Name: 使用足部诱导数控阻力装置对足部麻瘫患者进行功能性磁共振成像评估 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-07-07T12:20:00.000+00:00
Duration: 8 min 55 s
Description: 了解使用磁共振兼容足部运动装置对慢性中风患者进行功能性磁共振成像评估的方法。该技术可实时监测步行相关任务中的大脑活动，为个性化康复治疗提供生物标志物支持。

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本研究工作获得了美国国立卫生研究院国家神经疾病与卒中研究所的资助（资助号：1R01NS105875-01A1），资助对象为 A. Aria Tzika。本研究在 Athinoula A. Martinos 生物医学成像中心完成。我们谨此感谢该中心主任 Bruce R. Rosen 博士（医学博士、哲学博士）以及 Martinos 中心工作人员，同时感谢 Michael Moskowitz 博士（医学博士）提供的建议与支持。最后，我们感谢 Virtumed 公司（有限责任公司）为本设备的制造所提供的帮助。

所有实验均经麻省总医院机构审查委员会批准，并在麻省总医院 Athinoula A. Martinos 生物医学成像中心按照批准方案进行。已获得受试者关于使用和共享去标识化数据的知情同意。
注意：本研究的纳入标准如下：（1）因6个月前或更早发生的缺血性/大脑中动脉（MCA）卒中导致单侧轻偏瘫，且下肢保留一定运动功能；（2）功能性步行分级（FAC）评分30为4-5分（受试者在上下楼梯或通过不平路面时需辅助，或无需他人帮助即可行走）；（3）美国国立卫生研究院卒中量表（NIHSS）31评分为5-14分（轻度至中度）；（4）能够站立5分钟并行走&#160;10米；（5）年龄在18至80岁之间。在初步测试后，增加了一项额外标准，即确认受试者能够使用偏瘫侧足部驱动踏板完成至少5°的运动。收集的数据包括人口统计学信息、卒中危险因素、物理治疗/作业治疗持续时间、急性期住院时长、用药情况、并发感染及其他并发症。
1. 受试者筛选与准备
<ol>
	<li>招募期间，与潜在受试者会面，并测试其使用偏瘫侧足部移动设备踏板的能力。
	<ol>
		<li>检查每位受试者的足部与设备踏板的适配情况。对于足部较小的受试者，测试其穿着运动鞋或类似磁共振安全的鞋类时的适配性。</li>
		<li>若受试者在设备未通电的情况下，无法施加足够的力量使踏板移动至少5°的活动范围，则应排除其参与研究。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在受试者到达前，指示其携带经测试确认必需的鞋类（如预筛选阶段已确定）。记录受试者信息，并根据机构规程获取知情同意书。</li>
	<li>每次测试当天，根据磁共振设施的政策对受试者进行禁忌症筛查。对于可能产生刺激和/或灼热感的纹身受试者，以及其他设施特定情况，需获取其签署的免责声明。</li>
	<li>指导受试者更换为设施批准的检查服/裤，并等待被叫入扫描室。按照设施规定存放受试者的个人物品。如确定需要，指导受试者穿上指定鞋类。</li>
</ol>
2. 受控阻力脚部装置的设置
注意：建议在受试者到达之前完成步骤 2.1-2.3。
<ol>
	<li>磁共振成像支持室的设置
	<ol>
		<li>将带有连接的数据采集（DAQ）模块的高压（HV）放大器单元放置在靠近穿透面板的地面位置。将交流电源线插入墙上的电源插座，将高压同轴电缆插入高压放大器的端子以及穿透面板上的MHV同轴插头，并将传感器电缆插入穿透面板上对应的插孔。打开高压放大器的主电源开关。</li>
		<li>将USB电缆的USB B端插入DAQ模块，将USB A端插入USB中继电缆。将USB中继电缆从磁共振成像支持室铺设至磁共振成像控制室，并根据需要使用胶带将电缆固定在地面上，以防止工作人员或受试者走动时导致电缆脱落。</li>
		<li>启动扫描室投影仪。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>磁共振成像控制室的设置
	<ol>
		<li>将足部装置主机笔记本电脑放置在磁共振成像扫描仪接口旁边，插入电源适配器并启动笔记本电脑。启动MATLAB应用程序，并加载用户界面（UI）程序。</li>
		<li>将磁共振成像扫描仪按钮盒/触发信号USB电缆、扫描室投影仪电缆以及USB中继电缆插入笔记本电脑。</li>
		<li>若尚未完成设置，请调整笔记本电脑显示器设置，使主窗口扩展到主笔记本电脑窗口右侧的投影仪屏幕上。将鼠标指针移出主笔记本电脑窗口的右侧边缘，确认其进入投影仪屏幕的视野范围；再将鼠标指针移回主窗口。 
		注意：不同机构的触发信号和投影仪电缆格式可能不同，可能需要使用视频适配器或类似设备。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>扫描室的设置
	<ol>
		<li>确认扫描床完全位于扫描孔外，并已完全降下。</li>
		<li>将头部线圈安装至扫描床上对应的插槽中。取下线圈的上部组件，并将其放置在一旁。使用医院病床床单覆盖扫描床垫和头部线圈的下部组件。</li>
		<li>将投影屏幕安装在扫描孔内与扫描床相对的一端。</li>
		<li>在扫描床足端方向的线圈安装槽中插入两对黄铜安装螺钉，并将足部装置置于两对螺钉之间。使用塑料固定支架松散地连接螺钉和足部装置底板上的对齐孔（图1A）。</li>
		<li>将传感器电缆和高压电缆连接至穿透面板上的对应插孔。确保当扫描床移入扫描孔时，电缆不会缠绕在床体周围，或存在被夹压或缠结的风险。确保传感器电缆和高压电缆在足部装置与穿透面板之间无环状拉伸。</li>
		<li>在控制室内启动用户界面程序（运行m文件脚本），并通过观察用户界面上的确认信息，验证主机笔记本电脑与DAQ模块之间的通信是否已建立（图3）。</li>
		<li>在初始用户界面对话框中，点击确定按钮接受默认的力水平比例。等待确认对话框出现并自动关闭，以及初始的力和位移实时图表窗口出现。</li>
		<li>确保当一名工作人员操作足部装置踏板进行全范围运动，另一名工作人员观察力和位移曲线时，位移曲线在−35°至+18°之间往复变化，且力曲线在背屈方向运动时显示正值，在跖屈方向运动时显示负值，并在静止时归零。此现象可确认传感器、DAQ模块、高压放大器及ERF执行器功能正常（图3A）。</li>
		<li>若信号正常，点击实时图表窗口中的继续按钮，然后点击确认对话框中的关闭按钮。若信号异常，请检查电缆连接和电源连接，并根据需要重新执行设置步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>受试者与足部装置的对齐
	<ol>
		<li>将受试者从等候区引导至扫描室。根据机构规定进行金属筛查，检查是否存在未申报的物品或植入物。为受试者提供听力保护耳塞。</li>
		<li>指导受试者先坐在扫描床上，然后仰卧，头部置于头部线圈下部组件内。根据需要提供协助。在受试者头部与头部线圈壁之间填充垫片，以确保成像过程中头部不会移动。</li>
		<li>指导受试者伸直双腿。前后移动足部装置，使受试者的脚跟（或鞋跟）置于足部装置的脚托中。进一步调整，使踏板的主转轴与受试者的踝关节对齐。</li>
		<li>使用塑料固定支架和塑料蝶形螺母将足部装置固定到位。</li>
