Artykuł metodologiczny

Dokładne rejestrowanie wyników sakkad poziomych u pacjentów neurologicznych za pomocą elektrookulogramu

10.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56934

⸱

13 marca 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cell Physiology, Kyorin University, 2Segawa Memorial Neurological Clinic for Children, 3Department of Neurology, University of Tokyo, 4Department of Neurology, Kyorin University, 5Department of Neurology, Fukushima Medical University

W tym artykule

Podsumowanie

Artykuł opisuje praktyczną metodę rejestrowania poziomych ruchów gałek ocznych z dużą dokładnością za pomocą elektro-okulogram u pacjentów neurologicznych, przy użyciu elektrody kubkowej Ag-AgCl z szerokim plastikowym prążkiem. Stabilny pomiar wymaga odpowiedniego doboru i zamocowania elektrod, poświęcenia wystarczającej ilości czasu na adaptację światła i ponownej kalibracji w razie potrzeby.

Streszczenie

Electro-oculogram (EOG) jest szeroko stosowany do klinicznego rejestrowania ruchów gałek ocznych, zwłaszcza sakkad poziomych, chociaż obecnie głównie zastąpiła go wideo-okulografia (VOG) ze względu na jej większą dokładność przestrzenną. Są jednak sytuacje, w których EOG ma wyraźną przewagę nad VOG, np. osoby z wąskimi rozszczepami oczu lub z soczewkami zaćmy oraz pacjenci z zaburzeniami ruchowymi. Niniejszy artykuł pokazuje, że przy prawidłowym wdrożeniu, EOG może osiągnąć dokładność prawie tak dobrą jak VOG ze znaczną stabilnością nagrywania, jednocześnie omijając problemy związane z nagrywaniem VOG. W niniejszej pracy opisano praktyczną metodę rejestracji wychyleń poziomych z wykorzystaniem paradygmatów okoruchowych z dużą dokładnością i stabilnością przez EOG u pacjentów neurologicznych. Niezbędne środki to użycie elektrody Ag-AgCl z szerokim plastikowym prążkiem zdolnym do redukcji hałasu i poczekanie na wystarczającą adaptację światła. Ten okres oczekiwania pomaga również obniżyć impedancję między elektrodami a skórą, zapewniając w ten sposób stabilny sygnał rejestrowany w miarę upływu czasu. Ponadto w razie potrzeby podczas wykonywania zadania przeprowadzana jest ponowna kalibracja. Korzystając z tej metody, eksperymentator może uniknąć dryftów sygnałów, a także zanieczyszczenia artefaktów lub szumu z elektromiogramu i elektroencefalogramu, a także może zebrać wystarczające dane do klinicznej oceny sakkad. Tak więc, po wdrożeniu, EOG może być nadal metodą o wysokiej praktyczności, która może być szeroko stosowana u pacjentów neurologicznych, ale może być również skuteczna w badaniach na zdrowych osobach.

Wprowadzenie

Istnieją trzy główne sposoby rejestrowania ruchów gałek ocznych: konwencjonalny EOG, VOG rejestrowany przez system śledzenia ruchu gałek ocznych oparty na wideo oraz metoda cewki do przeszukiwania twardówki (SSC). Wśród nich EOG jest często używany do rejestrowania ruchów gałek ocznych u pacjentów od 1970 roku ze względu na swoją prostotę. Metoda ta, szeroko stosowana w populacji klinicznej, jest szeroko stosowana w diagnostyce pacjentów neurologicznych i dostarcza przydatnych informacji na temat patofizjologii leżącej u podstaw zaburzeń1,2,3,4,5. Ponadto jest to nadal jedyna technika, którą można realnie wykorzystać do rejestrowania ruchów gałek ocznych podczas snu (szybkie ruchy gałek ocznych podczas snu REM i inne formy ruchów gałek ocznych).

