방법 논문

발 마비 환자의 기능적 자기 공명 영상 평가를 위한 발 유도 디지털 제어 저항 장치의 사용

DOI:

10.3791/64613

⸱

2023년 7월 7일

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1Medical Device & Simulation Laboratory, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, 2Harvard Medical School, Harvard University, 3NMR Surgical Laboratory, Department of Surgery, Shriners Children’s Boston, Massachusetts General Hospital, 4Athinoula A. Martinos Center of Biomedical Imaging, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, 5Medical Physics Laboratory, Faculty of Medicine, University of Ioannina

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

만성 뇌졸중 환자의 보험 재활은 일반적으로 시간이 제한되어 있습니다. 보행 관련 운동 작업으로 인한 뇌 활동에 대한 이미징 기반 연구는 개선된 결과를 측정하고 맞춤형 치료를 확장하는 것을 정당화하기 위한 바이오마커를 확립하는 데 도움이 될 수 있습니다. 새로운 자기 공명(magnetic resonance)과 호환되는 가변 저항 발 모션 장치와 기능적 자기 공명 영상(functional magnetic resonance imaging)에 사용하기 위한 프로토콜이 제시됩니다.

초록

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뇌졸중으로 인한 신경학적 결손은 보행에 영향을 미치는 것을 포함하여 장기적인 운동 장애를 초래할 수 있습니다. 그러나 뇌졸중 후 광범위한 재활은 일반적으로 시간이 제한되어 있습니다. 추가 물리 치료로 의미 있는 혜택을 받을 수 있는 환자를 식별하고 개선을 입증하기 위해 예측 바이오마커를 확립하는 것은 환자의 삶의 질을 향상시키는 데 중요합니다. 영향을 받은 부위의 신경소성 리모델링과 적절한 운동 작업을 수행하는 동안 흥분된 활동 패턴의 변화를 감지하는 것은 만성 뇌졸중 회복에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 이 프로토콜은 디지털 방식으로 제어되는 자기 공명 호환 발 유도 로봇 장치(MR_COFID)를 사용하여 기능적 자기 공명 영상(fMRI) 중 보행 장애가 있는 뇌졸중 영향을 받은 피험자에게 궤적을 따라가는 것과 관련된 개인화된 발 운동 작업을 제공하는 것을 설명합니다. 이 작업에서 발 굴곡은 양방향 저항력에 대해 수행되며, 이는 시각적 메트로놈을 따르면서 배측 굴곡과 발바닥 굴곡 방향 모두에서 피험자의 강도에 맞게 조정됩니다. fMRI는 내인성 디옥시헤모글로빈을 조영제로 비침습적으로 사용하여 검사 중 활성 기간과 휴지 기간 사이의 혈중 산소 농도 의존적(BOLD) 변화를 감지합니다. 반복적인 주기적 검사를 통해 작업 수행 중 흥분 패턴의 치료 관련 변화를 감지할 수 있습니다. 이 기술의 사용은 현재 뇌졸중 환자에게 제공되는 것 이상으로 개인이 재활의 혜택을 받을 가능성을 나타낼 수 있는 바이오마커를 식별하고 측정하기 위한 데이터를 제공합니다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

뇌의 기능적 및 구조적 영상에서 도출된 정량적 측정법의 사용은 임상점수를 평가하는 것보다 뇌졸중 치료의 진행 상황을 추적하고 결과를 예측하는 데 더 유용하고 효과적일 수 있으며, 이러한 정량적 측정법은 개별화된 치료 계획을 설계하고 개선하는 데 유용할 수 있다 1,2. 운동 훈련을 측정 가능한 신경 활동의 재조직 및/또는 운동 기능 개선과 연관시키는 효과적이고 개인화된 전략을 개발하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 이전 연구에서는 만성 뇌졸중을 앓고 있는 환자의 기능적 신경 영상 방법과 뇌 매핑이 어떻게 이러한 변화를 보여줄 수 있는지에 대한 통찰력이 개발되었습니다 3,4,5,6,7,8. 환자의 자급자족 및 삶의 질에 핵심인 손 잡기 성능과 관련된 뇌 기능에 대한 조사는 이 기술이 신경 활동의 해당 지형 패턴과 기능 회복의 평가를 통해 보행 관련 발 동작 제어에도 적용될 수 있다는 기대로 이어졌습니다. MRI를 기반으로 한 부상 기능 지도를 통합하면 임상 평가보다 신경학적 결함을 더 정확하게 특성화하는 데 도움이 될 수 있으며9 로봇 장치를 사용하는 것이 기존 패러다임10보다 뇌 회복에 더 효과적일 수 있다고 가정되었습니다. 기능 지도는 시스템의 어느 부분이 기능하고 있는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있으며, 이를 통해 임상 관찰에서 분명하지 않은 정보를 제공할 수 있습니다11. 뇌졸중 환자를 위한 MRI를 통한 발 움직임 및 근력 재활의 성공은 다른 신경학적 질환을 가진 더 많은 인구를 위한 MRI 지표를 기반으로 하는 맞춤형 치료 전략의 개발을 촉진할 것입니다.

