Il monitoraggio dell'attività cerebrale durante i compiti motori in posizione eretta è di grande valore quando si indaga la fonte neurale dei disturbi del movimento. Qui, dimostriamo un protocollo che combina la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso con il monitoraggio continuo dell'attività muscolare e cinematica durante 4 tipi di compiti motori.
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Articolo metodologico
Vicino funzionale Infrared Spectroscopy delle regioni sensoriali e motorie cerebrali con simultanea cinematica e EMG monitoraggio durante compiti motori
In questo articolo
Sommario
Abstract
Ci sono diversi vantaggi che funzionale spettroscopia vicino infrarosso (fNIRS) presenta nello studio del controllo neurale del movimento umano. È relativamente flessibile rispetto al posizionamento partecipante e consente per alcuni movimenti della testa durante compiti. Inoltre, è poco costoso, leggero, e portatile, con pochissime controindicazioni al suo utilizzo. Ciò rappresenta un'opportunità unica per studiare l'attività cerebrale funzionale durante compiti motori in individui che sono in genere sviluppando, così come quelli con disturbi del movimento, come la paralisi cerebrale. Un'ulteriore considerazione quando si studia disturbi del movimento, tuttavia, è la qualità dei movimenti eseguiti effettivi e il potenziale di ulteriori movimenti indesiderati. Pertanto, è necessario il monitoraggio simultaneo di entrambe le modifiche del flusso di sangue nel cervello e dei movimenti reali del corpo durante il test per l'interpretazione appropriata della fNIRS risultati. Qui vi mostriamo un protocollo per la combinazione di fNIRS conmuscolare e monitoraggio cinematica durante compiti motori. Esploriamo andatura, un movimento unilaterale multi-articolare (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (flessione dorsale della tibiotarsica isolato, e isolato mano spremitura). Le tecniche presentate possono essere utili per lo studio sia di controllo tipico e atipico del motore, e può essere modificato per indagare su una vasta gamma di attività e questioni scientifiche.
Introduzione
L'imaging neurale durante compiti funzionali è diventato più portatile e conveniente utilizzando non invasiva spettroscopia nel vicino infrarosso funzionale (fNIRS) per identificare le aree di attività cerebrale misurando dinamica del flusso di sangue al corteccia. La portabilità dei fNIRS è particolarmente utile nello studio dei compiti verticali e funzionali tali andatura 1, che non è possibile con altre tecnologie, come la risonanza magnetica (fMRI). Questa capacità è fondamentale nel campo della neurologia e neuroscienze, e potrebbe fornire nuove informazioni sui meccanismi sottostanti disturbi del movimento nei bambini e negli adulti con paralisi cerebrale (CP) e di altre condizioni neurologiche che colpiscono il controllo motorio. Comprendere i meccanismi migliora la capacità di progettare interventi efficaci per indirizzare la fonte di svalutazioni e limitazioni di attività.
Molti fNIRS studi di compiti motori ad oggi sono stati con una popolazione sana di adulti in cui una parteicipants sono incaricati di eseguire una determinata attività e il monitoraggio delle prestazioni dell'attività è limitata a controllo visivo. Questo può essere sufficiente per coloro con i movimenti tipici e un alto livello di impegno, ma non è accettabile quando si studia partecipanti con disturbi del movimento o coloro che hanno difficoltà a partecipare ad un compito per lunghi periodi di tempo, compresi i bambini con sviluppo tipico. Al fine di informare l'analisi di attivazione cerebrale in questi casi, è necessario il monitoraggio simultaneo del modello del motore che viene effettivamente completato.
