Name: virtual reality tools for assessing unilateral spatial neglect: a novel opportunity for data collection
Uploaded: 2021-03-10T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Virtual Reality Tools for Assessing Unilateral Spatial Neglect: A Novel Opportunity for Data Collection at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af University Research Fund (URF) fra University of Pennsylvania, og American Heart Association's Student Scholarships i Cerebrovascular Disease &Stroke. Særlig tak til forskere, klinikere og personale i Laboratoriet for Kognition og Neural Stimulation for deres løbende støtte.

Denne undersøgelse blev godkendt af det lokale institutionsgennemgangsråd og opfylder alle kriterier, der er fastsat i retningslinjerne for god klinisk praksis. Alle deltagere gav informeret samtykke, før nogen undersøgelsesprocedurer begyndte. Det forventedes, at deltagerne i undersøgelsen ville deltage i tre separate sessioner (beskrevet i tabel 1). Elementerne i eksperimentet er beskrevet trinvis nedenfor. Sessionsrækkefølgen blev randomiseret.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="always...

Vi har med succes induceret og målt USN symptomer med TMS og VR, henholdsvis. Selv om vi ikke havde betydelige resultater i forhold til falske forsøg, vi var i stand til at sammenligne flere målinger af egocentrisk forsømmelse (gennemsnitlig hovedvinkel, tid brugt på at se på blomster i enten hemispace) og allocentrisk forsømmelse (ydeevne i udvælgelsen af blomster med asymmetriske kronblade til venstre vs højre side) mellem de forskellige eksperimentelle grupper, og fundet betydelige forskelle i den gennemsnitl...

