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 trabajo fue apoyado por el Fondo de Investigación Universitaria (URF) de la Universidad de Pensilvania y las Becas Estudiantiles en Enfermedades Cerebrovasculares y Accidentes Cerebrovasculares de la Asociación Americana del Corazón. Un agradecimiento especial a los investigadores, médicos y personal del Laboratorio de Cognición y Estimulación Neural por su apoyo continuo.

Este estudio fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional local y cumple con todos los criterios establecidos por las Guías de Buenas Prácticas Clínicas. Todos los participantes dieron su consentimiento informado antes de que comenzaran los procedimientos del estudio. Se esperaba que los participantes del estudio participaran en tres sesiones separadas (descritas en la Tabla 1). Los elementos del experimento se describen de manera escalonada a continuación. El orden de la sesión fue aleatorizado.</p...

Inducimos y medimos con éxito los síntomas de USN con TMS y VR, respectivamente. Si bien no tuvimos resultados significativos en comparación con los ensayos simulados, pudimos comparar múltiples métricas de negligencia egocéntrica (ángulo promedio de la cabeza, tiempo dedicado a mirar flores en cualquiera de los hemiespacio) y negligencia alocéntrica (rendimiento en la selección de flores con pétalos asimétricos a la izquierda frente al lado derecho) entre los diferentes grupos experimentales, y encontramos di...

