Name: Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: Erfahren Sie die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie zur Untersuchung sensorischer und motorischer Hirnregionen bei Bewegungsaufgaben. Diese Methode ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von Kinematik und EMG-Daten.

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Dieses Projekt wurde durch das Intramural Research Program am National Institutes of Health Clinical Center finanziert. Wir danken für die hilfreichen Gespräche mit Dr. Thomas Bulea, PhD, und Laurie Ohlrich, PT, bei der Verfeinerung der in diesem Protokoll vorgestellten Verfahren. Muyinat W. Osoba und Andrew Gravunder, MS halfen bei den Animationen.

Hinweis: Dieses Protokoll wurde von der Institutional Review Board der National Institutes of Health (: NCT01829724 ClinicalTrials.gov Identifier) ​​zugelassen. Alle Teilnehmer erhalten die Gelegenheit, Fragen zu stellen und bieten Einwilligung vor ihrer Teilnahme gegeben. Unter Berücksichtigung der Änderungen der hämodynamischen Antwort von den jüngsten Einsatz von Vasodilatatoren und Vasokonstriktoren verursacht, werden die Teilnehmer gebeten, von Alkohol und Koffein für 24 Stunden vor dem Experiment 3 .Diese Animationsvideos wurden Brauch in unserem Labor unterlassen, konnte aber mit anderen aufgenommen werden Sounds oder spezifisch für alternative Forschungsfragen Bilder. 1. Stellen Sie den Raum vor Ankunft des Teilnehmers. <ol><li> Kalibrieren Sie das Motion-Capture-Kameras in Bezug auf Koordinaten eines Labors gemäß der Motion-Capture-Herstellers spezifischen Prozess. Stellen Sie sicher, dass die Kamerapositionen wird die Aufnahme aller Marker sowohl auf dem Körper zu ermöglichenund Leiter der Teilnehmer während der Aufgaben, die getestet werden soll. Die Kalibrierung gewährleistet Genauigkeit der Motion-Capture-System und ist Standard für jede Bewegungslabor. Verwenden Sie einen zehn Kamerasystem, mit einem ungefähren Volumen von 17 m 3 in dem reflektierenden Markierungen verlässlich identifiziert werden. </li><li> Schließen Sie den Trigger aus dem Befehls-Computer auf BNC-Eingänge der Motion-Capture-und fNIRS Computer &quot;. Stellen Sie sicher, dass der Auslöser auf eine Maustaste verbunden und Klicken mit der Maus den Stromkreis und sendet einen Impuls gleichzeitig an die Motion-Capture / EMG Datenerfassungskarte und die fNIRS Datenerfassungskarte als Auxillary analoge Eingänge. </li><li> Verbinden Sie diese Maus über den USB-Anschluss an den Computer an, die Anweisung Animationsvideos laufen, so dass ab dem Video wird eine Spannungsänderung gleichzeitig auf beiden Datenerfassungssysteme führen. HINWEIS: EMG-Signale werden automatisch synchronisiert und durch die Motion-Capture-Software gespeichert, so additional synching des EMG-System nicht benötigt wird. </li><li> Den Bildschirm und Projektor für Anweisungen gesetzt, um dem Teilnehmer angezeigt. Entfernen Sie alle nicht benötigten Elemente, die Distraktoren sein könnte. Stellen Sie das Stativ und digitale Videokamera, wo sie den Augen der Bewegungen des Teilnehmers haben. </li><li> Überprüfen Sie, ob reflektierenden Markierungen sicher an der Spitze jeder Optode in der Sonde angebracht ist. </li><li> Montieren Sie alle erforderlichen Unterlagen: Zustimmung und Zustimmung kopiert, klinische Untersuchung Blätter und experimentelle Hinweis-Blätter, zum Beispiel. </li></ol> 2. Grund Maßnahmen <ol><li> Nach Abschluss der Einwilligung Prozess messen und Größe, Gewicht, Alter und Kopfumfang Rekord Teilnehmers. </li><li> Verwalten Edinburgh Händigkeit Bestands 10 und anderen klinischen Untersuchungen wie angegeben. Nehmen Teilnehmer berichteten Haar- und Hauttypen. </li><li> Zeigen reflektierenden Markierungen auf den hinteren oberen Darmbeinstachel (SIPS) bilateral. Haben die Teilnehmer zu Fuß mit ihrem gemütlichen Tempo über den Labor 3-5 Mal und mitteln die Geschwindigkeit über Versuche, ihr Selbst ausgewählten Schritttempo zu schätzen. </li></ol> 3. Funktions Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) Setup Hinweis: Dies kann gleichzeitig mit dem Aufbau von EMG und Motion-Capture abgeschlossen werden, wenn es genügend Experimentatoren oder Forschungspersonal, um zu helfen, und wenn der Teilnehmer ist bequem mit mehreren Personen die Nähe zu ihnen zur gleichen Zeit. <ol><li> Den Abstand zwischen der Nasenwurzel (Nz) und den Inion (Iz) und zwischen den präaurikulär Punkte auf der rechten Seite (Ar) und linken (Al) Ohren. Der Schnittpunkt des Mittelpunkts dieser beiden Maßnahmen ist Cz, die auf der Kopfhaut unter Verwendung einer waschbaren Markierung markiert ist. </li><li> Wenn der Teilnehmer hat lange Haare, Abschnitt aus kleinen Portionen der Haare mit Zöpfen oder Pferdeschwanz, um die Kopfhaut, wo Optoden platziert werden soll aus. </li><li> Platzieren Sie die Sonde auf fNIRS ter Teilnehmers Kopf, dabei darauf achten, mit Cz, Ar auszurichten. Dann bewegen Sie das Haar aus unter jeder Optode wie sie es auf der Kopfhaut platziert wird. Schließlich legen Klettverschlüssen in sicheren Fixierung der Optoden. HINWEIS: In diesem Protokoll, verwenden Sie eine Kappe, die einen Gurt, der hinter dem Kopf, eine, über die Stirn geht, und eine, die unter dem Kinn geht geht hat. Optoden auf diese Kappe mit Klettverschluss