眼電図を用いた神経患者の水平眼球運動性能を正確に記録

Behavior

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Summary

記事では、広いプラスチック フリンジ付きカップ銀-塩化銀電極を使用して、神経の患者で眼電図による高精度な水平方向の眼球運動を記録するための実用的な方法について説明します。安定した計測には、適切な選択と発生する光への適応と再校正の必要に応じて十分な時間を割いて、電極の固定が必要です。

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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

眼電図 (EOG) は、ビデオ病症 (VOG) 主が起こった、それにともなって、その高い精度が臨床的眼球運動記録、特に水平方向のサッケードのため広く使用されています。しかし、EOG が VOG、狭い目裂や白内障のレンズを有する科目などの明確な利点を持っている場合があり、運動障害の患者。現在の説明は、正しく実装されている場合 EOG を達成できることと同じくらいよく VOG 実質的な安定性、記録のため精度 VOG 記録に関連する問題を回避します。本稿では、神経学的患者の眼球電図による安定性と高精度眼球運動のパラダイムを使用して水平方向のサッケードを記録するための実用的な方法について説明します。必要な措置は、ノイズを減少させることができる広いプラスチック フリンジ付き銀-塩化銀電極を使用して発生する十分な光適応を待ちます。この待機期間はまた電極と皮膚の間のインピー ダンスを下げるに役立ちますは、時間が経つにつれ記録安定した信号を確保します。さらに、タスク パフォーマンスの間に必要に応じて再キャリブレーションを実行します。このメソッドを使用すると、実験者は信号、ドリフトだけでなく、成果物または脳波、筋電図からのノイズの混入を避けることができるし、サッケードの臨床評価のための十分なデータを収集できます。したがって実装されると、EOG 法、神経学的な患者に広く適用できる実用性の高することができますが健常者の研究のためにも効果的な場合があります。

Introduction

眼球運動、従来 EOG ビデオベースの目追跡システム、および、強膜サーチコイル (SSC) 法によって記録された VOG を記録する 3 つの主要な方法があります。その中で、そのシンプルさのため、1970 年代から患者の眼球運動を記録するため EOG によく使用されています。臨床人口に広く適用できる、このメソッド神経患者の診断に広く用いられている、障害12の基礎となる病態に関する有用な情報を提供して 3,4,5。さらに、それはまだ動けなかった (レム睡眠と眼球運動の他の形態の間に急速な目動き) の睡眠中の眼球運動を記録するために使用できる唯一のテクニックです。

眼球の後面を基準にして角膜を含むその前方の面で正荷電、ので角膜網膜電位と呼ばれる目の前部と後部の側面間の電圧差があります。この潜在的な存在のため右の電極が被験者が右に向かって視線を変わったら左より肯定的になるし、彼らは左に視線を向けるときにマイナスになります。左と右の電極間の電圧差は、水平方向のサッケードの眼球の回転角度と大幅相関、ので、水平方向の眼球運動を測定する使用できます。しかし、まだ垂直眼球運動は以下の6の目の動きを測定する使用できますがこの相関関係は、鉛直方向は保持しません。その一方で、いくつかの研究は、主に点滅を監視するため垂直眼球運動を使用します。

しかし、最近、VOG は 0.25 ・ 0.5 度まで達してその高い空間精度による眼球運動の場所を撮影が主、サッカード臨床設定の記録のための標準的な方法となっています。一方、EOG は空間の正確さ、せいぜい 0.5 度は VOG のそれに劣るので幾分旧式に、考慮するのに来ています。

ただし、臨床設定で使用される場合、VOG も自身の欠点をあります。VOG が実現可能なのではない場合があります。たとえば、視線は角膜の大きい領域がまぶたに遮蔽されたときなど裂狭目で科目で不正確になります。患者は白内障のレンズ、赤外光の異常な反射は視線方向の信頼性の高い記録を妨げます。さらに、EOG は誰のためいくつかの人々 のための運動障害は、VOG 記録の困難の利点を提供できます。さらに、VOG システムは、しばしば前者が普通の医療施設における使用できなくなります EOG のセットアップと比較してより高価です。

その一方で、SSC メソッドは眼球運動を測定するためのゴールド スタンダードとしてみなされます。VOG と眼電図と比べると、このメソッドは 0.1 度に最高の精度を提供します、記録を含む頭部運動に高周波6とき便利です。ただし、このメソッドは、可能性のある外来すなわち、痛みを伴うと、目に非常に刺激でき、約 30 分、87,短い9,10 の下で、短い期間だけのための記録.この短い期間によりそれメソッドの広範な臨床応用には不向きが、それはいくつかの専門にされた設備11で正常に使用されています。

