Drie dimensionaal Vestibulaire oculaire reflex testen met behulp van een Six Degrees of Freedom Motion Platform

Summary

Een methode wordt beschreven om driedimensionale vestibulo oculaire reflex (3D VOR) bij mensen met het zes graden van vrijheid (6DF) motion simulator te meten. De versterking en uitlijning van de 3D hoekige VOR een directe maat voor de kwaliteit van vestibulaire functie. Representatieve gegevens over gezonde proefpersonen worden verstrekt

Abstract

Het evenwichtsorgaan is een sensor die hoek-en lineaire versnellingen meet met zes vrijheidsgraden (6DF). Volledige of gedeeltelijke defecten in het evenwichtsorgaan leidt tot milde tot ernstige evenwicht problemen, zoals vertigo, duizeligheid, oscillopsia, gang unsteadiness misselijkheid en / of braken. Een goed en regelmatig voorkomende maatregel blik stabilisatie kwantificeren is de winst, die wordt gedefinieerd als de grootte van de compenserende oogbewegingen wat betreft opgelegde hoofdbewegingen. Om vestibulaire functie testen vollediger men beseffen dat 3D VOR genereert ideaal compenserende oculaire rotaties niet alleen met een magnitude (gain) gelijk en tegengesteld aan de rotatie van het hoofd, maar ook om een ​​as die co-lineair met het hoofd rotatieas (alignment ). Abnormale vestibulaire functie resulteert daarmee in veranderingen van de versterking en veranderingen in uitlijning van de 3D VOR respons.

Hier beschrijven we een methode om 3D VOR meten met behulp van hele lichaam rotatie op een 6DF motivatieop platform. Hoewel de methode maakt het ook mogelijk het testen vertaling VOR antwoorden ^1, beperken we ons tot een bespreking van de methode om 3D-hoekige VOR meten. Bovendien, ons beperken we hier om een ​​beschrijving van de gegevens bij gezonde personen in reactie verzameld om sinusvormige en impuls stimulatie hoekig.

Onderwerpen zijn rechtop zitten en ontvangen het hele lichaam kleine amplitude sinusvormige en constante versnelling impulsen. Sinusvormige stimuli (f = 1 Hz, A = 4 °) werden geleverd om de verticale as en om assen in het horizontale vlak variërend tussen rollen en stampen in stappen van 22,5 ° in azimuth. Impulsen werden geleverd in yaw, roll en pitch en in het verticale kanaal vlakken. Oogbewegingen werden gemeten met behulp van de sclera zoekspoel techniek ^2. Zoekspoel signalen werden bemonsterd op een frequentie van 1 kHz.

De input-output-ratio (winst) en de uitlijning (co-lineariteit) van de 3D VOR werden weer berekendm het oog spoel signaleert ^3.

Gain en co-lineariteit van 3D VOR afhankelijk van de oriëntatie van de stimulus as. Systematische afwijkingen werden gevonden in het bijzonder bij horizontale as stimulatie. In het licht werd het oog rotatieas goed uitgelijnd met de stimulus as oriëntaties 0 ° en 90 ° azimut, maar geleidelijk afgeweken meer en meer in de richting van 45 ° azimut.

De systematische afwijkingen in uitlijning voor intermediaire assen kan worden verklaard door een lage winst voor torsie (X-as of rol-as rotatie) en een high gain voor verticale oogbewegingen (Y-as of pitch-as rotatie (zie figuur 2). Omdat tussenas stimulatie leidt compenserende respons op basis vector optelling van de afzonderlijke componenten oog rotatie, zal de netto reactie as afwijken omdat de versterking voor X-en Y-as verschillend.

In de duisternis van de winst van alle ogen draaien onderdelen had lageER waarden. Het resultaat was dat de verkeerde uitlijning in duisternis en voor impulsen hadden verschillende pieken en dalen dan in het licht: de minimale waarde is bereikt voor pitch-as stimulatie en zijn maximum voor roll as stimulatie.

Case Presentatie

Negen proefpersonen deel aan het experiment. Alle proefpersonen gaven hun geïnformeerde toestemming. De experimentele procedure werd goedgekeurd door de Medisch Ethische Commissie van de Erasmus Universiteit Medisch Centrum en gehandeld op grond van de Verklaring van Helsinki voor onderzoek met mensen.

