BPPV诊疗手法物理引擎耳石运动观察（二)

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
水平滚转试验是临床最为常用的诊断手法之一，也是翻滚复位法的起始步骤，以其为例进行观察分析。

A.平坐位，从后向前观察。在重力作用下，耳石处于半规管低位。后半规管长臂侧结石可以位于近壶腹部，远壶腹部； 外半规管长臂侧结石可以位于壶腹部壶腹嵴帽顶部和远壶腹部；上半规管长臂侧结石位于壶腹部壶腹嵴帽底部；后半规管短臂侧结石位于壶腹嵴帽底部；外半规管短臂侧结石位于 壶腹嵴帽顶部。

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。

B. 平卧位，头部抬高20度

可以观察到如下事实：

位置	耳石运动
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
外	长臂侧体部结石离壶腹运动，壶腹部结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部；短臂侧的结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部
前	长臂侧结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部
椭	结石经过总管进入后半规管

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：后（长/短），外（长），椭。引起抑制性刺激的位置包括：外（长），椭。
2.椭圆囊内的结石经总管进入后半规管。

B.向右侧转头90°

可以观察到如下事实：

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石短距离离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右外	长臂侧体部的结石向壶腹运动，壶腹部结石离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右前	长臂侧结石离壶腹运动
右椭	结石上一个步骤已经进入后半规管；残余结石通过观察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；短臂侧的结石短距离运动
左外	长臂侧体部的结石离壶腹运动进入椭圆囊，壶腹部结石短距离运动；短臂侧的结石进入椭圆囊
左前	长臂侧结石在壶腹部短距离运动
左椭	结石上一个步骤已经进入后半规管；残余结石通过观察在椭圆囊内滑动

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），右外（长/短），右前，右椭，左后（长），左外（长/短）。引起抑制性刺激的位置包括：右外（短），右椭，左后，左外（长）。
2.右侧翻身可以导致左侧外半规管长臂侧（体部）和短臂侧结石复位。
3.右侧翻身可以引起右侧外半规管短臂侧结石症，在左侧翻身时可以复位。

分析：
1.我们的研究显示，右侧后半规管结石症，同侧水平滚转试验也常阳性，约占总数的22%，且不管是短臂侧结石症和长臂侧结石症都可以。模型观察显示，右后长臂和短臂的结石都有短距离的运动，其重要提示是后半规管短臂侧结石的短距离滑动也具备生物力学效应。
2.诊断实验会导致对侧外半规管结石复位，影响诊断实验的敏感性。
3.水平向地眼震考虑右侧外半规管长臂侧体部结石，左侧外半规管长臂侧体部结石，背地眼震要考虑外半规管长臂侧壶腹部结石和短臂侧结石（包括嵴帽结石），这使得定位诊断变得过于复杂。

向地眼震通常认为眼震强烈侧为患侧，依此判断，左侧外半规管长臂侧体部结石可能会被错误定位为右侧外半规管长臂侧体部结石，如果复位进入椭圆囊的耳石不重新进入左侧外半规管。
背地眼震通常认为眼震弱侧为患侧，但右侧外半规管长臂侧壶腹部结石可以表现为右侧背地眼震，左侧向地眼震。

C. 回复到平卧位

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石短距离向壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右外	长臂侧结石离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右前	长臂侧结石无明显运动
右椭	结石上上一个步骤已经进入后半规管；残余结石经过总管进入后半规管
左后	长臂侧结石离壶腹运动；短臂侧的结石较明显离壶腹运动
左外	长臂侧体部的结石上一个步骤已经复位，壶腹部结石短距离运动；短臂侧的结石上一个步骤已经复位
左前	长臂侧结石在壶腹部短距离运动
左椭	来自外半规管短臂侧的结石进入外半规管长臂

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），右外（长），右椭，左后（长/短），左椭。引起抑制性刺激的位置包括：右外（长），右椭。
2.回复到平卧位，可以引起左侧外半规管长臂侧结石症，其来源为左侧外半规管短臂侧结石。

分析：
1.回复到平卧位，出现水平眼震，眼震方向向左，可能提示结石进入左侧外半规管长臂（眼震强烈）或者右侧外半规管结石（眼震弱）
2.强烈的旋转眼震，提示左侧后半规管结石。

D. 向左侧转头90°

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石长距离向壶腹运动；短 臂侧的结石短距离向壶腹运动
右外	长臂侧结石离壶腹运动进入椭圆囊；短臂侧的结石进入椭圆囊
右前	长臂侧结石向壶腹运动进入壶腹部
右椭	在椭圆囊滑动
左后	长臂侧结石长距离离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动到达壶腹嵴帽顶部
左外	长臂侧体部的结石短距离向壶腹运动，壶腹部结石长距离离壶腹运动；短臂侧的结石上上一个步骤已经复位
左前	长臂侧结石离壶腹运动
左椭	结石进入外半规管长臂

