背景 :
良胜阵发性位置性眩晕（benign positional paroxysmal vertigo,BPPV）是一种内耳疾病，临床特征为反复由于相对于重力方向头位改变诱发短暂性眩晕，是临床导致眩晕的最常见疾病。其发病机理为变性脱落的耳石沉积到半规管或黏附于嵴帽，在重力作用下直接或者间接刺激壶腹嵴引起眩晕发作。根据结石学说发展了多种耳石症诊断与复位方法，其原理为首先判断耳石在内耳膜迷路的位置，然后选择合适的耳石复位手法，使得耳石在重力作用下重新回复到椭圆囊。由于耳石颗粒细微，临床上难以直接通过常规影像学或其他实验手段对BPPV病因机制及其诊疗方法开展定量研究，BPPV病因机制及其诊疗方法的验证多依赖于根据耳石理论所发展的诊疗方法在临床应用的有效性来进行反证，其理论的正确性和方法的有效性存在争议。目前耳石定位主要依靠系列诊断手法诱发眩晕并且需要结合眼震特点观察判断，虽然可以判别责任半规管，但还无法精准定位耳石在膜迷路的具体位置，即位于壶腹嵴的短臂侧还是长臂侧。部分患者需要经历多次手法重复复位方可治愈或者反复治疗无效，增加了复位过程中的眩晕感，部分患者甚至不能耐受。因此探求BPPV精准的耳石定位诊断及其复位治疗方面相关的基础研究成为亟待解决的问题。物理引擎技术的发展为建立BPPV物理仿真模型提供了一种有效的方法。国外学者在使用生物力学仿真方法进行BPPV发病机制研究方面已经做了一些前期工作。但这些工作多是针对单个水平半规管模型或特定头部位姿变化参数开展，侧重于精确计算以获得具体参数,并不能对不同BPPV诊疗方法进行耳石运动观察。有鉴于此，本研究提出基于物理引擎三维物理仿真的BPPV诊疗机制研究，建立标准空间坐标系内耳迷路三维模型，研究常用BPPV诊断手法和复位手法过程中的耳石运动，揭示BPPV诊疗机制并进一步制定BPPV诊断与治疗策略，规范BPPV诊疗。
资料和方法：
一、建立基于物理引擎三位物理仿真的BPPV迷路模型
我们在前期的研究中已经建立标准空间坐标系的膜迷路模型，物理引擎采用Bullet开源物理引擎，使用python语言编程控制和操作三位BPPV模型的旋转来实现耳石运动的观察。对于BPPV耳石运动的观察，只关注在重力作用下耳石运动最终到达的位置，Bullet物理引擎可以满足实验的需求。
我们设定：
1.耳石可以位于短臂侧和长臂侧。
2.壶腹嵴帽结石可以脱落。
3.长臂侧结石在近壶腹部和远壶腹部分别设置，在重力重用下沉降到低位。
4.上半规管由于位置特殊，不考虑短臂侧结石。
5.在椭圆囊设置游离结石。
二、BPPV诊疗方法机制
Dix-Hallpike试验是临床最为常用的诊断手法，也是Epley复位手法的起始步骤，以其为例进行观察分析。
结果：
可以观察到如下重要事实：
1.长臂侧结石位置变化差异较大：后半规管长臂底部比较平长，长臂侧的结石可以分布比较散在；外半规管长臂侧结石可以位于壶腹部和长臂体部；
2.后半规管短臂侧结石位于壶腹嵴帽底部；外半规管壶腹部结石位于壶腹嵴帽顶部。
可以观察到如下事实：
| 位置 | 耳石运动 |
|---|---|
| 右后 | 长臂侧结石离壶腹运动，不同位置的结石运动距离不同；短臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 右外 | 长臂侧壶腹部结石离壶腹长距离滑动；短臂侧的结石在壶腹部短距离运动 |
| 右前 | 长臂侧结石在壶腹部短距离离壶腹运动 |
| 右椭 | 结石进入右侧外半规管短臂侧壶腹部 |
| 左后 | 长臂侧近壶腹嵴结石向壶腹运动进入壶腹部壶腹嵴顶部；短臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 左外 | 长臂侧体部的结石离壶腹运动较长距离 ；短臂侧的结石进入椭圆囊 |
| 左前 | 长臂侧结石在壶腹部短距离离壶腹运动 |
| 左椭 | 结石经总管进入上半规管 |
注：后=后半规管; 外=外半规管；前=前半规管; 椭=椭圆囊
总结归纳如下：
1.所有位置的结石都有一定程度的运动，其中有明显结石运动的位置包括：右后（长/短）；右外（长）；右椭；左后（长/短）；左外（长/短）；左椭。引起兴奋性刺激的位置包括：右后（长/短）；左后（短）；左外（短）。引起抑制性刺激的位置包括：右外（长）；右椭；左后（长）; 左外（长）；左椭。
