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Article de méthode

Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge des régions sensorielles et motrices cérébrales avec simultanée cinématique et EMG surveillance Pendant tâches motrices

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DOI :

10.3791/52391

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5 décembre 2014

 ,  ,  , 
1Functional and Applied Biomechanics Section, Rehabilitation Medicine Department, Clinical Center, National Institutes of Health

Dans cet article

Résumé

La surveillance de l’activité cérébrale pendant les tâches motrices debout est d’une grande valeur pour l’étude de la source neuronale des troubles du mouvement. Ici, nous démontrons un protocole qui combine la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle avec la surveillance continue de l’activité musculaire et cinématique pendant 4 types de tâches motrices.

Résumé

Il ya plusieurs avantages que la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) présente dans l'étude du contrôle neuronal du mouvement humain. Il est relativement flexible par rapport au positionnement de participant et permet pour certains mouvements de la tête lors de tâches. En outre, il est peu coûteux, léger et portable, avec très peu de contre-indications à son utilisation. Ce est une occasion unique d'étudier l'activité cérébrale fonctionnelle pendant tâches motrices chez les individus qui sont généralement en développement, ainsi que ceux avec des troubles du mouvement, comme la paralysie cérébrale. Une autre considération lors de l'étude des troubles du mouvement, cependant, est la qualité des mouvements réels effectués et le potentiel de mouvements involontaires, supplémentaires. Par conséquent, la surveillance simultanée des changements du flux sanguin dans le cerveau et les mouvements réels du corps lors des essais est nécessaire pour l'interprétation appropriée de fNIRS résultats. Ici, nous montrons un protocole pour la combinaison avec des fNIRSmusculaire et suivi cinématique pendant tâches motrices. Nous explorons la marche, un mouvement unilatéral multi-joint (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé flexion dorsale de la cheville, et en serrant la main isolé). Les techniques présentées peuvent être utiles pour étudier à la fois le contrôle typique et atypique moteur, et peuvent être modifiés pour enquêter sur un large éventail de tâches et des questions scientifiques.

Introduction

Imagerie neuronale au cours de tâches fonctionnelles est devenu plus portable et rentable en utilisant la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle non invasive (fNIRS) d'identifier les domaines de l'activité cérébrale en mesurant la dynamique de la circulation sanguine au niveau du cortex. La portabilité des fNIRS est particulièrement utile dans l'étude des tâches verticaux et fonctionnels tels que la marche 1, qui ne est pas possible avec d'autres technologies comme l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette capacité est essentielle dans les domaines de la neurologie et de neurosciences, et pourrait apporter de nouveaux éclairages sur les mécanismes sous-jacents des troubles du mouvement chez les enfants et les adultes atteints de paralysie cérébrale (CP) et d'autres conditions neurologiques affectant le contrôle du moteur. Comprendre les mécanismes améliore la capacité de concevoir des interventions efficaces pour cibler la source de déficiences et des limitations d'activité.

Beaucoup fNIRS études de tâches motrices à ce jour ont été avec une population en bonne santé chez les adultes, de la pièceicipants sont chargés d'effectuer une certaine tâche et le suivi de l'exécution des tâches est limitée à une inspection visuelle. Cela peut être suffisante pour ceux avec des mouvements typiques et un niveau élevé d'engagement, mais ne est pas acceptable lorsque l'on étudie les participants souffrant de troubles moteurs ou ceux qui ont des difficultés à assister à une tâche pendant de longues périodes de temps, y compris les enfants au développement normal. Afin d'informer l'analyse de l'activation du cerveau dans ces cas, la surveillance simultanée de la configuration de moteur qui est effectivement achevée est nécessaire.