auf einem flexiblen Kunststoffring, der das Ohr umkreist verankert. <ol><li> Wenn der Teilnehmer hat kurze Haare (weniger als ungefähr 2 cm in der Länge), ziehen Sie Haare zwischen den Optoden mit einem kleinen dünnen Stab oder Kunststoff Ende eines Kammes. </li></ol></li><li> Stellen Sie sicher, dass alle Optode Kabel flach, und das Optoden etwa senkrecht zur Oberfläche der Kopfhaut sind. <ol><li> Legen Sie gegebenenfalls ein dünnes Stück Schaumstoff unter der Gruppe von Optode Kabel an senkrechte Ausrichtung der Optoden fördern. </li></ol></li><li> Erkundigen Sie sich bei dem Teilnehmer um Komfort der Sonden undanpassen, wenn nötig. Weisen Sie sie an die Experimentatoren sagen, ob ihre Bequemlichkeit zu jedem Zeitpunkt während des Versuchs ab. </li><li> Schalten Sie Quellen und überprüfen Sie die Signale. <ol><li> In diesem System müssen ein Signal, das eine Intensität von mindestens 80 dB und einem Herzschlag in den deltaOD (Veränderung der optischen Dichte) Signal deutlich sichtbar ist, die an beiden 690 und 830 nm Wellenlänge hat. Wenn Kanäle Signale diesen Kriterien nicht entsprechen, zu bestätigen, dass Haare nicht die Blockierung der Optode (n) und stellen Sie dann Detektor Gewinne wie notwendig, um die Signalstärke zu maximieren. Stellen Sie sicher, dass die Motion-Capture-Kameras sind während dieser Zeit. Hinweis: andere fNIRS Maschinen können bei Wellenlängen bis 690 verschiedene und 830 nm zu betreiben; in diesem Fall, ob die Wellenlängen am besten geeignet, um die Maschine benutzt wird. </li></ol></li><li> Fügen reflektierenden Markierungen auf Nz, Iz, Ar und Al. Bitten Sie die Teilnehmer, noch halten und sammeln Sie ca. 2 Sekunden von Motion-Capture-Daten für diese und die fNIRS Optode Marker. Überprüfen Sie, oballe Marker aufgezeichnet wurden, und sammeln Sie zusätzliche Prüfungen nach Bedarf. Er kann die Teilnehmer benötigen, um die Kopfposition zu ändern, um zu verbessern die Sichtlinie zwischen den Kameras und den Markern. Mit diesen gesammelten dreidimensionale Positionen während der Analyse für probabilistische Registrierung von einzelnen Struktur MRI eines Teilnehmers, sofern verfügbar. </li><li> Fügen Sie eine Abdeckung mit mehreren Schichten von schwarzem Filz oder anderen optisch absorbierendem Material auf der Oberseite der fNIRS Optoden an Detektoren von Interferenzen und Sättigung der Motion-Capture-Kameras zu schützen. Stellen Sie sicher, dass die Kabel und Frontplatte des fNIRS Einheit sind auch gut mit dem gleichen optisch absorbierenden Material abgeschirmt. </li></ol> 4. Oberflächen Elektromyographie (EMG) Setup- <ol><li> Suchen Sie den Muskelbauch jeder gezielten Muskel mit anatomischen Merkmalen, Palpation während der Muskelkontraktion und Elektrodenplatzierung Führungen 11. HINWEIS: Die in diesem Protokoll gezielt Muskeln sind bilateral medialen gastrocnemius, M. tibialis anterior, Rectus femoris, M. vastus lateralis, M. biceps femoris, M. extensor carpi radialis und M. flexor carpi radialis. </li><li> Bereiten Sie sich für EMG Elektrodenplatzierung über den Muskelbauch nach der Rasur zu entfernen abgestorbene Hautzellen mit Band, und dann die Reinigung mit einem Isopropylalkohol-Pad, wie SENIAM 12 empfohlen und warten auf die Haut trocknen lassen. </li><li> Platzieren EMG-Elektrode zu der Richtung der Muskelfasern orientiert. </li><li> Wickeln Sie eng mit einem selbsthaftende Wrap. </li><li> Überprüfen Muskelsignale auf dem Computer während der Durchführung manueller Muskeltests, um eine ordnungsgemäße Platzierung der Elektroden und übersichtliche Visualisierung der Signalwechsel zu gewährleisten, wenn der Muskel aktiv ist. </li></ol> 5. Motion Capture-Setup <ol><li> Zeigen reflektierenden Markierungen auf gemeinsame Sehenswürdigkeiten. Dazu gehören medialen und lateralen Malleolus, medialen und lateralen Kniegelenks, Spina iliaca anterior superior (SIAS), Spina iliaca posterior superior (SIPS), Processus styloideus radii, ulnar Syloid, medial Oberarm epicondyl und lateralen Oberarm epicondyl. </li><li> Platz 3 oder mehrere Marker, oder einen starren Körper Cluster von Markern auf jedem Segment von Interesse, darunter die Pfote, Eisbein, Oberschenkel, Hand und Unterarm. </li><li> Sammeln Sie ca. 2 Sekunden von Motion-Capture-Daten, während der Teilnehmer ist immer noch in einem standardisierten Position stehen, wie zum Beispiel mit den Armen steht bei 90 ° Schulterflexion und 90 ° Ellenbogenbeugung. Stellen Sie sicher, dass alle Markierungen sind deutlich sichtbar auf die Kameras. </li></ol> 6. Gang Task- <ol><li> Haben die Teilnehmer Übertragung auf dem Laufband. Ihnen helfen, durch die Unterstützung der fNIRS Optode Kabel und sichern Sie die Kabel an der Decke Unterstützung, nachdem der Patient in Stellung dann. Wenn der Patient bei einem hohen Risiko für Stürze, verwenden Sie eine Gewichtsentlastung Baum für die Sicherheit bei dieser Aufgabe. </li><li> Starten Sie das Laufband langsam aufbauen, um die gemessene Selbst ausgewählten Schrittgeschwindigkeit, um den Teilnehmer bequem mit der Einrichtung Bedingungen zu bekommen. Dann langsam bis zum Stillstandwieder. </li><li> Richten Sie die Animationsdatei mit der auditive Rückmeldung, die die Teilnehmer entweder ausruhen oder verschieben Cue wird. Bewertung Aufgabenanweisungen mit dem