Zes proefpersonen dienden als controlegroep. Drie patiënten hadden een unilaterale vestibulaire stoornis vanwege een vestibulair schwannoom. De leeftijd van de controlepersonen (zes mannen en drie vrouwen) varieerde 22-55 jaar. Geen van de controles hadden een visuele of vestibulaire klachten ten gevolge van neurologische, cardio-vasculaire en oogheelkundige aandoeningen.

De leeftijd van de patiënten met schwannoma varieerde tussen 44 en 64 jaar (twee mannetjes en een vrouwtje). Alle schwannoma proefpersonen waren onder medisch toezicht en / of hadden ontvangen behandeling door een multidisciplinair team bestaande uit een othorhinolaryngologist en een neurochirurg van het Erasmus Universitair Medisch Centrum. Geteste patiënten hadden allemaal een goede kant vestibulair schwannoma en onderging een wait and watch beleid (tabel 1; onderwerpen N1-N3) na de diagnose met vestibulaire schwannoma. Hun tumoren was stabile al meer dan 8-10 jaar op magnetische resonantie beeldvorming.

Protocol

1. 6DF Motion Platform

Vestibulaire stimuli werden geleverd met een motion-platform (zie figuur 1) kunnen genereren hoekig en translationeel stimuli op een totaal van zes vrijheidsgraden (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Nederland). Het platform wordt bewogen door zes elektromechanische actuators aangesloten op een personal computer met speciale besturingssoftware. Het genereert nauwkeurige bewegingen met zes vrijheidsgraden. Sensoren geplaatst in de actuatoren continu bewaakt het platform bewegingsprofiel. Het apparaat heeft <0,5 mm precisie voor lineaire en <0,05 ° voor hoekige bewegingen. Trillingen tijdens de stimulatie was 0,02 °. Resonantiefrequentie van de inrichting was> 75 Hz. Platform bewegingsprofiel werd gereconstrueerd uit de sensor informatie in de actoren via inverse dynamica en verzonden naar de gegevensverzameling computer. Om platform en oogbewegingsdata synchroniseren werd een laserstraal op de achterzijde van de pla gemonteerdeTForm en geprojecteerd op een kleine fotocel (1 mm, reactietijd 10 psec). De uitgangsspanning van de fotocel werd bemonsterd met een snelheid van 1 KHz samen met de gegevens oogbeweging en voorzien van een realtime indicatie van de beweging begin met 1 msec nauwkeurigheid. Tijdens de offline analyse met Matlab (Mathworks, Natick, MA), de gereconstrueerde bewegingsprofiel van het platform op basis van de sensorinformatie van de actuators op het platform werd exact uitgelijnd met het begin van platform beweging.

2. Vakken

A. Seating

De proefpersonen zitten op een stoel gemonteerd in het midden van het platform (figuur 2). Lichaam van de proefpersoon werd tegengehouden met een vier-punts veiligheidsgordel, zoals gebruikt in racewagens. De gordels zijn verankerd aan de basis van de beweging platform. De stoel is omgeven door een PVC kubieke frame en diende als ondersteuning voor het veld spoelen. Het veld spoelsysteem is in hoogte verstelbaar, zodat de Subject ogen waren in het midden van het magnetische veld.

B. Head fixatie

Het hoofd wordt geïmmobiliseerd met behulp van een individueel gegoten tandheelkundige-impressie beet board, die was verbonden aan de kubieke kader via een stijve balk. Een vacuüm kussen gevouwen langs de hals en een ring aan een stoel tenslotte ondersteund fixatie van het subject (figuur 1). Bovendien, om valse hoofdbewegingen bewaken tijdens de stimulatie, bevestigd we twee 3D-sensoren (Analog Devices Inc, Norwood, MA) rechtstreeks aan de beet board, een voor hoekige en een voor lineaire versnellingen.

3. Coördineren System

Eye rotaties worden gedefinieerd in een hoofd-vaste rechtshandig assenstelsel (figuur 3). In dit systeem vanuit het oogpunt van een naar links rotatie om de Z-as (yaw), een neerwaartse rotatie om de Y-as (pitch) en rechts rotatie om de X-as (roll) het onderwerp gedefinieerd als positive. De vlakken loodrecht op de X, Y en Z rotatieassen respectievelijk de roll, pitch en yaw vlakken (figuur 3).

