Eye-tracking di controllo per valutare le funzioni cognitive in pazienti con Sclerosi Laterale Amiotrofica

Riepilogo

Cognitive deficits are common in about one third of patients with amyotrophic lateral sclerosis, a neurological condition leading to progressive impairments in speech and movement abilities. To conduct cognitive tests in patients unable to speak or write a reliable and easy to administer eye-tracking paradigm was developed.

Abstract

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder with pathological involvement of upper and lower motoneurons, subsequently leading to progressive loss of motor and speech abilities. In addition, cognitive functions are impaired in a subset of patients. To evaluate these potential deficits in severely physically impaired ALS patients, eye-tracking is a promising means to conduct cognitive tests. The present article focuses on how eye movements, an indirect means of communication for physically disabled patients, can be utilized to allow for detailed neuropsychological assessment. The requirements, in terms of oculomotor parameters that have to be met for sufficient eye-tracking in ALS patients are presented. The properties of stimuli, including type of neuropsychological tests and style of presentation, best suited to successfully assess cognitive functioning, are also described. Furthermore, recommendations regarding procedural requirements are provided. Overall, this methodology provides a reliable, easy to administer and fast approach for assessing cognitive deficits in patients who are unable to speak or write such as patients with severe ALS. The only confounding factor might be deficits in voluntary eye movement control in a subset of ALS patients.

Introduzione

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa letale di solito porta alla morte entro 3 a 5 anni. Nel corso della patologia, i pazienti presentano progressiva perdita di respiratoria e bulbare funzionante nonché menomazioni nelle abilità di movimento ^1. Si condivide alcune caratteristiche cliniche, patologiche e genetiche con demenza frontotemporale ² ed è ben documentato che circa il 30% dei pazienti affetti da SLA presentano deficit cognitivi ^3. Questi deficit sono più importanti nei settori della funzione esecutiva, fluenza verbale e il linguaggio ⁴ e hanno una influenza sulla sopravvivenza a ^{5, 6} e la conformità accompagnatore onere ^7. Quindi, la valutazione neuropsicologica affidabile è fondamentale in questa malattia.

Menomazioni avanzare nella motorie e del linguaggio abilità sono, tuttavia, un fattore limitante per la valutazione approfondita delle capacità cognitive in fasi successive della malattia ^8. Suae, approcci oculomotorie base sembra essere molto promettente, come controllo di base movimento dell'occhio rimane intatto per un lungo tempo comparabilmente nel corso ALS per la maggior parte dei pazienti ^9. Eye-tracking si parametri sono stati utilizzati per ottenere informazioni sullo stato cognitivo dei pazienti con SLA ¹⁰ e anche in correlazione con il modello diffusione sequenziale di SLA ^11. il movimento degli occhi, come un mezzo per controllare test cognitivi nel contesto della SLA è stato studiato anche in lavori precedenti. Uno studio ha dimostrato con successo la sua usabilità in controlli sani utilizzando una versione basata oculomotor del Trail Making Test ^12, mentre un altro trovato adatto a distinguere tra i controlli sani e pazienti affetti da SLA in base alle prestazioni cognitive e di discriminare tra i pazienti cognitivamente più o meno deteriorate ^13.

La ricerca descritta qui utilizzata una metodologia basata oculomotorio per studiare disturbi cognitivi in ​​ALpazienti S, in particolare nel campo di funzionamento esecutivo. Due test neuropsicologici ben convalidati e comunemente utilizzati sono stati adattati per il controllo del movimento degli occhi: le matrici del Raven colorate progressive (CPM) ¹⁴ e la D2-test ^15. Il CPM è uno strumento non verbale utilizzato per misurare le capacità esecutive e visuospaziali e intelligenza fluida. Il D2-test è anche uno strumento non verbale usato per scoprire disfunzione esecutiva nei domini di attenzione selettiva e sostenuta e velocità di elaborazione visiva. Entrambi sono ampiamente utilizzati strumenti clinici che sono stati impiegati con successo in studi precedenti valutare potenziale declino cognitivo durante il corso della malattia ¹⁶ e lo stato neuropsicologici di pazienti SLA rispetto ai controlli sani ^17.

L'obiettivo di questo lavoro è stato quello di dimostrare i requisiti per la valutazione positiva dei deficit cognitivi nella SLA indipendenti di movimento e di parola disabilità utilizzando una reliAble, versione basata eye-tracking del CPM e la D2-test. È importante sottolineare che il metodo descritto qui ha il potenziale di essere ampliato per studiare altre popolazioni di pazienti con difficoltà motorie gravi.

Protocollo

Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico dell'Università di Ulm (Dichiarazione n ° 19/12) e il protocollo descritto consegue loro linee guida. Tutti i partecipanti hanno firmato un consenso informato.