		<li>指导受试者将未测试的脚从踏板上移开，并将其略靠近身体放置于足部装置前方。根据需要使用枕头支撑未测试的腿。使用魔术贴固定带将待测脚固定在足部装置的踏板上，确保受试者脚掌前部（或鞋的前端）与踏板接触。 
		注意：在本研究中，对于非对照组（中风）受试者，首先测试受中风影响的脚。完成患侧脚测试后，将其从踏板上移开，然后按照步骤4.5相同流程，将未受影响的脚安装至对应的踏板上。</li>
		<li>向受试者提供一个挤压式报警装置，指导其挤压球体以测试功能，并提醒受试者在任何时候均可通过挤压球体与技术人员沟通。</li>
		<li>将磁共振成像床升至最高位置，使受试者能够通过镜面组件看到投影屏幕。</li>
		<li>安装头部线圈的上部组件，并将观察镜组件安装在头部线圈上方。确认受试者可通过镜面清晰看到投影屏幕。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 受试者力量测试
<ol>
	<li>重启用户界面。接受默认的力水平比例，或根据研究方案要求进行调整，然后如上所述点击 确定 按钮。当力/位移曲线出现后，指导受试者将其测试脚尽可能向背屈方向移动，并返回至完全跖屈位置，重复三次。如上所述，确认位移和力曲线显示正常。这将确定测试的活动范围，该范围可能小于足部设备的全范围（图3A）。</li>
	<li>如果结果可接受，在实时图形窗口中点击 继续 ，并在确认对话框中点击 是 - 继续；如果受试者未正确遵循屈曲指令，则点击 否 - 重试；如果出现其他问题，则点击 转到关机 ，并根据需要进行故障排查。</li>
	<li>当出现日期/时间确认对话框时，在对话框中点击 是 - 继续；如果需要不同的文件名或关机操作，可选择其他选项。</li>
	<li>指导受试者将其测试脚移动至完全跖屈位置，然后在确认对话框中点击 确定 。此时将出现一个指令/节拍器窗口（见 图3 标注）。使用鼠标将此窗口拖动至投影屏幕的可视范围内，并点击 确定 以确认完成此操作。</li>
	<li>确认受试者的指令已显示在投影仪上。确认受试者的脚仍处于完全跖屈位置，然后在相应对话框中点击 确定 。用户界面图形将切换为测力计显示界面，并显示阻力力设定值。</li>
	<li>上述视觉节拍器将在投影屏幕上出现，屏幕上有一个实心的目标圆以恒定速度上下移动，同时有一个由足部设备踏板位置控制的空心圆形光标。指导受试者移动其脚，使光标紧密跟随目标的运动。如果受试者能够在跟随目标的同时完成其全部活动范围，则在实时图形上点击 (Fd, Fp) + 10，以同时增加背屈和跖屈的力设定值（图3B）。</li>
	<li>观察受试者是否仍能准确跟踪节拍器的运动。
	<ol>
		<li>如果可以，则再次点击 (Fd, Fp) + 10 以进一步提高两个方向的力设定值。如果无法完成背屈，但跖屈仍能跟随目标运动，则点击 (Fd, Fp) - 10 一次，再点击 Fp + 10 两次，以将背屈阻力力降低一个台阶，同时将跖屈阻力提高一个台阶。</li>
		<li>如果&#160;已设定背屈力，但受试者在跖屈时无法再跟踪节拍器，则点击 Fp - 10 一次，然后在实时图形窗口中点击 继续 。当前的力水平将被用户界面程序用作测试阶段按比例降低施加力的参考点。</li>
		<li>如果跖屈力设定值已达到足部设备的最大设置，则在实时图形中点击 继续 ，并继续下一步。 
		注：步骤 3.7.3 通常发生在腿部力量正常的对照组受试者，以及脑卒中受试者的未受影响肢体上，因为这些情况超出了设备的设计能力，该设备主要用于评估受影响肢体的力量。</li>
		<li>记录力设定值（显示在力曲线图右侧），以供将来参考。点击 是 - 继续 以继续，点击 否 - 重新测试 以重复测试，或在出现其他问题时点击 关机 。指导受试者将其测试脚移动至完全跖屈位置，然后放松。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>向受试者回顾挤压球的使用方法、扫描序列及任务内容，并在扫描开始前解答受试者可能提出的任何问题。</li>
	<li>指导受试者在此步骤中闭上眼睛。使用扫描仪的定位激光线确定头部线圈/受试者头部的位置。移动检查床，使受试者头部位于扫描孔中心。让工作人员离开扫描室并关闭房门。</li>
</ol>
4. 运行 MRI 扫描会话及足部装置任务
<ol>
	<li>完成受试者的机构特定注册，并加载扫描协议。通知受试者解剖扫描序列即将开始，在此阶段可保持放松，并指导其挤压球囊以确认理解指令。启动解剖扫描，并等待其完成。</li>
	<li>根据用户界面提供的对话框提示，通知受试者功能性磁共振成像（fMRI）及足部装置部分的实验即将开始，并指导其确保待测下肢足部处于完全跖屈状态；当屏幕上出现注视十字时，应将足部恢复至完全跖屈位置；当视觉节拍器出现时，应跟随其节奏进行运动。在指令对话框中点击确定。</li>
	<li>按照提示，操作人员准备扫描仪控制计算机以启动fMRI扫描部分。在指令对话框窗口中点击确定，并开始fMRI序列。用户界面程序将自动向数据采集（DAQ）模块发送预设的力值参数。 
	注：在本研究中，视觉节拍器任务分别对卒中影响侧和非影响侧肢体各执行三次，力值水平分别为步骤3.7中设定最大值的60%、40%和20%。每次测试重复时，力值水平将自动更新。</li>
	<li>受试者通过投影屏幕查看其操作指令。屏幕上显示一个&#34;+&#34;符号（注视十字），在此期间，受试者按先前指示保持静息状态。</li>
	<li>视觉节拍器目标以实心圆以恒定速度上下移动的形式呈现。受试者按先前指示，使其被测足部进行背屈与跖屈运动，使空心圆形光标跟随目标轨迹运动。 
	注：在本研究中，静息期（注视十字）与活动期（节拍器）持续时间相等，整个周期重复七次。在节拍器阶段，足部在整个活动范围内完成两次背屈-跖屈循环。这些参数可在用户界面脚本中根据其他研究需求进行调整。每次fMRI/节拍器阶段持续约5分40秒。</li>
	<li>重复步骤4.4和步骤4.5，共完成七个周期，之后再次显示注视十字，受试者进入静息状态。</li>
	<li>重复步骤4.2至4.6，共完成三个循环。</li>
	<li>进入MRI扫描室，按照步骤2.4.5更换足部装置中的足部。对第二只足重复执行第3部分扫描协议。</li>
	<li>重复第4部分协议，跳过步骤4.1和步骤4.8（注册、解剖扫描、更换足部）。</li>
	<li>通知受试者扩散张量成像（DTI）扫描部分即将开始，在此阶段可保持放松，并指导其挤压球囊以确认理解指令。启动DTI扫描，并等待其完成。</li>
</ol>
5. 测试后操作
<ol>
	<li>将检查床和受试者移出扫描仪孔洞，并降低检查床。取下镜面组件、头部线圈上部以及受试者头部周围的垫料。此时可丢弃听力保护装置。</li>
	<li>协助受试者坐起，必要时引导其前往更衣区域。受试者现在可以换回日常衣物。</li>
	<li>与受试者交流，解答其可能存在的检查后疑问，安排后续预约时间，并在受试者离开前完成酬金支付表格的填写。</li>
	<li>拆卸并打包硬件设备，从扫描仪检查床拆下踝部装置。从穿墙面板上断开高压和传感器电缆。从主机笔记本电脑上断开按钮盒和显示器电缆。将踝部装置及相关辅助硬件装入运输箱中。</li>
	<li>按照机构规定对扫描仪检查床及相关工作台面和设备进行清洁消毒。</li>
	<li>从扫描仪系统的临时文件夹中导出数据，以供离线分析。完成系统退出流程。</li>
</ol>

