Name: 블록 설계를 적용하는 기능적인 근적외선 분광 실험에서 질적 및 비교 피질 활동 데이터 분석 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-12-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 18 s
Description: 학습하세요 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 블록 설계 실험에서 질적 GLM 기반 통계적 모수 매핑과 계층적 혼합 모델을 활용한 다채널 데이터 분석 방법을. 뇌졸중 환자의 운동피질 활성 변화를 평가하여 재활 치료 효과를 신뢰성 있게 검증하는 프로토콜입니다.

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이 작품은 과학진흥진흥협회(JSPS) 과학연구부(C) 18K08956과 후쿠오카대학 중앙연구원(201045)의 기금을 지원받았다.

이 연구는 일본 후쿠오카대학(IRB No. 2017M017)의 기관심사위원회(IRB)의 승인을 받았습니다. 참여 하기 전에, 모든 환자는 서면 통보 된 동의를 제공.
1. fNIRS 실험 준비
참고: 이 실험을 위한 다중 채널 연속 파 레이저 기반 NIRS 시스템이 사용되었습니다. 근적외선의 파장은 780nm, 805nm, 830nm였으며 샘플링 속도는 7.8Hz로 설정되었다. 시간 및 공간 해상도(광 방출기와 검출기 프로브 사이의 거리)는 각각 0.13 s및 3.0cm였습니다.
<ol><li>fNIRS 장치를 어두운 소음이 없는 장소에 설정합니다. 실온에서 실험을 수행합니다. 실험 30분 전에 fNIRS 계측기를 시작합니다. 참고: fNIRS 시스템은 제어된 온도 및 습도 조건에서 사용되어장비(26)의안정적인 작동을 보장합니다.</li>
	<li>fNIRS 레코딩을 위해 전체 헤드 캡을 사용하고 국제 10-20 시스템의 중앙(Cz)에 해당하는 위치가 헤드 캡의 홀더 245에 위치하도록 피사체의 머리에 헤드 캡을 부착한다. (그림1).</li>
	<li>마킹 스티커를 참조 위치 지점에 부착합니다: nasion (Nz), 오른쪽 외부 청각 육류 (AR), 왼쪽 외부 청각 고기 (AL). 참고: 3차원(3D) 좌표는 Nz, AR, AL 마킹 스티커 및 Cz 홀더의 위치를 중심으로 판독되므로 사진을 찍기 전에 표시 스티커를 부착해야 합니다.</li>
	<li>공간 등록을 위한 고해상도 디지털 카메라 보정 후 15개의 관점에서 참조점(Cz, Nz, AR 및 LR)을 표시하면서 프로브 위치로 피사체의 머리를 촬영합니다. 참고: 프로브를 배치하기 전에 사진을 찍어주세요. 프로브를 배치한 후 사진을 찍은 경우 마커 랜드마크가 프로브 및 배선 코드에 의해 숨겨질 수 있습니다. 제조업체가 권장하는 대로 피사체 오른쪽으로 대각선으로 30° 12장의 사진을 찍은 후, 3장 이상의 사진을 사진 위에 약간 가져가서 Cz(홀더 245호)이 그림에 나타납니다. 총 15회 이상의 샷을 캡처할 때 입체화가 용이하기 때문입니다.</li>
	<li>발광 다이오드(LED)-조명 플라스틱 막대를 사용하여 검안장치를 방해하는 피사체의 머리카락을 조심스럽게 분리하여 프로브를 부착합니다. 검소가 두피 표면에서 최소한의 거리와 두피와 접촉하도록 프로브를 정렬합니다. 참고: 자율신경계활성화(23)와관련된 전신 confounders의 강도 증가로 인해 검안의 부착으로 인해 환자에게 압력이나 불편함이 있는지 신중하게 확인한다.</li>
	<li>48채널 시스템을 32개의 광원(광원 16개, 검출기 16개, 각 반구당 4x4어레이)을 관심 영역으로 정면 및 정수리 영역을 양측으로 헤드 캡에 배치한다(그림2).</li>
	<li>3D 디지타이저 소프트웨어를 시작하고 사용하여 공간 등록을 결정합니다.</li>
	<li>전체 헤드의 그림 데이터를 스캔한 후 Origin 및 기타 파일(*CSV 파일)으로 자동 측정하여 각 환자의 공간 좌표를 결정합니다. 참고: 자동 측정을 사용하여 이미지에서 좌표 점을 감지할 수 없는 경우 수동으로 조정을 입력합니다.</li>
</ol>2. 실험 실행
<ol><li>실험을 위한 블록 설계를 선택하고, 손 개폐, 손가락 태핑 등과 같은 연구에 대한 관심의 움직임일 수 있다. 우리의 이전 연구에서, 작업은 로봇 보조 팔꿈치운동이었다 15. 참고: 각 주기는 3개의 블록(15s의 나머지 - 15s의 작업 - 15s 의 나머지)으로 만들어지며 각 환자는 각 세션에서 7 개의 주기를 완료합니다.</li>
	<li>참가자가 시작 신호가 될 때까지 편안한 위치에서 기다립니다. 나머지와 작업 중에 피사체에게 눈을 감도록 지시한다.</li>
	<li>시작 및 중지 큐를 제공합니다 (즉, "팔꿈치의 반복 굴곡과 확장", "중지하고 휴식"). 참고: 측정 중에 말하지 마십시오. 측정 중에 모니터 화면에서 아티팩트를 주의 깊게 확인합니다.</li>
