观点的文章

前面。神经。,11January 2023
秒。运动障碍
卷13 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fneur.2022.1054346

进化的姿势控制评估:从动态姿势描记到虚拟现实

艾米丽·a . Keshner ¹ ^*

Arthur i Mallinson²

尼尔·s . Longridge ²

索拉拉Sinno^3、4

汉斯·彼得森^5、6

菲利普佩兰 ^3、4

¹卫生和康复科学,天普大学,费城,宾夕法尼亚州,美国
²耳鼻喉科、外科学系,医学院,温哥华,不列颠哥伦比亚大学,加拿大
³研究组3450 DevAH-Development EA,适应和障碍,医学院,大学洛林,南希,法国
⁴实验室分析的姿势、平衡和运动机能(LAPEM)大学医院的南希,南希,法国
⁵耳鼻喉科学学系冰岛雷克雅未克,冰岛大学
⁶大学医学院解剖学系,冰岛雷克雅未克,冰岛

在早期的太空飞行记录,宇航员返回地球受损,丧失劳动能力。计算机动态姿势描记(CDP)设计调查和量化这一赤字,并最终发展成一个临床评估工具。当前虚拟现实(VR)技术的萌芽已经允许发展的另一种方法,可以包含更多的信息。许多低成本的虚拟现实系统(包括桌面游戏程序设计的康复)现在可用。持续改进这项技术表明高概率,虚拟现实将成为不可分割的一部分姿势描记代替机械CDP技术。我们研究相关文献评价的优缺点CDP使用Equitest (Neurocom国际;Clackamas USA),结合虚拟现实的一个额外好处就是帮助临床医生评估资产维护的复杂的任务。VR能够操纵任务和环境要求,以评估功能体位的行为。虚拟现实也是一个有用的工具为临床测试感觉不匹配造成的姿势障碍。虽然姿势描记仍然是一个有用的临床工具,虚拟现实提供了一个固有的视觉感官和前庭和之间的冲突可以提高CDP为评估和干预的有效性。 We conclude that, when initially developed, CDP was innovative and ahead of its time. However, with the advent of VR, we have a chance to modernize CDP and enhance its value as a clinical instrument.

介绍

欧洲社会平衡障碍的临床评估(ESCEBD),总部设在法国,南希自2005年以来每年会议讨论主题相关的平衡和平衡尚未明确或标准化。我们的最新讨论之一是关于计算机化的持续发展动态姿势描记^Ⓡ(CDP)作为临床研究和临床工具。不幸的是,这种方法测试是不可移植的和昂贵的。我们承认,虚拟现实(VR)已经开始成为一个替代CDP的诊断和治疗的观点。下面是一个简短的概要讨论有关使用CDP的临床设置,以及它如何帮助虚拟现实成为临床工具。

姿势和平衡的控制

姿态的控制可以定义为神经回路的力学skeletal-motor系统在空间保持方向,以应对瞬间在动态环境中任务的需求。知识在这个领域的研究的进展密切关注我们对中枢神经系统(CNS)的理解加工和生物之间的动态相互作用,任务和环境。姿态的控制研究的起源来自反射的描述和分类,当动物东方自己的空间。早期研究反射控制姿态的一个多世纪以前是基于切除和剥皮的动物的研究,主要集中在反射定位人体在空间对重力段(1)。

理论的重大转变发生在1970年的CDP的发展,使姿势行为在动态干扰量化的基础支持。试图模型姿态控制的机制是通过简化的生物力学行为。姿态主要是建模为一个倒立摆的运动主要发生在踝关节(2)。尽管人类multisegmental和多通道系统的复杂性使其理解的准确建模需要减少变量,我们需要承认一个简化策略如这可能不是健壮或可概括的自然运动,我们可能希望。事实上,更复杂的模型允许更多的变量已经开发出来,表明该系统比早期的适应性和变量控制研究可能建议(3)。

平衡系统涉及到复杂的自适应多个感觉和运动组件之间的交互。当病理学罢工这些组件之一,平衡系统试图通过改变其他组件的贡献如何适应运动的结果。这个适应过程(即。,“compensation”) can be difficult to untangle when several components have gradually modified through aging. Compensation is a multifactorial process that does not always reach a functional level. By the time a patient sees a medical professional for a balance problem, attempting to define or locate the site of pathology can be challenging. Even when the site of injury is identified, symptoms and impairments may vary widely across patients (4)。

