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Behavior

Stima delle soglie percettive vestibolari utilizzando una piattaforma di movimento a sei gradi di libertà

Published: August 04, 2022
doi:
10.3791/63909
, , ,
1Institute of Psychology,University of Bern

Summary

In questo articolo, descriviamo i metodi, le procedure e le tecnologie necessarie per stimare le soglie percettive vestibolari utilizzando una piattaforma di movimento a sei gradi di libertà.

Abstract

Le soglie percettive vestibolari si riferiscono all’intensità del movimento richiesta per consentire a un partecipante di rilevare o discriminare un movimento in base all’input vestibolare. Utilizzando profili di movimento passivo forniti da sei piattaforme di grado di movimento, le soglie percettive vestibolari possono essere stimate per qualsiasi tipo di movimento e quindi indirizzare ciascuno dei sottocomponenti dell’organo terminale vestibolare. Le valutazioni delle soglie vestibolari sono clinicamente rilevanti in quanto integrano strumenti diagnostici come l’irrigazione calorica, il test dell’impulso della testa (HIT) o i potenziali miogenici evocati vestibolari (VEMP), che forniscono solo informazioni sui sottocomponenti del sistema vestibolare, ma nessuno di essi consente di valutare tutti i componenti. Esistono diversi metodi con diversi vantaggi e svantaggi per stimare le soglie percettive vestibolari. In questo articolo, presentiamo un protocollo che utilizza un algoritmo di scala adattivo e profili di movimento sinusoidale per una procedura di stima efficiente. Gli algoritmi di scala adattiva considerano la cronologia delle risposte per determinare la velocità di picco degli stimoli successivi e sono gli algoritmi più comunemente usati nel dominio vestibolare. Discutiamo ulteriormente l’impatto della frequenza del movimento sulle soglie percettive vestibolari.

Introduction

L’organo terminale vestibolare umano è costituito da cinque componenti, ciascuno ottimizzato per rilevare un componente specifico dello spettro di movimento naturale. I tre canali semicircolari sono orientati approssimativamente ortogonali l’uno all’altro, il che consente loro di rilevare le rotazioni della testa attorno a tre assi. I canali sono accompagnati da due organi maculari per la registrazione delle accelerazioni traslazionali lungo l’asse verticale o nel piano orizzontale1. Un declino funzionale o una perdita in ciascuno dei cinque componenti può portare a sintomi gravi come vertigini, vertigini, squilibrio e un aumentato rischio di caduta2. Tuttavia, valutare obiettivamente la funzione di tutti i componenti separatamente è un compito laborioso e richiede valutazioni multiple3. Ad esempio, lo stato del canale orizzontale viene tipicamente valutato attraverso l’irrigazione calorica e il test dell’impulso della testa (HIT). L’attuale gold standard per la valutazione degli organi della macula è il potenziale miogenico evocato vestibolare (VEMP). Combinando più valutazioni, i medici arrivano a un quadro più completo dello stato vestibolare da cui possono derivare opzioni di diagnosi e trattamento.

Un approccio promettente per quantificare le prestazioni vestibolari sono le soglie percettive vestibolari, che forniscono una misura oggettiva e quantitativa della più bassa intensità di auto-movimento che può essere rilevata o discriminata in modo affidabile da un partecipante. Anche se le procedure di soglia percettiva sono ben consolidate in alcune discipline cliniche (ad esempio, audiologia), le soglie vestibolari percettive non sono ancora utilizzate per scopi diagnostici nel dominio vestibolare4. Uno dei motivi è la mancata disponibilità di piattaforme di movimento e software facili da usare. In linea di principio, le piattaforme di movimento e le sedie rotanti possono essere utilizzate per la stima della soglia. Tuttavia, mentre le piattaforme di movimento a sei gradi di libertà (6DOF) sono adatte per stimare le soglie per vari profili di movimento, consentendo l’indagine di tutti e cinque i sottocomponenti dell’organo vestibolare, le sedie rotanti possono essere utilizzate solo per accedere alle rotazioni nel piano orizzontale (imbardata) 1,4.

