Dreidimensional Vestibuläre Ocular Reflex-Test mit Six Degrees of Freedom Bewegung Platform

Summary

Es wird ein Verfahren beschrieben, um dreidimensionale vestibulo okulären Reflexe (3D VOR) beim Menschen mit Hilfe eines sechs Freiheitsgraden (6DF) Bewegungssimulator messen. Die Verstärkung und Versatz des 3D-Winkelstellung VOR stellen ein direktes Maß für die Qualität der Vestibularfunktion. Repräsentative Daten auf gesunden Probanden vorgesehen

Abstract

Das Gleichgewichtsorgan ist ein Sensor, eckig und Linearbeschleunigungen misst mit sechs Freiheitsgraden (6DF). Eine vollständige oder teilweise Mängel der Vestibularorgan Ergebnisse in leichten bis schweren Gleichgewicht Probleme wie Schwindel, Oszillopsien, Gangunsicherheit Übelkeit und / oder Erbrechen. Eine gute und häufig genutzte Maßnahme zur Stabilisierung Blick quantifizieren ist die Verstärkung, die als die Größe des kompensatorischen Augenbewegungen gegenüber auferlegten Kopfbewegungen definiert ist. Um vestibulären Funktion zu testen genauer muss man erkennen, dass 3D VOR erzeugt idealerweise kompensatorische Okular Rotationen nicht nur mit einer Magnitude (Gewinn) gleich und entgegengesetzt der Drehung des Kopfes, sondern auch um eine Achse, die co-linear mit dem Kopf Drehachse (Ausrichtung ). Abnormal vestibulären Funktion führt also zu Veränderungen in der Verstärkung und Veränderungen in der Ausrichtung der 3D VOR Antwort.

Hier beschreiben wir eine Methode, um 3D VOR messen mit Ganzkörper-Drehung auf einem 6DF motiauf der Plattform. Obwohl die Methode ermöglicht es auch testen Übersetzung VOR Antworten ^1, beschränken wir uns auf eine Diskussion über die Methode, um 3D-eckig VOR messen. Außerdem beschränken wir uns hier auf die Beschreibung von Daten bei gesunden Probanden als Reaktion gesammelt, um sinusförmige Impuls und Stimulation eckig.

Themen sind aufrecht sitzen und erhalten Ganzkörper-kleiner Amplitude sinusförmig und konstante Beschleunigung Impulse. Sinusförmige Impulse (f = 1 Hz, A = 4 °) wurden um die vertikale Achse und um die Achsen in der horizontalen Ebene, die zwischen Rollen und Nicken in Schritten von 22,5 ° in Azimut geliefert. Impulse wurden in Gier-, Roll-und Nick-und in den vertikalen Kanal gelieferten Flugzeuge. Augenbewegungen wurden unter Verwendung der Lederhaut Suchspule Technik ^2. Suchspule Signale bei einer Frequenz von 1 kHz abgetastet.

Die Input-Output-Verhältnis (Gain) und Versatz (Co-Linearität) des 3D VOR wurden fro berechnetm das Auge Spule ³ signalisiert.

Verstärkungs-und Co-Linearität 3D VOR abhängig von der Orientierung des Stimulus Achse. Systematische Abweichungen wurden insbesondere während der horizontalen Achse Stimulation gefunden. Im Licht das Auge Drehachse wurde ordnungsgemäß mit dem Stimulus Achse Orientierungen 0 ° und 90 ° Azimut ausgerichtet, aber allmählich abgewichen mehr und mehr in Richtung 45 ° Azimut.

Die systematischen Abweichungen in Fehlausrichtung für mittlere Achsen kann durch eine niedrige Verstärkung für Torsion (X-Achse oder Rollachse Drehung) und einer hohen Verstärkung für vertikale Augenbewegungen (Y-Achse bzw. Nick Drehung (siehe Abb. 2) erklärt werden. Weil mittlere Achse Stimulation führt eine kompensatorische Reaktion auf Vektor-Summierung der einzelnen Augendrehpunkt Komponenten basiert, wird die Netto-Reaktion Achse abweichen, weil die Verstärkung für X-und Y-Achse unterschiedlich sind.