여기에 제시된 연구에서는 뇌졸중 후 운동 기술 훈련이 뇌 기능에 미치는 영향을 조사하기 위해 fMRI 스캔 중 MR 호환 발 유도 로봇 장치(MR_COFID 또는 발 장치)의 사용에 대해 설명합니다. 이 조절 저항 발 장치를 개발하게 된 동기는 뇌졸중 환자의 발 동작 재활에 대한 중요한 미충족 요구였습니다. 가정 및 사무실 기반 교육과 교육 활동에 대한 응답에 대한 MR 기반 모니터링에 적합한 시스템을 구축하면 교육 및 평가 측면에서 이전의 제한 사항을 해결하는 통합 접근 방식을 만들 수 있습니다.

MR_COFID(그림 1A)는 이전의 자기 공명 호환 수동 유도 로봇 장치(MR_CHIRODv2)8,12를 개조한 것으로, 전기 유변 유체(ERF) 액추에이터를 사용하여 피험자가 핸들 메커니즘을 잡고 쥐는 것에 반응하여 동적으로 제어되는 저항력을 제공합니다. ERF 액추에이터(그림 1B)는 유체로 채워진 양방향 피스톤으로, 피스톤의 한쪽에 있는 ERF가 피스톤 동작에 의해 채널의 한 쌍의 전극 사이에서 흐르도록 강제되어 유체를 피스톤의 다른 쪽으로 되돌립니다. 전극에 고전압(HV)이 가해지면 비전도성 실리콘 오일의 입자가 정렬되어 기계적으로 서로 결합하여 유체의 점도와 장치의 운동 저항을 증가시킵니다. 핸드 그립 장치에서 액추에이터는 그립 핸들, 로드셀에 직접 연결되어 적용된 힘을 측정하고 광학 인코더에 연결하여 핸들의 변위를 측정합니다. 새로운 발 장치는 크랭크 슬라이더 메커니즘을 사용하여 그립 장치의 선형 동작을 배측 굴곡 및 발바닥 굴곡에서 발의 각도 변위로 변환합니다(그림 1C). ERF 액추에이터의 저항력은 발목 관절에 대한 저항 토크에 거의 비례하여 변환됩니다. 페달의 크랭크 모션은 메인 액추에이터 축에 수직인 벡터에 대해 대칭이므로 크랭크 각도와 사인이 작은 각도에 대해 거의 동일하다는 근사치를 활용합니다. ERF는 저항력만 가할 수 있기 때문에 시스템은 본질적으로 안전합니다. 액추에이터는 발을 능동적으로 밀거나 당길 수 없으며 피사체가 움직임을 멈출 때 힘이 0으로 떨어집니다. 발 장치의 최대 발바닥 굴곡은 35°이고 최대 배측 굴곡은 18°입니다. 이 값들은 정상적인 보행 및 체중을 견디지 않는 조건13,14 동안 발의 운동 범위 내에 있고, 다른 연구15에서 사용된 값과 거의 동일하며, 예비 테스트에서 부상의 영향을 받은 쪽에서 뇌졸중 피험자의 운동 범위를 충족하거나 초과하고 다음을 통해 사용 가능한 저항력을 최대화할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 선형-각도 전달 메커니즘. 원래의 그립 장치와 추가 발 모션 메커니즘은 MR 안전을 위해 비철 재료(플라스틱, 알루미늄, 황동)로 제작되었습니다.

ERF 액추에이터는 유체 점도를 변경하기 위해 자기장이 아닌 가변 전기장을 사용하므로 MR 스캐너의 자기장에 영향을 받지 않습니다. ERF 액추에이터는 동축 HV 케이블의 차폐 도체에 연결된 원통형 구리 쉘 내에 둘러싸여 있습니다. 이 케이블은 차례로 MR 스캐너의 패러데이 케이지의 관통 패널에 접지됩니다. 이렇게 하면 액추에이터에 가해지는 가변 전압으로 인한 잠재적인 무선 주파수 잡음이 스캐너에 영향을 미치는 것을 방지하고 스캐너의 가변 자기장이 케이블에 전류를 유도하여 ERF 점도를 변경할 수 있는 것을 방지합니다. HV 케이블은 관통 패널 외부에서 HV 증폭기로 이어집니다. 동축 MHV(소형 고전압) 커넥터가 사용되며, 이 커넥터는 최대 4kV의 전압을 전달할 때 추가적인 안전성을 제공합니다(그림 2).

광학 엔코더와 로드 셀의 별도 케이블에는 관통 패널에 접지된 실드가 있어 신호(특히 엔코더 채널의 디지털 신호)가 스캐너 또는 소전압 로드셀 출력에 영향을 미치지 않도록 합니다. 관통 패널 외부의 차폐 및 접지 케이블은 데이터 수집(DAQ) 모듈로 신호를 전달합니다. 온도 보상 휘트스톤 브리지를 사용하는 로드 셀의 출력은 DAQ의 아날로그 입력 단자에 부착된 계측 증폭기에 의해 증폭되어 1,000배 증폭 계수를 제공합니다.