Recensioni complete di sistemi fNIRS e costumi sono stati presentati in letteratura 2-5 che guida l'uso e contribuire a dimostrare la precisione e la sensibilità di questi sistemi, ma problemi tecnici della raccolta, l'elaborazione e l'interpretazione dei dati fNIRS rimangono. Colore e spessore dei capelli incidono sulla qualità del segnale ottico, con capelli spessi scuri più probabile per bloccare o falsare trasmettitore di otticafissione 3,6. Questo è particolarmente rilevante quando si studiano le aree senso-motori situati nella zona superiore della testa dove la densità del follicolo pilifero è il più grande, e alcuni studi riferire non-responder 6,7. Il ben noto sistema internazionale 10/20 può essere utilizzato per il posizionamento dei optodes, ma in particolare nel caso di quelli con anatomia cerebrale atipica, co-registrazione di posizione optode per MRI anatomica di un partecipante è molto utile se non indispensabile interpretare accuratamente la risultati.
L'uso di fNIRS per valutare l'attivazione del cervello in danno cerebrale ad esordio infantile è piuttosto recente, ma guadagnando la trazione nel settore delle unilaterale cerebrale 6,8,9 paralisi. In considerazione delle sfide di cui sopra, questo protocollo unisce fNIRS, motion capture, e elettromiografico (EMG) il monitoraggio nel corso di una serie di attività, tra cui semplici operazioni single-comuni, nonché i movimenti di tutto il corpo più complesse. Guida visiva e uditiva è noied a migliorare le prestazioni e l'attenzione compiti su più età dei partecipanti. L'obiettivo del protocollo è quello di individuare le differenze nei pattern di attivazione cerebrale nei pazienti con esordio infantile lesioni cerebrali unilaterali e bilaterali rispetto a coloro che sono in genere in via di sviluppo. Esploriamo un movimento tutto il corpo (andatura), una estremità inferiore movimento multi-articolare bilaterale (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (isolato flessione dorsale della caviglia, e isolato mano spremitura) per illustrare la varietà di applicazioni dei metodi. Lo stesso o un protocollo molto simile potrebbe essere utilizzato per studiare altri disturbi sensoriali o movimento o ad altre attività di interesse.
Onda continua pressi luce infrarossa è stata emessa e rilevata a 690 nm e 830 nm su cortecce sensori utilizzando il sistema fNIRS ad una velocità di 50 Hz, utilizzando una configurazione personalizzata progettata sorgente-detector. Dati EMG sono stati raccolti in modalità wireless ad una frequenza di 1000 Hz. Marcatori riflettenti posizioni 3-D sono statiraccolte da un sistema di cattura motion ottica ad una velocità di 100 Hz. Due computer diversi trattati di acquisizione dati, una per i fNIRS e un altro per il motion capture e EMG. I dati sono stati sincronizzati con un impulso di scatto da un terzo computer che corrisponde ad un pulsante del mouse per avviare l'animazione didattica per ogni attività. Per tutte le attività, ad eccezione andatura, animazioni didattiche sono stati progettati per standardizzare le prestazioni dei partecipanti utilizzando una guida visiva di ritmo di un compito (1 Hz), rappresentato da un cartone animato animale saltare o di calcio, così come un spunto uditivo.
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Protocollo
NOTA: Questo protocollo è stato approvato dal Consiglio Institutional Review del National Institutes of Health (identificatore ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tutti i partecipanti hanno la possibilità di porre domande e fornire il consenso informato prima della loro partecipazione. In considerazione delle modifiche alla risposta emodinamica causata dalla recente uso di vasodilatatori e vasocostrittori, i partecipanti sono invitati ad astenersi da alcol e caffeina per 24 ore prima dell'esperimento 3 video di animazione .Questi sono stati realizzati su misura nel nostro laboratorio, ma possono essere registrati con altri suoni o immagini specifiche a domande di ricerca alternativi.
1. Impostare la camera Prima del Partecipante arrivo.
- Calibrare il movimento telecamere di bloccaggio riguardante le coordinate di un laboratorio in base al processo specifico del costruttore motion capture. Assicurarsi che le posizioni della telecamera permetterà la registrazione di tutti gli indicatori sia sul corpoe capo del partecipante durante i compiti che saranno testati. Il processo di calibrazione assicura la precisione del sistema di motion capture ed è prassi standard per qualsiasi laboratorio di movimento. Utilizzare un sistema di dieci telecamera, con un volume di circa 17 m 3 in cui i marcatori riflettenti possono essere identificati in modo affidabile.
