Sanal Prizma Adaptasyon Terapisi: Sağlıklı Yetişkinlerde Doğrulama Protokolü

Özet

Bu deneysel protokol, sağlıklı erişkinlerde sanal prizma adaptasyon terapisinin (VPAT) kullanımını ve VPAT ile fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi arasındaki ilişkiyi gösterilmiş olup VPAT'ın kortikal aktivasyon üzerindeki etkisini belirlemeyi gerektirir. Sonuçlar VPAT'ın uygulanabilir olabileceğini ve konvansiyonel prizma adaptasyon terapisigibi benzer davranışsal adaptasyona yol açabileceğini göstermektedir.

Özet

Hemispatial ihmal inme sonrası sık görülen bir bozukluktur. Bu kötü fonksiyonel ve sosyal sonuçlar ile ilişkilidir. Bu nedenle, hemispatial ihmalin başarılı bir şekilde yönetilmesi için yeterli bir müdahale şarttır. Ancak, çeşitli müdahalelerin klinik kullanımı gerçek klinik uygulamada sınırlıdır. Prizma adaptasyon terapisi hemispatial ihmal tedavisinde en kanıta dayalı rehabilitasyon yöntemlerinden biridir. Prizma terapisi ile oluşabilecek olası eksikliklerin üstesinden gelmek için, sanal prizma adaptasyon terapisi (VPAT) oluşturmak için sürükleyici sanal gerçeklik ve derinlik algılama kamerası kullanarak yeni bir sistem geliştirdik. VPAT sistemini doğrulamak için, VPAT sistemi aracılığıyla kortikal aktivasyondaki davranış hatalarını ve değişiklikleri araştıran deneysel bir protokol tasarladık. Kortikal aktivasyon fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) ile ölçüldü. Deney dört aşamadan oluşuyordu. Dördü de sağ elini kullanan sağlıklı kişilere uygulanan tıklama, işaret etme veya dinlenme yi içeriyordu. Brüt motor görevi ile ilgili kortikal bölgenin araştırılmasında ve VPAT'sız işaretlemede visuospatial algıile ilişkili kortikal bölgeyi araştırmak için tıklayarak işaret etmek kullanılmıştır. Dört sağlıklı katılımcının ilk sonuçları VPAT sistemi tarafından işaretleme hataları geleneksel prizma adaptasyon terapisi benzer olduğunu gösterdi. Daha fazla katılımcı ve fNIRS verileri ile daha fazla analiz, hem de inme olan hastalarda bir çalışma gerekebilir.

Giriş

Kontralateral hemispatial görme alanını algılama yeteneğini etkileyen hemispatial ihmal, inme sonrası sık görülen bir bozukluktur^1,2. Hemispatial ihmal sonrası rehabilitasyon önemli olmasına rağmen, kötü fonksiyonel ve sosyal sonuçlar ile ilişkisi nedeniyle, rehabilitasyon genellikle gerçek klinik uygulamada underutilized^3,4.

Hemispatial ihmal için önerilen çeşitli mevcut rehabilitasyon yaklaşımları arasında, prizma adaptasyon (PA) tedavisi subakut veya kronik inme olan hastalarda hemispatial ihmal iyileşme ve iyileşme için etkili olduğu kanıtlanmıştır^5,6,7,8. Ancak, konvansiyonel PA çeşitli dezavantajları nedeniyle underutilized^9,10. Bu 1) yüksek maliyet ve zaman gereksinimi prizma lens sapma derecesine ayarlamak için değiştirilmesi gereken nedeniyle içerir; 2) işaret edilecek ek malzemeler kurmak ve el yörüngesini maskelemek için ihtiyaç; ve 3) PA sadece oturup baş pozisyonunu kontrol edebilen hastalar tarafından kullanılabilir.

Sanal gerçeklik (VR) ortamında adaptasyon etkilerini yeniden üreten yeni bir çalışmada, sanal prizma adaptasyon terapisi (VPAT) ihmal¹¹alt tiplerine bağlı olarak farklı etkileri olması mümkün olabileceğini bildirdi. Ayrıca PA için kortikal aktivasyon beyin lezyonları¹²göre değişebilir önerildi. Ancak VR'a bağlı PA'da görülen kortikal aktivasyon deseni hakkında çok az şey bilinmektedir.

