Advances in the magnetic scleral search coil technique for eye movement recordings in the clinical and scientific environment

Abstract

Die Methode, Augenbewegungen mit scleral search coils zu messen, ist seit langem ein Goldstandard besonders für die Aufzeichnung von hochpräziesen Augenbewegungen bei Menschen und Tieren. Die Technik wurde in den 1960ern von Robinson eingeführt und seither wurden viele Verbesserungen und Erweiterungen dieses ursprünglichen Systems publiziert und sind in Anwendung. Die prinzipielle Idee eines search coil Systems ist die Anwendung des Induktionsgesetzes: eine kleine Spule aus Kupferdraht, genannt search coil, wird in eine Art Silikonkontaktlinse eingebettet und kann damit direkt auf das Auge eines Probanden gesetzt werden. Der Proband sitzt in einem großen, homogenen Magnetfeld das in der search coil eine orientierungsabhängige Spannung induziert. Von dieser induzierten Spannung kann die Orientierung der search coil und damit die Orientierung des Auges im Verhältnis zum Kopf bestimmt werden. In den 1990er Jahren wurde Video-Okulographie immer populäer. Video-Okulographie ist eine Technik, in der Video-Bilder vom Auge aufgenommen werden woraus dann die Blickrichtung bestimmt wird. Im Vergleich zur search coil Technik ist Video-Okulographie sehr einfach anzuwenden und nicht invasiv. Allerdings sind Auflösung und Genauigkeit von Video-Okulographie noch weit unter der von search coil Systemen, genauso wie Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit. Ein aktuelles Problem von search coil Systemen ist ihr Alter. Die meisten Systeme sind schon mehrere Jahrzehnte in Verwendung und noch großteils aus Analogtechnik aufgebaut, die zunehmend unzuverlässig wird. Außerdem ist die Benutzerfreundlichkeit auch oft deutlich eingeschränkt, und nur gut trainierte Spezialisten können mit search coil Systemen arbeiten. Zweck dieser Dissertation ist es, die aktuellen Grenzen der search coil Systeme ein Stück weiterzutreiben, die Technik deutlich zu modernisieren und zu beweisen, dass search coil Systeme nach wie vor allen anderen Augenbewegungsmesssystemen überlegen sind. Ein erstes Ziel war die Entwicklung eines Upgrades für Forschungslabore, die zwar noch immer ein altes, analoges search coil System einsetzen, aber auf neue, digitale Aufnahmetechnik umsteigen wollen - auch in Hinblick auf das oftmals begrenzte Budget von Forschungseinrichtungen. Wir entwickelten deswegen ein günstiges, digitales und leicht anzupassendes search coil Aufnahmesystem, das die analogen Lock-In Verstärker ersetzt, aber die ursprünglich im Labor vorhandenen Magnetfeldsysteme noch nutzt. Da es modular aufgebaut ist, erlaubt es eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von Aufnahmekanälen bei einer gleichzeitig konstant hohen Genauigkeit und Auflösung (0.02 Rauschen Spitze), hoher zeitlicher Auflösung (1.2 kHz) und arbeitet komplett digital. Die Software ist zur Gänze open source und die Kosten für die Hardware bleiben mit ca. 80 USD pro Aufnahmekanal auch überschaubar. Dieses neuentwickelte System wurde bereits an gesunden Probanden und Patienten eingesetzt. Zusätzlich wurde eine neue Kalibrationsmethode entwickelt die auf einer Fehleroptimierungsfunktion basiert. Grundsätzlich ist vor jeder Aufnahme eine Kalibration jeder einzelnen Messspule notwendig, um z.B. den Offset zu korrigieren, aber auch um die spezielle Form der Spule und die physikalischen Eigenschaften zu berücksichtigen. Nach herkömmlicher Technik dauert eine Kalibration oft mehrere Minuten pro Spule, was das Ganze zu einem recht langwierigen Prozess macht. Die neue Kalibrationsmethode erlaubt das Kalibrieren von einer dualen search coil (die für 3D Augenbewegungsmessungen notwendig ist und aus zwei Spulen besteht) innerhalb von ca. 20 Sekunden. Weiters entwickelten wir ein System zum automatischen motorisiertem Testen von Kopfimpulsen und konnten zum ersten Mal solche automatisierten Messungen damit an Probanden und Patienten mit einseitigem vestibulärem Ausfall durchführen. Wir konnten