Le soglie vestibolari sono tipicamente stimate per le traslazioni lungo i tre assi principali (naso-occipitale, inter-aurale, testa-verticale) e per le rotazioni attorno ad essi (imbardata, beccheggio, rollio), come visualizzato nella Figura 1. Le soglie percettive vestibolari dipendono anche dalla frequenza dello stimolo5. Per tenere conto di ciò, i profili di movimento con un profilo di accelerazione sinusoidale, costituito da una singola frequenza, sono più spesso utilizzati per la stima della soglia, ma in passato sono stati utilizzati anche altri profili 6,7,8.

Le soglie percettive vestibolari forniscono uno strumento per studiare l’interazione tra sensazione vestibolare e processi cognitivi superiori. Le soglie, quindi, integrano valutazioni cliniche come l’HIT, l’irrigazione calorica e i potenziali evocati vestibolari, che si basano su meccanismi (archi riflessi) che bypassano la corteccia. Inoltre, le soglie percettive vestibolari stimate su una piattaforma di movimento valutano la funzione vestibolare in un ambiente ecologicamente valido9, piuttosto che utilizzare la stimolazione artificiale, che introduce conflitti multisensoriali1.

A causa della natura bidirezionale degli stimoli vestibolari10, è comune stimare la discriminazione vestibolare piuttosto che le soglie di rilevamento4. Durante un compito di discriminazione, il partecipante percepisce uno stimolo e deve decidere a quale categoria appartiene. Ad esempio, i partecipanti devono decidere in quale direzione sono spostati (ad esempio, sinistra / destra). Il quadro teorico per la stima della soglia è la teoria del rilevamento del segnale10,11. Le soglie di discriminazione possono essere stimate utilizzando vari approcci, ma nel dominio vestibolare, le procedure di scala adattiva sono lo standard. In una procedura di scala adattiva, l’intensità, tipicamente la velocità di picco, del movimento successivo dipende dalla risposta dei partecipanti (corretta / errata) all’ultimo stimolo / stimolo. Le procedure adattive delle scale possono essere implementate in molti modi12, ma l’algoritmo più frequentemente utilizzato nella ricerca vestibolare sono le procedure x-down/y-up con dimensioni fisse dei gradini. Ad esempio, in una scala a tre giù/una in su, l’intensità dello stimolo viene ridotta dopo che il partecipante ha dato risposte corrette in tre prove successive, ma l’intensità aumenta ogni volta che viene fornita una risposta errata (Figura 2). La selezione esatta di x e y in una scala x-giù/y-su consente di fissare valori di soglia diversi (percentuale di risposte corrette)13. Una scala a tre giù / una su mira all’intensità in cui i partecipanti rispondono correttamente nel 79,4% degli studi. Oltre alle procedure adattive delle scale, altri studi14 hanno utilizzato intensità predefinite e fisse per le stime delle soglie. L’utilizzo di intensità fisse consente di stimare l’intera funzione psicometrica, che contiene molte più informazioni di un singolo valore soglia. Tuttavia, le procedure a intensità fissa richiedono molto tempo e sono meno efficienti quando interessa solo un valore soglia specifico.

Questo articolo descrive un protocollo per stimare le soglie di riconoscimento vestibolare utilizzando una piattaforma di movimento 6DOF e una procedura di scala adattiva.