2.上半规管的结石虽然也有离壶腹运动，但位于壶腹部，距离短，流体力学作用不强。Dix-Hallpike试验不足以诱发上半规管结石症症状。
3.Dix-Hallpike试验可能诱发右侧外半规管短臂侧结石症，左前半规管长臂侧结石症，但前半规管长臂侧结石症回复坐位可自然复位（可出现坐起时眩晕/眼震/身体不稳）。
4.Dix-Hallpike试验可导致左侧外半规管短臂侧结石复位。
分析：
1.尚不清楚后半规管短臂侧结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部产生的生物力学效益。但根据我们的研究结果，在诊断为短臂侧BPPV的患者中，Dix-Hallpike试验同样阳性，也有延迟现象，推断这种滑动应该具备明显生物力学效益。
2.前半规管BPPV出现Dix-Hallpike试验阳性可能性甚小。
3.Dix-Hallpike试验诱发旋转眼震，典型眼震考虑右后（长/短）BPPV，不典型眼震还要考虑左后（长/短）BPPV和左侧椭圆囊结石进入前半规管。
4.Dix-Hallpike试验诱发水平眼震，考虑：左外（短/长）BPPV；右外（长）BPPV；右侧椭圆囊结石进入外半规管短臂侧。
总之，Dix-Hallpike试验检查结果的判断，除了根据诱发眩晕/身体不稳/眼震，还必须结合眼震特点，对于不典型的眼震定位非常困难。但是根据双侧Dix-Hallpike试验结果，诱发明显眩晕/旋转眼震一侧为后半规管BPPV还是明确的；水平眼震需要结合水平滚转试验。
能否对Dix-Hallpike试验进行简化呢？
设计思路：
1.长臂侧的结石同步到同一位置，诱发试验的结果分析更加简便，一致性较好。可以在躺下之前做低头动作，低头的最佳角度需要确定。
2.躺下头部后仰动作避免过大，可以较少其他位置耳石运动。
头部后仰的最佳角度需要确定。从临床角度出发，头部不后仰最为简便合适。
前俯平卧Dix-Hallpike试验
可以观察到如下事实：
| 位置 | 耳石运动 |
|---|---|
| 后 | 长臂侧结石向壶腹较长距离运动，进入壶腹部；短臂侧的结石短距离离壶腹运动 |
| 外 | 长臂侧体部结石向壶腹长距离滑动进入壶腹部 |
| 前 | 长臂侧结石在壶腹部短距离滑动 |
| 椭 | 结石在椭圆囊内滑动，不进入半规管 |
注：后=后半规管; 外=外半规管；前=前半规管; 椭=椭圆囊
分析：
1.低头不超过70度，后/外半规管短臂侧结石不会复位。
2.低头不超过110度，后半规管短臂侧结石不会复位。
3.低头45~60度是一个比较合适的角度，可操作性强。
可以观察到如下事实：
| 位置 | 耳石运动 |
|---|---|
| 右后 | 无明显运动 |
| 右外 | 短臂侧结石进入椭圆囊 |
| 右前 | 无明显运动 |
| 右椭 | 结石在椭圆囊内滑动 |
| 左后 | 无明显运动 |
| 左外 | 无明显运动 |
| 左前 | 长臂侧结石在壶腹部短距离离壶腹运动 |
| 左椭 | 结石进入外半规管短臂侧 |
注：后=后半规管; 外=外半规管；前=前半规管; 椭=椭圆囊
分析：
1.没有强烈的耳石运动，通常不会诱发眩晕/眼震。
2.右外半规管短臂侧结石复位；左侧椭圆囊结石进入外半规管短臂侧。
可以观察到如下事实：
| 位置 | 耳石运动 |
|---|---|
| 右后 | 长臂侧结石离壶腹运动，运动距离超过半圈；短臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 右外 | 长臂侧壶腹部结石离壶腹长距离滑动 ；短臂侧结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 右前 | 长臂侧结石在壶腹部短距离离壶腹运动 |
| 右椭 | 结石进入右侧外半规管短臂侧壶腹部 |
| 左后 | 长臂侧结石向壶腹运动进入壶腹部到达壶腹嵴顶部；短臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 左外 | 长臂侧结石在壶腹部短距离运动 ；短臂侧的结石进入椭圆囊 |
