Tridimensional Vestibular Ocular Teste Reflex Usando um Six Degrees of Platform Movimento Liberdade

Resumo

Um método é descrito para medir tridimensionais reflexos oculares vestíbulo (3D VOR) em seres humanos, utilizando um prazo de seis graus de liberdade (6DF) simulador de movimento. O ganho e o desalinhamento da VOR angular 3D fornecer uma medida directa da qualidade da função vestibular. Os dados representativos em indivíduos saudáveis ​​são fornecidos

Resumo

O órgão vestibular é um sensor que mede as acelerações lineares e angulares, com seis graus de liberdade (6DF). Defeitos totais ou parciais nos resultados órgão vestibular em leve a graves problemas de equilíbrio, como a vertigem, tontura, oscilopsia, marcha instabilidade náuseas e / ou vómitos. Uma boa medida e frequentemente utilizado para quantificar a estabilização olhar é o ganho, a qual é definida como a magnitude dos movimentos oculares compensatórios com respeito aos movimentos da cabeça impostas. Para testar a função vestibular mais plenamente um tem de perceber que o 3D VOR idealmente gera rotações oculares de compensação não só com uma magnitude (ganho) igual e oposta à rotação da cabeça, mas também sobre um eixo que é co-linear com o eixo de rotação da cabeça (alinhamento ). Função vestibular anormal resulta assim em alterações de ganho e as mudanças no alinhamento da resposta VOR 3D.

Aqui nós descrevemos um método para medir 3D VOR usando a rotação do corpo inteiro em um 6DF motina plataforma. Embora o método também permite testar tradução VOR respostas ^1, limitamo-nos a uma discussão sobre o método para medir 3D VOR angular. Além disso, nos restringimos aqui a descrição dos dados coletados em indivíduos saudáveis, em resposta à estimulação angular sinusoidal e impulso.

Os assuntos são sentado e receber pequenas amplitude sinusoidais e constante impulsos de aceleração de corpo inteiro. Estímulos sinusoidais (f = 1 Hz, A = 4 °) foram entregues em torno do eixo vertical e em torno de eixos no plano horizontal que varia entre roll e pitch em incrementos de 22,5 ° em azimute. Impulsos foram entregues em guinada, roll e pitch e nos planos do canal verticais. Os movimentos oculares foram medidos utilizando a técnica de bobina escleral ^2. Sinais de bobina de pesquisa foram coletados a uma freqüência de 1 kHz.

A relação input-output (ganho) e desalinhamento (co-linearidade) do VOR 3D foram calculados from bobina o olho sinaliza ^3.

Ganho e co-linearidade do 3D VOR dependia da orientação do eixo de estímulo. Os desvios sistemáticos foram encontrados em particular durante a estimulação de eixo horizontal. À luz eixo de rotação do olho foi devidamente alinhado com o eixo de estímulo em orientações 0 ° e 90 ° de azimute, mas gradualmente desviado cada vez mais para 45 º azimute.

Os desvios sistemáticos em desalinhamento para os eixos intermédios pode ser explicado por um ganho baixo de torção (eixo X ou do eixo de rotação do cilindro) e um alto ganho de movimentos oculares verticais (eixo Y ou rotação do eixo de inclinação (ver Figura 2). Porque a estimulação do eixo intermediário leva uma resposta compensatória baseada no vector soma dos componentes individuais de rotação do olho, o eixo resposta líquido irá desviar-se, porque o ganho para X e do eixo Y são diferentes.

Na escuridão, o ganho de todos os componentes de rotação dos olhos tinham baixavalores er. O resultado foi que o desalinhamento na escuridão e por impulsos tinham diferentes picos e depressões do que à luz: o valor mínimo foi alcançado para a estimulação do eixo do campo e seu máximo para a estimulação eixo de rolamento.

Apresentação do caso

Nove indivíduos participaram do experimento. Todos os participantes deram o seu consentimento informado. O procedimento experimental foi aprovado pelo Comitê de Erasmus University Medical Center de Ética Médica e aderiu à Declaração de Helsinque para pesquisas envolvendo seres humanos.

