Trójwymiarowe badanie odruchu przedsionkowo-okulistycznego z wykorzystaniem platformy ruchowej o sześciu stopniach swobody
23 maja 2013
Opisano metodę pomiaru trójwymiarowych odruchów przedsionkowo-ocznych (3D VOR) u ludzi z wykorzystaniem symulatora ruchu o sześciu stopniach swobody (6DF). Wzmocnienie oraz błąd ustawienia kątowego 3D VOR stanowią bezpośrednią miarę jakości funkcji przedsionkowej. Przedstawiono reprezentatywne dane uzyskane od zdrowych osób badanych
Ogólnym celem tej procedury jest określenie trójwymiarowej funkcji przedsionkowej u pacjentów z zaburzeniami błędnika. W tym celu najpierw należy posadzić badanego na platformie ruchomej i zapiąć pas bezpieczeństwa. Następnie należy wprowadzić twardówkowe cewki poszukiwawcze do oczu badanego.
Aby zmierzyć odruch przedsionkowo-oczny w trzech wymiarach, należy użyć poduszki próżniowej oraz korytka do zgryzów w celu unieruchomienia badanego. Następnie aktywowana jest platforma, która dostarcza bodźce sinusoidalne i skokowe w losowej kolejności, aby przetestować układ przedsionkowy we wszystkich trzech wymiarach.
Ostatnim krokiem jest analiza danych z cewki do pomiaru ruchów gałek ocznych w trybie offline w celu wyznaczenia amplitudy i kierunku odruchu przedsionkowo-ocznego. Ostatecznie wzmocnienie i kierunek odruchu przedsionkowo-ocznego służą do odróżnienia prawidłowej funkcji przedsionkowej od nieprawidłowej. Technika ta umożliwia nam przetestowanie układu przedsionkowego w trzech wymiarach.
Jest to główna zaleta w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak krzesła rotacyjne z jednym dostępem, stosowane w gabinetach laryngologicznych. Metoda ta pozwala na wgląd w trójwymiarową funkcję przedsionkową u zdrowych osób. Ponadto metoda ta jest wykorzystywana do badania chorób błędnika, takich jak guzy akustyka, zapalenie nerwu przedsionkowego oraz wielu innych chorób ucha wewnętrznego.
Procedurę zaprezentują Joyce DITs Kasper Boer, oboje doktoranci, oraz Johan Pell, pracownik mojej grupy badawczej. Aby rozpocząć procedurę, należy posadzić badanego na krześle zamontowanym w centrum platformy ruchomej i zabezpieczyć go za pomocą czteropunktowych pasów bezpieczeństwa przytwierdzonych do podstawy platformy. Podczas eksperymentu należy rejestrować ruchy obu oczu za pomocą 3D scleral search coils, wykorzystując standardowy dwupolowy system cewek o częstotliwości 25 kHz, oparty na metodzie detekcji amplitudy opracowanej przez Robinsona.
Aby to osiągnąć, w pierwszej kolejności znieczul oczy obiektu, zakraplając do każdego oka po kilka kropel oxybutanu. Następnie wprowadź do każdego oka zatopione w silikonie cewki poszukiwawcze twardówki. Po wprowadzeniu cewek poszukiwawczych ustaw głowę obiektu tak, aby wyimaginowana linia łącząca meatus externus z dolnym brzegiem oczodołu lub linią wędzidełką znajdowała się w odległości do sześciu stopni od poziomu gruntu.
Następnie unieruchom głowę badanego za pomocą poduszki próżniowej nadmuchanej wokół szyi. Potem poproś badanego o zagryzienie indywidualnie dopasowanej płytki zgryzowej z odcisku dentystycznego. Płytka zgryzowa jest przymocowana do ramki sześciennej za pomocą sztywnego pręta i zawiera dwa czujniki 3D służące do pomiaru niepożądanych ruchów głowy poprzez przyspieszenie kątowe i liniowe.
Następnie uruchom platformę ruchową i podnieś ją do pozycji roboczej. Skalibruj sygnały poziome i pionowe obu twardówkowych cewek poszukiwawczych oddzielnie, instruując badanego, aby fiksował wzrok na serii celów przez pięć sekund każdy. Następnie rozpocznij sekwencję zaprogramowanych ruchów.
Platforma ruchowa jest w stanie generować bodźce kątowe i translacyjne w sumie sześciu stopniach swobody dzięki zastosowaniu sześciu sterowanych komputerowo siłowników elektromechanicznych pokazanych tutaj. W celu zdefiniowania ruchu należy użyć standardowego prawoskrętnego układu współrzędnych. Układ współrzędnych jest wycentrowany w punkcie znajdującym się w połowie odległości między uszami badanego i jest zdefiniowany z perspektywy badanego.