Bu engelleri aşmak ve klinik ortamda PA kullanımını teşvik etmek için, bir derinlik algılama kamera kullanımı yoluyla, sanal prizma adaptasyon terapisi (VPAT) olarak adlandırılan sürükleyici bir VR teknolojisi kullanarak yeni bir PA tedavi sistemi geliştirdi. Biz mekansal yeniden hizalama teşvik etmek için sanal bir uzuv konumu hakkında görsel geribildirim sağlamak için yeteneği ile sürükleyici bir VR sistemi^tasarladı13. Geleneksel PA'nın etkisini taklit eden bu sürükleyici VR teknolojisini kullanarak, sağlıklı katılımcılarda VPAT sistemini doğrulamak için bir deney tasarladık.

Görselleştirilmiş deneysel protokolümüzü uygulayarak, yeni VPAT sisteminin geleneksel PA'ya benzer şekilde davranışsal adaptasyona neden olup olmadığını araştırdık. Ayrıca, VPAT sisteminin visuospatial algı veya inme sonrası hemispatial ihmal kurtarma ile ilişkili kortikal bölgelerde aktivasyonu neden olup olmadığını araştırmak istiyorum.

Protokol

Tüm prosedürler Seul Ulusal Üniversitesi Bundang Hastanesi Kurumsal İnceleme Kurulu (IRB) tarafından gözden geçirildi ve onaylandı. Sağlıklı katılımcılar işe almak için, posterler hastane etrafında reklam için kullanılmıştır.

1. Deneysel kurulum

1. Katılımcı alımı
   1. Aşağıdaki dahil etme kriterlerini kullanarak konu tarama işlemini gerçekleştirin: 1) sağlıklı, 18-50 yaş arası; 2) sağ elini, Edinburgh handedness envanter ivedilik^{envanteri 14}tarafından değerlendirilir ; 3) VR için baş montaj ekran giymek ve VR içinde nesneleri algılamak mümkün; ve 4) inme, Parkinson hastalığı veya travmatik beyin hasarı gibi beyni etkileyen hastalıkların öyküsü yoktur.
      NOT: Bu kriterler, katılımcıları deneye katılma ve sonuçları etkileyen faktörleri düzenleme yeteneğine sahip olarak taramak için tasarlanmıştır.
   2. Katılımcıları işe almak ve tüm çalışmanın ve beklenen klinik sorunların ayrıntılı bir açıklamasını sağlayın. Katılımdan önce onay alınmalıdır.
2. Deneysel sistem
   NOT: Sürükleyici vr sistemi ve derinlik algılama kamerası kullanılarak özelleştirilmiş bir VPAT sistemi kullanılmıştır. Kortikal aktivasyonu araştırmak için fonksiyonel kızılötesi spektroskopi (fNIRS) aynı anda kullanılmıştır. VPAT ve fNIRS deney için birbirine bağlandı (Şekil 1).
   1. VPAT sistemi
      NOT: VPAT sistemi VR uygulaması için bir baş montaj ekranı, kullanıcı tarafından sezgisel giriş için el hareketlerini tanıyabilen bir el izleme sensörü ve donanım basma düğmesinden oluşur. Genel kompozisyon Şekil 1'degösterilmiştir.
      1. El izleme sensörünün baş montaj ekranının önüne eğildiğinden emin olun.
      2. VR sistemi için referans kameranın ön monitörün üstüne düzgün bir şekilde takılıp takılmadığını kontrol edin.
      3. Deneme için katılımcı tarafından kullanılmak üzere elin yakınındaki bir konumda buton emniyete alın.
      4. Hata olmadığından emin olmak için yazılımı çalıştırın.
         NOT: Sanal ortam, gerçek ortamı mümkün olduğunca yakın eşleştirmek için uygulandı. Görev, sanal ortam içinde elle işaret ederek ve buton girişi ile buton tuşu ile gerçekleştirildi.
   2. fNIRS
      1. Kişisel bilgisayar (PC), 31 optode (15 ışık kaynağı ve 16 dedektör), tekstil EEG kapakları ve veri kayıt yazılımları içeren ticari bir fNIRS sistemi kullanın.
   3. VPAT sistemi ile fNIRS arasındaki bağlantı (Şekil 1).
      1. VPAT sistemindeki başlangıç olayını fNIRS sistemindeki kayıt zamanlaması ile senkronize etmek için TCP/IP iletişimini kullanarak uzaktan klavye kontrol yazılımını kullanın.
      2. FNIRS kaydını başlatmak için bilgisayardaki uzak komut tuşunu kullanın.