Ponieważ gałka oczna jest naładowana dodatnio w swoim przednim aspekcie, w tym rogówce, w stosunku do jej tylnego aspektu, istnieje różnica napięcia między przednią i tylną częścią oczu, zwana potencjałem korowo-siatkówkowym. Ze względu na obecność tego potencjału, prawa elektroda stanie się bardziej dodatnia niż lewa, gdy badani zwrócą wzrok w prawo, i stanie się ujemna, gdy zwrócą wzrok w lewo. Ponieważ różnica napięcia między lewą i prawą elektrodą jest silnie skorelowana z kątem obrotu gałek ocznych w przypadku sakkad poziomych, można ją wykorzystać do pomiaru poziomych ruchów gałek ocznych. Jednak ta korelacja nie dotyczy kierunku pionowego, chociaż pionowy EOG nadal może być używany do pomiaru ruchów gałek ocznych6. Z drugiej strony, niektóre badania wykorzystują głównie pionowy EOG do monitorowania mrugnięć.

Ostatnio jednak, VOG w dużej mierze zajął miejsce EOG ze względu na jego większą dokładność przestrzenną sięgającą do 0,25 - 0,5 stopnia, i stał się obecnie standardową metodą zapisu sakkad w warunkach klinicznych. Tymczasem EOG jest uważany za dość przestarzały, ponieważ jego dokładność przestrzenna, co najwyżej 0,5 stopnia, jest gorsza od VOG.

Jednak VOG ma również swoje wady, jeśli jest używany w warunkach klinicznych. Istnieją przypadki, w których VOG nie jest możliwe; Na przykład śledzenie ruchu gałek ocznych staje się niedokładne u osób z wąską szczeliną oka, na przykład gdy większy obszar rogówki jest zasłonięty przez powieki. U pacjentów z soczewkami zaćmy nieprawidłowe odbicie światła podczerwonego utrudnia wiarygodne rejestrowanie kierunku patrzenia. Co więcej, EOG może przynieść korzyści niektórym osobom, dla których zaburzenia ruchowe utrudniają nagrywanie VOG. Ponadto system VOG jest droższy w porównaniu z konfiguracją EOG, co często sprawia, że ten pierwszy jest niedostępny w zwykłych placówkach medycznych.

Z drugiej strony, metoda SSC jest uważana za złoty standard pomiaru ruchów gałek ocznych. W porównaniu z VOG i EOG, metoda ta zapewnia najwyższą dokładność przestrzenną, do 0,1 stopnia, i jest szczególnie przydatna, gdy nagrywanie obejmuje ruchy głowy o wysokiej częstotliwości6. Jednak ta metoda jest potencjalnie inwazyjna, tj. bolesna i bardzo drażniąca dla oczu i pozwala na nagrywanie tylko przez krótki okres, około 30 minut lub krócej7,8,9,10. Ten krótki czas trwania sprawia, że metoda ta nie nadaje się do szerokiego zastosowania klinicznego, chociaż jest z powodzeniem stosowana w niektórych specjalistycznych ośrodkach11.

Na podstawie wcześniejszych badań obejmujących ponad 250 pacjentów neurologicznych i 480 zdrowych pacjentów w tej samej grupie12,13,14,15,16,17,18,19, niniejsze badanie pokazuje, że EOG może być na tyle dokładny, że może służyć jako standardowa technika rejestracji ruchu gałek ocznych i ma szerokie zastosowanie w populacji klinicznej, przy jednoczesnym obejściu różnych wad VOG i SSC. W niniejszym artykule opisano stabilną metodę zapisu EOG, wykorzystującą elektrodę z szeroką obwódką, aby umożliwić szeroki i stabilny kontakt ze skórą, podobną do elektrody EEG przymocowanej bezpiecznie do skóry głowy za pomocą kolodionu w celu rejestrowania przez długi okres czasu. Impedancja elektrody spada, a zapis z czasem staje się stabilny, co skutecznie redukuje artefakty z mięśni twarzy i elektroencefalografii. Metoda ta jest porównywana z jednocześnie nagrywanym VOG. Odpowiednio przygotowany i wdrożony EOG jest tak samo dobry jak VOG pod względem dokładności rejestrowania sakkad u pacjentów neurologicznych, a EOG może być nawet bardziej podatny na zapis sakkad u zdrowych osób.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie procedury eksperymentalne w tym badaniu zostały zatwierdzone i przeprowadzone zgodnie z wytycznymi komisji etycznej ds. badań na ludziach po uzyskaniu świadomej zgody.

