Tridimensional vestibular Ocular Pruebas Reflex Con un Seis Grados de Plataforma Movimiento Libertad

Summary

Se describe un método para medir los reflejos oculares vestibulo tridimensionales (3D VOR) en humanos utilizando un período de seis grados de libertad (6DF) simulador de movimiento. La ganancia y la desalineación de la VOR angular 3D proporcionan una medida directa de la calidad de la función vestibular. Se proporcionan datos representativos sobre los sujetos sanos

Abstract

El órgano vestibular es un sensor que mide aceleraciones angulares y lineales con seis grados de libertad (6DF). Los defectos completos o parciales en el órgano vestibular dan lugar a problemas de equilibrio de leves a graves, como vértigo, mareos, oscilopsia, inestabilidad de la marcha, náuseas y/o vómitos. Una medida buena y frecuentemente utilizada para cuantificar la estabilización de la mirada es la ganancia, que se define como la magnitud de los movimientos oculares compensatorios con respecto a los movimientos de la cabeza impuestos. Para probar la función vestibular de manera más completa, hay que darse cuenta de que el VOR 3D genera idealmente rotaciones oculares compensatorias no solo con una magnitud (ganancia) igual y opuesta a la rotación de la cabeza, sino también alrededor de un eje que es colineal con el eje de rotación de la cabeza (alineación). Por lo tanto, la función vestibular anormal da lugar a cambios en la ganancia y cambios en la alineación de la respuesta VOR 3D.

Aquí describimos un método para medir el VOR 3D utilizando la rotación de todo el cuerpo en una plataforma de movimiento 6DF. Aunque el método también permite probar las respuestas VOR de traducción ¹, nos limitamos a una discusión del método para medir el VOR angular 3D. Además, nos limitamos aquí a la descripción de los datos recogidos en sujetos sanos en respuesta a la estimulación sinusoidal angular y de impulsos.

Los sujetos están sentados erguidos y reciben impulsos de aceleración sinusoidal y constante de pequeña amplitud de todo el cuerpo. Los estímulos sinusoidales (f = 1 Hz, A = 4°) se emitieron alrededor del eje vertical y alrededor de los ejes en el plano horizontal, variando entre balanceo y cabeceo en incrementos de 22,5° en acimut. Los impulsos se emitieron en guiñada, balanceo y cabeceo y en los planos verticales del canal. Los movimientos oculares se midieron mediante la técnica de bobina de búsqueda escleral ². Las señales de la bobina de búsqueda se muestrearon a una frecuencia de 1 kHz.

La relación entrada-salida (ganancia) y la desalineación (colinealidad) del VOR 3D se calcularon a partir de las señales de la bobina ocular ³.

La ganancia y la colinealidad del VOR 3D dependían de la orientación del eje del estímulo. Se encontraron desviaciones sistemáticas en particular durante la estimulación del eje horizontal. A la luz, el eje de rotación del ojo estaba correctamente alineado con el eje de estímulo en las orientaciones de acimut de 0° y 90°, pero se desvió gradualmente cada vez más hacia el acimut de 45°.

Las desviaciones sistemáticas en la desalineación para los ejes intermedios pueden explicarse por una baja ganancia para la torsión (rotación del eje X o del eje de balanceo) y una alta ganancia para los movimientos verticales del ojo (rotación del eje Y o del eje de cabeceo (ver Figura 2). Debido a que la estimulación del eje intermedio conduce a una respuesta compensatoria basada en la suma vectorial de los componentes individuales de la rotación del ojo, el eje de respuesta neta se desviará porque la ganancia para los ejes X e Y es diferente.

En la oscuridad, la ganancia de todos los componentes de rotación del ojo tenía valores más bajos. El resultado fue que la desalineación en la oscuridad y para los impulsos tuvo diferentes picos y valles que en la luz: su valor mínimo se alcanzó para la estimulación del eje de cabeceo y su máximo para la estimulación del eje de balanceo.

Presentación de caso

Nueve sujetos participaron en el experimento. Todos los sujetos dieron su consentimiento informado. El procedimiento experimental fue aprobado por el Comité de Ética Médica del Centro Médico de la Universidad Erasmus y se adhirió a la Declaración de Helsinki para la investigación con seres humanos.