1. Gli stimoli e prove Ambiente

1. Per mantenere le distrazioni al minimo eseguire la ricerca in un buio o una stanza molto poco illuminata e tranquillo.
2. Utilizzare un dispositivo di tracciamento oculare appropriato.
   NOTA: Ci sono una vasta gamma di dispositivi disponibili per eseguire studi movimento degli occhi. Nel presente studio è stato utilizzato un dispositivo di registrazione movimento oculare portatile con occhiali, che sincrono misurare posizioni oculari binoculare, utilizzando due telecamere integrate con un diodo emettitore di luce infrarossa (IR LED), uno per ogni occhio ^18.
   1. Per garantire ottimale eye-tracking, regolare le telecamere manualmente da essi inclinando in tutti i 6 gradi di libertà (3 traslazionale, 3 rotazionale) fino al rilevamento movimento degli occhi è ottimale.
      NOTA:Le misurazioni del sistema sono visualizzati in tempo reale sullo schermo di uno sperimentatore di monitorare la qualità della registrazione e il comportamento di risposta dei partecipanti. Le caratteristiche principali del sistema sono descritti qui sotto e specifiche dettagliate sono riportati nella tabella 1.
3. Implementare un standardizzato paradigma test oculomotor, che è in grado di rilevare i deficit nel controllo del movimento degli occhi.
   NOTA: Questo può essere una serie di compiti come compiti Pursuit Smooth o saccadi, in cui i partecipanti con controllo del movimento degli occhi compromessa eseguono male (ad esempio, i metodi descritti da gole et al ^{2015. 11).} Questi i partecipanti devono essere esclusi da ulteriori test.
4. Attività attuale utilizzando un software opportuno che proietta gli stimoli su uno schermo emi-cilindrico tramite un proiettore montato sopra la testa del soggetto ^11. Inoltre, assicurarsi che uno spot laser rosso (diametro: 0,3 °, posizione: 10 ° verticale) è presente per la D2test.
5. Sedile i partecipanti su una sedia elevata con una mentoniera regolabile, in modo che la distanza occhio-a-schermo è di circa 150 cm.
6. Utilizzare set A e B della CPM (12 stimoli per ciascun set) per la prima parte dell'esperimento. Mostra questi stimoli come 22 ° lunghe alte matrici / 15 ° con sei possibili alternative raffigurati di seguito, che potrebbero andare bene in un elevato spazio vuoto 6 ° di larghezza e 5 ° tagliare fuori dalla matrice.
7. Per il D2-test, utilizzare i cinque blocchi con 47 stimoli, corrispondente alla linea 2 - 6 di D2-test standard ^15, e raffigurano loro uno stimolo dopo l'altro al centro dello schermo con una altezza di 11 ° ed una larghezza di 2,5 °. Assicurarsi che ogni stimolo dura per 2.000 msec.