1. Przygotuj temat i pomieszczenie do przekodowania

  1. Nagrywanie należy wykonywać w pomieszczeniu o słabym oświetleniu otoczenia, aby umożliwić wystarczającą adaptację światła.
  2. Niech badani usiądą przed czarnym, wklęsłym ekranem w kształcie kopuły o średnicy 90 cm, który zawiera diody elektroluminescencyjne (LED) osadzone w otworach, które służą jako punkty fiksacji i cele sakkadowe używane w paradygmatach okoruchowych.
    UWAGA: Diody LED są ułożone w układy poziome, pionowe i ukośne na czarnym, wklęsłym ekranie w kształcie kopuły, tj. w 8 kierunkach oddalonych od środka o 45 stopni i w odstępie 5 stopni od środka, zgodnie z pierwotnie opracowanym przez Kato i wsp. 20 do badań behawioralnych i fizjologicznych, zmodyfikowany do użytku u ludzi przez Hikosaka et al. 21
  3. Aby kontrolować zadania okoruchowe, spraw, aby każdy badany trzymał przycisk mikroprzełącznika podłączony do mikrokomputera, który pozwala badanemu inicjować i kończyć próbę zadania poprzez naciśnięcie i zwolnienie przycisku.
    UWAGA: Zadania i akwizycja danych są kontrolowane przez niestandardowy program działający na typowym komputerze z systemem Windows.
  4. Ustabilizuj pozycję głowy fotografowanej osoby za pomocą podbródka i czoła, a także opaski na głowę.

2. Umieść elektrody do EOG

  1. Użyj elektrody kubkowej Ag-AgCl do rejestracji EOG (Rysunek 1), która ma średnicę 1,8 cm i grubość 3,5 mm. Dolna część miseczki składa się z elektrody Ag-AgCl, a boczna ścianka jest otoczona plastikową obwódką o grubości 5 mm, umożliwiającą szeroki kontakt ze skórą.
  2. Przetrzyj skórę wacikiem nasączonym alkoholem.
  3. Napełnij kubek pastą elektrodową.
  4. Stabilnie przymocuj elektrodę do skóry, umieszczając podwójną taśmę klejącą pod plastikiem i przymocuj frędzle do skóry.
  5. W przypadku rejestrowania sakkad poziomych za pomocą EOG należy umieścić elektrody w obustronnej kancie oczu, natomiast w przypadku rejestrowania sakkad pionowych należy umieścić elektrody powyżej i poniżej jednego oka.

3. Konfiguracja wzmacniaczy do nagrywania

  1. Użyj wzmacniacza prądu stałego (DC) do nagrywania EOG, z sygnałem cyfrowym z częstotliwością 500 Hz.
  2. Nagrywaj VOG jednocześnie, korzystając z systemu śledzenia ruchu gałek ocznych opartego na wideo, który rejestruje dane dotyczące pozycji fiksacji oka z częstotliwością próbkowania 500 - 1 000 Hz.
  3. Zasilić wyjście analogowe poziomych i pionowych pozycji oczu i ustawić filtr systemu akwizycji danych z filtrem dolnoprzepustowym sygnału na 20 Hz.
  4. Ustaw również filtr tak, aby tłumił szumy o wysokiej częstotliwości pośredniej, takie jak elektromiografia i elektroencefalografia.
    UWAGA: Do analizy konieczny jest dalszy proces wygładzania w celu obliczenia profili prędkości sakkad na podstawie danych o położeniu oczu (w tym przypadku wygładzanie 3-punktowe przeprowadzono trzykrotnie).
  5. Jeśli to możliwe, zmierz impedancję między elektrodą a skórą i utrzymuj ją poniżej 20 kΩ.

