In dit artikel beschrijven we de methoden, procedures en technologieën die nodig zijn om vestibulaire perceptuele drempels te schatten met behulp van een bewegingsplatform met zes vrijheidsgraden.
Vestibulaire perceptuele drempels verwijzen naar de bewegingsintensiteit die nodig is om een deelnemer in staat te stellen een beweging te detecteren of te onderscheiden op basis van vestibulaire input. Met behulp van passieve bewegingsprofielen die worden geleverd door zes bewegingsgradenplatforms, kunnen vestibulaire perceptuele drempels worden geschat voor elke vorm van beweging en daardoor elk van de subcomponenten van het vestibulaire eindorgaan richten. Beoordelingen van vestibulaire drempels zijn klinisch relevant omdat ze een aanvulling vormen op diagnostische hulpmiddelen zoals calorische irrigatie, de hoofdimpulstest (HIT) of vestibulair opgewekte myogene potentialen (VEMP’s), die alleen informatie verschaffen over subcomponenten van het vestibulaire systeem, maar geen van hen maakt het mogelijk om alle componenten te beoordelen. Er zijn verschillende methoden met verschillende voor- en nadelen voor het schatten van vestibulaire perceptuele drempels. In dit artikel presenteren we een protocol met behulp van een adaptief trapalgoritme en sinusoïdale bewegingsprofielen voor een efficiënte schattingsprocedure. Adaptieve trapalgoritmes houden rekening met de responsgeschiedenis om de pieksnelheid van de volgende stimuli te bepalen en zijn de meest gebruikte algoritmen in het vestibulaire domein. We bespreken verder de impact van bewegingsfrequentie op vestibulaire perceptuele drempels.
Het menselijke vestibulaire eindorgaan bestaat uit vijf componenten, elk geoptimaliseerd voor het detecteren van een specifieke component van het natuurlijke bewegingsspectrum. De drie halfronde kanalen zijn ruwweg orthogonaal op elkaar gericht, waardoor ze hoofdrotaties rond drie assen kunnen detecteren. De kanalen worden begeleid door twee macula-organen voor de registratie van translatieversnellingen langs de verticale as of in het horizontale vlak1. Een functionele achteruitgang of verlies in elk van de vijf componenten kan leiden tot ernstige symptomen zoals duizeligheid, duizeligheid, onbalans en een verhoogd risico op vallen2. Het objectief beoordelen van de functie van alle componenten afzonderlijk is echter een moeizame taak en vereist meerdere beoordelingen3. De toestand van het horizontale kanaal wordt bijvoorbeeld meestal beoordeeld door middel van calorische irrigatie en de hoofdimpulstest (HIT). De huidige gouden standaard voor het beoordelen van de macula-organen is vestibulaire evoked myogenic potentials (VEMP’s). Door meerdere beoordelingen te combineren, komen clinici tot een completer beeld van de vestibulaire toestand waaruit ze diagnose- en behandelingsopties kunnen afleiden.
Een veelbelovende benadering voor het kwantificeren van vestibulaire prestaties zijn vestibulaire perceptuele drempels, die een objectieve, kwantitatieve maat bieden voor de laagste zelfbewegingsintensiteit die betrouwbaar kan worden gedetecteerd of gediscrimineerd door een deelnemer. Hoewel perceptuele drempelprocedures goed ingeburgerd zijn in sommige klinische disciplines (bijv. audiologie), worden perceptuele vestibulaire drempels nog niet gebruikt voor diagnostische doeleinden in het vestibulaire domein4. Een reden hiervoor is de niet-beschikbaarheid van bewegingsplatforms en eenvoudig te gebruiken software. In principe kunnen bewegingsplatforms en draaistoelen worden gebruikt voor drempelschatting. Hoewel bewegingsplatforms met zes vrijheidsgraden (6DOF) geschikt zijn voor het schatten van drempels voor verschillende bewegingsprofielen, waardoor het onderzoek van alle vijf subcomponenten van het vestibulaire orgaan mogelijk is, kunnen draaistoelen alleen worden gebruikt voor toegang tot rotaties in het horizontale (gier) vlak 1,4.
