Трехмерные вестибулярного рефлекса Тестирование с помощью шестью степенями свободы движения платформы
23 мая 2013 г.
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
Общая цель данной процедуры — определение трехмерной функции вестибулярного аппарата у пациентов с вестибулярными расстройствами. Для этого сначала пациента усаживают на подвижную платформу и пристегивают ремнем безопасности. Затем в глаза пациента вводят склеральные поисковые катушки.
Для измерения вестибуло-окулярного рефлекса в трех измерениях используйте вакуумную подушку и прикусную пластину для фиксации испытуемого. Затем активируется платформа, которая подает синусоидальные и ступенчатые стимулы в случайном порядке для тестирования вестибулярной системы по всем трем осям.
Заключительным этапом является автономный анализ данных с глазных катушек для определения величины и согласованности вестибуло-окулярного рефлекса. В конечном счете, коэффициент усиления и согласованность вестибуло-окулярного рефлекса используются для дифференциации нормальной и патологической функций вестибулярного аппарата. Данный метод позволяет тестировать вестибулярную систему во всех трех измерениях.
Это является основным преимуществом по сравнению с существующими методами, такими как вращающиеся кресла с одним входом, которые используются в ЛОР-клиниках. Данный метод позволяет получить представление о трехмерной вестибулярной функции у здоровых испытуемых. Кроме того, метод используется для изучения вестибулярных заболеваний, таких как опухоли сономы, вестибулярный неврит и многие другие заболевания.
Процедуру демонстрируют Джойс ДиТс, Каспер Буэр, аспиранты, и Йохан Пелл, сотрудник моей исследовательской группы. Для начала процедуры усадите испытуемого на стул, установленный в центре платформы движения, и зафиксируйте его четырехточечным ремнем безопасности, закрепленным у основания платформы. В ходе эксперимента регистрируйте движения обоих глаз с помощью 3D-склеральных поисковых катушек, используя стандартную двухпольную систему катушек с частотой 25 кГц, основанную на методе детектирования амплитуды Робинсона.
Для выполнения этого сначала проведите анестезию глаз испытуемого, закапав в каждый глаз по несколько капель оксибутана. Затем введите в каждый глаз склеральные поисковые катушки, заключенные в силикон. После установки поисковых катушек расположите голову испытуемого таким образом, чтобы воображаемая линия, соединяющая наружный слуховой проход с нижним краем орбиты или линией Рида, находилась в пределах шести градусов от горизонтали.
Затем зафиксируйте голову испытуемого с помощью вакуумной подушки, надутой вокруг шеи. После этого попросите испытуемого зажать в зубах индивидуально изготовленную стоматологическую прикусную пластину. Пластина крепится к кубической раме посредством жесткого стержня и оснащена двумя 3D-датчиками для измерения побочных движений головы по угловому и линейному ускорению.
Затем активируйте платформу перемещения и поднимите ее в рабочее положение. Калибруйте горизонтальные и вертикальные сигналы каждой склеральной поисковой катушки по отдельности, попросив испытуемого фиксировать взгляд на серии мишеней по пять секунд на каждую. Затем запустите последовательность запрограммированных движений.
Платформа перемещения способна создавать угловые и трансляционные стимулы по шести степеням свободы с помощью шести электромеханических приводов с компьютерным управлением, показанных здесь. Для определения движения используется стандартная прямоугольная система координат с правой ориентацией. Центр системы координат находится в точке посередине между ушами испытуемого и определяется с точки зрения самого испытуемого.
Сначала определите поворот влево как положительное движение в направлении Z. Это называется рысканием. Затем определите движение вниз как положительное движение в направлении Y. Это называется тангажом.
Наконец, определите поворот вправо как положительное движение по оси X. Это движение известно как крен. Для начала синхронизируйте данные о положении платформы и движении глаз с помощью лазерного луча, установленного на задней стороне платформы.
Исходное положение определяется, когда лазер проецируется на небольшую фотоячейку, расположенную на задней стенке и контролируемую в ходе процедуры, при подаче синусоидальных стимулов как в условиях освещения, так и в темноте. При освещении испытуемый должен постоянно фокусировать взгляд на непрерывно горящем красном светодиоде, расположенном в 177 сантиметрах перед ним; в темноте этот светодиод также служит точкой фиксации. Перед началом каждого движения свет включается на две секунды, затем выключается.
Затем выполните вращения всего тела вокруг трех основных осей с помощью платформы движения: оси рыскания (вертикальной оси), межчелюстной оси и назо-затылочной оси. Помимо стимуляции вдоль основных осей, выполните вращения всего тела с шагом 22,5 градуса между креном и тангажом. Затем проведите импульсную стимуляцию в условиях низкой освещенности, используя светодиод в качестве визуального ориентира.
