ثلاثي الأبعاد الدهليزي العيني اختبار رد الفعل باستخدام ست درجات من الحرية منصة الحركة

Joyce Dits; Mark M.J. Houben; Johannes van der Steen

doi:10.3791/4144

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

ووصف طريقة لقياس ثلاثي الأبعاد ردود الفعل العين الدهليزي (3D VOR) في البشر باستخدام ست درجات من الحرية (6DF) محاكاة الحركة. المكسب واختلالها من VOR الزاوي 3D توفر مقياسا مباشرا لنوعية وظيفة الدهليزي. يتم توفير بيانات تمثيلية حول مواضيع صحية

Abstract

The vestibular organ is a sensor that measures angular and linear accelerations with six degrees of freedom (6DF). Complete or partial defects in the vestibular organ results in mild to severe equilibrium problems, such as vertigo, dizziness, oscillopsia, gait unsteadiness nausea and/or vomiting. A good and frequently used measure to quantify gaze stabilization is the gain, which is defined as the magnitude of compensatory eye movements with respect to imposed head movements. To test vestibular function more fully one has to realize that 3D VOR ideally generates compensatory ocular rotations not only with a magnitude (gain) equal and opposite to the head rotation but also about an axis that is co-linear with the head rotation axis (alignment). Abnormal vestibular function thus results in changes in gain and changes in alignment of the 3D VOR response.

Here we describe a method to measure 3D VOR using whole body rotation on a 6DF motion platform. Although the method also allows testing translation VOR responses ¹, we limit ourselves to a discussion of the method to measure 3D angular VOR. In addition, we restrict ourselves here to description of data collected in healthy subjects in response to angular sinusoidal and impulse stimulation.

Subjects are sitting upright and receive whole-body small amplitude sinusoidal and constant acceleration impulses. Sinusoidal stimuli (f = 1 Hz, A = 4°) were delivered about the vertical axis and about axes in the horizontal plane varying between roll and pitch at increments of 22.5° in azimuth. Impulses were delivered in yaw, roll and pitch and in the vertical canal planes. Eye movements were measured using the scleral search coil technique ². Search coil signals were sampled at a frequency of 1 kHz.

The input-output ratio (gain) and misalignment (co-linearity) of the 3D VOR were calculated from the eye coil signals ³.

Gain and co-linearity of 3D VOR depended on the orientation of the stimulus axis. Systematic deviations were found in particular during horizontal axis stimulation. In the light the eye rotation axis was properly aligned with the stimulus axis at orientations 0° and 90° azimuth, but gradually deviated more and more towards 45° azimuth.

The systematic deviations in misalignment for intermediate axes can be explained by a low gain for torsion (X-axis or roll-axis rotation) and a high gain for vertical eye movements (Y-axis or pitch-axis rotation (see Figure 2). Because intermediate axis stimulation leads a compensatory response based on vector summation of the individual eye rotation components, the net response axis will deviate because the gain for X- and Y-axis are different.

In darkness the gain of all eye rotation components had lower values. The result was that the misalignment in darkness and for impulses had different peaks and troughs than in the light: its minimum value was reached for pitch axis stimulation and its maximum for roll axis stimulation.

Case Presentation

Nine subjects participated in the experiment. All subjects gave their informed consent. The experimental procedure was approved by the Medical Ethics Committee of Erasmus University Medical Center and adhered to the Declaration of Helsinki for research involving human subjects.

Six subjects served as controls. Three subjects had a unilateral vestibular impairment due to a vestibular schwannoma. The age of control subjects (six males and three females) ranged from 22 to 55 years. None of the controls had visual or vestibular complaints due to neurological, cardio vascular and ophthalmic disorders.

The age of the patients with schwannoma varied between 44 and 64 years (two males and one female). All schwannoma subjects were under medical surveillance and/or had received treatment by a multidisciplinary team consisting of an othorhinolaryngologist and a neurosurgeon of the Erasmus University Medical Center. Tested patients all had a right side vestibular schwannoma and underwent a wait and watch policy (Table 1; subjects N1-N3) after being diagnosed with vestibular schwannoma. Their tumors had been stabile for over 8-10 years on magnetic resonance imaging.

