三维前庭眼反射测试使用六度自由度运动平台
2013年5月23日
的方法，所述测量三维前庭眼反射（三维VOR）在人类使用六个自由度（6DF）运动模拟器。的增益和不对中的三维角VOR提供前庭功能的质量的直接量度。健康受试者提供有代表性的数据
该程序的总体目标是确定前庭疾病患者的三维前庭功能。这是通过首先将受试者坐在运动平台上并系好安全带来实现的。将巩膜搜索线圈插入受试者的眼睛。
为了在三个维度上测量前庭眼反射，请使用真空枕头和咬合板来约束受试者。接下来，平台被激活。它以随机顺序提供正弦和阶梯刺激，以测试所有三个维度的前庭系统。
最后一步是对眼圈数据进行离线分析，以提取前庭眼反射的大小和对齐。最终，前庭眼反射的获得和对齐用于区分正常和异常的前庭功能。这项技术使我们能够在所有三个维度上测试前庭系统。
与耳鼻喉科诊所使用的单通道旋转椅等现有方法相比，这是一个主要优势。这种方法提供了对健康受试者 3D 前庭功能的见解。此外，该方法还用于研究前庭疾病，如索诺瘤、前庭神经炎和许多错误疾病。
演示该程序的是 Joyce DIT 的 Kasper Boer，她都是博士生，也是我研究小组的工作人员 Johan Pell。要开始此过程，请将受试者坐在安装在运动平台中央的椅子上，并用固定在平台底部的四点式安全带约束他们。在实验过程中，使用基于 Robinson 振幅检测方法的标准 25 kHz 双场线圈系统的 3D 巩膜搜索线圈记录双眼的眼球运动。
为此，首先在每只眼睛中滴几滴氧丁烷麻醉受试者的眼睛。然后将嵌入硅胶的巩膜搜索线圈插入每只眼睛。插入搜索线圈后，放置受试者的头部，使连接 miis externa 与下眶冠或簧片线的假想线与地球成 6 度以内。水平。
接下来，通过使用在受试者脖子上充气的真空枕头固定受试者的头部。然后让受试者在单独成型的牙科印模咬合板上咬住。咬合板通过刚性杆连接到立方体框架上，并包含两个 3D 传感器，用于通过角加速度和线性加速度测量虚假头部运动。
然后启动运动平台并将其提升到作位置。通过指示受试者分别注视一系列目标 5 秒，分别校准两个巩膜搜索线圈的水平和垂直信号。然后开始一系列预编程的动作。
该运动平台能够通过使用此处所示的六个计算机控制的机电致动器来产生总共六个自由度的角度和平移刺激。为了定义运动，请使用标准的右手坐标系。坐标系以被摄体耳朵中间的点为中心，并从被摄体的角度定义。
首先，将向左旋转定义为 Z 方向的正向运动。这称为 Y.Next，将向下运动定义为正向运动和 Y 方向。这称为音高。
最后，将右字 rotation 定义为 X 方向的正运动。这称为滚动。首先，使用安装在平台背面的激光束同步平台和眼球运动数据。
当激光投射到位于后壁的小型光电管上时，可以识别原位，该光电管在手术过程中受到监控，在明亮和黑暗环境中提供正弦刺激。在光线下，让拍摄对象在黑暗中始终将眼睛注视位于他们前方 177 厘米处持续亮起的红色 LED。灯亮两秒钟，然后在每个动作开始之前熄灭。
接下来，通过运动平台、roc coddle 或垂直轴、口间轴和枕鼻轴围绕三个主要 AE 进行全身旋转。除了刺激主轴外，在滚动和俯仰之间以 22.5 度的步长提供全身旋转。然后在光线昏暗的环境中使用 LED 作为视觉目标进行脉冲刺激。
为此，请在三个主轴和中间水平轴中的每一个轴上以 45 度传递短持续时间的脉冲。每个脉冲重复六次，并以随机顺序传递它们。此外，在 2.5 到 3.5 秒之间随机改变运动开始。
在刺激期间分离每个新运动 以 1000 赫兹的频率获取眼球运动数据。使用 CED 数据采集系统。此处显示了每个单独组件的眼图位置数据示例。
然后将眼线圈信号的原始数据转换为每个分量的角速度。角速度数据用于计算增益，增益定义为相对于施加的刺激的补偿性眼球运动的大小。错位是以度表示的瞬时角度，它是在眼球速度轴和头部速度轴的倒数之间的三个维度上计算的。
作为刺激函数的错位示例。轴方向在此处显示为虚线，此处显示的是增益的平均结果图表。对于对照组的水平轴正弦模拟，扭转最大值出现在零度方位角处，而垂直最大值出现在负 90 度和正 90 度方位角处。
水平分量仅显示基线测量值。当垂直分量和扭转分量组合在一起时，您可以得到此处显示为虚线的三个 DI 速度增益的预测值。实际值显示为数据点。
刺激轴和响应轴之间的错位在 6 个受试者上平均，如下所示。虚线表示与实际值密切相关的预测值。在俯仰过程中，错位最小，并逐渐向角色增加，在 22.5 度方位角处产生 17.33 度的最大错位。
在比较明亮和黑暗中的眼速增益分量时，注意到了显著差异。垂直和扭转分量在黑暗中都明显较低，导致 3D 眼动速度增益总体较低。虽然在光下进行正弦模拟时，刺激和响应之间的错位遵循预测值，但在黑暗中它们与预测值不匹配。
这主要是由于非零水平分量的影响。脉冲刺激只会导致视觉信息的短暂中断，但在增益和错位方面与黑暗中的正弦刺激具有质相似的反应。将脑部异常（如单侧索瘤）患者与对照患者进行比较时，证明了该方法的敏感性。
左侧显示的是 14 毫米脑肿瘤患者的增益和错位图。将这些图表与对照患者的图表进行比较时，可以看到明显的差异。看完这个视频后，你应该对如何在第六度运动平台上进行前庭测试程序有一个很好的了解。
了解如何在此平台上挂载主题、如何插入搜索卷曲以及如何解释数据非常重要。
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概述
本文描述了一种使用六自由度（6DF）运动模拟器来测量人类三维前庭-眼反射（3D VOR）的方法。该程序旨在通过3D角度VOR的增益和不对齐来评估前庭功能质量。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 前庭功能
- 人体生理学
背景
- 理解前庭功能对于诊断前庭障碍至关重要。
- 前庭-眼反射对于在头部运动过程中稳定视觉至关重要。
- 在三维中测量VOR可以提供关于前庭健康的全面见解。
- 传统方法可能无法捕捉到前庭反应的全部复杂性。
研究目的
- 确定患有前庭障碍的患者的三维前庭功能。
- 提供前庭功能质量的直接测量。
- 增强对各种条件下前庭系统反应的理解。
所用方法
- 受试者坐在运动平台上，并用安全带固定。
- 在受试者眼睛上插入角膜探测线圈进行测量。
- 使用真空枕头和咬板来约束受试者。
- 平台以随机顺序提供正弦和阶跃刺激来测试前庭系统。
主要结果
- 健康受试者的代表性数据证明了该方法的有效性。
- 增益和不对齐指标提供了关于前庭功能质量的见解。
- 该方法允许对3D VOR进行全面评估。
- 结果可以帮助诊断前庭障碍。
结论
- 6DF运动模拟器是评估前庭功能的有价值工具。
- 测量3D VOR可以增强前庭障碍的诊断能力。
- 进一步的研究可能会扩大这种方法在临床环境中的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Assessing three-dimensional vestibular function provides critical insights into sensorimotor integration, supporting target validation in neurological and vestibular disorder research. The method enables mechanistic de-risking by quantifying gain and alignment of compensatory eye movements, offering predictive confidence in preclinical models of vestibular dysfunction. This approach supports translational biomarker development by linking functional readouts to underlying neural pathways, informing go/no-go decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of vestibular hypotheses by measuring 3D VOR gain and alignment across stimulus orientations.