2. Deneysel kurulum (Şekil 2)

1. fNIRS ölçüm ayarı
   1. Katılımcıyı masadan yaklaşık on beş santimetre uzakta, sırtı düz bir duruşta sırtlı bir sandalyeye yerleştirin. Uzanırken katılımcının elinin masaya çarpmadığını doğrulayın.
   2. fNIRS kapak ayarı için, katılımcının baş çevresine göre kapak boyutunu seçin. Tepe noktası (Cz) inion ve nasion ve sol preauriküler ve sağ preauriküler alanlar arasındaki orta nokta nın kesiştiği yerde yer böylece kapağı yerleştirin. Montajı ekranda görüntüleyin ve montaja 15 kaynak ve 24 dedektör bağlayın. Işık kaynağından elde edilen kazancı artırmak için gerekirse, saç hazırlığından sonra iletken jel kullanın ve optode takın. Katılımcıya bir istinat şapkası giydirin.
      NOT: Çalışmada 54, 56 ve 58 cm çevreleri ile tekstil EEG kapakları üç farklı boyutlarda kullanılmıştır.
   3. Yazılım ayarı (kalibrasyon, vb.) için fNIRS sistem yazılımını çalıştırın ve ihmal montajını yükleyin.
   4. Montaj ekranda görüntülensin ve montaja göre 15 kaynak ve 24 dedektör ayarlanmalıdır (Şekil 3).
   5. Kalibrasyon düğmesine basın. Ekranda "Lost" görüntülenirse, saç preparatını tekrarlayın ve yeniden kalibre edin.
2. VPAT sistem ayarı
   1. HMD, referans kamera ve Leap hareket kamerasını bağlayın ve VPAT sistemini kurmak için bilgisayarı bağlayan düğmeye basın.
   2. Sanal gerçeklik kafaya monte edilmiş ekranı (VR HMD) katılımcının kafasına fNIRS için kapağın üzerine monte edin. Kapağın hareket etmesini önlemek için emin olun.
   3. VPAT yazılımını çalıştırın. Katılımcının bilgilerini girin (isim kısaltması, yaş, el teslimi) ve "Başlat" düğmesine basın.
   4. Ekrandaki sanal elin görselleştirilmesini onaylayın. İki aşamalı kalibrasyon (yani, ekran kalibrasyonu ve hedef mesafe kalibrasyonu) ile devam edin.
   5. Katılımcıya merkezdeki kırmızı çapraz işareti (+) izlemesini ve ekranı kalibre etmek için "r" tuşuna basınmasını talimatıedin.
      NOT: Ekran kalibrasyonu, koordinat sistemini yeniden merkezleyerek sanal alanı kullanıcının görsel aralığının önüne yerleştirir.
   6. Katılımcıya sağ eliyle hedefi (yani topu) işaret etmesini ve ardından el pozisyonunu kalibre etmek için "O" tuşuna basın.
      NOT: Çalışmamızda, katılımcının hedeflemesi gereken nesne, görünümün üstünden inen pembe bir çubuk üzerinde beyaz bir toptu. Hedef mesafe kalibrasyonu hedefi kullanıcının erişemeyeceği yere yerleştirir. Bu, deneme sırasında hedefi doğru konumlandırmak için kullanılır.
   7. Kalibrasyondan sonra deneye başlamak için "w" tuşuna basın.
3. VPAT ve fNIRS bağlantı ayarı
   1. Analiz için tetikleyiciyi fNIRS'a girmek ve VPAT'ı fNIRS'a bağlamak için olay senkronizasyon yazılımını kullanın.
   2. VPAT ve fNIRS arasındaki zaman eşitleme için, bilgisayarları iki sistemle aynı ağa bağlayın ve sonra bunları kendi ürettiği anahtar aktarım programı aracılığıyla eşitleyin.
   3. Her iki bilgisayarın IP ve Bağlantı Noktası girişleri üzerinden bağlandıktan sonra, VPAT programındaki "w" tuşu ile deneme oturumuna başlayın. Olay eşitleme yazılımı otomatik olarak yürütülür ve yürütme sırasında tetikler otomatik olarak fNIRS aktarılır ve kaydedilir.
   4. Denemeden sonra, yazılımıotomatik sonlandırma ve VPAT verilerini edinin. Ardından VPAT ve fNIRS sistem yazılımını durdurun.
      NOT: Katılımcılar VPAT deneyi sırasında işaret ettikten sonra ellerini orijinal konumlarına geri vermelidir.