La negligencia espacial unilateral (NPS) es un síndrome caracterizado por falta de atención o inacción en un lado del espacio que afecta a entre el 23-46% de los supervivientes de ictus agudo, más comúnmente con lesión en el hemisferio cerebral derecho y que da lugar a una tendencia a ignorar el lado izquierdo del espacio y/o el cuerpo del superviviente1,2. Aunque la mayoría de los pacientes con USN experimentan una recuperación significativa a corto plazo, los síntomas sutiles de USN a menudo persisten3. La USN puede aumentar el riesgo de caídas en el paciente e impedir las actividades de la vida diaria2,4 También se ha demostrado que tiene un impacto negativo en los resultados funcionales motores y globales5,6.
Los déficits en USN pueden conceptualizarse como existentes en múltiples dimensiones, como si una persona ignora un lado del espacio con respecto a su propio cuerpo (egocéntrico) o con respecto a un estímulo externo (alocéntrico)7,8,9, o si una persona es incapaz de dirigir su atención (atencional) o acciones (intencionales) hacia un lado del espacio10 . Los pacientes a menudo exhiben una constelación compleja de síntomas que se pueden caracterizar a lo largo de más de una de estas dimensiones. Se cree que esta variabilidad de los síndromes de USN es el resultado de diversos grados de lesión a estructuras neuroanatómicas específicas y redes neuronales, que son complejas11. El abandono alocéntrico se ha asociado con lesiones del giro angular (AG) y del giro temporal superior (STG), mientras que la corteza parietal posterior (PPC) incluyendo el giro supramarginal (SMG) se ha implicado en el procesamiento egocéntrico12,13,14,15. Se cree que la negligencia atencional involucra lesiones en la IPL16 derecha, mientras que la negligencia intencional se cree que es secundaria al daño del lóbulo frontal derecho17 o ganglios basales18.
La evaluación clínica de la USN actualmente se basa en instrumentos neuropsicológicos de lápiz y papel. Estas herramientas de evaluación convencionales pueden ser menos sensibles que las herramientas tecnológicamente más sofisticadas, lo que resulta en un diagnóstico erróneo o un diagnóstico insuficiente de algunos pacientes con USN19. Una mejor caracterización de los déficits residuales podría facilitar la administración de la terapia a pacientes con NPS más leve y potencialmente mejorar su recuperación general, pero dicha caracterización requeriría herramientas de diagnóstico muy sensibles. La USN plantea desafíos similares en el entorno de laboratorio, donde puede ser difícil aislarse de las discapacidades motoras y visuales que comúnmente acompañan a la USN entre los pacientes con accidente cerebrovascular.
La realidad virtual (RV) presenta una oportunidad única para desarrollar nuevas herramientas para el diagnóstico y caracterización de la USN. La RV es un entorno 3D multisensorial presentado en primera persona con interacciones en tiempo real en el que los individuos son capaces de realizar tareas que involucran objetos ecológicamente válidos20. Es una herramienta prometedora para evaluar la USN; la capacidad de controlar con precisión lo que el usuario ve y escucha permite a los desarrolladores presentar una amplia variedad de tareas virtuales al usuario. Además, los sofisticados paquetes de hardware y software actualmente disponibles permiten la recopilación en tiempo real de una gran cantidad de datos sobre las acciones del usuario, incluidos los movimientos de los ojos, la cabeza y las extremidades, superando con creces las métricas ofrecidas por las pruebas de diagnóstico tradicionales21. Estos flujos de datos están disponibles instantáneamente, lo que abre la posibilidad de ajustar en tiempo real las tareas de diagnóstico en función del rendimiento del usuario (por ejemplo, apuntar al nivel de dificultad ideal para una tarea determinada). Esta característica puede facilitar la adaptación de tareas a la amplia gama de gravedad observada en USN, que se considera una prioridad en el desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico para USN22. Además, las tareas inmersivas de RV pueden imponer una mayor carga sobre los recursos atencionales de los pacientes23,24, lo que resulta en un aumento de los errores que pueden facilitar la detección de síntomas de negligencia; de hecho, se ha demostrado que algunas tareas de realidad virtual han aumentado la sensibilidad en comparación con las medidas convencionales de papel y lápiz de USN24,25.