Protocol

1. 6DF منصة الحركة

تم تسليم المحفزات الدهليزي مع منصة الحركة (انظر الشكل 1) قادرة على توليد مؤثرات الزاوي ومتعدية على ما مجموعه ست درجات من الحرية (FCS-MOOG، نييو-Vennep، هولندا). يتم نقل منصة من قبل ستة المحركات الكهربائية والميكانيكية وصله بجهاز الكمبيوتر الشخصي مع برنامج حاسوبي لمراقبة مخصصة. فهو يولد حركات دقيقة مع ست درجات من الحرية. مجسات وضعت في المحركات رصدها بشكل مستمر ملف الحركة منصة. الجهاز يحتوي <0.5 مم الدقة لخطي و<0.05 ° للحركات الزاوي. وكانت الاهتزازات خلال التحفيز 0.02 درجة. وكان تردد الرنين من الجهاز> 75 هرتز. أعيد بناؤها منصة الشخصي الحركة من المعلومات استشعار في المحركات باستخدام ديناميات معكوس وإرسالها إلى الكمبيوتر جمع البيانات. لمزامنة البيانات ومنصة حركة العين، وشنت شعاع الليزر على مساعدات من جيش التحرير الشعبى الصينىtform والمتوقعة على خلية ضوئية صغيرة (1 ملم، في وقت رد الفعل μsec 10). تم أخذ عينات من انتاج التيار الكهربائي من الخلية الكهروضوئية بمعدل 1 كيلو هرتز جنبا إلى جنب مع بيانات حركة العين، وقدمت مؤشرا الوقت الحقيقي من بداية الحركة مع 1 ميللي ثانية دقة. أثناء التحليل حاليا باستخدام ماتلاب (ماثووركس، ناتيك، MA)، ملف الحركة التي أعيد بناؤها من منصة استنادا إلى المعلومات استشعار من المحركات في منهاج كان الانحياز على وجه التحديد مع بداية الحركة منصة.

2. المواضيع

A. جلوس

ويجلس على كرسي الموضوعات التي شنت في وسط المنصة (الشكل 2). فامتنع الجسم هذا الموضوع مع حزام الأمان من أربع نقاط كما هو مستخدم في سيارات السباق. ويرتكز هذا حزام الأمان إلى قاعدة من منصة الحركة. كان يحيط الكرسي بوضع إطار حوله مكعب PVC وكان بمثابة دعم لفائف المجال. كان نظام لفائف حقل قابل للتعديل في الارتفاع، بحيث سوبجكانت عينا العلاج بالصدمات الكهربائية في وسط الحقل المغناطيسي للأرض.

B. تثبيت رئيس

ويجمد الرأس باستخدام مصبوب بشكل فردي الأسنان الانطباع مجلس عضة، التي كانت تعلق على الإطار مكعب عبر شريط جامد. وسادة فراغ مطوية حول الرقبة وبالطوق تعلق على كرسي ضمان مزيد من التثبيت لهذا الموضوع (الشكل 1). وبالإضافة إلى ذلك، لرصد حركات الرأس زائفة خلال التحفيز، التي نوليها اثنين من أجهزة الاستشعار 3D (النظير أجهزة المؤتمر الوطني العراقي، نوروود، MA) مباشرة إلى مجلس عضة، واحدة للالزاوي واحد للتسارع الخطي.

3. تنسيق نظام

يتم تعريف تناوب العين في نظام إحداثيات اليد اليمنى من الرأس ثابت (الشكل 3). في هذا النظام من وجهة نظر تخضع للعرض وتناوب اليسار حول المحور Z (ياو)، وتناوب النزولي حول المحور Y (الملعب)، وتناوب اليمين حول المحور السيني (لفة) تعرف بأنها positiهاء. الطائرات متعامد إلى X، Y و Z محاور دوران هي على التوالي الطائرات لفة، في الملعب وياو (الشكل 3).