所有作者均无利益冲突需要披露。

关键步骤 
在实验前测试受试者是否能够使用偏瘫侧足部产生至少最低限度的踏板运动至关重要。功能性步行能力（FAC）评分为4或5分，以及能够站立最短时间，反映的是受试者非受累侧与偏瘫侧肢体的综合能力，而非单独移动偏瘫足部的能力。在本研究中，主要目标是通过涉及患侧足部的强化治疗，刺激损伤区域周围发生神经可塑性改变，并同时检测大脑的兴奋性。无法产生足够力度并移动踏板的受试者将无法跟随视觉节拍器，也无法参与相关的训练范式——即一种游戏化的治疗过程，其中视频虚拟形象在起伏的洞穴中前行，同时避开与洞壁的碰撞。
在实验步骤2.4中，需将受试者的足部固定于踏板上，并在受试者头部已在头部线圈内稳定后，调整足部装置的位置。必须在足底及足跟下方或鞋底下方提供适当的衬垫，以使受试者踝关节运动轴与足部装置的主转轴对齐。若未能较准确地实现对齐，当受试者上下屈伸足部时，其伸直的腿部将受到牵拉，进而传递至头部，可能导致头部移动，并在fMRI扫描中产生运动伪影。
局限性 
如...

与评估临床评分相比，从脑功能和结构成像中提取的定量指标可能在追踪中风治疗进展和预测治疗效果方面更具实用性和有效性，这些定量指标还可用于设计和优化个体化治疗方案1,2。然而，开发将运动训练与神经活动的可测量重组和/或运动功能改善相关联的有效个性化策略仍具挑战性。以往的研究已揭示功能性神经影像技术和脑图谱技术如何在慢性中风患者中显示此类变化3,4,5,6,7,8。针对脑功能与手握力表现（这对患者自理能力和生活质量至关重要）之间关系的研究，促使人们预期该技术也可通过评估相应的神经活动拓扑模式及功能恢复情况，应用于步态相关的足部运动控制。已有研究提出，基于MRI的功能性损伤图谱可能比临床评估更精确地刻画神经功能缺损9，并且使用机器人装置在促进脑功能恢复方面优于传统干预模式10。功能性图谱能够揭示系统中哪些区域处于活动状态，从而提供临床观察无法显现的信息11。在中风患者中实现足部运动与肌力康复的MRI应用成功，将有助于基于MRI指标为更广泛神经系统疾病人群发展个性化治疗策略。
本文介绍了一种与磁共振兼容的足部驱动机器人装置（MR_COFID 或足部装置）在功能性磁共振成像（fMRI）扫描期间的应用，旨在研究卒中后运动技能训练对脑功能的影响。开发这种可控阻力足部装置的动因，源于卒中患者在足部运动康复方面尚未满足的关键临床需求。构建一种既适用于家庭和办公室环境下的训练，又可用于基于磁共振成像监测训练反应的系统，能够实现训练与评估的统一，从而克服以往在训练和评估两方面存在的局限性。
MR_COFID图1A) 是先前磁共振兼容的手动驱动机器人装置（MR_CHIRODv2）的一种改进版本8,12，该装置采用电流变液（ERF）驱动器，可根据受试者抓握和挤压其手柄机构的动作，提供动态可控的阻力。该 ERF 驱动器（图1B是一种充满流体的双向活塞装置，活塞一侧的电流变液（ERF）在活塞运动作用下被迫流经一对电极之间的通道，并返回活塞的另一侧。当在电极上施加高电压（HV）时，非导电性硅油中的颗粒会排列并对齐，相互之间产生机械结合，从而增加流体的黏度以及装置对运动的阻力。在手握式装置中，执行器直接连接至握把手柄、用于测量施加力的负荷传感器以及用于测量手柄位移的光学编码器。新型足部装置则通过曲柄滑块机构将握力装置的直线运动转换为足部在背屈和跖屈过程中的角位移。图1C）。ERF执行器产生的阻力几乎与踝关节处的阻力矩成正比。踏板的曲柄运动相对于主执行器轴线的垂直矢量对称，因此可利用小角度下曲柄角度与其正弦值近似相等的简化假设。由于ERF仅能施加阻力，该系统本质上是安全的：执行器无法主动推动或拉动足部，当受试者停止运动时，作用力即降为零。该足部装置的最大跖屈角度为35°，最大背屈角度为18°。这些数值处于正常步态及非负重条件下足部活动范围之内。13,14与其他研究中使用的数值几乎相同15，初步测试发现，其活动范围达到或超过了卒中受试者患侧的活动范围，并可最大限度地利用可用的阻力。 通过 线性-角传递机构。原始的握持装置以及附加的足部运动机构均采用非铁磁性材料（塑料、铝、黄铜）制造，以确保磁共振环境下的安全性。
ERF 执行器采用可变的电场而非磁场来改变流体黏度，因此不受 MR 扫描仪磁场的影响。ERF 执行器被封装在一个圆柱形铜壳内，该铜壳连接至同轴高压电缆的屏蔽导体；该电缆继而接地至 MR 扫描仪法拉第笼的穿墙面板。此举可防止施加于执行器的可变电压产生潜在的射频噪声干扰扫描仪，同时防止扫描仪的交变磁场在电缆中感应出电流，从而避免影响 ERF 的黏度。高压电缆从穿墙面板延伸至高压放大器。系统采用同轴 MHV（微型高压）连接器，可在传输高达 4 kV 的电压时提供额外的安全保障（图 2）。
来自光学编码器和载荷传感器的独立电缆均带有屏蔽层，这些屏蔽层也接地至穿透面板，从而防止其信号（特别是来自编码器通道的数字信号）干扰扫描仪或微小电压的载荷传感器输出。穿透面板外部的屏蔽并接地电缆将信号传输至数据采集（DAQ）模块。载荷传感器的输出采用温度补偿的惠斯通电桥，通过连接到DAQ模拟输入端子的仪表放大器进行放大，放大倍数为1000倍。
