Summary
的方法，所述测量三维前庭眼反射（三维VOR）在人类使用六个自由度（6DF）运动模拟器。的增益和不对中的三维角VOR提供前庭功能的质量的直接量度。健康受试者提供有代表性的数据
Abstract
前庭器官是一个传感器，用来测量具有六个自由度（6DF）的角速度和线加速度。完全或部分的前庭器官的缺陷，导致轻度至严重的平衡问题，如眩晕，头晕，步态，振动幻视忽快忽慢，恶心和/或呕吐。一个良好和常用的措施，以量化的凝视稳定的增益，它被定义为相对于施加的头部运动补偿眼球运动的幅度。为了测试前庭功能更充分地认识到，理想的生成三维VOR补偿眼旋转不仅与（增益）的大小相等，方向相反的头部周围，但也绕一轴线，与头部旋转轴是共线的（对应）。前庭功能异常，从而导致增益和对准3D VOR响应的变化在变化。
在这里，我们描述了一个方法来测量使用全身旋转3D VOR上6DF莫蒂平台上。尽管该方法还允许测试翻译VOR反应1，我们只限于讨论的方法来衡量3D角VOR。此外，我们把自己限制在这里说明数据收集在健康受试者响应角的正弦和脉冲刺激。
主题端端正正坐在，接受全身小振幅正弦和恒定加速度冲动的。正弦刺激（= 1赫兹，A = 4°）绕垂直轴的轴线在水平面内的方位角为22.5°增量变化之间滚动和俯仰交付。冲动交付偏航，俯仰和横滚角度和垂直管平面。眼球运动测量巩膜搜索线圈技术的2。搜索线圈信号被采样在1千赫的频率下。
来回计算投入产出比（增益）和不对的3D VOR（共线性）m的眼线圈信号3。
三维VOR增益和共线性依赖于刺激轴的方向。系统偏差被发现特别是在横轴刺激。正确对齐在光亮中，眼球的转动轴与轴方向0°和90°方位的刺激，但逐渐偏离越来越向45°方位角。
扭转（X轴或辊轴的旋转）的低增益和高增益垂直眼球运动（Y轴或俯仰轴旋转（参见图2）可以被解释为在中间轴的未对准的系统偏差。由于中间轴刺激导致的矢量求和，基于个人的眼球的转动组件的一种代偿性反应，净反应轴线会偏离，因为X-和Y-轴的增益是不同的。
在黑暗中，所有眼球的转动组件收益低ER值。其结果是，在黑暗中和冲动的不对中比光有不同的波峰和波谷的俯仰轴的轧辊轴的刺激的刺激和其最大达到其最低值。
病例报告
九门学科参加了实验。所有受试者签署知情同意书。实验过程中，伊拉斯谟大学医学中心的医学伦理委员会批准，并遵守赫尔辛基宣言涉及人类受试者的研究。
六个科目作为对照组。三科有单侧前庭损害，由于前庭神经鞘瘤。对照组（六男三女）年龄介乎22至55岁。没有任何控件有视觉或前庭投诉，由于神经，心血管，眼科疾病。
患者的年龄与schwanno马不同在44至64岁之间（两男一女）。所有神经鞘瘤受试者进行医学监察和/或曾接受治疗的othorhinolaryngologist和伊拉斯谟大学医学中心的神经外科医生组成的一个多学科小组。测试的病人都度过了一个右侧前庭神经鞘瘤，并接受了一个等待和手表政策的（ 表1，科目N1-N3）后，被诊断为前庭神经鞘瘤。他们的肿瘤已经超过8-10年的磁共振成像稳定。
Protocol
1。 6DF运动平台
前庭刺激与运动平台（ 见图1），能够产生六度自由（FCS-MOOG，Nieuw-Vennep的，荷兰），总角和平移刺激的交付。该平台移动由六个电气 - 机械执行器连接到个人计算机上使用专用的控制软件。它生成准确的动作，与六自由度。传感器执行器放置在连续监测平台的运动曲线。该器件具有小于0.5毫米的精度<0.05°的线性和角运动。在刺激过程中的振动分别为0.02°。与该设备的共振频率是75赫兹。平台运动轮廓重建使用逆动力学中的执行器和传感器信息发送到数据采集计算机。要同步的平台和眼球运动的数据时，激光束的背面，安装在车辆射击TForm的投射到一个小光电（1毫米，反应时间为10微秒）。光电池的输出电压与眼球运动数据采样的速率为1 KHz，用1毫秒的精度，并提供了一个真正的运动起始时间指示器。在离线分析，利用Matlab（Mathworks公司，马萨诸塞Natick），在平台上的执行器传感器信息平台的基础上重建的运动曲线，精确地对准平台的运动开始。
2。主题
A.客厅