4. Eye Movement Recordings

Oogbewegingen van beide ogen werden opgenomen met 3D sclerale zoekspoel (Skalar, Delft, Nederland) ⁴ met een standaard 25 kHz twee veldwikkeling gebaseerd op de amplitude detectiemethode Robinson (Model EMP3020, Skalar Medical, Delft, Nederland) ^5. De spoel signalen werden doorgegeven via een analoog laagdoorlaatfilter met een grensfrequentie van 500 Hz en bemonsterd on-line en opgeslagen op de harde schijf met een frequentie van 1 kHz met 16 bits precisie (CED systeem draait Spike2 v6, Cambridge Electronic Design , Cambridge).

5. Search Coil Kalibratie

Voorafgaand aan de experimenten werd de gevoeligheid en non-orthogonaliteit van richting en torsie spoelen in-vitro geverifieerd door monteren van de spoel een Fick giMBAL systeem geplaatst in het midden van het magnetische veld. Door aan de cardansysteem over al kardinale assen werd nagegaan of alle spoelen in de experimenten waren symmetrische alle richtingen binnen 2%.

In vivo, werden de horizontale en verticale signalen van de beide spoelen individueel gekalibreerd door het instrueren van het onderwerp te fixeren achtereenvolgens een reeks van vijf doelen (centrale doelstelling en een target op 10 graden naar links, rechts, omhoog en omlaag) gedurende vijf seconden. Werden kalibratiedoelen geprojecteerd op een doorzichtig scherm op 186 cm afstand. Bericht experiment analyse van de kalibratiegegevens resulteerde in gevoeligheid en offset waarden voor de elke zoekopdracht spoelen. Deze waarden werden vervolgens gebruikt bij de analyse procedures geschreven in Matlab ^3.

6 Stimulatie

A. Sinusvormige stimulatie

Het platform geleverd gehele lichaam sinusvormige rotaties (1 Hz, A = 4 °) over de drie cardinal assen: De rostrale-caudale of verticale as (yaw), de interaurale as (pitch) en de neus-occipitale as (rol), en over de tussenliggende horizontale assen verhoogd in stappen van 22,5 ° tussen rollen en stampen.

Sinusvormige stimuli werden geleverd in licht en duisternis. In het licht, onderwerpen gefixeerd op een continu verlichte visuele target (een rode LED, 2 mm diameter) gelegen 177 cm aan de voorkant van het onderwerp op ooghoogte (figuur 1C linkerpaneel). Hoofd was zodanig dat Reid's lijn was base (de denkbeeldige lijn die de gehoorgang externa met de lagere orbitale cantus) was binnen 6 graden van de aarde-horizontaal) geplaatst. Tijdens sinusvormige stimulatie in het donker, was het visuele doelwit kort voorgesteld (2 sec) wanneer het platform was stationaire tijdens elk interval tussen twee opeenvolgende stimuli. Om spontane oogbewegingen tijdens de stimulatie te vermijden, werden proefpersonen geïnstrueerd om de denkbeeldige plaats van de ruimte vast doel fixeren tijdens sinusoidal stimulatie nadat de doelstelling was uitgeschakeld werd net voor beweging ontstaan. We geverifieerd dat het type instructie vooral verminderde de oogbewegingen gemaakt in het donker, en had slechts een klein effect op de winst (<10%). Deze variabiliteit zich in alle componenten (horizontaal, verticaal en torsie) tegelijkertijd.

B. Impulse stimulatie

Korte duur hele lichaam impulsen werden geleverd in een slecht verlichte omgeving. De enige zichtbare stimulus waarover de subject een visueel doel bij 177 cm voor het subject op ooghoogte. Elke impuls werd zes keer herhaald en geleverd in willekeurige volgorde en met willekeurige timing van beweging ontstaan ​​(intervallen varieerden tussen 2,5 en 3,5 sec). Het profiel van de impulsen een constante versnelling van 100 ° sec ^-2 tijdens de eerste 100 msec van de impuls, gevolgd door een geleidelijke afname van de lineaire versnelling. Deze stimulus resulteerde in een lineaire toename van de snelheid tot een velocteit van 10 ° ^sec'1 na 100 msec. Afwijkende hoofdbewegingen tijdens vestibulaire stimulatie gemeten door de hoekige snelheid en lineaire versnelling apparaten waren minder dan 4% van de stimulus amplitude. Pieksnelheid van de oogbewegingen in reactie op deze impulsen werd 100 maal boven het ruisniveau van de spoel signalen.

