Comparative analysis of oculography methods for the diagnosis of the vestibular system.pdf Введение Вестибулярный аппарат представляет собой орган, который воспринимает изменения поло-жения головы и тела в пространстве и направление движения тела у позвоночных животных и че-ловека [1]. Наряду с органами слуха, вестибулярный аппарат является частью внутреннего уха и расположен симметрично в левой и правой височных костях. Каждый из периферических вести-булярных органов состоит из трех полукружных каналов, реагирующих на угловое ускорение при вращении головы, и двух отолитовых органов, детектирующих линейные ускорения и гравитацию. Благодаря вестибулярному аппарату человек и позвоночные животные способны поддерживать равновесие тела, ориентироваться в пространстве, координировать свои движения и стабилизовать взгляд во время движений головы. Стабилизация взгляда происходит благодаря вестибуло-окулярному рефлексу (ВОР), с помо-щью которого при повороте головы глаза поворачиваются с той же скоростью, но в противопо-ложном направлении. Например, при повороте головы в правую сторону, глаза повернутся в ле-вую, а изображение останется практически неподвижным на сетчатке [2, 3]. Различные заболевания и повреждения внутреннего уха приводят к нарушениям вестибуляр-ной функции [4]. Своевременная клиническая оценка функционального состояния вестибулярного аппарата помогает понять причины нарушения работы органов равновесия и прийти к эффектив-ному лечению. Поскольку глазодвигательная система связана с вестибулярным аппаратом посред-ством ВОР, то достоверную оценку состояния данного органа можно дать, оценив состояние ВОР. Существует ряд методов отслеживания и записи движения глаз, среди которых наиболее рас-пространенными являются методы видеоокулографии (ВОГ) и электроокулографии (ЭОГ). Систе-мы ВОГ зачастую представляют собой подключенные к персональному компьютеру очки со встроенной высокоскоростной инфракрасной камерой, предназначенной для детектирования по-ложения глаз [5, 6]. В свою очередь, ЭОГ измеряет поляризационный потенциал между роговицей и сетчаткой глаза, так называемый корнеоретинальный потенциал (КРП). Снятие КРП происходит с помощью электродов, закрепленных на лице человека вокруг глаз. Для измерения горизонталь-ной или вертикальной составляющей движения глаз используется пара электродов, которая распо-лагается близко к краям глазных орбит вдоль вертикальной или горизонтальной оси вращения гла-за [7, 8]. Метод ЭОГ обладает рядом преимуществ перед методом ВОГ. Во-первых, оборудование для проведения ЭОГ является наиболее доступным по цене и сам метод очень прост в освоении. Именно поэтому системы ЭОГ есть в наличии у многих медицинских центров и лабораторий. Бо-лее того, при применении метода ЭОГ во время диагностики состояния вестибулярного аппарата такие особенности, как закрытые глаза, нависшее веко, глазодвигательные патологии, не препят-ствуют регистрации движения глаз. Несмотря на то, что в настоящее время ЭОГ считают устаревшей методикой, она имеет ряд преимуществ перед ВОГ, таких как доступность для учреждений здравоохранения; эффективность при оценке функциональности ВОР у детей [9]; возможность записи движения закрытых глаз (со-стояние сна), а также при недостаточной освещенности или в полной темноте; высокая по сравне-нию с ВОГ частота дискретизации записи. C помощью методов видеоокулографии и электрооку-лографии проводят такие тесты ВОР, как калорический тест, тест на поворотном кресле, тест им-пульса головы. Данные тесты широко используют в клинической практике: ЭОГ в калорическом тесте [10], ВОГ в тесте импульса головы [11], ЭОГ и ВОГ в тесте на вращающемся стуле [12]. Од-нако в научной литературе и в клинической практике нет упоминаний о проведении теста импуль-са головы с помощью ЭОГ. В настоящее время для выполнения такого теста используют только ВОГ. Следует заметить, что тест импульса головы является одним из лучших тестов для диагно-стики вестибулярной дисфункции и может служить «золотым стандартом» для сравнения с ним других методов. Кроме того, необходимо учитывать, что сигналы, полученные системами ЭОГ и ВОГ, могут быть искажены под влиянием различных шумов. Поскольку физический принцип работы этих двух методов различен, то природа возникновения шумов у них тоже различная. Например, ис-точниками шумов для ЭОГ являются поляризация электродов, миогенные потенциалы, шумы са-мого ЭОГ-устройства, индуктивные наводки в результате движения электродов в пространстве (например, при повороте головы