Trójwymiarowe badanie przedsionkowego odruchu ocznego przy użyciu platformy ruchu o sześciu stopniach swobody
May 23rd, 2013
Opisano metodę pomiaru trójwymiarowych odruchów przedsionkowych (3D VOR) u ludzi za pomocą symulatora ruchu o sześciu stopniach swobody (6DF). Wzmocnienie i niewspółosiowość kątowego VOR 3D stanowią bezpośrednią miarę jakości funkcji przedsionkowej. Podano reprezentatywne dane dotyczące osób zdrowych
Ogólnym celem tej procedury jest określenie trójwymiarowej funkcji przedsionkowej u pacjentów z zaburzeniami przedsionkowymi. W tym celu należy najpierw posadzić fotografowaną osobę na ruchomej platformie i zapiąć pas bezpieczeństwa. Włóż twardówkowe cewki wyszukiwania do oczu badanego.
Aby zmierzyć przedsionkowy odruch oczny w trzech wymiarach, użyj poduszki próżniowej i deski do gryzienia, aby powstrzymać badanego. Następnie platforma jest aktywowana. Dostarcza bodźce sinusoidalne i krokowe w losowej kolejności, aby przetestować układ przedsionkowy we wszystkich trzech wymiarach.
Ostatnim krokiem jest analiza offline danych cewki ocznej w celu wyodrębnienia wielkości i ustawienia przedsionkowego odruchu ocznego. Ostatecznie wzmocnienie i wyrównanie przedsionkowego odruchu ocznego służy do odróżnienia normalnej od nieprawidłowej funkcji przedsionkowej. Technika ta umożliwia nam przetestowanie układu przedsionkowego we wszystkich trzech wymiarach.
Jest to główna zaleta w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak fotele obrotowe z pojedynczym dostępem, które są stosowane w klinikach laryngologicznych. Metoda ta zapewnia wgląd w funkcję przedsionkową 3D u zdrowych osób. Ponadto metoda ta jest stosowana do badania chorób przedsionkowych, takich jak guzy Sonomy, zapalenie nerwu przedsionkowego i wiele chorób błędnych.
Procedurę zademonstruje Joyce DITs Kasper Boer, obaj doktoranci i Johan Pell, pracownik mojej grupy badawczej. Aby rozpocząć tę procedurę, posadź osobę badaną na krześle zamontowanym na środku platformy ruchomej i przymocuj ją czteropunktowym pasem bezpieczeństwa przymocowanym do podstawy platformy. Podczas eksperymentu rejestruj ruchy gałek obojga oczu za pomocą cewek 3D do wyszukiwania twardówek ze standardowym 25-kilohercowym systemem cewek dwupolowych opartym na metodzie wykrywania amplitudy Robinsona.
Aby to osiągnąć, najpierw znieczul oczy badanego kilkoma kroplami oksybutanu do każdego oka. Następnie włóż cewki poszukiwawcze twardówki, które są osadzone w silikonie w każdym oku. Po włożeniu cewek poszukiwawczych ustaw głowę badanego tak, aby wyimaginowana linia łącząca miis externa z dolną linią kanusa oczodołu lub trzciny znajdowała się w odległości sześciu stopni od ziemi. Poziomy.
Następnie unieruchom głowę osoby badanej za pomocą poduszki próżniowej napompowanej wokół szyi badanego. Następnie poproś badanego, aby ugryzł się na indywidualnie uformowanej tablicy do wycisków dentystycznych. Deska do gryzienia jest przymocowana do sześciennej ramy za pomocą sztywnego pręta i zawiera dwa czujniki 3D do pomiaru fałszywych ruchów głowy za pomocą przyspieszenia kątowego i liniowego.
Następnie aktywuj platformę ruchomą i podnieś ją do pozycji roboczej. Skalibruj poziome i pionowe sygnały obu twardówek poszukiwawczych indywidualnie, instruując badanego, aby skupił się na serii celów przez pięć sekund każda. Następnie rozpocznij sekwencję zaprogramowanych ruchów.
