Name: virtual reality tools for assessing unilateral spatial neglect: a novel opportunity for data collection
Uploaded: 2021-03-10T13:30:00
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Este trabalho foi apoiado pelo University Research Fund (URF) da Universidade da Pensilvânia, e pelas Bolsas de Estudos Estudantis da American Heart Association em Cerebrovascular Disease & Stroke. Agradecimentos especiais aos pesquisadores, médicos e funcionários do Laboratório de Cognição e Estimulação Neural pelo apoio contínuo.

Este estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional local e atende a todos os critérios estabelecidos pelas Diretrizes de Boas Práticas Clínicas. Todos os participantes forneceram consentimento informado antes do início de qualquer procedimento de estudo. Esperava-se que os participantes do estudo participassem de três sessões separadas (descritas na Tabela 1). Os elementos do experimento são descritos de forma stepwise abaixo. A ordem de sessão foi aleatória.
<table border="1" fo:keep-...

Nós induzímos e medimos com sucesso os sintomas usn com TMS e VR, respectivamente. Embora não tenhamos resultados significativos quando comparados aos ensaios falsos, fomos capazes de comparar múltiplas métricas de negligência egocêntrica (ângulo médio da cabeça, tempo gasto olhando para flores em ambos os hemiespaciais) e negligência aocêntrica (desempenho na seleção de flores com pétalas assimétricas à esquerda versus do lado direito) entre os diferentes grupos experimentais, e encontramos diferenças ...