En este estudio, el objetivo fue crear una herramienta de evaluación que no requiera experiencia en neurología para operar y que pueda detectar y caracterizar de manera confiable incluso casos sutiles de USN. Construimos una tarea basada en la realidad virtual, similar a un juego. Luego inducimos un síndrome similar a USN en sujetos sanos con estimulación magnética transcraneal (EMT), una técnica de estimulación cerebral no invasiva que utiliza pulsos electromagnéticos emitidos por una bobina de estimulación de mano, que pasan a través del cuero cabelludo y el cráneo del sujeto e inducen corrientes eléctricas en el cerebro del sujeto que estimulan las neuronas26,27. Esta técnica ha sido utilizada en el estudio de USN por otros13,17,28,29,30, aunque hasta donde sabemos nunca en conjunto con una herramienta de evaluación basada en VR.
Muchos investigadores ya están trabajando en aplicaciones diagnósticas y terapéuticas de los sistemas de realidad virtual. Revisiones recientes31,32 exploraron una serie de proyectos destinados a la evaluación de la RSU con técnicas basadas en RV, y se han publicado otros estudios con este objetivo33,34,35,36,37,38,39,40,41 . La mayoría de estos estudios no utilizan el complemento completo de la tecnología de realidad virtual que actualmente está disponible para el mercado de consumo (por ejemplo, una pantalla montada en la cabeza (HMD) e insertos de seguimiento ocular), lo que limita sus conjuntos de datos a un número menor de métricas fácilmente cuantificables. Además, todos estos estudios se realizaron en pacientes con lesión cerebral adquirida que conduce a LA USN, lo que requirió métodos de detección para garantizar que los pacientes pudieran al menos participar en las tareas de evaluación (por ejemplo, excluyendo a los pacientes con grandes déficits del campo visual o deterioro cognitivo). Es posible que los déficits cognitivos, motores o visuales más sutiles pasen por debajo del umbral de estos métodos de detección, posiblemente confundiendo los resultados de estos estudios. También es posible que dicho cribado sesgara las muestras de participantes en estos estudios hacia un subtipo particular de USN.
Para evitar los sesgos de cribado de estudios previos, reclutamos sujetos sanos y simulamos artificialmente los síntomas de la USN con un protocolo estándar de EMT que está bien descrito en un manuscrito reciente15, con el objetivo de inducir síntomas alocéntricos similares a los de la USN al dirigirse al STG y a los síntomas egocéntricos similares a los de la USN dirigiéndose al SMG. Diseñamos la tarea para ajustar activamente su dificultad ensayo a ensayo y diferenciar entre diferentes subtipos de USN, específicamente síntomas alocéntricos vs. egocéntricos. También utilizamos evaluaciones estándar de papel y lápiz de USN para demostrar formalmente que los déficits que inducimos con rTMS son similares a USN. Creemos que el método será útil para otros investigadores que quieran probar nuevas herramientas de realidad virtual para la evaluación y rehabilitación de 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 negligencia espacial unilateral (NPS) es un síndrome caracterizado por falta de atención o inacción en un lado del espacio y afecta a entre el 23-46% de los sobrevivientes de accidente cerebrovascular agudo. El diagnóstico y la caracterización de estos síntomas en pacientes individuales pueden ser desafiantes y, a menudo, requieren personal clínico calificado. La realidad virtual (RV) presenta una oportunidad para desarrollar nuevas herramientas de evaluación para pacientes con USN.
Nuestro objetivo fue diseñar y construir una herramienta de realidad virtual para detectar y caracterizar síntomas sutiles de USN, y probar la herramienta en sujetos tratados con estimulación magnética transcraneal repetitiva inhibitoria (EMT) de regiones corticales asociadas con USN.
Creamos tres condiciones experimentales aplicando TMS a dos regiones distintas de la corteza asociadas con el procesamiento visuoespacial, el giro temporal superior (STG) y el giro supramarginal (SMG), y aplicamos TMS simulado como control. Luego colocamos a los sujetos en un entorno de realidad virtual en el que se les pidió que identificaran las flores con asimetrías laterales de flores distribuidas a través de arbustos en ambos hemiespacios, con un ajuste de dificultad dinámica basado en el rendimiento de cada sujeto. 
Se encontraron diferencias significativas en el guiñada media de la cabeza entre los sujetos estimulados en el STG y los estimulados en el SMG y efectos marginalmente significativos en el eje visual promedio.
La tecnología VR se está volviendo más accesible, asequible y robusta, presentando una oportunidad emocionante para crear herramientas útiles y novedosas similares a los juegos. Junto con TMS, estas herramientas podrían usarse para estudiar déficits neurológicos específicos, aislados y artificiales en sujetos sanos, informando la creación de herramientas de diagnóstico basadas en VR para pacientes con déficits debido a lesiones cerebrales adquiridas. Este estudio es el primero que conocemos en el que los síntomas de USN generados artificialmente se han evaluado con una tarea de realidad virtual.