4. تسجيلات حركة العين

وسجلت حركات العين من كلتا العينين مع 3D بحث ملفات الصلبة (SKALAR، دلفت، هولندا) ⁴ باستخدام معيار 25 كيلو هرتز اثنين نظام لفائف حقل استنادا إلى طريقة الكشف اتساع روبنسون (نموذج EMP3020، SKALAR الطبية، دلفت، هولندا) ^5. صدرت إشارات لفائف من خلال مرشح تمرير منخفض التماثلية مع تردد قطع من 500 هرتز وأخذ عينات على الخط وتخزينها على القرص الثابت على تردد 1 كيلو هرتز مع 16 بت الدقة (نظام تشغيل CED Spike2 V6، كامبريدج التصميم الإلكتروني ، كامبريدج).

5. البحث فائف المعايرة

قبل التجارب، تم التحقق من حساسية وغير التعامد من اتجاه والتواء لفائف في المختبر من قبل تركيب اللولب على GI فيكوضع نظام mbal في وسط الحقل المغناطيسي للأرض. عن طريق تناوب نظام وسيعنجا حول جميع المحاور الكاردينال علينا التحقق من أن جميع الملفات المستخدمة في التجارب كانت متناظرة بالنسبة لجميع الاتجاهات في حدود 2٪.

في الجسم الحي، وتمت معايرة الإشارات الأفقية والرأسية على حد سواء بشكل فردي عن طريق لفائف يوعز هذا الموضوع إلى يحملق تباعا سلسلة من خمسة أهداف (هدف مركزي وهدف في 10 درجات من اليسار واليمين، صعودا وهبوطا) لمدة خمس ثوان لكل منهما. وكان من المتوقع أهداف المعايرة على شاشة شفافة في 186 سم المسافة. أسفر تحليل التجربة آخر من بيانات المعايرة في الحساسية وقيم الإزاحة للكل بحث ملفات. ثم استخدمت هذه القيم في إجراءات تحليل مكتوب في Matlab ^3.

6 تحفيز

A. التحفيز جيبية

منصة تسليم تناوب الجيبية كامل الجسم (1 هرتز، A = 4 درجات) عن CARDI ثلاثةمحاور شبكة الليبراليين العرب: المحور منقاري-الذيلية أو عمودي (ياو)، محور interaural (الملعب) ومحور الأنف القذالي (لفة)، والمحاور الأفقية حول الوسيطة زيادة في خطوات من 22.5 ° بين لفة والملعب.

تم تسليم المحفزات الجيبية في الضوء والظلام. في ضوء ذلك، موضوعات تركز اهتمامها على هدف مرئي مضاءة بشكل مستمر (أ LED أحمر، 2 مم) الواقعة 177 سم أمام هذا الموضوع في مستوى العين (الشكل 1C اللوحة اليسرى). كان وضعه رئيس مثل هذا الخط ريد كان قاعدة كان (خط وهمي يربط بين الظاهرة الصماخ مع انخفاض صياح المداري) في غضون 6 درجات من الأرض أفقيا). خلال التحفيز الجيبية في الظلام، وقدم هدف بصرية لفترة وجيزة (2 ثانية) عندما كانت منصة ثابتة خلال كل فاصل زمني بين اثنين من المحفزات على التوالي. لتجنب حركات العين عفوية خلال التحفيز، وصدرت تعليمات المواضيع التي يحملق في موقع وهمي للهدف ثابت الفضاء خلال جيباني؛ شبه جيبيآل التحفيز بعد الهدف كان مغلقا قبيل بدء الحركة. علينا التحقق من أن هذا النوع من التعليمات خفضت رأسها حركات العين المحرز في الظلام، وإلا كان له تأثير صغير على كسب (<10٪). حدث هذا التغير في كافة مكونات (الأفقي والرأسي والالتواء) في وقت واحد.