Protocol

Tutti i dati utilizzati per questo manoscritto sono stati registrati dopo che i partecipanti hanno dato il loro consenso informato e in linea con l’approvazione etica della Facoltà di scienze umane dell’Università di Berna [2020-04-00004]. 1. Materiali Al fine di stimare le soglie di percezione vestibolare, assicurarsi che vi sia accesso a una piattaforma di movimento o a una sedia rotante. Assicurarsi che sia presente un software di controllo per la programmazione dei profili di movimento e l’interfacciamento della piattaforma di movimento.NOTA: PlatformCommander15,16, un pacchetto software open source per interfacciare la piattaforma di movimento, è stato utilizzato in questo studio. PlatformCommander consente di definire profili di accelerazione sinusoidale, che vengono spesso utilizzati per stimare le soglie vestibolari. Assicurarsi che sia presente un dispositivo di risposta, ad esempio un controller di gioco, per la registrazione delle risposte dei partecipanti. Le piattaforme di movimento producono rumore correlato all’intensità del movimento. I partecipanti possono utilizzare questo rumore uditivo come fonte aggiuntiva e non intenzionale di informazioni durante la stima delle soglie di percezione vestibolare. Per mascherare il suono della piattaforma, presentare ai partecipanti il rumore bianco tramite cuffie con cancellazione del rumore durante ogni prova. Bendare i partecipanti per eliminare l’influenza dei segnali di movimento visivo. Decidere quale algoritmo di stima utilizzare e definire i rispettivi parametri. Se viene utilizzato un approccio a scala, definire il punto iniziale, la dimensione del passo, l’aggiornamento e le regole di terminazione. Se l’utente non sa quali valori scegliere, eseguire misurazioni pilota o consultare la letteratura. Le impostazioni predefinite sono fornite dagli script di esempio disponibili online (https://gitlab.com/dr_e/2022-jovedemo).NOTA: il punto di partenza definisce la velocità di picco della piattaforma nella prima prova. Determinare le velocità di avviamento adeguate mediante test pilota o consultando la letteratura di soglia (per le soglie di imbardata, vedere Grabherr et al.5). La dimensione del passo descrive di quanto cambia l’intensità tra le prove. La regola aggiornata descrive se e come l’intensità della stimolazione viene modificata in base alle risposte dei partecipanti. Nel dominio vestibolare, una procedura di scala tre giù / uno su è comune. Ciò significa che l’intensità diminuisce dopo tre risposte corrette consecutive, ma aumenta dopo ogni risposta sbagliata. I criteri di terminazione sono solitamente definiti da un numero fisso di prove o dal numero di inversioni di intensità. Le inversioni di intensità sono prove in cui la risposta provoca un aumento di intensità dopo una o più diminuzioni di intensità o viceversa. Lo script fornito tiene traccia delle inversioni, termina la procedura e calcola automaticamente il valore di soglia finale. Decidi per quale frequenza deve essere stimata la soglia. Nella dimostrazione è stato utilizzato 1 Hz.NOTA: Le soglie vestibolari sono tipicamente studiate per frequenze comprese tra 0,1 e 5 Hz e le soglie sono note per diminuire all’aumentare della frequenza di stimolazione3. Decidi per quale tipo di movimento deve essere stimata la soglia. Nella dimostrazione vengono eseguite rotazioni di imbardata.NOTA: Le soglie possono essere stimate per traslazioni e rotazioni. Le soglie sono spesso stimate per i tre assi principali (naso-occipitale, inter-aurale, testa-verticale) e le rotazioni intorno ad essi (rollio, beccheggio, imbardata). Lo script fornito stima solo un movimento definito (direzione, frequenza) alla volta. Tuttavia, per stimare più soglie, lo script può essere rieseguito con gli stessi parametri di movimento o con parametri di movimento diversi (direzione, frequenza, assi di rotazione). Inizia ogni procedura di stima della soglia con la formazione, consentendo al partecipante di familiarizzare con il compito. Utilizzare lo script “threshold-training.jl” disponibile online (vedere il passaggio 1.6) per questo scopo.NOTA: lo script di allenamento presenta una serie di stimoli di movimento al di sopra della soglia. Lo script di test controlla automaticamente la procedura di stima, gestisce l’aggiornamento dell’algoritmo della scala, l’intensità dello stimolo, la presentazione dello stimolo di movimento, la presentazione del rumore bianco uditivo durante ogni stimolo di movimento, nonché la registrazione di tutti i dati rilevanti. Durante la formazione, assicurarsi che il partecipante comprenda il compito e fornire indicazioni in caso di incertezze. 2. Istruzioni Spiegare la procedura sperimentale al partecipante e ottenere il consenso informato. Posizionare il partecipante sulla sedia montata sulla piattaforma di movimento. Assicurare il partecipante con le cinture di sicurezza. Dare i pulsanti di risposta al partecipante e spiegare come i tasti sono assegnati alle risposte. Bendare il partecipante. Posizionare le cuffie sulla testa del partecipante. Applicare una corretta fissazione della testa. Accendere la piattaforma di movimento utilizzando l’interruttore principale, la batteria e il controller. Assicurarsi che l’area intorno alla piattaforma sia libera e che nessuna persona possa avvicinarsi alla piattaforma mobile durante il test. Avviare lo script della procedura di training digitando julia threshold-training.jl nella riga di comando. Informare il partecipante sull’impegno della piattaforma di movimento. Garantire una corretta inizializzazione della sessione controllando lo stato visualizzato nella GUI del software server (PlatformCommander). Se inizializzato correttamente, la visualizzazione dello stato passerà da Sessione non in corso a Sequenza breve. Visualizzerà anche l’indirizzo IP del client connesso e l’ora in cui la sessione è stata inizializzata. Se la sessione non viene inizializzata correttamente dopo alcuni secondi, controllare la connessione di rete tra il client e il server. Assicurarsi che la piattaforma di movimento sia accesa e che il controller sia collegato. Assicurati che il partecipante comprenda il compito, indichi gli errori del partecipante (ad esempio, quando preme i pulsanti sbagliati) e rispondi alle potenziali domande che il partecipante potrebbe avere. Informare il partecipante che la procedura di formazione è terminata e la procedura di stima sta per iniziare. Avviare lo script della procedura di stima digitando julia threshold-test.jl nella riga di comando. Supervisionare la procedura di stima completamente automatizzata fino al raggiungimento dei criteri di terminazione. A seconda del progetto, ripetere la procedura a partire dal punto 2.13 utilizzando stimoli diversi o terminare la procedura. Parcheggiare la piattaforma di movimento. Rimuovere il fissaggio della testa, le cuffie, il paraocchi e i pulsanti e lasciare che il partecipante scenda. Informare il partecipante sulla procedura e chiedere loro della loro esperienza per migliorare ulteriori esperimenti.NOTA: La procedura può essere messa in pausa e quindi riavviata in qualsiasi momento, preferibilmente non durante la fase di stima della soglia (fasi 2.15-2.17).

