上半规管BPPV诊断试验物理拟真分析

背景 :

良性发性位置性眩晕（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。后半规管BPPV临床最为常见，外半规管BPPV次之，而上半规管BPPV少见[1] 。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确定移位的耳石位置，而是通过特定的头位改变使得移位的耳石在重力作用下发生位移从而诱发眩晕和眼震来进行推断[1, 2] 。上半规管BPPV表现为Dix-Hallpike试验或者仰卧悬挂头位试验诱发下跳眼震，在坐起时诱发上跳眼震，但这种表现不具备特异性[3] 。目前对于上半规管BPPV的诊断尚未达成共识，报告的发病率为3%[3] ，甚至有学者认为严格定义的上半规管BPPV几乎不存在。有鉴于此，本研究采用物理引擎三维物理仿真的方法，分析上半规管BPPV诊断试验的耳石运动，推断其所诱发的眼震表现，进而分析和探讨其诊断意义。

资料和方法：

1. 建立基于物理引擎三维物理仿真的BPPV迷路模型

1.1 物理引擎：

三维物理仿真采用Bullet开源物理引擎，渲染引擎采用开源的基于物理真实还原的Cycles渲染引擎。

1.2 膜迷路模型：

内耳空间方向位置具备一定的个体差异性，研究使用的膜迷路模型需要具备代表性。我们在前期的研究中已经建立了空间坐标系的标准膜迷路模型[4, 5] 。

1.3 物理引擎参数设置:

半规管物理参数设置：开启物理计算刚体(Rigid Body)，选择刚体类型(Type)被动(Passive)，刚体碰撞形状网格(Mesh)，表面响应摩擦(Friction) 0.5，弹跳力(Bounciness) 0，敏感度边距(Margin) 0.04。耳石物理参数设置：开启物理计算刚体(Rigid Body)，选择刚体类型(Type)活动项(Active)，刚体碰撞形状网格(Mesh)，表面响应摩擦(Friction) 0.5，弹跳力(Bounciness) 0，敏感度边距(Margin) 0.04。物理引擎刚体缓存和渲染根据需求设置足够帖数以获取足够长时间模拟，直至耳石运动停止。

1.4 耳石位置设置:

1）耳石脱离椭圆囊斑后，可以游离于椭圆囊和半规管的不同位置。
2）耳石可以位于半规管的短臂侧和长臂侧，包括游离的管石和紧密结合的嵴帽结石。
3）长臂侧结石可以位于平坐位半规管多处最低位。
4）在椭圆囊、后半规管、外半规管、上半规管各主要位置设置耳石，启动物理引擎，取平坐位耳石沉降位置作为诊断试验分析的初始位置。
1.5 耳石运动观察：
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。

2. 上半规管BPPV诊断试验分析

2.1 诊断试验选择

Dix-Hallpike试验和仰卧悬头位试验是临床最为常用的上半规管BPPV诊断手法，以其为例，使用物理引擎三维物理仿真分析试验过程中不同位置耳石运动情况。眼震推理依据以下前庭生理原则：1）外半规管内淋巴液向壶腹流动产生较强刺激，离壶腹流动产生较弱刺激，上/后半规管受刺激时情况相反 2）眼震快向朝向前庭兴奋侧 3） 半规管受到刺激引起内淋巴液的流动，眼震的平面与该半规管所处的空间平面相一致。外半规管刺激出现水平眼震；后半规管兴奋性刺激为旋转上跳眼震，抑制性刺激为旋转下跳眼震；上半规管兴奋性刺激为旋转下跳眼震，抑制性刺激为旋转上跳眼震，旋转成分可以不明显。

2.2 物理拟真分析记录

使用python 语言编程模拟诊断试验旋转模型到指定位置，调整物理引擎刚体缓存和渲染帖数以获取足够长模拟时间，启动物理引擎，直至耳石运动停止。不同角度进行耳石运动观察，并启动屏幕录像记录。

2.3 耳石运动动画合成

使用开源的GIMP v 2.10.8软件，作为图层打开所记录的耳石运动图片，矩形选择窗口内容，裁剪到选区，导出为GIF图片格式，选择As animation参数。

