本文介绍了一种在神经科患者中利用杯状 Ag-AgCl 电极和宽塑料边缘，通过眼电图高精度记录水平眼动的实用方法。稳定的测量需要正确选择和固定电极，给予足够时间完成光适应，并根据需要重新校准。
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摘要
摘要
眼电图（EOG）已广泛用于临床眼动记录，尤其是水平扫视，尽管如今视频眼动图（VOG）因其更高的空间精度已在很大程度上取代了EOG。然而，在某些情况下，EOG相较于VOG具有明显优势，例如眼裂较窄或装有人工晶体的受试者，以及运动障碍患者。本文表明，若实施得当，EOG在记录过程中可达到几乎与VOG相当的精度和显著的稳定性，同时避免VOG记录中相关的问题。本文介绍了一种在神经科患者中使用眼动范式通过EOG高精度、高稳定性地记录水平扫视的实用方法。关键措施包括使用带有宽塑料边缘的Ag-AgCl电极以减少噪声，并等待足够时间完成光适应。这一等待过程还有助于降低电极与皮肤之间的阻抗，从而确保随时间推移所记录信号的稳定性。此外，在任务执行过程中根据需要进行重新校准。采用该方法，实验者可避免信号漂移，以及肌电图和脑电图带来的伪迹或噪声污染，从而获取足够的数据用于对扫视进行临床评估。因此，正确实施后，EOG仍是一种具有高度实用性的方法，可广泛应用于神经科患者，同时也可能适用于正常受试者的研究。
引言
记录眼动的方法主要有三种：传统的EOG、基于视频的眼动追踪系统记录的VOG，以及巩膜搜索线圈（SSC）方法。其中，由于EOG操作简便，自20世纪70年代以来常用于患者眼动记录。该方法广泛适用于临床人群，已被大量用于神经系统疾病患者的诊断，为揭示疾病背后的病理生理机制提供了有用信息1,2,3,4,5。此外，它仍是目前唯一可在睡眠期间可行地记录眼动的技术（如REM睡眠期间的快速眼动及其他形式的眼动）。
由于眼球前部（包括角膜）相对于后部带正电，因此眼球前后之间存在电压差，称为角膜-视网膜电位。由于该电位的存在，当受试者将视线转向右侧时，右侧电极会比左侧电极更显正电性；而当视线转向左侧时，则呈现负电性。由于左右电极之间的电压差与眼球水平扫视时的旋转角度具有显著相关性，因此可用于测量水平眼动。然而，这种相关性在垂直方向上并不成立，尽管垂直方向的EOG仍可用于测量眼动6。另一方面，一些研究主要利用垂直EOG来监测眨眼活动。
然而，近年来由于视频眼动图（VOG）具有更高的空间精度，可达 0.25 - 0.5 度，已基本取代了眼电图（EOG），并已成为临床环境中记录扫视眼动的标准方法。与此同时，眼电图（EOG）被认为已相对过时，因其空间精度最高仅为 0.5 度，低于视频眼动图（VOG）。
然而，在临床环境中使用VOG也存在自身的缺点。在某些情况下，VOG并不可行；例如，对于眼裂较窄的受试者（如角膜大部分被眼睑遮挡时），眼动追踪的准确性会下降。在白内障患者中，红外光的异常反射会干扰视线方向的可靠记录。此外，对于因运动障碍而难以进行VOG记录的个体，EOG可能更具优势。另外，与EOG设备相比，VOG系统的成本更高，这常常导致前者在普通医疗机构中无法配备。
另一方面，巩膜搜索线圈法（SSC）被认为是测量眼动的金标准。与视频眼动图（VOG）和眼电图（EOG）相比，该方法具有最高的空间精度，可达0.1度，在记录涉及高频头部运动的情况下尤为有用6。然而，该方法具有潜在侵入性，i.e.，可能引起眼部疼痛和强烈不适，且仅允许进行短暂记录，大约不超过30分钟或更短7,8,9,10。这种短暂的记录时间使其不适合广泛应用于临床，尽管该方法已在一些专业机构中成功使用11。
根据同一研究团队此前对超过250名神经系统疾病患者和480名正常受试者的研究记录12,13,14,15,16,17,18,19，本研究表明，眼电图（EOG）具有足够高的准确性，可作为眼动记录的标准技术，并广泛适用于临床人群，同时避免了视频眼动图（VOG）和巩膜搜索线圈（SSC）的多种缺点。本文介绍了一种稳定的EOG记录方法，采用具有宽边沿的电极，以实现与皮肤的大面积稳定接触，类似于用火棉胶将脑电图（EEG）电极牢固地固定在头皮上以进行长时间记录的方式。随着记录时间的延长，电极的阻抗降低，记录信号趋于稳定，从而有效减少来自面部肌肉和脑电图的伪迹。该方法与同步记录的VOG进行了比较。在正确准备和实施的情况下，EOG在记录神经系统疾病患者扫视眼动方面的准确性与VOG相当，而在正常受试者中，EOG甚至可能更适用于扫视记录。
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方案
本研究中的所有实验程序均在获得知情同意后，经机构的人类研究伦理委员会批准，并按照其指南进行。
1. 准备受试者和录音房间
- 在环境光照较低的房间内进行记录，以确保充分的暗适应。