In der Dunkelheit der Gewinn aller Augendrehpunkt Komponenten hatten niedrigeer-Werte. Das Ergebnis war, dass der Versatz in Dunkelheit und für Impulse verschiedenen Höhen und Tiefen als in dem Licht hatte: seinen minimalen Wert wurde für die Pitch-Achse und seine maximale Stimulation für Roll-Achse Stimulation erreicht.

Fallbericht

Neun Probanden nahmen an dem Experiment. Alle Probanden gaben ihre Einwilligung. Das experimentelle Verfahren wurde von der Ethikkommission der Medizinischen Erasmus University Medical Center genehmigt und an die Deklaration von Helsinki zur Forschung am Menschen.

Sechs Probanden dienten als Kontrollen. Drei Probanden hatten eine einseitige Vestibularisschädigung aufgrund einer Vestibularisschwannom. Das Alter der Probanden (sechs Männer und drei Frauen) reichten 22 bis 55 Years. Keine der Kontrollen hatte visuellen oder vestibulären Beschwerden aufgrund neurologischer, Herz-Kreislauf-und Augenerkrankungen.

Das Alter der Patienten mit schwannoma variiert zwischen 44 und 64 Jahre (zwei Männchen und ein Weibchen). Alle Probanden waren Schwannom unter ärztlicher Beobachtung und / oder Behandlung erhalten hatten, durch ein multidisziplinäres Team, bestehend aus einem othorhinolaryngologist und einem Neurochirurgen des Erasmus University Medical Center. Geprüfte Patienten hatten alle eine rechte Seite Vestibularisschwannom und unterzog sich einer Politik warten und beobachten (Tabelle 1; Themen N1-N3), nachdem er mit Vestibularisschwannom diagnostiziert. Die Tumoren waren stabil über 8-10 Jahre auf Kernspintomographie.

Protocol

1. 6DF Bewegung Platform

Vestibuläre Stimuli wurden mit einer Motion-Plattform (siehe Abbildung 1) in der Lage ist eckig und translationale Reize an insgesamt sechs Freiheitsgrade (FCS-Moog, Nieuw-Vennep, Niederlande) geliefert. Die Plattform wird von sechs elektromechanischen Aktuatoren mit einem Personal-Computer mit dedizierter Steuersoftware bewegt. Es erzeugt präzise Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden. Sensoren in die Aktoren platziert kontinuierlich überwacht die Plattform Bewegungsprofil. Das Gerät verfügt über <0,5 mm Genauigkeit für lineare und <0,05 ° für eckige Bewegungen. Vibrationen während der Stimulation waren 0,02 °. Die Resonanzfrequenz der Vorrichtung betrug> 75 Hz. Platform Bewegungsprofil wurde aus dem Sensor-Informationen in der Aktoren mit inverse Dynamik rekonstruiert und an die Datenerhebung Computer. Um Plattform-und Augenbewegung Daten zu synchronisieren, wurde ein Laserstrahl auf die Rückseite des pla montiertTForm und projiziert auf eine kleine Lichtschranke (1 mm, Reaktionszeit 10 us). Die Ausgangsspannung der Photozelle mit einer Rate von 1 kHz liegt und die Augenbewegung Daten abgetastet und lieferte eine Echtzeit-Anzeige der Bewegung Beginn mit 1 ms Genauigkeit. Im Offline-Analyse mit Matlab (Matchworks, Natick, MA), die rekonstruierte Bewegungsprofil der Plattform, auf der Sensorinformation der Aktoren in der Plattform wurde exakt mit dem Beginn der Bewegung Plattform ausgerichtet ist.