结果

耳石平坐位沉降位置

耳石沉降位置包括稳定沉降位置和不稳定沉降位置，不稳定沉降位置是指在重力作用下较长时间后或者日常头位活动导致此位置的耳石会滑动到其他稳定沉降位置。

椭圆囊

椭圆囊内的耳石沉降到椭圆囊后侧和后半规管短臂侧。

外半规管：

平坐位，耳石沉降到外半规管的多个位置，包括外半规管长臂侧和短臂侧，其中长臂侧分为耳石稳定沉降位置包括壶腹部、后臂、后臂椭圆囊开口处以及耳石不稳定沉降位置包括前臂靠近壶腹部和后臂靠近椭圆囊开口处。

后半规管：

平坐位，耳石沉降到外半规管的多个位置，包括外半规管长臂侧和短臂侧，其中长臂侧底部平长，耳石可以散在分布。

上半规管

平坐位，耳石沉降到上半规管长臂侧靠近壶腹嵴处，位置比较固定。

半规管、椭圆囊各关键位置设置耳石

在重力作用下，耳石沉降到低位。

Dix-Hallpike试验分析

A.平坐位，从后向前观察。后半规管结石位于长臂侧下臂近壶腹部和远壶腹部以及短臂侧； 外半规管结石位于长臂侧壶腹部、后臂、后臂靠近椭圆囊开口处、椭圆囊开口处和短臂侧；上半规管结石位于长臂侧壶腹部；椭圆囊内的结石位于椭圆囊后侧。

B.向右侧转头45°

C.患者从坐位快速躺下至平卧右耳向下位置，头部后仰30°。 后向前观察。

D. 患者从坐位快速躺下至平卧右耳向下位置，头部后仰30°。 侧面观察。

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,后臂椭圆囊开口处和靠近椭圆囊开口处的结石向壶腹长距离滑动，后臂的结石无明显运动；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，远壶腹部结石不动或离壶腹短距离滑动；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，后臂靠近椭圆囊开口处结石无明显运动，椭圆囊开口处结石向壶腹短距离运动，壶腹部的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	结石经总管进入上半规管和后半规管

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）；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（长/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.同侧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，没有明显流体力学效应。对侧上半规管的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部，可能具备流体力学效应。
3.右侧Dix-Hallpike试验可能诱发右侧外半规管短臂侧结石症，但也可导致左侧外半规管短臂侧结石复位。
4.右侧Dix-Hallpike试验可能诱发左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），其眼震表现易被误诊为右侧后半规管BPPV，如果直接做Epley法复位，会使得上半规管的结石移位到前臂，导致上半规管BPPV无法自然复位。
5.右侧Dix-Hallpike试验可能诱发左后半规管长臂侧结石症，其眼震表现易被误诊为上半规管BPPV，但回复坐位无法自然复位，复查Dix-Hallpike 试验为左侧后半规管BPPV。

6. 右侧Dix-Hallpike试验右侧总管椭圆男开口处于低位，右侧椭圆囊后部游离沉降的结石在重力作用下进入右侧外半规管短臂侧，但右侧椭圆囊斑直接脱落的结石可以经总管进入右侧后半规管，其眼震表现易被误诊为上半规管BPPV，但回复坐位无法自然复位，复查Dix-Hallpike 试验为右侧后半规管BPPV。

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同侧出现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和后半规管以及右侧椭圆囊结石进入后半规管。
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/旋转上跳向地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。不典型眼震需要复查Dix-Hallpike试验。

仰卧悬挂头位试验分析

A.平坐位，从后向前观察。后半规管结石位于长臂侧下臂近壶腹部和远壶腹部以及短臂侧； 外半规管结石位于长臂侧壶腹部、后臂、后臂靠近椭圆囊开口处、椭圆囊开口处和短臂侧；上半规管结石位于长臂侧壶腹部；椭圆囊内的结石位于椭圆囊后侧。

B. 从坐位快速躺下至平卧位，头部后仰和水平面成30°角

可以观察到如下重要事实：

位置	耳石运动
后	长臂侧的结石离壶腹运动；短臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部
外	长臂侧体部的结石离壶腹运动，后臂椭圆囊开口处和靠近椭圆囊开口处的结石向壶腹短距离滑动；短臂侧的结石在壶腹部短距离运动
前	长臂侧壶腹部结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部
椭	结石经总管进入上半规管和后半规管

