Eye-Tracking de controle para avaliar a função cognitiva em pacientes com Esclerose Lateral Amiotrófica

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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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Protocolo

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

1. Para manter as distrações ao mínimo realizar a pesquisa em um escuro ou um quarto muito mal iluminado e silencioso.
2. 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.
   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.
      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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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

1. 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.
2. 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.
3. Desligue todos os dispositivos que podem ser uma perturbação potencial, tais como telefones celulares ou pagers.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Explique o procedimento da sessão de treino para o CPM:
    1. 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.
    2. Tem o participante escolhera alternativa eles acham que é correto, fechando os olhos por pelo menos 250 ms, enquanto a sua escolha é enquadrado.
    3. 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.
    4. 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 .
12. 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).
13. Explique o procedimento da sessão de treino para o D2-teste:
    1. 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).
    2. 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.
14. 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.
15. 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.
16. Obrigado assuntos para sua participação e responder todas as perguntasdurante a experiência.

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Resultados

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 rel...

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Discussão

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 re...

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Materiais

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