- Collegare il grilletto dal computer istruzione agli ingressi BNC i motion capture e fNIRS computer. Assicurarsi che il grilletto è collegato ad un pulsante del mouse e cliccando con il mouse completa il circuito e invia un impulso simultaneamente al motion capture / EMG scheda di acquisizione dati e alla scheda di acquisizione dati fNIRS come ausiliari ingressi analogici.
- Collegare questo mouse tramite la porta USB al computer che gestisce i video di animazione di istruzioni, tale che a partire il video causerà un cambiamento di tensione contemporaneamente su entrambi i sistemi di acquisizione dati.
NOTA: segnali EMG sono sincronizzati automaticamente e salvate dal software motion capture, così Additnon è necessario ional sincronizzazione del sistema EMG. - Impostare lo schermo e proiettore per le istruzioni per essere visualizzata al partecipante. Rimuovere eventuali oggetti inutili che potrebbero essere distrattori. Posizionare il treppiede e videocamera digitale dove avranno piena vista dei movimenti del partecipante.
- Verificare che i marcatori riflettenti siano fissati saldamente alla parte superiore di ogni optode nella sonda.
- Montare tutti i documenti necessari: il consenso e l'assenso copie, fogli di esame clinico, e fogli di nota sperimentali, per esempio.
2. Le misure di base
- Dopo aver completato il processo di consenso informato, la misura e l'altezza, il peso, l'età, e la circonferenza della testa del partecipante record.
- Somministrare Edinburgh Chiralità inventario 10 e altri esami clinici, come indicato. Tipi di capelli e di pelle Record partecipante ha riferito.
- Posizionare marcatori riflettenti sulle spine iliache posteriori superiori (PSIS) bilateralmente. Avere la passeggiata partecipante al loro ritmo confortevole attraverso il laboratorio 3 - 5 volte, e la velocità media in tutti gli studi per valutare la loro auto selezionata passo d'uomo.
3. Vicino funzionale Infrared Spectroscopy (fNIRS) Setup
NOTA: Questo può essere completato in contemporanea con la messa a punto di EMG e motion capture, se ci sono abbastanza sperimentatori o personale di ricerca per aiutare, e se il partecipante è comodo con più persone di essere vicino a loro, allo stesso tempo.
- Misurare la distanza tra il nasion (Nz) e la inion (Iz), e tra i punti pre-auricolari a destra (Ar) e sinistro (Al) orecchie. L'intersezione del punto medio di queste due misure è Cz, che è segnato sul cuoio capelluto con un pennarello lavabile.
- Se il partecipante ha i capelli lunghi, la sezione off piccole porzioni di capelli con trecce o code di cavallo, al fine di esporre il cuoio capelluto in cui saranno collocati optodes.
- Posizionare i fNIRS sonda su tegli la testa del partecipante, facendo attenzione ad allineare con Cz, Ar. Quindi spostare i capelli dal sotto ogni optode come viene posizionato sul cuoio capelluto. Infine, collegare le cinghie in velcro per tenere saldamente le optodes in luogo.
NOTA: In questo protocollo, utilizzare un tappo che ha una cinghia che va dietro la testa, che attraversa la fronte, e uno che va sotto il mento. Optodes sono ancorati a questo tappo con Velcro su un anello di plastica flessibile che circonda l'orecchio.- Se il partecipante ha i capelli corti (meno di circa 2 cm di lunghezza), tirare fuori i capelli tra optodes con un piccolo bastone sottile o alla fine di plastica di un pettine.
- Verificare che tutti i cavi optode sono distesi e che optodes sono approssimativamente perpendicolare alla superficie del cuoio capelluto.
- Se necessario, inserire un sottile pezzo di schiuma sotto il gruppo di cavi optode per promuovere l'allineamento ortogonale delle optodes.
- Verificare con il partecipante sul comfort delle sonde, eapportare le modifiche necessarie. Chiedere loro di raccontare le sperimentatori se il comfort diminuisce in qualsiasi momento durante l'esperimento.
