用电 oculogram 准确记录神经症患者水平扫视的性能

Behavior

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Summary

本文介绍了一种实用的方法, 用电子 oculogram 在神经系统患者中记录高准确度的水平眼球运动, 使用一个宽塑料边缘的杯银 AgCl 电极。稳定的测量需要正确的电极选择和固定, 有足够的时间来适应光的发生, 并根据需要重新校准。

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Terao, Y., Fukuda, H., Sugiyama, Y., Inomata-Terada, S., Tokushige, S. i., Hamada, M., Ugawa, Y. Recording Horizontal Saccade Performances Accurately in Neurological Patients Using Electro-oculogram. J. Vis. Exp. (133), e56934, doi:10.3791/56934 (2018).

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Abstract

电 oculogram (EOG) 已被广泛应用于临床眼球运动记录, 尤其是水平扫视, 尽管视频 oculography (VOG) 在很大程度上取代了它现在的位置, 因为它的空间准确性较高。然而, 有些情况下, EOG 有明显的优势超过 VOG,例如,主题狭窄的眼睛裂或有白内障镜头, 和患者的运动障碍。本文表明, 如果适当地实现, EOG 可以达到的精度几乎一样好, VOG 具有相当稳定的记录, 同时规避与 VOG 记录相关的问题。本文介绍了一种实用的方法, 用 EOG 在神经质患者中使用高准确度和稳定性的动眼神经范式记录水平扫视。必要的措施是使用 AgCl 电极与宽塑料边缘能减少噪声, 并且等待充足的光适应发生。这个等待期也有助于降低电极和皮肤之间的阻抗, 从而确保稳定的信号记录随着时间的推移。此外, 在任务执行过程中需要重新校准。利用该方法, 实验者可以避免信号的漂移, 以及从肌电和脑电图中产生的工件或噪声的污染, 为扫视的临床评价收集足够的数据。因此, EOG 仍然可以是一种高实用性的方法, 可以广泛应用于神经学患者, 但也可能对正常人的研究有效。

Introduction

有三种主要的方法来记录眼球运动, 传统的 EOG, VOG 记录的视频跟踪系统, 和巩膜搜索线圈 (SSC) 方法。其中, EOG 自二十世纪七十年代以来经常用于记录患者的眼球运动, 因为它的简单性。该方法广泛应用于临床人群, 广泛应用于神经内科患者的诊断, 并提供了有关疾病的病理生理学的有用信息1,2, 3,4,5。此外, 它仍然是唯一的技术, 可用于记录眼球运动在睡眠期间 (快速眼球运动在 REM 睡眠和其他形式的眼球运动)。

由于眼球的前部, 包括角膜相对于其后部的正面充电, 有一个电压差的眼睛的前后方面称为 corneo 视网膜电位。由于这种电位的存在, 当受试者将目光转向右边时, 右电极会变得比左边更积极, 当他们把目光转向左边时, 就会变得消极。由于左、右电极之间的电压差与水平扫视的眼球旋转角度有显著的相关性, 因此可以用来测量水平眼运动。然而, 这种相关性并不能保持垂直方向, 虽然垂直 EOG 仍然可以用来测量眼球运动6。另一方面, 一些研究主要使用垂直 EOG 来监测眨眼。

然而, 最近, VOG 已经在很大程度上取代了 EOG, 因为它的空间准确性达到 0.25-0.5 度, 现在已经成为扫视记录在临床设置的标准方法。同时, EOG 已经被认为相当过时, 因为它的空间精度, 最多0.5 度, 不如 VOG。

然而, VOG 也有它自己的缺点, 如果使用在临床设置。有些情况下, VOG 是不可行的;例如, 眼睛的跟踪变得不准确的主题与狭窄的眼睛裂, 如当大面积的角膜被眼睑遮挡。在白内障晶状体患者中, 红外光的异常反射阻碍了对凝视方向的可靠记录。此外, EOG 可以提供一些人的优势, 他们的运动紊乱使 VOG 记录困难。此外, 与 EOG 的设置相比, VOG 系统更昂贵, 这往往使前者无法在普通医疗设施中使用。