Teilnehmer, ihnen zu sagen, so bleiben und entspannt wie möglich während der &quot;Rest&quot; Zeiten und bei Solldrehzahl des Laufbands während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum gehen, während ihre Aufmerksamkeit auf die kleinen schwarzen Kreis auf dem Bildschirm die Dauer der Datenerfassung. </li><li> Dämpfen Sie das Licht, und beginnen Sie die Datenerfassung auf der Motion-Capture-Computer und dem fNIRS Computer. Beginnt mit der Aufzeichnung auf der Videokamera. </li><li> Mit der Maus Trigger, klicken Sie auf die Play-Taste auf der Animationsdatei mit dieser Aufgabe verbunden. Stellen Sie sicher, dass der Auslöser wurde sowohl von der Motion-Capture und die NIRS-Systeme erhalten. <ol><li> Wechseln Sie zu einem Bild von einem schwarzen Punkt in der Teilnehmer Sichtlinie befindet, so dass sie einen Schwerpunkt für die Dauer der Studie. HINWEIS: Die Übersichtsschaltplan für jedeStudie ist in Abbildung 2 dargestellt. </li></ol></li><li> Überwachen Teilnehmer Leistung und Rückmeldung über Geschwindigkeit oder Fremd willkürlichen Bewegungen, wie gebraucht. </li><li> Am Ende der Lehr Animation, stoppen Sie die Aufnahme auf der Motion-Capture, EMG, und fNIRS Systeme sowie der Videokamera. Geben Sie dem Teilnehmer die Gelegenheit, sich auszuruhen oder verschieben Positionen wie nötig. </li></ol> 7. Bilaterale Bein Radfahren Aufgabe <ol><li> Haben die Teilnehmer Übergang zu einem Sockel mit hin- und Beinstütze, kümmert sich um die fNIRS Optode Kabel zu unterstützen und nicht stoßen oder zu vertreiben die Motion-Capture-Marker oder EMG-Elektroden. Haben Sie ein Schaumstoffsitzkissen, um Komfort während des Experiments zu verbessern. </li><li> Heben Sie den Fahrradrahmen in Position und befestigen Sie es mit dem Sockel mit einem Gurt. </li><li> Sichern Sie sich die Füße in die Pedale und die Position des Zyklus wie nötig, um eine komfortable und natürliche Abstand zu den Pedalen zu fördern. Beidie am weitesten entfernten Punkt in dem Zyklus, behalten ihre Knie in etwa 10 ° Beugung. HINWEIS: An dieser Stelle wird der Teilnehmer in einem semi-Rückenlage, die einige Stamm-Unterstützung bietet und erleichtert die Entspannung während der Ruhezeit ist. </li><li> Bewertung Aufgabenanweisungen mit dem Teilnehmer, ihnen zu sagen, wie still und entspannt wie möglich während der &quot;Rest&quot; Zeiten sowie auf Zyklus bei etwa 60 Umdrehungen pro Minute während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum bleiben. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 6,4-6,7. Anstatt der Umstellung auf ein Bild eines Punktes, der Zeichentrick-Projekt, das die Teilnehmer Cue wird entweder ausruhen oder bewegen sich durch optische und akustische Rückmeldung. Maximieren Sie die Movie-Fenster, so dass der Teilnehmer nicht in der Lage, die Zeit, die vergangen ist, oder ist noch in der aktuellen Studie zu überwachen. </li></ol> 8. Drücken Hand Aufgabe <ol><li> Nach dem Entfernen der Füße aus dem Zyklus und der Zyklus selbst, legen Sie ein Bett Tisch vor den Teilnehmer, Making sicher, dass Teilnehmers Arme sind auf dem Tisch in einer bequemen Position gehalten wird. </li><li> Weisen Sie Teilnehmer zu einem weichen Gegenstand während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) drücken, und bleiben während &quot;Rest&quot; Perioden so entspannt wie möglich. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 7.5. </li></ol> 9. Knöcheldorsalflexion Aufgabe <ol><li> Entfernen Sie den Nachttisch, und die Fußstütze Teil des Sockel erwecken, um die Füße in den Blick der Teilnehmer zu bringen. </li><li> Entfernen des Teilnehmers Schuh und Strumpf, und ersetzen Fuß Markierungen an geeigneten Positionen. Unterstützen Sie das Kalb nur über ihren Sprunggelenk mit einer Schaumstoffunterlage, um Sprunggelenk Bewegung zu ermöglichen. </li><li> Weisen Sie den Teilnehmer, um ihre Knöchel etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) bei der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum Dorsalflexion und bleiben während der &quot;Rest&quot; Perioden so entspannt wie möglich. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 7.5. </li></ol> 10. Abschluss des ProProtokoll <ol><li> Entfernen Sie die Kappe und überprüfen Haut für Bereiche von Druck oder Rötungen. </li><li> Entfernen Sie alle reflektierenden Markierungen und EMG-Einheiten. </li><li> Vielen Dank, dass Sie den Teilnehmer für ihre Zeit und laden ihre Eingabe über die subjektive Erfahrung des Protokolls. Dies kann eine formale Fragebogen sein (wie von Garvey und Kollegen für die transkranielle Magnetstimulation 13 verwendet) oder eine informelle Diskussion um gemeinsame Quellen der Beschwerden, die in der Zukunft verbessert werden könnten. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Simultane Erfassung der Hirnaktivität von spezifischen Bereichen der Hirnrinde und quantitative Daten darüber, wie ein Mensch sich bewegt präsentiert ein enormes Potenzial für ein besseres Verständnis der neuronalen Steuerung der Bewegung, die beide in einem normal entwickelten Bevölkerung als auch solche mit Bewegungsstörungen. Es gibt auch eine breite Anwendung in Bezug auf Alter und Bewegungsaufgaben, die abgeschlossen werden konnte, da die Teilnehmer nicht an der Rückenlage, wie sie es für eine funktionelle MRT werd...