受试者坐在椅子上的安装在平台（ 图2）的中心。主体的身体了四点安全带的约束中所使用的赛车。安全带被锚定的基础运动平台。椅子被环绕由PVC立方米帧的磁场线圈和服务作为支撑。场线圈系统是高度可调节的，例如，SUBJ等的眼睛中的磁场的中心。
B.头部固定
头部被固定使用单独成型的印象牙齿咬板，这是通过刚性杆连接到立方框架。一种真空枕头折叠绕在脖子上，并连接到椅子的环形空间，进一步确保固定的主体（ 图1）。此外，监察虚假头部运动刺激时，我们重视两个3D传感器（商Analog Devices Inc，诺伍德，MA）直接咬板，一个角度和线性加速度。
3。坐标系统
眼睛旋转定义在头固定，右手坐标系统（ 图3）。从主体的角度来看向左绕Z轴（偏航），在Y轴（音高）和向右旋转绕X轴（辊）的向下绕在该系统中被定义为位置的VE。到X，Y和Z的旋转轴正交的平面分别是滚动，俯仰和偏航平面（ 图3）。
4。眼动记录
双眼眼球运动记录3D巩膜搜索线圈（SKALAR，代尔夫特，荷兰）4使用一个标准的25千赫两个励磁线圈系统罗宾逊（型号EMP3020，SKALAR医疗，代尔夫特，荷兰振幅检测方法的基础上的） 5。通过该线圈信号通过模拟低通滤波器的截止频率为500 Hz，采样的上线和存储到硬盘上在1千赫的频率下具有16位精度（CED的系统运行的Spike2卷剑桥电子设计剑桥）。
5。搜索线圈校准
实验前， 在体外通过安装在线圈上的菲克胃肠方向和扭转线圈的灵敏度和非正交性验证放置MBAL系统中的磁场的中心。所有红衣主教轴旋转的万向系统，我们证实在实验中使用的所有线圈均在2％以内的所有方向对称。
在体内 ，两个线圈的水平和垂直信号被单独校准指示的主题，连续地注视了一系列的5个目标（中央的目标和目标，在10度，左，右，向上和向下），每五秒钟。在186厘米的距离投射到半透明的屏幕校准目标。导致实验后分析校准数据的灵敏度和偏移值的每个搜索线圈。然后使用这些值在分析过程写在Matlab 3。
6刺激
A.正弦刺激
该平台提供全身正弦旋转（1赫兹，A = 4°）约三个CARDI信号的轴的喙尾鳍或垂直轴（偏航），双耳轴（间距）和鼻枕轴（卷），大约中间的递增步长22.5°之间的横滚和俯仰水平轴。
在光明与黑暗交付正弦刺激。在光照下，受试者迷恋上持续点亮的视觉目标（红色LED，2毫米直径）在眼睛的水平（ 图1C左侧面板）位于177厘米面前的课题。头部被定位，这样里德的线为基础（虚线连接的鼻道外耳炎较低的轨道旋律）是在6度，从地球水平）。在黑暗中的正弦刺激期间，简要介绍视标（2秒），当平台在每两个连续的刺激之间的时间间隔期间是静止的。为了避免自发性眼球运动刺激时，受试者想象的空间位置固定目标指示注视在正弦AL刺激后的目标已关闭之前运动起病。我们验证了指令的类型主要是减少眼球运动，在黑暗中，只有少量增益（<10％）的影响。这种变异发生在所有的组件（横向，纵向和扭转）同时进行。
B.脉冲刺激
在一个灯光昏暗的环境中，持续时间短，全身冲动交付。唯一可见的刺激的主题是一个可视化的目标位在177厘米面前的课题在眼睛水平。每个脉冲重复6次，并交付以随机顺序和随机定时运动发作（间隔2.5秒和3.5秒之间变化）。冲动的档案是在第一个100毫秒的脉冲，然后是逐渐线性减小加速度的加速度恒定的100°秒-2。这刺激导致直线上升速度达到veloc性10°秒-1的后100毫秒。在前庭刺激测量角速度和线性加速度设备异常头部运动刺激幅度小于4％。响应这些冲动的眼球运动的峰值速度的100倍以上的线圈的信号的噪声电平。
7。数据分析
线圈信号被转换成菲克角，然后表示旋转向量6,7。直行从固定数据的目标，我们确定了不对中的眼睛相对于正交的主磁场线圈中的线圈。纠正这个偏移错位由三维计数器旋转信号。这也验证了圈打滑发生在实验过程中，通过验证每个运动发病前在固定的目标位置输出。
为了表达三维的眼球运动速度域，我们角速度旋转矢量数据转换回。在转换之前的旋转矢量的角速度，由零相的数据与正向和反向的20点的高斯窗（长度为20毫秒）的数字滤波器平滑。
8。正弦响应
A增益 。每个组件和三维眼速度增益的增益计算拟合正弦曲线的频率等于平台下的频率，通过水平，垂直和扭转角速度分量。增益定义为眼组件峰值速度和平台峰值速度之间的比例为每个组件分别计算每只眼睛。