	<li>블록 설계 작업을 동일한 자세로 수행합니다. 서 있거나 앉는 자세를 가진 직립 자세는 헤드셋을 왜곡하지 않는 것이 바람직합니다. 참고: 환자가 장시간 머리 홀더를 착용한 후 불편함을 느끼는 경우 로봇 보조 운동 중에 프로브를 제거하거나 느슨하게 하십시오.</li>
	<li>NIRS 측정을 완료한 후 헤드 홀더와 마킹 스티커를 제거하여 실험을 종료합니다. 참고: 장시간 착용으로 인한 두피의 피부 손상을 주의 깊게 확인하십시오.</li>
</ol>3. NIRS-SPM 소프트웨어를 이용한 질적 GLM 분석
<ol><li>MATLAB 소프트웨어에서 NIRS-SPM을 시작합니다. NIRS 장치에서 획득한 HbO2 및 HHb 농도의 변화와 관련된 데이터 파일을 NIRS-SPM 분석을 위한 파일 형식으로 변환합니다.</li>
	<li>팝업 메뉴에서 NIRS 시스템 사용 옵션을 선택합니다. 로드 버튼을 선택하고 변환 HbO2 및 HHb 농도 변경 옵션을 선택합니다.</li>
	<li>NIRS 채널 위치의 공간 등록을 검색합니다. 독립 실행형 확인란을 선택한 다음 3D 디지타이저 사용 확인란을 선택합니다.</li>
	<li>실제 좌표에서 MNI 스페이스에 이르기까지 대화 상자를 사용하여 _origin 선택합니다. 좌표 기준점 파일을 참조하고 _others CSV. 좌표 프로브/채널 파일을 참조하는 CSV입니다.</li>
	<li>등록 단추를 선택합니다. 공간 추정을 진행할 점을 선택하고 확인 버튼을 클릭합니다. 렌더링된 브레인 버튼으로 프로젝트 MNI 좌표를 클릭합니다. 참고: NIRS 채널 위치의 공간 위치는 몬트리올 신경학회(MNI) 뇌 템플릿을 기준으로 추정됩니다.</li>
	<li>등쪽 보기 옵션을 선택하고 저장 버튼을 클릭합니다.</li>
	<li>1 st 수준 지정 섹션에서 NIRS 데이터 파일 이름과 SPM 디렉터리를 선택합니다. 헤모글로빈 확인란을 선택합니다. HbO2 또는 HHb. 디자인 지정 옵션을 강조 표시하고 Sec 옵션을 선택합니다. 조건/시험 옵션 수를 강조 표시하고 숫자 7을입력합니다.</li>
	<li>시작 및 지속 시간[s] 옵션을 강조 표시하고 다음과 같이 실험 조건의 지속 시간을 곱한 개시 벡터를 입력합니다. 참고: 이 경우 발병 시간의 벡터를 [15:45:285] 또는 [15 60 105 150 195 240 285]로지정해야 합니다. 지속 시간 벡터는 [15* 것(7,1)] 또는 [15 15 15 15 15 15 15 15]로지정되어야 합니다.</li>
	<li>추세를 해제할 경우 웨이블렛-MDL 버튼을 선택합니다. 색칠 방법을 사용합니다: 로우 패스 필터와 hrf 버튼을 선택하고 직렬 상관 관계에 대해 올바른 다음 없음 단추를 선택합니다. </li>
	<li>시간적 상관 관계를 추정할 때 개별 분석을확인합니다. 참고: 개별 MNI 좌표 시스템에 fNIRS 채널 위치의 공간 지역화를 텍스트 파일로 저장합니다. 마찬가지로 개별 브로드만 영역(BA)을 기반으로 맵을 텍스트 파일로 저장합니다.</li>
	<li>시간적 상관 관계를 추정할 때 그룹 분석을확인합니다. NIRS-SPM은 MNI 표준화된 뇌 좌표 시스템에 따라 참가자 수의 평균 검안 위치를 조정했습니다.</li>
	<li>표준화된 뇌에 대한 헤모글로빈 레벨의 변화에 따라 활성화 맵을 계산합니다. HbO2 및 HHb 수준은 < 0.01의 수정되지 않은 임계값에서 중요한 것으로 간주되었습니다. 참고: 그룹 분석을 위해 오른쪽 영향을 받는 측면에서 왼쪽/오른쪽 정보가 뒤집혔습니다.</li>
</ol>4. 계층 적 혼합 모델을 기반으로 다중 채널 비교 분석
<ol><li>SAS 소프트웨어를 시작합니다. 텍스트 문서를 변환합니다(. TXT) 낮은 패스 필터로 처리된 NIRS 데이터 파일에서 HbO2 및 HHb의 농도 변화(컷오프 주파수는 0.1Hz로 설정)를 스프레드시트 소프트웨어 쉼표 분리값 파일(. CSV).</li>
	<li>프로그램을 사용하여 가져오기 SAS 데이터(.sas7bdat)를 만듭니다.</li>
	<li>다음 명령으로 가져오기 파일을 출력하고 "가져오기 파일"을 libname</li>
	<li>각 주체에 대한 사전 개입 후 파일을 출력하고 분석 SAS에서 다음 명령을 실행합니다. (그림3) 가져오기 파일을 만드는 동안, 피사체 정보를 식별할 수 있는 이름을 지정하고 개입 전(예: id1 사전, id1 게시물...)</li>
	<li>각 채널에 대한 사전 개입 및 사후 데이터 명령을 실행합니다(ch1-48; HbO2 및 HHb) 다음과 같이(그림 4).</li>
	<li>출력 결과에서 얻은 데이터를 기반으로 스프레드시트 워크북 파일(.xlsx)의 각 채널의 변경(작업 및 휴식 시 차이), 휴식 및 작업 중 값(예상 값, 상한 및 하한)의 사전 개입 후 차이(작업 및 휴식시 차이)를 입력합니다.</li>
	<li>마찬가지로 고정효과 유형 3 테스트의 상호작용 항목의 자유, F 값 및 P 값의 분자 및 분모도를 스프레드시트 통합문서 파일(.xlsx)에 입력합니다.</li>
	<li>다중 채널 테스트에서 잘못된 검색 속도(FDR)를 제어하려면 Benjamin 및 Hochberg메서드(27)를 사용하고 0.01
</ol>

