Archivesof Oto-Rhino-Laryngology 9 Springer-Verlag1979

Arch. Otorhinolaryngol. 222, 53-61 (1979)

Das Kumulogramm der Pendelpriifung* G. Ranacher Universit/its-Hals-Nasen-Ohrenklinik Graz (Vorstand: Prof. Dr. W. Messerklinger), Auenbruggerplatz 20, A-8036 Graz, ()sterreich

The Cumulogram for the Sinusoidal Rotatory Test Summary. The cumulogram (graphic representation of the cumulative eye position) seems to be a reliable method for studying intensity, symmetry, and regularity of nystagmic responses. Applying sinusoidal rotatory stimulation, the vestibular output can be described in terms of gain and phase difference. The numerical evaluation of cumulograms is demonstrated for sinusoidal tests. The dependence of age is determined for gain and phase difference. While the phase difference appears to be practically independent, the gain of the vestibulo-oculomotor system is strongly correlated with age. Key words: Cumulative eye position - Nystagmus analysis - Vestibulo-oculomotor system.

Die quantitative Analyse von Nystagmus dient der Beurteilung der normalen oder gest6rten Funktion des Gleichgewichtssystems in Verbindung mit der Augenmotorik. Folgende Fragen stehen im Vordergrund: Wie stark ist die Reaktion auf einen bekannten Reiz? Treten Unterschiede zwischen Rechts- und Linksnystagmus auf? Ist die Reaktion in ihrem zeitlichen Ablauf regelmfif3ig? Bei der Entwicklung einer Auswertungsmethode besteht eine wesentliche Forderung nach Ubersichtlichkeit und rascher Beurteilbarkeit der Ergebnisse, d. h. es soil m6gliehst viel Information mit ,,einem Blick" aufgenommen werden k6nnen. Dazu bedient man sich vorzugsweise graphischer Darstellungen, die analog den gestellten Fragen die Reizbezogenheit der Reaktion wiedergeben, Unsymmetrien anschaulich machen und eine Zeitfunktion sein sollen. * Mit Unterst/itzung der Stadt Graz und des Fonds zur F6rderung der wissenschaftfichenForschung, Projekt Nr. 2976

0302-9530/79/0222/0053/$ 01.80

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G. Ranacher

Es ist seit langem bekannt, dab die langsamen Nystagmuskomponenten stark reizkorreliert sind [5]. Es scheint daher naheliegend, den unmittelbar reizabh/ingigen Anteil aus der nystagmischen Reaktion zu extrahieren, ihn also ohne Unterbrechungen durch die schnellen Komponenten darzustellen, und damit den direkten Vergleich mit dem applizierten Reiz zu ermSglichen. Diese Methode des Aneinanderffigens (Kumulierens) der langsamen Komponenten zum Kumulogramm geht auf Meiry (1965) zurfick (cumulative eye position). Sie hat - nicht zuletzt durch ihre Automatisierung - ffir wissenschaftliche Experimente und klinische Untersuchungen in den letzten Jahren zunehmend Anwendung gefunden [1-4, 7, 10, 11, 13, 14]. Berichtet wird haupts~ichlich fiber theoretische und methodische Probleme; klinische Aspekte werden dutch einige FaUdemonstrationen berfihrt. Hier soil fiber die Anwendung der Kumulographie bei der Nystagmusprfifung mit unged~impfter Pendelschwingung und bisherige Ergebnisse berichtet werden.

Ermittlung und Auswertung des Kumulogramms

1. Graphische und rechnerische Bestimmung Aus der Abbildung 1 kann entnommen werden, wie die Trennung langsamer und schneller Komponenten manuell einfach durchgeffihrt werden kann. Das Aneinanderffigen der langsamen Anteile erfolgt derart, dab ein stufenloser Kurvenzug entsteht, d. h. ffir den Zeitbereich der schnellen Komponenten denkt man sich die vorhergehende langsame Augenbewegung fortgesetzt.

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Abb. 1. Manuelle Bestimmungdes Kumulogramms.Ffir eine Halbperiode ist K die summarische Augendeviation,P der Drehwinkeldes Pendelstuhls

