I denne artikkelen beskriver vi metodene, prosedyrene og teknologiene som kreves for å estimere vestibulære perseptuelle terskler ved hjelp av en bevegelsesplattform på seks frihetsgrader.
Vestibulære perseptuelle terskler refererer til bevegelsesintensiteten som kreves for å gjøre det mulig for en deltaker å oppdage eller diskriminere en bevegelse basert på vestibulær inngang. Ved hjelp av passive bevegelsesprofiler levert av seks graders bevegelsesplattformer, kan vestibulære perseptuelle terskler estimeres for enhver form for bevegelse og derved målrette mot hver av underkomponentene i det vestibulære endeorganet. Vurderinger av vestibulære terskler er klinisk relevante da de utfyller diagnostiske verktøy som kalori irrigasjon, hodeimpulstest (HIT) eller vestibulære fremkalte myogene potensialer (VEMPs), som bare gir informasjon om underkomponenter i vestibulærsystemet, men ingen av dem tillater vurdering av alle komponenter. Det finnes flere metoder med forskjellige fordeler og ulemper for å estimere vestibulære perseptuelle terskler. I denne artikkelen presenterer vi en protokoll ved hjelp av en adaptiv trappealgoritme og sinusformede bevegelsesprofiler for en effektiv estimeringsprosedyre. Adaptive trappalgoritmer vurderer responshistorikken for å bestemme topphastigheten til de neste stimuliene og er de mest brukte algoritmene i det vestibulære domenet. Vi diskuterer videre virkningen av bevegelsesfrekvens på vestibulære perseptuelle terskler.
Det menneskelige vestibulære endeorganet består av fem komponenter, hver optimalisert for å oppdage en bestemt komponent i det naturlige bevegelsesspekteret. De tre halvcirkelformede kanalene er orientert omtrent ortogonale mot hverandre, noe som gjør at de kan oppdage hoderotasjoner rundt tre akser. Kanalene er ledsaget av to makulaorganer for registrering av translasjonelle akselerasjoner langs den vertikale aksen eller i horisontalplanet1. En funksjonell nedgang eller tap i hver av de fem komponentene kan føre til alvorlige symptomer som svimmelhet, svimmelhet, ubalanse og økt risiko for å falle2. Objektivt å vurdere funksjonen til alle komponenter separat er imidlertid en arbeidskrevende oppgave og krever flere vurderinger3. For eksempel vurderes tilstanden til den horisontale kanalen vanligvis gjennom kalori vanning og hodeimpulstesten (HIT). Dagens gullstandard for vurdering av makulaorganene er vestibulære fremkalte myogene potensialer (VEMPs). Ved å kombinere flere utredninger kommer klinikere frem til et mer komplett bilde av den vestibulære tilstanden de kan utlede diagnose- og behandlingsalternativer fra.
En lovende tilnærming for kvantifisering av vestibulær ytelse er vestibulære perseptuelle terskler, som gir et objektivt, kvantitativt mål på den laveste selvbevegelsesintensiteten som pålitelig kan oppdages eller diskrimineres av en deltaker. Selv om perseptuelle terskelprosedyrer er godt etablert i noen kliniske disipliner (f.eks. Audiologi), er perseptuelle vestibulære terskler ennå ikke brukt til diagnostiske formål i vestibulært domene4. En grunn til dette er manglende tilgjengelighet av bevegelsesplattformer og brukervennlig programvare. I prinsippet kan bevegelsesplattformer og roterende stoler brukes til terskelestimering. Imidlertid, mens seks frihetsgrader (6DOF) bevegelsesplattformer er egnet for å estimere terskler for forskjellige bevegelsesprofiler, noe som muliggjør undersøkelse av alle fem underkomponentene i det vestibulære organet, kan roterende stoler bare brukes til å få tilgang til rotasjoner i det horisontale (yaw) planet 1,4.
Vestibulære terskler estimeres vanligvis for oversettelser langs de tre hovedaksene (naso-occipital, inter-aural, head-vertical) og for rotasjoner rundt dem (yaw, pitch, roll), som visualisert i figur 1. Vestibulære perseptuelle terskler avhenger også av stimulusfrekvensen5. For å gjøre rede for dette brukes bevegelsesprofiler med en sinusformet akselerasjonsprofil, bestående av en enkelt frekvens, oftest for terskelestimering, men andre profiler 6,7,8 har også blitt brukt tidligere.
Vestibulære perseptuelle terskler gir et verktøy for å studere samspillet mellom vestibulær følelse og høyere kognitive prosesser. Terskler supplerer derfor kliniske vurderinger som HIT, kalorivanning og vestibulære fremkalte potensialer, som er avhengige av mekanismer (refleksbuer) som omgår cortex. I tillegg vurderer vestibulære perseptuelle terskler estimert på en bevegelsesplattform vestibulær funksjon i en økologisk gyldig innstilling9, i stedet for å bruke kunstig stimulering, som introduserer multisensoriske konflikter1.