<ol><li>Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Pugnetti, L., Baselli, G., Baglio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systematic+review+of+cerebral+functional+near-infrared+spectroscopy+in+chronic+neurological+diseases-actual+applications+and+future+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Diagnostics+%28Basel%29%22%5BJournal%5D)">A systematic review of cerebral functional near-infrared spectroscopy in chronic neurological diseases-actual applications and future perspectives.</a> Diagnostics (Basel). 10 (8), (2020).</li>
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<li>Saita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+therapy+using+botulinum+toxin+A+and+single-joint+hybrid+assistive+limb+for+upper-limb+disability+due+to+spastic+hemiplegia%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Neurological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Combined therapy using botulinum toxin A and single-joint hybrid assistive limb for upper-limb disability due to spastic hemiplegia.</a> Journal of the Neurological Sciences. 373, 182-187 (2017).</li>
<li>Chang, P. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+cortical+activation+pattern+by+a+rehabilitation+robotic+hand%3A+a+functional+NIRS+study%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The cortical activation pattern by a rehabilitation robotic hand: a functional NIRS study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 8, 49(2014).</li>
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<li>Saita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofeedback+effect+of+hybrid+assistive+limb+in+stroke+rehabilitation%3A+A+proof+of+concept+study+using+functional+near+infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Biofeedback effect of hybrid assistive limb in stroke rehabilitation: A proof of concept study using functional near infrared spectroscopy.</a> PLoS One. 13 (1), 0191361(2018).</li>
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<li>Naseer, N., Hong, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((fNIRS-based+brain-computer+interfaces%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">fNIRS-based brain-computer interfaces: a review.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 9, 3(2015).</li>
<li>Mihara, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurofeedback+using+real-time+near-infrared+spectroscopy+enhances+motor+imagery+related+cortical+activation%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Neurofeedback using real-time near-infrared spectroscopy enhances motor imagery related cortical activation.</a> PLoS One. 7 (3), 32234(2012).</li>
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<li>Verghese, J., Wang, C., Ayers, E., Izzetoglu, M., Holtzer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+activation+in+high-functioning+older+adults+and+falls%3A+Prospective+cohort+study%5BTitle%5D)+AND+%22Neurology%22%5BJournal%5D)">Brain activation in high-functioning older adults and falls: Prospective cohort study.</a> Neurology. 88 (2), 191-197 (2017).</li>
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<li>Torricelli, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+domain+functional+NIRS+imaging+for+human+brain+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping.</a> Neuroimage. 85, Pt 1 28-50 (2014).</li>
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</ol>