乙错位。3D眼睛速轴和头部速度轴之间的错位计算使用的方法Aw和同事8,9。从两个向量的标量积不对的插件计算tantaneous角度之间的逆眼速度轴和磁头速度轴在三维空间中。三维角速度增益和不对中的每个方位取向进行比较预测的矢量求和，在0°（辊）和90°（间距）方位元件10的增益和不对中。从这个矢量求和，当滚动和俯仰的速度增益是相等的，眼球的转动轴的方向与头部旋转轴对齐时，两者是不同的，刺激和眼球的转动轴之间的最大偏差预计在45 °方位角。
9。脉冲响应
左眼和右眼的数据痕迹6演示每个运动方向分别分析。由于左眼和右眼的值几乎相同，从左眼和右眼的数据的平均值，以确定响应脉冲刺激眼睛的速度增益。所有痕迹在计算机屏幕上单独检查。当拍摄对象眨眼或扫视期间的冲动，跟踪手动丢弃。角速度分量（n = 5〜6）发病后的运动过程中的第一个100毫秒的平均值在20毫秒的时间箱（提供一种有效的低通滤波），并绘制为平台速度11,12的功能。
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Representative Results
正弦刺激光
图4（上图）显示为对照组的水平，垂直和扭转角速度分量中的光在水平面上的所有测试的正弦刺激的平均增益。扭转最大的0°的方位角，，而垂直有其最大值，在90℃。 图5显示了三维的眼睛中的光的速度增益。增益变化在0.99±0.12（间距）和0.54±0.16（卷）。测得的数据密切对应的扭转和垂直分量（ 图5的虚线）的矢量和计算出的预测值。
刺激和响应轴之间的平均偏差平均超过六个科目，如图6所示。在光刺激和反应之间的错位轴最小（5.25°）在球场逐渐增多朝卷，直到在22.5°方位角（最大偏差：17.33°）的刺激轴取向的方向，向辊轴和减少。这些值每个水平的刺激角度密切对应什么人会预测从线性的矢量求和，滚动和俯仰的贡献（ 图6中的虚线）。
正弦刺激的黑暗
在黑暗中的纵向和扭转组件的最大增益显着降低（t检验P <0.001）比光（垂直：0.72±0.19扭转：0.37±0.09）（ 图7）。此外，3D眼睛速度增益显着（t检验P <0.001）低于光（ 图8）。增益稍微高于预测值从垂直和扭转的组件（在图8中的虚线）。在黑暗中的错位是最小的在90°（音高），并逐渐增加至峰值圆0°轴（卷）。由于一个小的水平分量的存在下，在黑暗中的图案不对没有对应于从线性的矢量求和，唯一的横滚和俯 仰组件（参见图9），如预测。
脉冲刺激
全身冲动的双耳轴（俯仰）导致头部和冲动的收益约0.8低着头近增益。差异有显着性（P <0.05）。
图10中所示的横向，纵向和扭转增益部件在脉冲刺激。单独的垂直分量最大平均收益为0.85间距（90°方位角）。扭转的最大增益为0.42辊（0°方位角）。 图11所示的向量的增益。 3D眼部速度增益1.04±0.18之间变化间距为0.52±0.16卷。 28.2＆D之间的错位变化例如±0.18辊，11.53°±0.51间距。
总之，虽然冲动刺激的原因只有一个非常简短的（100毫秒）中断的视觉信息和眼球运动失调，增益有一个质的类似正弦在黑暗的刺激模式。在这两种情况下，最大的3D头部和眼球的转动轴之间的错位发生在轧辊的刺激。
患者
3D VOR非手术病人
图13显示的位置和大小的肿瘤在MRI扫描的三个非操作主体（见方法部分中的表1）。肿瘤在右侧的3起案件。主诉头晕这三个科目的变化。主题N1一个内部canicular肿瘤与最小尺寸。他提出了自己的单边HEA环问题，并没有眩晕的投诉。主题N2和N3举报投诉眩晕，虽然也有完全迷失方向的问题或营养问题。
图14显示了三个正弦波刺激的非操作主体绕水平轴线45°方位角的眼睛的位置的痕迹。在理想的情况下，这刺激唤起只有结合纵向和扭转眼球运动部件和没有水平的眼球运动。在光的刺激过程中，有一些迹象水平眼漂移科目N1和N2，而主题N3的水平向左眼球震颤（慢相的右侧）和CW扭转眼球震颤（慢相CCW）。在黑暗的主题N1很少或根本没有漂移，而科目N2和N3不稳定的出现在水平，垂直和扭转的痕迹。只有疲软的迹象不稳定，受N1是扭转，在那里小纠正扭扫视观测粘弹性阻尼器顺时针方向一致。在主题的N2和N3的扭转不稳定性较大。