Platforma ruchowa jest zdolna do generowania bodźców kątowych i translacyjnych o łącznej długości sześciu stopni swobody dzięki zastosowaniu sześciu sterowanych komputerowo siłowników elektromechanicznych pokazanych tutaj. Aby zdefiniować ruch, należy użyć standardowego prawoskrętnego układu współrzędnych. Układ współrzędnych jest wyśrodkowany w punkcie w połowie odległości między uszami obiektu i jest definiowany z punktu widzenia fotografowanej osoby.
Najpierw zdefiniuj obrót w lewo jako ruch dodatni w kierunku Z. Jest to znane jako Y.Następnie zdefiniuj ruch w dół jako ruch dodatni i kierunek Y. Nazywa się to smołą.
Na koniec zdefiniuj obrót słowa w prawo jako ruch dodatni w kierunku X. Nazywa się to rolką. Aby rozpocząć, zsynchronizuj platformę i dane o ruchu gałek ocznych za pomocą wiązki laserowej zamontowanej z tyłu platformy.
Pozycja wyjściowa jest rozpoznawana, gdy laser jest rzutowany na małą fotokomórkę znajdującą się na tylnej ścianie, która jest monitorowana podczas zabiegu, dostarcza bodźce sinusoidalne zarówno w jasnym, jak i ciemnym otoczeniu. W świetle niech badany skupi wzrok na stale świecącej czerwonej diodzie LED, która znajduje się 177 centymetrów przed nim przez cały czas w ciemności. Światło jest włączane na dwie sekundy, a następnie wyłączane przed rozpoczęciem każdego ruchu.
Następnie wykonuj obroty całego ciała wokół trzech głównych AE za pomocą platformy ruchowej, osi rozpieszczania lub osi pionowej, osi międzyustnej i osi potylicznej nosa. Oprócz stymulacji osi kardynalnych, wykonuj obroty całego ciała w krokach co 22,5 stopnia między przechyleniem a pochyleniem. Następnie wykonaj stymulację impulsową w słabo oświetlonym otoczeniu, używając diody LED jako celu wizualnego.
Aby to osiągnąć, dostarczaj krótkotrwałe impulsy w każdej z trzech głównych osi i pośrednich osiach poziomych pod kątem 45 stopni. Powtórz każdy impuls sześć razy i dostarczaj je w losowej kolejności. Dodatkowo zmieniaj losowo początek ruchu w zakresie od 2,5 do 3,5 sekundy.
Oddzielanie każdego nowego ruchu podczas stymulacji Zbieraj dane o ruchu gałek ocznych z częstotliwością 1000 herców. Korzystanie z systemu akwizycji danych CED. Przykładowe dane dotyczące pozycji oka są pokazane tutaj dla każdego pojedynczego komponentu.
Następnie przekształć surowe dane sygnałów cewki oka na prędkość kątową dla każdego komponentu. Dane dotyczące prędkości kątowej są wykorzystywane do obliczenia wzmocnienia, które definiuje się jako wielkość kompensacyjnych ruchów gałek ocznych w odniesieniu do wymuszonego bodźca. Niewspółosiowość to kąt chwilowy wyrażony w stopniach, który jest obliczany w trzech wymiarach między odwrotnością osi prędkości oka a osią prędkości głowy.
Przykład niewspółosiowości jako funkcji bodźca. Orientacja osi jest pokazana tutaj jako linia przerywana pokazana tutaj jest wykresem przedstawiającym średnie wyniki wzmocnienia. Dla symulacji sinusoidalnej osi poziomej grupy kontrolnej maksimum skrętne pojawiło się przy zerowym azymucie, podczas gdy maksimum pionowe przypadło zarówno na minus 90 stopni, jak i plus 90 stopni azymutu.
Komponent poziomy pokazuje tylko pomiary linii bazowej. Po połączeniu składowych pionowych i skręcających otrzymujemy przewidywaną wartość dla trzech wzmocnień prędkości DI pokazaną tutaj jako linię przerywaną. Rzeczywiste wartości są wyświetlane jako punkty danych.