另一方面, SSC 方法被认为是衡量眼球运动的黄金标准。与 VOG 和 EOG 相比, 该方法提供了最高的空间精度, 降低到0.1 度, 并且在录制涉及高频磁头运动6时尤其有用。但是, 此方法可能具有侵入性,, 疼痛且对眼睛很刺激, 只允许录制一段简短的时间, 大约在30分钟或更短的7,8,9,10.虽然在某些专用设施中成功使用了11, 但这一短时间使其成为不适用于广泛临床应用的方法。

根据以前的研究记录了250多名神经症患者和480例正常人由同一组12,13,14,15,16,17, 18,19, 本研究表明, EOG 可以准确地作为一种标准的眼球运动记录技术, 广泛适用于临床人群, 同时规避 VOG 的各种弊端。和 SSC。本篇文章描述了一种稳定的 EOG 记录方法, 使用一个宽条纹电极, 允许与皮肤广泛和稳定的接触, 类似于脑电图电极安全地连接在头皮上的火棉胶记录了很长一段时间。电极的阻抗下降, 记录随着时间的推移变得稳定, 从而有效地减少了面部肌肉和脑电图的工件。该方法与同步记录 VOG 进行了比较。当适当的准备和实施, EOG 是一样好, VOG 在记录扫视在神经系统病人的准确性方面, EOG 甚至可能更适合扫视记录在正常的主题。

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Protocol

在获得知情同意后, 本研究的所有实验程序均根据该机构的人类研究伦理委员会的指导方针予以批准和实施。

1. 准备主题和重新编码的空间

  1. 在一个低环境照明的房间里进行录音, 以允许足够的光线适应。
  2. 有受试者坐在一个黑色的凹球形的屏幕上, 测量直径90厘米, 其中含有嵌入针孔的发光二极管 (led), 它作为扫视的固定点和目标。
    注: led 在水平、垂直和倾斜的阵列中设置为黑色、凹形圆顶屏幕,, 在8个方向上从中心分离45度, 间隔为5度, 从中心开始设计, 如加藤et20进行行为和生理学研究, 并经 Hikosaka et al修改供人类使用。21
  3. 为了控制动眼神经任务, 使每个主题持有一个连接到微型计算机的微动开关按钮, 这允许主体通过按下并释放按钮来启动和终止任务试验。
    注意: 任务和数据采集由在典型 Windows PC 上运行的定制程序控制。
  4. 通过下巴和前额的休息, 以及由一个头带稳定主题的头部位置。

2. 将电极放在 EOG

  1. 使用银 AgCl 杯电极记录 EOG (图 1), 其直径为1.8 厘米, 厚度为3.5 毫米。杯底由银 AgCl 电极组成, 侧壁由5毫米厚度的塑料边缘包围, 使皮肤接触广泛。
  2. 用酒精拭子擦拭皮肤。
  3. 用电极糊填充杯子。
  4. 在塑料下放置双粘胶带, 并将边缘附着在皮肤上, 稳定地将电极固定在皮肤上。
  5. 对于通过 EOG 记录水平扫视, 将电极置于眼睛的双侧 canthi, 而用于记录垂直扫视, 将电极置于一只眼睛的上方和下方。

3. 设置放大器进行录制

  1. 使用直流 (DC) 放大器记录 EOG, 信号数字化在500赫兹。
  2. 同时记录 VOG, 采用基于视频的眼球跟踪系统, 以 500-1000 赫兹采样率记录眼球固定位置数据。
  3. 给出了水平和垂直眼睛位置的模拟输出, 并设置了数据采集系统的滤波器, 信号的低通滤波器在20赫兹。
  4. 此外, 设置过滤器, 以减弱高中频噪声, 如肌电图和脑电图。
    注: 为了分析, 需要进一步的平滑过程, 以计算扫视速度剖面从眼睛位置数据 (这里, 3 点平滑执行三次)。
  5. 如果可能的话, 测量电极和皮肤之间的阻抗, 并保持在 20 kΩ以下。

4. 放置电极作光适应后的等候期

  1. 等待 10-20 分钟后放置 EOG 电极在皮肤上, 直到足够的光适应发生。
  2. 允许记录稳定和电极凝胶之间的阻抗降低。

5. 校准 EOG 和 VOG 信号

  1. 通过让主题查看5个预先指定的位置, 在每个测试会话前执行眼睛运动校准。
  2. 更具体地说, 让主题查看中心的视觉目标和那些出现在固定点的左、右、上、下20度的 EOG 和 VOG。
  3. 调整 EOG 的增益, 当受试者盯着这些斑点, 以便使用定制的数据采集系统来监视屏幕上显示的当前眼睛位置与屏幕上显示的目标位置相匹配。