DAQ 模块运行使用 Lua 脚本语言编写的固件（补充代码文件 1）。加载到 DAQ 模块中的脚本以 500 Hz 的循环速率运行，模块读取编码器和放大后的载荷传感器信号，将传感器读数转换为长度和力值，并将其存储在内存寄存器中，供主机笔记本电脑上的 m 文件用户界面（UI；图 3）访问和记录（补充代码文件 2）。主机笔记本电脑根据需要向 DAQ 模块的其他内存寄存器发送背屈和跖屈的目标力值、闭环控制器参数以及编码器复位命令。DAQ 脚本运行一个控制循环，检测踏板运动方向以确定应施加哪种力：背屈或跖屈。然后计算一个输出电压，该电压与测量力和目标力之间的差值成正比，范围限制在 0 V 至 4 V 之间，这是高压（HV）放大器允许的输入范围。电流变液（ERF）对所施加电场的强度有响应；反转电压不会使粘度降低至未通电（无电场）状态下的水平以下，因此 DAQ 输出被限制为最小 0 V。DAQ 对模拟电压进行量化（12 位分辨率）和采样（500 Hz），从而产生阶梯状输出至 HV 放大器，每个台阶的快速变化可能在 HV 输出中引入高频成分。HV 放大器的小信号和大信号带宽分别为 35 kHz 和 8 kHz，因此为了降低扫描仪可检测到射频噪声&#160;的可能性，DAQ 输出采用了一阶 RC 滤波器，其 −3 dB 频率约为 900 Hz，从而几乎消除了更高频率成分。此外，足部装置被放置在扫描仪孔径外靠近床尾的位置，进一步最小化了装置传感器、执行器与扫描仪之间的任何相互作用。该放大器增益为 1,000 V/V，峰值输出为 4 kV，在 ERF 间隙上产生的电场强度最高可达 4 kV/mm；尽管供应商未提供 ERF 液体的击穿电压数据，但其粘度及其他参数在该场强下均有描述。当完全通电并在目标速度下运动时，ERF 气缸可施加略高于 200 N 的力。连杆与踏板连接处的力臂长度为 56 mm，由此产生的最大扭矩约为 11.2 Nm。这对于足部轻瘫的受试者而言已足够有余；然而，力量较强的健康受试者可能克服该力。硬件组件列于材料表中。
足部装置的使用基于早期握力装置所建立的训练与测试范式3,4,5,6,7,8,16 以及其他相关研究工作11,17,18在发表时，该设备已用于存在足部相关功能障碍的慢性中风受试者，以研究治疗驱动的神经可塑性变化 通过 磁共振成像和定量性能评估
如以下方案所述，接受扫描的受试者仰卧于扫描仪床面上，其头部在扫描仪的头部线圈内固定，并置于扫描仪的等中心位置。足部装置被放置并锁定在适当位置，使受试者的被测下肢保持伸直，足部则绑缚于装置相应的踏板上。通过这种方式，踝关节的屈伸不会导致对装置产生推或拉的作用力，从而避免头部在线圈内的位置发生移动。在受试者眼睛前方安装一个镜架，使其能够看到投影屏幕，屏幕上显示运动任务的指令和视觉提示。
在任务过程中，受试者在休息期间会看到一个 &#34;+&#34; 符号，而在测试期间则会看到一个视觉节拍器，屏幕上有一个圆圈上下移动（目标），另一个圆圈则根据设备脚踏板位置的控制而移动（光标；图4）。要求受试者紧密跟随目标的运动。目标速度的设定原则是，使设备未施加能量时的黏性反作用力（黏性力随速度增加而增大）足够低，以便任何受试者均能克服该阻力，同时由计算机控制施加更大的力。
机器人技术易于部署，适用于多种运动功能障碍，具有高测量可靠性，并能够提供高强度训练10。该基于ERF的设备可向受试者施加数字控制的阻力，当与非铁质/非磁性组件结合使用时，该设备具有磁共振安全性（MR-safe），并因采用接地和屏蔽电子元件而具备磁共振兼容性（MR-compatible）12。相较于其他相关设备，该设备具有便携性和操作简便的优势，因此既可用于临床环境，也可在家庭中使用，使患者能够在无需承担交通费用或临床机构相关成本的情况下进行常规治疗。该设备可在跖屈和背屈过程中产生由计算机控制、随时间变化的阻力，有助于制定个性化的康复训练方案，从而填补了现有商业化康复设备领域的一项空白。
尽管存在其他研究设备，但由于各种原因，这些设备不适用于本研究。一些设备是静态的，仅能测量等长条件下施加的力19，而无法在受试者关节活动范围（RoM）内进行测量。基于弹性材料的设备随着位移增加而施加的力也随之增大，无法在整个活动范围内提供恒定阻力，并且必须手动调节以改变力的大小20,21,22。使用固定重量和重力加载的方式15,23无法实现对负荷的计算机化控制，也无法分别为跖屈和背屈提供不同的负荷。气动装置24,25,26可在不同测试间调节力的大小，并在活动范围内提供恒定的力；然而，其阀门需放置在远离扫描仪的位置，因此通常在改变足部方向时，难以快速切换跖屈与背屈的施力模式，且其频率响应能力不及电流变液（ERF）驱动器。电磁电机可在扫描仪环境中使用27，但必须将机械结构延伸至足够距离以确保磁共振（MR）安全性和兼容性，这限制了设备的便携性，且一旦电机部件过于靠近扫描孔道，便可能增加事故风险。液压系统28可在不同力水平下实现双向操作，但与电磁电机类似，其压缩机/驱动器（通常不具备MR兼容性）必须远离孔道，从而限制了便携性和频率响应能力。已有研究将液压系统与ERF系统结合29，使系统能够反向驱动末端执行器（足部或握持装置）并提供等长阻力；然而，本研究无需该功能，且引入非MR兼容的液压电机将带来额外成本。
该足部装置具备多种功能，可实现以下目标：长时间进行精确且一致的治疗性足部控制训练；测量受试者当前的运动表现能力，并随着康复进程调整任务难度；实时控制并独立调节跖屈和背屈方向的作用力；远程控制并调整阻力，无需手动调节而中断训练；以及具备磁共振安全性和兼容性。