同じグループ12,13,14,15,16,17、250 以上の神経学的な患者と 480 の健常人の記録以前の研究に基づく 18,19, 本研究を示しています、眼球運動、眼球運動記録の標準的な技術として十分な精度と VOG のさまざまな欠点を回避しながら、臨床の人口に広く適用できます。SSC。本稿では、記録方式、皮膚、コロジオン ・長い期間を記録するために頭皮に安全に接続されている脳波電極のようなワイドで安定した接触を許可するように広い縞電極を用いた安定した EOG について説明します。電極のインピー ダンスがダウンし、記録となるとともに、安定したそれにより効果的に顔の筋肉や脳波からの成果物を減らします。このメソッドは、同時に記録された VOG と比較されます。適切に準備し、実装、EOG は神経患者の記録のサッケードの精度の面で VOG と同じくらい良いと EOG はサッカード健常者で記録するのに向いているかもしれません。

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Protocol

本研究の実験手続きをすべて承認、インフォームド コンセントの取得後に機関の人間研究倫理委員会のガイドラインによると実施します。

1. 件名および記録のための部屋を準備します。

  1. 低周囲の照明、光の十分な適応を許可する部屋の記録を実行します。
  2. 注視点となるピンホールに埋め込まれた光発光ダイオード (Led) と眼球運動のパラダイムに使用するサッカード ターゲットを含む直径科目ドーム状ブラック、凹面の前に座って画面測定 90 cm があります。
    注: Led は黒、凹面ドーム状スクリーンで、すなわち、もともと加藤によって考案されたセンターから 5 度の間隔で、センターから 45 度で区切って 8 方向に水平・垂直・斜め配列で並べら。行動生理学的研究のための20彦坂によって人間の使用に変更します。21
  3. 眼球運動タスクを制御するには、サブジェクトを開始し、ボタンを押し作業試験を終了することができます、マイコンに接続されているマイクロ スイッチのボタンを押したまま各科目を作る。
    注: タスクとデータ集録は、典型的な Windows PC 上で動作するカスタムメイド プログラムによって制御されます。
  4. あごとおでこにかかっている、およびヘッド バンドによって被写体の頭の位置を安定させます。

2. 場所 EOG 用電極

  1. 銀-塩化銀カップ電極を使用して、直径 1.8 cm、厚さ 3.5 mm のある眼電図 (図 1) を記録するため。カップの底銀-塩化銀電極と外側の壁は皮膚に広い接触を有効にする 5 mm 厚のプラスチック製フリンジに囲まれています。
  2. アルコール綿で皮膚を拭きます。
  3. 電極ペーストをカップを埋めます。
  4. 安定してプラスチックの下に両面粘着テープを置くことによって皮膚に電極を固定し、フリンジを皮膚に添付します。
  5. 眼球運動による水平方向のサッケードを記録するためには、目の二国間の canthi で電極を配置に対し垂直方向のサッケードを記録するための上と下の 1 つ目の電極を配置。

3. 録画用にアンプを設定します。

  1. 直流 (DC) を使用して、-500 Hz でデジタル化された信号で、眼球運動を記録するためのアンプです。
  2. ビデオ式眼 500 1,000 Hz のサンプリング レートで、眼球固定位置データを記録するシステムを追跡を使用して同時に、VOG を記録します。
  3. 水平・垂直眼球位置のアナログ出力をフィードし、20 hz 信号の低域通過フィルターとデータ集録システムのフィルターを設定します。
  4. また、筋電図、脳波などの高い中間周波数ノイズを減衰させるフィルターを設定します。
    注: 解析、さらにスムージング処理は眼球位置データから眼球速度分布を計算するために必要な (ここでは、3 ポイントの平滑化を行った 3 回)。
  5. 電極と皮膚の間のインピー ダンスを測定できれば、20 kΩ 下記保管してください。

4. 光適応のため電極を配置した後の期間を待っています。

  1. 光の十分な適応が行われるまで、皮膚に EOG 電極を配置した後、10-20 分を待ちます。
  2. 安定させるために記録と減少する電極ゲル間のインピー ダンスを許可します。