Neuronale Bildgebung während funktionale Aufgaben geworden tragbar und kostengünstig unter Verwendung von nicht-invasiven funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) auf Bereiche der Gehirnaktivität durch Messen von Blutströmungsdynamik an der Hirnrinde zu identifizieren. Die Tragbarkeit fNIRS ist besonders nützlich bei der Untersuchung der aufrechten und funktionellen Aufgaben wie Gang 1, das nicht mit anderen Techniken möglich, wie funktionelle Kernspintomographie (fMRI). Diese Fähigkeit ist wichtig, auf dem Gebiet der Neurologie und Neurowissenschaften, und konnten neue Erkenntnisse über Mechanismen, die Bewegungsstörungen bei Kindern und Erwachsenen mit Zerebralparese (CP) und anderen neurologischen Bedingungen, die Motorsteuerung zu schaffen. Das Verständnis Mechanismen verbessert die Fähigkeit, wirksame Maßnahmen, um die Quelle von Wertberichtigungen und Aktivitätseinschränkungen Ziel zu entwerfen. Viele fNIRS Studium der motorischen Aufgaben bis heute mit einer gesunden Population von Erwachsenen, wo ein Teil gewesenicipants werden angewiesen, eine bestimmte Aufgabe und die Überwachung der Ausführung der Aufgaben wird einer Sichtprüfung begrenzt durchzuführen. Dies kann ausreichend für die mit typischen Bewegungen und hoher Eingriff sein, ist aber nicht akzeptabel, wenn das Studium Teilnehmern Bewegungsstörungen oder diejenigen, die Schwierigkeiten Teilnahme an einer Aufgabe für längere Zeiträume, typischerweise einschließlich Entwicklungs Kinder haben. Um die Analyse der Hirnaktivität in diesen Fällen zu informieren, ist die gleichzeitige Überwachung der motorischen Muster, das tatsächlich abgeschlossen ist erforderlich. Umfassende Bewertungen fNIRS Systeme und Gebräuche wurden in der Literatur 5.2, die Nutzung führen und dazu beitragen, die Genauigkeit und Empfindlichkeit dieser Systeme, aber technische Probleme bei der Erhebung, Verarbeitung und Interpretation von Daten fNIRS immer noch zeigen, vorgestellt. Farbe und Dicke der Haare beeinflussen die Qualität des optischen Signals, mit dunklem dickes Haar am ehesten zu blockieren oder zu verfälschen optische Durchlichtssion 3,6. Dies ist besonders relevant, wenn das Studium der sensomotorischen Bereichen auf dem Kronenbereich des Kopfes, wo Haarfollikel Dichte ist die größte befindet, und einige Studien berichten Non-Responder 6,7. Die bewährte Internationale 10/20 System kann für die Platzierung der Optoden verwendet werden, aber vor allem im Fall von denen, die mit atypischen Hirnanatomie, Co-Registrierung von Optode Lage anatomischer MRI eines Teilnehmers ist sehr nützlich, wenn nicht unerlässlich, genau zu deuten die Ergebnisse. Die Verwendung von fNIRS um Gehirnaktivierung in der Kindheit beginnHirnVerletzung zu beurteilen ist ziemlich neu, aber an Zugkraft gewinnen im Bereich der einseitigen Zerebralparese 6,8,9. Unter Berücksichtigung der oben genannten Herausforderungen, dieses Protokoll verbindet fNIRS, film, und Elektromyographie (EMG) Überwachung während einer Reihe von Aufgaben, einschließlich der einfachen Single-Joint-Aufgaben sowie komplexer Ganzkörper-Bewegungen. Visuellen und auditiven Führung ist unsed, um die Aufmerksamkeit und die Aufgabenerfüllung in mehreren Altersstufen der Teilnehmer zu verbessern. Ziel des Protokolls ist es, Unterschiede in der Hirnaktivierungsmuster bei Patienten mit uni- und bilaterale Kindheit einsetzende Hirnverletzung im Vergleich zu denen, die in der Regel der Entwicklung zu identifizieren. Wir erkunden eine Ganzkörper-Bewegung (Gang), ein bilaterales unteren Extremität Mehrgelenkbewegung (Radfahren) und zwei einseitige Single-Joint-Bewegungen (isolated Knöcheldorsalflexion und isolierten Hand Quetschen), um die Vielzahl von Anwendungen der Verfahren zu veranschaulichen. Das gleiche oder ein sehr ähnliches Protokoll verwendet werden, um andere sensorische oder Bewegungsstörungen oder andere Aufgaben von Interesse zu untersuchen. Dauerstrich- Nahinfrarotlicht emittiert wurde und bei 690 nm und 830 nm in den sensomotorischen Kortex mit der fNIRS System bei einer Rate von 50 Hz erfaßt wird, unter Verwendung eines kundenspezifischen Quellen-Detektor-Konfiguration. EMG-Daten wurden drahtlos mit einer Frequenz von 1.000 Hz gesammelt. Reflektierende Marker 3-D-Standorten warendurch eine optische Bewegungserfassungssystem mit einer Rate von 100 Hz gesammelt. Zwei verschiedenen Computern abgewickelt Datenerfassung, eine für die fNIRS und eine andere für die Motion-Capture-und EMG. Die Daten wurden mit Hilfe eines Triggerimpulses von einem dritten Computer, der mit einer Maustaste drücken entspricht die Unterrichts Animation für jede Aufgabe beginnen synchronisiert. Für alle Aufgaben außer Gang, wurden Lehr Animationen entwickelt, um die Leistung zu standardisieren Teilnehmer mit visuellen Führung der Schritt einer Aufgabe (1 Hz), von einem Cartoon Tier Springen oder Treten sowie einen Gehör Cue dargestellt.