| 左前 | 长臂侧结石在壶腹部从壶腹嵴帽底部滑动到顶部 |
| 左椭 | 结石经总管进入后半规管 |
注：后=后半规管; 外=外半规管；前=前半规管; 椭=椭圆囊
总结归纳如下：
1.所有位置的结石都有一定程度的运动，其中有明显结石运动的位置包括：右后（长/短）；右外（长/短）；右椭；左后（长/短）；左外（长/短）；左椭。引起兴奋性刺激的位置包括：右后（长/短）；左后（短）；左外（短）。引起抑制性刺激的位置包括：右外（长/短）；右椭；左后（长）; 左外（长）；左椭。
2.上半规管的结石虽然也有离壶腹运动，但位于壶腹部，距离短，流体力学作用不强，不足以诱发上半规管结石症症状。
3.前俯平卧Dix-Hallpike试验可能诱发右侧外半规管短臂侧结石症，左后半规管长臂侧结石症，但后半规管长臂侧结石位于靠近总管分叉处，回复坐位可自然复位（可出现坐起时眩晕/眼震/身体不稳）。
4.前俯平卧Dix-Hallpike试验可导致左侧外半规管短臂侧结石复位。
分析：
- 前俯平卧Dix-Hallpike试验总体上各位置结石运动接近经典Dix-Hallpike试验，主要优势在于：1）后/外半规管长臂侧结石位置固定，运动距离较长，敏感性理论上更高 2）无需头部后仰，操作跟简单 3）上半规管长臂侧结石更难离开壶腹部
2.前俯平卧Dix-Hallpike试验诱发旋转眼震，典型眼震考虑右后（长/短）BPPV，不典型眼震还要考虑左后（长/短）BPPV和左侧椭圆囊结石进入后半规管。
4.前俯平卧Dix-Hallpike试验诱发水平眼震，考虑：左外（短/长）BPPV；右外（长/短）BPPV；右侧椭圆囊结石进入外半规管短臂侧。
总之，前俯平卧Dix-Hallpike试验检查结果的判断，除了根据诱发眩晕/身体不稳/眼震，还必须结合眼震特点，对于不典型的眼震定位非常困难。。但是根据双侧前俯平卧Dix-Hallpike试验，诱发明显眩晕/旋转眼震一侧为后半规管BPPV还是明确的；水平眼震需要结合水平滚转试验。和经典Dix-Hallpike试验比较，其优势为敏感性更强，操作更简单，无需分析考虑后半规管长臂不同位置结石情况。
讨论：
对于BPPV发病机制的认识，已有近百年的历史，至今仍然有各种争议。1921 年Barany 首先报告一例位置性眩晕患者并认为其是耳石疾病。1952年 Dix和Hallpike对此进行了系统的研究，提出了Dix-Hallpike 试验用于诊断BPPV，并一直沿用至今。1969 年Schuknecht 正式提出了嵴帽结石症学说，认为变性脱落的耳石沉积到半规管壶腹嵴嵴帽使嵴帽比重超出了周围的内淋巴液，嵴帽对重力牵引及直线加速刺激变得极为敏感，头位改变导致位置反应增强。随后Brandt、Daroff和Semont等先后根据嵴帽结石学说理论提出了Brandt-Daroff锻炼法和Semont手法用于BPPV的治疗，并取得了一定的效果。然而嵴帽结石学说难以解释BPPV所特有的潜伏期和疲劳现象。1979年Hall提出了管结石症学说，认为耳石漂浮于半规管的内淋巴液内，当相对于重力方向改变半规管位置时，耳石在重力作用下移动，流体力学作用会推动内淋巴液从而牵引壶腹嵴使其受刺激而兴奋或抑制引起眩晕发作。随后Epley根据管结石症学说提出了半规管耳石复位操作手法用来治疗BPPV，现今广泛应用于临床的是对该方法经多次改良和简化的颗粒复位手法，也称改良Epley手法。从各种复位手法治疗BPPV的有效性角度来看，似乎管结石症学说更适用于对BPPV的发病机理进行解释，并且管结石学说也可以解释BPPV患者眩晕的潜伏期和疲劳现象。事实上，无论嵴帽结石学说还是管结石学说均不能单独对所有BPPV现象作出解释。2003年House和Honrubia开展了一系列临床观察研究，分别发现了一定数目的嵴帽结石症病例和管结石症病例，并进一步提出两种结石类型在BPPV中均有可能发生。