- Accendere fonti e controllare i segnali.
- In questo sistema, garantire un segnale che ha un'intensità di almeno 80 dB e un battito cardiaco chiaramente visibile nel deltaOD (variazione di densità ottica) del segnale, ad entrambe le lunghezze d'onda 690 e 830 nm. Quando i canali sono segnali che non soddisfano questi criteri, verificare che i capelli non blocchi il optode (s) e quindi regolare guadagni rivelatore come necessario per massimizzare l'intensità del segnale. Assicurarsi che le telecamere motion capture sono fuori durante questo periodo.
NOTA: Altre macchine fNIRS possono operare a lunghezze d'onda differenti a 690 e 830 nm; in questo caso, controllare le lunghezze d'onda più appropriate per la macchina in uso.
- In questo sistema, garantire un segnale che ha un'intensità di almeno 80 dB e un battito cardiaco chiaramente visibile nel deltaOD (variazione di densità ottica) del segnale, ad entrambe le lunghezze d'onda 690 e 830 nm. Quando i canali sono segnali che non soddisfano questi criteri, verificare che i capelli non blocchi il optode (s) e quindi regolare guadagni rivelatore come necessario per massimizzare l'intensità del segnale. Assicurarsi che le telecamere motion capture sono fuori durante questo periodo.
- Aggiungere marcatori riflettenti per Nz, Iz, Ar, e Al. Chiedere al partecipante di tenere ancora e raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture per questi e marcatori delle fNIRS optode. Verificare chetutti gli indicatori sono stati registrati, e raccogliere prove supplementari, se necessario. Si può richiedere il partecipante di cambiare la posizione della testa per migliorare la linea di vista tra le telecamere e gli indicatori. Utilizzare questi raccolti tre posizioni tridimensionali durante l'analisi per la registrazione probabilistica dei singoli MRI strutturale di un partecipante, se disponibile.
- Aggiungere un coperchio con diversi strati di feltro nero o altro materiale otticamente assorbente sopra le fNIRS optodes per proteggere rivelatori di interferenze o di saturazione dalle telecamere motion capture. Assicurarsi che i cavi e il pannello frontale dell'unità fNIRS sono anche ben schermati utilizzando lo stesso materiale otticamente assorbente.
4. superficie elettromiografia (EMG) Setup
- Individuare il ventre muscolare di ogni muscolo mirata utilizzando punti di repere anatomici, palpazione durante la contrazione muscolare, e posizionamento degli elettrodi guida 11.
NOTA: I muscoli mirati in questo protocollo sono bilateral gastrocnemio mediale, tibiale anteriore, retto femorale, vasto laterale, bicipite femorale, estensore radiale del carpo e flessore radiale del carpo. - Prepararsi per EMG posizionamento degli elettrodi sul ventre muscolare dalla rasatura, eliminando le cellule morte della pelle con del nastro adesivo, e poi la pulizia con un panno imbevuto di alcol isopropilico, come raccomandato da SENIAM 12 e attendere che la pelle si asciughi.
- Inserire EMG elettrodo orientato alla direzione delle fibre muscolari.
- Avvolgere comodamente con un auto involucro aderente.
- Controllare i segnali muscolari sul computer durante l'esecuzione di test muscolare manuale per garantire il corretto posizionamento degli elettrodi, e chiara la visualizzazione del cambiamento di segnale quando il muscolo è attivo.
Setup Capture 5. Movimento
- Posizionare i marcatori riflettenti a punti di riferimento comuni. Questi includono mediale e malleolo laterale, mediale e laterale del ginocchio congiunta, anteriore superiore spina iliaca (ASIS), iliaca posteriore superiore della colonna vertebrale (PSIS), stiloide radiale, Syloid ulnare, medial epicondyl omerale, e laterale omerale epicondyl.
- Mettere 3 o più marcatori, o un gruppo corpo rigido di marcatori, su ogni segmento di interesse, tra cui il piede, la zampa, coscia, mano e avambraccio.
- Raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture, mentre il partecipante è in piedi ancora in una posizione standard, come ad esempio in piedi con le braccia a 90 ° di flessione della spalla e 90 ° flessione del gomito. Assicurarsi che tutti i marcatori sono ben visibili alle telecamere.
6. Gait Task
- Avere il trasferimento partecipante al tapis roulant. Assisterli sostenendo cavi i fNIRS optode e poi fissare i cavi al supporto soffitto dopo che il paziente è in posizione. Se il paziente è ad alto rischio di cadute, utilizzare un supporto imbracatura di peso corporeo per la sicurezza durante questo compito.
- Avviare il tapis roulant, lentamente costruendo per sé selezionato velocità misurata a piedi per raggiungere il partecipante agio con le condizioni previste. Poi lentamente fino a fermarsinuovo.
- Impostare il file di animazione con il feedback uditivo che cue il partecipante a uno riposare o spostare. Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di "riposo" e per camminare alla velocità impostata del tapis roulant durante il periodo di "compito", mentre ci si concentra la loro attenzione al piccolo cerchio nero sullo schermo per la durata di acquisizione dati.
- Abbassare le luci, e iniziare l'acquisizione dei dati sul computer motion capture e il computer fNIRS. Iniziare la registrazione sul videocamera.
- Utilizzando il grilletto mouse, fare clic sul pulsante di riproduzione sul file di animazione associato a questo compito. Assicurarsi che il grilletto è stato ricevuto sia dalla motion capture e sistemi NIRS.
- Passare l'immagine di un punto nero situato in linea del partecipante di vista, in modo che abbiano un punto focale per la durata della prova.
NOTA: Lo schema quadro per ogniprocesso è illustrato nella figura 2.
- Passare l'immagine di un punto nero situato in linea del partecipante di vista, in modo che abbiano un punto focale per la durata della prova.
- Monitorare le prestazioni dei partecipanti e fornire un feedback sulla velocità, o movimenti volontari estranei, se necessario.
- Alla fine dell'animazione didattico, arrestare la registrazione sul motion capture, EMG, e sistemi fNIRS, nonché la videocamera. Dare al partecipante la possibilità di riposare o cambiare posizione, se necessario.
7. bilaterale arto inferiore Ciclismo Task
- Hanno la transizione partecipante ad uno zoccolo con mobile con supporto per le gambe, avendo cura di sostenere i cavi fNIRS optode e per non urtare o rimuovere i marcatori di motion capture o elettrodi EMG. Avere un posto schiuma cuscino per migliorare il comfort durante l'esperimento.
- Sollevare il telaio ciclo in posizione e fissarlo al basamento con una cinghia.
- Fissare i piedi sui pedali e regolare la posizione del ciclo come necessario promuovere una distanza confortevole e naturale ai pedali. Ail punto più lontano del ciclo, mantengono il ginocchio di circa 10 ° di flessione.
NOTA: A questo punto, il partecipante sarà in una posizione semi-reclinata, che fornisce un supporto tronco e facilita il rilassamento durante il periodo di riposo. - Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di "riposo" e per passare a circa 60 giri durante il periodo di "compito".
- Ripetere i passaggi 6,4-6,7. Invece di passare a una immagine di un punto, il progetto di animazione del fumetto che cue il partecipante a uno riposare o passare attraverso il feedback visivo e uditivo. Massimizzare la finestra filmato in modo che il partecipante non è in grado di monitorare il tempo trascorso, o è rimasto, nel processo in corso.
8. mano Spremitura Task
- Dopo aver rimosso i piedi dal ciclo e il ciclo stesso, collocare un tavolo letto di fronte del partecipante, making Assicurarsi che le braccia di partecipanti sono supportati sul tavolo in una posizione comoda.
- Istruire partecipante di spremere un oggetto morbido circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di "compito", e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di "riposo".
- Ripetere il punto 7.5.
9. caviglia dorsiflessione Task
- Rimuovere il comodino, e aumentare la quota resto piedi del basamento fino a portare i piedi in vista del partecipante.
