Part 1, Chapter 4, Page 52

Physiology of the Ocular Movements

一些應用在眼球運動的基礎動力學概念:

所有的球體運動皆由兩種基礎運動組成: (1)translatory movements:沿著前後軸(Y)往前後、沿著水平軸(X)往左右、沿著垂直軸(Z)往上下平移。(2)rotary movements:在垂直軸、水平軸、前後軸上的旋轉。臨床上,將眼球旋轉中心(center of rotation)簡化為通過眼球最兩側點(赤道兩端)的連線與視線的交點。旋轉中心、X軸、Z軸在赤道面。

 ocular kinematics  

基本眼球運動(cardinal movements of the eye)有四,沿垂直軸旋轉的內轉(adduction)、外轉(abduction)與沿水平軸旋轉的上轉(elevation or sursumduction)、下轉(depression or deorsumduction)。其它單眼旋轉(ductions)還有沿前後軸旋轉的內旋(incycloduction)、外旋(excycloduction)。旋轉後的眼球有各種不同方向性的停留位置,其中以正視前方假想為旋轉前的方向位置,設為一級位置(primary position),內轉、外轉、上轉、下轉之後的方位設為二級位置(secondary positions),其它斜向的旋轉設為三級位置(tertiary positions)。

secondary positions  

tertiary positions  

眼球運動(旋轉)由六條眼外肌運作,運動方向與力道的預測需要用到力學中分量的觀念,因此需要先了解單一一條眼外肌的運動力學。眼外肌對眼球的施力點為肌肉與眼球的切點(tangential point),切點並非肌腱與眼表接合處的尾端中心,而是肌肉與眼球最突出點的接觸。力道以肌腱最初與鞏膜接縫的中心點與切點弧線距離來判斷,稱為arc of contact。例如肌肉放鬆,拮抗肌收縮時,接縫中心點與切點順著肌肉的圓弧距離較長,可以理解為接觸弧越長力道越小。施力方向即接觸弧方向,因為肌肉根部在眼窩深處,所以收縮時往眼窩方向拉。要判斷眼球受力後的旋轉方向需要先畫出包含眼球旋轉中心與接觸弧的球面(muscle plane),過其中心的垂線即為旋轉軸(axis of rotation),眼球將沿著此軸旋轉。

ocular muscle kinematics  

因為內直肌(medial rectus muscle)與外直肌(lateral rectus muscle)對眼球的旋轉軸都與一級位置時的垂直軸重疊,所以造成的旋轉方向很單純,分別就是內轉與外轉。在解剖位置上,眼窩是向耳側偏的,因此上直肌(superior rectus muscles)與下直肌(inferior rectus muscles)的旋轉軸與眼球水平軸相交約23度,在一級位置上的運動在三個軸上都有不同大小的分量,依力道大小分別稱為一級、二級、三級動作。當眼球外轉23度時,上、下直肌才會有單純的上、下轉,這被應用在眼外肌的測試。理論上內轉67度時會有單純內、外旋,但是實際上眼球無法內轉這麼多度。同理,上、下斜肌與眼球的生理位置分別相交54度與51度,所以在一級位置也各有三個層級的動作,特定角度的內轉之後,能有較純粹的下轉與上轉,以方便檢測肌力。

muscle angles  

actions at primary position    

藉由收縮引起一個方向性運動的肌肉稱為作用肌(agonist),對同一對象引起同向或反向動作的肌肉分別稱為協同肌(synergists)與拮抗肌(antagonist),對不同對象引起同向或反向運動的肌肉分別稱為共軛肌(yoke muscles)與共軛拮抗肌(antagonist of the yoke muscle)。yoke muscle  

antagonist of the yoke muscle  

synergist  

傳送神經脈衝給作用肌的同時也會傳送等量的衝動給其拮抗肌,以追求更平順、穩定的運動,此為Sherrington’s law of reciprocal innervation,適用於單眼旋轉(duction)。同樣地,作用肌與其共軛肌或共軛拮抗肌也會收到等量的神經衝動,此為Hering's law of equal innervation, also called the law of motor correspondence,適用於雙眼共軛旋轉(version & vergence)。測試眼球運動時,先測versions,根據Hering's law有under or overaction的那眼必定無法與另一眼(正常眼)同時注視視標,接著再做ductions,根據Sherrington’s law,異常眼肌與其拮抗肌的平衡必定與做反向動作時有幅度上的差異。注視近物時(聚合),在一眼前放置稜鏡,只有該眼會動,此現象被稱為asymmetrical convergence,與Hering' law衝突,他補上解釋說這是因為共軛肌與共軛拮抗肌能夠共享與協調分配(不均分配)傳過來的等量衝動。

prism effect  

asymmetric convergence  

Ductions:所有的單眼旋轉;Versions:同時同向的雙眼旋轉;Vergences:同時反向的雙眼旋轉。

ocular movements   

躍視(saccade)的定義很廣,需多動作都歸為其類,例如,隨心所動的command movements;視動震顫中的快速移動(optokinetic or vestibular nystagmus);睡著時眼皮底下的快速微動(rapid eye movements, REMs);快速追視時,一不小心lost掉會馬上躍視,以繼續追視;注視時為了不停刷新網膜影像所作的超微小移動(miniature eye movements, microsaccades)。