理论上，内耳三个半规管都可以导致管结石症和嵴帽结石症，总共6 种类型。不仅如此，半规管结石症和嵴帽结石症又可以分为很多BPPV亚型，例如：半规管管结石症又分为短臂侧管结石症和长臂侧管结石症，长臂侧管结石症又因为位置不同分为近壶腹嵴侧和离壶腹嵴侧2 种类型；而嵴帽结石症根据不同位置存在方式又分为短臂侧和长臂侧，根据黏附情况又分为紧固粘附和松散黏附，其鉴别诊断相当复杂，与之相对应的复位治疗手法也显然不同。现有BPPV诊断方法只能定位受累半规管并大致区分为管结石症和嵴帽结石症，并不能精准判断耳石位于短臂侧或长臂侧，因而临床上也难以进行针对性精准治疗。国内外学者虽然在BPPV病因机制及其诊疗手法方面开展了大量的研究工作，但多停留在力学分析研究，缺乏基于物理仿真的诊疗机制研究。进一步的研究亟需BPPV诊疗方法方面的物理仿真研究进行指导。总体来说，国内外针对BPPV诊疗方法方面的研究多停留在力学分析层面，缺乏对诊疗过程中耳石运动的直观仿真观察，BPPV精准化诊断与治疗亟需针对上述问题进一步开展系统化的理论研究。
我们在前期所建立标准空间坐标系迷路模型的基础上，基于物理引擎BPPV三维物理仿真，进行BPPV诊疗机制研究。我们选择临床最常用的Dix-Hallpike试验及水平滚转试验作为诊断方法，研究膜半规管不同位置的耳石运动规律和椭圆囊内耳石重新移位进入半规管的运动规律，并对诊疗方法进行改良和创新，达到建立有效的诊断与治疗策略的目的。
Dix和Hallpike提出了良性发作性位置性眩晕的概念，还是认为该病是耳石器病变，并指出是刺激性而非毁损性病变，眼震方向朝向受累的椭圆囊和球囊耳石器。Dix-Hallpike试验目前是诊断后半规BPPV的金标准。Dix和Hallpike设计Dix-Hallpike试验的时候，还不完全理解BPPV的病理生理，所以也没有意识到Dix-Hallpike试验实际上是演示半规管病变而非椭圆囊耳石器病变。但其对BPPV核心症状的描述非常准确。
Dix和Hallpike最初提出的诊断步骤如下：患者垂直坐位，头部向一侧转动30到45度，注视操作者额部。操作者双手紧扶患者头部，快速推动患者躺下，头部后仰和水平面成30°角。其描述的操作要点和检查所见依然很具代表性：通常有潜伏期，常为5-6秒，有时候时间非常短甚至偶尔马上发生。眼震的发生总是先于其他临床症状包括脸色改变，闭眼，大声惊叫，试图要坐起。这时候要劝慰患者并保持头位不动。眼震主要是旋转的，眼震的方向朝向位置最下耳（眼震方向根据角膜12点位置变动）。除此之外，常有水平眼震成分，同样眼震的方向朝向位置最下耳。眼震在2~3秒内快速增强，或者长至10秒。然后眼震就迅速减弱，然后患者不适缓解。患者恢复坐位，再发诱发眩晕但程度较轻，眼震方向相反。反复操作，眩晕减轻，缓解加快。经过2至3次的诱发试验，眩晕可不再被诱发，除非经过一段时间的休息。
Dix和Hallpike没有观察到眼震的垂直向上成分，这也侧面说明通过肉眼评估眼震特点比较困难。
通常认为Dix-Hallpike试验用于诊断[PSC-BPPV]和[ASC-BPPV]，但事实上39%[LSC-BPPV] 患者Dix-Hallpike试验也可以诱发眩晕（cakir2006)，使得Dix-Hallpike试验阳性结果的分析困难，要结合眼震特点。
Dix-Hallpike试验是诊断后半规管耳石症的金标准。因为缺乏其他的金标准，所以Dix-Hallpike检查的敏感性和特异性数据不足。Lopez-Escamez等报道专家使用Dix-Hallpike检查诊断后半规管耳石症敏感性82%，特异性71%，但是Hanley等报道普通医师使用Dix-Hallpike检查诊断后半规管耳石症阳性预测值83.3%，阴性预测值52%。所以建议Dix-Hallpike检查阴性患者应该复查以避免假阴性。
此外，Dix-Hallpike试验需要头部后仰，操作不方便，还有可能造成颈部损失。
基于物理引擎虚拟拟真建立BPPV模型演示结果显示，Dix-Hallpike试验眼行结果需要结合眼震特点进行判读分析，尤其长臂侧不同位置的结石检查敏感性不同。
改良方法前俯平卧Dix-Hallpike试验的最大优点是操作方便，避免损伤，其次是理论上敏感性更高。
结论：
通过构造标准空间坐标系的膜迷路模型，在其中设置不同位置的结石，基于物理引擎虚拟拟真，观察不同体位结石在重力作用下自然沉降的位置，以及不同诊疗方法对耳石运动的影响，对于我们理解BPPV的发病机制和诊疗手法机制有重要意义。