Vestibulaire drempels worden doorgaans geschat voor translaties langs de drie hoofdassen (naso-occipitale, inter-auditieve, head-vertical) en voor rotaties eromheen (yaw, pitch, roll), zoals gevisualiseerd in figuur 1. Vestibulaire perceptuele drempels zijn ook afhankelijk van de stimulusfrequentie5. Om dit te verklaren, worden bewegingsprofielen met een sinusoïdaal versnellingsprofiel, bestaande uit een enkele frequentie, meestal gebruikt voor drempelschatting, maar andere profielen 6,7,8 zijn in het verleden ook gebruikt.
Vestibulaire perceptuele drempels bieden een hulpmiddel voor het bestuderen van de interactie tussen vestibulaire sensatie en hogere cognitieve processen. Drempels vormen daarom een aanvulling op klinische beoordelingen zoals de HIT, calorische irrigatie en vestibulaire opgeroepen potentialen, die afhankelijk zijn van mechanismen (reflexbogen) die de cortex omzeilen. Bovendien beoordelen vestibulaire perceptuele drempels geschat op een bewegingsplatform de vestibulaire functie in een ecologisch geldige omgeving9, in plaats van kunstmatige stimulatie te gebruiken, die multi-sensorische conflicten introduceert1.
Vanwege de bidirectionele aard van vestibulaire stimuli10, is het gebruikelijk om vestibulaire discriminatie te schatten in plaats van detectiedrempels4. Tijdens een discriminatietaak neemt de deelnemer een prikkel waar en moet hij beslissen tot welke categorie hij behoort. Deelnemers moeten bijvoorbeeld beslissen in welke richting ze worden bewogen (bijvoorbeeld links / rechts). Het theoretische kader voor de drempelschatting is signaaldetectietheorie10,11. Discriminatiedrempels kunnen worden geschat met behulp van verschillende benaderingen, maar in het vestibulaire domein zijn adaptieve trapprocedures de standaard. In een adaptieve trapprocedure hangt de intensiteit, meestal de pieksnelheid, van de daaropvolgende beweging af van de reactie van de deelnemers (correct / onjuist) op de laatste stimulus / stimuli. Adaptieve trapprocedures kunnen op vele manieren worden geïmplementeerd12, maar het meest gebruikte algoritme in vestibulair onderzoek is x-down / y-up-procedures met vaste stapgroottes. In een trap met drie downs/één-up wordt bijvoorbeeld de stimulusintensiteit verminderd nadat de deelnemer in drie opeenvolgende onderzoeken de juiste antwoorden heeft gegeven, maar de intensiteit wordt verhoogd wanneer een onjuist antwoord is gegeven (figuur 2). De exacte selectie van x en y in een x-down/y-up trap stelt iemand in staat om verschillende drempelwaarden (percentage van de juiste antwoorden) te targeten 13. Een trap met drie downs /one-up richt zich op de intensiteit waar deelnemers correct reageren in 79,4% van de onderzoeken. Naast adaptieve trapprocedures hebben andere studies14 vooraf gedefinieerde, vaste intensiteiten gebruikt voor drempelschattingen. Het gebruik van vaste intensiteiten maakt het mogelijk om de hele psychometrische functie te schatten, die veel meer informatie bevat dan een enkele drempelwaarde. Procedures met een vaste intensiteit zijn echter tijdrovend en minder efficiënt wanneer alleen een specifieke drempelwaarde van belang is.
Dit artikel beschrijft een protocol voor het schatten van vestibulaire herkenningsdrempels met behulp van een 6DOF-bewegingsplatform en een adaptieve trapprocedure.