5. EOG と VOG 信号を調整します。

  1. 5 事前に指定された場所を見て課題を持っていることによって各テスト セッションの前に目の動きの校正を実行します。
  2. 具体的には、中央、上、左、右、20 度を表示および下方注視点、EOG と VOG の両方の視標を表示科目を作る。
  3. コンピューター画面に表示される現在の目の位置を監視するためのカスタム データ集録システムを使用して、画面に表示されるターゲットの位置を一致するようにこれらのスポットでじっと見つめる対象としての EOG のゲインを調整します。

6. サッケード眼球運動のパラダイムを使用してを記録し、セッション中に必要に応じて、目の位置を再調整

  1. 眼球運動のパラダイムについて被験者に指示します。
    注: 2 つの眼球運動タスクは通常視覚誘導眼球運動 (VGS) 臨床研究使用と (タスクとして) antisaccade。簡単に、vgs、被験者がボタンを押すときも、ドームの中央に中央のスポットが点灯しているし、まずこの場所に固執する必要がある対象。1.5-2 秒後、ターゲットはランダムに場所に 5、10、20、または 30 度水平方向を左または右、それ同時として提示中央固定のスポットが消滅しました。被験者は、その目標に向かってサッカードを作るよう指示されます。としてタスクの最初のボタンを押して、科目を作ると同じように中央の注視点に固執します。1.5-2 秒後に、ターゲットは、上記のようなそれの右または左にジャンプします。被験者は、中央固定スポット ミラー対称位置に向かってサッカードを作成する必要があります。
  2. 科目試験を開始」とボタンがあります。
  3. セッション中にモニターに表示される現在の目の位置が常に同じの画面に同時に表示されるターゲットの位置に揃うようにタスク パフォーマンスの間に EOG のゲインを調整します。両方の眼球運動と VOG、調整実験期間中必要なときの再キャリブレーションを実行します。
  4. 2 つの手法の性能を比較するには、特注プログラムによる直流増幅器と VOG からフィルター処理およびデジタル化された EOG の信号を分析し、同じトレースの眼球電図と VOG 信号を一緒に表示します。

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Representative Results

図 2は、正常者の眼球電図と VOG の代表的な同時記録を示します。VGS の 8 試験は EOG (灰色の曲線) と VOG (赤い曲線の重ね合わせ図 2A). 本法による校正、EOG と VOG データは 5-30 度の範囲で線形に知られて、データの空間精度は 0.5 度。

大きく 2 つの方法で取得されたレコードは、お互いと重複します。また、遅延や振幅などの眼球運動パラメーターは 2 つの録音方法にほぼ匹敵する速度は EOG の小さめ (VGS:図 2BAS:図 2C)。

EOG の筋電図、脳波できます混同目動きの記録、通常適切な目の記録の低域通過フィルターの使用を必要とします。ピーク速度が低下し、若干; サッケードの発症を増加、20 Hz の低域通過フィルターの使用が報告されています。サッケードの速度は VGS の MGS、10% まで小さく、眼球運動測定待ち時間が 2-3% (または 8-10 ms 程度)、サッケードの振幅は主として対等な22VOG による測定よりも長い。その一方で、VOG と SSC7,8,9,10と比較して EOG の大きい眼球運動速度を報告している他のグループ前の調査と研究間の不一致が考えられていたサッケード速度分布と低域通過フィルター前述を計算する平滑化プロシージャの使用。

Figure 1
図 1: 電極と眼球運動を記録するために用いられる粘着テープします。電極は直径 1.8 cm、肉厚 3.5 mm、下部は銀-塩化銀電極を装備されている、外側の壁は厚さ 5 mm のプラスチック製のフリンジに囲まれています。これは近く、安定した固定ができるように、皮膚に広い接触を有効に、皮膚と電極間のインピー ダンスを減らすのに役立ちます。このため、録音安定となるとともに、それにより効果的に顔の筋肉や脳波からの成果物を減らします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2:サッカード眼球運動と VOG によって記録された代表的なトレース.(A) 代表的なトレース EOG と VOG によって記録されました。8 VGS トレースを重ね合せ、サッケードの開始を指示する信号に時間ロックします。4 別の奇行 (5、10、20、および 30 度) 左と中央の固定場所から右のターゲットに向かってサッカードが記録されます。横軸は時間を与えるし、垂直軸を与える目の位置 (上側) または速度 (低いトレース)。赤の曲線は、VOG とグレーの曲線は、眼球運動です。以下のタイマー刻みは、100 ミリ秒間隔でマークされます。グレーの曲線は、直流増幅器によって測定される EOG と赤の曲線は、ビデオベースの目追跡システムを用いて VOG。トレースを上向きに逸らす目を右に移動と目を左に移動、下向きをかわします。グレー トレース (EOG) は少し VOG を基準にして EOG のわずかに長い待ち時間を意味赤の痕跡 (VOG) に比べて右に向かって転置されることを除いては、トレース間の実質的な重複に注意してください。VGS タスクの眼球電図 (B) 比較と VOG 跡。赤の曲線は、EOG と黒と青の曲線は、それぞれ左と右の目の VOG です。上のトレースは目の位置、そして下の図は、眼球運動です。EOG のトレースと VOG、間に相当な重複を注意してもう一度、待ち時間が少し長く EOG、EOG の速度曲線 VOG のそれよりも若干低いピーク速度を示しています。眼球電図 (C) の比較と VOG 跡としてタスク。同様の眼球電図と VOG、科目としてのタスクを実行するときをトレースします。実質的な重複と待ち時間は EOG、少し長くと眼球運動の速度曲線 VOG のそれよりも若干低いピーク速度を示しています再度注意してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