auch eine vestibuläre Asymmetrie in einem gesunden Probanden nachweisen, die bei manuellen Kopfimpulstests nicht nachweisbar war. Ein solcher Kopfimpulstest ist in der Regel eine sehr schnelle Rotation des Kopfes zur Seite, durchgeführt von einem Arzt, und heutzutage ein Standardtest zum Testen des Gleichgewichtsystems in der Klinik und bei spezialisierten Ärzten. Allerdings ist die Ausführung bei den Ärzten oft sehr verschieden, was zu verschiedenen Ergebnissen führen kann. Deswegen erscheint es notwendig, Standarddaten durch einen automatisierten Test zu generieren. Für dieses Projekt wurde ein am Boden fest verankerter Elektromotor mit einem Fiberglas-Stuhl versehen, mit dem solche automatisierten Kopfimpulstests mit Beschleunigungen bis zu 10,000 /s2 durchgeführt werden können. Nach derzeitigem Stand der Technik gibt es keine Augenbewegungsmesssysteme, die Augenbewegungen in sehr hoher räumlicher ( 1 Bogenminute) und zeitlicher Auflösung aufnehmen können, während gleichzeitig eine freie Kopf- und Körperbewegung ermöglicht wird. Es ist aber bekannt, dass sich Augenbewegungen verändern wenn der Kopf immobilisiert ist - besonders prominent ist dieser Effekt bei kleinsten Augenbewegungen wie Mikrosakkaden und Drift, die unter natürlichen Bewegungen studiert werden sollen. Um ein Augenbewegungsmesssystem zu bauen, das eine hochpräziese Messung der Augenbewegung unter gleichzeitiger Ermöglichung von freien Kopfbewegungen ermöglicht, waren mehrere Studien und Schritte notwendig, die im zweiten Teil dieser Arbeit vorgestellt werden. Eine dieser Studien beschäftigt sich mit dem idealen Magnetfeldsystem, das ein möglichst großes, möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt, um überhaupt erst ein Tracking von freien Augenbewegungen zu ermöglichen. Es ist keine andere Studie bekannt, die sich dem Finden und Optimieren von Magnetfeldsystemen für präziese Augenbewegungsmessungen widmet. Die numerischen und finite Elemente Simulationen dieser Studie werden außerdem mit den Messdaten des realisierten Magnetsystems verglichen. Weiters sind sich die Forscher nach wie vor uneinig darüber, welche konkrete Technik bei search coil Systemen eigentlich die beste ist, und beste Ergebnisse in Bezug auf Genauigkeit und Präzision liefert. Man unterscheidet zwischen rotierenden und oszillierenden Magnetfeldsystemen - und Mischformen von diesen. Bisher hat es am genaueren Verständnis gefehlt, um die Vor- und Nachteile dieser Systeme verstehen zu können. In einer umfassenden Simulationsstudie werden erstmals die verschiedenen Aspekte der unterschiedlichen Technologien diskutiert und erläutert. Der Einfluß von Rauschen, Drift, Störungen im Magnetfeld und verschiedenen Evaluationstechniken wird gezeigt, genauso wie ein Vorteil der oszillierenden Feldtechnik gegenüber der rotierenden Feldsysteme aufgezeigt werden kann. Der letzte Teil der Dissertation widmet sich dem Design und Bau des Boston Oscillating Search-coil Systems. Dabei handelt es sich um ein voll digitales search coil System, dessen Kern ein FPGA und Mikrocontroller Board ist, das die Magnetfelder kontrolliert und zusammen mit einer Referenzspule durch ein Regelungssystem gegen Drift und Störungen stabilisiert. Eine neue Methode um die Spulenspannungen in Orientierungen umzurechnen wird vorgestellt, basierend auf einer Fourieranalyse der Spannungen. Außerdem stellen wir eine weitere, neue Kalibrationsmethode für die search coils vor. Messungen vom Rauschen des fertigen Messsystems ergeben ein Signal zu Rausch Verhältnis von 87 dB, oder 0.0025 Rauschen RMS. Das Signalrauschen ist damit um einen Faktor 10 besser als beim ersten, günstigen System - das diesen Wert aber erst nach Filtern erreicht hat. Zum Abschluss werden erste Messergebnisse gezeigt, wobei Messungen mit einem Servosystem für ein künstliches Auge gemacht wurden. Wir können zeigen, dass unser System über einen weiten räumlichen Bereich hoch präziese und linear arbeitet und damit Augenbewegungsmessungen ohne Einschränkung der Kopfbewegung ermöglicht.