3. VPAT sistemini doğrulamak için deney

1. FNIRS kaydı ile blok tasarımı deney (Şekil 4)
   1. 2. adımda kurulum işlemini tamamladıktan sonra, katılımcının denemeyi başlatmaya hazır olup olmadığını doğrulayın.
   2. Prizma modu olmadan VPAT sistemini başlatın ve katılımcıya prosedürü tanımak için vr sistemindeki hedefi hemen işaret etmesini öğretin.
   3. Her aşama işaret etme, tıklatma veya dinlenme bloklarından oluşur (Şekil 4). Yine, katılımcıya düğmeye tıklamasını veya vr sistemindeki hedefi mümkün olan en kısa sürede sağ işaret parmağıyla işaret etmesini talimatıverin.
   4. Başlat tuşuna tıklayarak fNIRS kaydıyla aynı anda dört aşamadan oluşan deneye başlayın.
      NOT: İşaretleme görevi sırasında, beyaz topa sabit bir süre içinde dokunulması gerekiyordu.
      1. Katılımcılara, uygun simge görüntülendiğinde işaret, tıklama veya dinlenme talimatı ver.
         NOT: Görev sırasında, işaret etme ve tıklatma, beyaz topun hemen üstündeve zamanlayıcı çubuğunun sağ tarafının hemen üstündeki bir simgeyle belirtilmiştir. Görevi gerçekleştirme süresi Şekil 2'degösterildiği gibi zamanlayıcı çubuğu yla gösterilmiştir.
      2. Katılımcıya 3 s içinde sol veya sağ tarafta görünen hedefe dokunmasını söyleyin. Tıklatma bloğu için katılımcıya butona basmatalimatı ver.
         NOT: Beyaz topu içeren hedef set, kalibrasyon ile elde edilen katılımcının merkezinden -10° veya 10° uzaklıkta yer alıyordu. Hedef kümesi sağ veya sol tarafta rasgele ortaya çıktı. Deneysel tasarıma göre, hedef 3 s için ortaya çıktı, sonra kayboldu, ve sonra yeni bir konuma rejenere.
      3. Aşama değiştirildiğinde katılımcının da aynı şekilde performans gösterdiğinden emin olun.
         NOT: İşaretleme görevinde, Sanal Prizma Adaptasyon Modu, katılımcının kafasına göre VR alanında hayali elin sol tarafında 10° veya 20° bir sapma gösterdi. Sıfır derece, sanal elin ve gerçek elin konumlarının çakıştığını gösteriyordu.
         NOT: Deney (Şekil 4) dört aşamadan oluşur ve her aşama işaret ve tıklatma veya dönüşümlü olarak dinlenmeden oluşur (Faz 1 ve 4 işaret ve tıklama, 2 ve 3. aşama işaret ve dinlenme).