2. Themen

A. Seating

Die Motive werden auf einem Stuhl in der Mitte der Plattform (Abbildung 2) montiert sitzt. Der Körper des Patienten wurde mit einem Vier-Punkt-Sicherheitsgurt zurückgehalten als in Rennwagen eingesetzt. Die Gurte sind an der Basis der beweglichen Plattform verankert ist. Der Stuhl wurde von einer kubischen PVC-Rahmen umgeben und diente als Träger für die Feldspulen. Die Feldspule System war in der Höhe verstellbar, so dass das Sachgebietect Augen waren in der Mitte des magnetischen Feldes.

B.-Fixierung

Der Kopf ist mit einem immobilisierten individuell geformter dentaler-Eindruck biteboard, die der kubischen Gerüstes über eine starre Stange befestigt war. Ein Vakuum-Kissen um den Hals gefaltet und einen Kreisring an dem Stuhl weitere Fixierung des Gegenstandes (1) gewährleistet. Darüber hinaus, um störende Bewegungen des Kopfes während der Stimulation zu überwachen, legten wir zwei 3D-Sensoren (Analog Devices Inc, Norwood, MA) direkt auf den Biss Bord, eine für Winkel-und eine für lineare Beschleunigungen.

3. Koordinatensystem

Eye Rotationen sind in einem Kopf-fixierten Rechtshänder Koordinatensystem (Abbildung 3). In diesem System wird vom Subjekt Sicht eine Linksdrehung um die Z-Achse (gieren), eine nach unten gerichtete Drehung um die Y-Achse (pitch) und rechts eine Drehung um die X-Achse (Rollen) als positi definiertve. Die Ebenen orthogonal zu der X-, Y-und Z Drehachsen jeweils die Roll-, Nick-und Gier-Ebene (Fig. 3).

4. Eye Movement Recordings

Augenbewegungen beider Augen wurden mit 3D skleralen Suchspulen (Skalar, Delft, Niederlande) ⁴ mit einem Standard 25 kHz zwei Feldspule System auf die Amplitude Nachweisverfahren Robinson (Modell EMP3020, Skalar Medical, Delft, Niederlande) aufgezeichnet ^5. Die Spule Signale wurden durch ein analoges Tiefpass-Filter mit Grenzfrequenz von 500 Hz abgetastet geführt und on-line und gespeichert auf der Festplatte bei einer Frequenz von 1 kHz mit 16 Bit-Genauigkeit (CED System mit Spike2 v6, Cambridge Electronic Design , Cambridge).

5. Suche Coil Kalibrierung

Vor den Experimenten wurde die Empfindlichkeit und Nichtorthogonalität Richtung und Torsion Spulen in-vitro durch die Montage der Spule auf einen Fick gi verifiziertMBAL Systems angeordnet in der Mitte des magnetischen Feldes. Durch Drehen des Kardansystem über alle Hauptachsen wir überprüft, dass alle Spulen in den Experimenten verwendeten symmetrischen für alle Richtungen innerhalb von 2% waren.

In vivo wurden die horizontalen und vertikalen Signale der beiden Spulen einzeln durch Anweisen der Gegenstand nacheinander zu fixieren eine Reihe von fünf Scheiben (zentrale Ziel und ein Ziel mit 10 Grad nach links, rechts, oben und unten) für jeweils fünf Sekunden kalibriert. Kalibrierung Ziele wurden auf einem durchscheinenden Schirm bei 186 cm Abstand projiziert. Beitrag Experiment Analyse der Kalibrierdaten führte Empfindlichkeit und Offset-Werte für die jeweils Suchspulen. Diese Werte wurden dann in der Analyse-Verfahren in Matlab ³ geschrieben werden.

6 Stimulation

A. Sinusoidal Stimulation

Die Plattform geliefert Ganzkörper-sinusförmige Rotationen (1 Hz, A = 4 °) über die drei cardinal Achsen: rostralen-kaudalen oder vertikale Achse (gieren), der interauralen Achse (Tonhöhe) und die Nasen-okzipitalen Achse (Rollen) und etwa mittleren horizontalen Achse in Schritten von 22,5 ° zwischen Rollen und Nicken inkrementiert.