6. 使用动眼神经范式记录扫视, 并在会议期间根据需要重新校准眼睛位置

  1. 指导主题关于动眼神经范式。
    注意: 两个动眼神经任务通常用于临床研究, 视觉引导扫视 (VGS) 和 antisaccade (AS) 任务。简单地, 在 VGS 中, 当受试者按下按钮时, 中心点会在圆顶的中央点亮, 首先需要将焦点集中在这个位置上。1.5-2 秒后, 在中心固定点熄灭的同时, 将一个目标随机显示在5、10、20或30度水平的位置上。受试者被指示对这个目标进行扫视。在 "任务" 中, 让主题先按下按钮, 然后要求它们在显示的中心固定点上锁定。1.5-2 秒后, 目标跳到它的左边或右边, 类似于上面。受试者需要在中心固定点上对镜对称位置进行扫视。
  2. 让受试者按下按钮开始试验。
  3. 在会话期间, 在任务性能期间调整 EOG 的增益, 以便显示器上显示的当前眼睛位置始终与同一屏幕上同时显示的目标位置对齐。无论是 EOG 还是 VOG, 在整个实验中必要时都要进行重新校准以进行调整。
  4. 为了比较两种方法的性能, 通过一个定制的计算机程序分析了直流放大器和 VOG 的滤波和数字化 EOG 信号, 并将 EOG 和 VOG 信号一起显示在同一跟踪中。

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Representative Results

图 2显示了正常主题中 EOG 和 VOG 的具有代表性的同时记录。对 VGS 的8项试验叠加 EOG (灰色曲线) 和 VOG (红色曲线;图 2A). 通过本方法标定, EOG 和 VOG 数据在5-30 度范围内是线性的, 数据的空间精度为0.5 度。

这两种方法取得的记录基本上是相互重叠的。此外, 扫视参数 (如滞后时间和振幅) 几乎可以与两种记录方法相比较, 尽管 EOG 的速度略小 (VGS:图 2B, 如:图 2C)。

对于 EOG, 肌电图和脑电图会混淆眼球运动记录, 这通常需要使用低通滤波进行正确的眼记录。据报道, 使用低通滤波在20赫兹, 以降低峰值速度, 并增加扫视的开始轻微;VGS 和扫视的速度小于 10%, 而 EOG 测量的潜伏期比 VOG 2-3% (或 8-10 毫秒) 测量的滞后时间长, 而扫视的振幅主要可比22。另一方面, 其他组先前的研究报告说, 与 VOG 和 SSC78910相比, EOG 的扫视速度更大, 研究的差异被认为是由于使用平滑过程来计算扫视速度剖面和低通滤波, 如前所述。

Figure 1
图 1: 用于记录 EOG 的电极和胶带.该电极直径为1.8 厘米, 厚度为3.5 毫米, 底部包括银-AgCl 电极, 侧壁由5毫米厚度的塑料边缘包围。这使得与皮肤的广泛接触, 允许紧密和稳定的固定, 并有助于减少皮肤和电极之间的阻抗。由于这一点, 录音变得稳定的时间, 从而有效地减少的工件从面部肌肉和脑电图。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2:EOG 和 VOG 记录的扫视的代表性跟踪.(A) 由 EOG 和 VOG 记录的代表性跟踪。8 VGS 的痕迹叠加, 时间锁定的信号指示开始的扫视。扫视对四种不同怪癖 (5, 10, 20, 30 度) 的目标, 从中心固定点的左侧和右侧进行记录。水平轴给出时间, 垂直轴给出眼睛位置 (上迹) 或速度 (较低的痕迹)。红色曲线为 VOG, 灰色曲线为 EOG。下面的刻度标记为100毫秒间隔。灰色曲线为 EOG 测量的直流放大器, 红色曲线是为 VOG 测量的视频基于眼睛跟踪系统。当眼睛向右移动时, 痕迹向上偏转, 当眼睛向左移动时, 它们向下偏转。注意痕迹之间的实质性重叠, 只是灰色痕迹 (EOG) 相对于红色痕迹 (VOG) 略有偏移, 这意味着 EOG 相对于 VOG 的滞后时间稍长。(B) VGS 任务中 EOG 和 VOG 跟踪的比较。红色曲线为 EOG, 黑色和蓝色曲线分别为左、右眼 VOG。上部的痕迹是为眼睛的位置, 较低的数字是为眼睛的速度。再次注意到 EOG 和 VOG 的痕迹之间的实质性重叠, 但 EOG 的滞后时间稍长, EOG 的速度曲线显示出比 VOG 稍低的峰值速度。(C) 作为任务中的 EOG 和 VOG 跟踪的比较。当主题执行 AS 任务时, 类似的 EOG 和 VOG 跟踪。再次注意实质性重叠, EOG 的滞后时间稍长, EOG 的速度曲线显示的峰值速度比 VOG 略低。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

