Tridimensionale vestibolare oculare test riflesso Utilizzando un sei gradi di libertà di movimento della piattaforma

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

doi:10.3791/4144

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Riepilogo
Abstract
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Riepilogo

Un metodo è descritto per misurare tridimensionali riflessi oculari vestíbulo VOR (3D) nell'uomo utilizzando un sei gradi di libertà (6DF) simulatore di movimento. Il guadagno e disallineamento angolare del VOR 3D forniscono una misura diretta della qualità della funzione vestibolare. Dati rappresentativi su soggetti sani sono forniti

Abstract

L'organo vestibolare è un sensore che misura accelerazioni angolari e lineari con sei gradi di libertà (6DF). Difetti complete o parziali nei risultati di organi vestibolari a lievi a gravi problemi di equilibrio, come vertigini, capogiri, oscillopsia, andatura instabilità nausea e / o vomito. Una misura buona e frequentemente usato per quantificare la stabilizzazione sguardo è il guadagno, che è definito come l'ampiezza dei movimenti oculari compensative rispetto ai movimenti della testa imposti. Per testare funzione vestibolare più pienamente bisogna rendersi conto che il 3D VOR genera idealmente rotazioni oculari compensativi non solo con una grandezza (guadagno) uguale ed opposta alla rotazione della testa, ma anche attorno ad un asse che è co-lineare con l'asse di rotazione della testa (allineamento ). Funzione vestibolare anormale traduce quindi in variazioni di guadagno e variazioni allineamento della risposta VOR 3D.

Qui si descrive un metodo per misurare 3D VOR utilizzando tutto il corpo di rotazione su un 6DF motisulla piattaforma. Anche se il metodo permette anche di testare traduzione VOR risposte ^1, ci limitiamo a una discussione del metodo per misurare 3D VOR angolare. In aggiunta, ci limitiamo qui a descrizione dei dati raccolti in soggetti sani in risposta ad angolare stimolazione sinusoidale e impulso.

I soggetti sono seduti in posizione verticale e ricevono tutto il corpo piccole ampiezza sinusoidali e costante impulsi di accelerazione. Stimoli sinusoidali (f = 1 Hz, A = 4 °) sono state consegnate attorno all'asse verticale e circa assi del piano orizzontale variabile tra rollio e beccheggio a incrementi di 22,5 ° in azimut. Gli impulsi sono stati consegnati in imbardata, rollio e beccheggio e nei piani del canale verticale. I movimenti oculari sono stati misurati utilizzando la ricerca tecnica sclerale bobina ^2. Segnali bobina di ricerca sono stati campionati ad una frequenza di 1 kHz.

Il rapporto input-output (gain) e di allineamento (co-linearità) del 3D VOR sono stati calcolati from bobina segnala l'occhio ^3.

Guadagno e co-linearità del 3D VOR dipendevano orientamento dell'asse stimolo. Scostamenti sistematici sono stati trovati, in particolare, durante la stimolazione asse orizzontale. Alla luce di rotazione occhio è stato correttamente allineato con l'asse stimolo a orientamenti 0 ° e 90 ° azimut, ma gradualmente deviato sempre più verso azimut 45 °.

Le deviazioni sistematiche disallineamento degli assi intermedi possono essere spiegate con un guadagno basso per torsione (asse X o di rotazione roll-axis) e un alto guadagno per i movimenti verticali degli occhi (asse Y o rotazione nick (vedi Figura 2). Poiché la stimolazione dell'asse intermedio conduce una risposta compensatoria basata su vettore somma dei singoli componenti di rotazione dell'occhio, l'asse di risposta netta si discostano perché il guadagno per X e Y sono diversi.

Al buio, il guadagno di tutti i componenti di rotazione dell'occhio aveva bassavalori di Er. Il risultato è stato che il disallineamento nelle tenebre e per impulsi avuto diversi alti e bassi rispetto alla luce: il valore minimo è stato raggiunto per l'asse stimolazione passo e il suo massimo per la stimolazione asse di rollio.