资产和流动性赤字出现不仅从运动或感觉障碍,还不能正确地选择和体重相关的感官信息(5)。如果我们承认人类的表现并不作为一个倒立摆,而是multisegmental完整数组传入信号的处理器(6),然后感觉信号的添加剂方法构成一个标准的CDP系统不能产生平衡功能评估。如果我们承认前庭症状和体征可以摆脱差加权或冲突的多通道信号(7,8),那么我们必须意识到虚拟现实呈现更多的承诺比标准的CDP系统功能的治疗方法。

计算机动态姿势描记的进化

在早期的太空飞行,NASA的研究人员报道说,宇航员是不稳定和恶心在他们返回地球。它最初被预测,“…晕动病的症状是相同的是否由于船舶的运动,飞机或汽车”(9),也会发生在空间(10)。耳石被认为发挥重要作用在空间运动病(11)和平衡和自主/内脏控制中心,传统上被视为分离,开始被视为一个功能实体(12)。中断处理耳石回国后输入从轨道飞行的姿势不稳定的来源被认为是宇航员。障碍恢复宇航员进行了讨论和总结是前庭起源的黑色et al。(13(如),它提出了。,(14)],宇航员受损以同样的方式作为“前庭病人。”

为了调查和量化前庭赤字在宇航员返回,CDP设计(15)。这种技术和Equitest商业化^Ⓡ(Neurocom国际;Clackamas美国)在1980年代中期和最终,CDP被引入临床工具(16)。CDP是第一个平衡系统诊断工具,发达之后普遍接受前庭测试(例如,热量由巴兰尼描述约70年以前)。当时CDP发达,先进技术在临床设置。尽管昂贵,系统领域的研究实验室获得的平衡和眩晕的诊断和治疗的目的。比较的CDP调查从一个位置到另一个之间的直接研究机构;然而,CDP的高昂成本也导致了依赖“自制”力板系统(例如,“泡沫和圆顶”)(17)。这些系统的缺点是,他们是不可靠的(随着时间的推移泡沫降低)而不是标准化的特定属性(例如,合规)临床机构。

CDP允许我们评估时姿势性能挑战的任务定向排列混乱的情况下保持平衡。这允许测量的好吧病人补偿,但也如何他们这样做。补偿的整个过程本身是一个挑战,作为演员已被证明基于个人感觉偏好(选择信息6)。CDP记录微妙的病理学是非常有用的,特别是在非典型病人(18)。

CDP前庭神经康复的好处

尽管一个敏感的和标准化的评估技术,CDP既不特定场地也不具体。不幸的是,CDP居高不下的成本和高昂的可用性。随着时间的流逝,新的测试开发,CDP的诊断工具的作用已变得不那么安全。

尽管有这些限制,CDP应该承认它的作用在评估患者前庭功能障碍。只有10 - 20%的病人有头晕暗示前庭功能障碍的异常热量测试作为低频热量刺激不充分挑战前庭系统(19)。病人可能出现原因不明的晕车的症状与半规管病理学和热量测试只是评估侧半规管的能力。CDP,异常已经在大约50%的患者(测量20.)。因此,CDP前庭赤字的结果是一个更健壮的指标。

投诉的头晕有时被视为“非传统”自然是otolithic病理学的强烈提示,并有证据表明CDP有效地识别损伤otolithic结构(21,22)。宇航员有类似障碍后飞行也表现出异常的姿势描记和自主症状。这些异常的病理生理,并建议平衡系统,很有可能相关的破坏性影响otolithic输入(13,14)。检测的特异性“耳石障碍”还不清楚(22然而,)。一直强调,otolithic障碍影响姿势,但姿势测试本身不明确测量otolithic函数。这已成为重要otolithic障碍可以发生在一个孤立的时尚没有其他病理(23)。人遭受头部和颈部创伤也可以表现出otolithic症状和评估的结果已经表明,在两个不同的种群(即。,前庭功能障碍由于创伤和无创伤)都是相同的(4,21,24)。广泛的药物治疗学可以管理头晕的症状(18),但是没有,缓解潜在的原因。认知行为疗法结合传统前庭物理治疗提供了一些救济那些经历焦虑性头晕,但没有持久的影响已经证明(25)。

前庭神经系统也可能产生一些地球人头晕的症状类似于宇航员即使没有返回平衡困难。这些人通常分为视觉敏感或有视觉依赖(2,19,21)。这症状复杂最近归并在持久postural-perceptual头晕或PPPD (25)。发展一个重要障碍患者的标准治疗协议PPPD是他们并不总是展示前庭功能障碍与标准临床测试。