- Operational Value: Provides quantitative, reproducible outputs for assessing vestibular system integrity in disease models.
- Predictive Value: Supports biological de-risking through detection of abnormal vestibular function via deviations in gain and misalignment.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized sinusoidal and impulse stimulation protocols for consistent vestibular response measurement.
- Quantitative Output: Delivers gain and co-linearity metrics as measurable endpoints for screening vestibular modulators.
- Platform Reuse: The 6DF motion platform supports scalable testing across multiple axes and conditions, enabling assay standardization.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Demonstrated applicability in modeling unilateral vestibular impairment, such as vestibular schwannoma, supporting translational continuity.
- Risk-Adjusted Advancement: Gain and alignment metrics inform preclinical go/no-go decisions by quantifying functional deficits.
- Mechanistic Insight: Reveals how differential gains across eye rotation components (torsion vs. vertical) drive axis misalignment, clarifying sensorimotor integration mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation to preclinical evaluation, providing functional vestibular readouts that bridge in vitro findings and in vivo disease modeling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of vestibular pathways by quantifying 3D VOR responses to controlled angular stimuli.
- Screening: Enables assay development through repeatable delivery of sinusoidal and impulse stimuli across six degrees of freedom.
- Analytics: Generates gain (input-output ratio) and misalignment (co-linearity) as quantifiable, multidimensional readouts for comparative analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical validity by detecting functional differences between healthy subjects and vestibular impairment models.
- Enterprise Reuse: The 6DF platform serves as a reusable capability for cross-functional teams studying sensorimotor integration and balance disorders.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides mechanistic de-risking through precise measurement of 3D VOR gain and alignment, reducing ambiguity in vestibular function assessment.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via calibrated motion platform delivery and scleral search coil eye tracking.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by offering quantitative biomarkers of vestibular health, reducing late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds targeting vestibular or cerebellar pathways based on functional rescue of gain and alignment.
Implementation Considerations
- Requires expertise in vestibular physiology, eye movement recording, and motion control systems.
- Dependent on six degrees of freedom motion platform and scleral search coil instrumentation with 1 kHz sampling.
- Necessitates cross-team standardization for stimulus protocols, data acquisition, and offline gain/alignment analysis.
- Adaptation considerations include species-specific anatomy and coil sizing for translational model systems.
- Practical limitations include subject discomfort from prolonged immobilization and sensitivity to visual fixation conditions, as gain and alignment vary between light and dark environments.