4. Okres oczekiwania po umieszczeniu elektrod na adaptację światła

  1. Po umieszczeniu elektrody EOG na skórze należy odczekać 10 - 20 minut, aż nastąpi wystarczająca adaptacja światła.
  2. Poczekaj, aż nagranie się ustabilizuje, a impedancja między żelem elektrody zmniejszy się.

5. Kalibracja sygnałów EOG i VOG

  1. Wykonaj kalibrację ruchu gałek ocznych przed każdą sesją testową, prosząc badanych o przyjrzenie się 5 wcześniej określonym lokalizacjom.
  2. Mówiąc dokładniej, spraw, aby obiekty patrzyły na cele wizualne w środku i te, które pojawiają się 20 stopni w lewo, w prawo, w górę i w dół od punktu fiksacji, zarówno w przypadku EOG, jak i VOG.
  3. Dostosuj wzmocnienie EOG, gdy badani skupiają się na tych miejscach, tak aby za pomocą niestandardowego systemu akwizycji danych do monitorowania bieżącej pozycji oczu wyświetlanej na ekranie komputera odpowiadała pozycji docelowej wyświetlanej na ekranie.

6. Nagrywaj sakkady za pomocą paradygmatów okoruchowych i rekalibruj pozycje oczu w razie potrzeby podczas sesji

  1. Poinstruuj badanych o paradygmatach okoruchowych.
    UWAGA: W badaniach klinicznych zwykle stosuje się dwa zadania okoruchowe: sakadę sterowaną wzrokowo (VGS) i zadania antysakadowe (AS). Krótko mówiąc, w VGS, gdy obiekty naciskają przycisk, centralny punkt jest podświetlany w środku kopuły, a obiekty muszą najpierw skupić się na tym miejscu. 1,5 - 2 s później cel jest prezentowany losowo w miejscu 5, 10, 20 lub 30 stopni w poziomie na lewo lub prawo od niego, w tym samym czasie, gdy centralny punkt fiksacji zostaje zgaszony. Badani są instruowani, aby wykonać sakkadę w kierunku tego celu. W zadaniu AS poproś badanych, aby najpierw nacisnęli przycisk, a następnie poproś, aby skupili się na centralnym punkcie fiksacji, gdy się pojawi. 1,5 - 2 s później cel przeskakuje w lewo lub w prawo od niego, podobnie jak powyżej. Badani są zobowiązani do wykonania sakkady w kierunku lustrzano-symetrycznej pozycji w poprzek centralnego punktu fiksacji.
  2. Niech badani nacisną przycisk i rozpoczną próby.
  3. Podczas sesji dostosuj wzmocnienie EOG podczas wykonywania zadania, tak aby aktualna pozycja oka wyświetlana na monitorze była zawsze wyrównana z pozycją docelową wyświetlaną jednocześnie na tym samym ekranie. Zarówno w przypadku EOG, jak i VOG, w razie potrzeby należy przeprowadzić ponowną kalibrację w celu regulacji.
  4. Aby porównać wydajność obu metodologii, przeanalizuj przefiltrowane i zdigitalizowane sygnały EOG ze wzmacniacza prądu stałego i VOG za pomocą specjalnie opracowanego programu komputerowego i pokaż sygnały EOG i VOG razem w tym samym śladzie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rycina 2 przedstawia reprezentatywne jednoczesne zapisy EOG i VOG u zdrowego badanego. Dla EOG (krzywe szare) i VOG (krzywe czerwone; Rycina 2A) nałożono na siebie 8 prób VGS. Po kalibracji przeprowadzonej obecną metodą wiadomo, że dane EOG i VOG są liniowe w zakresie 5-30 stopni, a dokładność przestrzenna danych wynosi 0,5 stopnia.