DAQ 모듈은 Lua 스크립팅 언어(Supplemental Coding File 1)를 사용하여 펌웨어를 실행합니다. DAQ 모듈에 로드된 스크립트는 500Hz의 루프 속도로 실행되며, 모듈은 인코더 및 증폭된 로드셀 신호를 읽고, 센서 판독값을 길이 및 힘 값으로 변환하고, m 파일 사용자 인터페이스(UI; 그림 3) 호스트 랩톱에서(Supplemental Coding File 2). 호스트 노트북은 필요할 때 배측 굴곡 및 발바닥 굴곡, 폐쇄 루프 컨트롤러 파라미터 및 인코더 재설정 명령에 대한 목표 하중 값을 DAQ 모듈의 추가 메모리 레지스터로 보냅니다. DAQ 스크립트는 페달 동작 방향을 감지하여 배측 굴곡 또는 발바닥 굴곡 중 어떤 힘을 가할지 결정하는 제어 루프를 실행합니다. 그런 다음 HV 증폭기의 허용 입력 범위인 0V와 4V로 제한된 측정된 하중 값과 목표 하중 값 간의 차이에 비례하는 출력 전압을 계산합니다. ERF는 적용된 전기장의 크기에 반응합니다. 전압을 역전시켜도 점도가 전원이 공급되지 않은(전기장 없음) 유체의 점도 이하로 감소하지 않으므로 DAQ 출력은 최소 0V로 제한됩니다. DAQ는 아날로그 전압을 양자화(12비트 해상도) 및 샘플링(500Hz)하여 HV 증폭기에 대한 계단 출력을 생성하며, 이는 각 단계의 급격한 변화로 인해 HV 출력에서 고주파 구성 요소를 유발할 수 있습니다. HV 증폭기는 각각 35kHz 및 8kHz의 크고 작은 신호 대역폭을 가지므로 스캐너에서 감지할 수 있는 RF 노이즈가 생성될 가능성을 줄이기 위해 DAQ 출력은 약 900Hz에서 -3dB 주파수의 1차 RC 필터를 사용하므로 더 높은 주파수가 거의 제거됩니다. 또한, 풋 장치는 침대 발치 근처의 스캐너 보어 외부에 위치하여 장치 센서, 액추에이터 및 스캐너 간의 상호 작용을 더욱 최소화합니다. 1,000V/V의 이득과 4kV의 피크 출력을 가진 증폭기는 최대 4kV/mm의 ERF 갭을 가로질러 자기장을 생성합니다. ERF 유체의 항복 전압은 공급업체에 의해 보고되지 않지만 점도 및 기타 매개변수는 이 수준까지 설명됩니다. ERF 실린더는 완전히 전원이 공급되고 목표 속도로 움직일 때 200N보다 약간 더 많은 힘을 가할 수 있습니다. 커넥팅 로드가 페달에 연결되는 모멘트 암 길이는 56mm이므로 최대 토크는 약 11.2Nm입니다. 이것은 발 마비가 있는 피험자에게 충분합니다. 그러나 강하고 건강한 피험자에 의해 압도될 수 있습니다. 하드웨어 구성 요소는 Table of Materials(재료 표)에 나열되어 있습니다.

발 장치의 사용은 초기 손 그립 장치 3,4,5,6,7,8,16 및 기타 작업 11,17,18로 개발된 교육 및 테스트 패러다임을 기반으로 합니다. 발표 당시 이 장치는 MR 이미징 및 정량적 성능 평가를 통해 치료 중심의 신경 가소성 변화를 연구하기 위해 발 관련 결함이 있는 만성 뇌졸중 환자와 함께 사용되었습니다.

아래 프로토콜에 설명된 바와 같이, 스캔을 받는 피험자는 스캐너 침대에 누워 누워 있으며, 그들의 머리는 스캐너의 헤드 코일 내에서 고정되어 스캐너의 등심점에 위치합니다. 발 장치는 피험자의 실험된 다리가 곧게 펴지고, 발이 장치의 해당 페달에 묶이도록 배치되고 고정된다. 이러한 방식으로 발목을 구부려도 장치를 밀거나 당기지 않아 코일 내에서 헤드의 위치가 이동할 수 있습니다. 거울 프레임은 피험자의 눈 앞에 위치하여 운동 작업에 대한 지침과 시각적 단서를 표시하는 프로젝션 스크린을 볼 수 있도록 합니다.

작업 중에 피험자는 휴식 시간 동안 "+" 기호를 보거나 테스트 중에 시각적 메트로놈을 보며, 한 원은 화면(대상)에서 위아래로 움직이고 다른 원은 장치의 발 페달 위치(커서; 그림 4). 피험자들은 목표물의 움직임을 면밀히 따라가도록 요청받는다. 목표 속도는 장치의 전원이 공급되지 않은 점성 반력(점성력은 속도가 증가함에 따라 증가함)이 컴퓨터 제어 하에 증가된 힘이 가해짐에 따라 모든 피험자가 이를 극복할 수 있을 만큼 충분히 낮도록 결정됩니다.

로보틱스는 쉽게 배포할 수 있고, 다양한 운동 장애에 적용할 수 있으며, 높은 측정 신뢰성을 가지고 있으며, 고강도 훈련을 제공할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다10. 이 ERF 기반 장치는 피험자에게 디지털 방식으로 제어되는 저항력을 전달하며, 이 장치는 비철/비자성 부품과 결합할 때 MR 안전할 뿐만 아니라 접지 및 차폐 전자 장치12를 사용하기 때문에 MR 호환이 가능합니다. 휴대가 간편하고 사용이 비교적 간편하다는 점에서 관련 장치에 비해 장점이 있어 임상 환경과 가정에서 모두 사용할 수 있으며, 여행이나 임상 시설과 관련된 비용 없이 정기적인 치료를 수행할 수 있습니다. 이 장치는 발바닥 굴곡 및 배측 굴곡에서 컴퓨터로 제어되는 시간에 따라 변하는 저항을 생성하여 환자 맞춤형 재활 루틴을 쉽게 만들 수 있으므로 상업적으로 이용 가능한 재활 장치 분야의 격차를 해소할 수 있습니다.

