הערכת ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל באמצעות פלטפורמת תנועה של שש דרגות חופש
Summary
במאמר זה נתאר את השיטות, הנהלים והטכנולוגיות הנדרשים להערכת ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל באמצעות פלטפורמת תנועה של שש דרגות חופש.
Abstract
ספי תפיסה של שיווי משקל מתייחסים לעוצמת התנועה הנדרשת כדי לאפשר למשתתף לזהות או להבחין בתנועה בהתבסס על קלט שיווי המשקל. באמצעות פרופילי תנועה פסיביים המסופקים על ידי שש פלטפורמות של דרגות תנועה, ניתן להעריך את ערכי הסף התפיסתיים של שיווי המשקל עבור כל סוג של תנועה ובכך לכוון לכל אחד מתת-המרכיבים של איבר הקצה של שיווי המשקל. הערכות של ספי שיווי משקל רלוונטיות מבחינה קלינית מכיוון שהן משלימות כלי אבחון כגון השקיה קלורית, מבחן דחף הראש (HIT), או פוטנציאלים מיוגניים מעוררי שיווי משקל (VEMPs), המספקים מידע רק על תת-רכיבים של מערכת שיווי המשקל, אך אף אחד מהם אינו מאפשר להעריך את כל המרכיבים. ישנן מספר שיטות עם יתרונות וחסרונות שונים להערכת סף תפיסתי שיווי משקל. במאמר זה נציג פרוטוקול המשתמש באלגוריתם מדרגות אדפטיבי ופרופילי תנועה סינוסואידליים להליך הערכה יעיל. אלגוריתמים של מדרגות אדפטיביות מתחשבים בהיסטוריית התגובה כדי לקבוע את מהירות השיא של הגירויים הבאים והם האלגוריתמים הנפוצים ביותר בתחום שיווי המשקל. בהמשך נדון בהשפעת תדירות התנועה על ערכי הסף התפיסתיים של שיווי המשקל.
Introduction
איבר הקצה של שיווי המשקל האנושי מורכב מחמישה מרכיבים, שכל אחד מהם מותאם לאיתור מרכיב מסוים בספקטרום התנועה הטבעי. שלוש התעלות החצי-עגולות מכוונות בערך אורתוגונליות זו לזו, מה שמאפשר להן לזהות סיבובי ראש סביב שלושה צירים. התעלות מלוות בשני איברי מקולה לרישום תאוצות תרגום לאורך הציר האנכי או במישור האופקי1. ירידה תפקודית או אובדן בכל אחד מחמשת המרכיבים יכולים להוביל לתסמינים חמורים כגון סחרחורת, סחרחורת, חוסר איזון וסיכון מוגבר לנפילה2. עם זאת, הערכה אובייקטיבית של הפונקציה של כל הרכיבים בנפרד היא משימה מייגעת ודורשת הערכות מרובות3. לדוגמה, מצב התעלה האופקית מוערך בדרך כלל באמצעות השקיה קלורית ובדיקת דחף הראש (HIT). תקן הזהב הנוכחי להערכת איברי המקולה הוא פוטנציאלים מיוגניים מעוררי שיווי משקל (VEMPs). על ידי שילוב של הערכות מרובות, קלינאים מגיעים לתמונה מלאה יותר של מצב שיווי המשקל שממנו הם יכולים לגזור אפשרויות אבחון וטיפול.
גישה מבטיחה לכימות ביצועי שיווי המשקל היא ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל, המספקים מדד אובייקטיבי וכמותי של עוצמת התנועה העצמית הנמוכה ביותר, הניתנת לזיהוי או הפליה מהימנים על ידי משתתף. למרות שהליכי סף תפיסתיים מבוססים היטב בדיסציפלינות קליניות מסוימות (למשל, אודיולוגיה), ספי שיווי משקל תפיסתיים עדיין אינם משמשים למטרות אבחון בתחום שיווי המשקל4. אחת הסיבות לכך היא אי הזמינות של פלטפורמות תנועה ותוכנות קלות לשימוש. באופן עקרוני, פלטפורמות תנועה וכיסאות מסתובבים יכולים לשמש להערכת סף. עם זאת, בעוד שפלטפורמות תנועה של שש דרגות חופש (6DOF) מתאימות להערכת ערכי סף לפרופילי תנועה שונים, ומאפשרות לחקור את כל חמשת תתי-הרכיבים של איבר שיווי המשקל, כסאות מסתובבים יכולים לשמש רק לגישה לסיבובים במישור האופקי (פיהוק) 1,4.