- 让受试者坐在一个直径为90厘米的黑色凹面半球形屏幕前，该屏幕上嵌有发光二极管（LEDs），并通过小孔排列，用作眼动范式中的注视点和扫视目标。
注意：LED 排列在黑色凹面半球形屏幕上的水平、垂直和斜向阵列中， 即，从中心点出发，每隔45度设置一个方向，共8个方向，且每个方向与中心点的间隔为5度，该设计最初由Kato提出 等.20 用于行为学和生理学研究，并由Hikosaka修改为适用于人类 等.21 - 为控制眼球运动任务，让每位受试者手持一个连接至微型计算机的微动开关按钮，通过按压和释放该按钮来启动和结束任务试验。
注意：任务和数据采集由运行在普通 Windows 个人电脑上的定制程序控制。 - 使用下颌托、前额托以及头部固定带稳定受试者的头部位置。
2. 放置EOG电极
- 使用直径为1.8 cm、厚度为3.5 mm的Ag-AgCl杯状电极记录EOG（图1）。杯底为Ag-AgCl电极，侧壁周围有一圈厚度为5 mm的塑料边缘，可实现与皮肤的广泛接触。
- 用酒精棉片擦拭皮肤。
- 将电极膏填充入杯中。
- 在塑料边缘下方放置双面胶带，将电极稳定地固定在皮肤上，并将边缘贴附于皮肤。
- 记录水平扫视眼动时，将电极置于双眼内外眦处；记录垂直扫视眼动时，则将电极置于单眼的上方和下方。
3. 设置用于记录的放大器
- 使用直流（DC）放大器记录EOG信号，并以500 Hz的采样频率对信号进行数字化。
- 同时使用基于视频的眼动追踪系统记录VOG，该系统以500 - 1,000 Hz的采样率记录眼球凝视位置数据。
- 输入水平和垂直眼位的模拟输出信号，并设置数据采集系统的滤波器，将信号低通滤波器设定为20 Hz。
- 同时设置滤波器以衰减高频和中频噪声，例如肌电图和脑电图干扰。
注意：在分析时，需进一步平滑处理眼位数据以计算扫视速度曲线（此处进行了三次3点平滑处理）。 - 如有可能，测量电极与皮肤之间的阻抗，并保持其低于20 kΩ。
4. 放置电极后等待光适应阶段
- 放置EOG电极于皮肤后，等待10 - 20分钟，直至完成充分的明适应。
- 使记录信号稳定，并等待电极凝胶之间的阻抗降低。
5. 校准EOG和VOG信号
- 每次测试前，让受试者注视5个预先指定的位置，以完成眼动校准。
- 具体而言，对于眼电图（EOG）和视频眼动图（VOG），均需让受试者依次注视中心位置以及位于注视点左侧、右侧、上方和下方各20度处出现的视觉目标。
- 当受试者注视这些位置时，调节EOG的增益，使自研的数据采集系统所监测并显示在计算机屏幕上的当前眼位与屏幕上显示的目标位置相匹配。
6. 使用眼动范式记录扫视，并在实验过程中根据需要重新校准眼位
- 向受试者说明眼动范式。
注：临床研究中通常使用两种眼动任务，即视觉引导扫视（visually guided saccade, VGS）和反向扫视（antisaccade, AS）任务。简要而言，在VGS任务中，当受试者按下按钮后，穹顶中心会点亮一个中央注视点，受试者首先需要注视该点。1.5 - 2秒后，目标随机出现在该点左侧或右侧水平方向5、10、20或30度的位置，同时中央注视点熄灭。受试者需立即向该目标进行扫视。在AS任务中，首先让受试者按下按钮，随后要求其注视出现的中央注视点。1.5 - 2秒后，目标如上所述跳至该点左侧或右侧，受试者需向中央注视点对侧的镜像对称位置进行扫视。 - 让受试者按下按钮并开始试验。
- 在实验过程中，根据任务表现调整EOG信号的增益，使显示器上实时显示的眼球位置始终与同时显示的目标位置对齐。对于EOG和VOG，在整个实验过程中必要时均需进行重新校准以完成调整。
- 为比较两种方法的性能，使用自编计算机程序分析来自直流放大器的滤波后数字化EOG信号和VOG信号，并将EOG与VOG信号在同一图迹中并列显示。
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结果
图2 显示了一名正常受试者EOG和VOG的代表性同步记录。EOG（灰色曲线）和VOG（红色曲线）均叠加了8次VGS试验结果（图2A）。采用本方法校准后，EOG和VOG数据在5-30度范围内呈线性，空间精度为0.5度。
两种方法获得的记录在很大程度上相互重叠。此外，两种记录方法的扫视参数（如潜伏期和幅度）几乎相当，尽管EOG测得的速度略小于VGS： 图2B，AS： 图2C).
对于眼电图（EOG），...
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讨论
尽管目前记录扫视眼动的主流方法已成为视频眼动仪（VOG），但本研究表明，如果实施得当，眼电图（EOG）的准确度几乎可与VOG相媲美（图2）。现有的EOG方法在记录水平扫视时已被证明与VOG具有良好的相关性，并且已被同一研究团队在以往多项研究中成功应用12,13,14,15,16,17,18,19。