注：后=后半规管; 外=外半规管；前=前半规管; 椭=椭圆囊

分析：
1.上半规管长臂侧结石位于壶腹部无法脱出，即便加大头部后仰角度至60度，上半规管壶腹部的结石也无法脱出。
2.椭圆囊的结石可以进入后半规管，其眼震表现易被误诊为上半规管BPPV，在坐起时无法自然复位，复查仰卧悬挂头位试验为后半规管BPPV。
3.椭圆囊的结石可以进入上半规管，其眼震表现易被误诊为后半规管BPPV，在坐起时可以自然复位（可出现坐起时眩晕/眼震/身体不稳），复查Dix-Hallpike试验可为阴性。

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。初始对于BPPV的认识，仅限于后半规管，1985年McClure报道水平半规管耳石症[7] ，直至1994年 Herdman方才报道上半规管BPPV[??] 。通常认为上半规管BPPV非常罕见，约占BPPV总数的3%，但各家报道迥异[3, 6, 8, 9] 。从解剖学的角度看，上半规管在平坐位处于高位，即便仰卧位结石经总管进入上半规管后臂，也很难到达前臂，在坐起后也会自然复位。通常认为特殊情况下如瑜伽练习如头向下倒立、Epley复位过程可能导致上半规管BPPV[9, 10] 。Dix-Hallpike试验用于诊断后半规管BPPV和上半规管BPPV，但事实上39%外半规管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。根据前庭生理原则，右侧Dix-Hallpike试验诱发眼震表现分析：1.眼震表现为上跳、旋转，向地眼震考虑右侧后半规管兴奋性刺激/左侧上半规管抑制性刺激， 背地眼震考虑左后半规管兴奋性刺激/右侧上半规管抑制性刺激；2.眼震表现为下跳、旋转，背地眼震考虑右侧后半规管抑制性刺激/左侧上半规管兴奋性刺激，向地眼震考虑左后半规管抑制性刺激/右侧上半规管兴奋性刺激。3.眼震表现为水平眼震，向地眼震考虑右侧外半规管兴奋性刺激/左侧外半规管抑制性刺激；背地眼震，考虑右侧外半规管抑制性刺激/左侧外半规管兴奋性刺激。
根据物理引擎耳石运动观察，归纳如下：
1.水平眼震，考虑外半规管BPPV，双侧都有可能；也可能为同侧侧椭圆囊结石进入外半规管短臂侧。
2.单侧上跳、扭转向地的强烈眼震，考虑同侧后半规管BPPV。
3.单侧上跳、扭转向地的较弱眼震 需要考虑1）同侧后半规管BPPV，复查Dix-Hallpike阳性；2）对侧椭圆囊的结石进入上半规管，其扭转成分可能较弱，复查Dix-Hallpike阳性可能阴性，直接行Epley法复位可能导致对侧上半规管BPPV。
4.一侧上跳、扭转向地较强眼震，另一侧诱发扭转背地上跳较弱眼震，考虑较强眼震侧后半规管BPPV，对侧Dix-Hallpike诱发眼震的原因是长臂侧近壶腹部结石向壶腹运动，复查Dix-Hallpike试验通常转变回单侧诱发上跳、扭转向地的眼震。
5.一侧诱发上跳、扭转向地较强眼震，另一侧诱发扭转下跳较弱眼震，考虑较强眼震侧后半规管BPPV，对侧Dix-Hallpike诱发眼震的原因是长臂侧远壶腹部结石离壶腹运动，复查Dix-Hallpike试验通常转变回单侧诱发上跳、扭转向地的眼震。
6.单侧诱发扭转下跳眼震，考虑1）对侧椭圆囊的结石经总管进入后半规管，眼震方向向地，坐起可自然复位，复查Dix-Hallpike试验阴性。2）同侧椭圆囊的结石进入经总管进入后半规管，眼震方向背地，坐起不能自然复位，复查Dix-Hallpike试验同侧上跳扭转向地眼震，是临床最为常见的形式[9] 。3）对侧上半规管长臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部，眼震方向背地，复查Dix-Hallpike试验结果一致。