Das Kumulogramm der Pendelprfifung

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Es wurde ein Ausschnitt aus einer Pendelprfifung nach Greiner gew/ihlt (Gleichspannungsableitung), weil der Zusammenhang zwischen dem richtungswechselnden rotatorischen Reiz und der Reaktion, repr/isentiert durch das Kumulogramm, darin am anschaulichsten zum Ausdruck kommt. Der Abschnitt ist zwar kurz, mag aber bereits erkennen lassen, was wir nach Analyse einer grol3en Zahl von Kumulogrammen erfahren haben: Aus dem Kumulogramm sind St/irke, Seitenabweichung und Regelm/il3igkeit des Reaktionsverlaufs rascher und besser zu entnehmen, als aus dem Nystagmogramm selbst. Die graphische (manuelle) Methode ffir die Auswertung yon Elektronystagmogrammen kommt wohl nur in Einzelf/illen in Frage. Ffir Untersuchungen gr613eren Umfangs oder far die klinische Routine fiberl/il3tman diese zeitaufwendige und subjektiven Fehlern unterliegende Arbeit speziellen Auswertungsger/iten oder dem Digitalrechner. Bei der rechnerischen (automatischen) Bestimmung des Kumulogramms entspricht die Vorgangsweise jener bei der manuellen: Es mug zun/ichst - nunmehr z.B. auf Grund eines Rechenprogramms - entschieden werden, ob eine schnelle Komponente (oder ein Artefakt) vorliegt, was zumeist fiber die Beurteilung der Bewegungsgeschwindigkeit der Augen erfolgt. Bei der numerischen Behandlung wird die Geschwindigkeit am einfachsten durch die Differenz aufeinanderfolgender Megwerte aus der Horizontalableitung dargestellt. GegebenenfaUs werden dann solche schnelle Anteile durch die Berechnung eines additiven Korrekturwerts eliminiert. In FORTRAN I/il3t sich ein einfacher Algorithmus f/ir das Kumulieren etwa wie folgt erstellen: C HRZ: M 2 + l WERTE DER HORIZONTALABLEITUNG C KUM: KUMULOGRAMM C LIM, LIMP: GRENZWERTE FUER DIE GESCHWlNDIGKEIT, LIM > LIMP C KOR: ZU DEN HRZ-WERTEN ZU ADDIERENDER KORREKTURWERT C IPOL: EXTRAPOLATION IM KORREKTURFALL C IND: SCHALTER(I=KORREKTUR, O=KEINE KORREKTUR) C M3: ZEITABSCHNITT, AUS DEM IPOL BERECHNET WIRD C LIM, LIMP, M3 SIND VON DER ART DER DATENERFASSUNG C (AUFLOESUNG, ABTASTRATE) ABHAENGIG

IPOL~Q KOR=Q IND=O DO 1 M=2, M2 IDF=HRZ(M+ 1)-HRZ(M) IDFV=HRZ(M+2)-HRZ(M+ 1) IDFR=HRZ(M)-HRZ(M- 1) IF(.NOT.(IABS(IDF).GE.LIM.AND.IAB S(IDFV).GE.LIMP.AND. * ISIGN(1,IDF).EQ.ISIGN(1,IDFV)))GOTO 2 ISGN=ISIGN(1,IDF) IF(M.GT.M3) IPOL=FLOAT(KUM(M- 1)-KUM(M-M3))/FLOAT(M3-1)+.5 IF(ISIGN(1,IPOL).EQ.ISGN) I P O L = ~ KOR=KOR-IDF+IPOL IF(IND.EQ.1) GOTO 3 IF (IABS(IDFR).LT.LIMP.OR.ISIGN(1,IDFR).NE.ISGN) GOTO 8 KUM(M)=KUM(M)-IDFR+ IPOL KOR=KOR-IDFR+IPOL 8 IND=I

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G. Ranacher

GOTO 3 2 IF(IND.EQ.O) GOTO 3 IND=O IF(IABS(IDF).LT.LIMP.OR.ISIGN(1,IDF).NE.ISGN)GOTO 3 KOR=KOR-IDF+IPOL 3 KUM(M+1)=:HRZ(M+1)+KOR 1 CONTINUE

In der Abbildung 2 ist ein nach dieser Methode berechnetes Kumulogramm einer Pendelpr/ifung f/Jr ffinf Perioden mit konstanter Pendelamplitude wiedergegeben; die Stelle, an der der Ausschnitt der Abbildung 1 entnommen wurde, ist auf der Zeitachse gekennzeichnet.

2. Numerische Auswertung 2.1. Kompensationsleistung. Aus der Theorie der Systemanalyse ist bekannt, dag bei einer sinusf6rmigen Eingangsgr6f3e: e(t) = E. sin o)t, an einem linearen zeitinvarianten System die Ausgangsgr613e wieder sinusf6rmig ist: a(t) = A. sin (o)t + p). Ein bestimmtes System veriindert demnach charakteristisch die Gr613e des Eingangssignals und bewirkt eine zeitliche Verschiebung zwischen Eingangs- und AusgangsgrSl3e. Umgekehrt kSnnen daher die Verstfirkung, d.i. der Quotient der Amplituden v -- A/E, und die Phasenverschiebung gemessen und zur Beschreibung des untersuchten Systems herangezogen werden.