4. Veri analizi

1. İşaretleme hata analizi
   NOT: Veriler, deneycinin başlat düğmesine bastığı andan itibaren "w" olarak depolandı. Veriler, VPAT yazılımı aracılığıyla her karede yaklaşık 60 Hz'de otomatik olarak depolanmıştır. Faz adı, geçen süre ve sanal işaret parmağı konumu zaman içinde depolandı. İşaretleme hatası, katılımcının baş pozisyonuna odaklanan hedef ve işaret parmağı arasındaki açı değeriydi.
   1. İşaretleme görev verilerini aşamalara göre sınıflandırın (pre-VPAT, VPAT 10°, VPAT 20°, post-VPAT).
   2. İşaretleme görevinin ve tıklatma görevinin verilerini her aşamanın (aşama 1 ve 4) verilerinde sınıflandırın.
   3. Verileri her faza ve her görev türüne göre 30'lu ünitelerde alt faza göre sınıflandırın.
   4. Ortanca işaretleme hatası çözümlemesi için işaret parmağı konum verilerinden 10 deneme hatası (işaretleme hatası) değerinin ortanca değerini ayıklayın.
   5. Her aşama arasındaki farkı analiz etmek için varyans testinin (ANOVA) tekrarlanan ölçüanalizini kullanın.
      NOT: Leap hareket sensörü kullanılarak el takibi durumunda, aykırılar el duruşunun tıkanması veya yanlış algılanmasından kaynaklanmaktadır. Yanlış el pozisyonu verileri dışında, ortanca değer alt aşamada temsili işaretleme hata değerini bulmak için kullanılmıştır.
2. fNIRS veri işleme
   1. fNIRS analiz yazılımını başlatın ve ham veri dosyasını ve sonda bilgilerini yükleyin.
   2. Deneme sırasında her koşulu doğrulamak için olay kaydını düzenleyerek işaretçi ayarı işlemi gerçekleştirin.
   3. Deneysel olarak alakasız zaman aralıklarını silerek veri ön işlemeyi gerçekleştirin, adımlar ve ani artışlar gibi yapıları kaldırın ve deneysel olarak alakasız frekans bantlarını hariç tutmak için frekans filtreleri uygulayın.
      NOT: Tüm veri setleri, enstrümantal veya fizyolojik gürültü katkılarını gidermek için 0,01 Hz yüksek geçiş filtresi ve 0,2 Hz düşük geçiş filtresi ile filtrelenmiştir.
   4. Tepe aydınlatma dalga boylarının (yani 760 ve 850 nm) değerini girerek dalga boylarını belirtin. Kanal için kaynak ve dedektör arasında 3 cm fiziksel bir mesafe kullanın.
   5. Katılımcıların genellikle sessizce dinlendiği bir taban çizgisine karşılık gelen zaman dönemini ifade eden taban çizgisi alanını seçin.
      NOT: Varsayılan ayar olan veri kümesinin tam zamanlı seyri olarak temel alanı seçtik.
   6. Filtre uygulanmış verilerden ön işlemeyi bitirmek için hemodinamik durumların zaman serisini hesapla.

Sonuçlar

Dört sağlıklı katılımcıdan (1 erkek ve 3 kadın) elde edilen veriler temsili sonuçlar olarak kullanılmıştır. Şekil 5A'da,her işaret görevinin 30 s'lik alt aşamasında 10 denemenin ortanca değerinin ortalamalarıyla bir işaretleme hatası gösterilir. Her fazın ilk bloğundaki ortanca işaret hatalarının ortalama değerleri 0,45 ± 0,92 (vpat öncesi), 4,69 ± 3,08 (VPAT 10°), 5,43 ± 2,22 (VPAT 20°) ve -5,17 ± 1,60 (vpat sonrası) idi. İşaretleme ha...

Tartışmalar

Bu çalışma, VR ortamında çevrilmiş bir el hareketi kullanılarak prizma adaptasyon terapisi uygulanmıştır. Uygulanan sapmanın, geleneksel prizma adaptasyon terapisinde olduğu gibi açı aşırı atışmasına ve davranışsal adaptasyona neden olup olmadığı araştırıldı.

Ortanca işaretleme hatası sonucu(Şekil 5) ve ilk işaretleme hatası sonucu, aşama değiştirildiğinde işaretleme hatası önemli ölçüde değişti. Bazı el tanıma hatal...

Malzemeler

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