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Innovative vestibular testing. applications in the pediatric environment, in the operating room, and in rehabilitation
Innovative vestibular testing. applications in the pediatric environment, in the operating room, and in rehabilitation
Dizziness and vertigo are common complaints in the general population, affecting yearly 15-20% of adults and 5-25% of children of school age and having considerable impact on everyday life. As the assessment of peripheral vestibular deficits is challenging, it is crucial to dispose of techniques to provide clinicians support for the correct diagnosis. The aim of this dissertation is therefore to apply in the clinical context cutting-edge diagnostic tools for the easy, quick and reliable assessment of peripheral vestibular impairments and the related functionality. Traditional techniques for the evaluation of semicircular canals, such as the caloric test, the rotational test or the search-coil Head Impulse Test, present several disadvantages, being unpleasant, expensive, time-consuming, not always available at the bedside or appropriate for any group of patients. Additionally, testing the vestibular system at low frequencies, such as in the caloric test, does not cover the physiologically relevant range. The video Head Impulse Test (vHIT) represents an alternative to indirectly evaluate semicircular canals’ function, stimulating the vestibulo-ocular reflex (VOR) with high-frequency head rotations and measuring the resulting eye and head movements. The first study reported in this dissertation extends the potentiality of the vHIT, assessing its feasibility in a group of healthy children and validating its use as a simple and well-tolerated bedside test for the vestibular screening of the pediatric population. The quantitative outcomes of the vHIT, however, do not always reflect functionality, i.e., how efficient is the VOR in stabilizing the visual scene during head perturbations. This represents the starting point for the development of tests whose aim is to assess the subjective perception of this ability. Among the most recently introduced techniques, the Head Impulse Testing Device (HITD) quantifies, without recording eye movements, patient’s reading abilities while performing high-frequency passive head rotations during equally challenging visual stimuli. The second section introduces and validates a new diagnostic tool, the Head Impulse Testing Device-Functional Testing (HITD-FT), which combines the HITD with eye movements recording. The HITD-FT is tested on healthy participants, whose vestibular functionality is transiently impaired by opioid administration. The work assesses the combined effect of VOR and re-fixation saccades on gaze stabilization during high-frequency passive head rotations. Moreover, it describes the role of covert re-fixation saccades on image stabilization and in enhancing overall dynamic vision. The HIDT-FT is furthermore exploited within the context of this dissertation to monitor the overall dynamic visual performance of vestibular patients during rehabilitation. The same experimental set-up, with healthy subjects undergoing opioid administration, is lately also exploited to explore the causes underlying post-operative nausea and vomiting, whose mechanism is still not completely understood. Preliminary studies suggest that opioids, acting on semicircular canals, generate a mismatch between the altered canals’ inputs and other non-consistently altered sensory inputs, triggering nausea and vomiting. The here reported study investigates whether the mismatch between semicircular canals’ inputs and other vestibular sensory inputs, or the mismatch between vestibular and visual inputs, are clinically relevant. A better understanding of this mechanism, i.e. that intra-vestibular mismatches have a particular importance, can help reducing the unpleasant side effects and improve pain management with opioids., Schwindelsyndrome sind häufig. Sie betreffen jährlich 15-20% der Erwachsenen und 5- 25% der Schulkinder und haben erhebliche Auswirkungen auf den Alltag. Die Beurteilung peripherer vestibulärer Defizite ist eine Herausforderung. Daher ist es entscheidend, Meth- oden zur Verfügung zu haben um Mediziner bei der Diagnosestellung zu unterstützen. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, innovative Diagnose-Tools zur einfachen, schnellen und zuverlässigen Beurteilung der Funktion des vestibulären Systems in die Klinik zu übertragen. Traditionelle Methoden zur Evaluation der Bogengänge wie Kalorik, Drehstuhltest oder der Search-Coil-Kopfimpulstest haben mehrere Nachteile: sie sind unangenehm, teuer, zeitaufwändig, nicht am Krankenbett verfügbar oder eignen sich nicht für jede Patientengruppe. Die Untersuchung des vestibulären Systems im Niederfrequenzbereich wie bei der Kalorik deckt zudem nicht den physiologisch relevanten Bereich ab. Der videobasierte Kopfimpuls-Test (vHIT) ist dafür eine Alternative. Durch Stimulation des vestibulo- okulären Reflexes (VOR) mit Hochfrequenz-Kopfdrehungen und Messung von Auge- und Kopfbewegung wird dabei indirekt die Funktion der Bogengänge untersucht. Die erste Studie dieser Doktorarbeit erweitert die Anwendung des vHITs; seine Durchführbarkeit wird bei gesunden Kindern geprüft. Er stellt sich als einfacher und gut verträglicher „Bed- side Test“ für das vestibuläre Screening bei Kindern heraus. Die quantitativen vHIT Ergebnisse alleine spiegeln nicht immer wider, wie gut das Se- hen während Kopfbewegung stabil gehalten wird. Dies war Ausgangspunkt für die Entwicklung von Tests zur subjektiven Wahrnehmung dieser Funktion. Eine neue Methode auf diesem Gebiet, der Head Impulse Testing Device (HITD), untersucht - ohne Mes- sung der Augenbewegungen - die Lesefähigkeit anspruchsvoller visueller Stimuli