<table><tbody><tr><td>3T MRI 扫描仪</td><td>Siemens Medical Solutions USA, Inc., Malvern, PA</td><td>Magnetom Skyra</td><td>https://www.siemens-healthineers.com/zh-cn/magnetic-resonance-imaging/3t-mri-scanner/magnetom-skyra</td></tr><tr><td>数据采集单元（DAQ）&amp;nbsp;</td><td>LabJack Corp.，科罗拉多州莱克伍德</td><td>T4</td><td>https://labjack.com/news/labjack-t4</td></tr><tr><td>高压放大器&amp;nbsp;</td><td>Trek, Inc.，美国纽约州洛克波特</td><td>Model 609C-6</td><td>https://www.manualsdir.com/manuals/268654/trek-609e-6-high-voltage-power-amplifier.html?page=2&amp;amp;中风引起的神经功能缺损可导致长期运动障碍，包括影响行走步态的障碍。然而，中风后的康复治疗通常在时间上受限。建立可预测的生物标志物，以识别可能从额外物理治疗中显著获益并表现出功能改善的患者，对于提高患者生活质量具有重要意义。检测受损脑区的神经可塑性重塑以及执行适宜运动任务时激活模式的变化，可能对慢性期中风康复具有重要价值。本方案描述了一种数字化控制、与磁共振兼容的足部驱动机器人装置（MR_COFID）的使用方法，该装置在功能磁共振成像（fMRI）过程中向存在步态障碍的中风患者呈现个性化的足部运动任务，任务内容为沿指定轨迹运动。在任务中，受试者需在视觉节拍器的引导下，对抗双向阻力完成足部屈曲运动，阻力大小根据受试者在背屈和跖屈方向上的力量进行个性化调节。fMRI 以内源性脱氧血红蛋白作为对比剂，非侵入性地检测测试过程中活动期与静息期之间的血氧水平依赖（BOLD）信号变化。通过重复的周期性测试，可检测治疗过程中任务执行时激活模式的变化。该技术的应用可提供数据，用于识别和量化可能提示个体患者从现有中风康复治疗之外的干预中获益可能性的生物标志物。</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>The Mathworks, Ltd., Natick, MA</td><td>n/a</td><td>https://www.mathworks.com/</td></tr><tr><td>USB 重复器电缆</td><td>Tripp Lite，芝加哥，伊利诺伊州</td><td>U026-10M</td><td>https://assets.tripplite.com/product-pdfs/en/u02610m.pdf</td></tr></tbody></table>