A negligência espacial unilateral (USN) é uma síndrome caracterizada pela desatenção ou inação em um lado do espaço que afeta entre 23-46% dos sobreviventes de derrame agudo, mais comumente envolvendo lesão no hemisfério cerebral direito e resultando em uma tendência a ignorar o lado esquerdo do espaço e/ou o corpo do sobrevivente1,2. Embora a maioria dos pacientes com USN experimente uma recuperação significativa no curto prazo, os sintomas sutis da USN muitas vezes persistem3. USN pode aumentar o risco de quedas do paciente e impedir atividades de vida diária2,4 Também tem mostrado impacto negativo tanto do motor quanto do resultado funcional global5,6.
Os déficits na USN podem ser conceituados como existentes em múltiplas dimensões, como se uma pessoa ignora um lado do espaço em relação ao seu próprio corpo (egocêntrico) ou com relação a um estímulo externo (aocêntrico)7,8,9, ou se uma pessoa é incapaz de direcionar sua atenção (atenção) ou ações (intencionais) para um lado do espaço10 . Os pacientes frequentemente apresentam uma constelação complexa de sintomas que podem ser caracterizados ao longo de mais de uma dessas dimensões. Acredita-se que essa variabilidade das síndromes usn resulte de diferentes graus de lesão a estruturas neuroanatomias específicas e redes neuronais, que são complexas11. A negligência aocêntrica tem sido associada a lesões do giro angular (AG) e do giro temporal superior (STG), enquanto o córtex parietal posterior (PPC), incluindo o giro supramarginal (SMG), foi implicado no processamento egocêntrico12,13,14,15. Acredita-se que a negligência atencional envolva lesões no IPL16 direito, enquanto a negligência intencional é considerada secundária aos danos do lobo frontal direito17 ou gânglios basais18.
A avaliação clínica da USN atualmente depende de instrumentos neuropsicológicos de caneta e papel. Essas ferramentas convencionais de avaliação podem ser menos sensíveis do que ferramentas mais tecnologicamente sofisticadas, resultando em diagnóstico errado ou subdiagnósco de alguns pacientes com USN19. Uma melhor caracterização dos déficits residuais poderia facilitar a entrega da terapia a pacientes com USN mais leve e potencialmente melhorar sua recuperação geral, mas tal caracterização exigiria ferramentas de diagnóstico muito sensíveis. A USN apresenta desafios semelhantes no ambiente laboratorial, onde pode ser difícil isolar das deficiências motoras e visuais que comumente acompanham a USN entre os pacientes com AVC.
A realidade virtual (VR) apresenta uma oportunidade única para desenvolver novas ferramentas para o diagnóstico e caracterização da USN. Vr é um ambiente 3D multissensorial apresentado na primeira pessoa com interações em tempo real em que os indivíduos são capazes de realizar tarefas envolvendo objetos ecologicamente válidos20. É uma ferramenta promissora para avaliar a USN; a capacidade de controlar precisamente o que o usuário vê e ouve permite que os desenvolvedores apresentem uma grande variedade de tarefas virtuais ao usuário. Além disso, os sofisticados pacotes de hardware e software atualmente disponíveis permitem a coleta em tempo real de uma riqueza de dados sobre as ações do usuário, incluindo movimentos de olhos, cabeça e membros, excedendo em muito as métricas oferecidas pelos testes diagnósticos tradicionais21. Esses fluxos de dados estão instantaneamente disponíveis, abrindo a possibilidade de ajuste em tempo real de tarefas diagnósticas com base no desempenho do usuário (por exemplo, visando o nível de dificuldade ideal para uma determinada tarefa). Esse recurso pode facilitar a adaptação da tarefa à ampla gama de gravidades vistas na USN, que é considerada uma prioridade no desenvolvimento de novas ferramentas de diagnóstico para USN22. Além disso, tarefas imersivas de VR podem impor um aumento da carga sobre os recursos atencionais dos pacientes23,24, resultando em erros aumentados que podem facilitar a detecção de sintomas de negligência; de fato, algumas tarefas vr têm mostrado ter maior sensibilidade quando comparadas com as medidas convencionais de papel e lápis de USN24,25.
Neste estudo, o objetivo foi criar uma ferramenta de avaliação que não requer expertise em neurologia para operar e que possa detectar e caracterizar de forma confiável até mesmo casos sutis de USN. Construímos uma tarefa baseada em realidade virtual, semelhante a um jogo. Em seguida, induzimos uma síndrome semelhante à USN em indivíduos saudáveis com estimulação magnética transcraniana (TMS), uma técnica de estimulação cerebral não invasiva que utiliza pulsos eletromagnéticos emitidos a partir de uma bobina de estimulação portátil, que passa pelo couro cabeludo e crânio do sujeito e induz correntes elétricas no cérebro do sujeito que estimulam neurônios26,27. Essa técnica tem sido utilizada no estudo da USN por outros 13,17,28,29,30, embora até onde sabemos nunca em conjunto com uma ferramenta de avaliação baseada em VR.
Muitos pesquisadores já estão trabalhando em aplicações diagnósticas e terapêuticas de sistemas VR. Revisões recentes31,32 exploraram uma série de projetos voltados à avaliação da USN com técnicas baseadas em VR, e uma série de outros estudos com esse objetivo foram publicados33,34,35,36,37,38,39,40,41 . A maioria desses estudos não utiliza o complemento completo da tecnologia VR que está atualmente disponível para o mercado consumidor (por exemplo, um display montado na cabeça (HMD) e inserções de rastreamento de olhos), limitando seus conjuntos de dados a um número menor de métricas facilmente quantificáveis. Além disso, todos esses estudos foram realizados em pacientes com lesão cerebral adquirida que levaram à USN, exigindo métodos de triagem para garantir que os pacientes pudessem pelo menos participar das tarefas de avaliação (por exemplo, excluindo pacientes com grandes déficits visuais de campo ou comprometimento cognitivo). É possível que déficits cognitivos, motores ou visuais mais sutis passaram sob o limiar desses métodos de triagem, possivelmente confundindo os resultados desses estudos. Também é possível que tal triagem tenha tendencioso as amostras dos participantes desses estudos em direção a um subtipo específico da USN.
Para evitar os vieses de triagem de estudos anteriores, recrutamos indivíduos saudáveis e simulamos artificialmente sintomas USN com um protocolo TMS padrão que é bem descrito em um manuscrito recente15, com o objetivo de induzir sintomas aocêntricos semelhantes ao USN, mirando os sintomas semelhantes ao STG e egocêntricos usn-like mirando o SMG. Projetamos a tarefa de ajustar ativamente seu teste de dificuldade para o teste e diferenciar entre diferentes subtipos da USN, especificamente sintomas alocêntricos versus egocêntricos. Também usamos avaliações padrão de papel & lápis da USN para demonstrar formalmente que os déficits que induzíamos com o rTMS são semelhantes ao USN. Acreditamos que o método será útil para outros pesquisadores que desejam testar novas ferramentas vr para a avaliação e reabilitação da 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