저자는 공개하는이 연구와 관련된 이해 관계의 충돌이 없습니다.

fNIRS를 위한 그룹 분석 방법에서, 질적 t-통계매핑에 의한 이미징 분석 방법을 수행하는 것 외에도, 비교멀티채널 분석을 사용하여 사전 개입(로봇 보조 운동)을 비교했습니다. 질적 분석을 위해 NIRS-SPM 소프트웨어를 일반화된 선형 모델을 기반으로 하는 대량 단변형 접근 법으로 사용했습니다. NIRS-SPM 분석은 작업 중에 활성화된 영역을 시각화하여 각 세션의 질적 결과를 보여줍니다. 더욱이, 비침습적 3D-디지타이저의 정보는 뇌에 비해 fNIRS 채널 위치의 추정을 가능하게 한다. NIRS-SPM 분석을 이용한 그룹 분석은 감각 운동 작업 중 사전 개입의 거친 뇌 활성화 영역을 캡처할 수 있었지만 동일한 채널의 변화 차이를 비교할 수는 없었습니다. NIRS-SPM 연구 결과를 확증하기 위해, 감각 운동 작업에 의해 유도된 헤모글로빈 수치의 변화의 진폭은 다중 채널 계층적 혼합 모델을 사용하여 동일한 연구 대상체에서 두 개의 서로 다른 세션(즉, 개입 전후)으로부터 얻은 데이터를 비교하여 통계적으로 분석...