Seis sujeitos serviram como controlos. Três indivíduos tinham uma deficiência vestibular unilateral devido a um schwannoma vestibular. A idade dos indivíduos controle (seis machos e três fêmeas) variou de 22 a 55 anos. Nenhum dos controles apresentaram queixas visuais ou vestibular, devido a distúrbios neurológicos, cardio vascular e oftalmológico.

A idade dos pacientes com schwannoma variou entre 44 e 64 anos (dois machos e uma fêmea). Todos os indivíduos Schwannoma estavam sob vigilância médica e / ou receberam tratamento por uma equipe multidisciplinar composta por um othorhinolaryngologist e um neurocirurgião do Centro Médico da Universidade Erasmus. Pacientes testados todos tinham um schwannoma vestibular lado direito e passou por uma política de esperar e observar (Tabela 1; assuntos N1-N3) após ser diagnosticado com schwannoma vestibular. Seus tumores haviam sido estável por mais de 8-10 anos de ressonância magnética.

Protocolo

1. Plataforma Movimento 6DF

Estímulos vestibulares foram entregues com uma plataforma de movimento (ver Figura 1) capaz de gerar estímulos angulares e de translação em um total de seis graus de liberdade (FCS-Moog, Nieuw-Vennep, Holanda). A plataforma é movido por seis actuadores electro-mecânicos ligados a um computador pessoal com o software de controlo dedicado. Ele gera movimentos precisos, com seis graus de liberdade. Sensores colocados nos atuadores monitorados continuamente o perfil de movimento da plataforma. O dispositivo possui <0,5 milímetros de precisão para linear e <0,05 ° para os movimentos angulares. Vibrações durante a estimulação foi de 0,02 °. Frequência de ressonância do dispositivo era> 75 Hz. Perfil de movimento da plataforma foi reconstruída a partir da informação do sensor nos actuadores utilizando dinâmica inversa e enviado para o computador de recolha de dados. Para sincronizar a plataforma e os dados de movimento do olho, um feixe de laser foi montada na parte de trás da plaTForm e projetadas em uma pequena fotocélula (1 mm, tempo de reação 10 ms). A tensão de saída da célula fotoeléctrica foi amostrado a uma taxa de 1 KHz, juntamente com os dados de movimento do olho e proporcionado um indicador de início de movimento em tempo real, com uma precisão de 1 ms. Durante a análise off-line em Matlab (Mathworks, Natick, MA), o perfil de movimento reconstruído, da plataforma com base na informação do sensor de actuadores na plataforma foi alinhado precisamente com o início do movimento da plataforma.

2. Assuntos

A. Estar

Os sujeitos estão sentados numa cadeira montada no centro da plataforma (Figura 2). O corpo do sujeito foi contido com um cinto de segurança de quatro pontos, usado em carros de corrida. Os cintos de segurança foram fixados à base da plataforma de movimento. A cadeira foi rodeado por uma armação cúbico PVC e serviu como um suporte para as bobinas de campo. O sistema de bobina de campo foi ajustável em altura, de tal modo que a subjOs olhos de ect estavam no centro do campo magnético.

Fixação B. Cabeça

A cabeça é imobilizada com uma placa de mordida dental-impressão moldada individualmente, o que foi anexado à estrutura cúbica através de uma barra rígida. Uma almofada de vácuo dobrado em torno do pescoço e ligadas a um anel a cadeira assegurada ainda mais a fixação do objecto (Figura 1). Além disso, para monitorar os movimentos da cabeça espúrios durante a estimulação, anexamos dois sensores 3D (Analog Devices Inc, Norwood, MA) diretamente ao Conselho mordida, um para angular e um para acelerações lineares.

3. Sistema de Coordenadas

Rotações oculares são definidas em um sistema de coordenadas destro de cabeça fixa (Figura 3). Neste sistema a partir do ponto de vista de uma rotação para a esquerda sobre o eixo Z (yaw), uma rotação para baixo em torno do eixo Y (passo) e rotação para a direita sobre o eixo X (rolo) do sujeito são definidos como positive. Os planos ortogonais aos eixos X, Y e Z são os eixos de rotação, respectivamente, o rolo de passo e guinada planos (Figura 3).

