der Schlaganfall-Kohorte. Zwei Teilnehmer konnte nicht das ganze Experiment zu Ende, so dass ihre Daten aus der Analyse ausgeschlossen wurden.

Demografie und Fragebogen Bewertungen

Tabelle 1 zeigt die klinischen und demographische...

Diskussion

Das Aufkommen von Auge und Hand-tracking-Systeme als verfügbare Tools für Objektiv erforschen die Merkmale der Okular-Handbuch Motorsysteme Forschungsstudien, ermöglicht eine differenzierte beschleunigt hat Aufnahme Ansatz für eine wesentliche Aufgabe im täglichen Aktivitäten – Auge-Hand-Koordination. Viele natürliche Aktion-abhängige Aufgaben visuell orientieren und Vision als einen primären sensorischen Input abhängig. Blick ist durch augenfällige motorische Befehle programmiert, die zentralen Sehens auf r...

Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass die Forschung in der Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen geführt wurde, die als ein potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnte.

Danksagungen

Wir möchten Dr. Tamara Bushnik und NYULMC-Zwieback-Research-Team für ihre Gedanken, Anregungen und Beiträge danken. Diese Forschung wurde von 5 K 12 HD001097 (J-RR, MSL und PR) unterstützt.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
27.0" Dell LED-Lit monitor DellS2716DGQHD resolution (2560 x 1440)
ASUS ROG G750JM 17-Inch AsusTek Computer Inc
Eye Link IISR-Research500 Hz binocular eye monitoring
0.01 º RMS resolutions
MatlabMathWorks
Polhemus MicroSensor 1.8 Polhemus240 Hz, 0.08 cm accuracy

Referenzen

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