ספי שיווי המשקל מוערכים בדרך כלל עבור תרגומים לאורך שלושת הצירים העיקריים (naso-occipital, inter-aural, head-vertical) ועבור סיבובים סביבם (סיבוב, פסיעה או גליל), כפי שניתן לראות באיור 1. ספי התפיסה של שיווי המשקל תלויים גם בתדירות הגירוי5. כדי להסביר זאת, פרופילי תנועה עם פרופיל תאוצה סינוסואידלי, המורכב מתדר יחיד, משמשים לרוב להערכת סף, אך פרופילים אחרים 6,7,8 שימשו גם בעבר.
ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל מספקים כלי לחקר האינטראקציה בין תחושת שיווי המשקל לבין תהליכים קוגניטיביים גבוהים יותר. ערכי סף, אם כן, משלימים הערכות קליניות כגון HIT, השקיה קלורית ופוטנציאלים מעוררי שיווי משקל, המסתמכים על מנגנונים (קשתות רפלקס) העוקפים את קליפת המוח. בנוסף, ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל הנאמדים על פלטפורמת תנועה מעריכים את תפקוד שיווי המשקל בסביבה תקפה מבחינה אקולוגית9, במקום להשתמש בגירוי מלאכותי, המציג קונפליקטים רב-חושיים1.
בשל האופי הדו-כיווני של גירויים שיווי משקל10, מקובל להעריך אפליה שיווי משקל ולא ספי זיהוי4. במהלך משימת אפליה, המשתתף תופס גירוי ועליו להחליט לאיזו קטגוריה הוא שייך. לדוגמה, על המשתתפים להחליט לאיזה כיוון הם מועברים (למשל, שמאלה/ימינה). המסגרת התיאורטית לאומדן הסף היא תורת גילוי האותות10,11. ניתן להעריך את ספי האפליה באמצעות גישות שונות, אך בתחום שיווי המשקל, הליכי מדרגות אדפטיביים הם הסטנדרט. בהליך מדרגות אדפטיבי, העוצמה, בדרך כלל מהירות השיא, של התנועה הבאה תלויה בתגובת המשתתפים (נכונה/לא נכונה) לגירוי/גירוי האחרון. ניתן ליישם הליכי מדרגות אדפטיביים בדרכים רבות12, אך האלגוריתם הנפוץ ביותר במחקר שיווי משקל הוא הליכי x-down/y-up עם גדלי שלבים קבועים. לדוגמה, בגרם מדרגות של שלושה מטה/אחד למעלה, עוצמת הגירוי מופחתת לאחר שהמשתתף נתן תשובות נכונות בשלושה ניסויים עוקבים, אך האינטנסיביות מוגברת בכל פעם שניתנה תשובה שגויה (איור 2). הבחירה המדויקת של x ו- y בגרם מדרגות x-down/y-up מאפשרת להתמקד בערכי סף שונים (אחוז התגובות הנכונות)13. גרם מדרגות של שלושה מטה/אחד למעלה מכוון לעוצמה שבה המשתתפים מגיבים נכון ב-79.4% מהניסויים. מלבד הליכי מדרגות מסתגלים, מחקרים אחרים14 השתמשו בעוצמות מוגדרות מראש וקבועות לאומדני סף. שימוש בעוצמות קבועות מאפשר להעריך את כל הפונקציה הפסיכומטרית, המכילה הרבה יותר מידע מאשר ערך סף יחיד. עם זאת, נהלים בעצימות קבועה גוזלים זמן רב ופחות יעילים כאשר רק ערך סף מסוים מעניין.
מאמר זה מתאר פרוטוקול להערכת ספי זיהוי שיווי משקל באמצעות פלטפורמת תנועה 6DOF והליך מדרגות אדפטיבי.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג מאפשר הערכה אמינה ויעילה של ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל. הפרוטוקול מתאים לאומדן סף לאורך וסביב צירים שרירותיים וניתן ליישם אותו עבור כל תדרי הגירוי הרלוונטיים (למשל, 0.1-5 הרץ). למרות שאנו מציגים נתונים באמצעות הליך סטנדרטי של גרם מדרגות אדפטיבי של שלושה מטה/אחד למעלה, הפרוטוקול יכול לשמש גם להליכי הערכה אחרים, יעילים יותר12, כולל אינטנסיביות קבועה, טרנספורמציה/משוקללת למעלה/למטה, או גישות בייסיאניות (למשל, Quest18). דיון ממצה באלגוריתמים הזמינים הוא מעבר להיקף כתב היד המוצג, אך השוואה מצוינת של תיאוריה, סימולציות ונתונים ממשיים ניתן למצוא במקומות אחרים19. הליכי הערכה יעילים הם בעלי רלוונטיות רבה בהקשר הקליני, שבו הזמן מוגבל, ומחקרים על הערכות מהירות יותר נערכים כיום19,20.