A negligência espacial unilateral (USN) é uma síndrome caracterizada pela desatenção ou inação em um lado do espaço e afeta entre 23-46% dos sobreviventes de derrame agudo. O diagnóstico e caracterização desses sintomas em pacientes individuais pode ser desafiador e, muitas vezes, requer pessoal clínico qualificado. A realidade virtual (VR) apresenta uma oportunidade de desenvolver novas ferramentas de avaliação para pacientes com USN.
Nosso objetivo era projetar e construir uma ferramenta vr para detectar e caracterizar sintomas sutis de USN, e testar a ferramenta em indivíduos tratados com estimulação magnética transcraniana repetitiva inibitória (TMS) de regiões corticais associadas à USN.
Criamos três condições experimentais aplicando TMS a duas regiões distintas do córtex associadas ao processamento visuosespacial- o giro temporal superior (STG) e o giro supramarginal (SMG) - e aplicamos o TMS falso como controle. Em seguida, colocamos os sujeitos em um ambiente de realidade virtual no qual foram solicitados a identificar as flores com assimemetrias laterais de flores distribuídas em arbustos em ambos os hemiespaços, com ajuste dinâmico de dificuldade com base no desempenho de cada sujeito. 
Encontramos diferenças significativas na guinada média da cabeça entre os sujeitos estimulados no STG e aqueles estimulados no SMG e efeitos marginalmente significativos no eixo visual médio.
A tecnologia VR está se tornando mais acessível, acessível e robusta, apresentando uma oportunidade emocionante para criar ferramentas úteis e novas semelhantes a jogos. Em conjunto com a TMS, essas ferramentas poderiam ser utilizadas para estudar déficits neurológicos específicos, isolados e artificiais em indivíduos saudáveis, informando a criação de ferramentas de diagnóstico baseadas em VR para pacientes com déficits devido à lesão cerebral adquirida. Este estudo é o primeiro de nosso conhecimento no qual os sintomas usn gerados artificialmente foram avaliados com uma tarefa vr.

Os dados foram coletados de indivíduos saudáveis utilizando o protocolo descrito acima para demonstrar como as diferentes variáveis que podem ser extraídas da tarefa de realidade virtual podem ser analisadas para detectar diferenças sutis entre os grupos.
Neste estudo, 7 indivíduos (2 homens) com idade média de 25,6 anos e média de 16,8 anos de estudo passaram por três sessões separadas de TMS. Esses sujeitos foram div...

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

O objetivo era projetar, construir e pilotar uma nova tarefa de realidade virtual para detectar e caracterizar a negligência espacial unilateral, uma síndrome que afeta 23-46% dos sobreviventes agudos do AVC, ampliando o papel da realidade virtual no estudo e manejo da doença neurológica.

Ferramentas de Realidade Virtual para avaliar a negligência espacial unilateral: uma nova oportunidade para a coleta de dados

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 ...

