Name: 三维前庭眼反射测试使用六度自由度运动平台 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-23T16:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 12 s
Description: 了解使用六自由度运动平台测量三维前庭眼反射的方法，通过巩膜搜索线圈记录眼动数据，评估前庭功能增益与对齐度，为诊断前庭疾病提供客观指标。

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由荷兰NWO/ZonMW基金项目912-03-037和911-02-004资助。

1. 六自由度运动平台
前庭刺激通过一个运动平台（见图1）施加，该平台能够在总共六个自由度上产生角运动和线性平移刺激（FCS-MOOG，Nieuw-Vennep，荷兰）。平台由六个机电驱动器驱动，并通过专用控制软件连接至个人计算机。该平台可生成具有六个自由度的精确运动。安装在驱动器中的传感器持续监测平台的运动轨迹。该设备在直线运动上的精度为&lt;0.5 mm，在角运动上的精度为&lt;0.05°。刺激过程中的振动幅度为0.02°。设备的共振频率为&gt;75 Hz。平台的运动轨迹通过驱动器中的传感器信息，利用逆向动力学方法重建，并传送至数据采集计算机。为了同步平台运动与眼动数据，在平台背面安装了一束激光，投射到一个小的光电管上（直径1 mm，反应时间10 μsec）。光电管的输出电压以1 KHz的采样率与眼动数据同步采集，提供运动起始时间的实时指示，精度达1 msec。在使用Matlab（Mathworks，Natick，MA）进行离线分析时，基于平台驱动器中传感器信息重建的平台运动轨迹与平台运动起始时间精确对齐。
2. 受试者
A. 就座
受试者坐在安装于平台中心的椅子上（图2）。使用赛车中常见的四点式安全带固定受试者身体。安全带固定于运动平台的底座上。椅子周围设有PVC材质的立方框架，用于支撑场线圈。场线圈系统高度可调，以确保受试者的眼睛位于磁场的中心位置。
B. 头部固定
使用个体化定制的牙科印模咬合板固定头部，该咬合板通过一根刚性杆连接至立方框架。围绕颈部折叠的真空枕以及连接至座椅的环形固定装置进一步确保了受试者的固定（图1）。此外，为了监测刺激过程中意外的头部运动，我们将两个三维传感器（Analog Devices Inc, Norwood, MA）直接附着在咬合板上，分别用于检测角加速度和线性加速度。
3. 坐标系
眼动旋转定义在固定于头部的右手坐标系中（图3）。在此坐标系中，从受试者的视角看，绕Z轴向左旋转（偏航）、绕Y轴向下旋转（俯仰）以及绕X轴向右旋转（滚动）被定义为正方向。分别垂直于X、Y和Z旋转轴的平面依次为滚动面、俯仰面和偏航面（图3）。
4. 眼动记录
采用三维巩膜搜索线圈（Skalar，荷兰代尔夫特）4，结合基于Robinson振幅检测法的标准25 kHz双场线圈系统（型号EMP3020，Skalar Medical，荷兰代尔夫特）5，记录双眼的眼球运动。线圈信号经由截止频率为500 Hz的模拟低通滤波器处理后，以1 kHz的频率在线采样，并以16位精度存储至硬盘（Cambridge Electronic Design公司CED系统，运行Spike2 v6软件，剑桥）。
5. 搜索线圈校准
在实验之前，已验证了方向线圈和扭转线圈的灵敏度及非正交性。 体外 通过将线圈安装在位于磁场中心的费克万向架系统上。通过绕所有主轴旋转万向架系统，我们验证了实验中使用的所有线圈在各个方向上的对称性均在2%以内。
体内实验中，通过指示受试者依次注视一系列五个目标（中央目标以及左侧、右侧、上方和下方各10度的目标），每个目标注视5秒，分别对两个线圈的水平和垂直信号进行校准。校准目标被投射到距离186 cm的半透明屏幕上。实验后的校准数据分析得到了每个搜索线圈的灵敏度和偏移值。这些数值随后被用于使用Matlab3编写的分析程序中。
6 刺激
A. 正弦刺激
该平台围绕三个主要轴线以及介于滚转与俯仰之间的中间水平轴线，以22.5°为步进角度，施加了全身正弦旋转刺激（1 Hz，振幅 = 4°）：头尾向或垂直轴（偏航）、双耳轴（俯仰）和鼻枕轴（滚转）。
在光照和黑暗条件下均施加了正弦刺激。在光照条件下，受试者注视一个持续点亮的视觉目标（一个直径为2 mm的红色LED），该目标位于受试者眼前方177 cm处，与眼睛齐平（图1C 左图）。头部位置应使雷德线（连接外耳道与下眼眶缘的假想线）与地平面水平方向的夹角在6度以内。在黑暗中的正弦刺激期间，视觉目标在每次两个连续刺激之间的平台静止期短暂呈现（2秒）。为避免在刺激过程中出现自发性眼动，要求受试者在运动开始前目标刚关闭后，于正弦刺激期间持续注视该空间固定目标的假想位置。我们验证了此类指令主要减少了在黑暗中的眼动，对增益的影响较小（&lt;10%）。这种变异性同时出现在所有成分（水平、垂直和扭转）中。
B. 脉冲刺激
在光线较暗的环境中施加短暂持续时间的全身脉冲刺激。受试者唯一可见的刺激是一个位于其眼前水平高度177 cm处的视觉目标。每个脉冲重复六次，以随机顺序施加，且运动起始时间随机（间隔在2.5至3.5秒之间）。脉冲的波形特征为：在脉冲开始的前100毫秒内，加速度保持恒定的100° sec-2，随后加速度逐渐线性下降。该刺激导致速度线性增加，在100毫秒后达到10° sec-1的速度。通过角速度率和线性加速度装置测量的前庭刺激期间异常头部运动小于刺激幅度的4%。眼动反应的峰值速度比线圈信号的噪声水平高出100倍。
7. 数据分析
线圈信号被转换为Fick角，然后表示为旋转矢量6,7。根据正前方目标的注视数据，我们确定了眼内线圈相对于正交主磁场线圈的错位情况。通过三维反向旋转对信号进行校正，以消除该偏移错位的影响。此外，通过在每次运动开始前验证目标注视期间的位置输出，确认实验过程中未发生线圈滑动。
为了在速度域中表示三维眼动，我们将旋转矢量数据转换回角速度。在将旋转矢量转换为角速度之前，我们采用具有20点高斯窗（时长20毫秒）的前向-反向数字滤波器进行零相位平滑处理，以对数据进行平滑。
8. 正弦响应
增益。通过拟合一个频率等于平台频率的正弦波至水平、垂直和扭转角速度分量，计算每个分量及三维眼动速度的增益。每个分量的增益定义为眼球各分量峰值速度与平台峰值速度的比值，并对每只眼分别进行计算。
B 错位。 眼球三维速度轴与头部速度轴之间的错位采用 Aw 及其同事提出的方法进行计算8,9。通过两个向量的标量积，计算出眼球速度轴的反方向与头部速度轴之间在三维空间中的瞬时夹角，即为错位角。将各个方位角下的三维角速度增益和错位值，与根据 0°（滚动）和 90°（俯仰）方位分量通过向量叠加所预测的增益和错位进行比较10。根据该向量叠加原理可知，当滚动和俯仰方向的速度增益相等时，眼球旋转轴的方向与头部旋转轴方向一致；当两者不同时，在 45° 方位角下预期会出现刺激旋转轴与眼球旋转轴之间的最大偏差。
9. 冲击响应
分别分析了每个运动方向六次呈现的左右眼数据轨迹。由于左右眼的数值几乎完全相同，因此将左右眼的数据取平均值，以确定眼球速度对脉冲刺激的增益。所有轨迹均在计算机屏幕上进行逐个检查。当受试者在脉冲期间出现眨眼或扫视眼动时，该轨迹被手动剔除。在运动开始后的前100毫秒内，角速度分量（N = 5至6）按20毫秒的时间窗进行平均（实现有效的低通滤波），并作为平台速度的函数进行绘图11,12。