während passiven Hochfrequenz-Kopfimpulsen. Im zweiten Teil der Doktorarbeit wird ein innovatives Diagnose-Tool – Head Impulse Testing Device – Functional Testing (HIDT-FT)– eingeführt und validiert. Der Test kombiniert HIDT mit Augenbewegungsmessung. Der HITD-FT wird an gesunden Probanden geprüft, deren vestibuläre Funktion mit Opi- oiden vorübergehend beeinträchtig ist. Die Studie untersucht den kombinierten Effekt von VOR und Re-Fixationsakkaden auf die Blickstabilisierung während passiver Hochfrequenz- Kopfimpulsen. Außerdem wird die Rolle sogenannter verdeckter (covert) Re-Fixationsakkaden bei der Bildstabilisierung und beim dynamischen Sehen geprüft. Der HITD-FT wird im Rahmen der Doktorarbeit zudem erfolgreich zur Dokumentation des dynamischen Sehens bei der Rehabilitation vestibulärer Patienten eingesetzt. Zum Schluss wird ein ähnlicher Versuchsaufbau mit Gabe von Opioiden bei Gesunden benutzt, um der Ursache von postoperativer Übelkeit und Erbrechen näher zu kommen, deren Mechanismus bisher nicht gut verstanden ist. Vorarbeiten legen nahe, dass Opiate eine Wirkung auf die Bogengänge haben und dass so eine Inkongruenz zwischen geänderten Bogengangs-Eingängen und nicht konsistenten geänderten anderen sensorische In- puts entsteht, die zu Übelkeit und Erbrechen führt. Die hier vorgelegte Arbeit untersucht, ob die Inkongruenz zwischen Bogengangsinformation und anderen vestibulären Sensoren oder die zwischen vestibulärem und visuellem Eingang klinisch relevant ist. Das Verständnis, dass intra-vestibuläre Inkongruenzen vor allem von Bedeutung sind, kann helfen diese unangenehmen Nebenwirkungen zu reduzieren und die Schmerzbehandlung mit Opiate zu verbessern.
Vestibular system, Dizziness, Vertigo, vHIT, Eye movements, Eye-tracking, Opioids
Ramaioli, Cecilia
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Ramaioli, Cecilia (2019): Innovative vestibular testing: applications in the pediatric environment, in the operating room, and in rehabilitation = Innovative technische Untersuchungen des Gleichgewichts: Anwendung in der Pädiatrie, im OP, und in der Rehabilitation. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Dizziness and vertigo are common complaints in the general population, affecting yearly 15-20% of adults and 5-25% of children of school age and having considerable impact on everyday life. As the assessment of peripheral vestibular deficits is challenging, it is crucial to dispose of techniques to provide clinicians support for the correct diagnosis. The aim of this dissertation is therefore to apply in the clinical context cutting-edge diagnostic tools for the easy, quick and reliable assessment of peripheral vestibular impairments and the related functionality. Traditional techniques for the evaluation of semicircular canals, such as the caloric test, the rotational test or the search-coil Head Impulse Test, present several disadvantages, being unpleasant, expensive, time-consuming, not always available at the bedside or appropriate for any group of patients. Additionally, testing the vestibular system at low frequencies, such as in the caloric test, does not cover the physiologically relevant range. The video Head Impulse Test (vHIT) represents an alternative to indirectly evaluate semicircular canals’ function, stimulating the vestibulo-ocular reflex (VOR) with high-frequency head rotations and measuring the resulting eye and head movements. The first study reported in this dissertation extends the potentiality of the vHIT, assessing its feasibility in a group of healthy children and validating its use as a simple and well-tolerated bedside test for the vestibular screening of the pediatric population. The quantitative outcomes of the vHIT, however, do not always reflect functionality, i.e., how efficient is the VOR in stabilizing the visual scene during head perturbations. This represents the starting point for the development of tests whose aim is to assess the subjective perception of this ability. Among the most recently introduced techniques, the Head Impulse Testing Device (HITD) quantifies, without recording eye movements, patient’s reading abilities while performing high-frequency passive head rotations during equally challenging visual stimuli. The second section introduces and validates a new diagnostic tool, the Head Impulse Testing Device-Functional Testing (HITD-FT), which combines the HITD with eye movements recording. The HITD-FT is tested on healthy participants, whose vestibular functionality is transiently impaired by opioid administration. The work assesses the combined effect of VOR and re-fixation saccades on gaze stabilization during high-frequency passive head rotations. Moreover, it describes the role of covert re-fixation saccades on image stabilization and in enhancing overall dynamic vision. The HIDT-FT is furthermore exploited within the context of this dissertation to monitor the overall dynamic visual performance of vestibular patients during rehabilitation. The same experimental set-up, with healthy subjects undergoing opioid administration, is lately also exploited to explore the causes underlying post-operative nausea and vomiting, whose mechanism is still not completely understood. Preliminary studies suggest that opioids, acting on semicircular canals, generate a mismatch between the altered canals’ inputs and other non-consistently altered sensory inputs, triggering nausea and vomiting. The here reported study investigates whether the mismatch between semicircular canals’ inputs and other vestibular sensory inputs, or the mismatch between vestibular and visual inputs, are clinically relevant. A better understanding of this mechanism, i.e. that intra-vestibular mismatches have a particular importance, can help reducing the unpleasant side effects and improve pain management with opioids.