Het gepresenteerde protocol maakt een betrouwbare en efficiënte schatting van vestibulaire perceptuele drempels mogelijk. Het protocol is geschikt voor drempelschatting langs en rond willekeurige assen en kan worden toegepast voor alle relevante stimulusfrequenties (bijv. 0,1-5 Hz). Hoewel we gegevens presenteren met behulp van een standaard drie-omlaag / één-omhoog adaptieve trapprocedure, kan het protocol ook worden gebruikt voor andere, efficiëntere schattingsprocedures12, inclusief vaste intensiteit, getransformeerd / gewogen omhoog / omlaag of Bayesiaanse (bijv. Quest18) benaderingen. Een uitputtende bespreking van de beschikbare algoritmen valt buiten het bestek van het gepresenteerde manuscript, maar een uitstekende vergelijking van theorie, simulaties en feitelijke gegevens is elders te vinden19. Efficiënte schattingsprocedures zijn van groot belang in de klinische context, waar de tijd beperkt is, en onderzoek naar snellere beoordelingen wordt momenteeluitgevoerd 19,20.
Een veelbelovend onderzoeksgebied is de identificatie van bepaalde bewegingsprofielen en andere klinisch relevante parameters zoals balans 2,21. Deze onderzoekslijn is belangrijk omdat het richtlijnen biedt over welke assen en frequenties het meest voorspelbaar zijn voor klinisch relevant gedrag en gebeurtenissen, zoals het risico om te vallen, waardoor de zoekruimte in een klinische context wordt verkleind.
Zodra de apparatuur en software beschikbaar zijn en werken zoals bedoeld, zijn twee factoren van cruciaal belang voor een betrouwbare drempelschatting. Ten eerste moet de experimentator ervoor zorgen dat de deelnemer de taak begrijpt en waakzaam blijft gedurende de hele procedure. Voor de meeste stimuli (bijvoorbeeld alle vertalingen) zijn de instructies duidelijk en gemakkelijk te volgen. Voor pitch- en rolrotaties kan de instructie om met links of rechts te antwoorden echter dubbelzinnig zijn, vooral wanneer de rotatieas op hoofdhoogte wordt geplaatst. In deze gevallen draaien de lichaamsdelen boven de rotatieassen (bijv. hoofd) in de tegenovergestelde richting dan de lichaamsdelen onder de rotatieassen (bijv. Voeten). De termen links/rechts kunnen dubbelzinnig zijn en het kan nuttig zijn om de deelnemers te vragen bewegingen te classificeren als met de klok mee of tegen de klok in. Het is belangrijk om uit te leggen en te oefenen hoe van de deelnemer wordt verwacht dat hij de bewegingsprikkels beoordeelt. Een voldoende aantal teststudies is vooral belangrijk wanneer patiënten of oudere volwassenen worden onderzocht.
Ten tweede is het belangrijk om een voldoende aantal onderzoeken rond de drempel te kiezen. We raden een adaptief beëindigingscriterium aan als het aantal intensiteitsomkeringen, in plaats van een vast aantal onderzoeken dat door anderen is gebruikt 7,22. Bovendien kan het gebruik van een vooraf gedefinieerd aantal proeven inefficiënt worden en het risico dragen dat de trap niet convergeert wanneer de startintensiteit te ver van de drempel verwijderd is. Over het algemeen zijn proefexperimenten vereist om redelijke startintensiteiten en beëindigingscriteria te selecteren.
Trapalgoritmes streven ernaar om een enkel punt op de psychometrische functie23,24 te schatten. Daarom geven ze beperkte informatie omdat responsbias en de helling van de psychometrische functie niet kunnen worden afgeleid uit de geschatte drempel. Als dergelijke parameters van belang zijn, kunnen vaste intensiteiten worden gebruikt om over een groter interval te bemonsteren, waardoor de psychometrische functie kan worden aangepast. Hoewel een dergelijke procedure tijdrovender is, maakt het meer geavanceerde analyses mogelijk die waardevolle inzichten kunnen opleveren14,25. Als alternatief kunnen adaptieve hellingsschattingsalgoritmen worden gebruikt13.