除了隨心所欲的versions之外,也有一些是屬於不自覺的反射,例如注視時抬頭,雙眼會有depression的反射動作, 低頭會有elevation,頭往左轉會有dextroversion,往右轉有levoversion,這些稱為oculocephalic reflex, or oculovestibular reflex。

oculocephalic reflex  

Cycloversions常見為對頸肌張力與內耳平衡狀態反應的不自主反射動作,例如將頭往右肩偏會有levocycloversion的反射動作,反之有dextrocycloversion。這樣的反射動作是為了保持網膜與物理空間的方向性(想像在網膜有一垂直線,偏頭時,為了讓相對於空間屬於偏斜的垂直線回正,眼球必須反向旋轉),但是這種反射動作的能力在人類身上是非常差的,例如偏頭60度,大約只有反向旋轉4~16度,有高散的人因此偏頭景象會變模糊(鏡片隨頭偏,但眼球回轉,散光軸偏)。實驗證明經過訓練後,cycloversions的能力得以增強,並且可以自主性的隨意運作。 

Vergences因為是雙眼反向運動,所以又稱為disjunctive movements。對一般人而言,只有內聚(convergence)是可自主的,開散(divergence)只是內聚的神經衝動減弱時,雙眼視線回復平行的放鬆動作,sursum- and deorsumvergence and cyclovergence則是平衡眼球運動過程中因為眼肌(內外直除外)與網膜經線不平行產生的偏轉的反射動作(去除視線的上、下、旋轉偏移)。聚散幅度(vergence ranges, amplitude of motor fusion)與清醒程度有很大的關係。同視機可以直接測量cyclofusional amplitudes,而得到較正確的數值。測試刺激必須一樣或極度相似才會誘發融像動作(fusional movements),誘發的強度取決於視標的大小(相似影像的大小,retinal periphery),當視標越亮、越大、離中心視野越近時,誘發效果越強。不自主地受周邊影像誘發融像運動(peripheral fusion)對於穩定雙眼位置,進而維持融像是相當重要的。

眼球旋轉系統(oculorotary system)包含兩大功能:(1)追求快速確實的視線移動時,眼外肌收縮快速,眼球做versions運動,此為視動功能(optokinetic function);(2)調節眼球位置,避免發生視線偏移時,眼外肌僵直性改變較慢,眼球做vergences運動,此為視靜功能(optostatic function)。兩者可同時作用,例如asymmetrical convergence就是vergence加入了version.Version的速度個體差異大(30~700度/秒),但總是比vergence快得多(~20度/秒),內聚比開散大約快兩倍,以上差異都是神經傳導過程不同所致,因此在做聚散能力測試時,稜鏡量增加速度過快,影像偏移快過融像運動,就會發生低估且變動大的結果。

躍視過程可分為快速的起步加速、穩定高速、減速三個步驟,蓄力(latency)越久,距離越遠,減速是依靠拮抗肌施力相對增大,並在結尾會有微小的反向躍視(secondary corrective saccadee,macrosaccades),眼肌麻痺(ophthalmoplegia)或是重症肌無力(myasthenia gravis)患者因為拮抗力道失衡,結尾不是察覺不出的微小回躍,反而像是衝過了頭的另一次躍視(Postsaccadic drifts)。

除了日常行使的聚散運動之外(fast fusional vergence system),另有一種根據聚散刺激強弱與時間,在刺激之後仍持續數小時甚至數日之久的聚散脈衝(slow fusional vergence system),能在無形中緩慢改變眼球位置(aftereffect of fusional vergence),造成吃掉稜鏡(eating-up of prisms)的適應現象(prism adaptation),例如給予聚合刺激會讓眼位緩緩往更eso的方向偏移,這就是爲何要先做視線偏移量測試再做聚散能力,也因為測聚合時一般所加稜鏡量較高,要先做聚合能力測試再做開散能力測試(適應與刺激強弱成正比)。

注視(fixation)是將正在注意的影像以察覺不到的微小眼動(micro or miniature eye movements,包括tremor, drift, and microsaccades)維持在中央窩的一種感覺(中央窩)-運動(眼外肌)系統,在中央窩成熟的時間點(約6個月大)形成,可區分成單眼(uniocular or monocular)與雙眼(binocular or bifoveal)注視,一般不特別講明的注視都是指雙眼注視。行使注視的條件有(1)正常的中央窩功能(2)視標具有鮮明的輪廓(3)視標能引起注意(4)視標對應中央窩而在正前方。

視野(field of vision)是在不動眼、不轉頭的情況下,空間中形成視覺的範圍。注視範圍(field of fixation)是在可動眼、不轉頭的限制下,能行使中央窩注視的視野內範圍。眼球轉動最靈活到最受限制的方向依序為內、外、下、上,能轉多少個體差異大,但是六十歲後都會明顯下降。雙眼注視範圍在各方向的視角限制分別為:下54度、內46度、外42度、上34度,單眼注視範圍在各方向皆大約四十幾度。

fields of fixation  

實際應用的注視範圍(practical field of fixation)是可動眼、可轉頭的情況下,例如行走時左右張望所得到的比視野更大的動態注視範圍。研究指出往上看,幾乎都是頭在動,往兩旁看,大部份是頭動,唯有往下看,眼動較多,另外,年齡越小越依賴頭動,有趣的是,閱讀的題材越難,頭動反而越多,戴正度數眼鏡因為放大效果引起的視野縮小會讓眼動更少,尤其是漸進多焦眼鏡因為光學區小,閱讀時幾乎不動眼。藉由轉頭可以讓輕微眼肌麻痺的斜視患者生活自如,但是對於有特殊視覺需求的職業最好還是避免,例如建築工人。

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