På grunn av den toveis karakteren av vestibulære stimuli10, er det vanlig å estimere vestibulær diskriminering i stedet for deteksjonsterskler4. Under en diskrimineringsoppgave oppfatter deltakeren en stimulus og må bestemme hvilken kategori den tilhører. For eksempel må deltakerne bestemme i hvilken retning de skal flyttes (f.eks. venstre / høyre). Det teoretiske rammeverket for terskelestimering er signaldeteksjonsteori10,11. Diskrimineringsterskler kan estimeres ved hjelp av ulike tilnærminger, men i det vestibulære domenet er adaptive trappeprosedyrer standarden. I en adaptiv trappeprosedyre avhenger intensiteten, vanligvis topphastigheten, av den påfølgende bevegelsen av deltakernes respons (riktig / feil) til den siste stimulansen / stimuli. Adaptive trappeprosedyrer kan implementeres på mange måter12, men den mest brukte algoritmen i vestibulær forskning er x-down / y-up prosedyrer med faste trinnstørrelser. I en tre-ned/en-opp-trapp reduseres for eksempel stimulusintensiteten etter at deltakeren har gitt riktige svar i tre påfølgende studier, men intensiteten økes når feil svar er gitt (figur 2). Det nøyaktige utvalget av x og y i en trapp med x-ned/y-up gjør at man kan målrette mot ulike terskelverdier (prosentandel av riktige svar)13. En tre-ned/en-opp trapp retter seg mot intensiteten der deltakerne svarer riktig i 79.4% av forsøkene. I tillegg til adaptive trappeprosedyrer har andre studier14 brukt forhåndsdefinerte, faste intensiteter for terskelestimering. Ved å bruke faste intensiteter kan man estimere hele den psykometriske funksjonen, som inneholder mye mer informasjon enn en enkelt terskelverdi. Prosedyrer for fast intensitet er imidlertid tidkrevende og mindre effektive når bare en bestemt terskelverdi er av interesse.
Denne artikkelen beskriver en protokoll for estimering av terskler for vestibulær gjenkjenning ved hjelp av en 6DOF-bevegelsesplattform og en adaptiv trappprosedyre.
Den presenterte protokollen muliggjør en pålitelig og effektiv estimering av vestibulære perseptuelle terskler. Protokollen er egnet for terskelestimering langs og rundt vilkårlige akser og kan brukes for alle relevante stimulusfrekvenser (f.eks. 0,1-5 Hz). Selv om vi presenterer data ved hjelp av en standard tre-ned/en-opp adaptiv trappeprosedyre, kan protokollen også brukes til andre, mer effektive estimeringsprosedyrer12, inkludert fast intensitet, transformert/vektet opp/ned, eller bayesianske (f.eks. Quest18) tilnærminger. En uttømmende diskusjon av de tilgjengelige algoritmene er utenfor omfanget av det presenterte manuskriptet, men en utmerket sammenligning av teori, simuleringer og faktiske data finnes andre steder19. Effektive estimeringsprosedyrer er av stor relevans i klinisk sammenheng, der tiden er begrenset, og det forskes for tiden på raskere vurderinger19,20.
Et lovende forskningsfelt er identifisering av bestemte bevegelsesprofiler og andre klinisk relevante parametere som balanse 2,21. Denne forskningen er viktig fordi den gir veiledning om hvilke akser og frekvenser som er mest forutsigbare for klinisk relevant atferd og hendelser, for eksempel risikoen for å falle, og dermed redusere søkerommet i en klinisk sammenheng.
Når utstyret og programvaren er tilgjengelig og fungerer etter hensikten, er to faktorer avgjørende for pålitelig terskelestimering. Først må eksperimentøren sørge for at deltakeren forstår oppgaven og forblir årvåken gjennom hele prosedyren. For de fleste stimuli (f.eks. alle oversettelser) er instruksjonene klare og enkle å følge. For tonehøyde- og rullerotasjoner kan imidlertid instruksjonen om å svare med venstre eller høyre være tvetydig, spesielt når rotasjonsaksen er plassert på hodenivå. I disse tilfellene roterer kroppsdelene over rotasjonsaksene (f.eks. hode) i motsatt retning enn kroppsdelene under rotasjonsaksene (f.eks. føtter). Begrepene venstre/høyre kan være tvetydige, og det kan være nyttig å be deltakerne klassifisere bevegelser som med eller mot klokken. Det er viktig å forklare og øve på hvordan deltakeren forventes å bedømme bevegelsesstimuliene. Et tilstrekkelig antall teststudier er spesielt viktig når pasienter eller eldre voksne undersøkes.