Dix-Hallpike试验物理引擎三维物理仿真试验结果显示，右侧Dix-Hallpike试验可以诱发所有半规管位置的结石发生一定程度的运动，其中有明显结石运动且可能诱发垂直旋转眼震的位置包括右侧后半规管离壶腹运动，左侧后半规管离壶腹或者向壶腹运动，左侧椭圆囊的结石经总管进入上半规管或后半规管，左侧上半规管长臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部。尚不清楚上半规管长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，在诊断为短臂侧后半规管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。右侧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。有认为后半规管近总脚处结石也可以表现为同侧Dix-Hallpike试验扭转下跳眼震，但后半规管近总脚处为不稳定结石沉降位置，更可能是同侧椭圆囊的结石进入后半规管[9] 。由此，一侧Dix-Hallpike试验出现扭转下跳眼震除考虑对侧上半规管BPPV，还应该要考虑同侧椭圆囊结石经总管进入后半规管或上半规管以及对侧椭圆囊结石经总管进入后半规管，坐位低头休息5-15分钟后使得椭圆囊里的结石充分沉降并粘附于椭圆囊斑，复查Dix-Hallpike试验出现眼震的转换有助于鉴别。
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/旋转上跳向地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；不典型眼震需要复查Dix-Hallpike试验。
仰卧悬挂头位试验物理引擎三维物理仿真试验结果判断比较简单
1.水平眼震，考虑外半规管BPPV，双侧都有可能。
2.下跳扭转眼震，考虑
1）椭圆囊的结石经总管进入后半规管或上半规管，坐起可自然复位，复查仰卧悬挂头位试验阴性。
2）上半规管长臂侧的结石从壶腹嵴帽底部滑动到顶部，复查仰卧悬挂头位试验阳性。
3.上跳扭转眼震，考虑后半规管长臂侧和短臂侧结石。
由此，仰卧悬挂头位试验出现扭转下跳眼震除考虑上半规管BPPV，还应该要考虑椭圆囊结石经总管进入后半规管或上半规管，坐位低头休息5-15分钟后使得椭圆囊里的结石充分沉降并粘附于椭圆囊斑，复查仰卧悬挂头位试验出现眼震的转换有助于鉴别。
杨旭报道40例上半规管BPPV，19例为单纯AC-BPPV，11例为AC-PC-BPPV,10例为AC-SC-BPPV，Dix-Hallpike试验和仰卧悬头位试验出现下跳眼震的分别为26例和33例，出现旋转下跳眼震的分别为14例和7例，17例门诊首诊治愈，21例随访一周治愈，其判断诊断正确的依据是用Yacovino 法能够治愈以及合并其他类型BPPV和随访转变为其他类型BPPV，上半规管BPPV发病率高达12.1%，其中多管BPPV超过一半，对上半规管BPPV的诊断标准提出了新的挑战[6] 。事实上，虽然Yacovino法是较常使用的复位上半规管BPPV的手法[3, 6, 9, 11] ，但是仿真试验结果显示，仰卧悬挂头位无法使得上半规管长臂侧壶腹部的结石脱出，显然Yacovino法是无法使得上半规管的结石经长臂进入椭圆囊，需要其他机制解释。杨旭报道上半规管嵴帽结石症约占上半规管BPPV的1/3，以眼震持续时间超过1分钟作为诊断依据[6] 。上半规管的结石在平坐位位于壶腹嵴底部，不容易粘附于壶腹嵴帽顶部。震持续时间超过1分钟也可能为来自椭圆囊的结石陆续进入后半规管。

结论

上半规管BPPV诊断试验诱发下跳眼震，除考虑上半规管BPPV，还需要考虑诊断试验本身诱发椭圆囊的结石进入后半规管，后者复查诊断试验转为后半规管BPPV，观察眼震动态变化十分必要。Dix-Hallpike 试验和仰卧悬挂头位试验都无法使得上半规管壶腹部的结石脱出进入长臂，Yacovino法（仰卧悬挂头位，头部上抬至下颏抵住胸部后缓慢坐起）理论上无法复位上半规管BPPV，其治疗有效不支持上半规管BPPV。对于上半规管BPPV的诊断标准,还需要重新评估，并需要改良诊断方法。

参考文献

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