Een belangrijk aspect bij het schatten van vestibulaire waarnemingsdrempels is het minimaliseren van signalen van andere sensorische systemen. Om dit te bereiken, wordt de ruis die door het platform wordt gegenereerd meestal gemaskeerd door witte ruis. Het minimaliseren van proprioceptieve of tactiele signalen is uitdagender1 en kan slechts gedeeltelijk worden bereikt omdat versnelling een kracht vereist die op het lichaam inwerkt, wat onvermijdelijk extra vestibulaire stimulatie zal veroorzaken. Kussens worden echter vaak gebruikt om tactiele en proprioceptieve signalen te verminderen. Evenzo is de hoofdfixatie vereist om een constante oriëntatie van de vestibulaire organen ten opzichte van de beweging te garanderen en om ervoor te zorgen dat het bewegingsprofiel dat door het hoofd wordt uitgevoerd hetzelfde is als dat van het platform, zonder enige filtering door het lichaam die plaatsvindt onder onbeperkte bewegingsomstandigheden26.
Op dit moment worden vestibulaire perceptuele drempels voornamelijk gebruikt in fundamenteel onderzoek. Studies toonden aan dat vestibulaire drempels toenemen met de leeftijdvan 27,28, en ze zijn afhankelijk van richting20,28 en de frequentie van beweging 5,29. Meer recent werden perceptuele drempels gebruikt om het eerste bewijs van perceptueel leren in het vestibulaire domein te documenteren14.
Studies waarin patiënten met vestibulaire stoornissen werden vergeleken met gezonde controles toonden veranderde vestibulaire perceptuele drempels in overeenstemming met hun pathologie. Zo werden de drempels verhoogd bij patiënten met vestibulair falen29,30,31, en een neiging tot verlaagde drempels of zelfs een overgevoeligheid werd aangetoond bij patiënten met vestibulaire migraine31,32. Deze studies impliceren het potentieel voor klinische toepassingen, en een recente review4 besprak de toepasbaarheid en bruikbaarheid van vestibulaire perceptuele drempels in een klinische diagnose. Een belangrijk aspect is dat perceptuele drempels unieke eigenschappen toevoegen aan de gereedschapskist van de arts. De standaardprocedures (HIT, VEMP, calorische irrigatie) gebruiken directe paden van de vestibulaire eindorganen naar de spieren van de ogen of baarmoederhals. Daarbij bieden ze niet de mogelijkheid om de informatieketen naar de neo-cortex te onderzoeken. De schatting van vestibulaire perceptuele drempels omvat daarentegen cognitieve processen die het mogelijk maken om het vestibulaire systeem vanuit een andere hoek te testen, wat vooral interessant kan zijn in de context van aanhoudende posturaal-perceptuele duizeligheid (PPPD). Een tekortkoming van de gepresenteerde procedure is het onvermogen om directionele asymmetrieën te detecteren, wat door anderen is gemeld33.
Vestibulaire perceptuele drempels zijn ook van belang bij de evaluatie en monitoring van (therapeutische) interventies. Veel studies gebruiken het risico op vallen als eindpunt bij de evaluatie van de effectiviteit van de behandeling. Aangezien echter een correlatie is aangetoond tussen vestibulaire drempels over de rolas en het risico op vallen2 en prestaties tijdens balanstaken34 , kunnen drempels worden gebruikt als een betrouwbaardere afhankelijke variabele, bijvoorbeeld om de uitkomst35 of optimale configuratie van vestibulaire implantaten te beoordelen.
The authors have nothing to disclose.
We zijn dankbaar voor de steun van Carlo Prelz van het Technologieplatform van de faculteit Menswetenschappen. Wij danken Noel Strahm voor zijn bijdrage aan de trapuitvoering.
6-DOF Motion Platform | MOOG | Models 170E122 or 170E131; Nov 12, 1999 | |
Headphones | Sony | WH-100XM3 | |
PlatformCommander | University of Bern | does not apply | Open Source control software: https://gitlab.com/KWM-PSY/platform-commander |
Response Buttons | Logitech | G F310 |