תחום מחקר מבטיח הוא זיהוי פרופילי תנועה מסוימים ופרמטרים רלוונטיים קליניים אחרים כגון איזון 2,21. קו מחקר זה חשוב מכיוון שהוא מספק הדרכה לגבי הצירים והתדרים הצפויים ביותר להתנהגות ואירועים רלוונטיים מבחינה קלינית, כגון הסיכון לנפילה, ובכך לצמצם את מרחב החיפוש בהקשר קליני.
ברגע שהציוד והתוכנה זמינים ופועלים כמתוכנן, שני גורמים הם קריטיים להערכת סף אמינה. ראשית, על הנסיין לוודא שהמשתתף מבין את המשימה ונשאר ערני לאורך כל ההליך. עבור רוב הגירויים (למשל, כל התרגומים), ההוראות ברורות וקלות לביצוע. עם זאת, עבור סיבובי גובה וגלגול, ההוראה לענות עם שמאל או ימין יכולה להיות מעורפלת, במיוחד כאשר ציר הסיבוב ממוקם בגובה הראש. במקרים אלה, חלקי הגוף שמעל צירי הסיבוב (למשל, הראש) מסתובבים בכיוון ההפוך מחלקי הגוף שמתחת לצירי הסיבוב (למשל, רגליים). המונחים שמאל/ימין יכולים להיות מעורפלים, וייתכן שיהיה מועיל לבקש מהמשתתפים לסווג תנועות כבכיוון השעון או נגד כיוון השעון. חשוב להסביר ולתרגל כיצד מצופה מהמשתתף לשפוט את גירויי התנועה. מספר מספיק של ניסויי בדיקה חשוב במיוחד כאשר חולים או מבוגרים נחקרים.
שנית, חשוב לבחור מספר מספיק של ניסויים סביב הסף. אנו ממליצים על קריטריון סיום אדפטיבי כמספר היפוכי העוצמה, במקום מספר קבוע של ניסויים אשר שימשו אחרים 7,22. בנוסף, שימוש במספר מוגדר מראש של ניסויים עלול להפוך ללא יעיל ולשאת בסיכון שגרם המדרגות לא יתכנס כאשר עוצמת ההתחלה רחוקה מדי מהסף. באופן כללי, ניסויי פיילוט נדרשים כדי לבחור עוצמות התחלה סבירות וקריטריונים לסיום.
אלגוריתמים של מדרגות שואפים להעריך נקודה אחת על הפונקציה הפסיכומטרית23,24. לכן, הם מספקים מידע מוגבל מכיוון שלא ניתן לגזור מהסף המשוער הטיות תגובה ואת שיפוע הפונקציה הפסיכומטרית. אם פרמטרים כאלה מעניינים, ניתן להשתמש בעוצמות קבועות כדי לדגום על פני מרווח גדול יותר, המאפשר להתאים את הפונקציה הפסיכומטרית. למרות שהליך כזה גוזל זמן רב יותר, הוא מאפשר ניתוחים מתוחכמים יותר שיכולים לספק תובנות חשובות14,25. לחלופין, ניתן להשתמש באלגוריתמים אדפטיביים להערכת שיפוע13.
היבט חשוב בהערכת ספי התפיסה של שיווי המשקל הוא מזעור רמזים ממערכות חושיות אחרות. כדי להשיג זאת, הרעש שנוצר על ידי הפלטפורמה מוסווה בדרך כלל על ידי רעש לבן. המזעור של רמזים פרופריוצפטיביים או מישושיים הוא מאתגר יותר1, וניתן להשיג אותו רק באופן חלקי מכיוון שתאוצה דורשת כוח הפועל על הגוף, אשר בהכרח יגרום לגירוי חוץ-וסטיבולרי. עם זאת, כריות משמשות לעתים קרובות כדי להפחית אותות מישוש פרופריוצפטיביים. כמו כן, קיבוע הראש נדרש כדי להבטיח כיוון קבוע של איברי שיווי המשקל ביחס לתנועה ולהבטיח שפרופיל התנועה המבוצע על ידי הראש זהה לזה שעל ידי הפלטפורמה, ללא כל סינון על ידי הגוף המתרחש בתנאי תנועה בלתי מוגבלים26.