Najpierw zdefiniuj obrót w lewo jako ruch dodatni w kierunku Z. Jest to znane jako odchylenie (Y).Następnie zdefiniuj ruch w dół jako ruch dodatni w kierunku Y. Jest to znane jako pochylenie (pitch).
Wreszcie, przyjmijmy obrót słowa w prawo jako ruch dodatni w kierunku X. Jest to znane jako roll (przechył). Aby rozpocząć, zsynchronizuj dane platformy i ruchów gałek ocznych, używając wiązki laserowej zamontowanej z tyłu platformy.
Położenie początkowe jest rozpoznawane, gdy laser zostanie rzucony na małą fotokomórkę znajdującą się na tylnej ścianie, która jest monitorowana podczas procedury dostarczania bodźców sinusoidalnych zarówno w warunkach oświetlonych, jak i w ciemności. W warunkach oświetlonych badany powinien cały czas utrzymać wzrok na stale zapalonej czerwonej diodzie LED, znajdującej się 177 centymetrów przed nim w ciemności. Światło jest włączane na dwie sekundy, a następnie wyłączane przed rozpoczęciem każdego ruchu.
Następnie wykonaj rotacje całego ciała wokół trzech głównych osi anatomii (AE) za pomocą platformy ruchowej: osi rotacyjnej (rocoddle) lub pionowej, osi międzoustnej oraz osi nosowo-potylicznej. Oprócz stymulacji wokół osi głównych, wykonaj rotacje całego ciała w krokach o wartości 22,5 stopnia pomiędzy przechyłem bocznym (roll) a pochyleniem (pitch). Następnie przeprowadź stymulację impulsową w słabo oświetlonym środowisku, wykorzystując diodę LED jako cel wizualny.
Aby to osiągnąć, należy przyłożyć krótkotrwałe impulsy w każdej z trzech głównych osi oraz w pośrednich osiach poziomych pod kątem 45 stopni. Każdy impuls należy powtórzyć sześciokrotnie, podając je w losowej kolejności. Dodatkowo należy losowo zmieniać czas rozpoczęcia ruchu w przedziale od 2,5 do 3,5 sekundy.
Oddzielenie każdego nowego ruchu podczas stymulacji. Rejestrację danych o ruchach oczu prowadzono z częstotliwością 1000 hertz, korzystając z systemu akwizycji danych CED. Poniżej przedstawiono przykładowe dane dotyczące pozycji oczu dla każdego indywidualnego komponentu.
Następnie należy przekształcić surowe dane z cewek oka w prędkość kątową dla każdego komponentu. Dane dotyczące prędkości kątowej służą do obliczenia wzmocnienia, zdefiniowanego jako amplituda kompensacyjnych ruchów oka w stosunku do narzuconego bodźca. Rozbieżność (misalignment) to aktualny kąt wyrażony w stopniach, obliczany w trzech wymiarach pomiędzy odwrotnością osi prędkości oka a osią prędkości głowy.
Przykład niezgodności w funkcji bodźca. Orientacja osi jest przedstawiona tutaj jako linia przerywana; przedstawiony tutaj wykres obrazuje średnie wyniki wzmocnienia. Dla symulacji sinusoidalnej osi poziomej w grupie kontrolnej maksimum torsyjne wystąpiło przy azymucie zero stopni, natomiast maksimum pionowe wystąpiło zarówno przy azymucie minus 90 stopni, jak i plus 90 stopni.
Komponent poziomy przedstawia wyłącznie pomiary bazowe. Po połączeniu komponentów pionowego i skrętnego otrzymuje się wartość przewidywaną dla trzech wzmocnień prędkości DI, przedstawioną tutaj w postaci linii przerywanej. Wartości rzeczywiste przedstawiono jako punkty danych.
Niezgodność między osią bodźca a osią odpowiedzi uśredniona dla sześciu badanych, przedstawiona na wykresie. Linia przerywana reprezentuje wartości przewidywane, które ściśle odpowiadają wartościom rzeczywistym. Niezgodność była najmniejsza podczas pochylenia i stopniowo zwiększała się w kierunku obrotu, osiągając maksymalną wartość 17,33 stopnia przy azymucie 22,5 stopnia.