诚然，视频眼动图（VOG）的空间精度高于眼电图（EOG），并且在临床环境中已基本取代了EOG，但不...
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披露
作者就本研究无任何利益冲突需要披露。
致谢
Terao 博士获得了日本文部科学省科学研究费补助金研究项目 [16K09709, 16H01497] 的资助。YU 获得了日本文部科学省科学研究费补助金研究项目 [No.25293206, No. 22390181, 15H05881, 16H05322] 的资助；同时获得了日本厚生劳动省帕金森病最佳重复经颅磁刺激（rTMS）治疗研究委员会以及日本厚生劳动省肌张力障碍研究委员会的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电极 | Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) | NS111-115 | 杯状电极 |
| 电极膏 | Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) | Gelaid Z-101BA | 用于填充杯状电极的凝胶电极膏 |
| 粘性胶带 | Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) | H261 | 固定电极用双面胶带 |
| 直流放大器 | Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) | AN-601G | 用于眼电图（EOG）信号的放大器 |
| 基于视频的眼动追踪系统 | SR research (Mississauga, Ontario, Canada) | Eyelink II | 用于记录视频眼动图（VOG）的眼动追踪系统 |
| 滤波器 | NF corporation | MS-521 | 用于EOG信号的滤波器 |
参考文献
- Braun, D., Weber, H., Mergner, T., Schulte-Mönting, J. Saccadic reaction times in patients with frontal and parietal lesions. Brain. 115, (Pt 5) 1359-1386 (1992).
- Sweeney, J. A., Levy, D., Harris, M. S. Commentary: eye movement research with clinical populations. Prog Brain Res. 140, 507-522 (2002).
- Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, (Pt 3) 460-477 (2004).
- Ramat, S., Leigh, R. J., Zee, D. S., Optican, L. M. What clinical disorders tell us about the neural control of saccadic eye movements). Brain. 130, (Pt 1) 10-35 (2007).
- Terao, Y., et al. Initiation and inhibitory control of saccades with the progression of Parkinson's disease - changes in three major drives converging on the superior colliculus. Neuropsychologia. 49 (7), 1794-1806 (2011).
- Kennard, D. W., Smyth, G. L. The causes of downward eyelid movement with changes of gaze, and a study of the physical factors concerned. J Physiol. 166, 178-190 (1963).
- Houben, M. M., Goumans, J., van der Steen, J. Recording three-dimensional eye movements: scleral search coils versus video oculography. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47 (1), 179-187 (2006).