Sinus Stimuli wurden in Licht und Finsternis. In dem Licht, Themen auf Dauerlicht visuellen Ziel (eine rote LED, 2 mm Durchmesser) befindet sich in 177 cm vor dem Objekt auf Augenhöhe (1C links) fixiert. Kopf wurde so positioniert, dass Reid Linie Basis (die imaginäre Linie, die den Gehörgang externa mit dem unteren Orbital cantus) war innerhalb von 6 Grad von der Erde-horizontal) war. Während sinusförmigen Anregung im Dunkeln wurde das visuelle Zielobjekt kurz vorgestellt (2 sec), wenn die Plattform war während jedes Intervalls zwischen zwei aufeinander folgenden Stimuli stationär. Um spontanen Augenbewegungen während der Stimulation zu vermeiden, wurden die Probanden angewiesen, den imaginären Lage des Raumes festes Ziel während Sinuskurve fixierenal Stimulation nach dem Ziel war, einfach nur vor Beginn Bewegung eingeschaltet. Wir konnten nachweisen, dass die Art des Unterrichts vor allem reduziert die Augenbewegungen in der Dunkelheit gemacht, und hatte nur eine geringe Wirkung auf den Gewinn (<10%). Diese Variabilität aufgetreten in allen Komponenten (horizontal, vertikal und Torsion) gleichzeitig.

B. Impulse Stimulation

Kurze Dauer ganzen Körper Impulse wurden in einer schwach beleuchteten Umgebung abgegeben. Der einzige sichtbare Impulse für das Thema war eine visuelle Ziel bei 177 cm vor dem Thema auf Augenhöhe befindet. Jeder Impuls wurde sechsmal wiederholt und lieferte in zufälliger Reihenfolge und mit zufälligen Zeitpunkt der Bewegung Einsetzen (Intervalle zwischen 2,5 und 3,5 sec variiert). Das Profil der Impulse wurde eine konstante Beschleunigung von 100 ° ^-2 sec während der ersten 100 ms des Impulses durch eine allmähliche lineare Abnahme der Beschleunigung folgt. Dieser Stimulus führte zu einer linearen Erhöhung der Geschwindigkeit Erreichen einer Geschwinkeit von 10 ° sec ^-1 nach 100 ms. Aberrant Kopfbewegungen während vestibulärer Stimulation durch die Winkelgeschwindigkeit und lineare Beschleunigung Geräten gemessen wurden, waren weniger als 4% der Reizamplitude. Spitzengeschwindigkeit der Augenbewegungen in Reaktion auf diese Impulse 100 Mal über dem Rauschpegel der Spule Signale.

7. Data Analysis

Coil-Signale wurden in Fick Winkeln umgewandelt und dann ausgedrückt als Drehvektoren ^6,7. Aus den Daten Fixierung des Targets geradeaus bestimmten wir die Fehlausrichtung der Spule des Auges relativ zu den orthogonalen primäre magnetische Feldspulen. Die Signale wurden für diese Achsversatzes durch dreidimensionale Gegenläufer korrigiert. Es wurde auch bestätigt, dass keine Spule Schlupf hatte während des Experiments durch die Überprüfung der Position Ausgang während der Fixierung des Ziels vor jeder Bewegung Ausbruch aufgetreten.

Um 3D Augenbewegungen in der Geschwindigkeit Domain auszudrücken,wir umgewandelt Drehvektor Daten wieder in Winkelgeschwindigkeit. Vor der Umsetzung des Drehvektor zur Winkelgeschwindigkeit, geglättet wir die Daten durch Null-Phase mit einer Vorwärts-und Rückwärts digitales Filter mit einer 20-Punkt-Gauß-Fenster (Länge 20 ms).

