Tridimensionnelle vestibulaire oculaire Test Reflex aide d&#39;un Six degrés de plate-forme de mouvement de la liberté

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

doi:10.3791/4144

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Résumé

On décrit une méthode pour mesurer tridimensionnelles réflexes oculaires VESTIBULO (3D VOR) chez l'homme en utilisant une période de six degrés de liberté (6DF) du simulateur de mouvement. Le gain et le désalignement de la VOR angulaire 3D fournissent une mesure directe de la qualité de la fonction vestibulaire. Des données représentatives sur les sujets sains sont fournis

Résumé

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.

Protocole

1. Plate-forme de mouvement 6DF

Stimuli vestibulaires ont été livrés avec une plate-forme de mouvement (voir figure 1) capable de générer des stimuli angulaires et translationnelle à un total de six degrés de liberté (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Pays-Bas). La plate-forme est déplacé par six actionneurs électromécaniques reliés à un ordinateur personnel avec le logiciel de contrôle dédié. Il génère des mouvements précis avec six degrés de liberté. Les capteurs placés dans les vérins d'une surveillance continue du profil de déplacement de la plate-forme. Le dispositif a <0,5 mm de précision pour linéaire et <0,05 ° pour les mouvements angulaires. Vibrations pendant la stimulation étaient de 0,02 °. La fréquence de résonance du dispositif était> 75 Hz. profil de déplacement de la plate-forme a été reconstituée à partir de l'information de capteur dans les actionneurs à l'aide de la dynamique inverse et envoyé à l'ordinateur de collecte de données. Pour synchroniser plate-forme et les données des mouvements oculaires, un faisceau laser a été monté à l'arrière de la platform et projetée sur une petite cellule (1 mm, le temps de réaction de 10 ps). La tension de sortie de la cellule photoélectrique a été échantillonné à une fréquence de 1 KHz en même temps que les données de mouvement d'oeil et pourvu d'un indicateur en temps réel d'apparition de mouvement avec une précision msec. Lors de l'analyse hors ligne en utilisant Matlab (The MathWorks, Natick, MA), le profil de mouvement reconstruit de la plate-forme basée sur l'information capteur des actionneurs dans la plate-forme a été précisément aligné avec le début du mouvement de la plate-forme.

2. Sujets

A. coin

Les sujets sont assis sur une chaise montée au centre de la plate-forme (figure 2). Le corps du sujet a été retenu par une ceinture de sécurité à quatre points tel qu'il est utilisé dans les voitures de course. Les ceintures de sécurité ont été ancrés à la base de la plate-forme de mouvement. Le président a été entouré par un cadre cube PVC et a servi de support pour les bobines de champ. Le système de bobines de champ est réglable en hauteur, de telle sorte que le sujLes yeux de ect étaient dans le centre du champ magnétique.

B. fixation de la tête

La tête est immobilisée à l'aide d'une carte de morsure dentaire-empreinte moulée individuellement, qui a été fixée à la charpente cubique par une barre rigide. Un oreiller vide pliée autour du cou et un anneau attaché à la présidence assurée autre fixation du sujet (Figure 1). En outre, pour surveiller les mouvements de la tête parasites lors de la stimulation, nous avons joint deux capteurs 3D (Analog Devices Inc, Norwood, MA) directement au conseil d'administration de la morsure, l'une pour angulaire et l'autre pour les accélérations linéaires.

3. Système de coordonnées

rotations oculaires sont définis dans un système de coordonnées droitier tête fixe (Figure 3). Dans ce système, du point de vue d'une rotation vers la gauche sur l'axe Z (lacet), une rotation vers le bas autour de l'axe Y (tangage) et de la rotation vers la droite sur l'axe des X (roulis) de l'objet sont définies comme positive. Les plans orthogonaux aux axes X, Y et Z des axes de rotation sont respectivement les plans de roulis, de tangage et de lacet (figure 3).