- Eggert, T. Eye movement recordings: methods. Dev Ophthalmol. 40, 15-34 (2007).
- Frens, M. A., van der Geest, J. N. Scleral search coils influence saccade dynamics. J Neurophysiol. 88 (2), 692-698 (2002).
- Lappe-Osthege, M., Talamo, S., Helmchen, C., Sprenger, A. Overestimation of saccadic peak velocity recorded by electro-oculography compared to video-oculography and scleral search coil. Clin Neurophysiol. 121 (10), 1786-1787 (2010).
- Bhidayasiri, R., Riley, D. E., Somers, J. T., Lerner, A. J., Büttner-Ennever, J. A., Leigh, R. J. Pathophysiology of slow vertical saccades in progressive supranuclear palsy. Neurology. 57 (11), 2070-2077 (2001).
- Terao, Y., et al. Visualization of the information through human oculomotor cortical regions by transcranial magnetic stimulation. J Neurophysiol. 80 (2), 936-946 (1998).
- Terao, Y., Okano, T., Furubayashi, T., Yugeta, A., Inomata-Terada, S., Ugawa, Y. Effects of thirty-minute mobile phone use on saccades. Clin Neurophysiol. 118 (7), 1545-1556 (2007).
- Terao, Y., et al. Initiation and inhibitory control of saccades with the progression of Parkinson's disease - changes in three major drives converging on the superior colliculus. Neuropsychologia. 49 (7), 1794-1806 (2011).
- Terao, Y., et al. Frontal cortical regions controlling small and large amplitude saccades: a TMS study. Basal Ganglia. 1 (4), 221-229 (2011).
- Terao, Y., et al. Deterioration of horizontal saccades in progressive supranuclear palsy. Clin Neurophysiol. 124 (2), 354-363 (2013).
- Terao, Y., et al. Saccade abnormalities associated with focal cerebral lesions -How cortical and basal ganglia commands shape saccades in humans. Clin Neurophsyiol. 127 (8), 2953-2967 (2016).
- Terao, Y., et al. Is multiple system atrophy with cerebellar ataxia (MSA-C) like spinocerebellar ataxia and multiple system atrophy with parkinsonism (MSA-P) like Parkinson's disease? -A saccade study on pathophysiology. Clin Neurophysiol. 127 (2), 1491-1502 (2016).
- Terao, Y., et al. Distinguishing spinocerebellar ataxia with pure cerebellar manifestation from multiple system atrophy (MSA-C) through saccade profiles. Clin Neurophysiol. 128 (1), 31-43 (2016).
- Kato, M., Hikosaka, O. Saccade related responses of external pallidal neurons in monkey. Neurosci Res. , Suppl. 17 [Abstract] 218(1992).
- Hikosaka, O., Fukuda, H., Kato, M., Uetake, K., Nomura, Y., Segawa, M. Deficits in saccadic eye movements in hereditary progressive dystonia with marked diurnal fluctuation. Hereditary Progressive Dystonia With Marked Diurnal Fluctuation. Segawa, M. , The Parthenon Publishing Group. New York. 159-177 (1993).
- Fukuda, H., et al. Development of saccade recording system in humans: simultaneous measurment of electro-oculography and video-oculography. 38th Annual Meeting of Japanese Society of Clinical Neurophysiology. , [Japanese abstract] (2008).
- Constable, P. A., Bach, M., Frishman, L. J., Jeffrey, B. G., Robson, A. G. International Society for Clinical Electrophysiology of Vision. ISCEV Standard for clinical electro-oculography (2017 update). Doc Ophthalmol. 134 (1), 134(2017).
- Behrens, F., Weiss, L. R. An automated and modified technique for testing the retinal function (Arden test) by use of the electro-oculogram (EOG) for clinical and research use. Doc Ophthalmol. 96 (4), 283-292 (1999).
- Kikawada, N. Variations in the corneo-retinal standing potential of the vertebrate eye during light and dark adaptations. Jpn J Physiol. 18 (6), 687-702 (1968).
- Yuval-Greenberg, S., Tomer, O., Keren, A. S., Nelken, I., Deouell, L. Y. Transient induced gamma-band response in EEG as a manifestation of miniature saccades. Neuron. 58 (3), 429-441 (2008).
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