<table><tbody><tr><td>CW6</td><td>TechEn</td> http://nirsoptix.com/ <td>fNIRS-Gerät mit variabler Anzahl von Quellen und Detektoren, abhängig von der Anzahl der enthaltenen Module</td><td></td></tr> <tr><td>MX-System mit zehn Kameras der T40-Serie</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td>http://www.vicon.com/System/TSeries</td><td>Motion-Capture-Kameras</td></tr><tr><td>reflektierende 4-mm-Marker</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td></td><td>Marker, die von den Motion-Capture-Kameras verwendet werden, um fNIRS-Optoden, Ar-, Al-, Neusee- und Handkoordinaten zu lokalisieren.</td></tr><tr><td>reflektierende 9,5-mm-Marker</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td></td><td>Markierungen, die von den Motion-Capture-Kameras zur Lokalisierung von Arm- und Beinkoordinaten verwendet werden. Cluster werden für die Gliedmaßensegmente verwendet, und Marker mit Offsets werden für PSIS und Iz verwendet, um die Zuverlässigkeit bei der Datenerfassung zu verbessern.</td></tr><tr><td>Trigno Drahtloses EMG-System</td><td>Delsys, Inc. Natick, MA</td><td>http://www.delsys.com/products/wireless-emg/</td> <td>Elektromyographie</td></tr><tr><td>Bertec Split-Belt instrumentiertes Laufband</td><td>Bertec Corporation, Columbus, OH</td><td>http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html</td><td>Laufband</td></tr><tr><td>ZeroG Body-Weight Support System</td><td>Aretech, LLC, Ashburn, VA</td><td>http://www.aretechllc.com/overview.html</td><td>Schiene und passiver Wagen zur Unterstützung von Kabeln, Kabelbaum kann zur Patientensicherheit bei Gangversuchen verwendet werden</td></tr><tr><td>3DS Max 2013</td><td>Autodesk, Inc., San Francisco, CA&nbsp;</td><td>http://www.autodesk.com/</td> <td>3D-Animationssoftware zur Animation von Tieren für Lehrvideos</td></tr><tr><td>Windows Movie Maker</td><td>Microsoft Corporation, Redmond, WA</td><td>http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker</td><td>Software zur Kombination von Animationsmaterial mit Musik</td></tr><tr><td>Audacity</td><td>Open Source</td><td>http://audacity.sourceforge.net/</td> <td>Software zur Änderung des musikalischen Beats in die richtige Kadenz</td></tr></tbody></table>

