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
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Трехмерные вестибулярного рефлекса Тестирование с помощью шестью степенями свободы движения платформы
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Вестибулярный аппарат представляет собой сенсор, измеряющий угловые и линейные ускорения с шестью степенями свободы (6DF). Полные или частичные нарушения работы вестибулярного аппарата приводят к проблемам с равновесием различной степени тяжести, таким как вертиго, головокружение, осциллопсия, неустойчивость походки, тошнота и/или рвота. Эффективным и часто используемым показателем для количественной оценки стабилизации взора является коэффициент усиления (gain), который определяется как амплитуда компенсаторных движений глаз относительно заданных движений головы. Для более полной проверки вестибулярной функции необходимо учитывать, что трехмерный вестибулоокулярный рефлекс (VOR) в идеале создает компенсаторные вращения глаз не только с амплитудой (коэффициентом усиления), равной и противоположной вращению головы, но и вокруг оси, коллинеарной оси вращения головы (совмещение, alignment). Таким образом, отклонения в работе вестибулярного аппарата приводят к изменению коэффициента усиления и нарушению совмещения при ответе 3D VOR.
Здесь мы описываем метод измерения 3D VOR с использованием ротации всего тела на платформе с 6 степенями свободы (6DF). Хотя данный метод также позволяет тестировать ответы VOR на поступательное перемещение 1, в данной работе мы ограничимся обсуждением метода измерения 3D углового VOR. Кроме того, здесь мы сосредоточимся на описании данных, собранных у здоровых испытуемых в ответ на угловую синусоидальную и импульсную стимуляцию.
Испытуемые находятся в вертикальном положении сидя и подвергаются воздействию синусоидальных и постоянных ускоряющих импульсов малой амплитуды всего тела. Синусоидальные стимулы (f = 1 Hz, A = 4°) подавались вокруг вертикальной оси и осей в горизонтальной плоскости с изменением от крена к тангажу с шагом 22.5° по азимуту. Импульсы подавались в плоскостях рыскания, крена и тангажа, а также в плоскостях вертикальных каналов. Движения глаз измеряли с помощью метода склеральных поисковых катушек 2. Сигналы с поисковых катушек регистрировали с частотой 1 kHz.
Коэффициент усиления (отношение выхода к входу) и смещение (колинеарность) 3D VOR были рассчитаны на основе сигналов катушек глаз 3.
Коэффициент усиления и колинейность 3D VOR зависели от ориентации оси стимула. Систематические отклонения наблюдались в частности при стимуляции по горизонтальной оси. При освещении ось вращения глаза была правильно согласована с осью стимула при ориентации 0° и 90° по азимуту, но постепенно всё больше отклонялась в сторону 45° по азимуту.
Систематические отклонения в несовпадении для промежуточных осей могут быть объяснены низким коэффициентом усиления для торсии (вращение вокруг оси X или оси крена) и высоким коэффициентом усиления для вертикальных движений глаз (вращение вокруг оси Y или оси тангажа (см. Рисунок 2)). Поскольку стимуляция промежуточной оси вызывает компенсаторную реакцию, основанную на векторном суммировании отдельных компонентов вращения глаза, результирующая ось ответа будет отклоняться из-за различия коэффициентов усиления для осей X и Y.
В темноте коэффициент усиления всех компонентов вращения глаз имел более низкие значения. В результате рассогласование в темноте и при импульсных стимулах имело иные пики и спады, чем при освещении: минимальное значение достигалось при стимуляции по оси тангажа, а максимальное — по оси крена.
Клинический случай
В эксперименте приняли участие девять добровольцев. Все участники предоставили свое информированное согласие. Процедура эксперимента была одобрена Комитетом по медицинской этике Медицинского центра Университета Эразма и соответствовала Хельсинкской декларации о проведении исследований с участием людей.
В качестве контрольной группы выступили шесть испытуемых. У трех испытуемых наблюдалось одностороннее нарушение вестибулярной функции вследствие вестибулярной шванномы. Возраст участников контрольной группы (шести мужчин и трех женщин) варьировался от 22 до 55 лет. Ни у одного из участников контрольной группы не было жалоб на зрение или вестибулярные нарушения, вызванные неврологическими, сердечно-сосудистыми или офтальмологическими заболеваниями.
Возраст пациентов со шванномой варьировался от 44 до 64 лет (двое мужчин и одна женщина). Все субъекты со шванномой находились под медицинским наблюдением и/или получали лечение в многопрофильной бригаде, состоящей из оториноларинголога и нейрохирурга Медицинского центра Университета Эразма. У всех обследованных пациентов была вестибулярная шваннома справа, и после постановки диагноза в отношении них была применена тактика активного наблюдения (Таблица 1; субъекты N1-N3). По данным магнитно-резонансной томографии, их опухоли оставались стабильными на протяжении более 8–10 лет.
Протокол
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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
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...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
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...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нам нечего раскрывать.