신경 재활은 감각 운동 장애 다음 기능 회복에 중요한 역할을한다. 신경가소성 기능 회복의 메커니즘을 명확히 하기 위해 기능성 자기 공명 영상(fMRI), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 뇌전도법(EEG), 기능적인 근적외선 분광법(fNIRS)과 같은 다양한 신경 이미징 기술이 사용되었습니다. 다른 이미징 양식에는 다른 장점과 단점이 있습니다. fMRI는 가장 일반적인 장치이지만 자기장에 의해 영향을 받고, 높은 비용, 높은 물리적 제한, 제한된 감각 운동 작업1,2,3,4. fNIRS 장치는 비침습적 광학 신경 이미징으로 두드러지며 상대적으로 낮은 공간 해상도를 가지고 있지만 fMRI4보다더 나은 시간적 해상도를 가지고 있습니다. fNIRS는 사전 개입 효과를 비교하고, 동적 모터 작업을 가지고, 휴대용, fMRI1,2,4보다자연 환경에서 더 많은 기능을 하기 때문에 치료 효과를 확인할 때 적합하다. NIRS는 뇌혈관 질환, 간질 장애, 심각한 뇌 손상, 파킨슨 병 및 인지 장애1,5의 분야에서 더 적합하다고보고되었습니다. 감각 운동 작업에 관해서는, 걸음걸이 및 서 균형6,7,8,상측 사지 기능 (손 잡기, 손가락 두드리는)8,9,복잡한 모터 스킬 트레이닝10,11,로봇 공학12,13,14,15및 뇌 컴퓨터 인터페이스16,17,18에널리 사용된다. fNIRS는 피질 대사 활동, 증가된 혈류 및 결과적으로 이차신호19로피질 활동을 측정하는 광학 신경 이미징 및 신경 혈관 커플링의 원리를 기반으로 합니다. fNIRS 신호는 혈액 산소 수준 의존fMRI20의신호와 강한 상관 관계를 가지고 보고되었다. 연속 파 fNIRS는 변형 된 맥주 램버트 법을 사용하여 분산 헤모글로빈 (HbO2)및 탈산소 화 헤모글로빈 (HHb) 피질 농도 농도 농도 의 변화를 결정하기 위해 광대역 근적외선 감쇠21,22의측정 된 변화에 따라. 연속파 NIRS 시스템을 이용하여 차동 경로 길이 계수(DPF)를 측정할 수 없기 때문에, 우리는 DPF가 일정하고 헤모글로빈 신호 변화가 밀리몰 밀리미터(mM x mm)2,18의임의 단위로 표시되었다고 가정하였다.
fNIRS 실험은 프로브 설정, 실험 설계 및 분석 방법을 포함하여 가장 적절한 방법을 선택해야 합니다. 프로브 설정에 관해서는, EEG 측정에 사용되는 국제 10-20 방법은 신경 이미징에 있는 많은 연구원에 의해 이용되는 설정 표준입니다. 최근 몇 년 동안, 몬트리올 신경 학회 (MNI) 좌표에 기초하여 표준 두뇌에 따라 좌표 설정이 사용 되었습니다. 이 실험은 일반적으로 감각 운동 작업에 사용되는 블록 설계와 이벤트 관련 설계를 사용합니다. 이것은 휴식과 작업 중에 헤모글로빈 농도의 변화를 비교하는 방법입니다. HbO2 농도 수준 증가 하 고 HHb 농도 수준 작업 의존 피 질 활동과 관련 된 대뇌 혈 류의 변화와 함께 감소. 다양한 분석 방법이 있지만 NIRS-SPM 무료 소프트웨어는 fMRI의 통계 파라메트릭 매핑(SPM)과 유사한 분석을 가능하게 합니다. NIRS 데이터의 처리는 일반 선형 모델(GLM)에 기초하여 질량 단변형 접근 방식을 사용합니다. 태스크 에 의존하는 뇌 활동 분석을 수행할 때, fNIRS 측정은 대뇌 및 초뇌구획(23)에서발동되거나 비호출되지 않은 신경 활동 및 전신 생리적 간섭(심박수, 혈압, 호흡 속도 및 자율 신경계 활동)에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서 사전 분석 처리, 필터링, 웨이블렛 변환 및 주 성분 분석이유용하다(23) NIRS-SPM을 이용한 데이터 처리의 필터링 및 아티팩트에 대해서는 로우패스 필터링9 및 웨이블렛 최소 설명 길이(Wavelet-MDL)24디트렌드를 사용하여 노이즈/아티팩트의 동작 또는 기타 소스를 극복하는 데 사용하였다. 이 분석 방법에 대한 자세한 내용은 Ye 외25의보고서를 참조하십시오. SPM만을 사용하는 보고서가 있지만 이미지 분석을 통해 질적 지수일 뿐이며 NIRS의 낮은 공간 해상도로 인해 그룹 분석에 주의가 필요합니다. 또한 DPF가 일정할 때 채널과 개인 간의 수치 비교를 수행해서는 안 되지만 각 채널의 변경 내용은 확인할 수 있습니다. 위의 조건에 따라 NIRS-SPM 그룹 분석 결과를 보완하기 위해 공간 등록의 정확도를 개선한 후 다중 채널 분석을 위한 원래 분석 방법을 사용했습니다. 이 멀티 채널 분석은 고정 내정간섭(전후), 고정 된 기간 (휴식 또는 작업), 무작위 개별 효과를 가진 계층 혼합 모델을 사용하여 치료 전후각 채널에서 나머지 및 작업 기간 사이의 HbO2 및 HHb 수준의 변화의 진폭을 비교했습니다.
이러한 방식으로 몇 가지 fNIRS 측정 및 분석 방법이 있습니다. 그러나 표준 메서드가 설정되지 않았습니다. 본 백서에서는 감각운동 작업을 이용한 블록 설계를 이용하여 사전 개입 의 다중 채널 fNIRS 실험에서 얻은 데이터를 분석하기 위해 질적 GLM 기반 통계 파라메트릭 매핑 및 비교 다단계 계층 적 혼합 모델을 소개합니다.

<table><tbody><tr><td>3D-디지타이저 소프트웨어</td><td>TOPCON-NS-1000</td><td></td> <td>소프트웨어 ver.1.50</td></tr><tr><td>NIRS 시스템</td> Shimadzu-FOIRE-3000 <td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Robot</td><td>CYBERDYNE-Single-joint</td><td></td> <td>type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ)</td></tr></tbody></table>

블록 설계를 적용하는 기능적인 근적외선 분광 실험에서 질적 및 비교 피질 활동 데이터 분석

Qualitative and Comparative Cortical Activity Data Analyses from a Functional Near-Infrared Spectroscopy Experiment Applying Block Design