исследуемого пациента при проведении теста импульса головы) [13]. Шумы ВОГ, в основном, связаны с проблемами детектирования позиции зрачка, вызванными различными патологиями, а также математическими алгоритмами обработки изображений [14]. Усреднение помогает избавиться от таких шумов [15]. В связи с этим, цель настоящей работы - разработка метода синхронизации измерений зритель-ных саккад при одновременной регистрации поворота глаза человека с применением методов ЭОГ и ВОГ и проведение экспериментальных исследований для оценки точности метода ЭОГ. Проведение эксперимента При проведении теста импульса головы [16] одним из индикаторов дисфункции вестибуляр-ной системы является наличие компенсирующих зрительных саккад - быстрых, строго согласо-ванных движений глаз, проходящих одновременно в одном направлении. Они варьируются по ам-плитуде, например от малых саккад при чтении до больших саккад при рассмотрении окружения, и по времени появления, от ранних саккад для грубого смещения взгляда в сторону цели до более поздних саккад для корректировки взгляда. Саккады также бывают вынужденными и самопроиз-вольными [17]. Саккады, возникающие при движении головы во время теста импульса головы, не-обходимы для возвращения взгляда к точке фиксации взгляда пациентом [18, 19]. Для сравнительного исследования эффективности и точности методов ЭОГ и ВОГ нами раз-работан способ синхронизации измерений зрительных саккад. На обезжиренные петролейным эфиром участки кожи справа и слева от правого глаза были помещены клейкие Ag/AgCl-электро¬ды с токопроводящим гелем. Поверх электродов были надеты очки с высокоскоростной инфра-красной камерой, нацеленной на правый глаз. Запись движения глаза осуществлялась следующими устройствами: ЭОГ - MPAQ (Maastricht, the Netherlands), ВОГ - ICS Impulse («GN Optometrics», Taastrup, Denmark) с частотами дискретизации 500 и 246 Гц соответственно. Во время процедуры доброволец сидел на стуле и смотрел прямо на маркер, прикрепленный к стене. Затем он быстро направлял взгляд вправо и влево к точкам, проецируемым лазером, встро-енным в очки ВОГ. Процесс записи длился 60 с. Всего было записано 48 саккад: 25 - при повороте глаза влево, среди которых 5 саккад большой амплитуды в 15° (< 150 град/с) и 20 саккад малой амплитуды в 7.5° (> 150 град/с); 23 - при повороте глаза вправо, среди которых 6 и 17 саккад большой и малой амплитуды. В помещении в качестве освещения использовался дневной свет. Процедура осуществлялась опытным врачом, экспертом в области вестибулологии на добровольце мужского пола без симптомов вестибулярной дисфункции и дисбаланса возрастом 28 лет. Для сравнения записей саккад была написана программа обработки полученных сигналов в среде разработки Matlab r2014b. Используемые устройства калибровались по трем точкам, распо-ложенным горизонтально в линию на расстоянии 7.5° друг от друга. Записанные устройствами сигналы, регистрирующие положение глаза, были обработаны с помощью фильтра низких частот 10 Гц. По сигналам вычислялась скорость движения глаза, поскольку саккады легче всего обнару-жить по изменению скорости из-за куполообразной формы сигнала скорости. Скорость глаза для обеих устройств была рассчитана методом центральной разности c «окном» в 15 точек. Далее, сигналы скорости глаз были скоррелированы по времени с использованием кросс-корреляции. Саккады были определены автоматически по пиковым значениям скоростей и отобраны по сле-дующим критериям: куполообразность формы сигнала скорости, пиковая скорость саккады ≥ 100 град/с. Далее следовало определение амплитуды скоростей саккад, расчет их средних значений при повороте глаза влево и вправо, определение стандартных отклонений, а также нахождение полу-ширины кривой скорости глаза при поворотах влево и вправо. Для установления зависимости скорости саккад, определенной методом ЭОГ, от скорости саккад, определенной методом ВОГ, была построена линейная регрессионная модель. В рамках данной модели зависимой переменной является ЭОГ, независимой - ВОГ. Результаты исследования Для анализа были выбраны 12 саккад при движении глаза влево и 10 - при движении глаза вправо. На рис. 1 изображены средние импульсы скоростей саккад при движении глаза вправо и влево и их стандартные отклонения. Средняя амплитуда скорости глаза при повороте влево со-ставила Vleft = (150±50) град/с, средняя амплитуда скорости глаза при повороте вправо - Vright = (160±50) град/с. Полуширина куполов сигнала скорости при повороте глаза вправо и влево составляет 0.123 с. Рис. 1. Средняя