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），右外（长/短），右前，左后（长），左外（长），左前，左椭。引起抑制性刺激的位置包括：右外（长），右外（长），右前，左外（长）
2.从平卧位到左侧卧位，可以导致右侧外半规管长臂侧（体部）和短臂侧结石复位。
3.从平卧位到左侧卧位，可以引起左侧外半规管长臂侧结石症。

分析：
1.诊断实验会导致对侧外半规管结石复位，影响诊断实验的敏感性。
2.水平向地眼震考虑左侧外半规管长臂体部结石（新发），背地眼震要考虑左侧外半规管长臂侧壶腹部结石，短臂侧结石，右侧外半规管嵴帽结石。
3.想要获取信息：常规先做右侧翻身，再做左侧翻身，最后诊断的嵴帽结石症左右侧有无发病率区别。

90°水平滚转试验存在的严重缺陷，会导致部分外半规管BPPV被漏诊。为此，我们对方法进行改良，设计60°水平滚转试验，具体如下：

A.平坐位，从后向前观察。在重力作用下，耳石处于半规管低位。后半规管长臂侧结石可以位于近壶腹部，远壶腹部； 外半规管长臂侧结石可以位于壶腹部壶腹嵴帽顶部和远壶腹部；上半规管长臂侧结石位于壶腹部壶腹嵴帽底部；后半规管短臂侧结石位于壶腹嵴帽底部；外半规管短臂侧结石位于 壶腹嵴帽顶部。

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。

B. 平卧位，头部抬高20度

可以观察到如下事实：

位置	耳石运动
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
外	长臂侧体部结石离壶腹运动，壶腹部结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部；短臂侧的结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部
前	长臂侧结石在壶腹部短距离移动到壶腹嵴帽顶部
椭	结石经过总管进入后半规管

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：后（长/短），外（长），椭。引起抑制性刺激的位置包括：外（长），椭。
2.椭圆囊内的结石经总管进入后半规管。

B.向右侧转头60°

可以观察到如下事实：

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石短距离离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右外	长臂侧体部的结石向壶腹运动，壶腹部结石离壶腹运动；短臂侧的结石无明显运动
右前	长臂侧结石离壶腹运动
右椭	结石上一个步骤已经进入后半规管；残余结石通过观察进入右侧外半规管短臂侧壶腹部
左后	长臂侧体部的结石向壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
左外	长臂侧结石离壶腹运动到达椭圆囊开口处，壶腹部结石无明显运动；短臂侧的结石进入椭圆囊
左前	长臂侧结石无明显运动
左椭	结石上一个步骤已经进入后半规管；残余结石通过观察在椭圆囊内滑动

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），右外（长），右前，右椭，左后（长），左外（长/短）。引起抑制性刺激的位置包括：右外（短），右椭，左后，左外（长）。
2.右侧转头60°可以导致左侧外半规管短臂侧结石复位
3.右侧转头60°可以引起右侧外半规管短臂侧结石症，在左侧翻身时可以复位。

分析：
1.我们的研究显示，右侧后半规管结石症，同侧水平滚转试验也常阳性，约占总数的22%，且不管是短臂侧结石症和长臂侧结石症都可以。模型观察显示，右后长臂和短臂的结石都有短距离的运动，尤其短臂侧的结石位于壶腹嵴帽的顶部，在重力作用下对壶腹嵴有力学效应。
2.诊断实验不会导致对侧外半规管结石复位，同90°水平滚转试验比较，其优点是不会影响诊断实验的敏感性。
3.水平向地眼震考虑外半规管长臂体部结石，背地眼震要考虑外半规管长臂侧壶腹部结石，短臂侧结石。

C.向左侧转头120°

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石向壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动
右外	长臂侧结石离壶腹运动到达椭圆囊开口处；短臂侧的结石进入椭圆囊
右前	长臂侧结石无明显运动
右椭	在椭圆囊滑动
左后	长臂侧结石长距离离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动到达壶腹嵴帽顶部
左外	长臂侧体部的结石长距离向壶腹运动，壶腹部结石长距离离壶腹运动；短臂侧的结石上上一个步骤已经复位
左前	长臂侧结石离壶腹运动
左椭	结石进入后半规管短臂

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），右外（长/短），左后（长/短），左外（长），左前，左椭。引起抑制性刺激的位置包括：右后（长），右外（长），左外（长，壶腹部）
2.从右侧转头60°到左侧转头60°，可以导致右侧外半规管短臂侧结石复位。
3.从右侧转头60°到左侧转头60°，可以引起左侧后半规管短臂侧结石症。

