Eye tracking e realtà virtuale: nuove frontiere per la riabilitazione del neglect extrapersonale

Dipartimento di ingegneria gestionale, dell'informazione e della produzione

Corso di laurea in ingegneria delle tecnologie per la salute Classe n. L-9

Eye tracking e realtà virtuale: nuove frontiere per la riabilitazione del neglect extrapersonale

Anno Accademico 2021/2022

Indice

• Introduzione................................................................................................... 2
• Contesto medico............................................................................................ 4
  • 1.1 Negligenza spaziale unilaterale............................................................. 4
  • 1.2 Eziologia ed epidemiologia.................................................................... 6
  • 1.3 Tipologie di Neglect............................................................................... 9
• Mixed reality continuom in ambito clinico.................................................... 12
  • 2.1.1 Vantaggi e svantaggi.................................................................... 15
  • 2.2 Realtà aumentata................................................................................ 17
  • 2.3 Realtà mista........................................................................................ 17
  • 2.4 Serious game...................................................................................... 17
• Eye-tracking: dalla teoria alla pratica........................................................... 20
  • 3.1 Cinematica dei movimenti oculari....................................................... 21
    • 3.1.1 Anatomia dell’occhio umano......................................................... 21
    • 3.1.2 Sistemi di movimento oculare....................................................... 23
  • 3.2 Eye tracking........................................................................................ 26
    • 3.2.1 Caratteristiche e funzionamento................................................... 26
    • 3.2.2 Tipologie di eye tracker................................................................. 29
  • 3.3 Eye tracking come strumento complementare nei test di negligenza spaziale unilaterale................................................................................... 31
• Diagnosi del neglect extrapersonale............................................................ 36
  • 4.1 Metodi di diagnosi tradizionali............................................................. 37
    • 4.1.1 Test standardizzati........................................................................ 37
    • 4.1.2 Test senza validità clinica.............................................................. 38
  • 4.2 Serious game per diagnosticare il neglect extrapersonale.................. 39
• Riabilitazione della negligenza spaziale unilaterale: dai metodi tradizionali, a quelli più innovativi e tecnologici................................................................. 42
  • 5.1 Metodi tradizionali............................................................................... 43
  • 5.2 Serious game riabilitativi per il neglect extrapersonale...................... 47
• Conclusioni................................................................................................... 56

Introduzione

La Negligenza spaziale unilaterale, o neglect, è una sindrome neuropsicologica caratterizzata dall’incapacità o ridotta tendenza a prestare attenzione agli stimoli presentati nell’emicampo controlesionale (solitamente quello di sinistra in quanto la lesione cerebrale è prevalentemente a carico dell’emisfero destro), nonché allo spazio corporeo, anch’esso opposto alla sede cerebrale della lesione.

Nonostante l’ampio spettro di approcci valutativi e riabilitativi utilizzati sui pazienti affetti da diverse tipologie di neglect, non è ancora possibile utilizzare una tecnica diagnostica e terapeutica standardizzata per i pazienti affetti da neglect extrapersonale, per i quali vengono utilizzati solamente test che devono ancora essere sottoposti a una validità clinica. Per far fronte a questa problematica, alcuni ricercatori si sono messi in gioco per sviluppare dei serious game che potessero risolvere tale questione.

Vista l’epoca tecnologica in cui ci si trova, nella maggior parte di prove realizzate sono stati utilizzati strumenti tecnologici ausiliari, quali la realtà virtuale e l’eye tracking, i quali permettono di raggiungere risultati autentici e di compiere test da cui poter estrarre dati più minuziosi rispetto ai test convenzionali (es. quelli con carta e penna) in cui sono più difficili da identificare.

Grazie alla collaborazione tra l’Università di Bergamo e l’unità riabilitativa dell’Ospedale Papa Giovanni XXIII, nota anche come “Casa degli angeli”, si è sviluppato un serious game che dà l’opportunità di valutare i pazienti affetti da neglect extrapersonale tramite l’utilizzo della realtà virtuale. A seguito di una serie di incontri con i medici per migliorare sempre di più tale progetto, sono sorti nuovi spunti e idee anche per quanto riguarda la progettazione di un serious game indirizzato, non solo alla sfera diagnostica, ma anche alla sfera più riabilitativa.