다른 연구 장치가 존재하지만 여러 가지 이유로 본 연구에 적합하지 않습니다. 일부 장치는 정적이며, 피험자의 운동 범위(RoM)가 아닌 등척성으로19 가해지는 힘을 측정합니다. 탄성 기반 장치는 RoM에 대한 일정한 저항이 아니라 변위가 증가함에 따라 증가하는 힘을 가하며 힘 수준20,21,22를 변경하려면 수동으로 조정해야 합니다. 고정 분동과 중력 하중15,23의 사용은 하중의 컴퓨터 제어 또는 발바닥 굴곡 및 배측 굴곡에 대한 다른 하중을 허용하지 않습니다. 공압 장치 24,25,26은 테스트 간의 힘 변화와 RoM 전체에 걸쳐 일정한 힘을 허용합니다. 그러나 밸브는 스캐너에서 멀리 떨어져 배치해야 하므로 일반적으로 이 장치는 발 방향을 변경할 때 발바닥 굴곡과 배측 굴곡력 사이를 빠르게 전환할 수 없으며 ERF 액추에이터의 주파수 응답 기능을 갖지 못합니다. 전자기 모터는 스캐너 환경에서27 사용할 수 있지만 MR 안전성과 호환성을 유지할 수 있을 만큼 메커니즘을 충분히 확장해야만 가능하므로 모터 구성 요소가 보어에 너무 가까이 다가갈 경우 휴대성이 제한되고 사고 위험이 증가합니다. 유압장치(28)는 상이한 힘 레벨에서 양방향일 수 있지만, 압축기/구동기(일반적으로 MR과 호환되지 않음)가 보어로부터 멀리 떨어져 있어야 한다는 점에서 전자기 모터의 사용과 유사한 도전을 가지고 있으며, 따라서 휴대성 및 주파수 응답을 제한한다. 유압장치는 ERF 시스템(29)과 결합되어 시스템이 엔드 이펙터(풋 또는 그립 장치)를 역구동하고 등척성 저항을 제공할 수 있습니다. 그러나 이 기능은 본 연구에 필요하지 않았으며 MR과 호환되지 않는 유압 모터를 사용하는 비용으로 추가되었습니다.

발 장치는 다음을 가능하게 하는 기능의 조합을 제공합니다: 장기간에 걸친 정확하고 일관된 치료적 발 조절 운동; 피험자의 현재 운동 수행 능력의 측정 및 재활이 진행됨에 따른 과제 난이도의 조정; 발바닥 굴곡(plantar flexion)과 배측 굴곡(dorsiflexion) 모두에서 적용된 힘의 실시간 제어 및 독립적인 조정; 수동 조정을 위한 중단 없는 저항력의 원격 제어 및 조정; MR 안전성 및 호환성.

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프로토콜

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모든 실험은 매사추세츠 종합병원의 기관 검토 위원회(Institutional Review Board)의 승인을 받았으며 Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging에서 승인된 대로 수행되었습니다. 비식별화된 데이터의 사용 및 공유에 대한 피험자의 동의를 얻었습니다.

참고: 본 연구에서 포함 기준은 다음과 같습니다: (1) ≥6개월 전에 발생한 허혈성/MCA 뇌졸중으로 인한 다리 움직임이 잔존하는 오른쪽 또는 왼쪽 편마비; (2) FAC(Functional Ambulation Category)점수 4-5점 중 30 점(피험자는 계단/고르지 않은 표면을 탐색하기 위해 또는 보조자의 도움 없이 보조자와 함께 보행함); (3) NIHSS(National Institutes of Health Stroke Scale)31 점수 5-14(경증/중등도); (4) 5분 동안 서서 10m를 걸을 수 있는 능력; (5) 18-80세. 초기 테스트 후, 피험자가 마비된 발로 최소 5°의 움직임을 통해 페달을 움직일 수 있는지 확인하는 것과 관련된 추가 기준이 포함되었습니다. 인구 통계, 뇌졸중 위험 요인, 물리치료/작업치료 기간, 급성기 동안의 입원 기간, 약물 사용, 병발성 감염 및 합병증에 대한 데이터를 수집했다.

1. 과목 심사 및 준비

  1. 모집하는 동안 잠재적인 피험자를 만나 마비된 발로 장치의 페달을 움직이는 능력을 테스트합니다.
    1. 장치의 발 페달에 각 피험자의 발이 잘 맞는지 확인하십시오. 발이 작은 피험자의 경우 MR에 안전한 운동화나 이와 유사한 신발을 신었을 때 발의 핏을 테스트합니다.
    2. 장치에 전원이 공급되지 않은 상태에서 최소 5° 동작 범위를 통해 페달을 움직일 수 있는 충분한 힘을 행사할 수 없는 피험자는 연구에서 제외되어야 합니다.
  2. 도착하기 전에, 피험자들에게 사전 심사 중에 필요하다고 판단되는 경우 테스트된 신발을 가져오도록 지시합니다. 주제 정보를 기록하고 기관 프로토콜에 따라 정보에 입각한 동의를 얻습니다.
  3. 각 검사일마다 MR 시설 정책에 명시된 대로 피험자에 대한 금기 사항을 선별합니다. 자극 및/또는 작열감의 가능성이 있는 문신이 있는 피험자의 경우 서명된 면제 및 기타 시설별 면제를 받습니다.
  4. 피험자에게 시설에서 승인한 가운/바지로 갈아입고 스캐너실로 불려갈 때까지 기다리라고 지시한다. 시설 정책에 따라 대상의 소지품을 보관한다. 필요하다고 판단되면, 피험자에게 신발을 신으라고 지시한다.