为了演示在神经鞘瘤患者的三维稳定性的变化在图15中，我们提出的主题N2的横向，纵向和扭转的眼速度增益组件（顶部面板），3D增益（中图）和不对中（下图）。增益的各个组成部分的变化有直接影响3D矢量眼速度增益和不对。预测和实测的3D眼睛的速度和对齐如发现在控制之间的密切对应科目为神经鞘瘤患者不再持有。
尤其在主题N2和N3的3D眼睛在黑暗中的速度增益影响。受N2整体3D眼速度增益较低，这可以被解释为扭转收益减少（ 图15）。此外，在主题N3扭转部分受到影响。他的职权范围有理眼反应速度收益不对称。这导致两方面的增加，错位的最多。
图1。与6DF运动平台的实验装置。
图2。椅子周围的电磁场线圈系统的原理图的安装在6DF运动平台，箭头表示未能轴的旋转和平移的平台。
图3。 ð从根本上来说，根据右手法则的大是大非轴周围的旋转。底部面板显示的偏航，横滚和俯仰投影平面。
图4。平均收益水平，垂直和扭转眼速度分量。结果平均水平轴的正弦刺激所有的测试水平刺激轴在所有受试者（n = 6）在光。卡通下方给予刺激轴的方向相对于头部的顶视图。
图5。平均所有的测试水平刺激的3D眼速度增益轴平均超过所有受试者（n = 6），在光线。虚线是矢量眼速度预测从垂直和扭转元件的增益响应。卡通下方给予刺激轴的方向相对于头部的顶视图。
图6。相对于轴在正弦刺激光刺激的响应轴的不对中。下面板中的虚线表示预测的错位只有垂直和扭转的眼睛的速度分量的矢量和计算出的响应于纯沥青和纯辊刺激。错误横道一个标准偏差。
图7。平均收益水平，垂直和扭转眼速度分量。结果平均水平轴的正弦刺激所有的测试水平刺激轴在所有受试者（n = 6）在黑暗中。卡通下方给予刺激轴的方向相对于头部的顶视图。
图8。平均3D眼睛的所有测试的刺激水平轴的速度增益平均超过所有受试者（n = 6），在黑暗中。虚线是矢量眼速度的增益响应预测从垂直和扭转组件。卡通下面给出的顶视图刺激轴的方向相对于所述头上。
图9所示。响应轴相对于在黑暗中的正弦刺激过程中刺激轴的不对中。下面板中的虚线表示纯俯仰和纯辊刺激响应只有垂直和扭转的眼睛的速度分量的矢量和计算出的预测失准元。错误横道一个标准偏差。
图10。平均数的水平，垂直和扭转的眼睛的速度分量的增益响应于水平轴的脉冲刺激回复sponses给出了每隔45度的平均水平刺激轴的所有科目（N = 6）。卡通下方给予刺激轴的方向相对于头部的顶视图。
图11。平均3D眼睛速度超过所有科目的平均增益为所有的测试水平刺激轴（N = 6）冲动的刺激。虚线是矢量眼速度的增益响应预测从垂直和扭转组件。卡通下方给予刺激轴的方向相对于头部的顶视图。
图12。下面板中的虚线表示的响应期间脉冲刺激的刺激轴相对于轴的不对中。纯俯仰和纯辊刺激响应只有垂直和扭转的眼睛的速度分量的矢量和计算出的预测失准，分别。错误横道一个标准偏差。
图13。三名患者与未经治疗的神经鞘瘤的MRI扫描，神经鞘瘤在每个扫描圆表示。
图14。非经营性三个科目响应正弦小号的时间序列的例子水平轴45°方位。 面板上排：灯， 下面板一行：黑暗的timulation。在每个面板的绘制右（红色）和左（蓝色）的眼睛水平（H），垂直（V）和扭转（T）的眼睛的位置。均以右手，头固定坐标系统及所有后续的数字眼的位置和速度。在这个系统中顺时针（CW）和逆时针（CCW）从主题的角度看眼旋转定义为正值。刺激的运动表示在每个面板顶部的黑线。
图15。在黑暗中在水平轴的正弦刺激增益和错位的3D VOR的UVD主题N2顶部面板：增益。的横向，纵向和扭转眼下面给的刺激轴的方向相对于头部的中心面板的顶视图：平均在每个测试刺激轴取向的3D眼速度的速度分量卡通。虚线表示从纵向和扭转组件预测矢量眼速度增益响应。 下面板：响应轴相对于刺激轴线的未对准。下面板中的虚线表示从纵向和扭转眼的速度分量的矢量和计算出的预测失准。注意在下部面板在顶部面板和大偏差扭转低增益。 点击这里查看大图 。
| 主题 | 性别 | 年龄（岁）</ TD> | 肿瘤侧 | 肿瘤尺寸（mm） | 单侧听力损失（连接DB） | 治疗 |
| N1 | 男性 | 61 | 右 | 4 | 35 | 等待和观望 |
