运动任务期间同步监测运动学与肌电图的感官及运动脑区功能近红外光谱成像

摘要

在研究运动障碍的神经机制时，监测直立姿势下运动任务期间的大脑活动具有重要价值。本文展示了一种结合功能性近红外光谱成像与肌肉及运动学活动连续监测的技术方案，用于四种类型运动任务中的脑功能研究。

摘要

功能性近红外光谱成像（fNIRS）在研究人类运动神经控制方面具有多项优势。该技术对受试者的体位要求相对灵活，允许任务过程中出现一定程度的头部活动。此外，fNIRS设备价格低廉、重量轻、便于携带，且使用禁忌症极少。这为研究正常发育个体以及运动障碍患者（如脑瘫患者）在运动任务中的脑功能活动提供了独特的机会。然而，在研究运动障碍时，还需额外关注实际运动的质量以及可能出现的非预期附加动作。因此，为了准确解读fNIRS结果，在测试过程中必须同时监测脑部血流变化和身体的实际运动情况。本文展示了一种在运动任务中联合使用fNIRS与肌肉活动及运动学监测的技术方案。我们探讨了步态、单侧多关节运动（骑行），以及两种单侧单关节运动（孤立的踝背屈和孤立的手部握力）。所介绍的技术可用于研究典型的和非典型的运动控制机制，并可根据需要调整，以探究广泛的行为任务和科学问题。

引言

利用无创性功能性近红外光谱技术（fNIRS）测量大脑皮层血流动力学变化以识别脑活动区域，使得在功能任务过程中进行神经成像变得更加便携且成本效益更高。fNIRS 的便携性在研究直立姿势和功能性任务（如步态¹）时尤为有用，而此类任务在其他技术（如功能性磁共振成像（fMRI））中难以实现。这一能力在神经病学和神经科学领域至关重要，有望为脑性瘫痪（CP）及其他影响运动控制的神经系统疾病患者在儿童和成人中运动障碍的潜在机制提供新的见解。理解这些机制有助于更有效地设计干预措施，以针对功能障碍和活动受限的根本原因进行治疗。

迄今为止，许多关于运动任务的fNIRS研究均以健康成人为研究对象，参与者被要求执行特定任务，而对任务执行情况的监测仅限于视觉观察。这种方法对于具有典型运动模式且注意力高度集中的个体可能是足够的，但在研究存在运动障碍的参与者或难以长时间专注任务的个体（包括正常发育的儿童）时则不可接受。为了准确分析这些情况下的脑激活模式，必须同步监测实际完成的运动模式。

关于功能性近红外光谱（fNIRS）系统及其应用的全面综述已在文献中广泛报道^2-5，这些综述为系统的使用提供了指导，并有助于展示这些系统的准确性与敏感性；然而，在fNIRS数据的采集、处理和解释方面仍存在技术难题。毛发的颜色和厚度会影响光学信号的质量，其中深色且浓密的毛发最有可能阻碍或扭曲光信号的传输^3,6

方案

注意：本方案已获得美国国立卫生研究院机构审查委员会批准（ClinicalTrials.gov 标识符：NCT01829724）。所有参与者在参与前均有机会提出问题并签署知情同意书。考虑到血管扩张剂和血管收缩剂的近期使用可能影响血流动力学反应，要求参与者在实验前24小时内避免饮酒和摄入咖啡因³。这些动画视频由本实验室专门制作，但也可根据其他研究问题的需求，配以不同的声音或图像进行录制。

1. 受试者到达前准备房间。

1. 根据动作捕捉设备制造商提供的具体流程，将动作捕捉相机相对于实验室坐标系进行校准。确保相机位置能够记录受试者在执行测试任务期间身体和头部所有标记点的运动。校准过程可保证动作捕捉系统的准确性，是任何动作分析实验室的标准操作程序。使用由十台相机组成的系统，覆盖体积约为 17 m³，以确保能够可靠识别反光标记点。
2. 将指令计算机的触发信号连接至动作捕捉系统和 fNIRS 计算机的 BNC 输入端口。确保该触发信号连接至鼠标按钮，点击鼠标时可闭合电路，并同时向动作捕捉/EMG 数据采集板和 fNIRS 数据采集板发送脉冲信号，作为辅助模拟输入。
3. 通过 USB 端口将该鼠标连接至播放指导动画视频的计算机，使得视频启动时可在两个数据采集系统上同时产生电压变化。
   注意：EMG 信号由动作捕捉软件自动同步并保存，因此无需对 EMG 系统进行额外同步。
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结果