בנקודת זמן זו, ספי התפיסה של שיווי המשקל משמשים בעיקר במחקר בסיסי. מחקרים הראו כי ספי שיווי המשקל עולים עם גיל 27,28, והם תלויים בכיוון 20,28 ובתדירות התנועה 5,29. לאחרונה, ספים תפיסתיים שימשו לתיעוד הראיות הראשונות ללמידה תפיסתית בתחום שיווי המשקל14.
מחקרים שהשוו מטופלים עם הפרעות שיווי משקל לבקרים בריאים הראו שינוי בספי התפיסה של שיווי המשקל בהתאם לפתולוגיה שלהם. לדוגמה, סף הוגדל בחולים עם אי ספיקת שיווי משקל 29,30,31, ונטייה לסף מופחת או אפילו רגישות יתר הודגמה בחולים עם מיגרנה שיווי משקל31,32. מחקרים אלה מרמזים על הפוטנציאל ליישומים קליניים, וסקירה שפורסמה לאחרונה4 דנה בתחולתם ובתועלתם של ערכי סף תפיסתיים של שיווי משקל באבחנה קלינית. היבט חשוב אחד הוא שסף תפיסתי מוסיף תכונות ייחודיות לארגז הכלים של הרופא. ההליכים הסטנדרטיים (HIT, VEMP, השקיה קלורית) משתמשים במסלולים ישירים מאיברי הקצה של שיווי המשקל אל שרירי העיניים או צוואר הרחם. לפיכך, הם אינם מציעים את האפשרות לחקור את שרשרת המידע לניאו-קליפת המוח. ההערכה של ספי שיווי המשקל התפיסתיים, לעומת זאת, כוללת תהליכים קוגניטיביים המאפשרים לבחון את מערכת שיווי המשקל מזווית אחרת, מה שעשוי להיות מעניין במיוחד בהקשר של סחרחורת יציבה תפיסתית מתמשכת (PPPD). חסרון של ההליך המוצג הוא חוסר יכולתו לזהות אסימטריות כיווניות, אשר דווח על ידי אחרים33.
ספי התפיסה של שיווי המשקל מעניינים גם בהערכה ובמעקב אחר התערבויות (טיפוליות). מחקרים רבים משתמשים בסיכון לנפילה כנקודת קצה בהערכת יעילות הטיפול. עם זאת, מכיוון שהוכח מתאם בין ספי שיווי המשקל לגבי ציר הגליל לבין הסיכון לנפילה2 וביצועים במהלך משימות שיווי משקל34 , ניתן להשתמש בספי סף כמשתנה תלוי אמין יותר, למשל, כדי להעריך את התוצאה35 או תצורה אופטימלית של שתלים שיווי משקל.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו אסירי תודה על התמיכה שמספק קרלו פרלץ מהפלטפורמה הטכנולוגית של הפקולטה למדעי האדם. אנו מודים לנואל סטרהם על תרומתו ליישום גרם המדרגות.
Materials
| 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 |
References
- Ertl, M., Boegle, R. Investigating the vestibular system using modern imaging techniques-A review on the available stimulation and imaging methods. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108363 (2019).
- Beylergil, S. B., Karmali, F., Wang, W., Bermúdez Rey, M. C., Merfeld, D. M. Vestibular roll tilt thresholds partially mediate age-related effects on balance. Progress in Brain Research. 248, 249-267 (2019).
- Brandt, T., Dieterich, M., Strupp, M. . Vertigo and Dizziness. , (2013).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M., Mattingly, J. K. Vestibular thresholds: A review of advances and challenges in clinical applications. Frontiers in Neurology. 12, 643634 (2021).
- Grabherr, L., Nicoucar, K., Mast, F. W., Merfeld, D. M. Vestibular thresholds for yaw rotation about an earth-vertical axis as a function of frequency. Experimental Brain Research. 186 (4), 677-681 (2008).
- Seemungal, B. M., Gunaratne, I. A., Fleming, I. O., Gresty, M. A., Bronstein, A. M. Perceptual and nystagmic thresholds of vestibular function in yaw. Journal of Vestibular Research: Equilibrium and Orientation. 14 (6), 461-466 (2004).
- Gianna, C., Heimbrand, S., Gresty, M. Thresholds for detection of motion direction during passive lateral whole-body acceleration in normal subjects and patients with bilateral loss of labyrinthine function. Brain Research Bulletin. 40 (5-6), 443-447 (1996).