Благодарности
Финансируемый голландской NWO / ZonMw гранты 912-03-037 и 911-02-004.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Электрическая подвижная платформа 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 | ||
| Блок питания CED power 1401 с ПО Spike2 v6 | Cambridge Electronic Design, Кембридж | ||
| Электромагнитные поисковые катушки | Chronos Vision, Берлин, Германия |
Ссылки
- Houben, M. M. J., Goumans, J., Dejongste, A. H., Van der Steen, J. Angular and linear vestibulo-ocular responses in humans. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1039, 68-80 (2005).
- Collewijn, H., Van der Steen, J., Ferman, L., Jansen, T. C. Human ocular counterroll: assessment of static and dynamic properties from electromagnetic scleral coil recordings. Exp. Brain Res. 59, 185-196 (1985).
- Goumans, J., Houben, M. M., Dits, J., Van der Steen, J. Peaks and troughs of three-dimensional vestibulo-ocular reflex in humans. J. Assoc. Res. Otolaryngol. 11, 383-393 (2010).
- Ferman, L., Collewijn, H., Jansen, T. C., Vanden Berg, A. V. Human gaze stability in the horizontal, vertical and torsional direction during voluntary head movements, evaluated with a three-dimensional scleral induction coil technique. Vision Res. 27, 811-828 (1987).
- Robinson, D. A. A Method of Measuring Eye Movement Using a Scleral Search Coil in a Magnetic Field. IEEE Trans. Biomed. Eng. 10, 137-145 (1963).
- Haustein, W. Considerations on Listing's Law and the primary position by means of a matrix description of eye position control. Biol. Cybern. 60, 411-420 (1989).
- Haslwanter, T., Moore, S. T. A theoretical analysis of three-dimensional eye position measurement using polar cross-correlation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 42, 1053-1061 (1995).
- Aw, S. T., et al. Three-dimensional vector analysis of the human vestibuloocular reflex in response to high-acceleration head rotations. II. responses in subjects with unilateral vestibular loss and selective semicircular canal occlusion. J. Neurophysiol. 76, 4021-4030 (1996).
- Aw, S. T., et al. Three-dimensional vector analysis of the human vestibuloocular reflex in response to high-acceleration head rotations. I. Responses in normal subjects. J. Neurophysiol. 76, 4009-4020 (1996).
- Crawford, J. D., Vilis, T. Axes of eye rotation and Listing's law during rotations of the head. J. Neurophysiol. 65, 407-423 (1991).
- Tabak, S., Collewijn, H., Boumans, L. J. Deviation of the subjective vertical in long-standing unilateral vestibular loss. Acta. Otolaryngol. 117, 1-6 (1997).
- Tabak, S., Collewijn, H., Boumans, L. J., Van der Steen, J. Gain and delay of human vestibulo-ocular reflexes to oscillation and steps of the head by a reactive torque helmet. II. Vestibular-deficient subjects. Acta. Otolaryngol. 117, 796-809 (1997).
- Van der Steen, J., Collewijn, H. Ocular stability in the horizontal, frontal and sagittal planes in the rabbit. Exp. Brain Res. 56, 263-274 (1984).
- Seidman, S. H., Leigh, R. J., Tomsak, R. L., Grant, M. P., Dell'Osso, L. F. Dynamic properties of the human vestibulo-ocular reflex during head rotations in roll. Vision Res. 35, 679-689 (1995).
- Seidman, S. H., Leigh, R. J. The human torsional vestibulo-ocular reflex during rotation about an earth-vertical axis. Brain Res. 504, 264-268 (1989).
- Tweed, D., et al. Rotational kinematics of the human vestibuloocular reflex. I. Gain matrices. J. Neurophysiol. 72, 2467-2479 (1994).
- Tabak, S., Collewijn, H. Human vestibulo-ocular responses to rapid, helmet-driven head movements. Exp. Brain Res. 102, 367-378 (1994).
- Paige, G. D. Linear vestibulo-ocular reflex (LVOR) and modulation by vergence. Acta. Otolaryngol. Suppl. 481, 282-286 (1991).
- Halmagyi, G. M., Aw, S. T., Cremer, P. D., Curthoys, I. S., Todd, M. J. Impulsive testing of individual semicircular canal function. Ann. N.Y. Acad. Sci. 942, 192-200 (2001).
- Tabak, S., Collewijn, H. Evaluation of the human vestibulo-ocular reflex at high frequencies with a helmet, driven by reactive torque. Acta. Otolaryngol. Suppl. 520 Pt. 1, 4-8 (1995).
- Crawford, J. D., Vilis, T. Axes of eye rotation and Listing's law during rotations of the head. J. Neurophysiol. 65, 407-423 (1991).
- Migliaccio, A. A., et al. The three-dimensional vestibulo-ocular reflex evoked by high-acceleration rotations in the squirrel monkey. Exp. Brain Res. 159, 433-446 (2004).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