使用足部诱发的数字控制阻力装置对足部轻瘫患者进行功能性磁共振成像评估

Use of a Foot-Induced Digitally Controlled Resistance Device for Functional Magnetic Resonance Imaging Evaluation in Patients with Foot Paresis

中风引起的神经功能缺损可导致长期运动障碍，包括影响行走步态的障碍。然而，中风后的康复治疗通常在时间上受到限制。建立预测性生物标志物，以识别可能从额外物理治疗中显著获益并表现出功能改善的患者，对于提高患者生活质量具有重要意义。检测受损脑区的神经可塑性重塑以及执行适宜运动任务时激活模式的变化，可能对慢性期中风康复具有重要价值。本方案描述了一种数字化控制、与磁共振兼容的足部驱动机器人装置（MR_COFID）的使用方法，该装置在功能磁共振成像（fMRI）过程中向存在步态障碍的中风患者呈现个性化的足部运动任务，任务内容为跟随预设轨迹运动。在该任务中，受试者需在视觉节拍器的引导下，对抗双向阻力完成足部屈曲运动，阻力大小根据每位受试者在背屈和跖屈方向上的肌力进行个性化调节。fMRI 以内源性脱氧血红蛋白作为对比剂，非侵入性地检测测试过程中活动期与静息期之间的血氧水平依赖（BOLD）信号变化。通过重复的周期性测试，可检测治疗相关任务执行过程中大脑激活模式的变化。该技术的应用可提供数据，用于识别和量化可能提示个体从现有中风康复治疗之外进一步获益可能性的生物标志物。

此处所述结果涉及足部装置的磁共振兼容性、典型功能扫描结果的分析以及关于足部装置的说明。
该足部装置由雅典努拉·A·马蒂诺斯中心的工作人员对其磁共振安全性进行了评估，并在3 T磁共振成像（MRI）扫描仪中测试了其磁共振兼容性。在使用圆柱体模型的测试中，该模型内含每1000克H2O中含1.24克NiSO4·6H2O和2.62克NaCl的溶液，足部装置被固定在扫描仪床面，距离孔道末端约85厘米处，靠近500 mT线，位置大致使踏板转轴与受试者腿部伸展时的踝关节对齐。采用与受试者功能性磁共振成像（fMRI）相同的扫描序列采集模型测试图像（使用广义自动校准部分并行采集[GRAPPA]以提高空间分辨率和血氧水平依赖[BOLD]信号的敏感性）。测试分别在装置就位但未激活，以及装置激活状态下进行，后者由其中一位作者操作踏板以模拟受试者活动，并在数据采集（DAQ）模块控制下进行高压（HV）放大器激励。每种条件下各选取十幅图像进行分析。
在图像边缘和中心绘制的感兴趣区域（ROIs）...