Wyniki uzyskane obie...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Chociaż obecnie dominującą metodą rejestracji sakkad stała się VOG, niniejsze badanie wykazało, że EOG może osiągnąć dokładność prawie porównywalną z VOG, jeśli jest prawidłowo zaimplementowany (ryc. 2). Wykazano, że obecna metoda EOG osiąga dobrą korelację z VOG podczas rejestrowania sakkad poziomych i została z powodzeniem wykorzystana w wielu wcześniejszych badaniach przez tę samą grupę 12,13,14,15,16,17,18,19.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia w odniesieniu do tego badania.

Podziękowania

Dr. Terao otrzymał wsparcie od Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii w ramach projektu badawczego Grant-in-Aid for Scientific Research [16K09709,16H01497]. YU otrzymał wsparcie w ramach projektu badawczego Grant-in-Aid for Scientific Research z Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii Japonii [nr 25293206, nr 22390181, 15H05881, 16H05322]; dzięki grantom Komitetu Badawczego ds. Najlepszego Leczenia Choroby Parkinsona rTMS z Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej Japonii; oraz przez Komitet Badawczy ds. Dystonii przy Ministerstwie Zdrowia i Opieki Społecznej Japonii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ElektrodaNihon-Kohden (Tokio, Japonia)Elektroda kubkowaNS111-115
Pasta elektrodowaNihon-Kohden (Tokio, Japonia)Żelowa pasta elektrodowa Gelaid Z-101BAdo wypełnienia elektrody kubkowej
Taśma klejąca Nihon-Kohden (Tokio, Japonia)Taśma dwuklejącaH261
elektrody wzmacniacza prądu stałegoNihon-Kohden (Tokio, Japonia)AN-601G
systemu śledzenia ruchu gałek ocznych EOG opartego na wizjiBadania SR (Mississauga, Ontario, Kanada)System śledzenia ruchu gałek ocznychEyelink II
FilterNF corporationFiltr MS-521dla sygnału EOG
do mocowaniaWzmacniacz do do nagrywania VOG

