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

Ce travail a été soutenu par le Fonds de recherche universitaire (URF) de l’Université de Pennsylvanie et les bourses d’études de l’American Heart Association en maladies cérébrovasculaires et accidents vasculaires cérébraux. Un merci spécial aux chercheurs, aux cliniciens et au personnel du Laboratoire de cognition et de stimulation neuronale pour leur soutien continu.

Cette étude a été approuvée par le comité d’examen institutionnel local et répond à tous les critères énoncés dans les lignes directrices sur les bonnes pratiques cliniques. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé avant le début des procédures d’étude. On s’attendait à ce que les participants à l’étude participent à trois séances distinctes (décrites dans le tableau 1). Les éléments de l’expérience sont décrits par étapes ci-dessous. L’ordre des sessions a...

Nous avons réussi à induire et à mesurer les symptômes de l’USN avec TMS et VR, respectivement. Bien que nous n’ayons pas eu de résultats significatifs par rapport aux essais simulés, nous avons pu comparer plusieurs mesures de la négligence égocentrique (angle moyen de la tête, temps passé à regarder les fleurs dans l’un ou l’autre espace) et de la négligence allocentrique (performance dans la sélection des fleurs avec des pétales asymétriques à gauche par rapport au côté droit) entre les diff?...

La négligence spatiale unilatérale (NSU) est un syndrome caractérisé par l’inattention ou l’inaction d’un côté de l’espace qui touche entre 23 et 46 % des survivants d’un AVC aigu, impliquant le plus souvent une blessure à l’hémisphère cérébral droit et entraînant une tendance à ignorer le côté gauche de l’espace et/ou le corps du survivant1,2. Bien que la majorité des patients atteints de NSN connaissent un rétablissement significatif à court terme, les symptômes subtils de l’USN persistent souvent3. L’USN peut augmenter le risque de chute chez le patient et entraver les activités de la vie quotidienne2,4 Il a également été démontré qu’il a un impact négatif sur les résultats fonctionnels moteurs et globaux5,6.
Les déficits en USN peuvent être conceptualisés comme existant à travers de multiples dimensions, par exemple si une personne ignore un côté de l’espace par rapport à son propre corps (égocentrique) ou par rapport à un stimulus externe (allocentrique)7,8,9, ou si une personne est incapable de diriger son attention (attentionnelle) ou ses actions (intentionnelles) vers un côté de l’espace10 . Les patients présentent souvent une constellation complexe de symptômes qui peuvent être caractérisés selon plus d’une de ces dimensions. On pense que cette variabilité des syndromes USN résulte de divers degrés de lésion de structures neuroanatomiques et de réseaux neuronaux spécifiques, qui sont complexes11. La négligence allocentrique a été associée à des lésions du gyrus angulaire (AG) et du gyrus temporal supérieur (STG), tandis que le cortex pariétal postérieur (PPC), y compris le gyrus supramarginal (SMG), a été impliqué dans le traitement égocentrique12,13,14,15. On pense que la négligence attentionnelle implique des lésions dans l’IPL16 droit, tandis que la négligence intentionnelle est considérée comme secondaire à des lésions du lobe frontal droit17 ou des noyaux gris centraux18.
L’évaluation clinique de l’USN repose actuellement sur des instruments neuropsychologiques à la plume et au papier. Ces outils d’évaluation conventionnels peuvent être moins sensibles que des outils plus sophistiqués sur le plan technologique, ce qui entraîne un diagnostic erroné ou un sous-diagnostic de certains patients atteints de l’USN19. Une meilleure caractérisation des déficits résiduels pourrait faciliter l’administration du traitement aux patients atteints d’USN plus léger et potentiellement améliorer leur récupération globale, mais une telle caractérisation nécessiterait des outils de diagnostic très sensibles. L’USN pose des défis similaires en laboratoire, où il peut être difficile de s’isoler des déficiences motrices et visuelles qui accompagnent généralement l’USN chez les patients victimes d’un AVC.