Ensidig rumlig forsømmelse (USN) er et syndrom karakteriseret ved uopmærksomhed til eller passivitet i den ene side af rummet, der påvirker mellem 23-46% af akut slagtilfælde overlevende, oftest involverer skade på højre hjerne hjernehalvdel og resulterer i en tendens til at ignorere venstre side af rummet og / eller den overlevendes krop1,2. Selv om de fleste patienter med USN oplever betydelig genopretning på kort sigt, subtile USN symptomer ofte fortsætter3. USN kan øge patientens risiko for fald og hæmme aktiviteter i dagligdagen2,4 Det har også vist sig at have en negativ indvirkning både motoriske og globale funktionelle resultater5,6.
Underskud i USN kan konceptualiseres som eksisterende på tværs af flere dimensioner, såsom om en person ignorerer den ene side af rummet med hensyn til deres egen krop (egocentrisk) eller med hensyn til en ekstern stimulus (allocentrisk)7,8,9, eller om en person ikke er i stand til at rette deres opmærksomhed (attentional) eller handlinger (forsætlig) mod den ene side af rummet10 . Patienter udviser ofte en kompleks konstellation af symptomer, der kan karakteriseres langs mere end en af disse dimensioner. Denne variation af USN syndromer menes at skyldes varierende grader af skade på specifikke neuroanatomiske strukturer og neuronale netværk, som er komplekse11. Allocentrisk forsømmelse har været forbundet med læsioner af vinkel gyrus (AG) og overlegen temporal gyrus (STG), mens den bageste parietale cortex (PPC), herunder supramarginal gyrus (SMG) har været impliceret i egocentrisk behandling12,13,14,15. Attentional forsømmelse menes at involvere læsioner i højre IPL16, mens forsætlig forsømmelse menes at være sekundær til skader på højre frontal lap17 eller basal ganglier18.
Klinisk vurdering af USN er i øjeblikket afhængig af pen-og-papir neuropsykologiske instrumenter. Disse konventionelle vurderingsværktøjer kan være mindre følsomme end mere teknologisk avancerede værktøjer, hvilket resulterer i fejldiagnosticering eller underdiagnosticering af nogle patienter med USN19. Bedre karakterisering af resterende underskud kunne lette leveringen af terapi til patienter med mildere USN og potentielt forbedre deres samlede opsving, men en sådan karakterisering ville kræve meget følsomme diagnostiske værktøjer. USN udgør lignende udfordringer i laboratoriet indstilling, hvor det kan være svært at isolere fra motoriske og synshandicap, der almindeligvis ledsager USN blandt slagtilfælde patienter.
Virtual reality (VR) giver en unik mulighed for at udvikle nye værktøjer til diagnosticering og karakterisering af USN. VR er et multisensorisk 3D-miljø, der præsenteres i den første person med realtidsinteraktioner, hvor enkeltpersoner er i stand til at udføre opgaver, der involverer økologisk gyldige objekter20. Det er et lovende værktøj til vurdering af USN; evnen til præcist at kontrollere, hvad brugeren ser og hører giver udviklere mulighed for at præsentere en bred vifte af virtuelle opgaver til brugeren. Derudover giver de sofistikerede hardware- og softwarepakker, der i øjeblikket er tilgængelige, mulighed for realtidsindsamling af et væld af data om brugerens handlinger, herunder øjen-, hoved- og lemmerbevægelser, der langt overstiger de målinger, der tilbydes af traditionelle diagnostiske tests21. Disse datastrømme er øjeblikkeligt tilgængelige, hvilket åbner mulighed for justering i realtid af diagnostiske opgaver baseret på brugernes ydeevne (f.eks. rettet mod det ideelle sværhedsgrad for en given opgave). Denne funktion kan lette opgavetilpasning til den brede vifte af sværhedsgrader, der ses i USN, som betragtes som en prioritet i udviklingen af nye diagnostiske værktøjer til USN22. Derudover kan fordybende VR-opgaver pålægge patienternes opmærksomhedsressourcer en øget byrde23,24, hvilket resulterer i øgede fejl, som kan lette påvisning af omsorgssvigtssymptomer; faktisk har nogle VR-opgaver vist sig at have øget følsomhed sammenlignet med konventionelle papir- og blyantsmål på USN24,25.
I denne undersøgelse, målet var at skabe en vurdering værktøj, der kræver ingen ekspertise i neurologi til at fungere, og som pålideligt kan opdage og karakterisere selv subtile tilfælde af USN. Vi byggede en virtual reality-baseret, spillignende opgave. Vi inducerede derefter et USN-lignende syndrom hos raske forsøgspersoner med transkranial magnetisk stimulation (TMS), en ikke-invasiv hjernestimuleringsteknik, der udnytter elektromagnetiske impulser, der udsendes fra en håndholdt stimuleringsspole, der passerer gennem motivets hovedbund og kranium og fremkalder elektriske strømme i motivets hjerne, der stimulerer neuroner26,27. Denne teknik er blevet udnyttet i studiet af USN af andre13,17,28,29,30, men til vores viden aldrig i forbindelse med en VR-baseret vurdering værktøj.
Mange forskere arbejder allerede på diagnostiske og terapeutiske anvendelser af VR-systemer. Nylige undersøgelser31,32 undersøgte en række projekter med henblik på vurdering af USN med VR-baserede teknikker, og en række andre undersøgelser med dette mål er blevet offentliggjort33,34,35,36,37,38,39,40,41 . De fleste af disse undersøgelser anvender ikke det fulde supplement af VR-teknologi, der i øjeblikket er tilgængelig for forbrugermarkedet (f.eks. et hovedmonteret display (HMD) og øjensporingsindsatser), hvilket begrænser deres datasæt til et mindre antal letkvantificerbare målinger. Derudover blev alle disse undersøgelser udført på patienter med erhvervet hjerneskade, der førte til USN, hvilket krævede screeningsmetoder for at sikre, at patienterne i det mindste kunne deltage i vurderingsopgaverne (f.eks. eksklusive patienter med store synsfeltunderskud eller kognitiv svækkelse). Det er muligt, at mere subtile kognitive, motoriske eller visuelle underskud passerede under tærsklen til disse screeningsmetoder, muligvis forvirre resultaterne af disse undersøgelser. Det er også muligt, at en sådan screening forudindtaget prøverne af deltagerne i disse undersøgelser mod en bestemt undertype af USN.
For at undgå screening bias af tidligere undersøgelser, vi rekrutteret raske forsøgspersoner og kunstigt simulerede USN symptomer med en standard TMS protokol, der er velbeskrevet i en nylig manuskript15, med det mål at fremkalde allocentriske USN-lignende symptomer ved at målrette STG og egocentriske USN-lignende symptomer ved at målrette SMG. Vi designede opgaven til aktivt at justere sin sværhedsgrad forsøg til forsøg og at skelne mellem forskellige undertyper af USN, specielt allocentriske vs egocentriske symptomer. Vi har også brugt standard papir &blyant vurderinger af USN til formelt at vise, at de underskud, vi induceret med rTMS er USN-lignende. Vi mener, at metoden vil være nyttig for andre forskere, der ønsker at teste nye VR-værktøjer til vurdering og rehabilitering af USN.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AirFilm Coil (AFC) Rapid Version</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Air-cooled TMS coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alienware 17 R4 Laptop</td>
			<td>Dell</td>
			<td>N/A</td>
			<td>NVIDIA GeForce GTX 1060 (full specs at https://topics-cdn.dell.com/pdf/alienware-17-laptop_users-guide_en-us.pdf)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BrainSight 2.0 TMS Neuronavigation Software</td>
			<td>Rogue Research Inc</td>
			<td>N/A</td>
			<td>TMS neural targeting software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CED 1902 Isolated pre-amplifier</td>
			<td>Cambridge Electronic Design Limted</td>
			<td>N/A</td>
			<td>EMG pre-amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CED Micro 401 mkII</td>
			<td>Cambridge Electronic Design Limted</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Multi-channel waveform data acquisition unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CED Signal 5</td>
			<td>Cambridge Electronic Design Limted</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sweep-based data acquisition and analysis software. Used to measure TMS evoked motor responses.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HTC Vive Binocular Add-on</td>
			<td>Pupil Labs</td>
			<td>N/A</td>
			<td>HTC Vive, Vive Pro, or Vive Cosmos eye tracking add-on with 2 x 200Hz eye cameras.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magstim D70 Remote Coil</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Hand-held TMS coil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magstim Super Rapid 2 plus 1</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Transcranial Magnetic Stimulation Unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Unity 2018</td>
			<td>Unity</td>
			<td>N/A</td>
			<td>cross-platform VR game engine</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vive Pro</td>
			<td>HTC Vive</td>
			<td>N/A</td>
			<td>VR hardware system with external motion sensors; 1440x1600 pixels per eye, 90 Hz refresh rate, 110&#176; FoV</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