2. 제어 저항 발 장치의 설정

참고: 2.1-2.3 단계의 완료는 피험자가 도착하기 전에 이루어질 것을 권장합니다.

  1. MRI 지원실에서 설정
    1. DAQ 모듈이 부착된 HV 증폭기 장치를 관통 패널에 가까운 바닥에 놓습니다. AC 전원 코드를 벽면 콘센트에 꽂고, HV 동축 케이블을 HV ampliifier 단자와 관통 패널의 MHV 동축 플러그에 꽂고, 센서 케이블을 관통 패널의 해당 플러그에 꽂습니다. HV의 주 전원 스위치를 켭니다 amp리퍼.
    2. USB 케이블의 USB B 플러그를 DAQ 모듈에 연결하고 케이블의 USB A 플러그를 USB 리피터 케이블에 꽂습니다. MRI 지원실에서 MRI 제어실로 USB 중계기 케이블을 배치하고 필요에 따라 접착 테이프를 사용하여 케이블을 바닥에 고정하여 직원이나 피험자가 시설을 돌아다니는 것을 방지합니다.
    3. 스캐너 룸 프로젝터를 활성화합니다.
  2. MRI 제어실에서 설정
    1. 풋 디바이스 호스트 노트북을 MRI 스캐너 인터페이스 옆에 놓고 전원 공급 장치를 연결한 다음 노트북의 전원을 켭니다. MATLAB 응용 프로그램을 시작하고 UI(사용자 인터페이스) 프로그램을 불러옵니다.
    2. MRI 스캐너 버튼 박스/트리거 신호 USB 케이블, 스캐너 룸 프로젝터 케이블 및 USB 리피터 케이블을 노트북에 연결합니다.
    3. 이전에 설정하지 않은 경우 기본 창이 기본 랩톱 창의 오른쪽에 있는 프로젝터 화면으로 확장되도록 랩톱 모니터 설정을 조정합니다. 마우스 포인터를 랩톱 기본 창의 오른쪽 밖으로 이동하고 프로젝터 화면의 시야로 이동하는지 확인합니다. 마우스 포인터를 주 창으로 다시 이동합니다.
      알림: 트리거 신호 및 프로젝터 케이블 형식은 시설마다 다를 수 있습니다. 비디오 어댑터 또는 이와 유사한 장치가 필요할 수 있습니다.
  3. 스캐너실에서 설정
    1. 스캐너 테이블이 스캐너 보어에서 완전히 벗어나 완전히 내려갔는지 확인합니다.
    2. 헤드 코일을 스캐너 테이블의 해당 슬롯에 장착합니다. 코일의 상단 부분을 제거하고 측면에 놓습니다. 스캐너 테이블 쿠션과 헤드 코일의 아래쪽 부분을 병원 침대 시트로 덮습니다.
    3. 프로젝터 스크린을 스캐너 테이블의 반대쪽 끝에 있는 구멍에 장착합니다.
    4. 두 쌍의 황동 장착 나사를 스캐너 테이블의 발 끝 쪽에 있는 코일 장착 슬롯에 삽입하고 나사 쌍 사이에 발 장치를 놓습니다. 플라스틱 고정 브래킷을 풋 장치의 베이스 플레이트에 있는 나사와 맞춤 구멍에 느슨하게 부착합니다(그림 1A).
    5. 센서와 HV 케이블을 관통 패널의 플러그에 연결합니다. 케이블이 테이블 주위에 감겨 있지 않거나 테이블을 스캐너 구멍으로 이동할 때 끼이거나 엉킬 위험이 없는지 확인하십시오. 센서와 HV 케이블이 풋 장치와 관통 패널 사이에 고리 없이 연장되어 있는지 확인하십시오.
    6. 제어실에서 UI 프로그램을 시작하고(m-file 스크립트 실행) UI에서 확인 메시지를 관찰하여 호스트 랩톱과 DAQ 모듈 간에 통신이 설정되었는지 확인합니다(그림 3).
    7. OK 버튼을 클릭하여 초기 UI 대화 상자에서 기본 힘 수준 비율을 수락합니다. 확인 대화 상자가 나타나고 해제될 때까지 기다리며 초기 힘 및 변위 라이브 그래프 창이 나타날 때까지 기다립니다.
    8. 한 직원이 발 장치의 페달을 동작 범위를 통해 움직이고 다른 직원이 힘 및 변위 트레이스를 관찰하는 동안 변위 트레이스가 -35°에서 +18°로 또는 그 반대로 이동하고 포스 트레이스가 배측 굴곡 방향의 움직임에 대한 양의 힘, 발바닥 굴곡 방향의 움직임에 대한 음의 힘을 보여주는지 확인합니다. 정지 시 0으로 돌아갑니다. 이를 통해 센서, DAQ 모듈, HV 증폭기 및 ERF 액추에이터의 기능을 확인할 수 있습니다(그림 3A).
    9. 신호가 정상으로 나타나면 라이브 그래프 창에서 계속 을 클릭한 다음 확인 대화 상자에서 종료 버튼을 클릭합니다. 그렇지 않은 경우 케이블 연결 및 전원 연결을 확인하고 필요에 따라 설정 단계를 다시 실행하십시오.
  4. 피사체 및 발 장치 정렬
    1. 대기실에서 스캐너실로 피험자를 호위합니다. 시설 정책에 따라 금속 스크리닝을 수행하여 보고되지 않은 물체 또는 임플란트를 확인합니다. 피험자에게 보호용 귀마개를 제공하십시오.
    2. 피험자에게 탁자 위에 앉은 다음 머리를 머리 코일의 아래쪽 부분에 끼우고 누워 눕도록 지시합니다. 필요에 따라 지원을 제공합니다. 피사체의 머리와 머리 코일의 벽 사이에 패딩을 끼워 이미징 중에 머리의 움직임이 방지되도록 합니다.
    3. 피험자에게 다리를 곧게 펴라고 지시합니다. 발 뒤꿈치(또는 신발 뒤꿈치)가 발 장치의 발 안착에 놓일 때까지 발 장치를 피사체 쪽으로/멀리 움직입니다. 페달의 메인 피벗을 피사체의 발목에 맞추도록 추가로 조정합니다.
    4. 플라스틱 고정 브래킷과 플라스틱 날개 너트를 사용하여 발 장치를 제자리에 고정합니다.
    5. 피험자에게 페달에서 테스트 중인 발을 제거하고 발 장치에서 약간 근접하게 놓으라고 지시합니다. 필요에 따라 베개로 테스트되지 않은 다리를 지지합니다. 테스트된 발을 벨크로 고정 스트랩으로 발 장치 페달에 고정하고 피험자의 발볼(또는 피험자의 신발 앞쪽)이 페달에 닿도록 합니다.
      참고: 현재 연구에서는 비대조군(뇌졸중) 피험자를 대상으로 뇌졸중에 영향을 받은 발을 먼저 테스트했습니다. 영향을 받은 발에 대한 테스트가 완료된 후 해당 발을 페달에서 제거하고 영향을 받지 않은 발을 2.4.5단계와 동일한 프로세스를 사용하여 해당 페달에 장착했습니다.
    6. 피험자에게 전구 짜기 경보 장치를 제공하고, 전구를 짜서 테스트하도록 지시하고, 피험자에게 기술자와 의사소통을 하기 위해 언제든지 전구를 짜낼 수 있음을 상기시킨다.
    7. MR 테이블을 최대 높이로 올려 피사체가 미러 어셈블리를 통해 프로젝션 스크린을 볼 수 있도록 합니다.
    8. 헤드 코일의 상부를 설치하고 헤드 코일 위에 미러 어셈블리를 장착합니다. 피험자가 거울에서 프로젝터 화면을 명확하게 볼 수 있는지 확인하십시오.