2. L'esecuzione del Experiment

1. Prima l'esperimento inizia, chiedere ai partecipanti di compilare un modulo di consenso informato scritto per garantire lo studio è in conformità con gli standard etici.
2. Dare istruzioni generalirelativa alla finalità e modalità della sperimentazione e controllo per i farmaci attivi sul SNC, cioè, chiedere al partecipante, se lui / lei è attualmente in corso alcun farmaco che colpisce vigilanza e prestazioni, pertanto cognitive.
3. Spegnere tutti i dispositivi che potrebbero essere un potenziale disturbo, come ad esempio telefoni cellulari o cercapersone.
4. partecipanti ospitare comodamente con la mentoniera in posizione ottimale. Assicurarsi che l'intero schermo è visibile e chiedere al partecipante di mantenere la postura durante l'intero esperimento.
5. Chiedere ai partecipanti di mettere la testa sulla mentoniera e posizionare gli occhiali videooculography sulla loro testa. regolarle alla singola dimensione / forma della testa.
   NOTA: In tal modo, il miglior compromesso possibile tra comfort per il partecipante e il minimo rischio di indesiderate scivolare durante la misurazione deve essere effettuata.
6. Assicurarsi che entrambi gli occhi sono visibili sullo schermo dello sperimentatore, dove le immagini delle due telecamere di registrazione movimento degli occhi all'interno della goggles vengono visualizzati e quindi si concentrano le telecamere per centrare le immagini sullo schermo.
   NOTA: Questo è importante per il rilevamento e il monitoraggio della pupilla ottimale come acuità improprio può portare ad un segnale disturbato.
7. Per garantire la registrazione continua dei movimenti oculari in ogni momento, avviare la calibrazione del sistema istruendo il partecipante di guardare in ogni angolo dello schermo semicilindrica. Nel caso il segnale è perso, cambiare l'angolo della telecamera inseguimento rispettivo pupilla dell'occhio per risolvere il problema.
8. Avviare il standardizzata paradigma test oculomotor sopra descritto ed escludere tutti i pazienti con disabilità visive sostanziali in quanto questi possono causare prestazioni compito danneggiato.
9. Istruire il partecipante di tenere traccia di un solo punto sullo schermo, oscillando in orizzontale (± 20 °) e poi in verticale (± 15 °), con una frequenza di 0.125 Hz a mappare i dati non calibrato orthogonalized 'prime' dal dispositivo occhio registrazione dei movimenti wesimo rispetto alla posizione di 'vero' orthogonalized occhio per la calibrazione del sistema.
10. Controllare se la calibrazione è accettabile, vale a dire, se il 'vero' il movimento degli occhi e dei dati 'grezzi' sono spazialmente e temporalmente sincronizzati e quindi istruire il partecipante di non muovere la testa come questo potrebbe comportare cattiva qualità dei dati.
    NOTA: posizione del dispositivo videooculography e il soggetto dovrebbe essere stazionaria durante il corso dell'esperimento, in modo che non vi è alcuna necessità di ricalibrazione.
11. Spiegare la procedura della sessione di allenamento per il CPM:
    1. Istruire i soggetti per identificare i pezzi mancanti sotto le prossime matrici visualizzati sullo schermo emi-cilindrica per cui hanno un tempo infinito. Dopo aver fatto una scelta, ha il soggetto chiude gli occhi per almeno 250 msec per iniziare una cornice verde che illustra tutte le possibili alternative di pezzi mancanti per 1.500 msec ciascuno.
    2. Avere il partecipante scegliel'alternativa che pensano è corretto chiudendo gli occhi per almeno 250 msec, mentre la loro scelta è enframed.
    3. Proiettare la scelta separatamente sullo schermo emi-cilindrico. Chiedi ai partecipanti di confermare. Se il partecipante conferma, istruirli a richiudere gli occhi per almeno 250 msec.
    4. Istruire i partecipanti che lo stimolo successivo (matrice con 6 alternative di pezzi mancanti) automaticamente (di nuovo, presentati dal software descritto al punto 2) appaiono e che questo sarà fatto quattro volte con stimoli di formazione tratti da serie AB del CPM ¹⁴ .
12. Rispondere a qualsiasi domanda soggetti potrebbero avere sulla procedura. Poi, istruire i partecipanti di scegliere il pezzo mancante della matrice, come hanno appreso durante la sessione di allenamento e avviare il CPM (Figura 1).
13. Spiegare la procedura della sessione di formazione per la D2-test:
    1. Istruire i partecipanti a dirigere lo sguardo alla CenteR dello schermo ed osservare 47 stimoli a parte (47 d's che corrisponde alla linea 1 della D2-test standard).
    2. Istruire i partecipanti a guardare il punto laser rosso posizionato sopra gli stimoli ogni volta che una "d" con due trattini è presentata fino a quando appare lo stimolo successivo. NOTA: Se nessun stimolo target è presentato lo sguardo deve essere focalizzato al centro dello schermo in cui verrà presentato lo stimolo successivo.
14. Rispondere a qualsiasi domanda soggetti potrebbero avere sulla procedura. Poi, istruire il partecipante a procedere per i seguenti cinque blocchi di 47 stimoli, simili alla sessione di formazione e di avviare il D2-test.
15. Per il controllo di qualità, controllare i dati ottenuti da ogni sessione per ciascun soggetto con attenzione (visivamente da uno sperimentatore addestrato). Controllare se la qualità dei dati è danneggiato, per esempio a causa di difficoltà tecniche, i movimenti degli occhi danneggiati o incomprensioni.
16. Grazie soggetti per la loro partecipazione e rispondere a tutte le domandedurante l'esperimento.

Risultati

Ai fini della ricerca qui presentata, cioè, lo sviluppo di un oculomotor affidabile valutazione neuropsicologica per i pazienti SLA, sviluppato in casa software memorizza scelte del soggetto della CPM in un file separato, consentendo il calcolo manuale della percentuale di corretta basata risposte. Per il D2-test, una registrazione dei movimenti oculari verticali viene analizzata manualmente tramite una soglia di + 5 ° per il rilevamento di una risposta rilevante. Le registraz...

Discussione

Si tratta di un compito impegnativo per valutare con successo lo stato cognitivo dei pazienti con SLA che sono in grado di parlare e scrivere. L'uso di sistemi videooculography fornisce un approccio promettente. La tecnica presente presentato è affidabile nel rilevare i deficit cognitivi, che svolgono un ruolo fondamentale nel contesto dei caregiver onere e la malattia gestione ²⁰ nei pazienti con SLA. Inoltre, le versioni oculomotori del CPM e la D2-test correlano significativamente con le rispettive ve...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
EyeSeeCam	EyeSeeTec GmbH; 82256 Fürstenfeldbruck, Germany		Videooculography device