Medicinsk forskning inom neurofysiologi - styrning av två synkroniserade servomotorer

Bakgrund
Under våren 2006 har vi på Bernadotte laboratorierna vid Karolinska Institutet tillsammans med studenter vid Mekatronikprogrammet vid KTH/Kista utvecklat en utrustning för experimentell forskning på balansorganets inverkan på ögonrörelsekontrollen. Målet har varit att skapa en mekanisk lösning där vi kan rotera och translatera försökspersonen med en mycket hög precision och en god kontroll. Därtill har vi valt typ av drivsystem. Efter att i initialskedet på projektet specificerat vilka moment och rörelser utrustningen skulle klara av har studenterna presenterat några olika lösningsförslag av vilka ett förslag visade sig svara bäst mot kravspecifikationen. Därefter har utrustningen konstruerats i CAD och provkörts. I nuläget (2006-08-25) monteras utrustningen och motorerna är beställda. Troligtvis står utrustningen färdigbyggd i början på hösten.

Neurofysiologisk bakgrund
När man lutar huvudet åt sidan (öra mot axel) kommer ögat att rotera i motsatt riktning runt synaxeln s.k. okulär torsion (Fig. 1). Vi vet idag att okulär torsion är en icke viljemässigt styrd motorisk respons. Man kan inte bestämma sig för att ”göra” torsion utan denna ögonrörelse kommer som ett svar på stimulering av balansorganet, synsinnet eller muskel-led-sinnet i nacken. I innerörat finns ett organ som känner av huvudrotationer (båggångarna) och ett organ som är känsligt för gravitation och linjär huvudförflyttning (otolitorganet). I tidigare studier har vi visat att en huvudlutning mot axel inducerar okulär torsion som motsvarar ca 10-20% av huvudlutningen. Denna kompensatoriska ögonrörelse föregås dock av en snabbt övergående torsionsrörelse (torsionsspik) i samma riktning som huvudrörelsen. Den bakomliggande mekanismen till torsionsspiken tror vi är otolitorganet i innerörat. Genom den accelerationströghet som en massa uppvisar vid en translation tror vi att otolitorganet initialt stimuleras i motsatt riktning jämfört med den dragningskraft som gravitationen påverkar organet med vid en stationär huvudlutning. Efter att ögat har förflyttat sig till sin nya roterade position i ögonhålan har vi nyligen visat att ögat sakta driver tillbaka mot sitt ursprungsläge (dvs mot 0-linjen som vid upprätt huvudhållning). Om denna drift beror på en adaptation i innerörats sensorer eller centralt i hjärnan vet vi idag inte. Beroende på vilka rörelsekrafter balansorganet utsätts för kommer torsionsresponsen att variera och eventuellt återgången till 0-linjen likaså. Detta ger oss en bra ingång till varför vi nu vill utveckla en rotationsstol där vi mycket exakt kan kontrollera hur huvudet har rört sig och därigenom förstå vilken del av innerörat som stimulerats.

Nytta med forskningen
Denna basala experimentella forskning kommer att ge oss ny kunskap om hur hjärnan kontrollerar ögonrörelser, hur informationen från innerörat behandlas och upprätthålls centralt i hjärnan genom s.k. neural integrator och i kortvarig minnesfunktion. Denna kunskap kommer att kunna appliceras på patienter med symptom såsom yrsel, dubbelseende och andra neurologiska symptom som härrör från de strukturer som är involverade inom närliggande hjärnstrukturer.

Varför en ny utrustning
Anledningen till att projektet drog igång var att vi tidigare ”bara” lutade på huvudet manuellt. Detta gav en stor variation i stimuleringen av balansorganet och därmed ögonrörelserna. Idén med en motordriven stol för mer exakt stimulering är inte ny utan finns på några av de modernare ögonmotoriklaboratorierna världen över. Vad som är unikt med vår stol är den smarta mekaniska lösningen och driften vilket möjliggör en kombination av rotationer och translationer.

Utrustningen
Utrustningen är byggd i aluminiumprofiler (Bosch Rexroth) och kan liknas vid en stol som förskjuts i sidled utmed en ställning. Lösningen bygger på två linjära rörelser, en i över- och en i underkant av stolen. Genom att variera de båda linjära rörelsernas acceleration och riktning kan man få rotationer med olika rotati