신경 이미징 연구는 재활 및 외과 치료와 같은 사전 개입 후 신경 학적 조건의 평가에 중추적 인 역할을합니다. 뇌 활동을 측정하는 데 사용되는 많은 신경 이미징 기술 중, 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)과 유사한 국소 헤모글로빈 수준을 측정하여 동적 피질 활동의 평가를 가능하게합니다. 또한, fNIRS의 물리적 제한이 적기 때문에 감각 운동 작업의 여러 변종을 평가할 수 있습니다. 많은 실험실은 fNIRS 데이터 분석을 위한 몇 가지 방법을 개발했습니다. 그러나 일반적인 원칙이 동일하다는 사실에도 불구하고 보편적으로 표준화된 방법은 없습니다. 여기서는 블록 설계를 이용한 다중 채널 fNIRS 실험에서 얻은 데이터의 질적 및 비교 분석 방법을 제시합니다. 질적 분석을 위해 NIRS용 소프트웨어를 일반화된 선형 모델을 기반으로 하는 대량 단일변종 접근 법으로 사용했습니다. NIRS-SPM 분석은 작업 중에 활성화된 영역을 시각화하여 각 세션의 정성적 결과를 보여줍니다. 또한, 비침습적 3차원 디지타이저는 뇌에 비해 fNIRS 채널 위치를 추정하는 데 사용될 수 있다. NIRS-SPM 연구 결과를 확증하기 위해, 감각 운동 작업에 의해 유도된 헤모글로빈 수치의 변화의 진폭은 다중 채널 계층 적 혼합 모델을 사용하여 동일한 연구 대상의 두 개의 다른 세션 (개입 전후)에서 얻은 데이터를 비교하여 통계적으로 분석 될 수 있습니다. 우리의 방법은 운동 장애, 뇌혈관 질환 및 신경 정신 장애와 같은 다양한 신경 장애에서 사전 개입 후 분석을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

여기에서, 우리는 우리 그룹이 현재 일하고 있는 로봇 지원 재활을 소개합니다: 급성 뇌졸중을 가진 환자에 있는 상부 사지 모터 적자에 biofeedback 효력. 우리는 우리 병원에 입원한 10명의 동의한 뇌졸중 환자 (평균 나이: 66.8 ± 12.0 년, 2명의 여자와 8명의 남자)를 포함했습니다. 아급성 뇌졸중 단계에서, 발병 후 2 주 이상, 우리는 같은 날 상부 사지 로봇 보조 재활 전후 fNIRS 시스템을 사용하여 이러한 환자의 모터 관련 피질 활성을 평가했다. 블록 설계 작업에 관해서는 각 작업 주기에서 15 s 이내에 영향을 받는 팔꿈치 굴곡/확장 움직임을 15배 수행했으며 7개의 작업 주기를 반복했습니다. 또한, 6명의 건강한 지원자(평균 연령: 58.7± 7.1세, 2명의 여성과 4명의 남성)도 오른쪽 팔꿈치 굴곡/확장 운동 중 정상적인 업무 관련 피질 활성화의 위치를 확인하기 위한 통제기능으로 등록하였다.
<p class="jove_conten...

우리는 감각 운동 작업을 가진 블록 디자인을 사용하여 연속 파 기능 근적외선 분광 실험의 분석을 설명합니다. 데이터 분석의 신뢰성을 높이기 위해 질적 일반 선형 모델 기반 통계 파라메트릭 매핑및 다중 채널에 대한 비교 계층 혼합 모델을 사용했습니다.

Neuroimaging studies play a pivotal role in the evaluation of pre- vs. post-interventional neurological conditions such as in rehabilitation and surgical ...