Abstract

Schwindelsyndrome sind häufig. Sie betreffen jährlich 15-20% der Erwachsenen und 5- 25% der Schulkinder und haben erhebliche Auswirkungen auf den Alltag. Die Beurteilung peripherer vestibulärer Defizite ist eine Herausforderung. Daher ist es entscheidend, Meth- oden zur Verfügung zu haben um Mediziner bei der Diagnosestellung zu unterstützen. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, innovative Diagnose-Tools zur einfachen, schnellen und zuverlässigen Beurteilung der Funktion des vestibulären Systems in die Klinik zu übertragen. Traditionelle Methoden zur Evaluation der Bogengänge wie Kalorik, Drehstuhltest oder der Search-Coil-Kopfimpulstest haben mehrere Nachteile: sie sind unangenehm, teuer, zeitaufwändig, nicht am Krankenbett verfügbar oder eignen sich nicht für jede Patientengruppe. Die Untersuchung des vestibulären Systems im Niederfrequenzbereich wie bei der Kalorik deckt zudem nicht den physiologisch relevanten Bereich ab. Der videobasierte Kopfimpuls-Test (vHIT) ist dafür eine Alternative. Durch Stimulation des vestibulo- okulären Reflexes (VOR) mit Hochfrequenz-Kopfdrehungen und Messung von Auge- und Kopfbewegung wird dabei indirekt die Funktion der Bogengänge untersucht. Die erste Studie dieser Doktorarbeit erweitert die Anwendung des vHITs; seine Durchführbarkeit wird bei gesunden Kindern geprüft. Er stellt sich als einfacher und gut verträglicher „Bed- side Test“ für das vestibuläre Screening bei Kindern heraus. Die quantitativen vHIT Ergebnisse alleine spiegeln nicht immer wider, wie gut das Se- hen während Kopfbewegung stabil gehalten wird. Dies war Ausgangspunkt für die Entwicklung von Tests zur subjektiven Wahrnehmung dieser Funktion. Eine neue Methode auf diesem Gebiet, der Head Impulse Testing Device (HITD), untersucht - ohne Mes- sung der Augenbewegungen - die Lesefähigkeit anspruchsvoller visueller Stimuli während passiven Hochfrequenz-Kopfimpulsen. Im zweiten Teil der Doktorarbeit wird ein innovatives Diagnose-Tool – Head Impulse Testing Device – Functional Testing (HIDT-FT)– eingeführt und validiert. Der Test kombiniert HIDT mit Augenbewegungsmessung. Der HITD-FT wird an gesunden Probanden geprüft, deren vestibuläre Funktion mit Opi- oiden vorübergehend beeinträchtig ist. Die Studie untersucht den kombinierten Effekt von VOR und Re-Fixationsakkaden auf die Blickstabilisierung während passiver Hochfrequenz- Kopfimpulsen. Außerdem wird die Rolle sogenannter verdeckter (covert) Re-Fixationsakkaden bei der Bildstabilisierung und beim dynamischen Sehen geprüft. Der HITD-FT wird im Rahmen der Doktorarbeit zudem erfolgreich zur Dokumentation des dynamischen Sehens bei der Rehabilitation vestibulärer Patienten eingesetzt. Zum Schluss wird ein ähnlicher Versuchsaufbau mit Gabe von Opioiden bei Gesunden benutzt, um der Ursache von postoperativer Übelkeit und Erbrechen näher zu kommen, deren Mechanismus bisher nicht gut verstanden ist. Vorarbeiten legen nahe, dass Opiate eine Wirkung auf die Bogengänge haben und dass so eine Inkongruenz zwischen geänderten Bogengangs-Eingängen und nicht konsistenten geänderten anderen sensorische In- puts entsteht, die zu Übelkeit und Erbrechen führt. Die hier vorgelegte Arbeit untersucht, ob die Inkongruenz zwischen Bogengangsinformation und anderen vestibulären Sensoren oder die zwischen vestibulärem und visuellem Eingang klinisch relevant ist. Das Verständnis, dass intra-vestibuläre Inkongruenzen vor allem von Bedeutung sind, kann helfen diese unangenehmen Nebenwirkungen zu reduzieren und die Schmerzbehandlung mit Opiate zu verbessern.