虽然目前的记录扫视的方法已成为 VOG, 但目前的研究表明, EOG 可以达到与 VOG 如果正确实现 (图 2) 的精度几乎相同。在记录水平扫视时, 目前的 EOG 方法与 VOG 有很好的相关性, 并且已在许多以前的研究中成功地使用了同一组12131415 ,16,17,18,19

诚然, VOG 的空间精确度比 EOG 高, 在临床环境中已大大取代了 EOG, 但 VOG 和 SSC 的精确度不应总是以表面值为准。EOG 已被记录与 VOG 或 SSC 结合, 并显示性能可比后两个尽管小差异7,8,9。通过 EOG、VOG 和 SSC 同时测量的扫视峰值速度的比较表明, EOG 测量的峰值速度略有变化, 但比其他两种方法78所测量的速率要快, 9。EOG 测量的速度越快, 通常归因于 EOG 记录的噪声级别越大, 例如脑电图的 alpha 和 beta 波段的污染9。另一方面, VOG 测量的峰值速度也高于 SSC 同时7所记录的流速。这种差异归因于搜索线圈的负载, 影响扫视动力学;可能滑过角膜的线圈, 特别是在眨眼的时候, 可能会降低眼球运动测量的准确性, 导致比 VOG 测量的更大的峰值速度。在本研究中, 与 VOG 相比, EOG 测量的峰值速度较低。据推测, 这是因为这里使用的低通滤波往往会降低峰值速度。因此, 每种方法的 "准确性" 的差异可能不仅是由于混杂的噪声, 而且还取决于如何处理信号 (例如,低通滤波) 以及每个记录方法的固有限制 (e. g。搜索线圈的滑动)。

同时, EOG 在某些记录情况下有明显的优势, 比其他眼球运动记录方法, i. e, 有狭窄的眼裂和白内障镜片的主题。为了调整窄眼裂的方法, 实验者可以在录音的同时将主语的眼睑贴上绷带, 但这会刺激眼睛, 导致过多的眨眼和泪水, 从而阻碍可靠的录音。相比之下, EOG 可用于白内障晶状体患者。对于 VOG, 由于与白内障晶状体相关的异常反射, 信号丢失。同样, 闪烁可能实际上 "截断" VOG 记录, 因为信号在闪烁过程中丢失。相比之下, 水平 EOG 对闪烁工件的影响较小, 但在记录中闪烁的小 "峰值" 可能会被看到。

EOG 只需要很短的时间来准备, 甚至可能适用于许多不太严重的运动障碍患者。一些神经病人可能很难稳定他们的躯干。这种运动也可能对记录 VOG 有害。考虑到这些方面, EOG 显示了足够的准确性水平的临床评估;这不是说 EOG 是天生的 "不准确" 作为一种记录眼球运动的方法。