8. Sinus Antworten

Eine Verstärkung. Die Verstärkung der einzelnen Komponenten und 3D Auge Gain wurde, indem eine Sinuskurve mit einer Frequenz gleich der Frequenz der Plattform durch die horizontale, vertikale und Torsion Winkelgeschwindigkeitskomponenten berechnet. Die Verstärkung für jede Komponente als das Verhältnis zwischen Auge Komponente Spitzengeschwindigkeit und Plattform Spitzengeschwindigkeit definiert wurde separat für jedes Auge berechnet.

B Versatz. Der Versatz zwischen der 3D-Auge Geschwindigkeitsachse und Kopfgeschwindigkeit Achse wurde nach dem Ansatz von Aw und Kollegen ^8,9. Aus dem Skalarprodukt zweier Vektoren der Versatz wurde als ins berechnettantaneous Winkel in drei Dimensionen zwischen dem Kehrwert des Auges Geschwindigkeit Achse und der Kopfgeschwindigkeit Achse. Die 3D-Winkelgeschwindigkeit Verstärkung und Versatz für jede azimutale Ausrichtung wurden die Verstärkung und Versatz von Vektorsumme der 0 °-(Rollen) und 90 ° (pitch) Azimut Komponenten ¹⁰ vorhergesagt verglichen. Von diesem Vektorsumme folgt daraus, dass, wenn Geschwindigkeit Gewinne für Roll-und gleich sind, die Orientierung des Auges Drehachse mit dem Kopf Drehachse ausrichtet, wenn die beiden verschieden sind, wird die maximale Abweichung zwischen Reiz und Auge Drehachse bei 45 erwartet ° Azimut.

9. Impulse Responses

Linke und rechte Auge Datenspuren von sechs Präsentationen für jede Bewegungsrichtung wurden separat analysiert. Da linke und rechte Auge Werte nahezu identisch waren, wurden die Daten linke und rechte Auge gemittelt, um die Verstärkung des Auges Geschwindigkeit in Reaktion auf Impulse Stimulation zu bestimmen. Alle Spuren wareneinzeln auf dem Bildschirm überprüfen. Wenn das Motiv einen blink oder saccade während der Impuls, Spur manuell wurde verworfen. Winkelgeschwindigkeitskomponenten (N = 5 bis 6) während der ersten 100 ms nach Beginn der Bewegung wurden in Zeitintervallen von 20 ms (eine wirksame Tiefpassfilterung) gemittelt und als Funktion der Plattform Geschwindigkeit ^11,12.

Results

Sinus Stimulationslicht

Abbildung 4 (oben) zeigt bei der Kontrollgruppe die durchschnittliche Zunahme der horizontalen, vertikalen und Torsion Winkelgeschwindigkeitskomponenten für alle getesteten sinusförmige Stimulationen in der horizontalen Ebene in dem Licht. Torsion war bei 0 ° Azimut maximal, während vertikale hatte ihr Maximum bei 90 °. Abbildung 5 zeigt die 3D Auge Gain im Licht. Zwischen 0,99 ± 0,12 (Pitch) und 0,54 ± 0,16 (Rolle) variiert zu gewinnen....

Discussion

Dieses Papier beschreibt eine Methode, um genau zu messen 3D eckig VOR in Reaktion auf Ganzkörper Rotationen in den Menschen. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es quantitative Informationen zu gewinnen und Verlagerung der 3D-Winkelstellung VOR in allen drei Dimensionen ermöglicht. Das Verfahren ist für die Grundlagenforschung und hat auch potenzielle klinische Wert zB zum Testen Patienten mit vertikalen Kanal Probleme oder Patienten mit schlecht verstandenen zentralen vestibulären Probleme. Ein weiterer Vort...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Elektrische Bewegungsbasis MB-E-6DOF/24/1800KG * (ehemals E-CUE 624-1800)	FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Niederlande
Magnetfeld mit Detektor, Modell EMP3020	Skalar Medical, Delft, Niederlande
CED Strom 1401, laufend Spike2 v6	Cambridge Electronic Design, Cambridge
Elektromagnetische Suchspulen	Chronos Vision, Berlin, Deutschland