Трехмерные вестибулярного рефлекса Тестирование с помощью шестью степенями свободы движения платформы

Summary

Описан метод для измерения трехмерных вестибулоокулярной глазные рефлексы (3D VOR) в организме человека использованием шестью степенями свободы (6DF) движения симулятор. Усиления и смещения углового VOR 3D обеспечивают прямое измерение качества функционирования вестибулярного аппарата. Репрезентативные данные о здоровых субъектов предоставляются

Abstract

Вестибулярный орган - это датчик, который измеряет угловые и линейные ускорения с шестью степенями свободы (6DF). Полные или частичные дефекты вестибулярного аппарата приводят к легким или тяжелым нарушениям равновесия, таким как головокружение, осциллопсия, шаткость походки, тошнота и/или рвота. Хорошей и часто используемой мерой для количественной оценки стабилизации взгляда является усиление, которое определяется как величина компенсаторных движений глаз по отношению к наложенным движениям головы. Чтобы более полно проверить вестибулярную функцию, необходимо осознать, что 3D VOR идеально генерирует компенсаторные вращения глаза не только с величиной (усилением), равной и противоположной повороту головы, но и вокруг оси, которая коллинеарна оси вращения головы (выравнивания). Таким образом, аномальная вестибулярная функция приводит к изменениям усиления и выравниванию отклика 3D VOR.

Здесь мы описываем метод измерения 3D VOR с использованием вращения всего тела на платформе движения 6DF. Хотя метод также позволяет тестировать поступательные отклики VOR ¹, мы ограничимся обсуждением метода измерения 3D углового VOR. Кроме того, мы ограничимся здесь описанием данных, собранных у здоровых пациентов в ответ на угловую синусоидальную и импульсную стимуляцию.

Испытуемые сидят прямо и получают синусоидальные импульсы малой амплитуды и постоянного ускорения всего тела. Синусоидальные стимулы (f = 1 Гц, A = 4°) подавались вокруг вертикальной оси и вокруг осей в горизонтальной плоскости, изменяющихся от крена до тангажа с шагом 22,5° по азимуту. Импульсы подавались по рысканию, крену и тангажу, а также в плоскостях вертикального канала. Движения глаз измеряли с помощью техники склеральной поисковой катушки ². Дискретизация сигналов поисковой катушки проводилась с частотой 1 кГц.

Отношение входа-вывода (усиление) и несоосность (колинейность) 3D VOR были рассчитаны по сигналам глазной катушки ³.

Усиление и колинейность 3D VOR зависели от ориентации оси стимула. Систематические отклонения были обнаружены, в частности, при стимуляции горизонтальной оси. На свету ось вращения глаза была правильно выровнена по оси стимула в ориентациях 0° и 90° азимута, но постепенно все больше отклонялась в сторону 45° азимута.

Систематические отклонения в смещении для промежуточных осей можно объяснить низким усилением при кручении (вращение оси X или оси качения) и большим усилением при вертикальных движениях глаз (ось Y или вращение оси тангажа (см. рис. 2). Поскольку стимуляция промежуточной оси приводит к компенсаторному ответу, основанному на векторном суммировании отдельных компонентов вращения глаза, результирующая ось отклика будет отклоняться, поскольку усиление для осей X и Y различно.

В темноте усиление всех компонентов вращения глаз имело меньшие значения. В результате рассогласование в темноте и для импульсов имело иные пики и впадины, чем на свету: его минимальное значение было достигнуто для стимуляции оси тангажа, а максимальное — для стимуляции оси крена.

Презентация кейса

Девять испытуемых участвовали в эксперименте. Все испытуемые дали свое информированное согласие. Экспериментальная процедура была одобрена Комитетом по медицинской этике Медицинского центра Университета Эразма и соответствует Хельсинкской декларации для исследований с участием человека.