funktionale nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen hirnregionen mit simultaneous kinematische und emg-Überwachung während motor aufgaben

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

Es gibt mehrere Vorteile, die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) stellt bei der Untersuchung der neuronalen Steuerung der Bewegung des Menschen. Es ist relativ flexibel im Hinblick auf die Positionierung und Teilnehmer ermöglicht einige Kopfbewegungen während Aufgaben. Zudem ist es kostengünstig, leicht und tragbar, mit sehr wenigen Kontra seine Verwendung. Dies stellt eine einzigartige Gelegenheit, um funktionelle Aktivität des Gehirns während des Motor Aufgaben bei Personen, die in der Regel der Entwicklung sind, als auch solche mit Bewegungsstörungen, wie Zerebralparese studieren. Eine weitere Überlegung bei der Untersuchung von Bewegungsstörungen, ist jedoch die Qualität der tatsächlichen Bewegungen durchgeführt und das Potenzial für zusätzliche, unbeabsichtigte Bewegungen. Daher wird die gleichzeitige Überwachung der beiden Veränderungen des Blutflusses im Gehirn und tatsächlichen Bewegungen des Körpers während des Tests für eine angemessene Interpretation fNIRS Ergebnisse erforderlich. Hier zeigen wir ein Protokoll für die Kombination mit fNIRSMuskel- und kinematische Überwachung während motorische Aufgaben. Wir erkunden Gang, eine einseitige Mehrgelenkbewegung (Radfahren) und zwei einseitige Single-Joint-Bewegungen (isolated Knöcheldorsalflexion und isolierten Hand Quetschen). Die vorgestellten Techniken können bei der Untersuchung sowohl typischen und atypischen Motorsteuerung, und kann geändert werden, um ein breites Spektrum an Aufgaben und wissenschaftliche Fragen untersucht werden.

Dieses Protokoll koordiniert gleichzeitigen Übernahme von 3 Modalitäten der Gehirndurchblutung, elektrische Muskelaktivität und kinematischen Bewegung der Gelenke zu erfassen, wo ein Teilnehmer führt motorische Aufgaben (Abbildung 1). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Abbildung 1. Sonde Lage. Der linke Teil dieser Figur zeigt die ungefähre Lage der sensorischen Arealen (in blau...

Die Überwachung der Gehirnaktivität während aufrechter motorischer Aufgaben ist von großem Wert, wenn es darum geht, die neuronale Ursache von Bewegungsstörungen zu untersuchen. Hier demonstrieren wir ein Protokoll, das funktionelle Nahinfrarotspektroskopie mit einer kontinuierlichen Überwachung der Muskel- und kinematischen Aktivität bei 4 Arten von motorischen Aufgaben kombiniert.

Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Anwendung der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie über den sensorischen und motorischen Hirnarealen in Kombination mit simultaner kinematischer und EMG-Überwachung während unterschiedlicher motorischer Aufgaben zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem zunächst die F nears optos auf dem Kopf des Probanden platziert und an CZ sowie an den präaurikulären Punkten ausgerichtet werden. Der zweite Schritt besteht darin, die EMG-Elektroden über den Muskelbetten der Zielmuskeln sowie die reflektierenden Marker an den anatomischen Landmarken anzubringen.Sammeln Sie anschließend gleichzeitig Daten aus dem F Ns-EMG und den Bewegungserfassungssystemen, während der Proband motorische Aufgaben ausführt. Letztendlich wird F NS verwendet, um Unterschiede zwischen den Aktivierungsmustern des Gehirns bei Personen mit einseitiger und beidseitiger frühkindlicher Hirnverletzung sowie bei typisch entwickelnden Personen zu identifizieren. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der fMRT besteht darin, dass wir damit die Ausführung aufrechter und funktioneller Aufgaben wie des Gehens untersuchen können.Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der neurologischen Rehabilitation zu beantworten, beispielsweise wie das Gehirn sich nach einer Verletzung reorganisiert und welche Folgen diese Verletzung für die Ausführung motorischer Aufgaben hat. Die Anwendung dieser Technik bei der Untersuchung motorischer Störungen ermöglicht es uns, Gehirnaktivität zu messen und gleichzeitig beabsichtigte sowie unbeabsichtigte Bewegungen mittels Bewegungserfassung und Elektromyographie zu quantifizieren. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da eine genaue Einrichtung eine sorgfältige Vorbereitung der Haare und eine präzise Platzierung der ners optos für eine optimale Signalqualität erfordert.Bei der Demonstration des Verfahrens heute wird uns Dr. C. Ann Zary Gallagher unterstützen, die eine leitende Physiotherapeutin in unserem Labor ist, sowie Herr No Robinson, der ein Forschungsstipendiat des NIH ist. Wir werden nun die Verfahren beschreiben, die mit der Datenerhebung von N'S verbunden sind. Erläutern Sie dem Teilnehmer die experimentellen Verfahren und holen Sie die informierte Einwilligung ein.Als Nächstes führen Sie den Edinburgh-Handedness-Inventar und andere klinische Untersuchungen durch, und notieren Sie den Haar- und Hauttyp des Teilnehmers. Messen und dokumentieren Sie Körpergröße, Gewicht und Alter des Teilnehmers. Beginnen Sie dann mit der Prozedur, indem Sie den Kopfumfang, die Distanz zwischen Nasion und Inion sowie die Distanz zwischen den präaurikularen Punkten am rechten und linken Ohr messen.Der Schnittpunkt der Mittelpunkte der beiden letztgenannten Messungen ist Cz, der mit einem auswaschbaren Stift auf der Kopfhaut markiert wird, wobei das Haar entlang der NAS- und IAN-Linie geteilt wird. Falls der Proband langes Haar hat, fixieren Sie es mithilfe von Zöpfen oder Pferdeschwänzen, um die Kopfhaut an den Stellen freizulegen, an denen die Optoden platziert werden sollen. Danach bringen Sie die F-Nah-Infrarot-Sonde am Kopf des Probanden an, wobei Sie sicherstellen, dass sie mit Cz und AR al ausgerichtet ist.Platzieren Sie die Optoden dann direkt auf der Kopfhaut und stellen Sie sicher, dass kein Haar den Kontakt behindert. Dieser Schritt ist entscheidend, da Haare die Signalqualität beeinträchtigen können. Befestigen Sie anschließend die Klettverschlüsse, um die Optoden sicher zu fixieren.Stellen Sie sicher, dass alle Optokabel flach liegen und die Optos senkrecht zur Kopfhautoberfläche stehen. Falls erforderlich, legen Sie ein dünnes Stück Schaumstoff unter die Gruppe der Optokabel, um die senkrechte Ausrichtung der Optos zu gewährleisten. Achten Sie nun darauf, dass die Intensität des Lichts, das an allen Detektoren gemessen wird, mindestens 80 Dezibel beträgt, und dass ein Herzschlag im Delta-OD-Signal bei beiden Wellenlängen von 690 und 830 Nanometer deutlich sichtbar ist.Wenn diese Kriterien nicht erfüllt sind, überprüfen Sie die Haare und stellen Sie sicher, dass diese die Optos nicht blockieren. Danach passen Sie die Detektorverstärkungen nach Bedarf an, um die Signaleinführung zu maximieren. Anschließend bringen Sie die reflektierenden Marker am NZ, ar, al und iz am Probanden an.Bitten Sie den/die Teilnehmer/in, sich nicht zu bewegen, und erfassen Sie etwa zwei Sekunden lang Bewegungsdaten für diese und die F-nears-Opto-Marker. Anschließend platzieren Sie eine Abdeckung aus mehreren Lagen schwarzen Filz oder einem anderen optisch absorbierenden Material auf den f-nears-Optos. Um die Detektoren vor Störungen oder Sättigung durch die Bewegungserfassungskameras zu schützen, stellen Sie sicher, dass auch die Kabel und die Frontplatte der F-nears-Einheit mit demselben optisch absorbierenden Material gut abgeschirmt sind.Die Elektrodenplatzierung und Hautvorbereitung erfolgten gemäß den Sentium-Richtlinien. In diesem Schritt lokalisieren Sie den Muskelbauch jedes Zielmuskels unter Verwendung anatomischer Landmarken, der Palpation während der Muskelkontraktion und der Elektrodenplatzierungsanleitungen. Anschließend platzieren Sie die EMG-Elektroden in Ausrichtung zur Faserorientierung des Muskels.Bringen Sie als Nächstes die reflektierenden Marker an den Gelenklandmarken an. Erfassen Sie etwa zwei Sekunden lang Bewegungsdaten, während die Versuchsperson mit Armen in 90-Grad-Schulterflexion