慢性卒中患者的保险康复治疗通常有时间限制。基于影像学的步行相关运动任务脑活动研究，有助于建立生物标志物以评估改善效果，并为延长个体化治疗提供依据。本文介绍了一种新型的磁共振兼容可变阻力足部运动装置，以及在功能磁共振成像期间使用该装置的实验方案。

中风引起的神经功能缺损可导致长期运动障碍，包括影响行走步态的障碍。然而，广泛的……

长期以来的观点是，大脑重组不可能在中风后六个月后进行，这一直是大脑恢复领域进展的关键障碍。MRI 衍生信息可用于根据治疗前后获得的大脑图谱个性化康复治疗计划。我们的方法采用与磁共振成像兼容的足部运动阻力装置，使 FMRI 能够评估大脑功能，以在进行治疗性锻炼时观察激活。力阻力水平是动态变化的，因此可以在不中断扫描以调整阻力设置的情况下测量大脑对高力和低力的反应范围。成像套件使用与常规中风治疗相同的设备，在成像过程中激活与训练期间相同的反应。这允许在治疗中使用的调整、阻力和持续时间水平，以最大限度地改善大脑功能。所有关于足部和手部功能康复的研究都使用类似的方法，但使用不同的 MR 兼容设备。强化治疗后大脑可塑性的变化并非中风运动恢复所独有。所有发现都适用于其他运动障碍。首先采用这种方法，患者应该具有最低水平的功能，使他们能够在低阻力下做出小动作。随着患者的进步，力水平和运动范围会根据他们的能力进行定制，并随着他们的进步而调整。首先与潜在受试者会面，并检查每个受试者的脚在设备的脚踏板上的贴合度。确保扫描仪工作台完全位于扫描仪孔外并完全降低。然后将头线圈安装到扫描仪台上的相应插槽中。将头线圈的下部插入插座。取下顶部并将其放在一边。用医院床单盖住扫描仪台垫，并将垫子放在头部线圈的下部。延长传感器和高压电缆，在脚踏装置和穿透面板之间没有环路。接下来，将传感器和高压电缆连接到穿透面板上的插头上。确保电缆没有绕在桌子上或有挤压或缠结的风险。当桌子移入扫描仪孔时。单击 确定（OK） 按钮，在初始UI对话框中出现提示时接受默认的力级别比例。等待确认对话框出现并自动关闭。然后等待初始力和位移实时图形窗口出现在屏幕上。接下来，请一名工作人员在其运动范围内移动脚踏装置的脚踏板。而另一个则观察力和位移迹线，以确认观察到正常的预期输出。信号正常后，单击实时图表窗口中的继续。然后单击确认对话框中的关机按钮。然后为受试者提供保护性耳塞，并指导他们首先坐在检查台上。然后仰卧，头依偎在头线圈的下部。为防止在成像过程中头部移动，请在受试者的头部和头部线圈壁之间放置衬垫。要求受试者伸直双腿。然后将脚部装置移向或远离受试者，直到他们的脚后跟靠在设备的脚座上。进一步调整设备，使踏板的主枢轴与受试者脚踝对齐。用钩环带将被测脚牢固定在脚下装置踏板上，并检查受试者的脚掌或鞋前部是否与踏板末端接触。接下来，使用塑料固定支架和蝶形螺母，将脚踏装置固定到位。为受试者提供挤压灯泡报警装置。指导他们通过挤压灯泡进行测试，并提醒他们随时使用它与技术人员沟通。接下来，将 MR 工作台抬高到一个完整的高度。然后安装头线圈的上部并将 view镜组件安装在头线圈上。确保拍摄对象通过镜子清楚地看到投影仪屏幕。重新启动用户界面。根据研究方案接受或调整默认力水平比例。然后点击 OK 按钮。一旦出现力和位移痕迹，请受试者在背屈方向上尽可能地移动被测脚，并返回完全跖屈三次。验证位移和力迹线是否正常。接下来，要求受试者移动他们被测试的脚以进行完全跖屈。验证足部是否保持完全跖屈。在相应的对话框中单击“确定”。将出现一个新窗口和一个对话框。将窗口拖到投影屏幕上，然后单击对话框上的“确定”。然后指示受试者移动脚，使光标紧贴目标的运动。如果受试者可以在跟随目标的同时成功地完成整个运动范围，则通过单击实时图表上的 FdFp 10 来增加背屈和跖屈的力设定点。接下来，观察受试者是否能够继续准确跟踪节拍器运动。如果继续精确跟踪，请单击 FdFp 10 以增加两个力设定点。但是，如果无法完成背屈，但跖屈继续跟随目标运动，则单击FdFp 10一次，然后单击Fp 10两次，以降低背屈阻力力一步，增加足底阻力一步。如果已经设置了背屈力，并且跖屈仍然精确地跟踪节拍器运动，请单击 Fp 10 以进一步增加种植器阻力。相反，如果已经设置了背屈力并且跖屈无法跟踪节拍器，请单击 Fp 10 一次，然后单击实时图表窗口中的继续。然后让受试者闭上眼睛，使用扫描仪的地标激光线定位头部线圈和受试者的头部位置。通过移动桌子将受试者的头部置于扫描仪孔内的中心。指示受试者研究的 FMRI 和足部设备部分即将按照 UI 对话窗口的提示开始。指导受试者进行背屈和跖屈运动。还建议受试者遵循屏幕上出现的视觉节拍器。单击指令对话框窗口中的“确定”以启动 FMRI 序列。一旦开始，就会出现一个表示注视十字的加号，提示受试者休息。使用打开的圆形光标跟踪目标，然后显示注视十字，受试者休息。最后，将桌子和拍摄对象移出扫描仪孔并降低桌子。然后拆下后视镜组件和头线圈的上部。分别在图像边缘和中心绘制感兴趣的方形区域，用于背景噪声和信号计算。统计分析显示，使用非活动和活动足部装置进行幻影测试的中心信号和背景信号之间的比率没有显着差异。脚踏装置不会影响信噪比或图像质量。当踝关节装置是被动的时，在 M1 和 SMA 区域观察到显着的激活，而踝关节装置在受试者最大力的 60% 下通电。患者校准步骤对于确保节拍器显示屏覆盖其当前运动范围以及施加的力水平基于患者最大可能施加的力非常重要。这使我们能够衡量它们的真实能力，而不是次优性能。我们的方法不仅限于足部功能康复。这项研究的影响在于在治疗前结合临床数据使用 MRI 来识别大脑恢复生物标志物。这一进步将显着增强结果预测并实现个性化的治疗计划。慢性脑卒中患者的成功结果还可能导致长期脑卒中康复的保险范围扩大，最终提高他们的生活质量。