Representative Results

Il risultato della procedura descritta è un grafico che mostra le intensità dello stimolo utilizzato durante le prove (Figura 2). Le intensità devono convergere verso un valore costante (Figura 2, linea tratteggiata). La procedura della scala adattiva collega un’intensità di accelerazione alla percezione del movimento del partecipante. La soglia è tipicamente calcolata dallo script di test (ad esempio, threshold-test.jl) come valore medio di tutte o di un sottoinsieme delle intensità presentate nelle prove di inversione. Non è necessaria alcuna ulteriore elaborazione del valore ottenuto. A seconda della regola di aggiornamento utilizzata, è possibile indirizzare diversi punti sulla funzione psicometrica. Utilizzando la regola three-down/one-up, viene stimata l’intensità con cui il partecipante dà la risposta corretta nel 79,4% degli studi. Nella Figura 3 viene visualizzata una stima della soglia non riuscita. Nell’esempio, i criteri di terminazione sono stati impostati su 30 prove invece di un numero sufficiente di inversioni. A causa dell’errore iniziale (prova 11), le procedure di stima hanno portato a una stima della soglia scadente, che può essere riconosciuta dal fatto che la scala non convergeva verso un valore ma manteneva una diminuzione monotona fino alla fine. Figura 1: Visualizzazione degli assi e dei piani principali. Gli assi e i piani visualizzati sono tipicamente usati per descrivere i movimenti relativi ai movimenti della testa. Le soglie percettive vestibolari sono spesso stimate per gli assi naso-occipitale (NO), inter-udiale (IA) e testa-verticale (HV) e per le rotazioni attorno a loro che sono indicate come rotazioni di imbardata, beccheggio o rollio. La figura è stata creata utilizzando un modello di testa 3D17 liberamente disponibile. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 2: Visualizzazione di una procedura di scala a tre giù/una in alto. Le inversioni di intensità sono visualizzate in rosso. I triangoli rivolti verso l’alto rappresentano le prove con risposte corrette, mentre i triangoli rivolti verso il basso rappresentano le prove con risposte errate. La linea tratteggiata rappresenta la soglia stimata, che è stata calcolata come valore medio di tutte le otto intensità di inversione. All’inizio, la regola di aggiornamento segue uno schema one-down fino alla prima inversione (prova 6). Ciò consente una stima della soglia più efficiente, in particolare nei casi in cui l’intensità iniziale è elevata rispetto alla soglia sconosciuta. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 3: Visualizzazione di una stima della soglia non riuscita. A causa dei criteri di terminazione (30 prove) e di un’intensità di inizio selezionata relativamente lontana dalla soglia reale, la funzione scala non convergeva. Una convergenza più rapida verso la soglia reale è ostacolata da una risposta precoce e falsa (prova 11). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Discussion