<ol><li>Houben, M. M. J., Goumans, J., Dejongste, A. H., Van der Steen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Angular+and+linear+vestibulo-ocular+responses+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+N.Y.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Angular and linear vestibulo-ocular responses in humans.</a> Ann. N.Y. Acad. Sci. 1039, 68-80 (2005).</li>
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<li>Halmagyi, G. M., Aw, S. T., Cremer, P. D., Curthoys, I. S., Todd, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impulsive+testing+of+individual+semicircular+canal+function%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+N.Y.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Impulsive testing of individual semicircular canal function.</a> Ann. N.Y. Acad. Sci. 942, 192-200 (2001).</li>
<li>Tabak, S., Collewijn, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+human+vestibulo-ocular+reflex+at+high+frequencies+with+a+helmet%2C+driven+by+reactive+torque%5BTitle%5D)+AND+%22Acta.+Otolaryngol.+Suppl%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the human vestibulo-ocular reflex at high frequencies with a helmet, driven by reactive torque.</a> Acta. Otolaryngol. Suppl. 520 Pt. 1, 4-8 (1995).</li>
<li>Crawford, J. D., Vilis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axes+of+eye+rotation+and+Listing%27s+law+during+rotations+of+the+head%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Axes of eye rotation and Listing's law during rotations of the head.</a> J. Neurophysiol. 65, 407-423 (1991).</li>
<li>Migliaccio, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+three-dimensional+vestibulo-ocular+reflex+evoked+by+high-acceleration+rotations+in+the+squirrel+monkey%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">The three-dimensional vestibulo-ocular reflex evoked by high-acceleration rotations in the squirrel monkey.</a> Exp. Brain Res. 159, 433-446 (2004).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