F-N-I-R-S 또는 fNIRS 데이터는 일반적으로 데이터를 정량화할 수 없기 때문에 초보 사용자에게는 해석이 어려울 수 있습니다. 두 가지 무료 방법을 사용하는 당사의 프로토콜은 이 데이터를 더 잘 이해할 수 있도록 합니다. 이 기술의 주요 장점은 다중 채널에 대한 두 개의 정성적 GLM 기반 통계 파라메트릭 매핑과 비교 계층적 혼합 모델을 사용하여 데이터 분석의 증가와 신뢰성을 높인다는 것입니다.fNIRS 실험을 수행하기 전에 fNIRS 장치를 어둡고 소음이 없는 곳에 놓고 머리 전체에 fNIRS 기록 캡을 피험자의 머리에 씌워 국제 10-20 시스템의 중심에 해당하는 위치가 헤드 캡의 숫자 245 홀더에 위치하도록 합니다. 마킹 스티커를 기준 위치 지점에 부착하고 15가지 관점에서 기준점을 포함하여 프로브 위치와 함께 피사체의 머리 사진을 촬영합니다. 32개의 옵토드가 있는 48채널 시스템을 관심 영역인 정면 및 두정엽 영역에 양측으로 헤드 캡에 배치하고 3D 디지타이저 소프트웨어를 사용하여 공간 등록을 결정합니다.머리 전체에 대한 사진 데이터를 스캔한 후 자동 측정으로 피사체의 공간 좌표를 확인하고 데이터를 Origin 및 Others 파일로 저장합니다. fNIRS 분석을 수행하려면 피험자를 편안한 자세로 만들고 피험자에게 눈을 감으라고 지시합니다. 그런 다음 피험자에게 시작 및 정지 신호를 알리고 피험자가 각 작업에 대해 동일한 직립 자세를 유지하면서 블록 설계 작업을 수행하도록 합니다.NIRS-SPM을 사용하여 정성적 일반 선형 모델 분석을 수행하려면 MATLAB에서 NIRS-SPM 프로그램을 시작하고 팝업 메뉴에서 NIRS 시스템 옵션을 선택하십시오. 로드 단추를 선택합니다. NIRS 채널 위치의 공간 등록을 감지하려면 standalone(독립형) 및 With 3D Digitizer(3D 디지타이저 포함) 확인란을 선택합니다.실제 좌표에서 MNI 공간으로에서 대화상자를 사용하여 좌표 참조점 및 좌표 프로브/채널 파일을 선택합니다. 등록을 클릭하고 포인트를 선택하여 공간 추정을 진행합니다. 확인을 클릭하고 MNI 좌표를 렌더링된 브레인에 투영합니다.Dorsal View를 선택하고 Save를 클릭합니다. Specify the 1st Level(1번째 수준 지정) 섹션에서 NIRS 데이터 파일 이름과 SPM 디렉터리를 선택합니다. 헤모글로빈 확인란을 선택하고 설계 및 초 지정을 선택합니다.시작 벡터와 지속 시간을 선택하고 표시된 대로 시작 벡터에 실험 조건의 지속 시간을 곱한 값을 입력합니다. 추세 제거의 경우 Wavelet-MDL을 선택합니다. 사전 채색 방법인 저역 통과 필터를 사용하고 hrf를 선택합니다.직렬 상관관계에 대해 수정하고 없음을 선택합니다. 시간적 상관관계를 추정하려면 개별 분석을 선택하여 단일 개인을 분석합니다. 피험자 그룹에 대한 시간적 상관 관계를 추정하려면 Group Analysis를 확인한 다음 표준화된 뇌에 대한 헤모글로빈 수치의 변화를 기반으로 활성화 맵을 계산합니다.계층적 혼합 모델을 기반으로 다중 채널 비교 분석을 수행하려면 적절한 통계 분석 소프트웨어 프로그램을 열고 저역 통과 필터로 처리된 가장 가까운 데이터 파일의 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈 농도 변화의 텍스트 문서를 스프레드시트 소프트웨어 쉼표로 구분된 값 파일로 변환합니다. 명령을 사용하여 각 주제에 대한 사전 및 사후 개입 데이터를 생성하고, 표시된 대로 각 채널에 대해 사전 및 사후 개입 데이터 명령을 실행합니다. 출력 결과에서 얻은 데이터를 기반으로 스프레드시트에 각 채널의 change, rest 및 on-task 값에 대한 개입 전과 후의 차이를 입력합니다.그런 다음 분자와 분모의 자유도를 입력하고 고정 효과 유형 3 검정의 상호 작용 항목의 F 및 P 값을 스프레드시트에 입력합니다. 10명의 뇌졸중 환자를 대상으로 한 이 대표 그룹 분석에서, 로봇 보조 재활 직후 측정된 반구에서 1차 운동 피질의 피질 활동의 증가가 훈련 전에 관찰된 것과 비교하여 관찰되었습니다. 중재 전과 후를 비교하는 이 다채널 그룹 분석에서, 중재 후 1차 운동 피질에서 증가된 피질 활동이 관찰되었으며, 이는 NIRS-SPM에서 관찰된 것과 동일한 뇌 영역입니다.우리의 방법은 운동 장애, 뇌 혈관 질환 및 신경 정신 장애와 같은 다양한 신경 장애에 대한 사전 및 사후 중재 분석을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 연구원들은 팔꿈치 움직임 대신 다리 움직임과 같은 다른 블록 설계 작업을 적용할 수도 있습니다. 또한 당사의 프로토콜은 다양한 환경에서 치료 효과를 밝히는 데 유용합니다.

qualitative-comparative-cortical-activity-data-analyses-from

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

출처: Reindl, V., et al. 기능적 근적외선 분광법(Functional Near-Infrared Spectroscopy)을 사용한 하이퍼스캐닝 실험 수행. J. Vis. Exp. (2019) 이 비디오는 사회적 상호 작용 중 뇌 활동을 측정하기 위해 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 사용하는 방법을 보여줍니다. 참가자들은 사회적 행동에 중요한 영역인 전전두엽 피질의 활동을 증가시키는 조정된 작업에 참여하고, 시스템은 혈액 산소화로 인한 빛 흡수의 변화를 감지합니다. 참가자 간의 뇌 활동의 동기화를 분석함으로써 이 연구는 사회적 상호 작용의 기저에 있는 신경 역학을 평가합니다.