Seis sujetos sirvieron como controles. Tres sujetos presentaban una afectación vestibular unilateral debido a un schwannoma vestibular. La edad de los sujetos de control (seis hombres y tres mujeres) osciló entre los 22 y los 55 años. Ninguno de los controles presentó molestias visuales o vestibulares debidas a trastornos neurológicos, cardiovasculares y oftálmicos.

La edad de los pacientes con schwannoma varió entre 44 y 64 años (dos hombres y una mujer). Todos los sujetos con schwannoma estaban bajo vigilancia médica y/o habían recibido tratamiento por parte de un equipo multidisciplinar formado por un otorrinolaringólogo y un neurocirujano del Centro Médico de la Universidad Erasmus. Todos los pacientes examinados tenían un schwannoma vestibular del lado derecho y se sometieron a una política de espera y observación (Tabla 1; sujetos N1-N3) después de recibir el diagnóstico de schwannoma vestibular. Sus tumores habían permanecido estables durante más de 8-10 años en imágenes de resonancia magnética.

Protocol

1. Plataforma Motion 6DF

Estímulos vestibulares fueron entregados con una plataforma de movimiento (ver Figura 1) capaz de generar estímulos angular y de traslación en un total de seis grados de libertad (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Países Bajos). La plataforma es movida por seis actuadores electro-mecánicos conectados a un ordenador personal con software de control dedicado. Se genera movimientos precisos con seis grados de libertad. Sensores colocados en los actuadores de control permanente del perfil de movimiento de la plataforma. El dispositivo cuenta con <0.5 mm de precisión lineal y <0,05 ° para los movimientos angulares. Vibraciones durante la estimulación fueron 0.02 °. Frecuencia de resonancia del dispositivo fue> 75 Hz. Perfil de movimiento de la plataforma se reconstruye a partir de la información del sensor en los actuadores por medio de la dinámica inversa y se envía a la computadora de la colección de datos. Para sincronizar la plataforma y los datos de movimiento de los ojos, un rayo láser se monta en la parte trasera de la plaTForm y proyectado en una pequeña célula fotoeléctrica (1 mm, tiempo de reacción de 10 microsegundos). La tensión de salida de la fotocélula se tomaron muestras a una velocidad de 1 KHz junto con los datos del movimiento del ojo y proporciona un indicador de tiempo real de inicio de movimiento con 1 mseg exactitud. Durante el análisis fuera de línea usando Matlab (Mathworks, Natick, MA), el perfil de movimiento reconstruido de la plataforma sobre la base de la información del sensor de los actuadores en la plataforma fue alineado precisamente con el inicio de movimiento de la plataforma.

2. Sujetos

A. Seating

Los sujetos están sentados en una silla montada en el centro de la plataforma (Figura 2). El cuerpo del sujeto fue restringido con un cinturón de seguridad de cuatro puntos tal como se utiliza en los coches de carreras. Los cinturones de seguridad se anclaron a la base de la plataforma de movimiento. La silla estaba rodeada por un marco cúbico PVC y sirvió como soporte de las bobinas de campo. El sistema de bobina de campo era ajustable en altura, de tal manera que la SubjLos ojos de ect estaban en el centro del campo magnético.

B. fijación Head

La cabeza se inmoviliza utilizando una tabla de mordida-impresión moldeada individualmente, que fue unido al bastidor cúbico a través de una barra rígida. Un vacío almohada doblada alrededor del cuello y un anillo adjunto a la presidencia aseguró además la fijación del sujeto (Figura 1). Además, para vigilar los movimientos de la cabeza falsas durante la estimulación, atamos dos sensores 3D (Analog Devices Inc, Norwood, MA) directamente a la Junta mordida, una para angular y otra para aceleraciones lineales.

3. Sistema de coordenadas

Rotaciones del ojo se definen en un sistema de coordenadas de mano derecha de cabeza fija (Figura 3). En este sistema desde el punto de vista de una rotación hacia la izquierda sobre el eje Z (guiñada), una rotación hacia abajo sobre el eje Y (tono) y la rotación hacia la derecha sobre el eje X (rollo) del sujeto se definen como positiVE. Los planos ortogonales a los ejes X, Y y Z ejes de rotación son, respectivamente, los planos de cabeceo, alabeo y guiñada (Figura 3).