3. 피험자 강도 테스트

  1. UI를 다시 시작합니다. 기본 하중 수준 비율을 수락하거나 연구 프로토콜에 필요한 경우 조정하고 위와 같이 확인 버튼을 클릭합니다. 힘/변위의 흔적이 나타나면, 피험자에게 실험된 발을 배측 굴곡 방향으로 가능한 한 멀리 움직이게 하고 완전한 족저 굴곡 상태로 3회 복귀하도록 지시한다. 변위 및 힘 추적이 위와 같이 법적으로 나타나는지 확인합니다. 이것은 테스트를 위한 동작 범위를 설정하며, 이는 발 장치의 전체 범위보다 작을 수 있습니다(그림 3A).
  2. 결과가 만족스러우면 라이브 그래프 창에서 Continue 를 클릭하고 확인 대화 상자에서 Yes - Proceed 를 클릭합니다. 피험자가 굴곡 지침을 올바르게 따르지 않은 경우 No-Retry 를 클릭하십시오. 또는 다른 문제가 있는 경우 Go to Shut down(종료로 이동 )을 클릭하고 필요에 따라 문제를 해결합니다.
  3. 날짜/시간 확인 대화 상자가 표시되면 대화 상자에서 예 - 진행 을 클릭하거나, 다른 파일 이름 또는 종료를 원하는 경우 다른 옵션을 클릭합니다.
  4. 피험자에게 테스트된 발을 완전한 족저 굴곡으로 움직이도록 지시하고 확인 대화 상자에서 확인을 클릭합니다. 명령/메트로놈 창이 나타납니다( 그림 3 참조). 마우스를 사용하여 이 창을 프로젝션 화면의 시야로 드래그하고 확인을 클릭하여 이 작업이 완료되었는지 확인합니다.
  5. 피사체에 대한 지침이 프로젝터에 표시되는지 확인합니다. 피험자의 발이 발바닥 굴곡 상태를 완전히 유지하는지 확인하고 해당 대화 상자에서 OK 를 클릭합니다. UI 그래프가 동력계 디스플레이로 변경되어 저항력 설정값이 표시됩니다.
  6. 위에서 설명한 시각적 메트로놈은 일정한 속도로 화면에서 위 또는 아래로 움직이는 단단한 대상 원과 발 장치 페달 위치에 의해 제어되는 열린 원형 커서와 함께 프로젝션 스크린에 나타납니다. 피험자에게 발을 움직여 커서가 대상의 움직임을 밀접하게 따르도록 지시합니다. 피험자가 목표물을 따라가면서 전체 동작 범위를 성공적으로 이동할 수 있는 경우 라이브 그래프에서 (Fd, Fp) + 10 을 클릭하여 배측 굴곡과 족저 굴곡 모두에 대한 힘 설정점을 높입니다(그림 3B).
  7. 피사체가 메트로놈 움직임을 계속해서 정확하게 추적하는지 관찰합니다.
    1. 그렇다면 (Fd, Fp) + 10 을 다시 클릭하여 두 힘 설정점을 모두 높입니다. 배측 굴곡을 완료할 수 없지만 족저 굴곡이 목표 동작을 계속 따르는 경우 (Fd, Fp) - 10 을 한 번 클릭하고 Fp + 10 을 두 번 클릭하여 배측 굴곡 저항력을 한 단계 줄이고 족저 저항을 한 단계 증가시킵니다.
    2. 배측 굴곡력이 설정되었지만 피험자가 더 이상 발바닥 굴곡에서 메트로놈을 추적할 수 없는 경우 Fp - 10 을 한 번 클릭한 다음 라이브 그래프 창에서 계속 을 클릭합니다. 현재 하중 수준은 테스트 단계에서 적용되는 비례적으로 감소된 힘에 대한 기준점으로 UI 프로그램에서 사용됩니다.
    3. 족저 굴곡력 설정점이 발 장치의 최대 설정에 도달한 경우 라이브 그래프에서 Continue 를 누르고 계속 진행합니다.
      알림: 3.7.3단계는 일반적으로 정상적인 다리 힘을 가진 대조군과 영향을 받은 사지의 강도에 집중하도록 설계된 장치의 기능을 초과하기 때문에 뇌졸중 피험자의 영향을 받지 않은 사지에 대해 발생합니다.
    4. 나중에 참조할 수 있도록 힘 설정점(힘 추적 플롯의 오른쪽에 표시)을 기록합니다. 예 - 계속 을 클릭하고, 아니요 - 다시 테스트를 클릭하여 반복하거나, 다른 문제가 있는 경우 종료 를 클릭합니다. 피험자에게 실험된 발을 발바닥이 완전히 변위된 상태로 움직인 다음 긴장을 풀도록 지시합니다.
  8. 스퀴즈 전구의 사용, 스캔 순서 및 피험자와의 작업을 검토하고 스캔을 시작하기 전에 피험자가 가질 수 있는 모든 질문에 답합니다.
  9. 이 단계에서 피험자에게 눈을 감으라고 지시합니다. 스캐너의 랜드마크 레이저 라인을 사용하여 헤드 코일/피험자의 머리 위치를 찾습니다. 스캐너 구멍 내에서 피험자의 머리가 중앙에 오도록 테이블을 이동합니다. 직원에게 스캐너실을 나가게 하고 문을 닫게 합니다.