Des examens complets de fNIRS systèmes et usages ont été présentés dans la littérature 2-5 qui guident l'utilisation et aider à démontrer la précision et la sensibilité de ces systèmes, mais les problèmes techniques dans la collecte, le traitement et l'interprétation des données fNIRS demeurent. La couleur et l'épaisseur des cheveux affectent la qualité du signal optique, avec les cheveux épais sombre plus susceptibles de bloquer ou de fausser Transmi optiquession 3,6. Ceci est particulièrement pertinent lorsque l'on étudie les zones sensori-moteurs situées sur la zone de la couronne de la tête où la densité de follicule pileux est le plus grand, et certaines études rapport de non-répondeurs 6,7. L'international 10/20 système bien établi peut être utilisé pour le placement des optodes, mais en particulier dans le cas de ceux qui atypique l'anatomie du cerveau, de co-enregistrement de l'emplacement de l'IRM anatomique optode d'un participant est très utile sinon indispensable d'interpréter avec précision la résultats.

L'utilisation de fNIRS pour évaluer l'activation du cerveau des blessures du cerveau débutant dans l'enfance est assez récente, mais gagne du terrain dans le domaine de unilatérale 6,8,9 paralysie cérébrale. Compte tenu des défis susmentionnés, ce protocole combine fNIRS, capture de mouvement, et électromyographique (EMG) surveillance pendant un certain nombre de tâches, y compris les tâches mono-articulaires simples ainsi que les motions pleine de corps plus complexes. Guidage visuel et auditif, ce est noused pour améliorer l'attention et la tâche rendement dans plusieurs âges des participants. L'objectif du protocole est d'identifier les différences dans les modes d'activation du cerveau chez les personnes atteintes de lésions cérébrales à début précoce unilatérale et bilatérale par rapport à ceux qui sont généralement développe. Nous explorons un mouvement complet du corps (de la démarche), une extrémité inférieure mouvement multi-joint bilatérale (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé dorsiflexion de la cheville, et de compression de la main isolé) pour illustrer la variété des applications des méthodes. Le même ou un protocole très similaire pourrait être utilisée pour étudier d'autres troubles sensoriels ou de mouvement ou d'autres tâches d'intérêt.

Onde continue lumière proche infrarouge a été émis et détecté à 690 nm et 830 nm sur les cortex sensori-moteurs utilisant le système fNIRS à un taux de 50 Hz, en utilisant une configuration personnalisée conçue source-détecteur. EMG données ont été recueillies sans fil à une fréquence de 1000 Hz. Marqueurs réfléchissants positions en 3D étaientrecueillie par un système de capture de mouvement optique à une vitesse de 100 Hz. Deux ordinateurs différents traités acquisition de données, une pour les fNIRS et un autre pour la capture de mouvement et EMG. Les données ont été synchronisées en utilisant une impulsion de déclenchement d'un troisième ordinateur qui correspond à une pression sur le bouton de la souris pour lancer l'animation pédagogique pour chaque tâche. Pour toutes les tâches, sauf la marche, animations pédagogiques ont été conçus pour normaliser les performances des participants en utilisant un guidage visuel du rythme d'une tâche (1 Hz), représentée par un saut de bande dessinée animale ou de pied, ainsi que d'un signal auditif.

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Protocole

NOTE: Ce protocole a été approuvé par l'Institutional Review Board de la National Institutes of Health (identificateur ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tous les participants ont la possibilité de poser des questions et de donner un consentement éclairé avant leur participation. En contrepartie des changements à la réponse hémodynamique causés par l'utilisation récente de vasodilatateurs et vasoconstricteurs, les participants sont priés de se abstenir de l'alcool et de la caféine pendant 24 heures avant l'expérience trois vidéos d'animation .Ces ont été fabriqués sur mesure dans notre laboratoire, mais pourraient être enregistrées avec d'autres des sons ou des images spécifiques aux questions de recherche alternatifs.