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Abb. 2. Computer-Kumulogramm(KK) einer Pendelpriifung.DB: Pendelstuhlsehwingung

Das Kumulogrammder Pendelprfifung

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Lrbertragen wir die Annahmen fiber Linearit/it und Zeitinvarianz auf das optischvestibul/ire System, und die Linearitiitsuntersuchungen von Causse [4] ermutigen dazu, kann dieses bei der Pendelprfifung mit dem sinusf6rmigen Reiz (Eingangsgr6Be) und dem ebenfalls sinusf6rmigen Kumulogramm (Ausgangsgr6Be) auf diese Weise beschrieben werden. Ffir die Verst~irkung wird in Hinblick auf die Physiologie anschauticher die Bezeichnung Kompensationsverm6gen oder Kompensationsleistung vorgeschlagen. Beim doppelt angelegten Gleichgewichtssystem ist noch eine Modifikation erforderlich, da die Parameter zweifach ffir Rechts- und Linksnystagmus bestimmt werden mfissen. Bei der Pendelprfifung/indert sich die Nystagmusrichtung nach jeder halben Periode. F/Jr die Ermittlung der vestibul/iren Kompensationsleistung gilt daher die Vorschrift, dab der Quotient des in einer Halbperiode zurfickgelegten Augendrehwinkels K und des gleichzeitigen Kopfdrehwinkels P zu bilden ist (s. Abb. 1) K fk = - ' 100%. P Da eine Pendelprfifung aus mehreren Perioden mit konstanter Pendelamplitude (+ 180~ Periodendauer 20 s) besteht, k6nnen mehrere Wertepaare ffir Links- und Rechtsnystagmus berechnet werden. Mit einer solchen Reihe yon Megwerten wird die vestibul/ire Reaktion fiber einen 1/ingeren Zeitabschnitt fiberschaubar, und Anderungstendenzen beispielsweise bei Habituation oder Ermfidung k6nnen quantitativ verfolgt werden. An Hand des Beispiels (Abb. 2) wird in Abbildung 3 gezeigt, wie durch die Bildung der Mittelwerte ffir die Kompensationsleistungen die Datenmenge weiter reduziert wird. Die zugeh6rigen Standardabweichungen geben ein (grobes) MaB ffir die Reaktionsschwankungen. 2.2. Unsymmetrie. Die alternierende Stimulationsrichtung bei der Pendelpr/ifung er-

laubt schon nach einem Versuch - im Gegensatz zur Drehpr/ifung und der Spfilung - die Beurteilung von Seitendifferenzen an Hand der Kompensationsleistungen ffir links und rechts. Im Kumulogramm ist eine Unsymmetrie sofort an einem Auswandern der Kurve nach oben oder unten ersichtlich. Ein solcher Fall wurde auch zur DemonKOMPENSATIONSFAKTOREN NR

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Abb. 3. Ausschnittdes Computerausdrucksf/ir die Kumulogrammauswertung.KF: Kompensationsfaktoren, U: Unsymmetrie

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stration ausgew~ihlt (Abb. 2). GrffSenm~il3ig kann eine Unsymmetrie entweder durch Bildung der Quotienten der Mittelwerte fkl, fkr der Kompensationsleistungen links und rechts bewertet werden

fkl

u = - - . 100%, f~r oder nach einer von Jongkees u. Philipszoon [6] angegebenen Formel, die die Differenzen der Rechts- und Linkswerte auf deren Summe bezieht [9] ~ - - fkl

u =--.

100%.

fkr + fkl

Im gegenst~indlichen Beispiel ergeben sich mit den Werten aus der Abbildung 3 nach der ersten Formel 60,4

u = - - . 100 = 163,7% ; 36,9 der Wert fibersteigt 100% und gibt daher ein fdberwiegen nach links an. Nach der zweiten Methode berechnet sich u~

36,9 - 60,4

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36,9 + 60,4

i00 = - - 2 4 , 2 % ;

das Linksfiberwiegen ist am negativen Vorzeichen ablesbar (Richtungsangaben beziehen sich auf die schnellen Kornponenten).

Die Altersabhiingigkeit der Parameter 1. Die Kompensationsleistung Hat man im konkreten Einzelfall das Kumulogramm mit den zugehSrigen quantitatiyen Kenngr613en ermittelt, ist der n~ichste Schritt der Vergleich mit Normalwerten des KompensationsvermSgens. An Hand von Pendelprfifungen gesunder Versuchspersonen verschiedenen Alters (n = 100) wurde die Altersabh~ingigkeit bestimmt. In der Abbildung 4 ist das Ergebnis zusammen mit der Regressionsgeraden und den einfachen und doppelten Standardabweichungen wiedergegeben. Die deutlich sichtbare Abhfingigkeit von den Lebensjahren wird durch einen Korrelationskoeffizienten r =--0,86 unterstrichen. Wfire das Gleichgewichtsorgan aUein - also auch bei Ausschaltung des optokinetischen Systems - in der Lage, die Blickrichtung bei Kopfbewegungen dutch gegenlfiufige Augendrehungen stabil zu halten, ergfibe sich eine Kompensationsleistung von 100%. Die Altersverteilung in der Abbildung 4 lehrt dagegen, dal3 dieser (Ideal-) Wert nie ganz und nur im Kindesalter anniihernd erreicht wird. So gesehen liegt im Normalfall immer eine vestibulfire Unterkompensation ffir die Blickrichtungsstabilisierung vor, und der Anteil des Gleichgewichtsorgans am optisch-vesti-