| N2 | 男性 | 64 | 右 | 14 | 43 | 等待和观望 |
| N3 | 男性 | 55 | 右 | 22 | 完成 | 等待和观望 |
表1中。参加实验的患者相关临床研究结果。单侧听力损失这里描述的是任何治疗前，在Fi = Flechter的指数（平均听力损失为500，1000和2000赫兹）表示。
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Discussion
本文介绍了一种方法来准确地测量3D角VOR响应在人类的整个身体旋转。该方法的优点是，它使所有三个维度的3D角VOR增益和不对的定量信息。该方法可用于基础研究，也有潜在的临床应用价值， 例如用于测试垂直管问题的患者或患者一知半解中枢前庭问题。该设备的另一个优点是能够测试平移VOR响应1。该系统的缺点是：1）成本方面的设备，场地和人员（当前的机器被开发用于飞行员训练的目的）和2）在测量过程中的不适。准确的眼运动的录音都是基于巩膜搜索线圈技术。由于其卓越的信号信噪比和无滑头安装红外摄像系统相比，这仍是上LY技术在人类与高精度测量VOR反应。防滑红外视频基地眼球追踪系统的改进急需。
数据显示，在健康受试者3D VOR响应质量的变化不仅在收益方面，而且在眼头旋转轴的旋转轴对齐。作为其他三维VOR动力学研究中还发现，有一个高增益水平和垂直眼球运动相比，扭转。这是一般的财产也被描述在横向眼动物如兔13和额叶眼的动物，如猴子和人类4，9，15，16。 VOR增益有关基数轴的刺激是密切协议与以前的研究在人类8，17，18。有一个小但显着更高的增益间距抬头相比，球场低着头冲动的。这可能与这样的事实，我们的冲动在以往的研究相比有非常明显的全身运动，参与刺激的颈部19，20。
第二个主要的发现是在刺激和反应之间的错位轴系统的变化。在光的不对中具有极小滚动和俯仰，其极大值在加号和零下45°方位角。定量地，在我们的研究中的未对准角度猴子21，22所报告的相似。
在黑暗中，在冲动的刺激，有错位相比，在整个范围内的光测试轴的正弦刺激增加两倍。在黑暗和冲动的刺激条件刺激辊轴的最大错位的结果。在辊轴的错位在黑暗的刺激比较大，其原产地在一个小而一致的水平眼球运动组件，有一个比较大的扭转配合低增益贡献的矢量增益3。
虽然在冲动的刺激，受试者观看了固定目标偏差没有显着性差异（t检验P> 0.05），在黑暗条件下的正弦刺激。这意味着，相对温和的冲动，我们使用，简要干扰视觉固定。作为一个结果，这个反应是在黑暗中的正弦刺激相似。
灵敏度的方法是体现在一小群单方面神经鞘瘤的患者。在这种非手术组，在等待观望的政策，主观的问题是可变的和相对温和的光。然而，用这种方法，我们能够证明，在黑暗中，正确的3D的3D VOR增益和对齐减值。虽然该集团是非常小的，我们的数据表明3D VOR异常的肿瘤的大小和严重程度之间的相关性。
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Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electric Motion Base MB-E-6DOF/24/1800KG * (Formerly E-CUE 624-1800) | FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, The Netherlands | ||
| Magnetic field with detector, Model EMP3020 | Skalar Medical, Delft, The Netherlands | ||
| CED power 1401, running Spike2 v6 | Cambridge Electronic Design, Cambridge | ||
| Electromagnetic search coils | Chronos Vision, Berlin, Germany |
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