Шесть испытуемых служили контрольными. У трех пациентов было одностороннее вестибулярное нарушение из-за вестибулярной шванномы. Возраст участников контрольной группы (шесть мужчин и три самки) варьировал от 22 до 55 лет. Ни у одного из контрольных наблюдателей не было визуальных или вестибулярных жалоб из-за неврологических, сердечно-сосудистых и офтальмологических нарушений.

Возраст пациентов с шванномой варьировался от 44 до 64 лет (двое мужчин и одна женщина). Все пациенты с шванномой находились под медицинским наблюдением и/или получали лечение многопрофильной командой, состоящей из оториноларинголога и нейрохирурга Медицинского центра Университета Эразма. Все протестированные пациенты имели правую сторону вестибулярной шванномы, и им была назначена выжидательная тактика (Таблица 1; субъекты N1-N3) после постановки диагноза вестибулярной шванномы. Их опухоли были стабильны более 8-10 лет на магнитно-резонансной томографии.

Protocol

1. 6DF движения платформы

Вестибулярная стимулы были доставлены с подвижной платформе (см. рисунок 1), способных генерировать угловых и поступательных стимулов в общей сложности шестью степенями свободы (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Нидерланды). Платформа перемещается шесть электромеханический привод подключен к персональному компьютеру с выделенным программным управлением. Он генерирует точные движения с шестью степенями свободы. Датчиков, установленных в приводах постоянно контролируется профиля платформы движения. Устройство имеет <0,5 мм точность линейных и <0,05 ° для угловых перемещений. Вибрация во время стимуляции были 0,02 °. Резонансная частота устройства составляла> 75 Гц. Профиль платформы движения была реконструирована от датчика информации в исполнительные элементы обратной динамики и отправляться на компьютер сбора данных. Для синхронизации платформы и данные движения глаз, лазерный луч был установлен на задней стороне плаTForm и проецируется на небольшой фотоэлемент (1 мм, время реакции 10 мкс). Выходное напряжение фотоэлемента отбирали со скоростью 1 кГц вместе с данными движения глаз и при условии, реальный показатель времени начала движения с точностью 1 мс. В автономном анализа с использованием Matlab (Mathworks, Natick, MA), реконструированный профиль движения платформы на основе информации датчика приводов в платформу точно выровнены с началом вращения платформы.

2. Тематика

А. Гостиный

Объекты сидя на стуле установлен в центре платформы (рис. 2). Тела субъекта был сдержан с четырех пунктов ремней безопасности, используемый в гоночных автомобилях. Ремни были прикреплены к основанию движение платформы. Кафедра была окружена ПВХ кубических рамы и служила опорой для катушек. Система поля катушки регулируется по высоте, так что Subjглаза т.д. были в центре магнитного поля.

B. Глава фиксации

Глава иммобилизуется использованием индивидуально изготовленные Дентал-впечатление укуса доска, которая была прикреплена к кубическим корпусом через жесткий стержень. Вакуумные подушки сложены вокруг шеи и кольца при кафедре дальнейшем обеспечена фиксация субъекта (рис. 1). Кроме того, для контроля ложных движений головы во время стимуляции, мы прикрепили два 3D-сенсоры (Analog Devices Inc, Норвуд, Массачусетс) непосредственно на укус доске, по одному для угловых и один для линейных ускорений.

3. Система координат

Глаз вращения определяются в лобовом фиксированной правой системы координат (рис. 3). В этой системе с точки зрения субъекта смотреть влево вращение вокруг Z-оси (рыскания), вниз вращения вокруг оси Y. (шаг) и вправо вращение вокруг оси Х (рулон) определяются как Positiве. Плоскостях, перпендикулярных к X, Y и Z осей вращения, соответственно, крена, тангажа и рыскания плоскости (рис. 3).