Presentazione del caso

Nove soggetti hanno partecipato all'esperimento. Tutti i soggetti hanno dato il loro consenso informato. La procedura sperimentale è stato approvato dal Comitato Etico Medico dell'Erasmus University Medical Center e ha aderito alla Dichiarazione di Helsinki per la ricerca che coinvolge soggetti umani.

Sei soggetti serviti come controlli. Tre soggetti avevano una compromissione vestibolare unilaterale a causa di un schwannoma vestibolare. L'età dei soggetti di controllo (sei maschi e tre femmine) variava 22-55 anni. Nessuno dei controlli ha avuto lamentele visiva o vestibolare a causa di disturbi neurologici, cardio-vascolari e oftalmico.

L'età dei pazienti con schwannoma variava tra 44 e 64 anni (due maschi e una femmina). Tutti i soggetti schwannoma erano sotto sorveglianza medica e / o avevano ricevuto un trattamento da un team multidisciplinare composto da un othorhinolaryngologist e un neurochirurgo della Erasmus University Medical Center. Pazienti esaminati avevano tutti una destra schwannoma vestibolare e subito una politica di aspettare e guardare (Tabella 1; soggetti N1-N3) dopo la diagnosi di schwannoma vestibolare. Loro tumori erano stati stabili per più di 8-10 anni sulla risonanza magnetica.

Protocollo

1. 6DF piattaforma di movimento

Stimoli vestibolari sono state consegnate con una piattaforma di movimento (vedi Figura 1) in grado di generare stimoli angolare e traslazionale ad un totale di sei gradi di libertà (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Paesi Bassi). La piattaforma è mosso da sei attuatori elettromeccanici collegati ad un personal computer con software di controllo dedicato. Esso genera movimenti precisi con sei gradi di libertà. Sensori posti negli attuatori controllare continuamente il profilo di movimento della piattaforma. Il dispositivo è dotato di precisione <0.5 mm per lineare e <0,05 ° per movimenti angolari. Vibrazioni durante la stimolazione erano 0,02 °. Frequenza di risonanza del dispositivo era> 75 hertz. Profilo di movimento della piattaforma è stata ricostruita dalle informazioni sensore negli attuatori con dinamica inversa e inviato al computer di raccolta dati. Per sincronizzare piattaforma e dati movimento degli occhi, un fascio laser è stato montato sul retro del plaTForm e proiettato su una piccola fotocellula (1 mm tempo di reazione 10 msec). La tensione di uscita della fotocellula è stato campionato ad una frequenza di 1 KHz insieme ai dati di movimento degli occhi e fornito un indicatore reale tempo di insorgenza moto con accuratezza 1 msec. Durante l'analisi offline utilizzando Matlab (Mathworks, Natick, MA), il profilo di movimento della piattaforma ricostruito sulla base delle informazioni del sensore degli attuatori in piattaforma era precisamente allineato con l'inizio del movimento della piattaforma.

2. Soggetti

A. Seating

I soggetti sono seduti su una sedia montata al centro della piattaforma (Figura 2). Il corpo del soggetto è stato trattenuto con la cintura di sicurezza a quattro punti come quello usato in auto da corsa. Le cinture di sicurezza erano ancorate alla base della piattaforma di movimento. La sedia è stata circondata da una cornice cubica PVC e servito come supporto per le bobine di campo. Il sistema di bobine di campo era regolabile in altezza, tale che il subjGli occhi di ect erano nel centro del campo magnetico.

B. fissazione Capo

La testa è immobilizzato con un modellato individualmente dentale-impressione bordo morso, che è stata allegata al telaio cubico tramite una barra rigida. Un cuscino vuoto piegata intorno al collo e un anello fissato alla poltrona ulteriormente conseguito fissazione del soggetto (Figura 1). Inoltre, per monitorare i movimenti della testa spuri durante la stimolazione, abbiamo attaccato due sensori 3D (Analog Devices Inc, Norwood, MA) direttamente alla scheda morso, uno per angolare e uno per le accelerazioni lineari.