4. Eye Movement Grabaciones

Los movimientos oculares de ambos ojos fueron grabadas con bobinas de búsqueda esclerales 3D (Skalar, Delft, Países Bajos) ⁴ kHz utilizando un sistema de bobinas estándar de 25 dos de campo basado en el método de detección de amplitud de Robinson (Modelo EMP3020, Skalar Médico, Delft, Países Bajos) ^5. Se han adoptado las señales de las bobinas a través de un filtro de paso bajo analógico con frecuencia de corte de 500 Hz y un muestreo de línea y almacenados en el disco duro a una frecuencia de 1 kHz con 16 bits de precisión (sistema CED Spike2 corriendo v6, Cambridge Electronic Design , Cambridge).

5. Bobina de calibración

Antes de los experimentos, la sensibilidad y la no ortogonalidad de dirección y de torsión bobinas se verificó in vitro por el montaje de la bobina en un Fick gisistema de MBAL coloca en el centro del campo magnético. Mediante la rotación del sistema de cardán sobre todos los ejes cardinales se verificó que todas las bobinas utilizadas en los experimentos eran simétricas para todas las direcciones dentro de 2%.

In vivo, las señales horizontales y verticales de las dos bobinas se calibraron individualmente por instruir al objeto de fijar sucesivamente una serie de cinco objetivos (objetivo central y un blanco a 10 grados a la izquierda, derecha, arriba y abajo) durante cinco segundos cada uno. Se proyectaron los objetivos de calibración en una pantalla translúcida a 186 cm de distancia. El análisis post experimento de los datos de calibración se tradujo en la sensibilidad y los valores de las bobinas de búsqueda cada desplazamiento. Estos valores se utilizaron a continuación en los procedimientos de análisis de escritos en Matlab ^3.

6 Estimulación

A. estimulación sinusoidal

La plataforma de entrega rotaciones sinusoidales de todo el cuerpo (1 Hz, A = 4 °) sobre los tres cardinales ejes: el eje rostral caudal o vertical (guiñada), del eje interaural (tono) y el eje nasal-occipital (rodillo), y sobre ejes horizontales intermedios incrementados en pasos de 22,5 ° entre balanceo y cabeceo.

Estímulos sinusoidales fueron entregados a la luz y la oscuridad. A la luz, temas fijos en un objetivo visual continuamente encendido (el LED rojo, 2 mm de diámetro), ubicado 177 cm delante del sujeto a nivel del ojo (Figura 1C panel izquierdo). Head se coloca de manera que la línea de Reid fue base (la línea imaginaria que une el meato externa con el cantus orbital inferior) estaba dentro de los 6 grados de la tierra-horizontal). Durante la estimulación sinusoidal en la oscuridad, el objetivo visual se presenta brevemente (2 segundos) cuando la plataforma estaba estacionario durante cada intervalo entre dos estímulos consecutivos. Para evitar los movimientos oculares espontáneos durante la estimulación, los sujetos fueron instruidos para fijar la ubicación imaginaria del objetivo fijo espacio durante sinusoideal estímulo después de que el objetivo había sido apagado justo antes de la aparición de movimiento. Hemos verificado que el tipo de instrucción reduce principalmente los movimientos oculares realizadas en la oscuridad, y tuvo sólo un pequeño efecto sobre la ganancia (<10%). Esta variabilidad se produjo en todos los componentes (horizontal, vertical y de torsión) de forma simultánea.

B. estimulación Impulse

Corta duración impulsos de todo el cuerpo se entregan en un entorno con poca luz. El único estímulo visible a disposición del sujeto era un objetivo visual situada en 177 cm delante del sujeto a nivel de los ojos. Cada impulso se repitió seis veces y se entrega en orden aleatorio y con la sincronización aleatoria de inicio de movimiento (intervalos variaron entre 2,5 y 3,5 segundos). El perfil de los impulsos fue una aceleración constante de 100 ° seg ^-2 durante la primera 100 mseg del impulso, seguido de una disminución gradual lineal en la aceleración. Este estímulo resultó en un aumento lineal en la velocidad alcanzando un VELOCdad de 10 ° s ^-1 después de 100 ms. Movimientos de la cabeza aberrantes durante la estimulación vestibular medidos por los dispositivos de aceleración lineal de velocidad angular y fueron menos de 4% de la amplitud del estímulo. La velocidad pico de los movimientos de los ojos en respuesta a estos impulsos era 100 veces por encima del nivel de ruido de las señales de las bobinas.