und 90-Grad-Ellenbogenflexion steht. Unterstützen Sie nun die Versuchsperson dabei, zum Laufband zu gehen, indem Sie die F-nahen Optokabel stützen, und befestigen Sie anschließend die Kabel an der Deckenhalterung.Nachdem er in Position ist, weisen Sie den Teilnehmer an, während der Ruhephasen so still und entspannt wie möglich zu bleiben, und während der Aufgabenphase mit seiner vorbestimmten Gehgeschwindigkeit zu laufen, wobei er seine Aufmerksamkeit auf den kleinen schwarzen Kreis auf dem Bildschirm richtet, während die Datenaufnahme erfolgt. Danach dimmen Sie das Licht und beginnen die Datenaufnahme am Motion-Capture-Computer und am F-nears-Computer. Spielen Sie die mit dieser Aufgabe verknüpfte Animationsdatei ab.Vergrößern Sie das Fenster, sodass das Bild eines schwarzen Punktes in der Sichtlinie des Teilnehmers liegt, der während des gesamten Versuchs dessen Fokuspunkt darstellt. Überwachen Sie die Leistung des Teilnehmers und geben Sie bei Bedarf Rückmeldung bezüglich der Geschwindigkeit oder zusätzlicher willkürlicher Bewegungen.Am Ende der instruktiven Animation die Aufnahme auf den Bewegungserfassungs-EMG- und F-fne-Systemen stoppen. Dem Teilnehmer die Möglichkeit geben, sich auszuruhen oder bei Bedarf die Position zu verändern. Bei dieser Aufgabe den Teilnehmer auf eine Untersuchungsliege mit verstellbarer Rücken- und Beinunterstützung umpositionieren.Denken Sie daran, die optischen Kabel in der Nähe des f zu stützen, und achten Sie darauf, die Marker für die Bewegungserfassung oder die EMG-Elektroden nicht zu verrutschen. Weisen Sie die Versuchsperson an, während der Ruhephasen so still und entspannt wie möglich zu bleiben, und während der Aufgabenphase mit etwa 60 U/min zu treten. Projizieren Sie dann die Zeichentrickanimation, die der Versuchsperson über visuelles und akustisches Feedback signalisiert, ob sie ruhen oder sich bewegen soll, wobei das Filmfenster maximiert werden sollte, um zu verhindern, dass die Versuchsperson die Zeit überwacht.Platzieren Sie nun einen Betttisch vor dem Teilnehmer, wobei sichergestellt werden muss, dass die Arme des Teilnehmers auf dem Tisch in einer bequemen Position abgestützt sind. Weisen Sie den Teilnehmer dann an, während der Aufgabenphase alle Sekunde einen weichen Gegenstand zu zusammendrücken und in den Ruhephasen so entspannt wie möglich zu bleiben. Danach entfernen Sie den Betttisch und heben den Fußteil der Liege an, um die Füße des Teilnehmers in sein Sichtfeld zu bringen.Weisen Sie den Probanden an, während der Aufgabenphase den Knöchel mit einer Geschwindigkeit von einmal pro Sekunde zu dorsalflektieren und während der Ruhephasen so entspannt wie möglich zu bleiben. Entfernen Sie am Ende der Sitzung die Kappe. Alle reflektierenden Marker und EMG-Elektroden hier sind Beispiele für die Rekonstruktion des Skeletts, Gelenkwinkel und EMG. Für eine linke Dorsalflexionsaufgabe beginnt die Aufgabenphase im dargestellten Versuch bei etwa 4,5 Sekunden und dauert bis 19,5 Sekunden an.Bei diesem normal entwickelten 13-jährigen Individuum ist die Bewegung an den Gelenken sehr begrenzt, mit Ausnahme des gezielten linken Sprunggelenks. Zusätzlich sind die Muskeln im Allgemeinen sowohl während der Aufgabe als auch in Ruhephasen inaktiv, mit Ausnahme des Musculus tibialis anterior, der die Bewegung unterstützt. Hier sehen Sie ein Beispiel einer F-nahen Aktivierungskarte während einer Aufgabe der linken Dorsalflexion; dieser blaue Rahmen markiert den ungefähren Bereich, der abgetastet wurde.Diese Abbildung zeigt die durchschnittliche oxygenierte Hämoglobinantwort während eines Zeitraums zwischen fünf und 10 Sekunden nach Beginn der Bewegung eines typisch entwickelnden Jugendlichen, der seinen linken Knöchel dorsalflektiert. Die blauen Farben repräsentieren keine Aktivierung, während die roten Bereiche die Regionen mit erhöhtem Gehalt an oxygeniertem Hämoglobin während der Aufgabendurchführung anzeigen. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung in etwa zwei Stunden durchgeführt werden. Es sollte nicht vergessen werden, dass die Arbeit mit nahem Infrarotlicht gefährlich sein kann; daher müssen stets Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, beispielsweise der Schutz der Augen von Forschenden und Teilnehmenden vor den Lichtquellen, wenn dieses Verfahren durchgeführt wird.Nach Durchführung dieses Verfahrens können andere Methoden wie die Koregistrierung mit anatomischen MRT-Bildern und die Bestimmung von Regressoren aus kinematischen und EMG-Daten durchgeführt werden. Dies ermöglicht es uns, zusätzliche Fragen zu beantworten, wie beispielsweise die genaue Lokalisierung der Hirnaktivität und die neuronalen Quellen ungewollter Aktivität.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Bewegungsüberwachungswerkzeuge mit ners-Messungen kombiniert, um die Aktivierung in sensorischen und motorischen Hirnregionen während der Durchführung motorischer Aufgaben zu untersuchen.

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Forschung

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Behavior

Verhalten

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Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder &amp; Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie

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Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben (Video) | JoVE Journal

Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

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