virtual reality tools for assessing unilateral spatial neglect: a novel opportunity for data collection

Ensidig rumlig forsømmelse (USN) er et syndrom karakteriseret ved uopmærksomhed til eller passivitet i den ene side af rummet og påvirker mellem 23-46% af akutte slagtilfælde overlevende. Diagnosen og karakteriseringen af disse symptomer hos de enkelte patienter kan være udfordrende og kræver ofte kvalificeret klinisk personale. Virtual reality (VR) giver mulighed for at udvikle nye vurderingsværktøjer til patienter med USN.
Vi havde til formål at designe og opbygge et VR-værktøj til at opdage og karakterisere subtile USN symptomer, og at teste værktøjet på emner behandlet med hæmmende gentagne transkranial magnetisk stimulation (TMS) af kortikale regioner forbundet med USN.
Vi skabte tre eksperimentelle betingelser ved at anvende TMS til to forskellige regioner af cortex forbundet med visuospatial behandling- den overlegne tidsmæssige gyrus (STG) og supramarginal gyrus (SMG) - og anvendt falske TMS som en kontrol. Vi placerede derefter emner i et virtual reality-miljø, hvor de blev bedt om at identificere blomsterne med laterale asymmetrier af blomster fordelt på buske i begge hemispaces, med dynamisk sværhedsgrad baseret på hvert emnes ydeevne. 
Vi fandt betydelige forskelle i gennemsnitlige hoved gab mellem emner stimuleret på STG og dem stimuleret på SMG og marginalt signifikante virkninger i den gennemsnitlige visuelle akse.
VR-teknologi bliver mere tilgængelig, økonomisk overkommelig og robust og giver en spændende mulighed for at skabe nyttige og nye spillignende værktøjer. I forbindelse med TMS kan disse værktøjer bruges til at studere specifikke, isolerede, kunstige neurologiske underskud hos raske forsøgspersoner og informere om oprettelsen af VR-baserede diagnostiske værktøjer til patienter med underskud på grund af erhvervet hjerneskade. Denne undersøgelse er den første til vores viden, hvor kunstigt genererede USN symptomer er blevet evalueret med en VR-opgave.

Data blev indsamlet fra raske personer ved hjælp af protokollen skitseret ovenfor for at demonstrere, hvordan de forskellige variabler, der kan udtrækkes fra virtual reality-opgaven, kan analyseres for at opdage subtile forskelle mellem grupper.
I denne undersøgelse gennemgik 7 personer (2 mænd) med en gennemsnitsalder på 25,6 år og et gennemsnit på 16,8 års uddannelse hver tre separate sessioner af TMS. Disse forsøgspe...

Watch this Scientific Journal Video about Virtual Reality Tools for Assessing Unilateral Spatial Neglect: A Novel Opportunity for Data Collection at JoVE.com

Virtual Reality Tools for Assessing Unilateral Spatial Neglect: A Novel Opportunity for Data Collection

Målet var at designe, bygge og afprøve en ny virtual reality-opgave at opdage og karakterisere ensidig rumlig forsømmelse, et syndrom, der påvirker 23-46% af akutte slagtilfælde overlevende, udvide den rolle, virtual reality i undersøgelsen og forvaltningen af neurologisk sygdom.