скорость движения глаза во время саккад: а - поворот глаза вправо; б - поворот глаза влево: кр. 1 - скорость ВОГ; кр. 2 - скорость ЭОГ; кр. 3 - стандартное отклонение скорости ВОГ; кр. 4 - стандартное отклонение скорости ЭОГ Линейная регрессионная модель зависимости скорости движения глаза ЭОГ от скорости дви-жения глаза ВОГ показала положительную корреляцию между скоростями ВОГ и ЭОГ. Критерий Фишера составляет F (n, m) = 8.49, p < 0.001, где n = 1 - межгрупповая степень свободы, m = 21 - внутригрупповая степень свободы. В таблице представлены параметры данной регрессионной модели. Уравнение регрессионной модели выглядит следующим образом: VEOG = 1.03•VVOG + 0.29 (R2 = 0.9959), где VEOG - скорость движения глаза ЭОГ, VVOG - скорость движения глаза ВОГ в град/с. На рис. 2 изображен график зависимости скорости ЭОГ от скорости ВОГ. Параметры линейной регрессионной модели зависимости скорости движения глаза ЭОГ от скорости движения глаза ВОГ Параметры Коэффициент Стандартная ошибка t-критерий p-значение Свободный член 0.29 0.14 2.06 0.04 Скорость ВОГ 1.03 0.01 291.46 < 0.001 Рис. 2. Корреляционная зависимость скорости движе-ния глаза ВОГ от скорости движения глаза ЭОГ. Линия - линейная регрессионная модель зависимости скоро-сти движения глаза ЭОГ от скорости движения глаз ВОГ, точки - экспериментальные данные Обсуждение результатов В данной работе проводилось сравнение результатов одновременных измерений скоростей саккад с применением двух методов окулографии - ЭОГ и ВОГ. Статистических различий между пиковыми скоростями саккад, записанными с помощью ВОГ и ЭОГ одновременно, не обнару-жено. В настоящее время запись движения глаз с помощью метода ВОГ является распространенной в медицинской практике, поскольку такой метод более прост в реализации и комфортен для испы-туемого (требуется только надеть очки). Однако этот метод не лишен серьезных недостатков - вы-сокая стоимость оборудования, низкая частота дискретизации камеры (до 250 Гц), что заметно влияет на точность полученных результатов. Помимо этого, существует множество ситуаций, в которых захват движения глаз камерой становится проблематичным, например, при нависшем ве-ке или различных патологиях движений глаз. Также существует вероятность неправильного за-крепления очков ВОГ на некоторых типах лиц, что может привести к некорректной интерпрета-ции результатов. Несмотря на преимущества ЭОГ, перечисленные во введении, его используют только для проведения калорического теста и теста на поворотном кресле. Наше исследование показало, что между результатами, полученными с помощью систем ЭОГ и ВОГ, нет принципиальных разли-чий. Следовательно, можно заключить, что метод ЭОГ можно использовать так же эффективно для диагностики вестибулярных рефлексов, как и метод ВОГ. Например, при проведении теста импульса головы, который наиболее часто используется для клинической оценки состояния вес-тибулярного аппарата, поскольку это - единственный тест, способный оценить функциональность всех полукружных каналов. Таким образом, метод электроокулографии может составить хорошую конкуренцию методу видеоокулографии при его использовании в тестах ВОР, в частности, в тесте импульса головы. Применение метода ЭОГ для проведения диагностики состояния вестибуло-окулярного рефлекса позволит заметно увеличить количество диагностированных случаев, где присутствуют наруше-ния вестибулярного аппарата, в связи с чем многим пациентам, страдающим от подобных заболе-ваний, будет оказана своевременная помощь. Заключение Анализ саккад при одновременной записи скорости горизонтального поворота правого глаза методами электроокулографии и видеоокулографии показал статистически значимую (p < 0.001) положительную корреляцию между средними скоростями поворота глаза ВОГ и ЭОГ, а также отличное согласие сигналов скорости глаза ЭОГ с сигналами ВОГ (R2 = 0.9959) при усреднении не менее 10 саккад. Из результатов экпериментальных исследований следует, что рассматриваемые методы, основанные на различных физических принципах, показывают в среднем одинаковый профиль средней скорости поворота глаза во время быстрых движений глаза, несмотря на разные источники шумов и ошибок. Таким образом, точность рассматриваемых методов сравнима. Кроме того, метод ЭОГ обладает рядом преимуществ перед методом ВОГ, связанных с доступностью оборудования и простотой методики измерений. Следовательно, метод ЭОГ можно использовать так же эффективно для диагностики вестибуло-окулярного рефлекса, как и метод ВОГ.

Скачать электронную версию публикации