4. MRI 스캔 세션 및 발 장치 작업 실행

  1. 피험자에 대한 시설별 등록을 수행하고 스캔 프로토콜을 로드합니다. 피험자에게 해부학적 스캔 순서가 시작될 것이며 프로토콜의 이 부분 동안 긴장을 풀 수 있음을 알리고, 이해도를 확인하기 위해 전구를 짜내라고 지시합니다. 해부학적 스캔을 시작하고 완료될 때까지 기다립니다.
  2. UI에서 제공하는 대화 상자 창의 지시에 따라 피험자에게 연구의 fMRI 및 발 장치 부분이 시작될 것임을 알리고, 테스트 중인 발이 완전한 족저 굴곡 상태인지 확인해야 하며, 고정 십자가가 화면에 나타날 때 발을 완전한 족저 굴곡 상태로 되돌려야 한다고 지시합니다. 그리고 그들은 시각적 메트로놈이 나타날 때 따라야 합니다. 지침 대화 상자에서 확인을 클릭합니다.
  3. 프로토콜의 fMRI 부분을 시작하도록 스캐너 제어 컴퓨터를 준비하도록 작업자에게 지시하는 지침을 따릅니다. 지침 대화 상자 창에서 확인을 클릭하고 fMRI 시퀀스를 시작합니다. UI 프로그램은 원하는 힘 설정을 DAQ 모듈로 자동으로 보냅니다.
    참고: 현재 연구에서 시각적 메트로놈 작업은 3.7단계에서 설정한 최대 수준의 60%, 40% 및 20%의 힘 수준에서 뇌졸중의 영향을 받은 팔다리와 영향을 받지 않은 팔다리에 대해 각각 세 번 수행되었습니다. 하중 수준은 시험이 반복될 때마다 자동으로 업데이트됩니다.
  4. 피험자는 프로젝터 스크린에 표시된 자신의 지시 사항을 본다. "+" 기호(고정 십자가)가 나타나며, 그 동안 이전에 지시한 대로 피험자가 휴식을 취합니다.
  5. 시각적 메트로놈 대상은 일정한 속도로 위아래로 움직이는 실선 원과 함께 표시됩니다. 앞서 지시한 대로, 피험자는 실험한 발을 배측 굴곡과 족저 굴곡으로 움직여 열린 원형 커서가 표적을 추적하도록 한다.
    참고: 현재 연구에서 나머지(고정 교차) 및 활성(메트로놈) 위상은 동일한 길이였으며 주기는 7번 반복되었습니다. 메트로놈 단계에서는 운동 범위를 통해 배측 굴곡과 발바닥 굴곡의 두 가지 주기가 있었습니다. 이러한 매개변수는 다른 연구를 위해 UI 스크립트에서 조정할 수 있습니다. 각 fMRI/메트로놈 단계는 약 5분 40초 동안 지속되었습니다.
  6. 총 7주기 동안 4.4단계와 4.5단계를 반복한 후 고정 십자가가 표시되고 피험자가 휴식을 취합니다.
  7. 총 3개의 주기에 대해 4.2-4.6단계를 반복합니다.
  8. MRI 스캐너실에 들어가 2.4.5단계에 따라 발 장치에 장착된 발을 전환합니다. 두 번째 발에 대해 프로토콜 섹션 3을 반복합니다.
  9. 4.1단계와 4.8단계(등록, 해부학적 스캔, 발 전환)를 건너뛰고 프로토콜 섹션 4.8을 반복합니다.
  10. 피험자에게 스캔의 DTI 부분이 시작되고 연구의 이 단계에서 휴식을 취할 수 있음을 알리고 이해를 확인하기 위해 전구를 짜내도록 지시합니다. DTI 스캔을 시작하고 완료될 때까지 기다립니다.