3. Sistema di coordinate

Rotazioni degli occhi sono definiti in un sistema di coordinate destrorso testa fissa (Figura 3). In questo sistema dal punto di vista una rotazione verso sinistra sulla Z (imbardata), una rotazione verso il basso sulla asse Y (pitch) e la rotazione verso destra sulla asse X (rullo) del soggetto sono definiti come positive. I piani ortogonali X, Y e Z assi di rotazione sono rispettivamente i rollio, di beccheggio e imbardata piani (Figura 3).

4. Eye Movement Recordings

I movimenti oculari di entrambi gli occhi sono stati registrati con bobine di ricerca sclerali 3D (Skalar, Delft, Paesi Bassi) ⁴ utilizzando un sistema standard di 25 kHz due campo bobina sulla base del metodo di rilevamento dell'ampiezza di Robinson (Modello EMP3020, Skalar medica, Delft, Paesi Bassi) ^5. I segnali della bobina sono stati passati attraverso un filtro passa-basso analogico con frequenza di taglio di 500 Hz e campionati on-line e memorizzate sul disco fisso a una frequenza di 1 kHz con 16 bit di precisione (sistema CED esecuzione Spike2 v6, Cambridge Electronic Design , Cambridge).

5. Cerca Coil Calibrazione

Prima degli esperimenti, la sensibilità e la non ortogonalità di direzione e torsione bobine stata verificata in vitro montando la bobina su un Fick giSistema MBAL posto al centro del campo magnetico. Ruotando il sistema di sospensione cardanica su tutti gli assi cardinali abbiamo verificato che tutte le bobine utilizzate negli esperimenti erano simmetrici per tutte le direzioni all'interno di 2%.

In vivo, i segnali orizzontali e verticali di entrambe le bobine sono state calibrate individualmente istruendo il soggetto a fissarsi successivamente una serie di cinque obiettivi (obiettivo centrale e di un bersaglio a 10 gradi a sinistra, destra, su e giù) per cinque secondi ciascuno. Target di calibrazione sono state proiettate su uno schermo trasparente in 186 cm di distanza. Analisi post esperimento dei dati di calibrazione provocato sensibilità e valori per ciascuna ricerca le bobine offset. Questi valori sono stati poi utilizzati nelle procedure di analisi scritte in Matlab ^3.

6 Stimolazione

A. stimolazione sinusoidale

La piattaforma consegnato al corpo intero rotazioni sinusoidali (1 Hz, A = 4 °) circa i tre cardinali assi: l'asse rostro-caudale o verticale (imbardata), l'asse interaurale (pitch) e l'asse naso-occipitale (rotolo), e assi orizzontali circa intermedie incrementato a passi di 22,5 ° tra rollio e beccheggio.

Stimoli sinusoidali sono stati consegnati in luce e le tenebre. Nella luce, soggetti fissati su un bersaglio visivo continuo luminosi (LED rosso, 2 mm di diametro) posta 177 centimetri di fronte al soggetto all'altezza degli occhi (Figura 1C pannello di sinistra). Testa è stato posizionato in modo tale che la linea di Reid era di base (la linea immaginaria che collega il externa meato con il cantus orbitale inferiore) era entro 6 gradi da terra-orizzontale). Durante la stimolazione sinusoidale al buio, il punto visivo è stato presentato brevemente (2 sec) quando la piattaforma era stazionaria durante ciascun intervallo tra due stimoli consecutivi. Per evitare movimenti oculari spontanei durante la stimolazione, i soggetti sono stati istruiti a fissare la posizione immaginaria del bersaglio fisso spazio durante sinusoideAl stimolazione dopo il target era stato spento poco prima dell'inizio del movimento. Abbiamo verificato che il tipo di istruzione ha ridotto soprattutto i movimenti oculari effettuati nel buio, e aveva solo un piccolo effetto sul guadagno (<10%). Questa variabilità si è verificato in tutti i componenti (orizzontale, verticale e torsione) simultaneamente.