4. Les enregistrements des mouvements oculaires

Les mouvements oculaires des deux yeux ont été enregistrées avec des bobines de recherche scléraux 3D (Skalar, Delft, Pays-Bas) ⁴ à l'aide d'un kHz système basé sur la méthode de détection d'amplitude de Robinson (Modèle EMP3020, Skalar médicale, Delft, Pays-Bas) standard de 25 deux bobine de champ ^5. Les signaux de la bobine ont été passés à travers un filtre passe-bas analogique avec une fréquence de coupure de 500 Hz et échantillonnées en ligne et stockés sur le disque dur à une fréquence de 1 kHz avec 16 précision de bits (système CED course Spike2 v6, Cambridge conception de circuits électroniques , Cambridge).

5. Recherche Coil Calibration

Avant les essais, la sensibilité et la non-orthogonalité de direction et de torsion bobines a été vérifiée in vitro par le montage de la bobine sur un Fick giSystème mbal placé au centre du champ magnétique. En faisant tourner le système à cardan sur tous les axes cardinaux nous nous sommes assurés que toutes les bobines utilisées dans les expériences étaient symétrique pour toutes les directions à l'intérieur de 2%.

In vivo, les signaux horizontaux et verticaux des deux bobines ont été calibrés individuellement en demandant au sujet de fixer successivement une série de cinq objectifs (objectif central et une cible à 10 degrés à gauche, à droite, de haut en bas) pendant cinq secondes chacune. Les cibles d'étalonnage ont été projetées sur un écran translucide à 186 cm de distance. l'analyse de l'expérience post des données de calibrage a abouti à la sensibilité et les valeurs des bobines compensée chaque recherche. Ces valeurs ont ensuite été utilisés dans les procédures d'analyse écrits en Matlab ^3.

6 Stimulation

A. stimulation sinusoïdale

La plate-forme livrée rotations sinusoïdales l'ensemble du corps (1 Hz, A = 4 °) sur les trois cardiaxes internes: L'axe rostrale-caudale ou vertical (lacet), l'axe interauriculaire (tangage) et de l'axe du nez-occipitale (roulis), et sur les axes horizontaux intermédiaires incrémenté par pas de 22,5 ° entre roulis et de tangage.

Stimuli sinusoïdaux ont été livrés à la lumière et l'obscurité. Dans la lumière, les sujets fixés sur une cible visuelle allumé en permanence (une LED rouge, 2 mm de diamètre) situé à 177 cm en avant du sujet au niveau des yeux (figure 1C panneau de gauche). Head a été positionné de telle sorte que la ligne de Reid était base (la ligne imaginaire reliant le conduit auditif externe avec le cantus orbitale inférieure) était à 6 degrés par rapport à la terre horizontale). Lors d'une stimulation sinusoïdale dans l'obscurité, la cible visuelle a été brièvement présentée (2 sec) lorsque la plate-forme était stationnaire pendant chaque intervalle entre deux stimuli consécutifs. Pour éviter les mouvements oculaires spontanés pendant la stimulation, les sujets ont été invités à fixer le lieu imaginaire de la cible fixe dans l'espace au cours de sinusoïdeal stimulation après la cible avait été éteint juste avant l'apparition du mouvement. Nous avons vérifié que le type d'instruction réduit principalement les mouvements oculaires effectués dans les ténèbres, et a eu que peu d'effet sur le gain (<10%). Cette variabilité a eu lieu dans toutes les composantes (horizontale, verticale et de torsion) simultanément.