Da qui nasce, inoltre, l’idea di implementare l’eye tracking come strumento essenziale al fine di monitorare il movimento oculare dei pazienti. Nel presente lavoro di tesi, a seguito di una spiegazione medica della negligenza spaziale unilaterale verranno trattate le tecnologie innovative, quali realtà virtuale e eye tracking, da poter utilizzare in ambito medico. Successivamente, più nello specifico, verrà trattata l’implementazione di tali tecnologie all’interno di serious game con particolare riferimento, soprattutto, al neglect extrapersonale, evidenziando i punti di forza e non rispetto ai test convenzionali. I serious game illustrati, saranno utilizzati sia in ambito diagnostico che, soprattutto, in ambito terapeutico.

Capitolo 1

Contesto medico

1.1 Negligenza spaziale unilaterale

La negligenza spaziale unilaterale (NSU), nota anche come eminattenzione spaziale o sindrome neglect, è un disturbo della cognizione spaziale nel quale, a seguito di una lesione cerebrale, il paziente ha difficoltà ad esplorare lo spazio controlaterale alla lesione e non è consapevole degli stimoli presenti in quella porzione di spazio esterno o corporeo.

Oltre alla mancanza di consapevolezza dello spazio controlesionale, sono presenti altri deficit come la ridotta attenzione, la tendenza patologica a focalizzarsi sui dettagli, le basse capacità di memoria visuospaziale e la difficoltà nella pianificazione e nell’esecuzione delle attività nell’emispazio controlesionale. Oltre a queste tipologie di deficit si possono presentare anche quelli motori.

Nella maggior parte dei casi, come afferma il dott. Emilio Alessio Loiacono in un suo articolo, la lesione celebrale si presenta nell’emisfero destro, per cui raramente la negligenza spaziale è riconducibile a una lesione nell’emisfero sinistro in quanto questo si occupa principalmente delle funzioni legate alla comprensione e all’articolazione del linguaggio, piuttosto che al riconoscimento spaziale. È riconosciuto, infatti, che con una percentuale del 33-85% la NSU si manifesta in seguito ad una lesione nell’emisfero destro, mentre per una percentuale minore di circa 0-25% essa si manifesta a seguito della lesione nell’emisfero sinistro.

Nella realtà clinica, quello a cui si assiste è un insieme di fenomeni particolari e molto variegati: la persona affetta dal neglect potrebbe leggere solo una parte del testo, mangiare solo una parte del cibo nel piatto, ignorare le persone che gli si rivolgono da sinistra oppure non riuscire a camminare bene perché ignora parte degli ostacoli. Questa eterogeneità di manifestazioni viene racchiusa all’interno della citazione di un celebre neurologo e scrittore britannico di nome Oliver Sack, il quale scrive:

"Essa ha completamente perduto l’idea di “sinistra”, per quanto riguarda sia il mondo “esterno sia il proprio corpo. Talvolta si lamenta che le sue porzioni sono troppo piccole, ma il fatto è che mangia solo quello che è a destra del piatto, non le viene in mente che il piatto abbia anche una sinistra [...] non ha la minima consapevolezza di sbagliarsi. Lo sa intellettualmente, è in grado di capire e ride; ma le è impossibile saperlo direttamente."

Lo scrittore vuole racchiudere in poche righe alcuni momenti di vita quotidiana vissuti da una persona affetta da neglect, la quale riscontra parecchie difficoltà nelle attività che possono risultare agli occhi degli altri semplici e banali. Comuni azioni quotidiane, infatti, quali la lettura del giornale, giocare a carte, svolgere giochi enigmistici, guardare la televisione e tenere una conversazione con più persone, possono diventare compiti difficili e frustranti che, in alcuni casi, portano il paziente a chiudersi ed a isolarsi. La NSU può portare anche a deviazioni socio-emotive, inclusi cambiamenti nella personalità e negli affetti.