Для этого подавайте короткие импульсы по каждой из трех главных осей и по промежуточным горизонтальным осям под углом 45 градусов. Повторите каждый импульс шесть раз, подавая их в случайном порядке. Кроме того, случайным образом варьируйте время начала движения в диапазоне от 2,5 до 3,5 секунд.
Разделение каждого нового движения во время стимуляции. Регистрация данных о движении глаз проводилась с частотой 1000 hertz с использованием системы сбора данных CED. Здесь представлены примеры данных о положении глаз для каждого отдельного компонента.
Затем преобразуйте необработанные данные сигналов катушек глаза в угловую скорость для каждого компонента. Данные об угловой скорости используются для расчета коэффициента усиления, который определяется как величина компенсаторных движений глаз относительно заданного стимула. Рассогласование представляет собой мгновенный угол, выраженный в градусах, который рассчитывается в трех измерениях между обратным вектором оси скорости глаза и осью скорости головы.
Пример рассогласования в зависимости от стимула. Ориентация осей показана здесь пунктирной линией; на данном графике представлены средние результаты усиления. При синусоидальной симуляции по горизонтальной оси для контрольной группы торсионный максимум наблюдался при азимуте 0 градусов, тогда как вертикальный максимум отмечался при азимутах минус 90 градусов и плюс 90 градусов.
Горизонтальная составляющая отображает только базовые измерения. При объединении вертикальной и торсионной составляющих получается прогнозируемое значение для трех коэффициентов усиления скорости DI, которое показано здесь в виде пунктирной линии. Фактические значения представлены в виде точек данных.
Несовпадение между осями стимула и ответа, усредненное по шести испытуемым, показано здесь. Пунктирная линия представляет собой прогнозные значения, которые тесно коррелируют с фактическими данными. Несовпадение было минимальным при тангаже и постепенно увеличивалось при повороте, достигая максимального значения 17,33 градуса при азимуте 22,5 градуса.
При сравнении компонентов коэффициента усиления скорости движения глаза при освещении и в темноте была замечена значительная разница. Как вертикальный, так и торсионный компоненты были существенно ниже в темноте, что привело к общему снижению трехмерного коэффициента усиления скорости движения глаза. В то время как рассогласование между стимулом и ответом соответствовало прогнозируемым значениям при синусоидальном моделировании на свету, в темноте они не совпадали с прогнозируемыми значениями.
Это в основном обусловлено влиянием ненулевой горизонтальной составляющей. Импульсная стимуляция вызывает лишь кратковременные нарушения зрительной информации, однако вызывает качественно аналогичный ответ по усилению и рассогласованию, как и синусоидальная стимуляция в темноте. Чувствительность данного метода демонстрируется при сравнении пациентов с патологиями головного мозга, такими как односторонние сономы, с контрольной группой пациентов.
Слева представлены графики усиления и рассогласования пациента с опухолью головного мозга размером 14 миллиметров. При сравнении этих графиков с показателями контрольной группы пациентов видны явные различия. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как проводится процедура вестибулярного тестирования на платформе с шестью степенями свободы.
Важно понимать, как образцы закрепляются на данной платформе, как вводятся поисковые спирали и как интерпретировать полученные данные.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описывается метод измерения трехмерного вестибуло-окулярного рефлекса (3D VOR) у людей с использованием симулятора движения с шестью степенями свободы (6DF). Процедура направлена на оценку качества вестибулярной функции посредством определения коэффициента усиления и рассогласования углового 3D VOR.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Вестибулярная функция
- Физиология человека
Теоретические сведения
- Понимание вестибулярной функции имеет решающее значение для диагностики вестибулярных нарушений.
- Вестибуло-окулярный рефлекс необходим для стабилизации зрения при движениях головы.
- Измерение VOR в трех измерениях позволяет получить комплексное представление о состоянии вестибулярного аппарата.
- Традиционные методы могут не в полной мере отражать всю сложность вестибулярных реакций.
Цель исследования
- Определение трехмерной вестибулярной функции у пациентов с вестибулярными расстройствами.
- Обеспечение прямой оценки качества вестибулярной функции.
- Углубление понимания реакций вестибулярной системы при различных состояниях.
Используемые методы
- Испытуемые располагаются на подвижной платформе и фиксируются ремнем безопасности.
- Для проведения измерений в глаза испытуемых вводятся склеральные поисковые катушки.
- Для фиксации головы испытуемых используются вакуумная подушка и прикусная пластина.
- Платформа подает синусоидальные и ступенчатые стимулы в случайном порядке для тестирования вестибулярной системы.
Основные результаты
- Репрезентативные данные, полученные от здоровых испытуемых, демонстрируют эффективность метода.
- Показатели усиления и смещения позволяют оценить качество вестибулярной функции.
- Данный метод позволяет проводить комплексную оценку 3D VOR.
- Результаты могут помочь в диагностике вестибулярных нарушений.