Virtual Reality-værktøjer til vurdering af ensidig rumlig forsømmelse: En ny mulighed for dataindsamling

Unilateral spatial neglect (USN) is a syndrome characterized by inattention to or inaction in one side of space and affects between 23-46% of acute stroke ...

Vores protokol, efterforskere kan designe og validere nye virtual reality værktøjer til at hjælpe med diagnosticering og karakterisering af ensidig rumlig forsømmelse. Denne teknik giver en bred vifte af datasæt til undersøgelse af ensidig rumlig forsømmelse. Det undgår også mulige forvirrende virkninger set i undersøgelser af patienter med erhvervet hjerneskade.Bedre karakterisering af ensidig rumlig forsømmelse kan lette leveringen af terapi til patienter med subtile, men stadig invaliderende underskud og potentielt forbedre deres samlede opsving. Det bliver Sam Cason og Peter Schwab, forskere fra mit laboratorium. For at udføre Line Bisection-testen skal motivet sidde ved et bord direkte overfor testeren og give motivet et skriveredskab og stimulusarket, der sikrer, at arket placeres direkte foran motivet.Instruer emnet til hurtigt og præcist at gennemskære hver linje trykt på stimulus ark så tæt på midten af hver linje som muligt, samtidig med at deres hoved og skuldre centreret så meget som muligt. For at udføre Bells Test give emnet med Bells Test stimuli ark og instruere emnet til cirkel eller krydse alle klokker på arket så hurtigt og præcist som muligt, samtidig med at deres hoved og skuldre som centreret. For at udføre stjerneaflysningsprøven skal motivet præsenteres med stimulusarket, der sikrer, at det placeres direkte foran dem og instruerer motivet til at cirkulere eller krydse alle stjernerne på stimulusarket så hurtigt og præcist som muligt med deres hoved og skuldre centreret.For at udføre Otas cirkel annullering test give emnet med Otas cirkel annullering stimulus ark og instruere emnet til at krydse ud eller cirkel alle de åbne ufuldstændige cirkler så hurtigt og så præcist som muligt med deres hoved og skuldre som centreret. Før den første TMS-session uploade motivets 3TT1 MR-scanning i neuro navigationssoftware og skabe en 3D-repræsentation af emnets hjerne. Under den første session skal motivet sidde foran et optisk sporingskamera og bruge et hovedbånd eller briller til at placere en tracker på motivet.Fastgør en engangsdiskelektrode på motivets højre dorsale interosseous, en diskelektrode til motivets anden kno på højre pegefinger og en jordelektrode til motivets højre håndled, højre hånd og håndled. Sæt elektroderne i en elektrodeadapter, der trænger ind i et MEP-sporingssoftwareprogram, og vælg en ny onlinesession for at åbne emnets projekt inden for neuronavigationssoftwaren. Vælg de mål, der skal stimuleres i denne session, og brug en pointer, der er registreret til neuronavigationssoftwaren, berører motivets ansigt de samme steder, som landemærkerne blev placeret.Åbn validering fanen i softwaren og bruge markøren til at røre motivet i forskellige steder på hovedet, at sikre, at krydset hår på skærmen linje op med stedet bliver peget på om emnet. Sæt en håndholdt TMS-spole i TMS-maskinen, og tænd for TMS-maskinen. Indstil instrumentet til enkelt puls og sæt en passende stimuleringsintensitet.Placering af den håndholdte TMS spole på venstre side af motivets hoved, levere stimuli til motor cortex ved hjælp af TMS enkelt pulser. At identificere det sted, der stimulerer den første dorsale interosseous. Ændre stimuleringsintensiteten, indtil stimuleringen fremkalder MEP'er på mindst 50 millivolt nøjagtigt fem ud af 10 gange.Denne intensitet betragtes som den hvilende motorgrænse. Udskift den håndholdte spole med en luftkølet TMS spole med et indbygget kølesystem rettet mod SMG eller STG til aktive sessioner eller knudepunktet for falske sessioner og indstil stimuleringsparametrene til gentagne TMS med en hastighed på en Hertz i 20 minutter ved en 110% intensitet af hvilemotortærsklen. Så start stimulering af målet for interesse.For at udføre virtual reality-adfærdstesten skal VR-headsettet placeres på det siddende emnes hoved med stropperne fastgjort tæt, men komfortabelt. Giv motivet både controllere og sikre, at begge øjne er synlige ved visuelt at bekræfte, at de er centreret i elevens kerne software kamera feeds. Åbn virtual reality-opgaven i enhedsredaktøren, og tryk på afspilningsknappen.Bed motivet om at se lige frem og klikke på tårekameraknappen. Klik på knappen Start selvstudium, og vent på, at emnet fuldfører selvstudiet. Når motivet er færdigt, skal du klikke på knappen kalibrer øjesporing og klikke på næste forsøg for at starte det første forsøg.Når emnet har fuldført prøveversionen, skal du klikke på afspilningsknappen igen for at afslutte opgaven. I denne analyse blev den gennemsnitlige hovedvinkel undersøgt for at afgøre, om virtual reality-opgaven var følsom nok til at identificere en forskel mellem SMG- og STG-grupperne. ANCOVA analyse af hovedvinkel forskelle mellem grupper afslørede en betydelig forskel i hoved vinkel ændre score mellem før og efter TMS grupper.Dette resultat fra virtual reality-opgaven er i overensstemmelse med resultaterne af den traditionelle papir- og blyantsopgave, da begge demonstrerede et mønster, hvor SMG-gruppen kan have haft en subtil forsømmelse og set mere mod højre i forhold til STG-gruppen. For specifikt at vurdere for tegn på allocentrisk forsømmelse på et individuelt målniveau kan blomster adskilles af hvilken side af blomsten der indeholder de defekte kronblade. I denne analyse havde deltagerne i SMG-gruppen en tendens til at se længere til højre ved en højere blomst til hovedvinkel, når de søgte efter det korte kronblad på højre side af blomsten sammenlignet med den vinkel, der blev observeret, da de korte kronblade var på venstre side af blomsten.Når det gennemsnitlige antal sekunder, at deltagerne kiggede på hver blomst blev analyseret ingen signifikant forskel i gennemsnitlige hoved vinkel ændre score blev observeret mellem SMG og STG grupper. Denne metode er begrænset af de subtile kliniske virkninger opnået med gentagne transkranial magnetisk stimulation. Så korrekt stimulation parametre i kortikale region målretning er afgørende.

