Трехмерные вестибулярного рефлекса Тестирование с помощью шестью степенями свободы движения платформы

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

doi:10.3791/4144

АВТОРЫ

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Method Article

Трехмерные вестибулярного рефлекса Тестирование с помощью шестью степенями свободы движения платформы

DOI:

10.3791/4144

⸱

May 23rd, 2013

Joyce Dits¹, Mark M.J. Houben², Johannes van der Steen¹

¹Department of Neuroscience, Erasmus MC, ²TNO Human Factors

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Резюме

Описан метод для измерения трехмерных вестибулоокулярной глазные рефлексы (3D VOR) в организме человека использованием шестью степенями свободы (6DF) движения симулятор. Усиления и смещения углового VOR 3D обеспечивают прямое измерение качества функционирования вестибулярного аппарата. Репрезентативные данные о здоровых субъектов предоставляются

Аннотация

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.

протокол

1. 6DF движения платформы

Вестибулярная стимулы были доставлены с подвижной платформе (см. рисунок 1), способных генерировать угловых и поступательных стимулов в общей сложности шестью степенями свободы (FCS-MOOG, Nieuw-Vennep, Нидерланды). Платформа перемещается шесть электромеханический привод подключен к персональному компьютеру с выделенным программным управлением. Он генерирует точные движения с шестью степенями свободы. Датчиков, установленных в приводах постоянно контролируется профиля платформы движения. Устройство имеет <0,5 мм точность линейных и <0,05 ° для угловых перемещений. Вибрация во время стимуляции были 0,02 °. Резонансная частота устройства составляла> 75 Гц. Профиль платформы движения была реконструирована от датчика информации в исполнительные элементы обратной динамики и отправляться на компьютер сбора данных. Для синхронизации платформы и данные движения глаз, лазерный луч был установлен на задней стороне плаTForm и проецируется на небольшой фотоэлемент (1 мм, время реакции 10 мкс). Выходное напряжение фотоэлемента отбирали со скоростью 1 кГц вместе с данными движения глаз и при условии, реальный показатель времени начала движения с точностью 1 мс. В автономном анализа с использованием Matlab (Mathworks, Natick, MA), реконструированный профиль движения платформы на основе информации датчика приводов в платформу точно выровнены с началом вращения платформы.

2. Тематика

А. Гостиный

Объекты сидя на стуле установлен в центре платформы (рис. 2). Тела субъекта был сдержан с четырех пунктов ремней безопасности, используемый в гоночных автомобилях. Ремни были прикреплены к основанию движение платформы. Кафедра была окружена ПВХ кубических рамы и служила опорой для катушек. Система поля катушки регулируется по высоте, так что Subjглаза т.д. были в центре магнитного поля.

B. Глава фиксации

Глава иммобилизуется использованием индивидуально изготовленные Дентал-впечатление укуса доска, которая была прикреплена к кубическим корпусом через жесткий стержень. Вакуумные подушки сложены вокруг шеи и кольца при кафедре дальнейшем обеспечена фиксация субъекта (рис. 1). Кроме того, для контроля ложных движений головы во время стимуляции, мы прикрепили два 3D-сенсоры (Analog Devices Inc, Норвуд, Массачусетс) непосредственно на укус доске, по одному для угловых и один для линейных ускорений.

3. Система координат

Глаз вращения определяются в лобовом фиксированной правой системы координат (рис. 3). В этой системе с точки зрения субъекта смотреть влево вращение вокруг Z-оси (рыскания), вниз вращения вокруг оси Y. (шаг) и вправо вращение вокруг оси Х (рулон) определяются как Positiве. Плоскостях, перпендикулярных к X, Y и Z осей вращения, соответственно, крена, тангажа и рыскания плоскости (рис. 3).

4. Записи движений глаз

Движения глаз обоих глаз были записаны с 3D склеральное катушки поиска (Skalar, Делфт, Нидерланды) ⁴ с помощью стандартного 25 кГц две катушки системы, основанной на амплитудный метод обнаружения Робинсон (модель EMP3020, Skalar медицинский, Делфт, Нидерланды) ^5. Катушка сигналы прошли через аналоговый фильтр нижних частот с частотой среза 500 Гц и пробовал он-лайн и хранится на жесткий диск с частотой 1 кГц и 16-битной точностью (CED система работает Spike2 V6, Cambridge Electronic Design , Кембридж).

5. Калибровка поисковой катушки

До экспериментов, чувствительность и неортогональности направлении и кручение катушки была проверена в лабораторных условиях путем установки катушки на Фик Г.И.MBAL системы, помещенной в центре магнитного поля. При вращении карданный система по всем кардинальным оси мы убедились, что все катушки, используемые в экспериментах были симметричны по всем направлениям в пределах 2%.

В естественных условиях, горизонтальные и вертикальные сигналы обеих катушек были индивидуально калиброванные, инструктируя подлежат последовательно зафиксировать серию из пяти мишеней (центральная цель и цели на 10 градусов влево, вправо, вверх и вниз) в течение пяти секунд каждый. Калибровка цели были проецируется на полупрозрачный экран на расстоянии 186 см. Сообщение эксперимента анализ данных калибровки в результате чувствительности и смещения значений для каждой катушки поиска. Эти значения были затем использованы при анализе процедуры, написанные на Matlab ^3.