Il protocollo presentato consente una stima affidabile ed efficiente delle soglie percettive vestibolari. Il protocollo è adatto per la stima della soglia lungo e attorno ad assi arbitrari e può essere applicato per tutte le frequenze di stimolo rilevanti (ad esempio, 0,1-5 Hz). Sebbene presentiamo i dati utilizzando una procedura standard di scala adattiva a tre giù/uno in alto, il protocollo può essere utilizzato anche per altre procedure di stima più efficienti12, inclusi approcci a intensità fissa, trasformati/ponderati su/giù o bayesiani (ad esempio, Quest18). Una discussione esaustiva degli algoritmi disponibili va oltre lo scopo del manoscritto presentato, ma un eccellente confronto di teoria, simulazioni e dati reali può essere trovato altrove19. Procedure di stima efficienti sono di grande rilevanza nel contesto clinico, dove il tempo è limitato, e la ricerca su valutazioni più rapide è attualmente condotta19,20.

Un promettente campo di ricerca è l’identificazione di particolari profili di movimento e altri parametri clinicamente rilevanti come l’equilibrio 2,21. Questa linea di ricerca è importante in quanto fornisce indicazioni su quali assi e frequenze sono più prevedibili per comportamenti ed eventi clinicamente rilevanti, come il rischio di caduta, riducendo così lo spazio di ricerca in un contesto clinico.

Una volta che l’apparecchiatura e il software sono disponibili e funzionano come previsto, due fattori sono fondamentali per una stima affidabile della soglia. In primo luogo, lo sperimentatore deve assicurarsi che il partecipante comprenda il compito e rimanga vigile durante l’intera procedura. Per la maggior parte degli stimoli (ad esempio, tutte le traduzioni), le istruzioni sono chiare e facili da seguire. Tuttavia, per le rotazioni di beccheggio e rollio, l’istruzione di rispondere con sinistra o destra può essere ambigua, specialmente quando l’asse di rotazione è posto all’altezza della testa. In questi casi, le parti del corpo sopra gli assi di rotazione (ad esempio, la testa) ruotano nella direzione opposta rispetto alle parti del corpo sotto gli assi di rotazione (ad esempio, i piedi). I termini sinistra/destra possono essere ambigui e potrebbe essere utile chiedere ai partecipanti di classificare i movimenti in senso orario o antiorario. È importante spiegare e praticare come ci si aspetta che il partecipante giudichi gli stimoli del movimento. Un numero sufficiente di prove di prova è particolarmente importante quando vengono studiati pazienti o anziani.

In secondo luogo, è importante scegliere un numero sufficiente di prove intorno alla soglia. Raccomandiamo un criterio di terminazione adattivo come numero di inversioni di intensità, invece di un numero fisso di prove che è stato utilizzato da altri 7,22. Inoltre, l’utilizzo di un numero predefinito di prove può diventare inefficiente e comporta il rischio che la scala non converga quando l’intensità iniziale è troppo lontana dalla soglia. In generale, sono necessari esperimenti pilota per selezionare intensità iniziali ragionevoli e criteri di terminazione.