Zauważono istotną różnicę podczas porównywania składowych wzmocnienia prędkości ruchu oka w świetle i w ciemności. Zarówno składowa pionowa, jak i torsyjna były istotnie niższe w ciemności, co skutkowało ogólnym, niższym wzmocnieniem prędkości ruchu oka w 3D. Choć niedopasowanie między bodźcem a odpowiedzią odpowiadało wartościom przewidywanym podczas symulacji sinusoidalnej w świetle, nie pokrywały się one z wartościami przewidywanymi w ciemności.
Wynika to głównie z wpływu niezerowej składowej poziomej. Stymulacja impulsowa powoduje jedynie krótkotrwałe zaburzenia informacji wizualnej, lecz wywołuje jakościowo podobną odpowiedź w zakresie wzmocnienia i rozbieżności, co stymulacja sinusoidalna w ciemności. Czułość tej metody wykazano, porównując pacjentów z anomaliami mózgowymi, takimi jak jednostronne synomas, z pacjentami z grupy kontrolnej.
Po lewej stronie przedstawiono wykresy wzmocnienia (gain) i rozbieżności (misalignment) pacjenta z guzem mózgu o wielkości 14 milimetrów. Wyraźne różnice są widoczne po porównaniu tych wykresów z wynikami pacjentów z grupy kontrolnej. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat przeprowadzania procedury testu błędnika na platformie o sześciu stopniach swobody.
Ważne jest zrozumienie sposobu montowania próbek na tej platformie, metody wprowadzania pętli poszukiwawczych oraz sposobu interpretacji danych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł opisuje metodę pomiaru trójwymiarowych odruchów przedsionkowo-ocznych (3D VOR) u ludzi z wykorzystaniem symulatora ruchu o sześciu stopniach swobody (6DF). Procedura ta ma na celu ocenę jakości funkcji przedsionkowej poprzez analizę wzmocnienia oraz misalignmentu kątowego 3D VOR.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Funkcja przedsionkowa
- Fizjologia człowieka
Wstęp
- Zrozumienie funkcji przedsionkowej jest kluczowe dla diagnozowania zaburzeń przedsionkowych.
- Odruch przedsionkowo-okulistyczny jest niezbędny do stabilizacji obrazu podczas ruchów głowy.
- Pomiar VOR w trzech wymiarach dostarcza kompleksowych informacji o stanie układu przedsionkowego.
- Tradycyjne metody mogą nie oddawać pełnej złożoności odpowiedzi przedsionkowych.
Cel badania
- Określenie trójwymiarowej funkcji przedsionkowej u pacjentów z zaburzeniami błędnika.
- Zapewnienie bezpośredniego pomiaru jakości funkcji przedsionkowej.
- Pogłębienie zrozumienia reakcji układu przedsionkowego w różnych stanach.
Zastosowane metody
- Badani zostają posadzeni na platformie ruchomej i zabezpieczeni pasem bezpieczeństwa.
- W celu dokonania pomiarów w oczach badanych umieszcza się cewki wyszukiwawcze na twardówce.
- Do unieruchomienia badanych wykorzystuje się poduszkę próżniową oraz uchwyt do zębów.
- Platforma generuje bodźce sinusoidalne i skokowe w losowej kolejności w celu zbadania układu przedsionkowego.
Główne wyniki
- Reprezentatywne dane uzyskane od zdrowych osób badanych potwierdzają skuteczność metody.
- Wskaźniki wzmocnienia i niedopasowania pozwalają na ocenę jakości funkcji przedsionkowej.
- Metoda umożliwia kompleksową ocenę 3D VOR.
- Wyniki mogą pomóc w diagnozowaniu zaburzeń przedsionkowych.
Wnioski
- Symulator ruchu 6DF jest cennym narzędziem do oceny funkcji przedsionkowej.
- Pomiar 3D VOR może zwiększyć możliwości diagnostyczne w przypadku zaburzeń przedsionkowych.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć zastosowanie tej metody w warunkach klinicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Ocena trójwymiarowej funkcji przedsionkowej dostarcza kluczowych informacji na temat integracji sensoryczno-motorycznej, wspierając walidację celów w badaniach nad zaburzeniami neurologicznymi i przedsionkowymi. Metoda ta umożliwia ograniczenie ryzyka mechanistycznego poprzez ilościowe określenie wzmocnienia i wyrównania kompensacyjnych ruchów gałek ocznych, co zapewnia pewność prognostyczną w przedklinicznych modelach dysfunkcji przedsionkowej. Takie podejście wspiera rozwój translacyjnych biomarkerów poprzez powiązanie wyników funkcjonalnych z podstawowymi szlakami neuronalnymi, co pozwala na podejmowanie decyzji typu go/no-go we wczesnych etapach procesów odkrywania leków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących układu przedsionkowego poprzez pomiar wzmocnienia i dopasowania 3D VOR w różnych orientacjach bodźca.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowych, powtarzalnych wyników służących do oceny integralności układu przedsionkowego w modelach chorobowych.