本文介绍了一种用于精确测量人类全身旋转时三维角前庭-眼反射（3D angular VOR）的方法。该方法的优势在于能够定量提供三维空间中角VOR的增益及错位信息。该方法适用于基础研究，同时也具有潜在的临床应用价值 例如 用于检测垂直半规管功能异常的患者或病因尚不明确的中枢性前庭功能障碍患者。该设备的另一优势在于能够检测平移性前庭眼反射（VOR）反应 1该系统的缺点包括：1）设备、空间和人员方面的成本较高（当前设备最初是为飞行员训练目的而开发）；2）测量过程中受试者感到不适。精确的眼动记录依赖于巩膜搜索线圈技术。由于该技术相比头戴式红外摄像系统具有更高的信噪比且无滑动伪影，因此至今仍是对人体前庭-眼反射（VOR）响应进行高精度测量的唯一方法。目前迫切需要改进无滑动的基于红外视频的眼动追踪系统。
数据表明，在健康的人类受试者中，三维前庭眼反射（3D VOR）反应的质量不仅体现在增益上存在差异，还体现在眼旋转轴与头旋转轴的对齐程度上。其他关于三维VOR动态特性的研究也发现，水平和垂直眼动的增益明显高于旋转方向的增益。这一普遍特性在侧眼动物（如兔子...

<table><tbody><tr><td>电动六自由度运动平台 MB-E-6DOF/24/1800KG *（曾用名 E-CUE 624-1800）</td><td>FCS-MOOG, 荷兰 尼乌-芬内普</td><td></td><td></td></tr><tr><td>带检测器的磁场系统，型号 EMP3020</td><td>Skalar Medical, 荷兰 代尔夫特</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CED 1401 功率放大器，运行 Spike2 v6 软件</td><td>Cambridge Electronic Design, 剑桥</td><td></td><td></td></tr><tr><td>电磁搜索线圈</td><td>Chronos Vision, 德国 柏林</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

使用六自由度运动平台进行三维前庭眼反射测试

Three Dimensional Vestibular Ocular Reflex Testing Using a Six Degrees of Freedom Motion Platform