La réalité virtuelle (RV) offre une occasion unique de développer de nouveaux outils pour le diagnostic et la caractérisation de l’USN. La RV est un environnement 3D multisensoriel présenté à la première personne avec des interactions en temps réel dans lequel les individus sont capables d’effectuer des tâches impliquant des objets écologiquement valides20. C’est un outil prometteur pour évaluer l’USN; la possibilité de contrôler précisément ce que l’utilisateur voit et entend permet aux développeurs de présenter une grande variété de tâches virtuelles à l’utilisateur. En outre, les progiciels et matériels sophistiqués actuellement disponibles permettent la collecte en temps réel d’une multitude de données sur les actions de l’utilisateur, y compris les mouvements des yeux, de la tête et des membres, dépassant de loin les mesures offertes par les tests de diagnostic traditionnels21. Ces flux de données sont disponibles instantanément, ce qui ouvre la possibilité d’ajuster en temps réel les tâches de diagnostic en fonction des performances de l’utilisateur (par exemple, cibler le niveau de difficulté idéal pour une tâche donnée). Cette fonctionnalité peut faciliter l’adaptation des tâches au large éventail de gravité observé dans l’USN, qui est considéré comme une priorité dans le développement de nouveaux outils de diagnostic pour l’USN22. En outre, les tâches immersives de RV peuvent imposer un fardeau accru sur les ressources attentionnelles des patients23,24, ce qui entraîne une augmentation des erreurs qui peuvent faciliter la détection des symptômes de négligence; en effet, il a été démontré que certaines tâches de RV avaient une sensibilité accrue par rapport aux mesures conventionnelles sur papier et crayon de 24,25 USN.
Dans cette étude, l’objectif était de créer un outil d’évaluation qui ne nécessite aucune expertise en neurologie pour fonctionner et qui peut détecter et caractériser de manière fiable même les cas subtils de NSU. Nous avons construit une tâche de jeu basée sur la réalité virtuelle. Nous avons ensuite induit un syndrome de type USN chez des sujets sains avec une stimulation magnétique transcrânienne (TMS), une technique de stimulation cérébrale non invasive qui utilise des impulsions électromagnétiques émises par une bobine de stimulation portative, qui traversent le cuir chevelu et le crâne du sujet et induisent des courants électriques dans le cerveau du sujet qui stimulent les neurones26,27. Cette technique a été utilisée dans l’étude de l’USN par d’autres13,17,28,29,30, bien qu’à notre connaissance jamais en conjonction avec un outil d’évaluation basé sur la RV.
De nombreux chercheurs travaillent déjà sur des applications diagnostiques et thérapeutiques des systèmes de RV. Des revues récentes31,32 ont exploré un certain nombre de projets visant à évaluer l’USN avec des techniques basées sur la RV, et un certain nombre d’autres études à cet effet ont été publiées33,34,35,36,37,38,39,40,41 . La majorité de ces études n’utilisent pas l’ensemble de la technologie de RV actuellement disponible sur le marché grand public (p. ex., un affichage monté sur la tête (HMD) et des inserts de suivi oculaire), ce qui limite leurs ensembles de données à un plus petit nombre de mesures facilement quantifiables. En outre, toutes ces études ont été réalisées sur des patients présentant une lésion cérébrale acquise entraînant une NSU, nécessitant des méthodes de dépistage pour s’assurer que les patients pouvaient au moins participer aux tâches d’évaluation (par exemple, en excluant les patients présentant de grands déficits du champ visuel ou des troubles cognitifs). Il est possible que des déficits cognitifs, moteurs ou visuels plus subtils soient passés sous le seuil de ces méthodes de dépistage, confondant éventuellement les résultats de ces études. Il est également possible qu’un tel dépistage ait biaisé les échantillons des participants à ces études vers un sous-type particulier de NSU.
Pour éviter les biais de dépistage des études antérieures, nous avons recruté des sujets sains et simulé artificiellement les symptômes de l’USN avec un protocole TMS standard qui est bien décrit dans un manuscrit récent15, dans le but d’induire des symptômes allocentriques de type USN en ciblant le STG et les symptômes égocentriques de type USN en ciblant le SMG. Nous avons conçu la tâche pour ajuster activement son essai de difficulté à l’essai et pour différencier les différents sous-types d’USN, en particulier les symptômes allocentriques vs égocentriques. Nous avons également utilisé des évaluations standard sur papier et au crayon de l’USN pour démontrer formellement que les déficits que nous avons induits avec la SMTr sont semblables à ceux de l’USN. Nous pensons que la méthode sera utile à d’autres chercheurs qui souhaitent tester de nouveaux outils de RV pour l’évaluation et la réhabilitation de l’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