7. Análisis de Datos

Señales de las bobinas se convierten en ángulos de Fick y luego expresan como vectores de giro ^6,7. A partir de los datos de fijación del objetivo hacia delante se determinó la falta de alineación de la bobina en el ojo en relación con las bobinas de campo magnético primario ortogonales. Las señales fueron corregidos para este desalineamiento del eje de rotación en sentido contrario en tres dimensiones. También se verificó que ningún deslizamiento bobina se había producido durante el experimento mediante la verificación de la salida de la posición durante la fijación del objetivo antes de cada inicio de movimiento.

Para expresar los movimientos del ojo en 3D en el dominio de la velocidad,convertimos los datos del vector de rotación de vuelta a la velocidad angular. Antes de la conversión del vector de la rotación a la velocidad angular, que regularizaba los datos de fase cero con un filtro digital de avance y retroceso con una ventana gaussiana de 20 puntos (longitud de 20 ms).

8. Respuestas sinusoidales

Una ganancia. La ganancia de cada componente y 3D ganancia de velocidad de ojo se calculó mediante la instalación de una sinusoide con una frecuencia igual a la frecuencia de la plataforma a través de los componentes de la velocidad angular horizontales, verticales y de torsión. La ganancia para cada componente se define como la relación entre el ojo componente de la velocidad pico y la velocidad de pico plataforma se calculó por separado para cada ojo.

La desalineación B. La desalineación entre el eje de velocidad ojo 3D y el eje velocidad de la cabeza se calculó mediante el enfoque de Aw et al ^8,9. A partir del producto escalar de dos vectores de la desalineación se calculó como la instantaneous ángulo en tres dimensiones entre la inversa de la velocidad del eje del ojo y el eje de velocidad de la cabeza. El aumento de la velocidad angular y la desalineación 3D para cada orientación azimutal se compararon con la ganancia y la desalineación predicho a partir del vector suma de los 0 ° (rollo) y 90 ° (tono) acimut componentes ^10. A partir de este vector suma se deduce que cuando las ganancias de velocidad de balanceo y cabeceo son iguales, la orientación del eje de rotación del ojo se alinea con el eje de rotación de la cabeza, cuando los dos son diferentes, se espera que la desviación máxima entre el estímulo y el eje de rotación del ojo en 45 ° acimut.

9. Impulse Responses

Izquierda y derecha huellas datos oculares de seis presentaciones para cada dirección de movimiento se analizaron por separado. Debido a que los valores de los ojos izquierdo y derecho son casi idénticos, los datos del ojo izquierdo y derecho se promedian para determinar la ganancia de la velocidad del ojo en respuesta a la estimulación impulso. Todos los rastros fueroninspeccionados individualmente en la pantalla de un ordenador. Cuando el sujeto realizó un abrir y cerrar o sacada durante el impulso que trace se descartó de forma manual. Componentes de la velocidad angular (N = 5 a 6) durante los primeros 100 ms después de la aparición del movimiento se promediaron en los contenedores de tiempo de 20 ms (proporcionar un filtrado de paso bajo efectivo) y se representan en función de la velocidad de la plataforma ^11,12.

Results

Luz estimulación sinusoidal

Figura 4 (panel superior) muestra para el grupo de control de la ganancia media de las componentes de la velocidad angular horizontales, verticales y de torsión para todos los estímulos sinusoidales probados en el plano horizontal a la luz. Torsión fue máxima a 0 ° acimut, mientras que verticales tuvo su máximo a 90 °. Figura 5 muestra la ganancia de velocidad 3D ojo a la luz. La ganancia varió entre 0,99 ± 0,12 (pitch) y 0,54 ± 0,16...

Discussion

Este documento describe un método para medir con precisión VOR angular 3D en respuesta a las rotaciones de todo el cuerpo en los seres humanos. La ventaja del método es que da información cuantitativa acerca de la ganancia y la desalineación angular de VOR 3D en las tres dimensiones. El método es útil para la investigación fundamental y tiene también potencial valor clínico, por ejemplo para probar los pacientes con problemas del canal verticales o pacientes con problemas vestibulares centrales malos entendidos...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Base de movimiento eléctrica MB-E-6DOF/24/1800KG * (antes E-CUE 624-1800)	FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Países
Campo magnético con detector, Modelo EMP3020	Skalar Medical, Delft, Países Bajos
CED power 1401, con Spike2 v6	Cambridge Electronic Design, Cambridge
Bobinas de búsqueda electromagnética	Chronos Vision, Berlín, Alemania