- Rimuovere scarpa del partecipante e calzino, e sostituire i marcatori piede in posizioni adeguate. Sostenere il vitello appena sopra la caviglia con un tappetino in gomma per consentire caviglia movimento articolare.
- Istruire il partecipante al dorsiflex loro caviglia circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di "compito", e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di "riposo".
- Ripetere il punto 7.5.
10. Conclusione del ProProtocollo
- Togliere il tappo e controllare la pelle per le zone di pressione o arrossamenti.
- Rimuovere tutti i marcatori riflettenti e unità EMG.
- Ringrazio il partecipante per il loro tempo e invitare il loro contributo circa l'esperienza soggettiva del protocollo. Questo può essere un questionario formale (usati per Garvey e colleghi per la stimolazione magnetica transcranica 13), o una discussione informale per individuare le fonti più comuni di disagio che potrebbero essere migliorati in futuro.
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Risultati
Questo protocollo coordina contestuale acquisizione di 3 modalità di catturare il flusso di sangue al cervello, attività muscolare elettrica, e il movimento cinematico di articolazioni mentre un partecipante esegue compiti motori (Figura 1).
Figura 1. posizione della sonda. La parte sinistra di questa figura mostra la posizione approssimativa ...
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Discussione
Collezione contemporanea di attività cerebrale dalle zone mirate della corteccia e dei dati quantitativi su come una persona si muove presenta un enorme potenziale per migliorare la nostra comprensione del controllo neurale del movimento, sia in una popolazione in genere in via di sviluppo, così come quelli con disturbi del movimento. C'è anche una vasta applicazione in termini di età e di attività di spostamento che potrebbero essere completati, in quanto i partecipanti non si limitano ad una posizione supina come ...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Questo progetto è stato finanziato dal Programma di Ricerca Intramurale presso il National Institutes of Health Clinical Center. Ringraziamo le utili discussioni con il Dr. Thomas Bulea, PhD e Laurie Ohlrich, PT per perfezionare le procedure presentate in questo protocollo. Muyinat W. Osoba e Andrew Gravunder, MS hanno assistito alle animazioni.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Macchina CW6 | TechEn | http://nirsoptix.com/ | fNIRS con numero variabile di sorgenti e rivelatori, a seconda del numero di moduli inclusi |
| Sistema MX con dieci telecamere della serie T40 | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Regno Unito | http://www.vicon.com/System/TSeries | Telecamere per la cattura del movimento |
| Marcatori riflettenti da 4 mm | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Regno Unito | Marcatori utilizzati dalle telecamere di motion capture per localizzare gli optodi fNIRS, Ar, Al, Nz e le coordinate manuali. | |
| Marcatori riflettenti da 9,5 mm | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Regno Unito | Marcatori utilizzati dalle telecamere di motion capture per localizzare le coordinate di braccia e gambe. I cluster vengono utilizzati per i segmenti degli arti e i marcatori con offset vengono utilizzati per PSIS e Iz per migliorare l'affidabilità nell'acquisizione dei dati. | |
| Sistema EMG wireless Trigno | Delsys, Inc. Natick, MA | http://www.delsys.com/products/wireless-emg/ | Elettromiografia |
| Bertec tapis roulant strumentato a cinghia divisa | Bertec Corporation, Columbus, OH | http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html | Tapis roulant |
| ZeroG sistema di supporto del peso corporeo | Aretech, LLC, Ashburn, VA | http://www.aretechllc.com/overview.html | Binario e carrello passivo utilizzati per sostenere i cavi, l'imbracatura può essere utilizzata per la sicurezza del paziente durante le prove di deambulazione |
| 3DS Max 2013 | Autodesk, Inc., San Francisco, CA | Software di | animazione 3D http://www.autodesk.com/ utilizzato per animare gli animali per i video didattici |
| Windows Movie Maker | Microsoft Corporation, Redmond, WA | http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker | software utilizzato per combinare filmati di animazione con musica |
| Audacity | open source | http://audacity.sourceforge.net/ | Software utilizzato per modificare il ritmo musicale alla cadenza appropriata |
Riferimenti
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