Bibliografia

  1. Braun, D., Weber, H., Mergner, T., Schulte-Mönting, J. Saccadic reaction times in patients with frontal and parietal lesions. Brain. 115, (Pt 5) 1359-1386 (1992).
  2. Sweeney, J. A., Levy, D., Harris, M. S. Commentary: eye movement research with clinical populations. Prog Brain Res. 140, 507-522 (2002).
  3. Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, (Pt 3) 460-477 (2004).
  4. Ramat, S., Leigh, R. J., Zee, D. S., Optican, L. M. What clinical disorders tell us about the neural control of saccadic eye movements). Brain. 130, (Pt 1) 10-35 (2007).
  5. Terao, Y., et al. Initiation and inhibitory control of saccades with the progression of Parkinson's disease - changes in three major drives converging on the superior colliculus. Neuropsychologia. 49 (7), 1794-1806 (2011).
  6. Kennard, D. W., Smyth, G. L. The causes of downward eyelid movement with changes of gaze, and a study of the physical factors concerned. J Physiol. 166, 178-190 (1963).
  7. Houben, M. M., Goumans, J., van der Steen, J. Recording three-dimensional eye movements: scleral search coils versus video oculography. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47 (1), 179-187 (2006).
  8. Eggert, T. Eye movement recordings: methods. Dev Ophthalmol. 40, 15-34 (2007).
  9. Frens, M. A., van der Geest, J. N. Scleral search coils influence saccade dynamics. J Neurophysiol. 88 (2), 692-698 (2002).
  10. Lappe-Osthege, M., Talamo, S., Helmchen, C., Sprenger, A. Overestimation of saccadic peak velocity recorded by electro-oculography compared to video-oculography and scleral search coil. Clin Neurophysiol. 121 (10), 1786-1787 (2010).
  11. Bhidayasiri, R., Riley, D. E., Somers, J. T., Lerner, A. J., Büttner-Ennever, J. A., Leigh, R. J. Pathophysiology of slow vertical saccades in progressive supranuclear palsy. Neurology. 57 (11), 2070-2077 (2001).
  12. Terao, Y., et al. Visualization of the information through human oculomotor cortical regions by transcranial magnetic stimulation. J Neurophysiol. 80 (2), 936-946 (1998).
  13. Terao, Y., Okano, T., Furubayashi, T., Yugeta, A., Inomata-Terada, S., Ugawa, Y. Effects of thirty-minute mobile phone use on saccades. Clin Neurophysiol. 118 (7), 1545-1556 (2007).
  14. Terao, Y., et al. Initiation and inhibitory control of saccades with the progression of Parkinson's disease - changes in three major drives converging on the superior colliculus. Neuropsychologia. 49 (7), 1794-1806 (2011).
  15. Terao, Y., et al. Frontal cortical regions controlling small and large amplitude saccades: a TMS study. Basal Ganglia. 1 (4), 221-229 (2011).
  16. Terao, Y., et al. Deterioration of horizontal saccades in progressive supranuclear palsy. Clin Neurophysiol. 124 (2), 354-363 (2013).
  17. Terao, Y., et al. Saccade abnormalities associated with focal cerebral lesions -How cortical and basal ganglia commands shape saccades in humans. Clin Neurophsyiol. 127 (8), 2953-2967 (2016).
  18. Terao, Y., et al. Is multiple system atrophy with cerebellar ataxia (MSA-C) like spinocerebellar ataxia and multiple system atrophy with parkinsonism (MSA-P) like Parkinson's disease? -A saccade study on pathophysiology. Clin Neurophysiol. 127 (2), 1491-1502 (2016).
  19. Terao, Y., et al. Distinguishing spinocerebellar ataxia with pure cerebellar manifestation from multiple system atrophy (MSA-C) through saccade profiles. Clin Neurophysiol. 128 (1), 31-43 (2016).
  20. Kato, M., Hikosaka, O. Saccade related responses of external pallidal neurons in monkey. Neurosci Res. , Suppl. 17 [Abstract] 218(1992).
  21. Hikosaka, O., Fukuda, H., Kato, M., Uetake, K., Nomura, Y., Segawa, M. Deficits in saccadic eye movements in hereditary progressive dystonia with marked diurnal fluctuation. Hereditary Progressive Dystonia With Marked Diurnal Fluctuation. Segawa, M. , The Parthenon Publishing Group. New York. 159-177 (1993).
  22. Fukuda, H., et al. Development of saccade recording system in humans: simultaneous measurment of electro-oculography and video-oculography. 38th Annual Meeting of Japanese Society of Clinical Neurophysiology. , [Japanese abstract] (2008).
  23. Constable, P. A., Bach, M., Frishman, L. J., Jeffrey, B. G., Robson, A. G. International Society for Clinical Electrophysiology of Vision. ISCEV Standard for clinical electro-oculography (2017 update). Doc Ophthalmol. 134 (1), 134(2017).
  24. Behrens, F., Weiss, L. R. An automated and modified technique for testing the retinal function (Arden test) by use of the electro-oculogram (EOG) for clinical and research use. Doc Ophthalmol. 96 (4), 283-292 (1999).
  25. Kikawada, N. Variations in the corneo-retinal standing potential of the vertebrate eye during light and dark adaptations. Jpn J Physiol. 18 (6), 687-702 (1968).
  26. Yuval-Greenberg, S., Tomer, O., Keren, A. S., Nelken, I., Deouell, L. Y. Transient induced gamma-band response in EEG as a manifestation of miniature saccades. Neuron. 58 (3), 429-441 (2008).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Elektrookulogramsakkady poziomerejestracja ruch w ga ek ocznychparadygmaty okulomotoryczneelektroda Ag AgCladaptacja do wiat akalibracja sygna uwzmacniacz pr du sta egowideookulografia

Powiązane artykuły