4. Eye Recordings Movimento

Os movimentos oculares de ambos os olhos foram gravadas com 3D bobinas de pesquisa da esclera (Skalar, Delft, Holanda) ⁴ utilizando um sistema de dois kHz padrão da bobina 25 de campo com base no método de detecção de amplitude de Robinson (Modelo EMP3020, Skalar Médico, Delft, Holanda) ^5. Os sinais da bobina foram passados ​​através de um filtro passa-baixa analógico com freqüência de corte de 500 Hz e amostrado on-line e armazenado no disco rígido com uma frequência de 1 kHz com precisão de 16 bits (sistema CED execução Spike2 v6, Cambridge Electronic Design , Cambridge).

5. Pesquisa Bobina de calibração

Antes das experiências, a sensibilidade e não ortogonalidade de direcção e de torção bobinas foi verificada in vitro através da montagem da bobina sobre um Fick gisistema MBAL colocada no centro do campo magnético. Por rotação do sistema de suspensão de cardan sobre todos os eixos cardinais verificou-se que todas as bobinas usadas nas experiências foram simétrico para todos os sentidos dentro de 2%.

In vivo, os sinais horizontais e verticais de ambas as bobinas foram calibrados individualmente, instruindo o assunto para fixar sucessivamente uma série de cinco alvos (meta central e um alvo a 10 graus à esquerda, direita, para cima e para baixo) por cinco segundos cada. Alvos de calibração foram projetadas em uma tela translúcida em 186 centímetros de distância. A análise dos dados de calibração de experimento Pós resultou em sensibilidade e os valores para cada uma das bobinas de pesquisa offset. Estes valores foram, então, utilizados em procedimentos de análise escrito em Matlab ^3.

6 Estimulação

A. estimulação senoidal

A plataforma entregue rotações sinusoidais de corpo inteiro (1 Hz, A = 4 °) sobre os três cardinal eixos: o eixo rostral-caudal ou vertical (guinada), o eixo interaural (pitch) eo eixo nasal-occipital (rolo), e os eixos horizontais sobre intermediários incrementado em passos de 22,5 ° entre roll e pitch.

Estímulos senoidais foram entregues em luz e escuridão. Na luz, assuntos fixado em um alvo visual continuamente aceso (um LED vermelho, 2 mm de diâmetro), localizado 177 centímetros na frente do sujeito ao nível dos olhos (Figura 1C painel esquerdo). Cabeça foi posicionada de tal forma que a linha de Reid era base (a linha imaginária que liga o meato externa com o cantus orbital inferior) estava dentro de 6 graus de terra horizontal). Durante a estimulação sinusoidal no escuro, o alvo visual foi sucintamente apresentado (2 seg) quando a plataforma foi estacionário durante cada intervalo de tempo entre dois estímulos consecutivos. Para evitar movimentos oculares espontâneos durante a estimulação, os indivíduos foram instruídos a fixar o local imaginário do alvo fixo espaço durante sinusoidal estimulação depois que o alvo tinha sido desligado pouco antes do início do movimento. Verificou-se que o tipo de instrução reduzida, principalmente os movimentos dos olhos feitos em trevas, e teve apenas um pequeno efeito sobre o ganho (<10%). Esta variabilidade ocorreu em todos os componentes (horizontal, vertical e de torção) simultaneamente.

B. estimulação Impulse

Curta duração inteiras impulsos corporais foram entregues em um ambiente mal iluminado. O único estímulo visível disponível para o sujeito era um alvo visual localizado a 177 centímetros na frente do sujeito ao nível dos olhos. Cada impulso foi repetido seis vezes, e entregues em ordem aleatória com distribuição aleatória e de movimento de latência (intervalos variavam entre 2,5 e 3,5 seg.) O perfil dos impulsos era uma aceleração constante de 100 ° ^-2 seg durante os primeiros 100 ms do impulso, seguido por um decréscimo gradual na aceleração linear. Este estímulo resultou num aumento linear da velocidade de chegar a uma velocidade de 10 ° sec ^-1 após 100 milissegundos. Os movimentos da cabeça durante a estimulação aberrante vestibular medidos pela velocidade angular e os dispositivos de aceleração linear eram menos do que 4% da amplitude do estímulo. Pico de velocidade dos movimentos dos olhos em resposta a esses impulsos estava 100 vezes acima do nível de ruído dos sinais da bobina.

