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

Эта работа была поддержана Университетским исследовательским фондом (URF) из Университета Пенсильвании и студенческими стипендиями Американской кардиологической ассоциации в области цереброваскулярных заболеваний и инсульта. Особая благодарность исследователям, клиницистам и сотрудникам Лаборатории познания и нейронной стимуляции за их постоянную поддержку.

Это исследование было одобрено местным Институциональным наблюдательным советом и соответствует всем критериям, изложенным в Руководстве по надлежащей клинической практике. Все участники предоставили информированное согласие до начала каких-либо процедур исследования. Ожидае...

Мы успешно индуцировали и измеряли симптомы USN с помощью TMS и VR соответственно. Хотя у нас не было значительных результатов по сравнению с фиктивными испытаниями, мы смогли сравнить несколько показателей эгоцентрического пренебрежения (средний угол головы, время, затраченное на изучен?...

Одностороннее пространственное пренебрежение (USN) - это синдром, характеризующийся невнимательностью или бездействием в одной стороне пространства, который затрагивает от 23 до 46% выживших после острого инсульта, чаще всего связанный с травмой правого полушария головного мозга и приводящий к тенденции игнорировать левую сторону пространства и / или тело выжившего1,2. Хотя большинство пациентов с USN испытывают значительное выздоровление в краткосрочной перспективе, тонкие симптомы USN часто сохраняются3. USN может увеличить риск падений пациента и препятствовать повседневной жизни2,4 Было также показано, что он негативно влияет как на двигательные, так и на глобальные функциональные результаты5,6.
Дефицит в USN может быть концептуализирован как существующий в нескольких измерениях, например, игнорирует ли человек одну сторону пространства по отношению к своему собственному телу (эгоцентрический) или по отношению к внешнему стимулу (аллоцентрическому)7,8,9, или человек не в состоянии направить свое внимание (внимание) или действия (преднамеренные) на одну сторону пространства10 . Пациенты часто демонстрируют сложную совокупность симптомов, которые могут быть охарактеризованы по более чем одному из этих измерений. Считается, что эта изменчивость синдромов USN является результатом различной степени повреждения конкретных нейроанатомических структур и нейронных сетей, которые являются сложными11. Аллоцентрическое пренебрежение было связано с поражением угловой извилины (AG) и верхней височной извилины (STG), в то время как задняя теменная кора (PPC), включая надмаргинальную извилину (SMG), была вовлечена в эгоцентрическую обработку12,13,14,15. Считается, что пренебрежение вниманием включает поражения в правом IPL16, в то время как преднамеренное пренебрежение считается вторичным по отношению к повреждению правой лобной доли17 или базальных ганглиев18.
Клиническая оценка УСН в настоящее время опирается на перьевые и бумажные нейропсихологические инструменты. Эти обычные инструменты оценки могут быть менее чувствительными, чем более технологически сложные инструменты, что приводит к неправильной диагностике или недостаточной диагностике некоторых пациентов с USN19. Лучшая характеристика остаточного дефицита может облегчить доставку терапии пациентам с более мягким USN и потенциально улучшить их общее выздоровление, но такая характеристика потребует очень чувствительных диагностических инструментов. USN создает аналогичные проблемы в лабораторных условиях, где может быть трудно изолировать от двигательных и зрительных нарушений, которые обычно сопровождают USN среди пациентов с инсультом.
Виртуальная реальность (VR) предоставляет уникальную возможность для разработки новых инструментов для диагностики и характеристики УСН. VR - это мультисенсорная 3D-среда, представленная от первого лица с взаимодействиями в реальном времени, в которых люди могут выполнять задачи с участием экологически значимых объектов20. Это перспективный инструмент оценки УСН; возможность точно контролировать то, что видит и слышит пользователь, позволяет разработчикам представлять пользователю самые разнообразные виртуальные задачи. Кроме того, сложные аппаратные и программные пакеты, доступные в настоящее время, позволяют в режиме реального времени собирать множество данных о действиях пользователя, включая движения глаз, головы и конечностей, что намного превышает показатели, предлагаемые традиционными диагностическими тестами21. Эти потоки данных мгновенно доступны, что открывает возможность для корректировки диагностических задач в режиме реального времени в зависимости от производительности пользователя (например, нацеливание на идеальный уровень сложности для данной задачи). Эта функция может облегчить адаптацию задачи к широкому диапазону серьезности, наблюдаемой в USN, что считается приоритетом при разработке новых диагностических инструментов для USN22. Кроме того, иммерсивные задачи VR могут налагать повышенную нагрузку на ресурсы внимания пациентов23,24, что приводит к увеличению количества ошибок, которые могут облегчить обнаружение симптомов пренебрежения; Действительно, было показано, что некоторые задачи VR имеют повышенную чувствительность по сравнению с обычными бумажными и карандашными мерами USN24,25.
В этом исследовании цель состояла в том, чтобы создать инструмент оценки, который не требует опыта в неврологии для работы и который может надежно обнаруживать и характеризовать даже тонкие случаи USN. Мы создали игровую задачу, основанную на виртуальной реальности. Затем мы индуцировали USN-подобный синдром у здоровых субъектов с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), неинвазивной техники стимуляции мозга, которая использует электромагнитные импульсы, излучаемые ручной стимулирующей катушкой, которые проходят через кожу головы и череп субъекта и индуцируют электрические токи в мозге субъекта, которые стимулируют нейроны26,27. Этот метод был использован в исследовании USN другими 13,17,28,29,30, хотя, насколько нам известно, никогда не в сочетании с инструментом оценки на основе VR.
Многие исследователи уже работают над диагностическими и терапевтическими приложениями систем VR. Последние обзоры31,32 исследовали ряд проектов, направленных на оценку USN с помощью методов на основе VR, и ряд других исследований с этой целью были опубликованы33,34,35,36,37,38,39,40,41 . В большинстве этих исследований не используется полный набор технологий VR, которые в настоящее время доступны для потребительского рынка (например, головной дисплей (HMD) и вставки для отслеживания глаз), ограничивая свои наборы данных меньшим количеством легко поддающихся количественной оценке показателей. Кроме того, все эти исследования были проведены на пациентах с приобретенной черепно-мозговой травмой, приводящей к USN, требуя методов скрининга, чтобы гарантировать, что пациенты могут, по крайней мере, участвовать в задачах оценки (например, исключая пациентов с большим дефицитом поля зрения или когнитивными нарушениями). Возможно, что более тонкие когнитивные, моторные или визуальные дефициты прошли под порогом этих методов скрининга, возможно, сбивая с толку результаты этих исследований. Также возможно, что такой скрининг смещал выборки участников этих исследований в сторону определенного подтипа УСН.
Чтобы избежать предвзятости скрининга предыдущих исследований, мы набрали здоровых субъектов и искусственно смоделировали симптомы USN со стандартным протоколом TMS, который хорошо описан в недавней рукописи15, с целью индуцирования аллоцентрических usN-подобных симптомов, нацеливаясь на STG и эгоцентрические USN-подобные симптомы, нацеливаясь на SMG. Мы разработали задачу, чтобы активно адаптировать его испытание сложности к испытанию и дифференцировать различные подтипы USN, в частности аллоцентрические и эгоцентрические симптомы. Мы также использовали стандартные бумажные и карандашные оценки USN, чтобы официально продемонстрировать, что дефицит, который мы вызвали с помощью rTMS, похож на USN. Мы считаем, что метод будет полезен другим исследователям, которые хотят протестировать новые инструменты VR для оценки и реабилитации 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