Research

JoVE Journal

Medicine

Collection Protocol for Human Pancreas

Indsamling Protokol for human pancreas

This dissection and sampling procedure was developed for the Network for Pancreatic Organ Donors with Diabetes (nPOD) program to standardize preparation ...

Development of an Audio-based Virtual Gaming Environment to Assist with Navigation Skills in the Blind

Udvikling af en Audio-based Virtual Gaming Miljø til at hjælpe med Navigation Skills i Blind

Audio-based Environment Simulator (AbES) is virtual environment software designed to improve real world navigation skills in the blind. Using only audio ...

Identification of Disease-related Spatial Covariance Patterns using Neuroimaging Data

Identifikation af Sygdomsrelaterede Spatial kovarians Opskrifter hvor neuroimaging data

The scaled subprofile model (SSM)1-4 is a multivariate PCA-based algorithm that identifies major sources of variation in patient and control group brain ...

A Murine Model of Irreversible and Reversible Unilateral Ureteric Obstruction

En murin model af Irreversible og reversibel Ensidig ureteric Obstruktion

Obstruction of the kidney may affect native or transplanted kidneys and results in kidney injury and scarring. Presented here is a model of obstructive ...

A Novel Clinical Grade Isolation Method for Human Kidney Perivascular Stromal Cells

En roman kliniske Grade Isolation metode for menneskelige nyre Perivascular stromale celler

Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) are tissue homeostatic and immune modulatory cells that have shown beneficial effects in kidney diseases and ...

High-Throughput Analysis of Optical Mapping Data Using ElectroMap

Høj gennemløbs analyse af optiske kortlægnings data ved hjælp af Elektromap

Optical mapping is an established technique for high spatio-temporal resolution study of cardiac electrophysiology in multi-cellular preparations. Here we ...

Integrating Augmented Reality Tools in Breast Cancer Related Lymphedema Prognostication and Diagnosis

Integration augmented reality værktøjer i brystkræft relaterede Lymphedema Prognostication og diagnose

Breast cancer related lymphedema (BCRL) is a detrimental condition characterized by fluid accumulation in the upper limb in breast cancer patients ...

Virtual Prism Adaptation Therapy: Protocol for Validation in Healthy Adults

Virtual Prism Tilpasning Therapy: Protokol for validering hos raske voksne

Hemispatial neglect is a common impairment after stroke. It is associated with poor functional and social outcomes. Therefore, an adequate intervention is ...

Augmented Reality Navigation-Guided Core Decompression for Osteonecrosis of Femoral Head

Augmented Reality Navigationsstyret kernedekompression til osteonekrose af lårbenshovedet

Osteonecrosis of the femoral head (ONFH) is a common joint disease in young and middle-aged patients, which seriously burdens their lives and work. For ...