7. Data Analysis

Coil signalen werden omgezet in Fick hoeken en vervolgens uitgedrukt in rotatie vectoren ^6,7. Uit de gegevens van de fixatie doel rechtdoor hebben we de verplaatsing van de spoel in het oog ten opzichte van de orthogonale primaire magneetspoelen. Signalen werden gecorrigeerd voor dit gecompenseerd uitlijning door drie-dimensionale toonbank rotatie. Er werd ook nagegaan of er geen spoel slippen tijdens het experiment had plaatsgevonden door het controleren van de positie uitgang tijdens fixatie van de doelstelling voorafgaand aan elke beweging ontstaan.

Om 3D oogbewegingen uit te drukken in de snelheid domein,we rotatievector data omgezet terug in hoeksnelheid. Voor de conversie van rotatievector naar hoeksnelheid, gladgestreken we de gegevens door nul-fase met een vooruit en achteruit digitaal filter met een 20-punts Gauss-venster (lengte 20 msec).

8. Sinusvormige Responses

Een Gain. De versterking van elke component en 3D ogen velocity winst werd berekend door het aanbrengen van een sinusoïde met een frequentie gelijk aan de frequentie platform via de horizontale, verticale en torsie hoeksnelheid componenten. De versterking voor elke component gedefinieerd als de verhouding tussen oog component pieksnelheid en platform pieksnelheid werd apart berekend voor elk oog.

B Misalignment. De afwijking tussen de 3D-eye snelheid as en hoofd snelheid as werd berekend met de aanpak van de Aw en collega's ^8,9. Vanuit het scalaire product van twee vectoren de verplaatsing berekend als het instantaneous hoek in drie dimensies tussen de inverse van het oog snelheid as en de kop snelheid as. De 3D hoeksnelheid krijgen en uitlijning voor elke azimutale oriëntatie vergeleken met de versterking en uitlijning van de voorspelde vector som van de 0 ° (roll) en 90 ° (pitch) azimut onderdelen ^10. Uit deze vector optelling blijkt dat wanneer velocity voordelen voor roll en pitch gelijk, de oriëntatie van het oog rotatieas samenvalt met de rotatieas kop, wanneer de twee verschillend, wordt de maximale afwijking tussen stimulus en oog draaias verwacht 45 ° azimut.

9. Impulse Responses

Linker en rechter oog data sporen van zes presentaties voor elke beweging richting werden apart geanalyseerd. Omdat linker en rechteroog waarden waren bijna identiek zijn, de gegevens van linker en rechteroog gemiddeld om de winst van oog snelheid bepalen in reactie op stimulatie impuls. Alle sporen werdenop het computerscherm individueel geïnspecteerd. Wanneer het onderwerp maakte een knipperen of saccade tijdens de impuls die trace handmatig werd weggegooid. Hoeksnelheid onderdelen (N = 5 tot 6) gedurende de eerste 100 msec na het begin van de beweging werden gemiddeld in de tijd bakken van 20 msec (het verstrekken van een effectieve laagdoorlaatfiltering) en uitgezet als functie van het platform snelheid ^11,12.

Results

Sinusvormige stimulatie licht

Figuur 4 (bovenste paneel) toont de controlegroep de gemiddelde versterking van de horizontale, verticale en torsie hoeksnelheid componenten voor alle geteste sinusvormige stimulaties in het horizontale vlak in het licht. Torsie is maximaal bij 0 ° azimut, terwijl verticale had zijn maximum bij 90 °. Figuur 5 toont de 3D ​​oog snelheid winst in het licht. Gain varieerde tussen 0.99 ± 0.12 (pitch) en 0.54 ± 0.16 (roll). De meetgegev...

Discussion

Dit document beschrijft een werkwijze om nauwkeurig 3D hoekige VOR in reactie op het hele lichaam rotaties bij mensen. Het voordeel van de werkwijze is dat het kwantitatieve informatie over gain en uitlijning van 3D hoekige VOR in alle drie dimensies. De methode is bruikbaar voor fundamenteel onderzoek en heeft ook potentiële klinische waarde bijvoorbeeld voor het testen van patiënten met verticale gracht problemen of patiënten met onbegrepen centrale vestibulaire problemen. Een ander voordeel van het apparaat ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electric Motion Base MB-E-6DOF/24/1800KG * (Voorheen E-CUE 624-1800)	FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Nederland
Magneetveld met detector, Model EMP3020	Skalar Medical, Delft, Nederland
CED power 1401, running Spike2 v6	Cambridge Electronic Design, Cambridge
Elektromagnetische zoekspoelen	Chronos Vision, Berlijn, Duitsland