1. Mettre en place la salle avant l'arrivée du participant.

  1. Calibrer le mouvement des caméras de capture par rapport à des coordonnées d'un laboratoire conformément aux processus spécifique du fabricant de capture de mouvement. Veiller à ce que les positions de l'appareil photo permettre l'enregistrement de tous les marqueurs à la fois sur le corpset la tête du participant pendant les tâches qui seront testés. Le processus d'étalonnage assure la précision du système de capture de mouvement et est pratique courante pour tout laboratoire de mouvement. Utiliser un système de dix caméra, avec un volume approximatif de 17 m 3, où marqueurs réfléchissants ont pu être identifiés de façon fiable.
  2. Connectez le déclenchement de l'ordinateur d'instruction aux entrées BNC de capture et de mouvement fNIRS ordinateurs. Assurez-vous que la gâchette est reliée à un bouton de la souris et en cliquant sur la souris complète le circuit et envoie une impulsion simultanément à la capture de mouvement / EMG carte d'acquisition de données et à la carte d'acquisition de données de fNIRS que auxillary entrées analogiques.
  3. Connectez cette souris via le port USB à l'ordinateur qui se exécutent instruction vidéos d'animation, tels que le démarrage de la vidéo va provoquer un changement de tension simultanément sur les deux systèmes d'acquisition de données.
    Remarque: Les signaux EMG sont automatiquement synchronisés et sauvegardés par le logiciel de capture de mouvement, de sorte suppional synchronisation du système EMG ne est pas nécessaire.
  4. Mettre en place l'écran et un projecteur pour des instructions pour être montré au participant. Retirez tous les objets inutiles qui pourraient être sources de distraction. Placez le trépied et une caméra vidéo numérique où ils ont une vue complète des mouvements des participants.
  5. Vérifiez que les marqueurs réfléchissants sont solidement fixés au début de chaque optode dans la sonde.
  6. Assemblez tous les documents nécessaires: consentement et d'assentiment copies, feuilles de l'examen clinique, et feuilles de notes expérimentales, par exemple.

2. Mesures de base

  1. Après avoir terminé le processus de consentement éclairé, de mesurer et de taille, le poids, l'âge et circonférence de la tête de fiche participant.
  2. Administrer Edinburgh Handedness Inventaire 10 et autres examens cliniques comme indiqué. Enregistrez-participant rapporté les types de cheveux et de la peau.
  3. Placez marqueurs réfléchissants sur les épines iliaques postérieures supérieures (SIEP) bilatéralement. Avoir le participant à pied à leur rythme confortable dans le laboratoire 3-5 fois, et la vitesse moyenne entre les essais d'estimer leur auto sélectionnée marche rythme.

3. Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge (fNIRS) Setup

NOTE: Ce peut être complété simultanément avec la mise en place d'EMG et de capture de mouvement, se il ya suffisamment expérimentateurs ou personnel de recherche pour aider, et si le participant est à l'aise avec plusieurs personnes étant proches d'eux en même temps.