4. Записи движений глаз

Движения глаз обоих глаз были записаны с 3D склеральное катушки поиска (Skalar, Делфт, Нидерланды) ⁴ с помощью стандартного 25 кГц две катушки системы, основанной на амплитудный метод обнаружения Робинсон (модель EMP3020, Skalar медицинский, Делфт, Нидерланды) ^5. Катушка сигналы прошли через аналоговый фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц и пробовал он-лайн и хранится на жесткий диск с частотой 1 кГц и 16-битной точностью (CED система работает Spike2 V6, Cambridge Electronic Design , Кембридж).

5. Калибровка поисковой катушки

До экспериментов, чувствительность и неортогональности направлении и кручение катушки была проверена в лабораторных условиях путем установки катушки на Фик Г.И.MBAL системы, помещенной в центре магнитного поля. При вращении карданный система по всем кардинальным оси мы убедились, что все катушки, используемые в экспериментах были симметричны по всем направлениям в пределах 2%.

В естественных условиях, горизонтальные и вертикальные сигналы обеих катушек были индивидуально калиброванные, инструктируя подлежат последовательно зафиксировать серию из пяти мишеней (центральная цель и цели на 10 градусов влево, вправо, вверх и вниз) в течение пяти секунд каждый. Калибровка цели были проецируется на полупрозрачный экран на расстоянии 186 см. Сообщение эксперимента анализ данных калибровки в результате чувствительности и смещения значений для каждой катушки поиска. Эти значения были затем использованы при анализе процедуры, написанные на Matlab ^3.

6 Стимуляция

А. Синусоидальная стимуляции

Платформа поставляется всего тела синусоидального вращения (1 Гц, = 4 °) относительно трех сердечноНАЛ осей: ростральной-каудальной или вертикальной оси (рыскания), межушной оси (шаг) и носовая-затылочной оси (крен), а также о промежуточных горизонтальных осей увеличивается с шагом 22,5 ° между крена и тангажа.

Синусоидальная стимулы были поставлены в свет и тьма. В свете, предметы фиксироваться на непрерывно освещенной визуального цели (красный светодиод, 2 мм в диаметре) расположен 177 см от предмета на уровне глаз (рис. 1C левая панель). Голова была расположена так, что линия Рейда было основание (мнимой линии, соединяющей наружный слуховой проход с нижней орбитальной Cantus) была в пределах 6 градусов от земли горизонтально). Во синусоидальной стимуляции в темноте, визуальный цель была кратко представлена ​​(2 секунды), когда платформа была стационарная в течение каждого интервала между двумя последовательными стимулами. Чтобы избежать спонтанных движений глаз во время стимуляции, субъекты были проинструктированы для фиксации расположения мнимых пространства фиксированной мишенью во время синусоидедр. стимуляции после того как цель была выключена непосредственно перед началом движения. Мы проверили, что тип команды основном сократили движений глаз, сделанные в темноте, и имела лишь небольшое влияние на усиление (<10%). Эта изменчивость происходит во всех компонентах (горизонтальные, вертикальные и кручение) одновременно.

B. Импульс стимуляции

Короткие импульсы длительностью целого тела были доставлены в условиях недостаточной освещенности. Единственным видимым стимулом имеющейся у субъекта была визуальной мишени, расположенной в 177 см от предмета на уровне глаз. Каждый импульс повторяется шесть раз и доставлены в случайном порядке и со случайными времени начала движения (интервалы варьировать между 2,5 и 3,5 сек). Профиль импульсов был постоянным ускорением 100 ° сек ^-2 течение первых 100 мс импульса, с последующим постепенным линейное уменьшение ускорения. Этот стимул привел к линейному увеличению скорости достижения скоростейность 10 ° с ^-1 через 100 мс. Аберрантный движения головы во время стимуляции вестибулярного измеряется угловой скорости и линейные ускорения устройства были меньше, чем 4% от амплитуды стимула. Пик скорости движения глаз в ответ на эти импульсы в 100 раз выше уровень шума катушки сигналов.