B. stimolazione Impulse

Breve durata degli impulsi del corpo intero sono stati consegnati in un ambiente poco illuminato. L'unico stimolo visibile disposizione del soggetto era un bersaglio visivo situato a 177 cm di fronte al soggetto all'altezza degli occhi. Ciascun impulso è stato ripetuto sei volte e consegnato in ordine casuale e con tempismo casuale di movimento insorgenza (intervalli variavano tra 2,5 e 3,5 sec). Il profilo degli impulsi era una accelerazione costante di 100 ° sec ^-2 durante i primi 100 msec dell'impulso, seguito da una graduale diminuzione lineare in accelerazione. Questo stimolo ha determinato un aumento lineare della velocità di raggiungere un velocitylità del 10 ° ^sec-1 dopo 100 msec. Movimenti della testa aberranti durante la stimolazione vestibolare misurata dal tasso angolare e dispositivi di accelerazione lineare erano meno del 4% di ampiezza dello stimolo. Velocità di picco dei movimenti oculari in risposta a questi impulsi era 100 volte superiore al livello di rumore dei segnali bobina.

7. Analisi dei dati

Segnali Coil sono stati convertiti in angoli di Fick e quindi espressi come vettori di rotazione ^6,7. Dai dati fissazione del target dritto abbiamo determinato il disallineamento della bobina nell'occhio rispetto alle ortogonali primari bobine di campo magnetico. Segnali sono stati corretti per questo disassamento da contro rotazione tridimensionale. Si è anche verificato che si fosse verificato alcun slittamento della bobina durante l'esperimento verificando l'uscita di posizione durante la fissazione del target prima di ogni insorgenza movimento.

Per esprimere movimenti oculari 3D nel dominio della velocità,abbiamo convertito i dati vettoriali di rotazione di nuovo in velocità angolare. Prima della conversione del vettore di rotazione a velocità angolare, si lisciò i dati da zero fase con un filtro digitale in avanti e indietro con una finestra gaussiana 20 punti (lunghezza 20 msec).

8. Risposte sinusoidali

Un guadagno. Il guadagno di ciascun componente e 3D velocity guadagno occhio è stato calcolato montando una sinusoide con una frequenza pari alla frequenza piattaforma attraverso le componenti di velocità angolare, verticali e orizzontali di torsione. Il guadagno per ogni componente definita come il rapporto tra velocità di picco componente occhio e velocità di picco piattaforma è stata calcolata separatamente per ciascun occhio.

B disallineamento. Il disallineamento tra l'asse della velocità occhio 3D e la testa dell'asse di velocità è stato calcolato utilizzando l'approccio di Aw e colleghi ^8,9. Dal prodotto scalare di due vettori del disallineamento è stato calcolato come insAngolo tantaneous in tre dimensioni tra l'inverso della velocità dell'asse dell'occhio e l'asse velocity testa. Il 3D guadagno di velocità angolari e di allineamento per ogni orientamento azimutale sono stati confrontati con il guadagno e di allineamento previsto dal vettore somma del 0 ° (rollio) e 90 ° (passo) azimut ¹⁰ componenti. Da questo vettore somma ne consegue che quando guadagni velocity per rollio e beccheggio sono uguali, l'orientamento dell'asse di rotazione dell'occhio allinea con l'asse di rotazione della testa, quando i due sono differenti, la deviazione massima tra stimolo e asse di rotazione dell'occhio è previsto al 45 ° azimut.

9. Risposte all'impulso

Occhio le tracce di dati a destra ea sinistra di sei presentazioni per ogni direzione di movimento sono stati analizzati separatamente. Poiché i valori occhio destro e sinistro erano quasi identici, i dati da occhio destro e sinistro sono stati mediati per determinare il guadagno di velocità dell'occhio in risposta alla stimolazione impulso. Tutte le tracce sono stateispezionati singolarmente sullo schermo del computer. Quando il soggetto ha fatto un batter o saccade durante l'impulso che la traccia è stata scartata manualmente. Componenti di velocità angolare (n = 5-6) durante i primi 100 msec dopo l'inizio del movimento sono stati mediati in bidoni di tempo di 20 msec (fornendo un efficace filtraggio passa-basso) e tracciate in funzione della velocità piattaforma di ^11,12.