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Discussion

この頃、サッケードを記録するため現行の法、VOG となっているが本研究の結果、EOG VOG (図 2) が正しく実装されている場合にほぼ匹敵する精度を達成することができます。EOG 法は、水平方向のサッケードを録音するとき、VOG と良い相関を達成するために示されている正常に同じグループ12,13,14,15 による先行研究の多くで使用されています ,16,17,18,19

確かに、VOG EOG より空間精度が高く、臨床場面における眼球運動に代わりましたが、VOG と SSC の高精度必要があります常に額面で取られるないです。EOG は、VOG または SSC との組み合わせで記録されているし、示しているパフォーマンス後者に匹敵する 2 つの小さな違い7,8,9にもかかわらず。同時に一貫して EOG、VOG、SSC により測定速度, 最大速度の眼球運動による測定は、他 2 つの方法78で観測されたものより少しでも一貫して高速眼球運動ピークの比較 9。EOG を用いてこの高速速度は一般的にアルファとベータ脳波9バンドからの汚染などの眼球運動記録の大きい騒音レベルに帰されます。一方、VOG によって測定されるピーク速度はよりも高い SSC で同時に記録された7。この違いはサッカード特性に影響を与える検索コイルの負荷に起因します。点滅し、特に中に、角膜にコイルの可能な滑りは VOG によってわずかに大きいピーク速度よりも SSC で測定につながる、眼球運動の測定の正確さを減らすことができます。本研究ではピーク速度は低い VOG と比較して EOG で測定したときでした。おそらく、これはここで使用されるローパス フィルター処理ピーク速度を減少する傾向があるためにです。したがって、交絡のノイズは、信号のしかしまたにするだけでなく原因ことの「正確さ」それぞれの方法論の違いとして処理される (例えば、低域通過フィルター) 各記録方式の制限だけでなく (e.g、。検索コイルのすべり)。

一方、EOG は明確な録音状況によっては、すなわち方法を記録、その他の眼球運動優位。、科目狭い眼裂と白内障のレンズ。狭目の方式を調整するには、裂、実験者は、録音中の被験者のまぶたをテープことができますが、これは目を刺激し、過度の点滅と涙、信頼性の高い記録を阻害する結果します。対照的に、EOG は白内障のレンズを持つ患者で使用できます。VOG、信号は白内障のレンズに関連付けられている異常な反射により失われました。同様に、点滅が事実上「切り捨て」VOG レコード中に点滅信号が失われるため。対照的に、水平眼球運動が少ないアーチファクトの影響で点滅、レコードで点滅に対応する小さな「スパイク」を見ることができます。

EOG は準備のため短時間のみを必要とし、以下の重篤な運動障害を持つ多くの患者さんに該当する可能性も。いくつかの神経学的な患者のトランクの安定の難しさがあります。このような動きは、VOG をも記録するため有害な可能性があります。これらの側面を考慮した眼球運動は十分なレベルの臨床評価の精度を示しています。EOG は眼球運動を記録するための方法として「正確な」本質的にないことじゃないです。