分析：
1.诊断试验不会导致对侧外半规管结石复位，同90°水平滚转试验比较，其优点是不会影响诊断试验的敏感性。
2.水平向地眼震考虑外半规管长臂体部结石，背地眼震要考虑外半规管长臂侧壶腹部结石，短臂侧结石。
3.外半规管长臂体部结石滑动距离较90°水平滚转试验要长，流体力学效应更强。

D.向右侧转头120°

可以观察到如下事实：

位置	耳石运动
右后	长臂侧结石长距离离壶腹运动；短臂侧的结石短距离运动到达壶腹嵴帽顶部
右外	长臂侧体部的结石长距离向壶腹运动；短臂侧的结石上上一个步骤已经复位
右前	长臂侧结石无明显运动
右椭	结石进入后半规管短臂
左后	长臂侧结石无运动；短臂侧的结石短距离运动
左外	长臂侧结石离壶腹运动到达椭圆囊开口处；短臂侧的结石上上一个步骤已经复位
左前	长臂侧结石无明显运动
左椭	在椭圆囊滑动

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，左外（长）。引起抑制性刺激的位置包括：右外（短），右椭，左后，左外（长）。
2.从左侧转头60°到右侧转头60°，可以引起右侧后半规管短臂侧结石症。

分析：
1.水平向地眼震考虑外半规管长臂体部结石，背地眼震要考虑外半规管长臂侧壶腹部结石，短臂侧结石。
2.外半规管长臂体部结石滑动距离较90°水平滚转试验要长，流体力学效应更强。

转头60°的设定是比较随意的，虽然BPPV模型观察的结果效果不错。问题是更小的转头角度比如45°是否具备同样生物力学效应，以及更大的转头角度是否同样不会引起对侧长臂管石复位。

C. 右侧转头45°

分析：
1.右侧外半规管长臂侧壶腹部的结石不能脱离壶腹部进入长臂体部
2.右侧外半规管长臂侧体部的结石向壶腹运动，距离较短。
3.左侧外半规管长臂侧体部的结石离壶腹运动
4.左侧外半规管短臂侧结石复位
5.其他管的结石活动不明显。

D. 向左侧转头90°

分析：
1.左侧外半规管长臂侧壶腹部的结石不能脱离壶腹部进入长臂体部
2.左侧外半规管长臂侧体部的结石向壶腹运动，距离长，达到半周
3.右侧外半规管短臂侧结石复位
4.右侧外半规管长臂侧体部的结石离壶腹运动
5.其他管的结石活动不明显。

e. 向右侧转头90°

分析：
1.右侧外半规管长臂侧壶腹部的结石不能脱离壶腹部进入长臂体部
2.右侧外半规管长臂侧体部的结石向壶腹运动，距离长，达到半周
3.左侧外半规管长臂侧体部的结石离壶腹运动
4.其他管的结石活动不明显。

总结：
转头45°可以有效诊断外半规管长臂体部结石。不仅如此，外半规管长臂侧壶腹部的结石，同样具备嵴帽结石类似生物力学效应。提示45°水平滚转试验可能可以更多发现背地眼震，有待临床试验证实。
更多的角度测试可以发现，40~50°的角度范围，可以确保外半规管长臂体部结石滑动较长距离，而外半规管长臂侧壶腹部的结石不脱离壶腹部。
可以通过仪器控制实现转头45°，有助于精准诊断外半规管长臂体部结石和壶腹部结石。手工操作，转头角度在40-60°范围，诊断外半规管BPPV都是有效的，容错性非常好。

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。

1985年McClure提出，BPPV也可以发生在水平半规管和上半规管，并报道使用水平滚转试验作为水平半规管BPPV诱发试验，患者平卧位向一侧转头诱发头晕，呈水平眼震，快向向地。

90°水平滚转试验存在的严重缺陷就是会导致耳石复位，影响诊断试验的敏感性，必须进行改良和修正。
故此，对水平滚转试验进行改良，减少向一侧转头的幅度，以避免导致对侧耳石复位。具体步骤为平卧后向一侧转头60°，向另一侧转头120°，再向另一侧转头120°。此方法存在以下优点： 1.操作方便 左右转头60°可以不用翻身，容易完成，也可以避免颈椎损伤。 2.转头幅度有120°，耳石运动路径长，敏感性增加。 3.不会导致对侧长臂侧耳石复位。

结论：
基于物理引擎三维物理仿真的BPPV模型耳石运动观察显示，60°水平滚转试验有效修正了90°水平滚转试验存在的缺陷。我们在临床实践中，对患者先进行60°水平滚转试验，后进行90°水平滚转试验，初步经验为60°水平滚转试验可以代替90°水平滚转试验，但需要进一步的临床试验设计来验证60°水平滚转试验敏感性优于90°水平滚转试验。
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，也有助于改良和创新诊疗方法。