- Soyka, F., Robuffo Giordano, P., Beykirch, K., Bülthoff, H. H. Predicting direction detection thresholds for arbitrary translational acceleration profiles in the horizontal plane. Experimental Brain Research. 209 (1), 95-107 (2011).
- Ertl, M., et al. The cortical spatiotemporal correlate of otolith stimulation: Vestibular evoked potentials by body translations. NeuroImage. 155, 50-59 (2017).
- Merfeld, D. M. Signal detection theory and vestibular thresholds: I. Basic theory and practical considerations. Experimental Brain Research. 210 (3), 389-405 (2011).
- Kay, S. M. . Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory. , (1998).
- Kingdom, F. A. A., Prins, N. . Psychophysics: A Practical Introduction. , (2016).
- Leek, M. R. Adaptive procedures in psychophysical research. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1279-1292 (2001).
- Klaus, M. P., et al. Roll tilt self-motion direction discrimination training: First evidence for perceptual learning. Attention, Perception & Psychophysics. 82 (4), 1987-1999 (2020).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. PlatformCommander-An open source software for an easy integration of motion platforms in research laboratories. SoftwareX. 17, 100945 (2022).
- Ertl, M., Prelz, C., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. . Manual PlatformCommander Version 0.9. , (2021).
- . 3D Models of 6dof motion Available from: https://zenodo.org/record/6035612 (2022)
- Watson, A. B., Pelli, D. G. QUEST: A general multidimensional Bayesian adaptive psychometric method. Perception & Psychophysics. 33 (2), 113-120 (1983).
- Karmali, F., Chaudhuri, S. E., Yi, Y., Merfeld, D. M. Determining thresholds using adaptive procedures and psychometric fits: evaluating efficiency using theory, simulations, and human experiments. Experimental Brain Research. 234 (3), 773-789 (2016).
- Dupuits, B., et al. A new and faster test to assess vestibular perception. Frontiers in Neurology. 10, 707 (2019).
- Karmali, F., Rey, M. C. B., Clark, T. K., Wang, W., Merfeld, D. M. Multivariate analyses of balance test performance,vestibular thresholds, and age. Frontiers in Neurology. 8, 578 (2017).
- Keywan, A., Wuehr, M., Pradhan, C., Jahn, K. Noisy galvanic stimulation improves roll-tilt vestibular perception in healthy subjects. Frontiers in Neurology. 9, 83 (2018).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
- Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: II. Bootstrap-based confidence intervals and sampling. Perception & Psychophysics. 63 (8), 1314-1329 (2001).
- Zupan, L. H., Merfeld, D. M. Interaural self-motion linear velocity thresholds are shifted by roll vection. Experimental Brain Research. 191 (4), 505-511 (2008).
- Carriot, J., Jamali, M., Cullen, K. E., Chacron, M. J. Envelope statistics of self-motion signals experienced by human subjects during everyday activities: Implications for vestibular processing. PLoS ONE. 12 (6), 0178664 (2017).
- Agrawal, Y., et al. Decline in semicircular canal and otolith function with age. Otology & Neurotology. 33 (5), 832-839 (2012).
- Rey, M. C. B., et al. Vestibular perceptual thresholds increase above the age of 40. Frontiers in Neurology. 7, 162 (2016).
- Lim, K., Karmali, F., Nicoucar, K., Merfeld, D. M. Perceptual precision of passive body tilt is consistent with statistically optimal cue integration. Journal of Neurophysiology. 117 (5), 2037-2052 (2017).
- Agrawal, Y., Bremova, T., Kremmyda, O., Strupp, M. Semicircular canal, saccular and utricular function in patients with bilateral vestibulopathy: analysis based on etiology. Journal of Neurology. 260 (3), 876-883 (2013).
- Bremova, T., et al. Comparison of linear motion perception thresholds in vestibular migraine and Menière’s disease. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (10), 2931-2939 (2016).
- King, S., et al. Self-motion perception is sensitized in vestibular migraine: pathophysiologic and clinical implications. Scientific Reports. 9 (1), 1-12 (2019).
- Roditi, R. E., Crane, B. T. Directional asymmetries and age effects in human self-motion perception. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 13 (3), 381-401 (2012).
- Kobel, M. J., Wagner, A. R., Merfeld, D. M. Impact of gravity on the perception of linear motion. Journal of Neurophysiology. 126 (3), 875-887 (2021).
- Chow, M. R., et al. Posture, gait, quality of life, and hearing with a vestibular implant. New England Journal of Medicine. 384 (6), 521-532 (2021).