Одностороннее пространственное пренебрежение (USN) - это синдром, характеризующийся невнимательностью или бездействием в одной стороне пространства и затрагивает от 23 до 46% выживших после острого инсульта. Диагностика и характеристика этих симптомов у отдельных пациентов могут быть сложными и часто требуют квалифицированного клинического персонала. Виртуальная реальность (VR) предоставляет возможность разработать новые инструменты оценки для пациентов с USN.
Мы стремились спроектировать и создать инструмент VR для обнаружения и характеристики тонких симптомов USN, а также протестировать инструмент на субъектах, получавших ингибирующую повторяющуюся транскраниальную магнитную стимуляцию (TMS) корковых областей, связанных с USN.
Мы создали три экспериментальных условия, применив ТМС к двум различным областям коры, связанным с визуально-пространственной обработкой - верхней височной извилине (STG) и надмаргинальной извилине (SMG) - и применили фиктивную ТМС в качестве контроля. Затем мы поместили субъектов в среду виртуальной реальности, в которой их попросили идентифицировать цветы с боковой асимметрией цветов, распределенных по кустам в обоих гемипространствах, с динамической корректировкой сложности на основе производительности каждого субъекта. 
Мы обнаружили значительные различия в среднем рыскании головы между субъектами, стимулируемыми в STG, и теми, кто стимулировался в SMG, и незначительно значимые эффекты в средней зрительной оси.
Технология VR становится все более доступной, доступной и надежной, предоставляя захватывающую возможность создавать полезные и новые игровые инструменты. В сочетании с ТМС эти инструменты могут быть использованы для изучения специфических, изолированных, искусственных неврологических дефицитов у здоровых субъектов, информируя о создании диагностических инструментов на основе VR для пациентов с дефицитом из-за приобретенной черепно-мозговой травмы. Это исследование является первым, насколько нам известно, в котором искусственно сгенерированные симптомы USN были оценены с помощью задачи VR.