臨床応用で、眼球運動を記録するための実用的なガイドラインは、2017年23に掲載されています。ここのプロトコルでは、眼球運動記録をさらに安定させるためにいくつかの追加の手順を含むこの提案を拡張します。角膜網膜電位覚醒科目や環境影響など周囲の光のよう時間要因で変動します。暗順応低下24,25角膜網膜の電位差の大きさは光適応中に様々 な条件と増加に影響されます。十分な暗順応、したがって、角膜網膜電位と予想されます、安定ドリフトの低減に 。変動を減らすためにさらに、EOG の利得は継続的に監視、実験を通して、再校正を実験を通して必要な場合の調整も行った。この再校正手順を取ったこれレコーディング手順をはるかに介入しなかったし、眼電図信号の変動を低減、実行に 10-20 s のみ。実験者は、電極を配置した後 10 ~ 20 分待機、光の十分な適応が行われ、電極と皮膚の間のインピー ダンスがまた減少し徐々 に漸近線 (20kΩ) まで低レベルに。待機期間は、記録された潜在的な録音の初めから劇的に安定し、時間とともにますます安定できます。

この記事で説明したように Led を埋め込む特殊なドーム、代わりに同じような整理に埋め込まれた Led と任意のボードを使用します。代替電流 (AC) アンプは直流増幅器の代わりに使用できますが、この場合、記録のサッケードの振幅されません定性的な評価の十分な信頼性の高い信号減衰のため。維持するために機能の広い縞を持つ電極を閉じて、この資料に記載されている電極の皮膚と広い接触を代えることができます。

EOG のいくつかの欠点を認めてもする必要があります。EOG は、一般的にだけで十分です水平眼球運動を記録するため導入に掲げられました。VOG がそう能力を持っているに対しさらに、EOG 法によるマイクロ ・ サッカードを確実に評価することは困難です。この問題は、潜在的な衝動性眼球運動のスパイクと高周波範囲26では、指紋のため特に重要です。これらの側面は、臨床において問題となることができるが、この議定書にも解決できないし、するまま対処将来的に研究。その一方で、眼球運動によって記録された目位置信号はアーティファクトやノイズから顔の筋肉や脳波筋電図などによって汚染されることができます。また、DC 増幅器を使用すると、記録された眼電図信号が時間でドリフトすることが。これらの問題は、主として皮膚と周囲の騒音を効果的に低減、電極間のインピー ダンスの低減と同様に近く、安定した固定ができるプラスチック製のフリンジ付き電極を使用して解決できます。第二に、ゲルと皮膚の接触面積を増加するには、前述の通りカップ電極を用いた、皮膚への接触でのインピー ダンスを下げるに役立ちます。ドリフトを回避する別の方法は、光の十分な適応が起こるまで電極配置後 10-15 分の期間待つことです。この待機期間はまた (ゲル) 電極と皮膚の間のインピー ダンスを下げるし、記録された眼電図信号は通常、時間の経過と共に安定します。校正を繰り返し、眼球運動タスクのパフォーマンス中に適切に視線信号のゲインを設定は、録音品質を改善するために助けることができるさらに。記録が長期間にわたって行われた通常滑らかな追求を録音するとき、目の位置信号のドリフトは問題を提起できます。ただし、期間が続くのみ数十ミリ秒、サッケードを記録するためこれは通常ありません問題です。

要約すると、「正確な」眼球運動記録を達成するためには論自体は重要であるが、実験者がそれを実装する方法はないです。録画の不安定性に対処する方法の重要なステップです。必要な措置は、効果的にノイズを低減できる広いプラスチック フリンジ付き銀-塩化銀電極を使用して光の十分な適応を待ちます。この待機期間はまた電極と皮膚の間のインピー ダンスを下げるに役立ちます、記録安定した信号を確保します。さらに、タスク パフォーマンスの間に必要に応じて再キャリブレーションを実行します。このように実装すると、眼球運動には、法特に水平方向のサッケードを記録するための神経学的な患者に広く適用できる臨床実用性の高することができます。確かに、これだけが使用可能な経済的な理由のためまたは実用的な臨床状況で容易に実装したメソッドが必要なデータの省略は許されない、EOG は望ましい方法をすることができます。

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Disclosures

著者がこの研究に関して開示する何もありません。

Acknowledgments

博士寺尾は、教育省、文化、スポーツ、科学と技術の日本 [16 K 09709, 16 H 01497] 科学研究研究プロジェクトの補助金によって支えられました。優は日本の技術 [No.25293206, 号 22390181、15 H 05881、16 H 05322]; 科学省から科学研究研究プロジェクトの補助金によって支えられました。最高 rTMS 治療のパーキンソンの病気から、厚生省と日本福祉研究委員会からの助成金で厚生省のジストニアと日本の福祉研究委員会によって。

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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