Los datos se recopilaron de individuos sanos utilizando el protocolo descrito anteriormente para demostrar cómo se pueden analizar las diferentes variables que se pueden extraer de la tarea de realidad virtual para detectar diferencias sutiles entre los grupos.
En este estudio, 7 individuos (2 hombres) con una edad promedio de 25.6 y un promedio de 16.8 años de educación se sometieron a tres sesiones separadas de TMS. Estos s...

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

El objetivo fue diseñar, construir y pilotar una novedosa tarea de realidad virtual para detectar y caracterizar la negligencia espacial unilateral, un síndrome que afecta al 23-46% de los sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares agudos, ampliando el papel de la realidad virtual en el estudio y manejo de la enfermedad neurológica.

Herramientas de realidad virtual para evaluar la negligencia espacial unilateral: una nueva oportunidad para la recopilación de datos

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 ...

Nuestro protocolo, los investigadores pueden diseñar y validar nuevas herramientas de realidad virtual para ayudar en el diagnóstico y caracterización de la negligencia espacial unilateral. Esta técnica proporciona una amplia gama de conjuntos de datos para el estudio de la negligencia espacial unilateral. También evita los posibles efectos de confusión observados en estudios de pacientes con lesión cerebral adquirida.Una mejor caracterización de la negligencia espacial unilateral puede facilitar la administración de la terapia a pacientes con déficits sutiles pero aún debilitantes y potencialmente mejorar su recuperación general. Demostrando el procedimiento estarán Sam Cason y Peter Schwab, investigadores de mi laboratorio. Para realizar la prueba de bisección de línea, haga que el sujeto se siente en una mesa directamente frente al probador y proporcione al sujeto un utensilio de escritura y la hoja de estímulo para asegurarse de que la hoja se coloque directamente frente al sujeto.Instruya al sujeto para que divida rápida y precisamente cada línea impresa en la hoja de estímulo lo más cerca posible del centro de cada línea mientras mantiene su cabeza y hombros centrados tanto como sea posible. Para realizar la prueba de campanas, proporcione al sujeto la hoja de estímulos de la prueba de campanas e instruya al sujeto a rodear o tachar todas las campanas de la hoja de la manera más rápida y precisa posible mientras mantiene la cabeza y los hombros tan centrados. Para realizar la prueba de cancelación de estrellas, presente al sujeto la hoja de estímulo asegurándose de que se coloque directamente frente a ellos e instruya al sujeto para que rodee o tache todas las estrellas en la hoja de estímulo de la manera más rápida y precisa posible con la cabeza y los hombros centrados.Para realizar la prueba de cancelación del círculo de Otas, proporcione al sujeto la hoja de estímulo de cancelación del círculo de Otas e instruya al sujeto para que tache o rodee todos los círculos incompletos abiertos de la manera más rápida y precisa posible con la cabeza y los hombros tan centrados. Antes de la primera sesión de TMS, cargue la resonancia magnética 3TT1 del sujeto en el software de navegación neuronal y cree una representación 3D del cerebro del sujeto. Durante la primera sesión, haga que el sujeto se siente frente a una cámara de seguimiento óptico y use una diadema o gafas para colocar un rastreador en el sujeto.Conecte un electrodo de disco desechable en la interósea dorsal derecha del sujeto, un electrodo de disco al segundo nudillo del sujeto en el dedo puntero derecho y un electrodo de tierra a la muñeca derecha, la mano derecha y la muñeca del sujeto. Conecte los electrodos a un adaptador de electrodo que ingresa en un programa de software de seguimiento MEP y seleccione una nueva sesión en línea para abrir el proyecto del sujeto dentro del software de navegación neuro. Seleccione los objetivos a estimular en esta sesión y utilizando un puntero registrado en el software de navegación neuro toque la cara del sujeto en los mismos lugares donde se colocaron los puntos de referencia.Abra la pestaña de validación en el software y use el puntero para tocar el sujeto en varios puntos de la cabeza, asegurándose de que la cruz en la pantalla se alinee con el punto que se apunta en el sujeto. Conecte una bobina TMS de mano a la máquina TMS y encienda la máquina TMS. Ajuste el instrumento a un solo pulso y establezca una intensidad de estimulación adecuada.Colocando la bobina TMS de mano en el lado izquierdo de la cabeza del sujeto, entregue estímulos a la corteza motora utilizando pulsos individuales TMS. Identificar la ubicación que estimula la primera interósea dorsal. Alterar la intensidad de la estimulación hasta que la estimulación provoque MEP de al menos 50 milivoltios exactamente cinco de cada 10 veces.Esta intensidad se considera el umbral motor en reposo. Reemplace la bobina de mano con una bobina TMS refrigerada por aire con un sistema de enfriamiento incorporado dirigido al SMG o STG para sesiones activas o al vértice para sesiones simuladas y establezca los parámetros de estimulación en TMS repetitivo a una velocidad de un Hertz durante 20 minutos a una intensidad del 110% del umbral del motor en reposo. Luego comience la estimulación del objetivo de interés.Para realizar la prueba de comportamiento de realidad virtual, coloque los auriculares VR en la cabeza del sujeto sentado con las correas aseguradas de manera firme pero cómoda. Dele al sujeto ambos controladores y asegúrese de que ambos ojos sean visibles confirmando visualmente que están centrados en las fuentes de la cámara del software del núcleo de la pupila. En el editor de unidad, abre la tarea de realidad virtual y presiona el botón de reproducción.Pídale al sujeto que mire hacia adelante y haga clic en el botón de la cámara de desgarro. Haga clic en el botón Comenzar tutorial y espere a que el asunto complete el tutorial. Cuando el sujeto haya terminado, haga clic en el botón Calibrar seguimiento ocular y haga clic en siguiente prueba para comenzar la primera prueba.Cuando el sujeto haya completado la prueba, haga clic de nuevo en el botón de reproducción para finalizar la tarea. En este análisis se examinó el ángulo promedio de la cabeza para determinar si la tarea de realidad virtual era lo suficientemente sensible como para identificar una diferencia entre los grupos SMG y STG. El análisis de ANCOVA de las diferencias del ángulo de la cabeza entre los grupos reveló una diferencia significativa en las puntuaciones de cambio del ángulo de la cabeza entre los grupos pre y post TMS.Este hallazgo de la tarea de realidad virtual es consistente con los resultados de la tarea tradicional de papel y lápiz, ya que ambos demostraron un patrón en el que el grupo SMG puede haber tenido una negligencia sutil y mirar más hacia la derecha en comparación con el grupo STG. Para evaluar específicamente los signos de negligencia alocéntrica en un nivel objetivo individual, las flores se pueden separar por qué lado de la flor contiene los pétalos defectuosos. En este análisis, los participantes en el grupo SMG tenían una tendencia a mirar más a la derecha en un ángulo más alto de la flor a la cabeza cuando buscaban el pétalo corto en el lado derecho de la flor en comparación con el ángulo observado cuando los pétalos cortos estaban en el lado izquierdo de la flor.Cuando se analizó el número promedio de segundos que los participantes observaron cada flor, no se observaron diferencias significativas en la puntuación media de cambio del ángulo de la cabeza entre los grupos SMG y STG. Este método está limitado por los sutiles efectos clínicos logrados con la estimulación magnética transcraneal repetitiva. Por lo tanto, los parámetros de estimulación adecuados en la orientación de la región cortical son críticos.

Research

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