La négligence spatiale unilatérale (USN) est un syndrome caractérisé par l’inattention ou l’inaction d’un côté de l’espace et affecte entre 23 et 46% des survivants d’un AVC aigu. Le diagnostic et la caractérisation de ces symptômes chez des patients individuels peuvent être difficiles et nécessitent souvent un personnel clinique qualifié. La réalité virtuelle (RV) offre l’occasion de développer de nouveaux outils d’évaluation pour les patients atteints de NSU.
Nous avions pour objectif de concevoir et de construire un outil de RV pour détecter et caractériser les symptômes subtils de l’USN, et de tester l’outil sur des sujets traités par stimulation magnétique transcrânienne répétitive inhibitrice (SMT) des régions corticales associées à l’USN.
Nous avons créé trois conditions expérimentales en appliquant la SMT à deux régions distinctes du cortex associées au traitement visuospatial - le gyrus temporal supérieur (STG) et le gyrus supramarginal (SMG) - et appliqué la TMS simulée comme contrôle. Nous avons ensuite placé les sujets dans un environnement de réalité virtuelle dans lequel on leur a demandé d’identifier les fleurs avec des asymétries latérales de fleurs réparties sur les buissons dans les deux hémispaces, avec un ajustement dynamique de la difficulté en fonction de la performance de chaque sujet. 
Nous avons trouvé des différences significatives dans le lacet moyen de la tête entre les sujets stimulés au STG et ceux stimulés au SMG et des effets légèrement significatifs dans l’axe visuel moyen.
La technologie VR devient de plus en plus accessible, abordable et robuste, offrant une opportunité passionnante de créer des outils de jeu utiles et novateurs. En conjonction avec la SMT, ces outils pourraient être utilisés pour étudier des déficits neurologiques spécifiques, isolés et artificiels chez des sujets sains, en informant la création d’outils de diagnostic basés sur la RV pour les patients présentant des déficits dus à une lésion cérébrale acquise. Cette étude est la première à notre connaissance dans laquelle les symptômes USN générés artificiellement ont été évalués avec une tâche VR.

Les données ont été recueillies auprès d’individus en bonne santé à l’aide du protocole décrit ci-dessus pour démontrer comment les différentes variables qui peuvent être extraites de la tâche de réalité virtuelle peuvent être analysées pour détecter des différences subtiles entre les groupes.
Dans cette étude, 7 personnes (2 hommes) d’un âge moyen de 25,6 ans et d’une moyenne de 16,8 ans d’éducatio...

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

L’objectif était de concevoir, construire et piloter une nouvelle tâche de réalité virtuelle pour détecter et caractériser la négligence spatiale unilatérale, un syndrome affectant 23 à 46% des survivants d’avc aigus, élargissant le rôle de la réalité virtuelle dans l’étude et la gestion des maladies neurologiques.

Outils de réalité virtuelle pour évaluer la négligence spatiale unilatérale : une nouvelle occasion de collecte de données

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 ...