Das K u m u l o g r a m m der Pendelprdfung

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40 Abb. 4. Altersabh/ingigkeit der vestibul/iren Kompensationsleistung. n: Anzahl der Werte, s: Standardabweichung, b: Regressionskoeffizient, r: Korrelationskoeffizient

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bul~iren Geschehen des t/iglichen Lebens nimmt mit der Zahl der Lebensjahre zusebends ab. F fir dasselbe Material wurden auch die Altersabh~ingigkeiten der Schlagzahlen, der mittleren Amplituden und der Gesamtamplituden untersucht. Die Korrelationskoeffizienten waren bei gr613erer Streuung der Werte kleiner (0,44-0,78 [12]). Daher wird der SchluB gezogen, dab in der Kompensationsleistung eine aussagekr/iftige Gr613e zur Beurteilung der vestibul~ren Funktion zur Verffigung steht.

2. Die Phasenverschiebung Im Gegensatz zu der Kompensationsleistung ist die Phasenverschiebung praktisch keiner altersbedingten .~nderung unterworfen. Das kann aus der Abbildung 5 entnommen werden und wird durch einen Korrelationskoeffizienten r = - 0 , 2 3 belegt. Dieses Resultat fiberrascht auf den ersten Blick, denn dadurch unterscheidet sich diese Kenngr6f3e doch wesentlieh yon anderen Nystagmusparametern wie Schlagzahl, Amplitude usw. Zun/iehst verdient diese Verschiedenartigkeit der GrfBen Interesse, da sie den Gewinn zus/itzlicher Informationen verspricht. Wie aber ist die Diskrepanz zu erkl/iren? Nun, w/ihrend die Kompensationsleistung etwas fiber die Energie (und damit fiber die altersgem~iBe Leistungsf'~ihigkeit)aussagt, die hinter der Reaktion steckt, beschreibt die Phasenverschiebung davon v611ig unabh/ingig die zeitlichen Relationen zwischen Reiz und Reaktion. Diese sind interessant, well sie unmittelbar mit der Funktionsweise, besser: der Art der Informationsverarbeitung, in dem gesamten mechano-neuronalen System zusammenh~ingen. Daf3 sich die Phasendifferenz so altersunabh/ingig zeigt, bedeutet daher, daft die Funktionsprinzipien des optisch-vestibulgren Systems mit dem Alter unvergndert erhalten bleiben.

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Abb. 5. Altersabh~ingigkeitder Phasenverschiebung. ~ Mittelwertder Phasenverschiebung

Sehlul~folgerungen Fiir die Kumulographie sind einige Voraussetzungen zu erffillen. So ist eine Gleichspannungsableitung erforderlich, um auch ganz langsame Vorg~inge getreu registrieren zu k/Snnen; die Untersuchungen mfissen sehr sorgf~iltig durchgeffihrt werden, beispielsweise ist eine abschlieBende Kontrolle der Blickwinkeleichung unerl/i61ich. Die Bestimmung des Kumulogramms ist routinem/il3ig nur mit maschineller Hilfe anwendbar, wodurch die praktische Anwendung eingeschr/inkt wird. Es kann aber kein Zweifel bestehen, dab das Kumulogramm in seinem Informationsgehalt bez/iglich Intensit/it, Symmetrie und Regelmfigigkeit der optisch-vestibu1/iren Reaktion weniger aufwendigen Gr6gen, etwa der Schlagzahl, weit/iberlegen ist. F/Jr die Kompensationsleistung konnten Normalwerte fiir die Pendelpr/ifung festgelegt werden, die im untersuchten Material geringere Streubreiten aufweisen, als f/Jr andere Nystagmusparameter. Die altersunabh/ingige Phasenverschiebung zeigte bisher nur in wenigen Fallen deutliche Abweichungen, so dal3 fiber die diagnostische Relevanz noch nichts statistisch Abgesichertes ausgesagt werden kann. Die Kompensationsleistung dagegen hat sich sowohl fiir absolute als aueh relative Bewertungen bew/ihrt [8]. Die statistischen Resultate wurden daher in das Auswertungsprogramm aufgenommen und erlauben nun eine automatische erste Beurteilung des Nystagmogramms.

Das Kumulogramm der Pendelprtifung

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