本方案通过同步采集三种模态信号，以获取受试者执行运动任务时的脑血流、肌肉电活动以及关节运动学数据（图1）。

图1. 探头位置。 本图左侧显示了感觉区（蓝色，Brodmann 1、2、3区）、初级运动区（绿色，Brodmann 4区）和前运动区（橙色，Brodmann 6区）的大致位置。右侧部分使用MGH光学部提供的开源工具AtlasViewerGUI¹⁵及其相关功能生成。简而言之，该探头设计通过光源、探测器和解剖标志的空间排列，注册到Colin47图谱的表面（光源以红色圆圈表示，探测器以蓝色圆圈表示）。采用蒙特卡洛光子迁移正向模型，模拟.......

讨论

同时采集大脑皮层特定区域的脑活动信号以及个体运动的量化数据，对于深入理解正常发育人群及运动障碍患者的神经运动控制机制具有巨大潜力。该方法的应用范围广泛，可适用于不同年龄段及多种运动任务，且受试者无需像进行功能性磁共振成像（fMRI）时那样必须保持仰卧体位。所使用的具体设备并不仅限于材料清单中所列的型号——目前市场上有多种可用的动作捕捉与运动量化系统、肌电图（EMG）系统以及功能性近红外光谱成像（fNIRS）系统，均可替代本文推荐的设备。此外，若所选动作捕捉系统的测量范围不足以同时在身体和头部定位标记点，或使用了非光学技术，则可改用三维定位追踪笔，在统一坐标系下根据解剖标志确定光极的位置。最后，若条件允许，还可同步采集心率和血压等生理数据，这些信息将有助于对氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）时间序列的分析解读。

整个实验方案大约可在2小时内完成，其中将近一半的时间用于准备工作。对于短发男性受试者，准备时间可能更短，因为所需处理头发的时间较少。研究者在招募受试者时应无偏倚地涵盖所有种族和发质类型，并需报告是否存在无法获取有效信号的个体³。根据被测试者的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CW6	TechEn	http://nirsoptix.com/	功能近红外光谱仪（fNIRS），其光源和探测器数量可根据所包含模块的数量变化
配备十个 T40 系列相机的 MX 系统	Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK	http://www.vicon.com/System/TSeries	运动捕捉相机
4 mm 反射标记点	Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK		运动捕捉相机用于定位 fNIRS 光极、Ar、Al、Nz 及手部坐标的标记点
9.5 mm 反射标记点	Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK		运动捕捉相机用于定位上肢和下肢坐标的标记点。肢体节段使用标记簇，PSIS 和 Iz 处则使用带偏移的标记点，以提高数据采集的可靠性
Trigno 无线表面肌电系统	Delsys, Inc. Natick, MA	http://www.delsys.com/products/wireless-emg/	肌电图（EMG）
Bertec 分体式测力跑台	Bertec Corporation, Columbus, OH	http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html	跑台
ZeroG 体重支撑系统	Aretech, LLC, Ashburn, VA	http://www.aretechllc.com/overview.html	轨道与被动滑车系统，用于支撑缆线，行走实验期间可使用安全背带保障受试者安全
3DS Max 2013	Autodesk, Inc., San Francisco, CA	http://www.autodesk.com/	三维动画软件，用于制作教学视频中的动物动画
Windows Movie Maker	Microsoft Corporation, Redmond, WA	http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker	用于将动画影像与音乐合成的软件
Audacity	开源软件	http://audacity.sourceforge.net/	用于调整音乐节拍至合适步频的软件