Данные были собраны у здоровых людей с использованием протокола, описанного выше, чтобы продемонстрировать, как различные переменные, которые могут быть извлечены из задачи виртуальной реальности, могут быть проанализированы для обнаружения тонких различий между гр...

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

Цель состояла в том, чтобы спроектировать, построить и пилотировать новую задачу виртуальной реальности для обнаружения и характеристики одностороннего пространственного пренебрежения, синдрома, затрагивающего 23-46% выживших после острого инсульта, расширяя роль виртуальной реальности в изучении и лечении неврологических заболеваний.

Инструменты виртуальной реальности для оценки одностороннего пространственного пренебрежения: новая возможность для сбора данных

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 ...

Наш протокол, исследователи могут разрабатывать и проверять новые инструменты виртуальной реальности, чтобы помочь в диагностике и характеристике одностороннего пространственного пренебрежения. Этот метод предоставляет широкий спектр наборов данных для изучения одностороннего пространственного пренебрежения. Это также позволяет избежать возможных смешанных эффектов, наблюдаемых в исследованиях пациентов с приобретенной черепно-мозговой травмой.Лучшая характеристика одностороннего пространственного пренебрежения может облегчить доставку терапии пациентам с тонким, но все же изнурительным дефицитом и потенциально улучшить их общее выздоровление. Продемонстрировать процедуру будут Сэм Кейсон и Питер Шваб, исследователи из моей лаборатории. Для выполнения теста Line Bisection попросите испытуемого сесть за стол прямо напротив тестировщика и предоставить испытуемому письменные принадлежности и стимулирующий лист, гарантируя, что лист размещен непосредственно перед субъектом.Попросите испытуемого быстро и точно разделить пополам каждую линию, напечатанную на стимулирующем листе, как можно ближе к середине каждой линии, сохраняя при этом голову и плечи максимально центрированными. Чтобы выполнить тест Bells, предоставьте испытуемому лист стимулов Bells Test и проинструктируйте испытуемого обвести или вычеркнуть все колокольчики на листе как можно быстрее и точнее, сохраняя их голову и плечи как можно более центрированными. Чтобы выполнить тест на отмену звезды, представьте испытуемому стимулирующий лист, убедившись, что он размещен прямо перед ними, и проинструктируйте испытуемого обвести или вычеркнуть все звезды на стимулирующем листе как можно быстрее и точнее с центрированными головой и плечами.Чтобы выполнить тест на отмену круга Отаса, предоставьте испытуемому стимулирующий лист отмены круга Отаса и проинструктируйте испытуемого вычеркнуть или обвести все открытые неполные круги как можно быстрее и точнее с головой и плечами по центру. Перед первым сеансом ТМС загрузите МРТ-сканирование субъекта 3TT1 в нейронавигационное программное обеспечение и создайте 3D-представление мозга субъекта. Во время первого сеанса попросите субъекта сесть перед оптической камерой слежения и использовать оголовье или очки, чтобы разместить трекер на объекте.Прикрепите один одноразовый дисковый электрод к правому дорсальному промежутку субъекта, один дисковый электрод к второму суставу субъекта на правом пальце указателя и один заземляющий электрод к правому запястью, правой руке и запястью субъекта. Подключите электроды к электродному адаптеру, который входит в программу отслеживания MEP, и выберите новую онлайн-сессию, чтобы открыть проект субъекта в нейронавигационном программном обеспечении. Выберите мишени, которые будут стимулироваться в этом сеансе, и с помощью указателя, зарегистрированного в нейронавигационном программном обеспечении, коснитесь лица субъекта в тех же местах, где были размещены ориентиры.Откройте вкладку проверки в программном обеспечении и используйте указатель, чтобы коснуться объекта в различных местах на голове, гарантируя, что перекрестие на экране совпадает с местом, на которое указывает объект. Подключите портативную катушку TMS к машине TMS и включите машину TMS. Установите прибор на одиночный импульс и установите соответствующую интенсивность стимуляции.