Em nosso protocolo, os pesquisadores podem projetar e validar novas ferramentas de realidade virtual para auxiliar no diagnóstico e caracterização da negligência espacial unilateral. Esta técnica fornece uma ampla gama de conjuntos de dados para o estudo da negligência espacial unilateral. Também evita possíveis efeitos de confusão vistos em estudos de pacientes com lesão cerebral adquirida.Uma melhor caracterização da negligência espacial unilateral pode facilitar a entrega da terapia a pacientes com déficits sutis, mas ainda debilitantes, e potencialmente melhorar sua recuperação geral. Demonstrando o procedimento estarão Sam Cason e Peter Schwab, pesquisadores do meu laboratório. Para realizar o teste de Biseção de Linha, o sujeito se senta em uma mesa em frente ao testador e fornece ao sujeito um utensílio de escrita e a folha de estímulo garantindo que a folha seja colocada diretamente na frente do sujeito.Instrua o sujeito a bissecção rápida e precisa de cada linha impressa na folha de estímulo o mais próximo possível do meio de cada linha, mantendo sua cabeça e ombros centrados o máximo possível. Para realizar o Teste de Sinos, forneça ao sujeito a folha de estímulos do Teste de Sinos e instrua o sujeito a circular ou riscar todos os sinos na folha o mais rápido e com precisão possível, mantendo sua cabeça e ombros tão centrados. Para realizar o teste de cancelamento de estrela, apresente o sujeito com a folha de estímulo garantindo que ele seja colocado diretamente na frente deles e instrua o sujeito a circular ou cruzar todas as estrelas na folha de estímulo o mais rápido e com precisão possível com a cabeça e os ombros centrados.Para realizar o teste de cancelamento do círculo Otas, forneça ao sujeito a folha de estímulo de cancelamento do círculo Otas e instrua o sujeito a riscar ou circular todos os círculos abertos incompletos o mais rápido e com precisão possível com a cabeça e os ombros o mais centrados. Antes da primeira sessão TMS, faça upload da ressonância magnética 3TT1 do sujeito no software de navegação neuro navigational e crie uma representação 3D do cérebro do sujeito. Durante a primeira sessão, coloque o sujeito em frente a uma câmera de rastreamento óptico e use uma bandana ou óculos para colocar um rastreador sobre o assunto.Anexar um eletrodo de disco descartável no direito dorsal do sujeito, um eletrodo de disco ao segundo dedo do sujeito no dedo do ponteiro direito e um eletrodo moído no pulso direito, mão direita e pulso do sujeito. Conecte os eletrodos em um adaptador de eletrodo que insira em um programa de software de rastreamento do MEP e selecione uma nova sessão on-line para abrir o projeto do sujeito dentro do software de navegação neurológica. Selecione os alvos a serem estimulados nesta sessão e usando um ponteiro registrado no software de navegação neuro navegação toque o rosto do sujeito nos mesmos locais em que os marcos foram colocados.Abra a guia de validação no software e use o ponteiro para tocar o assunto em vários pontos da cabeça, garantindo que os cabelos cruzados na tela se alinham com o local sendo apontado sobre o assunto. Conecte uma bobina TMS portátil na máquina TMS e ligue a máquina TMS. Defina o instrumento para um pulso único e defina uma intensidade de estimulação apropriada.Colocar a bobina TMS portátil no lado esquerdo da cabeça do sujeito, fornecer estímulos ao córtex motor usando pulsos únicos TMS. Para identificar o local que estimula o primeiro interosseos dorsal. Alterar a intensidade de estimulação até que a estimulação provoque mep's de pelo menos 50 milivolts exatamente cinco de 10 vezes.Esta intensidade é considerada o limiar do motor de repouso. Substitua a bobina portátil por uma bobina TMS resfriada a ar por um sistema de resfriamento embutido visando o SMG ou STG para sessões ativas ou o vértice para sessões falsas e defina os parâmetros de estimulação para TMS repetitivos a uma taxa de um Hertz por 20 minutos a uma intensidade de 110% do limiar do motor de repouso. Então comece a estimular o alvo de interesse.Para realizar o teste de comportamento de realidade virtual coloque o fone de ouvido VR na cabeça do sujeito sentado com as correias fixadas firmemente, mas confortavelmente. Dê ao sujeito ambos os controladores e certifique-se de que ambos os olhos sejam visíveis, confirmando visualmente que estão centrados nos feeds da câmera de software do núcleo pupilo. No editor de unidade, abra a tarefa de realidade virtual e pressione o botão de reprodução.Peça ao sujeito para olhar para frente e clique no botão da câmera rasgada. Clique no botão iniciar tutorial e aguarde o assunto para completar o tutorial. Quando o assunto estiver concluído, clique no botão de rastreamento ocular calibrado e clique no próximo teste para iniciar o primeiro teste.Quando o sujeito tiver concluído o teste clique no botão reproduzir novamente para encerrar a tarefa. Nesta análise, o ângulo médio da cabeça foi examinado para determinar se a tarefa de realidade virtual era sensível o suficiente para identificar uma diferença entre os grupos SMG e STG. A análise ancova das diferenças de ângulo de cabeça entre os grupos revelou uma diferença significativa nos escores de mudança de ângulo da cabeça entre os grupos pré e pós-TMS.Esse achado da tarefa de realidade virtual é consistente com os resultados da tarefa tradicional de papel e lápis, pois ambos demonstraram um padrão no qual o grupo SMG pode ter tido uma negligência sutil e olhado mais para a direita em comparação com o grupo STG. Para avaliar especificamente sinais de negligência aocêntrica em um nível de destino individual, as flores podem ser separadas por qual lado da flor contém as pétalas defeituosas. Nesta análise, os participantes do grupo SMG tiveram a tendência de olhar mais para a direita em um ângulo de flor a cabeça mais alto ao procurar a pétala curta no lado direito da flor em comparação com o ângulo observado quando as pétalas curtas estavam no lado esquerdo da flor.Quando o número médio de segundos que os participantes analisaram cada flor foi analisado, não foi observada diferença significativa no escore médio de mudança de ângulo de cabeça entre os grupos SMG e STG. Este método é limitado pelos efeitos clínicos sutis alcançados com estimulação magnética transcraniana repetitiva. Assim, parâmetros de estimulação adequados na segmentação da região cortical são críticos.

Research

JoVE Journal

Medicine

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