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使用足部诱导数控阻力装置对足部麻瘫患者进行功能性磁共振成像评估

神经-机器接口（NMI）已开发用于识别用户的运动模式。这些神经-机器接口在动力型假肢腿的神经控制方面具有潜在应用价值，但尚未得到充分验证。本文介绍了（1）我们设计的工程平台，可便捷地实现和开发用于动力型下肢假肢的神经控制；以及（2）在实验室环境中评估神经控制型假肢腿的安全高效实验装置与操作流程，适用于下肢截肢患者。...

用于设计与评估神经控制动力型股骨上假肢的工程平台及实验方案

本文介绍了一种新型低成本人机交互界面，用于交互式中风后平衡康复系统。该系统集成了现成的低成本传感器，以实现自主驱动的电刺激治疗模式。该概念验证软件界面已在健康志愿者中进行了演示。...

一种集成低成本传感器与神经肌肉电刺激系统的用于卒中后平衡康复的人机界面

我们提出了一种评估神经肌肉功能变化的实验方案。经皮电神经刺激是一种可诱发肌肉反应的非侵入性方法。通过分析这些反应的电生理学和机械特性，可对从大脑到肌肉的神经肌肉功能（包括脑-脊髓上、脊髓及外周水平）进行评估。...

采用经皮电神经刺激评估神经肌肉功能

测量啮齿类动物骨骼肌的收缩功能是一种有用的工具，可用于追踪疾病进展以及评估治疗干预的效果。本文描述了一种非侵入性的、可在活体（in...

小鼠背屈肌功能的非侵入性评估

我们提出了一种新颖的结合行为学与神经影像学的实验方案，该方案采用实时视频投影技术，旨在在磁共振成像扫描环境中表征伴有幻肢痛的下肢截肢受试者在接受镜像疗法时相关的神经活动特征。...

用于表征幻肢痛镜像疗法相关神经关联的 MRI 实时视频投影

本实验方案描述了使用单脉冲经颅磁刺激结合神经导航系统，在静息状态和紧张性自主激活期间对胫骨前肌和比目鱼肌的皮质运动反应进行同步双侧评估的方法。...

利用导航经颅磁刺激对踝部肌肉皮质脊髓通路的双侧评估

我们采用一种新型的与磁共振成像兼容的手动机器人装置进行功能磁共振成像，以评估其在监测神经系统功能缺损恢复个体手部运动功能方面的应用价值。...

结合新型磁共振兼容手控机器人装置的功能性磁共振成像评估手握力功能障碍患者的康复治疗

本方案描述了在卒中患者中，采用经颅磁刺激（TMS）对下肢肌肉（胫骨前肌和比目鱼肌）在站立位进行神经生理学评估的操作流程。该体位更有可能诱发卒中后的TMS反应，并可在神经生理学评估过程中使用较低的刺激器输出功率。...

卒中后下肢肌肉的立位神经生理学评估

足部功能核心稳定性对人体的静态姿势和动态活动具有重要作用。本文提出了一种结合三个子系统的足部核心系统功能综合评估方法，可能为在不同人群中探究足部功能提供更深入的认识和多维度的研究方案。...

评估老年人足部核心系统的功能

本研究探讨功能性作业疗法结合辅助主动或被动运动对右侧大脑半球损伤患者上肢功能的影响，并探索功能近红外光谱技术对脑功能重塑的作用。...

基于功能性近红外光谱技术探究不同类型运动对右半球损伤患者上肢功能恢复的影响

据估计，全球约有六分之一的人在一生中会发生中风，导致长期残疾，而其康复机制目前仍不甚清楚。本研究提出了一种方案，用于在下肢机器人治疗过程中，通过功能性近红外光谱技术（fNIRS）评估大脑激活情况。...

使用功能性近红外光谱技术与机器人辅助下肢多关节指物运动的实验

了解使用磁共振兼容足部运动装置对慢性中风患者进行功能性磁共振成像评估的方法。该技术可实时监测步行相关任务中的大脑活动，为个性化康复治疗提供生物标志物支持。

使用足部诱发的数字控制阻力装置对足部轻瘫患者进行功能性磁共振成像评估

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