Размещение портативной катушки TMS на левой стороне головы субъекта доставляет стимулы в моторную кору с помощью одиночных импульсов TMS. Выявить локализацию, стимулирующую первую спинную межкостную. Изменяйте интенсивность стимуляции до тех пор, пока стимуляция не вызовет MEP не менее 50 милливольт ровно в пять из 10 раз.Эта интенсивность считается порогом покоящегося двигателя. Замените ручную катушку катушкой TMS с воздушным охлаждением со встроенной системой охлаждения, нацеленной на SMG или STG для активных сеансов или вершину для фиктивных сеансов, и установите параметры стимуляции на повторяющуюся TMS со скоростью один Герц в течение 20 минут при 110% интенсивности порога покоящегося двигателя. Затем начинают стимуляцию интересующей цели.Для выполнения теста поведения виртуальной реальности поместите гарнитуру VR на голову сидящего субъекта с ремнями, плотно закрепленными, но удобно. Дайте субъекту оба контроллера и убедитесь, что оба глаза видны, визуально подтвердив, что они сосредоточены в основных программных каналах зрачка. В редакторе unity откройте задачу виртуальной реальности и нажмите кнопку воспроизведения.Попросите субъекта посмотреть прямо вперед и нажать кнопку слезной камеры. Нажмите кнопку начать обучение и дождитесь завершения учебника. Когда субъект закончит, нажмите кнопку калибровки отслеживания глаз и нажмите следующее испытание, чтобы начать первое испытание.Когда субъект завершит пробную версию, нажмите кнопку воспроизведения еще раз, чтобы завершить задачу. В этом анализе был изучен средний угол головы, чтобы определить, была ли задача виртуальной реальности достаточно чувствительной, чтобы выявить разницу между группами SMG и STG. Анализ ancOVA различий в угле головы между группами выявил значительную разницу в показателях изменения угла головы между группами до и после ТМС.Этот вывод из задачи виртуальной реальности согласуется с результатами традиционной задачи на бумаге и карандаше, поскольку оба продемонстрировали закономерность, в которой группа SMG, возможно, имела тонкое пренебрежение и смотрела больше вправо по сравнению с группой STG. Для конкретной оценки признаков аллоцентрического пренебрежения на индивидуальном целевом уровне цветки могут быть разделены по тому, какая сторона цветка содержит дефектные лепестки. В этом анализе участники группы SMG имели тенденцию смотреть дальше вправо под более высоким углом от цветка к голове при поиске короткого лепестка на правой стороне цветка по сравнению с углом, наблюдаемым, когда короткие лепестки были на левой стороне цветка.При анализе среднего количества секунд, в течение которых участники смотрели на каждый цветок, не наблюдалось существенной разницы в среднем показателе изменения угла наклона головы между группами SMG и STG. Этот метод ограничен тонкими клиническими эффектами, достигаемыми при повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции. Таким образом, правильные параметры стимуляции в таргетинге на кортикальную область имеют решающее значение.

Research

JoVE Journal

Medicine

Collection Protocol for Human Pancreas

Коллекция протокол для поджелудочной железы человека

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

Развитие Audio на основе виртуальной игровой среды для оказания помощи навыки навигации в слепых

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

Идентификация связанных с болезнью пространственных структур Ковариационные использованием нейровизуализации данных

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

Мышиной модели необратимые и обратимые одностороннего мочеточника непроходимости

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

Роман клинических класс изоляции метод человеческая почка периваскулярной стромальные клетки

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

Высокопроходимый анализ оптических картографических данных с помощью ElectroMap

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

Интеграция дополненной реальности инструменты в рак молочной железы, связанных Лимфедема Прогнозирование и диагностика

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

Виртуальная prism Адаптация терапия: Протокол для проверки у здоровых взрослых

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

Динамическая декомпрессия ядра с навигацией дополненной реальности при остеонекрозе головки бедренной кости

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 ...