  1. Mesurez la distance entre le nasion (Nz) et l'inion (Iz), et entre les points pré-auriculaires sur la droite (Ar) et gauche (Al) oreilles. L'intersection du point milieu de ces deux mesures est Cz, qui est marqué sur le cuir chevelu à l'aide d'un marqueur lavable.
  2. Si le participant a les cheveux longs, la section hors de petites portions de cheveux à l'aide des tresses ou des queues de cheval afin d'exposer le cuir chevelu où optodes seront placés.
  3. Placez les fNIRS sonde sur til la tête du participant, en prenant soin de se aligner avec Cz, Ar. Puis déplacez cheveux de sous chaque optode comme il est placé sur le cuir chevelu. Enfin, fixez des bandes velcro pour tenir solidement les optodes en place.
    NOTE: Dans ce protocole, utilisez un bouchon qui a une sangle qui va derrière la tête, celui qui va sur le front, et qui passe sous le menton. Optodes sont ancrés à ce plafond avec du velcro sur un anneau flexible en plastique qui entoure l'oreille.
    1. Si le participant a les cheveux courts (moins d'environ 2 pouces de longueur), tirez les cheveux entre optodes avec un petit bâton mince ou à la fin d'un peigne en plastique.
  4. Vérifiez que tous les câbles de Optode sont couchés à plat, et que optodes sont approximativement perpendiculaire à la surface du cuir chevelu.
    1. Si nécessaire, placez un mince morceau de mousse sous le groupe de câbles Optode de promouvoir alignement perpendiculaire des optodes.
  5. Vérifiez avec le participant sur le confort des sondes, etajuster si nécessaire. Demandez-leur de dire si les expérimentateurs leur confort diminue à tout moment pendant l'expérience.
  6. Tourner sur les sources et vérifier les signaux.
    1. Dans ce système, d'assurer un signal qui a une intensité d'au moins 80 dB et un battement de coeur clairement visible dans le deltaOD (changement de densité optique) Signal, à deux longueurs d'onde 690 et 830 nm. Lorsque voies ont des signaux ne répondant pas à ces critères, confirmer que les cheveux ne bloque pas le optode (s), puis ajuster les gains de détection que nécessaire pour maximiser l'intensité du signal. Veiller à ce que les caméras de capture de mouvement sont éteints pendant ce temps.
      NOTE: D'autres machines fNIRS peuvent fonctionner à différentes longueurs d'onde 690 et 830 nm; dans ce cas, vérifiez les longueurs d'onde les plus appropriées à la machine utilisée.
  7. Ajouter marqueurs réfléchissants à Nz, Iz, Ar, et Al. Demandez au participant de rester immobile et de recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement pour ces derniers et les marqueurs des fNIRS. Vérifiez quetous les marqueurs ont été enregistrés, et de recueillir des essais supplémentaires si nécessaire. Elle peut exiger du participant de changer la position de tête pour améliorer la ligne de vue entre les caméras et les marqueurs. Utilisez ces trois endroits dimensions recueillies lors de l'analyse probabiliste pour l'enregistrement de l'IRM structurelle individuelle d'un participant se il est disponible.
  8. Ajouter un couvercle avec plusieurs couches de feutre noir ou autre matériau optiquement absorbante sur le dessus des fNIRS optodes pour protéger les détecteurs de toute ingérence ou la saturation des caméras de capture de mouvement. Vérifiez que les câbles et le panneau avant de l'unité fNIRS sont également bien protégés en utilisant le même matériau optiquement absorbant.

4. Surface électromyographie (EMG) Setup

  1. Localisez le ventre du muscle de chaque muscle cible en utilisant des repères anatomiques, la palpation lors de la contraction musculaire, et guide le placement des électrodes 11.
    REMARQUE: Les muscles ciblés dans ce protocole comprennent biljumeau interne ateral, jambier antérieur, droit antérieur, vaste externe, biceps, extenseur radial du carpe, et palmaire.
  2. Préparez-vous à EMG placement des électrodes sur le ventre musculaire par le rasage, l'élimination des cellules mortes de la peau avec du ruban adhésif, puis nettoyage avec un tampon d'alcool isopropylique, tel que recommandé par SENIAM 12 et attendre pour la peau sèche.
  3. Passer EMG électrode orientée vers la direction des fibres musculaires.
  4. Enveloppez parfaitement avec une enveloppe adhérente auto.
  5. Vérifiez signaux musculaires sur l'ordinateur tout en effectuant des tests manuels musculaire pour assurer le placement des électrodes appropriée, et la visualisation claire de changement de signal lorsque le muscle est actif.

5. Configuration de capture de mouvement

  1. Placez marqueurs réfléchissants au repères communs. Il se agit notamment médial et malléole latérale, médiale et latérale du genou, épine iliaque antéro supérieure (ASIS), postérieure épine iliaque (SIEP), styloïde radiale, syloïde ulnaire, medial Épicondyle humérale, et latérale humérale Épicondyle.
  2. Placez trois ou plusieurs marqueurs, ou un cluster de corps rigide de marqueurs, sur chaque secteur d'intérêt, y compris le pied, le jambonneau, la cuisse, la main et l'avant-bras.
  3. Recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement alors que le participant est encore debout dans une position normalisée, tels que debout, les bras à 90 ° flexion de l'épaule et de coude de 90 ° de flexion. Veiller à ce que tous les marqueurs sont clairement visibles pour les caméras.