个人被诊断为PPPD CDP后症候群通常状态评估,评估协议复制他们的症状集。这份报告诊断病人是非常有用的,因为它表明前庭起源的症状(24,26)。除了帮助本地化病理学,也常常一口气个体患者,他们可能会担心他们的投诉将被解雇。并不少见的病人听到这个消息”,因为所有的评估都是正常的你可能没有什么毛病。”这导致错误的分类他们的抱怨是精神病学的起源(18)。没有显示其他评估技术来模拟和描述这组症状,因此CDP仍然是一个有价值的临床工具。

VR前庭神经康复的好处

视觉是一个强大的平衡系统的输入,和它作为感官输入的角色平衡维护的CDP评估。通过视觉运动干扰的姿态和空间定位和复杂性,然而,由于知觉以及前庭的影响(27- - - - - -29日CDP)不能完全控制的。几项研究已经表明,姿势可以功能改变后重复暴露在强烈的视动的刺激(30.,31日虚拟环境()或视觉上忙32,33)。这种方法的限制因素的宽容一个人常常会助长消极的治疗恶心和头晕的症状(27,33)。

为了评估视觉上所扮演的角色在日常环境的情况下,是很有用的使病人暴露在各种各样的视觉条件与日常生活相关的活动。尽管这不是一个选项提供了一个标准的CDP系统,计算机图形学技术的巨大进步和虚拟现实的发展现在买得起我们的能力也重新创建特定的视觉环境和改变视觉场景的特性减少或增强对象“混乱”,改变物体的位置,并改变颜色和对比。这些属性影响视觉环境中的运动知觉。视觉场景也可编程移动同步或不同相的自然运动的病人。所有的这些功能都可以当病人被评估价值的客观定义眩晕的主观报告。一旦发现仪器干扰,个人可以被训练来应对现有的赤字。尚待探讨,是否更有效逐渐暴露出系统令人不安的刺激来引发神经适应34),与强烈刺激或破坏系统(19,20.,22,35,36)引发脱敏和习惯。这两种方法可以解决虚拟现实。

无论是视觉还是前庭信号是专门负责知觉干扰的平衡和空间定位。事实上,能够自动分开世界的运动依赖于visual-vestibular信息的融合。在自动的幻觉空间定向障碍明显,即使在自己发起的运动时一个完整的视野视觉运动不匹配实际的或想象的物理运动(37)。正电子发射断层扫描(PET)和磁共振成像(MRI)的研究表明,视网膜和前庭的输入都是加工时,内侧有变化parieto-occipital视觉面积和parieto-insular前庭皮层(38,39)以及小脑小节(28,34)表明神经系统失效时物体运动过程的结构有一个感知的物理运动。

虚拟现实是一个很好的工具,姿势障碍的临床评估和干预带来的感官不匹配。如上所述,VR在评估的价值在于其灵活的复杂和苛刻的视觉环境。最近的一项研究(40)已经表明,识别对象的存在与否和垂直度提示视觉世界影响姿势控制和空间定位的实现个人患有visual-vestibular不匹配失调。

虚拟现实可以描绘意想不到的情况下,比如一个倾斜的房间,生产世界和物理运动之间的不匹配。这产生一个感觉冲突导致无法区分视觉运动和自动(41,42)。虚拟光学流场不匹配的表演者的头部运动产生视觉和前庭输入之间的差异结果自动感知的媒介过程(32)。广泛的工作在文献中,从行为研究(31日,33,43神经影像学研究)(27,34,38)已经表明,前庭和视觉输入收敛在脑干和大脑皮层水平媒介过程为自动的假象。目前的治疗方法perceptual-vestibular投诉依靠脱敏错误或矛盾的视觉线索,发生在VR (30.,35,36,44)。

但它也需要承认虚拟现实本身并不是足够的姿势障碍的评估。CDP的可靠测量姿势不稳定但VR需要额外的技术(例如,运动分析和肌电图系统)来测量电机控制机制(有意义的变化45,46)。虚拟现实作为一个独立测量的弱点的姿势稳定了干预协议由Drs。Keshner, Longridge Mallinson温哥华总医院(未公开的数据)。使用标准化的临床工具,他们试图图变化姿势控制和定向障碍在四个人(37-60岁)曾抱怨慢性眩晕和恶心的症状。每个参与者站在浓密的泡沫而戴着眼睛裂谷(https://www.oculus.com)和查看虚拟环境没有线索为四个星期垂直一周一次。视野呈现正弦旋转在音高和辊和前后翻译在0.25赫兹60年代,3次在每个方向。视野(FOV)最初是作为中央视野刺激+ / - 10度水平和逐渐增加的四个星期。审判结果后措施干预前和干预后用一种更复杂的环境。