The magnetic scleral search coil technique has long been regarded as the gold standard for high precision eye tracking in humans and animals. It has been introduced in the 1960ies by Robinson and since then, many modifications and improvements to the original system have been published. The basic idea of a search coil system is to use the law of induction: a small search search coil made out of thin copper wire is embedded into a silicone annulus which can be placed directly onto the sclera of a subject. A large field frame delivers a homogenous magnetic field. Voltage is induced in the search coil by the magnetic field, and eye orientation can be derived by measuring this induced voltage. However, beginning in the 1990ies, video-oculography became increasingly popular. Video-oculography uses videos of the eye taken with a camera to compute gaze localization. Compared to search coils, this technique is very easy to apply and non-invasive. However, video-oculography can still not compete with search coils in terms like resolution, accuracy, reliability and tracking speed. The problem with search coil systems for eye tracking is that due to their long history, they are now mostly out-dated. Most systems that are in use originate from the analog era and are old, predominantly analog and begin to lack accuracy, usability and even functionality with parts being old and breaking, needing more and more repairs over time. The aim of this thesis is to push the boundaries of the search coil technique once more, on many ends, and to show how and where search coils are still superior in terms of eye tracking compared to other eye tracking techniques - and what is necessary to build such a superior system. A first goal was to develop a solution for research labs that are still using their old analog search coil systems, but want to upgrade to a digital recording system. For this, a cheap, digital and customizable search coil recording unit was developed and tested on both human subjects and patients. This new systems allows to retro-fit an old frame system with measurement electronics to record eye movement data with high accuracy and resolution (0.02 noise peak), high temporal resolution (1.2 kHz) and in a fully digital way. All software is open source and the overall hardware costs about 80 USD per channel in total. In addition, a new calibration method for search coils is presented, based on an error optimization function. A calibration prior to any search coil experiment is needed to account for the specific shape, physical and electrical properties of each individual search coil. Regular calibrations could take up to 5 minutes for one single search coil, making experiments using for example eight coils (which are necessary to full 3D orientation of two eyes, head and trunk) quite cumbersome and time consuming. The new calibration method requires only a brief 20 second recording of a set of multiple coils in the magnetic field. We used this search coil system to, for the first time, perform automated head impulse tests on human subjects. We could show significant differences of performing automated head impulses in contrast to a manual head impulse test. A head impulse test is a quick and brief passive or active rotation of the head towards one direction and is a standard test for the vestibular system. However, due to the manual performance of the head impulse test, results are often not that clear. With the automated head impulse test we could, for the first time, clearly show a vestibular asymmetry of a subject which could not be seen in the manual test. The automated head impulse test shows very clear, repeatable results while assessing the vestibulo-ocular reflex, allowing for exact and detailed studies in the future. First recordings with patients with unilateral vestibular loss have been conducted. For this project, a floor mounted motor with a fiber-glass chair was customized to allow for automated whole body thrusts of up to 10,000 /s2. A second project originated from the need of head free precision eye tracking. Currently, no eye tracker is capable of recording eye movements with very high spatial ( 1 arc minute) and temporal resolution while allowing for natural head movements. It is known that tracking eye movements while restraining head movements alters eye movements. This is especially important when investigating fast and microscopic eye movements known as microsaccades and drift under natural viewing conditions. In order to build an eye tracker based on the magnetic scleral search coil technique, several preliminary studies had to be conducted. One study dealt with optimizing the geometry of a magnetic field coil system so that a large homogeneous magnetic field is achieved. This enables the tracking of eye movements without restraining head movements over a large area. No other study had shown and compared different coil geometries for the use in a search coil system. The finite element and numerical simulations were compared with measured data from the implemented field system. Further, the scientific community using search coils is disputing heavily about which magnetic field technique is best - it can be either a rotating field or an oscillating magnetic field (or a combination of those two) that is used to drive a magnetic search coil field system. Until now, there was a lack of deeper understanding of the effects, advantages and drawbacks of each field technology. In a comprehensive simulation study we clearly show the influence of analog-to-digital converter noise, the use of a reference coil to stabilize the field, electronics drift, electronics noise, disturbing field-free metal objects in the field and different evaluation techniques on the two field systems. A clear advantage of the oscillating field can be shown when using a modern, digital approach. Finally, the thesis shows the implementation of the Boston Oscillating Search-coil System, which is a fully digital system using an FPGA and micro controller as the heart of the system to exactly control the magnetic field generation and, together with a reference coil, correct for multiple errors and drift. A new method of evaluating search coil signals of an oscillating field using a Fourier analysis is shown, and an overview of how to compute full 3D orientation of a search coil signal is given as an addition. A way of correcting and calibrating the reference coil is also shown, which is unique to all search coil systems. Noise measurements show a signal-to-noise ratio of 87 dB, or 0.0025 noise RMS, about a factor 10 better than the Baltimore system which was designed to be a cheap system. Measurements using the control unit of an artificial eye yield highly accurate and linear results. This is currently the only existing search coil system that allows for ultra-high resolution recordings of eye- and body movements under natural viewing conditions.