B. stimulation Impulse

Courte durée des impulsions du corps entiers ont été livrées dans un environnement faiblement éclairé. Le seul stimulus visible à la disposition du sujet était une cible visuelle situé à 177 cm en avant du sujet au niveau des yeux. Chaque impulsion a été répétée six fois et remis dans un ordre aléatoire et avec une synchronisation aléatoire d'apparition mouvement (intervalles varier entre 2,5 et 3,5 sec.) Le profil des impulsions est une accélération constante de 100 ° ^-2 sec pendant les 100 premières millisecondes de l'impulsion, suivie d'une diminution progressive de l'accélération linéaire. Cette relance a entraîné une augmentation linéaire de la vitesse pour atteindre un veloction de 10 ° s ^-1 après 100 ms. Mouvements de la tête aberrantes pendant la stimulation vestibulaire mesurées par la vitesse angulaire et les dispositifs d'accélération linéaire sont à moins de 4% de l'amplitude de stimulation. La vitesse de pointe des mouvements de l'oeil en réponse à ces impulsions est 100 fois supérieur au niveau de bruit des signaux de la bobine.

7. Analyse des données

signaux de bobines ont été converties en angles Fick, puis exprimé en tant que vecteurs de rotation ^6,7. A partir des données de fixation de la cible tout droit, nous avons déterminé la désalignement de la bobine dans l'oeil par rapport aux bobines de champ magnétique primaire orthogonales. Les signaux ont été corrigées pour cette décalage axial par rotation contre trois dimensions. Il a également été vérifié qu'aucun glissement de la bobine avait eu lieu au cours de l'expérience en vérifiant la sortie de position lors de la fixation de la cible avant chaque début de mouvement.

Pour exprimer les mouvements oculaires 3D dans le domaine de vitesse,nous avons converti des données de vecteur de rotation en arrière dans la vitesse angulaire. Avant la conversion de vecteur de rotation à vitesse angulaire, nous avons lissé les données de phase de zéro avec un filtre numérique avant et arrière avec une fenêtre gaussienne de 20 points (durée 20 ms).

8. Les réponses sinusoïdales

Un gain. Le gain de chaque élément et le gain de vitesse de l'oeil 3D a été calculée en ajustant une sinusoïde avec une fréquence égale à la fréquence de la plate-forme, par l'intermédiaire des composants de vitesse angulaire verticales et horizontales torsion. Le gain de chaque composant défini comme le rapport entre la vitesse de l'oeil du pic du composant et de la vitesse de pointe de plate-forme est calculée séparément pour chaque oeil.

B désalignement. L'alignement entre l'axe de la vitesse des yeux 3D et l'axe de vitesse de tête a été calculé en utilisant la méthode de Aw et ses collègues ^8,9. A partir du produit scalaire de deux vecteurs, l'alignement a été calculée comme étant la insangle tantaneous en trois dimensions entre l'inverse de la vitesse de l'axe de l'oeil et de l'axe de vitesse de tête. Le gain de vitesse angulaire et le désalignement 3D pour chaque orientation en azimut ont été comparés au gain et le désalignement prédit à partir du vecteur somme de 0 ° (rouleau) et 90 ° (pitch) azimut composants ^10. A partir de ce vecteur somme il résulte que, lorsque les gains de vitesse de roulis et de tangage sont égales, l'orientation de l'axe de rotation de l'oeil soit aligné avec l'axe de rotation de la tête, lorsque les deux sont différents, l'écart maximal entre le stimulus et l'axe de rotation de l'oeil est prévu à 45 ° azimut.

9. réponses impulsionnelles

Traces de données œil gauche et à droite de six présentations pour chaque direction de mouvement ont été analysés séparément. Parce que les valeurs de l'œil gauche et droite étaient presque identiques, les données de l'oeil gauche et de droite ont été moyennées pour déterminer le gain de vitesse de l'œil en réponse à la stimulation d'impulsion. Toutes les traces étaientinspecté individuellement sur l'écran d'ordinateur. Lorsque le sujet a fait un clin d'œil ou saccade lors de l'impulsion qui trace a été écartée manuellement. Composantes de la vitesse angulaire (N = 5 à 6) pendant les 100 premières millisecondes après le début du mouvement a été calculée dans les poubelles de temps de 20 ms (fournissant un filtrage passe-bas efficace) et tracés en fonction de la vitesse de la plate-forme ^11,12.