사회적 상호 작용 중 뇌 활동을 기록하기 위한 기능적 근적외선 분광법(Functional Near-infrared Spectroscopy)

직립 운동 작업 중 뇌 활동을 모니터링하는 것은 운동 장애의 신경 원인을 조사할 때 큰 가치가 있습니다. 여기에서는 기능적 근적외선 분광법과 4가지 유형의 운동 작업 중 근육 및 운동학적 활동의 지속적인 모니터링을 결합한 프로토콜을 보여줍니다.

모터 작업하는 동안 동시 운동 학적 및 EMG 모니터링과 감각 및 모터 뇌 영역의 기능 근적외선 분광법

물리적 제약없이 실험실 밖에서 뇌의 활동을 모니터링 방법론적인 문제를 제시한다. fiberless는, 착용 형 기능성 근적외선 분광법 (fNIRS) 시스템은 생태 예비 메모리 작업 동안 뇌 활동을 측정하는 데 사용 하였다. 이는 이러한 시스템이 아닌 랩 기반 실험 동안 뇌 활동을 모니터하는 데 사용될 수 있음을 입증 하였다.

실제 세계인지 작업의 뇌 활동을 모니터 Fiberless, 착용 할 수있는 fNIRS 사용

현재 프로토콜 fNIRS hyperscanning 실험을 실시 하 고 뇌-투-두뇌 synchrony를 분석 하는 방법을 설명 합니다. 또한, 우리는 문제 및 가능한 해결 논의.

Hyperscanning 기능성 근 적외선 분광학 실험 실시

본 프로토콜은 동시 EEG 및 fNIRS 기록을 수행하는 방법과 EEG 및 fNIRS 데이터 간의 관계를 검사하는 방법을 설명합니다.

플랭커 태스크를 이용한 동시 전류 뇌파 및 기능적 근적외선 분광 기록 수행

이 프로토콜은 맞춤형 확산 상관 분광법 계측기를 사용하여 인간 전두엽 피질에서 휴식 상태 기능 연결을 측정하는 방법을 보여줍니다. 이 보고서는 또한 실험의 실질적인 측면과 데이터 분석을 위한 자세한 단계에 대해서도 논의합니다.

광학 확산 상관 분광법을 사용하여 인간의 뇌의 대뇌 혈류 기반 휴식 상태 기능 적 연결

본 프로토콜은 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)과 비디오 기반 관찰을 결합하여 협업 드로잉 작업 중 사중주에서 대인 관계 동기화를 측정합니다.

기능적 근적외선 분광법을 사용한 협업 드로잉 중 그룹 동기화

전체 머리 fNIRS 커버리지를 가진 동일한 피험자로부터 fMRI 및 fNIRS 신호를 동시에 수집하는 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 3명의 젊은 성인을 대상으로 테스트되었으며 발달 연구 및 임상 인구를 위한 데이터 수집에 적용할 수 있습니다.

전체 헤드 옵토드 어레이 및 근거리 채널을 사용한 fMRI 및 fNIRS 측정의 동시 데이터 수집

전 세계 6명 중 1명은 일생 동안 뇌졸중을 앓아 장기적인 장애를 유발하는 것으로 추정되며, 이러한 재활 메커니즘은 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 이 연구는 하지 로봇 치료 세션 동안 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)으로 뇌 활성화를 평가하는 프로토콜을 제안합니다.

기능적 근적외선 분광법과 하지의 로봇 보조 다관절 포인팅 운동을 이용한 실험

이 연구는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 사용하여 27명의 성인과 함께 23분 블록 디자인 요가 아사나 시퀀스 동안 전전두엽 피질 활동을 측정했습니다. 휴식 상태 연결은 연습 전후에 기록되었습니다. 연구 결과는 움직임 기반 연구에서 fNIRS의 효과를 강조하고 요가 아사나의 효과에 대한 신경학적 통찰력을 제공합니다.

fNIRS를 사용한 블록 디자인 요가 아사나 연습 중 전전두엽 피질 활동의 휴식 상태 연결 및 신경 영상

학습하세요 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 블록 설계 실험에서 질적 GLM 기반 통계적 모수 매핑과 계층적 혼합 모델을 활용한 다채널 데이터 분석 방법을. 뇌졸중 환자의 운동피질 활성 변화를 평가하여 재활 치료 효과를 신뢰성 있게 검증하는 프로토콜입니다.

블록 설계를 적용하는 기능적인 근적외선 분광 실험에서 질적 및 비교 피질 활동 데이터 분석

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