Nella maggior parte dei casi le persone affette da neglect non sono consapevoli delle proprie difficoltà di esplorazione e ciò, quindi, può portare anche a gravi conseguenze. L’individuo infatti può incorrere a potenziali cadute, ad attraversamenti pedonali rischiosi oppure alla guida di un veicolo che può far sorgere problemi legati alla sicurezza. Per questi motivi si ritiene necessario informare i famigliari o chi di dovere delle possibili manifestazioni del disturbo e degli eventuali deficit associati, in modo di consentire a loro di intervenire nella modalità più adeguata.

Durante il percorso neuroriabilitativo è fondamentale coinvolgere i familiari nel piano di trattamento, così che possano partecipare al percorso riabilitativo e prepararsi a gestire la persona con neglect dopo il rientro a casa. I parenti vengono, infatti, formati a stimolare i pazienti nel modo giusto anche in contesti di vita quotidiana, ai fini del raggiungimento di una maggiore autonomia.

1.2 Eziologia ed epidemiologia

Le cause principali di manifestazione del neglect sono associate a eventi quali trauma cranico, ischemia, aneurismi, emorragia e ictus, il quale costituisce la causa più prevalente. In Italia, la prevalenza dell’ictus è pari al 6,5%, ed è la terza causa di morte dopo i tumori e le cardiopatie. È bene ricordare che ben il 70% dei pazienti che sopravvivono, a distanza di un anno dall’ictus, mantengono delle disabilità. L’ictus, infatti, determina molti deficit di natura diversa: motori, visivi e anche psichiatrici.

Nell’ampio gruppo delle alterazioni visive troviamo (Fig 1.1):

• Emianopsia (la perdita della metà del campo visivo).
• L’alterazione dei movimenti oculari.
• Il neglect: il 90% circa dei casi viene associato a danni dell’emisfero destro che si ripercuotono in problematiche legate all’emisfero visivo sinistro poiché l’emisfero destro del cervello controlla la parte sinistra del corpo e le emozioni, mentre l’emisfero sinistro regola la parte destra del corpo, in particolare il ragionamento, il calcolo e il linguaggio.

Per quanto riguarda i deficit elencanti, generalmente a seguito di un ictus avviene un recupero spontaneo nelle prime settimane dall’evento morboso, dove la frequenza del disturbo scende dal 45% al 30% dopo il trentunesimo giorno dell’evento. Questo deficit visivo, tuttavia, in alcuni casi purtroppo tende a diventare cronico. In uno studio compiuto presso l’università di Bologna su un gruppo di 23 pazienti nel 43% dei casi si è presentata una regressione del disturbo nel periodo successivo alla fase acuta dell’ictus, ma solo il 9% ha avuto un recupero totale di tale sindrome.

Figura 1.1: Alcuni dati sull’ictus e sulle conseguenti alterazioni visive.

La NSU deriva dalla disfunzione del circuito cerebrale dell’attenzione, che dipende da un danno strutturale di una specifica regione del cervello. Secondo alcune ricerche sulla neuroanatomia del neglect, a questo disturbo cognitivo sono state associate un certo numero di lesioni celebrali differenti. Ciò è legato al fatto che i sintomi del neglect sono vari, infatti diverse lesioni possono colpire differenti aspetti della cognizione spaziale e portare a diversi profili clinici.

Per individuare le parti lesionate si fa riferimento alle cosiddette aree di Brodmann (vedi Fig. 1.2), regioni delle corteccia cerebrale definite (oltre che per la loro localizzazione anatomica) in base all’organizzazione delle cellule cerebrali e delle fibre nervose. Studi effettuati in campo neuropsicologico dimostrano che le lesioni che causano il neglect sono situate a livello della corteccia parietale inferiore (aree 7 e 40 di Brodmann), a livello della corteccia temporale superiore (aree 22 e 37 di Brodmann) e a livello della giunzione mediana temporo-parientale (aree 39 e 40 di Brodmann). Anche le lesioni nella porzione laterale e ventrale del lobo frontale (aree 4,6,44 e 45 di Brodmann), della corteccia dell’insula (aree 13 e 14 di Brodmann) e del nucleo subcorticale sembrano provocare la sindrome da neglect.