Notre protocole, les chercheurs peuvent concevoir et valider de nouveaux outils de réalité virtuelle pour aider au diagnostic et à la caractérisation de la négligence spatiale unilatérale. Cette technique fournit un large éventail d’ensembles de données pour l’étude de la négligence spatiale unilatérale. Il évite également les effets confusionnels possibles observés dans les études sur des patients atteints de lésions cérébrales acquises.Une meilleure caractérisation de la négligence spatiale unilatérale peut faciliter l’administration du traitement aux patients présentant des déficits subtils mais toujours débilitants et potentiellement améliorer leur rétablissement global. Sam Cason et Peter Schwab, chercheurs de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour effectuer le test de bisection de ligne, demandez au sujet de s’asseoir à une table directement en face du testeur et de fournir au sujet un ustensile d’écriture et la feuille de stimulus en veillant à ce que la feuille soit placée directement devant le sujet.Demandez au sujet de couper rapidement et précisément chaque ligne imprimée sur la feuille de stimulus aussi près que possible du milieu de chaque ligne tout en gardant la tête et les épaules centrées autant que possible. Pour effectuer le test de cloches, fournissez au sujet la feuille de stimuli de test de cloches et demandez au sujet d’encercler ou de rayer toutes les cloches de la feuille aussi rapidement et précisément que possible tout en gardant la tête et les épaules centrées. Pour effectuer le test d’annulation d’étoile, présentez au sujet la feuille de stimulus en vous assurant qu’elle est placée directement devant lui et demandez au sujet d’encercler ou de rayer toutes les étoiles de la feuille de stimulus aussi rapidement et précisément que possible avec la tête et les épaules centrées.Pour effectuer le test d’annulation de cercle d’Otas, fournissez au sujet la feuille de stimulus d’annulation de cercle d’Otas et demandez au sujet de rayer ou d’encercler tous les cercles incomplets ouverts aussi rapidement et aussi précisément que possible avec la tête et les épaules centrées. Avant la première séance de SMT, téléchargez l’IRM 3TT1 du sujet dans le logiciel de navigation neurologique et créez une représentation 3D du cerveau du sujet. Au cours de la première séance, demandez au sujet de s’asseoir devant une caméra de suivi optique et d’utiliser un bandeau ou des lunettes pour placer un tracker sur le sujet.Fixez une électrode à disque jetable sur l’interosse dorsale droite du sujet, une électrode à disque à la deuxième articulation du sujet sur le doigt pointeur droit et une électrode de masse au poignet droit, à la main droite et au poignet du sujet. Branchez les électrodes dans un adaptateur d’électrode qui entre dans un logiciel de suivi MEP et sélectionnez une nouvelle session en ligne pour ouvrir le projet du sujet dans le logiciel de navigation neurologique. Sélectionnez les cibles à stimuler dans cette session et, à l’aide d’un pointeur enregistré sur le logiciel de navigation neurologique, touchez le visage du sujet aux mêmes endroits que les points de repère.Ouvrez l’onglet de validation dans le logiciel et utilisez le pointeur pour toucher le sujet à différents endroits sur la tête, en vous assurant que le réticule de l’écran s’aligne avec le point pointé sur le sujet. Branchez une bobine TMS portable dans la machine TMS et allumez la machine TMS. Réglez l’instrument sur une seule impulsion et réglez une intensité de stimulation appropriée.En plaçant la bobine TMS portable sur le côté gauche de la tête du sujet, délivrez des stimuli au cortex moteur à l’aide d’impulsions uniques TMS. Identifier l’emplacement qui stimule la première interosseuse dorsale. Modifiez l’intensité de la stimulation jusqu’à ce que la stimulation provoque des MEP d’au moins 50 millivolts exactement cinq fois sur 10.Cette intensité est considérée comme le seuil du moteur au repos. Remplacez la bobine portative par une bobine TMS refroidie par air avec un système de refroidissement intégré ciblant le SMG ou le STG pour les sessions actives ou le sommet pour les séances simulées et réglez les paramètres de stimulation sur un TMS répétitif à un taux d’un Hertz pendant 20 minutes à une intensité de 110% du