结果措施表明,暴露在虚拟环境有积极影响姿态控制,但调查人员正在沮丧的可变性导致患者明显相似的症状。参与者落在75%的预先测试试验而只有一个发生在测试后下跌,但这不是反映在瀑布规模有效性结果(图1)。三四个主题报道平衡增加信心,减少主观的眩晕。然而,这些结果依赖于主观报告和可能是由于实践或个性化的关注。没有办法验证逐渐增加接触视觉冲突和自动反馈生产适应或习惯。要做到这一点,一个更客观的测量技术,如CDP,需要纳入本协议(49)。

图1

图1。预先测试(灰色)和测试后(黑)的成绩(一)瀑布效果量表(47)和(B)眩晕障碍库存(济)(48为每个主题)。最后两列在每个图平均得分+ SD在预处理和测试后所有四个科目。

重塑CDP 21^圣世纪

最初试图衡量和量化平衡维护通过CDP显示自动体位反应表现出较短的延迟比自愿行为但也自适应和修改(16)根据体位的参数扰动和个人的特殊能力。因此,姿势维护被认为是一个过程,是学习和成为自动通过重复使用,但也主要取决于手头的任务的性质。不认为是受到任何事前规划或演员的注意力资源。科学和临床的兴趣主要集中在感官途径控制和生成姿势反应(2,3),这些通路的损失将如何改变姿势的行为。

CDP作为诊断工具的最大价值在于它量化一个人是如何使用其资产系统应对不同的感官输入即使前庭系统平衡维护所扮演的角色,而当系统出现问题,还没有很好的记录。CDP的发展为临床医生提供的工具来记录和量化异常患者直到这一点被诊断为基于其主观报道症状的历史。CDP也可以用来测量静态影响和增加的整体诊断敏感性前庭功能测试。CDP也可以用来设计平衡培训计划,帮助解决运动行为的赤字和监测进展的临床康复。目前缺乏可靠inter-institutional比较可能减轻通过合并一个便宜的,可靠性测试硬CDP像标准力板可能会减少矛盾的研究必要的年找到最有效的治疗协议。

当最初发达,CDP创新和超前的。然而,随着新技术和更好的电算化的发展,现代化CDP VR的出现提供了一个机会,让它继续成为一个有价值的临床工具。虚拟现实背后的原理是产生扰动的能力在空间方位知觉的视觉环境,而不是机械不稳定性的基础支持。因此,结合虚拟现实作为一种工具来评估和治疗平衡失调可能临床评估的重心从维护生物力学稳定评估的整个身体平衡和取向行为(46)。目前,一些低成本的虚拟现实系统设计和针对康复变得可用。其中包括各种rehabilitation-oriented桌面游戏程序实现虚拟现实的属性(例如,反馈、文档、动机)。嵌入式环境的提高可访问性技术(例如,便宜的相机,接近传感器,可穿戴计算),支持监控运动和认知功能在现实条件下扩展虚拟干预在临床(50)。证据也是积累学习的虚拟环境将转移到物理世界(29日,51,52)。通过运用运动学习的原则(53,54)和添加工具,如机器人、跑步机、和动态虚拟环境平台,我们可以操纵任务和环境要求,以评估有意义的姿势的行为。持续改进这项技术表明高概率,虚拟现实将成为不可分割的一部分(甚至取代)CDP (50)临床诊断和治疗提供有价值的信息。

讨论

广泛的姿势控制和运动能力健康和受损的个人必须适应测试条件,个人能力。这就需要开发各种测试条件和比较的性能在每个个体,它可以与虚拟现实实现。类似于视动的刺激和虚拟现实的结合,CDP与虚拟现实相结合应协助康复诱导和鼓励“习惯化症状。“CDP和VR也有助于记录和再现患者症状,这将帮助临床医生了解投诉并执行,通过使用这些工具,最佳的康复。我们主张CDP与虚拟现实相结合提供了最强的可用的方法来评估和干预体位和定向障碍。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。

道德声明

涉及人类受试者的研究回顾和批准大学温哥华IRB。患者/参与者提供了他们的书面知情同意参与这项研究。

作者的贡献

艾克,我和PP负责的内容。问、SS和惠普负责编辑和批准的内容。所有作者参加了在平衡障碍的临床评估南希(ESCEBD)会议上,法国和促成了本文的概念化。

确认

我们感谢大的区域市政局Est,法国,对金融支持(委员会Permanente地区大是10-09-21)的欧洲社会平衡障碍的临床评估(ESCEBD)会议。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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引用

1。马格努斯R, de Kleijn a头的位置的影响在四肢的肌肉的语气。弗鲁格拱门。(1912)145:455 - 548。doi: 10.1007 / BF01681127