Rozbieżność między osią bodźca a osią odpowiedzi wynosiła średnio u sześciu osób, jak pokazano tutaj. Linia przerywana reprezentuje przewidywane wartości ściśle odpowiadające wartościom rzeczywistym. Niewspółosiowość była najmniejsza podczas skoku i stopniowo zwiększała się w kierunku roli, tworząc maksymalną niewspółosiowość 17,33 stopnia przy azymucie 22,5 stopnia.
Istotną różnicę zauważono przy porównywaniu składowych przyrostu prędkości oka w świetle i w ciemności. Zarówno składowa pionowa, jak i skrętna były znacznie niższe w ciemności, co skutkowało ogólnie niższym przyrostem prędkości oka 3D. Podczas gdy rozbieżność między bodźcem a reakcją była zgodna z przewidywanymi wartościami podczas symulacji sinusoidalnej w świetle, nie pasują one do przewidywanych wartości w ciemności.
Wynika to głównie z wpływu niezerowej składowej poziomej. Stymulacja impulsowa powoduje tylko krótkie zakłócenia informacji wizualnej, ale ma jakościowo podobną reakcję pod względem wzmocnienia i niewspółosiowości do stymulacji sinusoidalnej w ciemności. Czułość tej metody wykazano, porównując pacjentów z nieprawidłowościami mózgu, takimi jak sonoma jednostronne, z pacjentami z grupy kontrolnej.
Po lewej stronie pokazane są wykresy wzmocnienia i niewspółosiowości pacjenta z 14-milimetrowym guzem mózgu. Oczywiste różnice można zauważyć, porównując te wykresy z wykresami pacjentów z grupy kontrolnej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, w jaki sposób przeprowadza się procedurę badania przedsionkowego na platformie szóstego stopnia ruchu.
Ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób tematy są montowane na tej platformie, jak wstawiane są zawijania wyszukiwania i jak interpretować dane.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje metodę pomiaru trójwymiarowych odruchów przedsionkowo-okoruchowych (3D VOR) u ludzi za pomocą symulatora ruchu o sześciu stopniach swobody (6DF). Procedura ma na celu ocenę jakości funkcji przedsionkowych poprzez zysk i brak ujednolicenia 3D kątowego VOR.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Funkcja przedsionkowa
- Fizjologia człowieka
Tło
- Rozumienie funkcji przedsionkowych jest kluczowe dla diagnozowania zaburzeń przedsionkowych.
- Odruch przedsionkowo-okoruchowy jest niezbędny do stabilizacji widzenia podczas ruchów głowy.
- Pomiar VOR w trzech wymiarach zapewnia kompleksowe wgląd w zdrowie przedsionkowe.
- Tradycyjne metody mogą nie uchwycić pełnej złożoności reakcji przedsionkowych.
Cel badania
- Określić trójwymiarową funkcję przedsionkową u pacjentów z zaburzeniami przedsionkowymi.
- Dostarczyć bezpośredniego pomiaru jakości funkcji przedsionkowych.
- Poprawić zrozumienie reakcji układu przedsionkowego w różnych warunkach.
Stosowane metody
- Poddani są umieszczani na platformie ruchomej i zabezpieczani pasami bezpieczeństwa.
- Na oczach poddanych wstawiane są cewki skleralne do pomiaru.
- Do ograniczania ruchów poddanych używa się poduszki próżniowej i uchwytu do zgryzania.
- Platforma dostarcza sinusoidalne i skokowe bodźce w losowej kolejności, aby przetestować układ przedsionkowy.
Główne wyniki
- Reprezentatywne dane dotyczące zdrowych poddanych wykazują skuteczność metody.
- Mierniki zysku i braku ujednolicenia zapewniają wgląd w jakość funkcji przedsionkowych.
- Metoda pozwala na kompleksową ocenę 3D VOR.
- Wyniki mogą pomóc w diagnozowaniu zaburzeń przedsionkowych.
Wnioski
- Symulator ruchu 6DF jest cennym narzędziem do oceny funkcji przedsionkowych.
- Pomiar 3D VOR może poprawić zdolności diagnostyczne dotyczące zaburzeń przedsionkowych.
- Dalsze badania mogą poszerzyć zastosowanie tej metody w warunkach klinicznych.
Często zadawane pytania
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.