seuil du moteur au repos. Ensuite, commencez la stimulation de la cible d’intérêt.Pour effectuer le test de comportement en réalité virtuelle, placez le casque VR sur la tête du sujet assis avec les sangles bien fixées mais confortablement. Donnez au sujet les deux contrôleurs et assurez-vous que les deux yeux sont visibles en confirmant visuellement qu’ils sont centrés dans les flux de caméra du logiciel de base de la pupille. Dans l’éditeur Unity, ouvrez la tâche de réalité virtuelle et appuyez sur le bouton de lecture.Demandez au sujet de regarder droit devant lui et de cliquer sur le bouton de l’appareil photo déchiré. Cliquez sur le bouton Commencer le didacticiel et attendez que le sujet termine le didacticiel. Lorsque le sujet a terminé, cliquez sur le bouton Calibrer le suivi oculaire et cliquez sur Essai suivant pour commencer le premier essai.Lorsque le sujet a terminé la période d’essai, cliquez à nouveau sur le bouton de lecture pour mettre fin à la tâche. Dans cette analyse, l’angle de tête moyen a été examiné pour déterminer si la tâche de réalité virtuelle était suffisamment sensible pour identifier une différence entre les groupes SMG et STG. L’analyse ANCOVA des différences d’angle de tête entre les groupes a révélé une différence significative dans les scores de changement d’angle de tête entre les groupes pré et post TMS.Cette constatation de la tâche de réalité virtuelle est cohérente avec les résultats de la tâche traditionnelle sur papier et au crayon, car les deux ont démontré un modèle dans lequel le groupe SMG peut avoir eu une négligence subtile et a regardé plus vers la droite que le groupe STG. Pour évaluer spécifiquement les signes de négligence allocentrique sur un niveau cible individuel, les fleurs peuvent être séparées par le côté de la fleur contenant les pétales défectueux. Dans cette analyse, les participants du groupe SMG avaient tendance à regarder plus à droite à un angle fleur/tête plus élevé lorsqu’ils recherchaient le pétale court sur le côté droit de la fleur par rapport à l’angle observé lorsque les pétales courts étaient sur le côté gauche de la fleur.Lorsque le nombre moyen de secondes pendant lesquelles les participants ont examiné chaque fleur a été analysé, aucune différence significative dans le score moyen de changement d’angle de tête n’a été observée entre les groupes SMG et STG. Cette méthode est limitée par les effets cliniques subtils obtenus avec la stimulation magnétique transcrânienne répétitive. Des paramètres de stimulation appropriés dans le ciblage des régions corticales sont donc essentiels.

Research

JoVE Journal

Medicine

A Novel Rescue Technique for Difficult Intubation and Difficult Ventilation

Une technique de sauvetage pour les nouveaux intubation difficile et de ventilation difficile

We describe a novel non surgical technique to maintain oxygenation and ventilation in a case of difficult intubation and difficult ventilation, which ...

Recherche

Médecine

Collection Protocol for Human Pancreas

Protocole de collecte des pancréas humain

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

Développement d&#39;un environnement Audio-based jeux virtuels pour aider avec des compétences de navigation dans les aveugles

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

Identification des modèles de covariance spatiale liés à la maladie en utilisant des données de neuro-imagerie

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

Un modèle murin d&#39;irréversible et réversible unilatérale obstruction urétérale

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

Une méthode d’isolement roman de Grade clinique pour les cellules stromales de rein humain périvasculaires

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

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

Intégration d’outils de réalité augmentée dans le diagnostic et le diagnostic liés au cancer du sein

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

Thérapie d’adaptation à prisme virtuel : Protocole de validation chez les adultes en bonne santé

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

Décompression du noyau guidée par navigation en réalité augmentée pour l’ostéonécrose de la tête fémorale

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 ...