在临床应用中记录 EOG 的实用指南已于 2017年23发表。这里的议定书扩大了这一建议, 其中包括一些附加程序, 以进一步稳定 EOG 记录。由于受试者的警觉性和环境光照等因素的影响, corneo 视网膜电位随时间而波动。corneo 视网膜电位差的大小受各种条件的影响, 在光适应过程中增加, 而暗适应则导致减少24,25。由于足够的暗适应, 因此, corneo 视网膜电位有望稳定, 导致漂移减少。为了进一步减少波动, 在整个实验过程中不断监测 EOG 的增益, 并在实验过程中进行必要的校正。这重新校准做法只采取了 10-二十年代执行, 因此这没有干预多与录音规程, 并且减少了 EOG 信号的波动。如果实验者在放置电极后等待 10-20 分钟, 就会发生足够的光适应, 电极与皮肤之间的阻抗也会减少, 并逐渐渐近线到低电平 (下降到 20kΩ)。等待期使记录的潜能在记录开始时显著稳定, 并随着时间的推移变得越来越稳定。

与本文所述的专用穹顶嵌入 led 相反, 可以使用嵌入在类似排列中的 led 的任何主板。可使用备用电流 (AC) 放大器代替直流放大器, 但在这种情况下, 由于信号衰减, 记录扫视的振幅不会足够可靠, 无法进行定性评估。具有宽边缘的电极, 也可以与皮肤保持紧密和广泛的接触, 可替代本文所描述的电极。

EOG 的一些缺点也应该得到承认。EOG 一般只适合记录水平眼球运动, 如在导言中提出。此外, EOG 方法很难可靠地评估微颤动, 而 VOG 有能力这样做。此问题特别重要, 因为扫视的峰值电位及其在高频范围26中的指纹。虽然这些方面在临床上可能存在问题, 但即使采用本议定书也无法解决这些问题, 今后的研究仍有待解决。另一方面, EOG 记录的眼睛位置信号可能受到工件和噪声的污染, 如面部肌肉肌电图和脑电图。同时, 当使用直流放大器时, 记录的 EOG 信号可以随时间漂移。这些问题可以在很大程度上解决, 通过使用一个塑料边缘的电极, 允许密切和稳定的固定, 以及减少在皮肤和电极之间的阻抗, 有效地减少周围的噪音。其次, 用上面所述的杯状电极增加凝胶和皮肤之间的接触面积, 有助于降低皮肤接触的阻抗。另一种避免漂移的方法是在电极放置后等待 10-15 分钟的时间, 直到足够的光适应发生。这个等待期也有助于进一步降低电极 (凝胶) 和皮肤之间的阻抗, 记录的 EOG 信号通常会随着时间的推移而稳定下来。在动眼神经任务的执行过程中, 重复标定和设置凝视信号的增益可以进一步提高记录质量。当记录在较长时间内录制的平滑跟踪时, 眼睛位置信号的漂移会造成问题。但是, 对于记录扫视, 其持续时间仅为几毫秒, 这通常不是问题。

总而言之, 为了实现 "准确的" EOG 记录, 不是方法论本身的问题, 而是实验者如何实现它。关键步骤是如何应对记录的不稳定性。必要的措施是使用 AgCl 电极与宽塑料边缘能有效地减少噪声, 并且等待充足的光适应。这个等待期也有助于降低电极和皮肤之间的阻抗, 从而确保记录一个稳定的信号。此外, 在任务执行过程中需要重新校准。因此, EOG 仍然可以是一种高临床实用性的方法, 可广泛应用于神经症患者, 尤其是在水平方向记录扫视。事实上, EOG 可以是一种可取的方法, 只有在经济上或在实际的临床情况下才可使用, 而且需要一种易于实施的方法, 而且不允许遗漏数据。

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Disclosures

作者对于这项研究没有什么可透露的。

Acknowledgments

Terao 博士得到了日本教育、文化、体育、科学和技术部 (16K09709,16H01497) 科研项目资助的资助。由日本教育、文化、体育、科技部 (15H05881, 16H05322, 22390181 号) 的科研项目资助资助, 并获资助。由日本卫生部和福利部关于帕金森病最佳 rTMS 治疗研究委员会的赠款;以及日本卫生部和福利部肌张力障碍研究委员会。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Electrode Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) NS111-115 cup electrode
Electrode paste Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) Gelaid Z-101BA gel electrode paste to fill in the cup electrode
Adhesive tape  Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) H261 double-stick tape for fixating the electrode
DC-amplifier Nihon-Kohden (Tokyo, Japan) AN-601G amplifier for EOG
video-based eye tracking system SR research (Mississauga, Ontario, Canada) Eyelink II eye tracking system for recording VOG
Filter NF corporation MS-521 filter for the EOG signal

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References

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