6 Стимуляция

А. Синусоидальная стимуляции

Платформа поставляется всего тела синусоидального вращения (1 Гц, = 4 °) относительно трех сердечноНАЛ осей: ростральной-каудальной или вертикальной оси (рыскания), межушной оси (шаг) и носовая-затылочной оси (крен), а также о промежуточных горизонтальных осей увеличивается с шагом 22,5 ° между крена и тангажа.

Синусоидальная стимулы были поставлены в свет и тьма. В свете, предметы фиксироваться на непрерывно освещенной визуального цели (красный светодиод, 2 мм в диаметре) расположен 177 см от предмета на уровне глаз (рис. 1C левая панель). Голова была расположена так, что линия Рейда было основание (мнимой линии, соединяющей наружный слуховой проход с нижней орбитальной Cantus) была в пределах 6 градусов от земли горизонтально). Во синусоидальной стимуляции в темноте, визуальный цель была кратко представлена (2 секунды), когда платформа была стационарная в течение каждого интервала между двумя последовательными стимулами. Чтобы избежать спонтанных движений глаз во время стимуляции, субъекты были проинструктированы для фиксации расположения мнимых пространства фиксированной мишенью во время синусоидедр. стимуляции после того как цель была выключена непосредственно перед началом движения. Мы проверили, что тип команды основном сократили движений глаз, сделанные в темноте, и имела лишь небольшое влияние на усиление (<10%). Эта изменчивость происходит во всех компонентах (горизонтальные, вертикальные и кручение) одновременно.

B. Импульс стимуляции

Короткие импульсы длительностью целого тела были доставлены в условиях недостаточной освещенности. Единственным видимым стимулом имеющейся у субъекта была визуальной мишени, расположенной в 177 см от предмета на уровне глаз. Каждый импульс повторяется шесть раз и доставлены в случайном порядке и со случайными времени начала движения (интервалы варьировать между 2,5 и 3,5 сек). Профиль импульсов был постоянным ускорением 100 ° сек ^-2 течение первых 100 мс импульса, с последующим постепенным линейное уменьшение ускорения. Этот стимул привел к линейному увеличению скорости достижения скоростейность 10 ° с ^-1 через 100 мс. Аберрантный движения головы во время стимуляции вестибулярного измеряется угловой скорости и линейные ускорения устройства были меньше, чем 4% от амплитуды стимула. Пик скорости движения глаз в ответ на эти импульсы в 100 раз выше уровень шума катушки сигналов.

7. Анализ данных

Катушка сигналы были преобразованы в углах Фик, а затем выражается как векторы вращения ^6,7. От фиксации данных для этой прямой мы определили смещение катушки в глаза относительно ортогональных первичного магнитного поля катушки. Сигналы были исправлены для этого радиального смещения по трехмерным счетчик вращения. Было также подтверждено, что нет виток проскальзывания не произошло в ходе эксперимента путем проверки позиции вывода во время фиксации целевого перед каждым движением начала.

Чтобы выразить 3D движения глаз по скорости домена,мы преобразовали данные вектора вращения обратно в угловую скорость. До преобразования вращения вектора угловой скорости, сглаживается данных нулевой фазе с прямым и обратным цифровой фильтр с 20-точечное гауссово окно (длиной 20 мс).

8. Синусоидальная Ответы

Gain. Коэффициент усиления каждого компонента и 3D усиления скорости глаз был рассчитан путем установки синусоиды с частотой, равной частоте платформы через горизонтальные, вертикальные и кручение угловые компоненты скорости. Коэффициент усиления для каждого компонента определяется как отношение между глазом компонент пиковой скорости и скорости платформы пик рассчитывается отдельно для каждого глаза.

B смещения. Рассогласования между 3D скорость оси глаз и оси скоростной напор был рассчитан с использованием подхода Aw и коллег ^8,9. От скалярного произведения двух векторов смещения рассчитывается как модулиtantaneous углом в трех измерениях между обратная скорость оси глаз и оси скоростного напора. 3D углового коэффициента усиления скорости и смещения для каждой азимутальной ориентации сравнивали с коэффициентом усиления и смещения предсказанный вектор с суммированием 0 ° (рулон) и 90 ° (шаг) азимутальный компонент ^10. Из этого вектора суммирование следует, что при скорости усиления для крена и тангажа равны, ориентации оси вращения глаз совпадала с осью вращения головы, когда две разные, максимальное отклонение между стимулом и ось вращения глаз ожидается на 45 ° азимуту.

9. Импульсных характеристик

Левый и правый глаз данные следы шести презентаций для каждого направления движения были проанализированы отдельно. Потому что левый и правый глаз значения были почти идентичны, данные из левого и правого глаза были усреднены, чтобы определить прирост скорости глаз в ответ на импульс стимуляции. Все следы былииндивидуально проверены на экране компьютера. Если объект сделан мигать или саккады во время импульса, который был вручную следа отбрасываются. Угловое компоненты скорости (N = 5 и 6) в течение первых 100 мс после начала движения были усреднены во времени бункеров 20 мс (при условии эффективной фильтрации нижних частот) и на графике как функцию скорости платформы ^11,12.