前庭器官是一种能够以六个自由度（6DF）测量角加速度和线性加速度的传感器。前庭器官的完全或部分缺陷会导致从轻度到重度的平衡障碍，例如眩晕、头晕、视物晃动（oscillopsia）、步态不稳、恶心和/或呕吐。用于量化凝视稳定的常用且有效的指标是增益（gain），其定义为相对于施加的头部运动所产生的眼球代偿运动的幅度。为了更全面地检测前庭功能，必须认识到三维前庭眼反射（3D VOR）理想情况下不仅应产生与头部旋转幅度相等、方向相反的代偿性眼球旋转（增益），还应围绕与头部旋转轴共线的轴进行旋转（对齐）。因此，前庭功能异常会导致三维前庭眼反射反应的增益和对齐特性发生改变。
本文介绍了一种利用六自由度运动平台进行全身旋转来测量三维前庭眼反射（VOR）的方法。尽管该方法也可用于测试平移VOR反应1，但我们仅限于讨论用于测量三维角VOR的方法。此外，本文仅描述在健康受试者中，针对角加速度正弦振荡刺激和脉冲刺激所采集的数据。
受试者保持直立坐姿，接受全身小幅度正弦波和恒定加速度脉冲刺激。正弦波刺激（频率 f = 1 Hz，幅度 A = 4°）围绕垂直轴施加，并在水平面内围绕方位角以22.5°为增量、在滚转与俯仰之间变化的轴进行施加。脉冲刺激在偏航、滚转、俯仰方向以及垂直半规管平面内施加。采用巩膜搜索线圈技术测量眼动2。搜索线圈信号以1 kHz的频率进行采样。
三维前庭眼反射（VOR）的输入-输出比（增益）和错位（共线性）通过眼线圈信号计算得出3。
三维前庭-眼反射（3D VOR）的增益和共线性取决于刺激轴的方向。尤其是在水平轴刺激期间，观察到系统性偏差。在光照条件下，当刺激方向为0°和90°方位角时，眼球旋转轴与刺激轴正确对齐，但随着方位角逐渐接近45°，偏差逐渐增大。
中间轴刺激引起的错位系统性偏差可通过扭转（X轴或滚动轴旋转）的增益较低，而垂直眼动（Y轴或俯仰轴旋转）的增益较高来解释（见图 2）。由于中间轴刺激引发的补偿性反应基于各个眼动旋转分量的矢量叠加，当X轴与Y轴的增益不同时，总体反应轴将发生偏移。
在黑暗中，所有眼球旋转分量的增益值均较低。结果表明，在黑暗中以及对脉冲刺激的反应中，错位的峰值和谷值与光照条件下的情况不同：其最小值出现在对俯仰轴刺激时，而最大值出现在对滚动轴刺激时。
病例展示
共有九名受试者参与了本实验。所有受试者均签署了知情同意书。实验程序经鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心伦理委员会批准，并遵循涉及人类受试者的《赫尔辛基宣言》。
六名受试者作为对照组。三名受试者因前庭神经鞘瘤导致单侧前庭功能受损。对照组受试者（六名男性和三名女性）的年龄范围为22至55岁。对照组中无人因神经、心血管或眼科疾病而出现视觉或前庭相关主诉。
神经鞘瘤患者的年龄介于44至64岁之间（两名男性和一名女性）。所有神经鞘瘤患者均接受医学监测和/或由伊拉斯姆斯大学医学中心的耳鼻喉科医生与神经外科医生组成的多学科团队进行治疗。所有受试患者均为右侧前庭神经鞘瘤，在确诊后采取了“观察等待”策略（表1；受试者N1-N3）。其肿瘤在磁共振成像上已稳定超过8至10年。

正弦刺激光
图4（上图）显示了对照组在光照条件下，水平面内所有测试正弦刺激下水平、垂直和扭转角速度分量的平均增益。扭转分量在方位角0°时达到最大，而垂直分量在90°时达到最大。图5显示了光照条件下的三维眼球速度增益。增益值在0.99 ± 0.12（俯仰）和0.54 ± 0.16（滚动）之间变化。实测数据与根据扭转和垂直分量矢量和计算出的预测值（图5中的虚线）高度吻合。
六名受试者在刺激轴与反应轴之间的平均错位情况如图6所示。在轻度错位条件下，刺激轴与反应轴之间的错位在俯仰方向最小时为5.25°，并随着逐渐转向滚转方向而逐渐增大，当刺激轴方位角为22.5°时达到最大错位（17.33°），之后向滚转轴方向又逐渐减小。各个水平刺激角度对应的这些数值与根据滚转和俯仰贡献进行线性矢量叠加所预测的结果高度一致（图6中虚线所示）。
<p class="jove_step"...

本文描述了一种利用六自由度（6DF）运动模拟器在人体中测量三维前庭眼反射（3D VOR）的方法。三维角前庭眼反射的增益与错位程度可直接反映前庭功能的质量。文中提供了健康受试者的代表性数据。