For det andre er det viktig å velge et tilstrekkelig antall forsøk rundt terskelen. Vi anbefaler et adaptivt avslutningskriterium som antall intensitetsreverseringer, i stedet for et fast antall forsøk som har blitt brukt av andre 7,22. I tillegg kan bruk av et forhåndsdefinert antall forsøk bli ineffektivt og medfører risiko for at trappen ikke konvergerer når startintensiteten er for langt unna terskelen. Generelt er det nødvendig med piloteksperimenter for å velge rimelige startintensiteter og termineringskriterier.
Trappealgoritmer tar sikte på å estimere et enkelt punkt på den psykometriske funksjonen23,24. Derfor gir de begrenset informasjon fordi responsforstyrrelser og helningen til den psykometriske funksjonen ikke kan utledes fra den estimerte terskelen. Hvis slike parametere er av interesse, kan faste intensiteter brukes til å prøve over et større intervall, slik at de passer til den psykometriske funksjonen. Selv om en slik prosedyre er mer tidkrevende, åpner den for mer sofistikerte analyser som kan gi verdifull innsikt14,25. Alternativt kan adaptive slope-estimeringsalgoritmer brukes13.
Et viktig aspekt ved estimering av vestibulære persepsjonsterskler er minimering av signaler fra andre sensoriske systemer. For å oppnå dette blir støyen som genereres av plattformen vanligvis maskert av hvit støy. Minimering av proprioceptive eller taktile signaler er mer utfordrende1, og kan bare delvis oppnås fordi akselerasjon krever en kraft som virker på kroppen, noe som uunngåelig vil indusere ekstra-vestibulær stimulering. Imidlertid brukes puter ofte til å redusere taktile og proprioceptive signaler. På samme måte er hodefiksering nødvendig for å sikre en konstant orientering av vestibulære organer i forhold til bevegelsen og for å sikre at bevegelsesprofilen som utføres av hodet er den samme som den ved plattformen, uten filtrering av kroppen som oppstår under ubegrensede bevegelsesforhold26.
På dette tidspunktet brukes vestibulære perseptuelle terskler hovedsakelig i grunnforskning. Studier viste at vestibulære terskler øker med alderen 27,28, og de avhenger av retning 20,28 og bevegelsesfrekvensen 5,29. Mer nylig ble perseptuelle terskler brukt til å dokumentere det første beviset på perseptuell læring i det vestibulære domenet14.
Studier som sammenlignet pasienter med vestibulære lidelser med friske kontroller, viste endrede vestibulære perseptuelle terskler i tråd med deres patologi. For eksempel ble tersklene økt hos pasienter med vestibulær svikt 29,30,31, og en tendens til redusert terskler eller til og med overfølsomhet ble vist hos pasienter med vestibulær migrene31,32. Disse studiene antyder potensialet for kliniske anvendelser, og en nylig gjennomgang4 diskuterte anvendeligheten og nytten av vestibulære perseptuelle terskler i en klinisk diagnose. Et viktig aspekt er at perseptuelle terskler gir unike egenskaper til legens verktøykasse. Standardprosedyrene (HIT, VEMP, kalori vanning) bruker direkte veier fra vestibulære endeorganer til muskler i øynene eller livmorhalsen. Dermed tilbyr de ikke muligheten til å undersøke informasjonskjeden til neo-cortex. Estimeringen av vestibulære perseptuelle terskler inkluderer derimot kognitive prosesser som gjør det mulig å teste det vestibulære systemet fra en annen vinkel, noe som kan være spesielt interessant i sammenheng med vedvarende postural-perceptuell svimmelhet (PPPD). En mangel ved den presenterte prosedyren er dens manglende evne til å oppdage retningsasymmetrier, som har blitt rapportert av andre33.
Vestibulære perseptuelle terskler er også av interesse for evaluering og overvåking av (terapeutiske) intervensjoner. Mange studier bruker risikoen for å falle som et endepunkt i evalueringen av behandlingseffektivitet. Siden det imidlertid er påvist en sammenheng mellom vestibulære terskler om rulleaksen og risiko for å falle2 og ytelse under balanseoppgaver34 , kan terskler brukes som en mer pålitelig avhengig variabel, for eksempel for å vurdere utfallet35 eller optimal konfigurasjon av vestibulære implantater.
The authors have nothing to disclose.
Vi er takknemlige for støtten fra Carlo Prelz fra teknologiplattformen til fakultetet for humaniora. Vi takker Noel Strahm for hans bidrag til trappeimplementeringen.
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 |