7. Анализ данных

Катушка сигналы были преобразованы в углах Фик, а затем выражается как векторы вращения ^6,7. От фиксации данных для этой прямой мы определили смещение катушки в глаза относительно ортогональных первичного магнитного поля катушки. Сигналы были исправлены для этого радиального смещения по трехмерным счетчик вращения. Было также подтверждено, что нет виток проскальзывания не произошло в ходе эксперимента путем проверки позиции вывода во время фиксации целевого перед каждым движением начала.

Чтобы выразить 3D движения глаз по скорости домена,мы преобразовали данные вектора вращения обратно в угловую скорость. До преобразования вращения вектора угловой скорости, сглаживается данных нулевой фазе с прямым и обратным цифровой фильтр с 20-точечное гауссово окно (длиной 20 мс).

8. Синусоидальная Ответы

Gain. Коэффициент усиления каждого компонента и 3D усиления скорости глаз был рассчитан путем установки синусоиды с частотой, равной частоте платформы через горизонтальные, вертикальные и кручение угловые компоненты скорости. Коэффициент усиления для каждого компонента определяется как отношение между глазом компонент пиковой скорости и скорости платформы пик рассчитывается отдельно для каждого глаза.

B смещения. Рассогласования между 3D скорость оси глаз и оси скоростной напор был рассчитан с использованием подхода Aw и коллег ^8,9. От скалярного произведения двух векторов смещения рассчитывается как модулиtantaneous углом в трех измерениях между обратная скорость оси глаз и оси скоростного напора. 3D углового коэффициента усиления скорости и смещения для каждой азимутальной ориентации сравнивали с коэффициентом усиления и смещения предсказанный вектор с суммированием 0 ° (рулон) и 90 ° (шаг) азимутальный компонент ^10. Из этого вектора суммирование следует, что при скорости усиления для крена и тангажа равны, ориентации оси вращения глаз совпадала с осью вращения головы, когда две разные, максимальное отклонение между стимулом и ось вращения глаз ожидается на 45 ° азимуту.

9. Импульсных характеристик

Левый и правый глаз данные следы шести презентаций для каждого направления движения были проанализированы отдельно. Потому что левый и правый глаз значения были почти идентичны, данные из левого и правого глаза были усреднены, чтобы определить прирост скорости глаз в ответ на импульс стимуляции. Все следы былииндивидуально проверены на экране компьютера. Если объект сделан мигать или саккады во время импульса, который был вручную следа отбрасываются. Угловое компоненты скорости (N = 5 и 6) в течение первых 100 мс после начала движения были усреднены во времени бункеров 20 мс (при условии эффективной фильтрации нижних частот) и на графике как функцию скорости платформы ^11,12.

Results

Синусоидальная световой стимуляции

Рисунок 4 (верхняя панель) показывает в контрольной группе среднее усиление горизонтальные, вертикальные и кручение угловые компоненты скорости для всех тестируемых синусоидальный стимуляции в горизонтальной плоскости на свету. Кручение была максимальной при 0 ° азимут, в то время как вертикальная было своего максимума в 90 °. На рисунке 5 показана 3D усиления по скорости глаза на свету. Усиление увеличивается варьировала от 0...

Discussion

Эта статья описывает метод для точного измерения угловых 3D VOR, реагируя на целые вращений тела в организме человека. Преимущество метода в том, что он дает количественную информацию о усиления и смещения углового VOR 3D во всех трех измерениях. Метод полезен для фундаментальных исследований, а также имеет потенциальное клиническое значение, например, для тестирования пациентов с проблемами канала вертикального или пациентам с неправильно истолкована центральных вестибулярных проблем. Другим преимуществом данн...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Электрическая подвижная база MB-E-6DOF/24/1800KG * (ранее E-CUE 624-1800)	FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Нидерланды
Магнитное поле с детектором, модель EMP3020	Skalar Medical, Делфт, Нидерланды
CED power 1401, под управлением Spike2 v6	Cambridge Electronic Design, Кембриджские
электромагнитные поисковые катушки	Chronos Vision, Берлин, Германия