- Wartość prognostyczna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez wykrywanie nieprawidłowości w funkcji przedsionkowej na podstawie odchyleń we wzmocnieniu i błędów dopasowania.
Przesiewy i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Generuje zestandaryzowane protokoły stymulacji sinusoidalnej i impulsowej w celu spójnego pomiaru odpowiedzi przedsionkowej.
- Wynik ilościowy: Dostarcza wskaźniki wzmocnienia oraz kolinearności jako mierzalne punkty końcowe do przesiewowych badań modulatorów przedsionkowych.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Platforma ruchowa 6DF umożliwia skalowalne testowanie w wielu osiach i warunkach, co pozwala na standaryzację analizy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla choroby: Wykazana przydatność w modelowaniu jednostronnego upośledzenia przedsionkowego, takiego jak nerwiak błędnego nerwu, co wspiera ciągłość translacyjną.
- Postęp skorygowany o ryzyko: Metryki wzmocnienia i wyrównania informują przedkliniczne decyzje go/no-go poprzez ilościowe określenie deficytów funkcjonalnych.
- Wgląd mechanistyczny: Ujawnia, w jaki sposób zróżnicowane wzmocnienia w obrębie komponentów rotacji oka (torsja vs. pion) powodują znieszczenie osi, wyjaśniając mechanizmy integracji sensoryczno-motorycznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum odkryć — od walidacji celu po ocenę przedkliniczną — dostarczając funkcjonalnych wyników badań błędnika, które stanowią pomost między wynikami in vitro a modelowaniem chorób in vivo.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących szlaków przedsionkowych poprzez kwantyfikację trójwymiarowych odpowiedzi VOR na kontrolowane bodźce kątowe.
- Przesiewanie: Umożliwia opracowanie testów dzięki powtarzalnemu podawaniu bodźców sinusoidalnych i impulsowych w sześciu stopniach swobody.
- Analityka: Generuje wzmocnienie (stosunek wejścia do wyjścia) oraz błąd wyrównania (koliniowość) jako mierzalne, wielowymiarowe odczyty do analizy porównawczej.
- Badania translacyjne: Zapewnia walidację przedkliniczną poprzez wykrywanie różnic funkcjonalnych między zdrowymi osobnikami a modelami zaburzeń przedsionkowych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Platforma 6DF służy jako wielokrotnego użytku narzędzie dla interdyscyplinarnych zespołów badających integrację sensoryczno-motoryczną i zaburzenia równowagi.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zapewnia redukcję ryzyka mechanistycznego poprzez precyzyjny pomiar wzmocnienia i wyrównania 3D VOR, co zmniejsza niejednoznaczność w ocenie funkcji przedsionkowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki zastosowaniu skalibrowanej platformy ruchowej oraz śledzenia ruchu gałek ocznych za pomocą cewek twardówkowych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go, oferując ilościowe biomarkery stanu układu przedsionkowego, co redukuje biologiczne ryzyko w późnych fazach programów badawczych nad OUN.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację związków ukierunkowanych na szlaki przedsionkowe lub móżdżkowe z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o funkcjonalną regenerację wzmocnienia i wyrównania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu fizjologii błędnika, rejestracji ruchów gałek ocznych oraz systemów sterowania ruchem.
- Metoda zależy od zastosowania platformy ruchowej o sześciu stopniach swobody oraz aparatury z cewkami poszukiwawczymi mocowanymi na twardówce z częstotliwością próbkowania 1 kHz.
- Niezbędna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie protokołów stymulacji, akwizycji danych oraz analizy wzmocnienia i wyrównania w trybie offline.
- Rozważania dotyczące adaptacji obejmują anatomię specyficzną dla gatunku oraz dobór rozmiaru cewek dla translacyjnych modeli badawczych.
- Ograniczenia praktyczne obejmują dyskomfort badanego wynikający z długotrwałego unieruchomienia oraz wrażliwość na warunki fiksacji wzrokowej, ponieważ wzmocnienie i wyrównanie różnią się w zależności od oświetlenia otoczenia (warunki jasne i ciemne).