Выводы
- Симулятор движения 6DF является ценным инструментом для оценки функции вестибулярного аппарата.
- Измерение 3D VOR может расширить диагностические возможности при выявлении вестибулярных расстройств.
- Дальнейшие исследования могут расширить применение этого метода в клинических условиях.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Оценка трехмерной вестибулярной функции дает критически важную информацию о сенсомоторной интеграции, что способствует валидации мишеней в исследованиях неврологических и вестибулярных расстройств. Данный метод позволяет снизить механистические риски путем количественного определения усиления и согласованности компенсаторных движений глаз, обеспечивая прогностическую достоверность в доклинических моделях вестибулярной дисфункции. Такой подход поддерживает разработку трансляционных биомаркеров, связывая функциональные показатели с лежащими в их основе нейронными путями, что позволяет принимать решения о целесообразности дальнейших исследований (go/no-go) на ранних этапах поиска новых лекарственных средств.
Стратегическое применение в исследованиях и разработках биофармацевтики
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверять гипотезы о работе вестибулярного аппарата путем измерения усиления и согласованности ВГР в 3D при различных ориентациях стимула.
- Практическая ценность: Обеспечивает количественные, воспроизводимые результаты для оценки целостности вестибулярной системы в моделях заболеваний.
- Прогностическая ценность: Способствует снижению биологических рисков за счет выявления нарушений вестибулярной функции по отклонениям в усилении и несоответствию согласованности.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: позволяет создавать стандартизированные протоколы синусоидальной и импульсной стимуляции для обеспечения согласованности при измерении вестибулярного отклика.
- Количественные показатели: предоставляет данные о коэффициенте усиления и колинейности в качестве измеряемых конечных точек для скрининга вестибулярных модуляторов.
- Повторное использование платформы: платформа движения 6DF поддерживает масштабируемое тестирование по нескольким осям и в различных условиях, что обеспечивает стандартизацию анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Значимость для заболеваний: Продемонстрированная применимость при моделировании одностороннего вестибулярного нарушения, такого как вестибулярная шваннома, что обеспечивает преемственность трансляционных исследований.
- Прогресс с учетом рисков: Показатели усиления и выравнивания служат основой для принятия доклинических решений о продолжении или прекращении исследований (go/no-go) путем количественной оценки функционального дефицита.
- Механистическое понимание: Раскрывает, каким образом различия в коэффициентах усиления компонентов вращения глаза (торсионный по сравнению с вертикальным) приводят к смещению оси, что проясняет механизмы сенсомоторной интеграции.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум открытий — от валидации мишени до доклинической оценки, обеспечивая функциональный анализ вестибулярной системы, который связывает результаты исследований in vitro с моделями заболеваний in vivo.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о вестибулярных путях путем количественной оценки 3D-ответов VOR на контролируемые угловые стимулы.
- Скрининг: позволяет разрабатывать методы анализа благодаря воспроизводимому подаче синусоидальных и импульсных стимулов по шести степеням свободы.
- Аналитика: генерирует показатели усиления (соотношение входного и выходного сигналов) и смещения (коллинеарности) в качестве количественных многомерных показателей для сравнительного анализа.
- Трансляционные исследования: обеспечивают доклиническую валидность путем выявления функциональных различий между здоровыми субъектами и моделями вестибулярных нарушений.
- Корпоративное повторное использование: платформа 6DF служит многократно используемым инструментом для кросс-функциональных групп, изучающих сенсомоторную интеграцию и расстройства равновесия.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Обеспечивает снижение механистических рисков за счет точного измерения усиления и согласованности 3D VOR, уменьшая неопределенность при оценке вестибулярной функции.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость благодаря использованию калиброванной платформы перемещения и системы отслеживания движений глаз с помощью склеральных поисковых катушек.
- Стратегическая ценность: Улучшает процесс принятия решений о продолжении или прекращении разработок (go/no-go), предлагая количественные биомаркеры состояния вестибулярного аппарата, что снижает биологические риски на поздних стадиях программ по изучению ЦНС.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритизацию соединений, воздействующих на вестибулярные или мозжечковые пути, с поправкой на риск, на основе функционального восстановления усиления и согласованности.
Особенности реализации
- Требуется экспертными знаниями в области вестибулярной физиологии, регистрации движений глаз и систем управления движением.
- Зависимость от платформы движения с шестью степенями свободы и инструментария склеральных поисковых катушек с частотой дискретизации 1 kHz.
- Необходима межгрупповая стандартизация протоколов стимуляции, сбора данных и офлайн-анализа усиления/выравнивания.
- При адаптации следует учитывать анатомические особенности конкретного вида и размер катушек для трансляционных модельных систем.
- Практические ограничения включают дискомфорт субъекта при длительной иммобилизации и чувствительность к условиям визуальной фиксации, так как усиление и выравнивание различаются в условиях освещения и темноты.