7. Análise de Dados

Sinais de bobinas foram convertidos em ângulos Fick e então expressa como vetores de rotação ^6,7. A partir dos dados do alvo de fixação para a frente foi determinado o desalinhamento da bobina no olho em relação às bobinas de campo magnético primário ortogonais. Os sinais foram corrigidos para este desalinhamento por rotação no sentido anti tridimensional. Verificou-se também que não há derrapagem bobina tivesse ocorrido durante o experimento, verificando a saída de posição durante a fixação da meta antes de cada início de movimento.

Para expressar os movimentos dos olhos em 3D no domínio da velocidade,convertemos dados vetoriais rotação de volta para a velocidade angular. Antes da conversão do vector de rotação para a velocidade angular, que os dados alisados ​​por-fase zero com um filtro digital para a frente e para trás, com uma janela de 20 pontos de Gauss (comprimento de 20 ms).

8. Respostas sinusoidais

Um ganho. O ganho de cada componente e ganho de velocidade 3D olho foi calculada ajustando uma sinusóide com uma frequência igual à frequência da plataforma, por meio dos componentes de velocidade angular vertical e de torção horizontal. O ganho de cada componente definido como a razão entre o componente de velocidade de pico do olho e a velocidade de pico plataforma foi calculado separadamente para cada olho.

B desalinhamento. O desalinhamento entre o eixo da velocidade olho 3D e eixo cabeça de velocidade foi calculada usando a abordagem de Aw e colegas ^8,9. A partir do produto escalar dos dois vectores o desalinhamento foi calculada como a instantaneous ângulo em três dimensões entre o inverso da velocidade do eixo do olho e o eixo da velocidade da cabeça. O ganho 3D velocidade angular e do desalinhamento para cada orientação azimutal foram comparadas com o ganho e o desalinhamento predito a partir do vector soma dos 0 ° (rolo) e 90 ° (altura) de componentes de azimute ^10. A partir deste vector soma segue-se que quando os ganhos de velocidade para roll e pitch são iguais, a orientação do eixo de rotação do olho se alinha com o eixo de rotação da cabeça, quando os dois são diferentes, o desvio máximo entre estímulo e o eixo de rotação do olho é esperado em 45 ° azimute.

9. Respostas Impulse

Dados olho traços esquerda e direita seis apresentações para cada direção de movimento foram analisados ​​separadamente. Como os valores de vista esquerda e direita foram quase idênticas, os dados a partir do olho esquerdo e direito foram calculadas para determinar o ganho de velocidade olho em resposta à estimulação de impulso. Todos os traços foraminspecionados individualmente na tela do computador. Quando o assunto fez um piscar de olhos ou saccade durante o impulso que o traço foi descartada manualmente. Componentes da velocidade angular (N = 5 a 6), durante os primeiros 100 ms após o início do movimento se a média de tempo em caixas de 20 ms (proporcionando uma filtragem passa-baixo eficaz) e traçada em função da velocidade da plataforma ^11,12.

Resultados

Luz estimulação senoidal

A Figura 4 (painel superior) mostra o grupo de controlo para o ganho de peso médio de cada componente da velocidade angular horizontal, vertical e de torção para todas as estimulações sinusoidais testadas em relação ao plano horizontal, à luz. Torsão foi máxima a 0 ° azimute, enquanto vertical apresentaram o seu máximo a 90 °. Figura 5 mostra a velocidade de ganho de 3D ​​olho na luz. Ganho variaram entre 0,99 ± 0,12...

Discussão

Este artigo descreve um método para medir com precisão 3D VOR angular em resposta à rotação de corpo inteiro em seres humanos. A vantagem do método é que ele dá a informação quantitativa sobre o ganho e desvio de 3D VOR angular em todas as três dimensões. O método é útil para a investigação fundamental e tem também potencial clínico valor por exemplo, para testar pacientes com problemas de canal vertical, ou pacientes com mal-entendidos problemas vestibulares centrais. Outra vantagem do dispo...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electric Motion Base MB-E-6DOF/24/1800KG * (Formerly E-CUE 624-1800)	FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, The Netherlands
Magnetic field with detector, Model EMP3020	Skalar Medical, Delft, The Netherlands
CED power 1401, running Spike2 v6	Cambridge Electronic Design, Cambridge
Electromagnetic search coils	Chronos Vision, Berlin, Germany