前庭器官是一种能够以六个自由度（6DF）测量角加速度和线性加速度的传感器。前庭器官的完全或部分缺陷……

本操作的总体目标是评估前庭功能障碍患者的三维前庭功能。首先将受试者安置在运动平台上并系好安全带，随后将巩膜搜索线圈插入受试者的眼睛中。为了在三个维度上测量前庭眼反射，需使用真空枕头和咬合板来固定受试者。接着启动平台，以随机顺序施加正弦波和阶跃刺激，以在全部三个维度上测试前庭系统。最后一步是对眼线圈数据进行离线分析，以提取前庭眼反射的增益和对准情况。最终，通过前庭眼反射的增益和对准情况来区分正常的与异常的前庭功能。该技术使我们能够在所有三个维度上测试前庭系统。与耳鼻喉科诊所现有的单轴旋转椅等方法相比，这是一个主要优势。该方法可提供健康受试者三维前庭功能的信息。此外，该方法还可用于研究前庭疾病，如听神经瘤、前庭神经炎以及多种前庭功能障碍性疾病。演示该实验操作的人员为 Joyce DITs Kasper Boer，他们均为博士研究生，以及我研究团队的工作人员 Johan Pell。开始该操作时，让受试者坐在安装于运动平台中心位置的椅子上，并使用固定在平台基座上的四点式安全带将其固定。在实验过程中，采用基于 Robinson 幅度检测法的标准 25 千赫双线圈系统，结合三维巩膜搜索线圈记录双眼的眼动情况。首先，向受试者的每只眼睛滴入几滴奥布卡因，使其眼部麻醉。然后将嵌入硅胶中的巩膜搜索线圈分别插入每只眼睛。搜索线圈插入后，调整受试者头部位置，使连接双侧外眦与下眶缘连线（即里德线）的假想线与水平面夹角在六度以内。接下来，使用围绕受试者颈部充气的真空枕固定其头部。然后让受试者咬住一个个性化定制的牙模咬合板。该咬合板通过一根刚性杆连接至立方框架，并内置两个三维传感器，用于通过角加速度和线加速度测量头部的非预期运动。然后启动运动平台并将其升至工作位置。通过指示受试者依次注视一系列目标，每个目标注视5秒，分别对两个巩膜搜索线圈的水平和垂直信号进行校准。随后开始一系列预编程的运动。该运动平台通过使用六个计算机控制的机电驱动器，能够以总共六个自由度产生角运动和线性运动刺激。为了定义运动，采用标准的右手坐标系。坐标系的原点位于受试者两耳之间的中点处，并从受试者的视角进行定义。首先，将向左旋转定义为 Z 方向的正向运动。这称为偏航（Y）。接着，将向下运动定义为 Y 方向的正向运动。这称为俯仰（pitch）。最后，将绕X轴正向转动定义为向右的旋转，这被称为滚转（roll）。开始时，使用安装在平台背面的激光束来同步平台与眼动数据。当激光投射到位于后壁的一个小型光电管上时，即识别为初始位置，该状态在实验过程中持续监测，并在明视和暗视条件下均给予正弦刺激。在明视条件下，要求受试者始终注视前方177厘米处持续点亮的红色LED；在暗视条件下，受试者同样需保持注视该位置。每次运动开始前，光线先持续开启2秒，随后关闭。接下来，通过运动平台绕三个基本解剖轴（即耳-耳轴或垂直轴、口间轴和鼻-枕轴）施加全身旋转刺激。除了沿基本轴向的刺激外，还需在翻滚（roll）和俯仰（pitch）之间以22.5度为步长施加全身旋转刺激。然后在光线较暗的环境中，使用LED作为视觉目标进行脉冲式刺激。为此，需在三个主轴方向及45度中间水平轴方向上施加短时脉冲刺激。每个脉冲重复六次，并以随机顺序施加。此外，运动起始时间应随机变化，间隔为2.5至3.5秒。在刺激过程中，将每个新动作分离开来，在1000赫兹的频率下采集眼动数据。使用CED数据采集系统。此处显示了每个独立组分的眼位采样数据。然后将眼线圈信号的原始数据转换为各分量的角速度。角速度数据用于计算增益，增益定义为相对于施加刺激的补偿性眼动幅度。错位是指眼速度轴的反方向与头速度轴之间在三维空间中计算得到的瞬时角度，以度为单位表示。刺激函数导致错位的一个示例。此处虚线表示轴的方向，图中显示的是增益的平均结果。对于对照组水平轴的正弦刺激，扭转最大值出现在方位角为零度时，而垂直最大值则出现在方位角为负90度和正90度时。水平分量仅显示基线测量值。当垂直分量与扭转分量结合时，可得到此处以虚线表示的三个DI速度增益的预测值。实际值以数据点形式显示。如图所示，六名受试者的刺激轴与反应轴之间的错位情况取平均值。虚线代表与实际值高度吻合的预测值。错位在俯仰方向上最小，并随着向滚转方向逐渐增大，在方位角22.5度时产生最大错位，达17.33度。在比较光照条件下与黑暗条件下的眼动速度增益分量时，观察到显著差异。垂直分量和扭转分量在黑暗中均显著降低，导致整体三维眼动速度增益下降。在光照条件下，刺激与反应之间的偏差符合正弦刺激下的预期值；而在黑暗条件下，该偏差与预期值不符。这主要是由于非零水平分量的影响。脉冲刺激仅导致视觉信息的短暂中断，但在增益和错位方面，其反应与在黑暗中施加的正弦刺激具有定性上的相似性。通过比较患有单侧脑部异常（如单侧脑损伤）的患者与对照组患者，可证明该方法的敏感性。左侧显示的是一位患有14毫米脑肿瘤患者的增益和错位图表。将这些图表与对照组患者的图表进行比较时，可以观察到明显的差异。观看本视频后，您应能充分了解如何在六自由度运动平台上进行前庭功能测试操作。了解受试者如何安装在此平台上、搜索卷如何插入以及如何解读数据非常重要。

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