6. Gait Groupe

  1. Avoir le transfert des participants sur le tapis roulant. Les aider en soutenant les câbles des fNIRS puis fixez les câbles au support de plafond après que le patient est en position. Si le patient est à risque élevé de chutes, utiliser un harnais de support de poids corporel pour la sécurité au cours de cette tâche.
  2. Lancer le tapis roulant, pour atteindre lentement l'auto sélectionnée vitesse de marche mesurée pour obtenir le participant à l'aise avec les conditions fixées. Puis lente à un arrêtnouveau.
  3. Mettre en place le fichier d'animation avec le retour auditif qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer. instructions de tâche d'examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et de marcher à la vitesse de jeu de tapis de course durant la période de "tâche", tout en se concentrant leur attention sur le petit cercle noir sur l'écran pour la durée d'acquisition des données.
  4. Tamisez les lumières, et de commencer l'acquisition de données sur l'ordinateur de capture de mouvement et l'ordinateur fNIRS. Commencer l'enregistrement sur la caméra vidéo.
  5. Utilisation du déclenchement de la souris, cliquez sur le bouton de lecture sur le fichier d'animation associé à cette tâche. Assurez-vous que le déclencheur a été reçu à la fois par la capture de mouvement et les systèmes NIRS.
    1. Passez à l'image d'un point noir situé dans la ligne de mire du participant, de sorte qu'ils ont un point pour la durée de l'essai de mise au point.
      REMARQUE: Le schéma aperçu pour chaqueessai est représentée sur la Figure 2.
  6. Surveiller le rendement du participant et fournir une rétroaction sur la vitesse, ou des mouvements volontaires étrangers au besoin.
  7. A la fin de l'animation d'instruction, arrêter l'enregistrement sur la capture de mouvement, EMG, et fNIRS systèmes, ainsi que la caméra vidéo. Donnez au participant l'occasion de se reposer ou changer de position si nécessaire.

7. bilatérale membre inférieur Cyclisme Groupe

  1. Avoir la transition des participants à un socle avec le dos mobile et le soutien de la jambe, en prenant soin de soutenir les câbles des fNIRS et de ne pas heurter ou déloger les marqueurs de capture de mouvement ou électrodes EMG. Avoir un coussin de siège en mousse pour améliorer le confort lors de l'expérience.
  2. Soulevez le cadre du cycle en position et le fixer au socle avec une sangle.
  3. Fixez les pieds dans les pédales et d'ajuster la position du cycle que nécessaire pour promouvoir une distance confortable et naturelle aux pédales. Àle point le plus dans le cycle, maintenir leur genou dans environ 10 ° de flexion.
    NOTE: A ce stade, le participant sera dans une position semi-couchée, qui fournit un certain soutien de tronc et facilite la relaxation pendant la période de repos.
  4. instructions de tâche d'examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et le cycle à environ 60 tours par minute pendant la période de "tâche".
  5. Répétez les étapes 6.4 à 6.7. Au lieu de passer à une image d'un point, le projet de dessin animé qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer grâce à la rétroaction visuelle et auditive. Maximiser la fenêtre de film afin que le participant ne est pas en mesure de surveiller le temps qui se est écoulé, ou restante, dans le procès en cours.

8. Main serrant Groupe

  1. Après avoir enlevé les pieds du cycle et le cycle lui-même, placer une table de lit en face du participant, Making assurer que les bras de participants sont pris en charge sur la table dans une position confortable.
  2. Demandez participant à serrer un objet mou environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de "tâche", et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos».
  3. Répétez l'étape 7.5.

9. cheville Dorsiflexion Groupe

  1. Retirer la table de lit, et augmenter la partie de repose-pieds du socle jusqu'à apporter les pieds dans l'avis du participant.
  2. Retirer la chaussure et de la chaussette du participant, et remplacer les marqueurs de pieds dans des positions appropriées. Soutenir le veau juste au-dessus de leur articulation de la cheville avec un tapis de mousse pour permettre le mouvement des articulations de la cheville.
  3. Demandez au participant de flexion dorsale la cheville environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de "tâche", et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos».
  4. Répétez l'étape 7.5.