Figura 1.2: In questa immagine sono raffigurate le varie parti che costituiscono il cervello mettendo in evidenza le aree di Brodmann.

1.3 Tipologie di Neglect

La NSU è una sindrome che coinvolge diverse modalità sensoriali e rappresentazionali, le quali portano a differenti tipologie di neglect. Esse, solitamente, si manifestano insieme ad altri disturbi neurologici quali, la paralisi completa (emiplagia) o la paralisi incompleta (emiparesi) con l’aggiunta o meno di disturbi sensoriali alla parte sinistra del corpo (emianestesia).

Varie ricerche in letteratura hanno individuato la presenza di due categorie in cui vengono classificate le varie forme di neglect. La prima categoria classifica la negligenza in base alla modalità con cui si presenta, includendo la negligenza sensoriale, motoria o di rappresentazione.

• Negligenza sensoriale: i pazienti con negligenza sensoriale sperimentano una consapevolezza disordinata degli input sensoriali provenienti dal loro lato controlesionale. Non hanno la capacità di portare la loro attenzione su questo lato dello spazio in presenza di stimoli esterni. Questa tipologia di negligenza include la negligenza visiva, uditiva e tattile. Un esempio di negligenza sensoriale si presenta quando il paziente mangia il cibo solo in una metà del piatto, nonostante abbia ancora fame.

Figura 1.3: L’individuo trascura il cibo alla sua sinistra.

• Negligenza motoria: essa è definita come l’incapacità di effettuare movimenti motori in risposta agli stimoli osservati. Esistono molteplici sottotipi di questo tipo di neglect, come il sottoutilizzo di un arto opposto alla lesione cerebrale.

Figura 1.4: Individuo trascura la posizione del braccio e della gamba sinistra sulla carrozzina.

• Negligenza di rappresentazione: essa consiste nell’ignorare il lato controlesionale delle immagini che sono state generate internamente, come le rappresentazioni mentali di un compito, di un'azione o di un movimento. Un esempio può essere visto quando viene chiesto di estrarre dalla memoria un orologio analogico, in cui il paziente inserisce tutti i numeri sul lato non trascurato dell'orologio.

Figura 1.5: Disegno svolto da un paziente con neglect.

La seconda categoria classifica le tipologie di neglect in base alla distribuzione del comportamento anormale nello spazio (vedi Fig. 1.6), individuando la negligenza personale, peripersonale ed extrapersonale.

• Nel neglect personale, il paziente non ha consapevolezza dell’emisoma controlaterale alla lesione, dimentica quindi di vestirsi, lavarsi, pettinarsi, nella metà del corpo controlesionale.
• Il neglect peripersonale, riguarda ciò che si trova nello spazio attorno al paziente, delimitato da quelli che sono i movimenti di raggiungimento. I pazienti, difatti, ignorano tutto ciò che si trova nella parte controlesionale, come ad esempio: oggetti presenti alla sinistra del lato del tavolo dove sono seduti, la porzione di cibo presente nella parte controlaterale.
• Nel neglect extrapersonale invece, viene intaccato lo spazio più lontano, oltre i movimenti di raggiungimento, il paziente affetto non riconosce oggetti o persone alla propria sinistra.

Figura 1.6: Nell’immagine vengono rappresentate le regioni dello spazio.

Capitolo 2

Mixed reality continuom in ambito clinico

La NSU è difficile da diagnosticare e trattare per via della sua complessità ed eterogeneità. Sebbene molti metodi di valutazione e riabilitazione sono stati proposti e applicati con vari gradi di successo, è ancora necessario identificare e sviluppare metodi efficaci ed autentici, soprattutto per quanto riguarda la tipologia del neglect extrapersonale. Negli ultimi decenni sono emersi nuovi metodi promettenti che vanno a sostituire le tecniche tradizionali. Si inizia ad usare la tecnologia di realtà virtuale (VR), la quale sta diventando sempre più popolare in ambito clinico, in particolare nella psicologia e neuropsicologia, e di realtà aumentata (AR) che viene utilizzata in applicazioni cliniche, ad esempio nella neurochirurgia.

Con il continuo sviluppo della tecnologia, al giorno d’oggi si può fondere AR con VR al fine di...