B. التحفيز الاندفاع

تم تسليم مدة قصيرة نبضات الجسم كله في بيئة الإضاءة الخافتة. كان الحافز المرئي الوحيد المتاح لهذا الموضوع هدفا البصرية التي تقع في 177 سم أمام هذا الموضوع في مستوى العين. وتكررت كل دفعة ست مرات وتسليمها في ترتيب عشوائي ومع توقيت عشوائية من حركة بداية (تفاوتت فترات ما بين 2.5 و 3.5 ثانية). كان الملف الشخصى النبضات تسارع ثابت من 100 درجة ثانية ^-2 خلال 100 ميللي ثانية الأولى من دفعة، يتبعها انخفاض تدريجي خطي في التسارع. أدى هذا التحفيز في زيادة خطية في سرعة التوصل إلى velocإيتي من 10 ثانية ^-1 ° بعد 100 ميللي ثانية. كانت حركات الرأس الشاذة خلال التحفيز الدهليزي قياس معدل الزاوي والأجهزة تسارع خطي أقل من 4٪ من السعة التحفيز. كان سرعة ذروة حركات العين واستجابة لهذه النبضات 100 مرة أعلى من مستوى الضوضاء من الإشارات لفائف.

7. تحليل البيانات

تم تحويل إشارات لفائف في زوايا فيك ومن ثم التعبير عن ناقلات دوران ^6،7. من بيانات التثبيت من الهدف إلى الأمام مباشرة ونحن مصممون على اختلالها من لفائف في العين بالنسبة إلى الابتدائي لفائف المجال المغناطيسي المتعامد. تم تصحيح إشارات لهذا الاختلال يقابله ثلاثي الأبعاد دوران العداد. تم التحقق أيضا إلى أنه لا يوجد انزلاق لفائف حدثت أثناء التجربة من خلال التحقق من الناتج موقف أثناء التثبيت من الهدف قبل كل بداية الحركة.

للتعبير عن حركات العين 3D في مجال السرعة،نحن تحويل بيانات المتجه دوران مرة أخرى إلى السرعة الزاوية. قبل التحويل من ناقلات تناوب على السرعة الزاوية، ونحن ممهدة البيانات بواسطة مرحلة الصفر مع فلتر رقمي إلى الأمام وعكس مع نافذة جاوس 20 نقطة (طول 20 ميللي ثانية).

8. الردود الجيبية

مكسب. تم احتساب ربح من كل مكون و 3D مكاسب سرعة العين عن طريق توفيق جيباني؛ شبه جيبي بتردد يساوي التردد الأفقي من خلال منصة والمكونات السرعة الزاوية العمودية والتواء. تم احتساب ربح لكل مكون يعرف بأنه النسبة بين العين مكون ذروة سرعة ومنهاج ذروة سرعة منفصلة لكل عين.

B اصطفاف خطأ. تم احتساب اختلال بين 3D العين محور السرعة ورئيس محور سرعة باستخدام نهج من فصيل عبد الواحد وزملاؤه ^8،9. من المنتج العددية اثنين من ناقلات تم احتساب اختلال وخصوصياتزاوية tantaneous في ثلاثة أبعاد بين معكوس محور سرعة العين وسرعة محور الرأس. وتمت مقارنة 3D الزاوي كسب السرعة واختلال لكل التوجه السمتي إلى الربح واختلالها وتوقع من الجمع متجه من 0 درجة (لفة) و 90 درجة (الملعب) السمت مكونات ^10. من هذا الجمع النواقل ويترتب على ذلك عندما المكاسب سرعة للفة والملعب متساوون، واتجاه محور دوران العين ينسجم مع محور دوران الرأس، وعندما مختلفان، ومن المتوقع الحد الأقصى للانحراف بين التحفيز ومحور دوران العين في 45 ° السمت.

9. الردود الدافع

وقد تم تحليل البيانات بشكل منفصل العين آثار الأيسر والأيمن من ستة عروض لكل اتجاه الحركة. لأن القيم العين اليمنى واليسرى كانت متطابقة تقريبا، وبلغ متوسط البيانات من العين اليمنى واليسرى لتحديد الأرباح من سرعة العين استجابة لتحفيز الدافع. وكانت كل آثارالتفتيش بشكل فردي على شاشة الكمبيوتر. عندما جعلت موضوع طرفة أو حركة العين أثناء الاندفاع أن تتبع تم تجاهل يدويا. مكونات السرعة الزاوية (N = 5-6) خلال أول 100 مللي ثانية بعد ظهور حركة وبلغ متوسط في صناديق الوقت من 20 ميللي ثانية (توفير تمريرة فعالة منخفضة التصفية) وخططوا وظيفة من منصة سرعة ^11،12.