10. Conclusion de ProProtocole

  1. Retirez le bouchon et inspecter la peau pour les zones de pression ou de rougeurs.
  2. Retirez tous les marqueurs réfléchissants et unités EMG.
  3. Remerciez le participant pour leur temps et inviter leur entrée sur l'expérience subjective du protocole. Cela peut être un questionnaire formel (comme utilisé par Garvey et ses collègues pour la stimulation magnétique transcrânienne 13), ou une discussion informelle pour identifier les sources communes d'inconfort qui pourraient être améliorés à l'avenir.

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Résultats

Ce protocole coordonne l'acquisition simultanée de 3 modalités de capturer le flux de sang-cerveau, l'activité électrique des muscles, et le mouvement cinématique des articulations tout en participant effectue des tâches motrices (figure 1).

figure-results-1
Emplacement Figure 1. Probe. La partie gauche de cette figure montre les emplacements approxima...

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Discussion

Le cumul de l'activité cérébrale des zones ciblées du cortex et des données quantitatives sur la façon dont une personne se déplace présente un énorme potentiel pour améliorer notre compréhension du contrôle du mouvement, à la fois dans une population généralement le développement ainsi que ceux qui ont des troubles du mouvement. Il ya aussi une large application en termes d'âges et les tâches de mouvement qui pourrait être complété, en tant que participants ne sont pas limités à une position couchée comme ils l...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce projet a été financé par le programme de recherche intra-muros du National Institutes of Health Clinical Center. Nous reconnaissons les discussions utiles avec le Dr Thomas Bulea, Ph. D., et Laurie Ohlrich, physiothérapeute, qui ont permis de peaufiner les procédures présentées dans ce protocole. Muyinat W. Osoba et Andrew Gravunder, MS ont aidé à l’animation.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
CW6TechEnhttp://nirsoptix.com/fNIRS Machine avec nombre variable de sources et de détecteurs, en fonction du nombre de modules inclus
Système MX avec dix caméras de la série T40Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Royaume-Unihttp://www.vicon.com/System/TSeriesCaméras de capture de mouvement
marqueurs réfléchissants de 4 mmVicon Motion Systems Ltd., Oxford, Royaume-UniMarqueurs utilisés par les caméras de capture de mouvement pour localiser les optodes fNIRS, Ar, Al, Nz et les coordonnées de la main.
marqueurs réfléchissants de 9,5 mmVicon Motion Systems Ltd., Oxford, Royaume-UniMarqueurs utilisés par les caméras de capture de mouvement pour localiser les coordonnées des bras et des jambes. Les grappes sont utilisées pour les segments de membre, et les marqueurs avec décalages sont utilisés pour PSIS et Iz afin d’améliorer la fiabilité de la capture des données.
Système EMG sans fil TrignoDelsys, Inc. Natick, MAhttp://www.delsys.com/products/wireless-emg/Électromyographie
Tapis roulant instrumenté à ceinture fendueBertec Corporation, Columbus, OHhttp://bertec.com/products/instrumented-treadmills.htmlTapis roulant
ZeroG Système de soutien du poids corporelAretech, LLC, Ashburn, VAhttp://www.aretechllc.com/overview.htmlRail et chariot passif utilisés pour soutenir les câbles, le harnais peut être utilisé pour la sécurité des patients lors des essais de marche
3DS Max 2013Autodesk, Inc., San Francisco, CA  ;http://www.autodesk.com/Logiciel d’animation 3D utilisé pour animer des animaux pour des vidéos pédagogiques
Windows Movie MakerMicrosoft Corporation, Redmond, WAhttp://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-makerlogiciel utilisé pour combiner des séquences d’animation avec de la musique
Audacityopen sourcehttp://audacity.sourceforge.net/Logiciel utilisé pour modifier le rythme musical à la cadence appropriée

Références

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