Gli algoritmi della scala mirano a stimare un singolo punto sulla funzione psicometrica23,24. Pertanto, forniscono informazioni limitate perché i bias di risposta e la pendenza della funzione psicometrica non possono essere derivati dalla soglia stimata. Se tali parametri sono di interesse, le intensità fisse possono essere utilizzate per campionare su un intervallo più ampio, consentendo di adattarsi alla funzione psicometrica. Sebbene tale procedura richieda più tempo, consente analisi più sofisticate che possono fornire preziose informazioni14,25. In alternativa, è possibile utilizzare algoritmi di stima adattiva della pendenza13.

Un aspetto importante nella stima delle soglie di percezione vestibolare è la minimizzazione dei segnali provenienti da altri sistemi sensoriali. Per raggiungere questo obiettivo, il rumore generato dalla piattaforma è tipicamente mascherato dal rumore bianco. La minimizzazione dei segnali propriocettivi o tattili è più impegnativa1, e può essere raggiunta solo in parte perché l’accelerazione richiede una forza che agisce sul corpo, che inevitabilmente indurrà la stimolazione extra-vestibolare. Tuttavia, i cuscini sono spesso utilizzati per ridurre i segnali tattili e propriocettivi. Allo stesso modo, la fissazione della testa è necessaria per garantire un orientamento costante degli organi vestibolari rispetto al movimento e per garantire che il profilo di movimento eseguito dalla testa sia lo stesso di quello della piattaforma, senza alcun filtraggio da parte del corpo che si verifica in condizioni di movimento senza restrizioni26.

In questo momento, le soglie percettive vestibolari sono prevalentemente utilizzate nella ricerca di base. Gli studi hanno dimostrato che le soglie vestibolari aumentano con l’età 27,28 e dipendono dalla direzione 20,28 e dalla frequenza del movimento 5,29. Più recentemente, le soglie percettive sono state utilizzate per documentare la prima evidenza di apprendimento percettivo nel dominio vestibolare14.

Gli studi che hanno confrontato pazienti con disturbi vestibolari con controlli sani hanno mostrato soglie percettive vestibolari alterate in linea con la loro patologia. Ad esempio, le soglie sono aumentate nei pazienti con insufficienza vestibolare 29,30,31 e una tendenza a soglie ridotte o addirittura ipersensibilità è stata mostrata nei pazienti con emicrania vestibolare 31,32. Questi studi implicano il potenziale per applicazioni cliniche e una recente revisione4 ha discusso l’applicabilità e l’utilità delle soglie percettive vestibolari in una diagnosi clinica. Un aspetto importante è che le soglie percettive aggiungono proprietà uniche alla cassetta degli attrezzi del medico. Le procedure standard (HIT, VEMP, irrigazione calorica) utilizzano percorsi diretti dagli organi terminali vestibolari ai muscoli degli occhi o della cervice. In tal modo, non offrono la possibilità di indagare la catena di informazioni alla neo-corteccia. La stima delle soglie percettive vestibolari, d’altra parte, include processi cognitivi che consentono di testare il sistema vestibolare da una diversa angolazione, che potrebbe essere particolarmente interessante nel contesto delle vertigini posturali-percettive persistenti (PPPD). Un difetto della procedura presentata è la sua incapacità di rilevare asimmetrie direzionali, che è stata segnalata da altri33.

Le soglie percettive vestibolari sono anche di interesse nella valutazione e nel monitoraggio degli interventi (terapeutici). Molti studi utilizzano il rischio di caduta come endpoint nella valutazione dell’efficacia del trattamento. Tuttavia, poiché è stata dimostrata una correlazione tra le soglie vestibolari sull’asse di rollio e il rischio di caduta2 e le prestazioni durante i compiti di equilibrio34 , le soglie potrebbero essere utilizzate come variabile dipendente più affidabile, ad esempio, per valutare il risultato35 o la configurazione ottimale degli impianti vestibolari.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Siamo grati per il supporto fornito da Carlo Prelz della Piattaforma Tecnologica della Facoltà di Scienze Umane. Ringraziamo Noel Strahm per il suo contributo alla realizzazione delle scale.

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
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Ertl, M., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. Estimating Vestibular Perceptual Thresholds Using a Six-Degree-Of-Freedom Motion Platform. J. Vis. Exp. (186), e63909, doi:10.3791/63909 (2022).
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