5. 테스트 후 작업

  1. 스캐너 구멍에서 테이블과 피사체를 옮기고 테이블을 내립니다. 미러 어셈블리, 상부 헤드 코일 섹션 및 피사체의 머리 주위의 패딩을 제거합니다. 이때 귀마개는 폐기할 수 있습니다.
  2. 피험자가 앉은 자세를 취하도록 돕고 필요한 경우 탈의실로 이동합니다. 피험자는 이제 평상복으로 다시 갈아입을 수 있다.
  3. 피험자와 대화하고, 그들이 가질 수 있는 테스트 후 질문에 답하고, 향후 약속 일정을 조정하고, 피험자가 떠나기 전에 급여 지급 양식을 작성하십시오.
  4. 하드웨어를 분해 및 포장하고 스캐너 테이블에서 발목 장치를 분리합니다. 관통 패널에서 HV 및 센서 케이블을 분리합니다. 호스트 랩톱에서 버튼 상자 및 모니터 케이블을 분리합니다. 발목 장치와 지지 하드웨어를 휴대용 케이스에 넣습니다.
  5. 스캐너 테이블과 관련 작업 표면 및 장비에 대한 시설별 위생을 수행합니다.
  6. 오프라인 분석을 위해 스캐너 시스템의 임시 폴더에서 데이터를 추출합니다. 로그아웃 절차를 수행합니다.

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결과

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여기에 설명된 결과는 풋 장치의 MR 호환성, 일반적인 기능 스캔 결과 분석 및 풋 장치에 대한 참고 사항과 관련이 있습니다.

발 장치는 Athinoula A. Martinos Center의 직원에 의해 MR 안전성을 평가하고 3 T MRI 스캐너에서 MR 호환성을 테스트했습니다. 1.24g의 NiSO4·H2O 1,000g당 6H2O및 2.62g의 NaCl, 발 장치는 페달 피벗이 다리를 뻗은 상태에서 피험자의 발목 관절과 정렬되는 데 대략 필요한 위치에서 500mT 라인 근처의 보어 끝에서 ~85cm 떨어진 스캐너 테이블에 부착되었습니다. 팬텀 테스트의 이미지는 피험자 fMRI 이미징에 사용된 것과 동일한 스캔 시퀀스를 사용하여 캡처되었습니다(공간 해상도 및 BOLD[혈중 산소화 수준 의존] 감도 증가를 위해 사용되는 일반화된 자동 보정 부분 병렬 획득[GRAPPA] 사용). 이러한 테스트는 장치가 제자리에 있지만 비활...

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토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

중요한 단계
마비된 발로 발 페달의 최소한의 움직임을 생성할 수 있는 피험자의 능력에 대한 사전 테스트는 매우 중요합니다. FAC 점수가 4 또는 5이고 최소 시간 동안 서 있을 수 있는 능력은 영향을 받지 않은 팔다리와 마비된 팔다리 사이의 결합된 능력을 반영하며, 마비된 발을 단독으로 움직일 수 있는 능력을 반영하지 않습니다. 이번 연구에서 주요 목표는 뇌의 흥분을 검사하는 것뿐만 아니라 영향을 받은 발을 포함하는 집중적인 치료를 통해 손상 부위에 대한 신경 가소성 변화를 자극하는 것이었습니다. 최소한 필요한 수준의 힘을 생성하고 페달을 움직일 수 없는 피험자는 시각적 메트로놈을 따라가거나 관련 훈련 패러다임(비디오 아바타가 벽과의 충돌을 피하면서 물결치는 동굴을 통해 이동하는 게임화된 치료 세션)에 참여할 수 없습니다.

프로토콜 단계 2.4에서, 피험자의 발은 페달에 고정되고, ...

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공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자 중 누구도 공개할 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke, 보조금 번호 1R01NS105875-01A1)의 보조금으로 A. Aria Tzika에게 지원되었습니다. 이 작업은 Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging에서 수행되었습니다. 원장 Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D.와 Martinos Center 직원, Dr. Michael Moskowitz, M.D.의 조언과 지원에 감사드립니다. 마지막으로 장치 제조에 대해 Virtumed, LLC에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
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데이터 수집 장치(DAQ) LabJack Corp., 콜로라도주 레이크우드T4https://labjack.com/news/labjack-t4
고전압 증폭기 Trek, Inc., 록포트, 뉴욕모델 609C-6https://www.manualsdir.com/manuals/268654/trek-609e-6-high-voltage-power-amplifier.html?page=2&original=1
매트랩The Mathworks, Ltd., 매사추세츠주 네이틱해당 사항 없음https://www.mathworks.com/
USB 리피터 케이블Tripp Lite, 일리노이주 시카고U026-10Mhttps://assets.tripplite.com/product-pdfs/en/u02610m.pdf

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