$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Het gebruik van kwantitatieve metrieken die zijn afgeleid van functionele en structurele beeldvorming van de hersenen kan nuttiger en effectiever zijn voor het volgen van de voortgang en het voorspellen van de resultaten van beroertetherapie dan het beoordelen van klinische scores, en deze kwantitatieve metrieken kunnen nuttig zijn bij het ontwerpen en verbeteren van geïndividualiseerde therapieplannen 1,2. Het ontwikkelen van effectieve, gepersonaliseerde strategieën die motorische training relateren aan een meetbare reorganisatie van neurale activiteit en/of verbeteringen in de motorische functie blijft een uitdaging. In eerder werk zijn inzichten ontwikkeld over hoe functionele neuroimaging-methoden en het in kaart brengen van de hersenen bij patiënten met een chronische beroerte dergelijke veranderingen kunnen vertonen 3,4,5,6,7,8. Het onderzoek van de hersenfunctie in relatie tot de prestaties van de handgreep (wat essentieel is voor de zelfredzaamheid en kwaliteit van leven van de patiënt) heeft geleid tot de verwachting dat deze techniek ook zou kunnen worden toegepast op loopgerelateerde voetbewegingscontrole door de evaluatie van de overeenkomstige topografische patronen van neurale activiteit en het herstel van functie. Er is geponeerd dat de opname van op MRI gebaseerde functionele kaarten van letsel kan helpen om neurologische gebreken nauwkeuriger te karakteriseren dan klinische evaluaties9 en dat het gebruik van robotapparaten effectiever is voor hersenherstel dan conventionele paradigma's10. Functionele kaarten kunnen inzicht geven in welke delen van een systeem functioneren, waardoor informatie wordt verkregen die niet blijkt uit klinische observaties11. Succes bij voetbeweging en krachtrevalidatie met MRI voor patiënten met een beroerte zal de ontwikkeling van gepersonaliseerde behandelstrategieën op basis van MRI-metrieken vergemakkelijken voor een bredere populatie met andere neurologische aandoeningen.
In het hier gepresenteerde werk wordt het gebruik van het MR-compatibele voetgeïnduceerde robotapparaat (MR_COFID of voetapparaat) tijdens fMRI-scanning beschreven om de effecten van motorische vaardigheidstraining na een beroerte op de hersenfunctie te onderzoeken. De motivatie voor de ontwikkeling van dit voetapparaat met gecontroleerde weerstand was de kritieke onvervulde behoefte aan revalidatie van de voetbeweging bij patiënten met een beroerte. Door een systeem op te bouwen dat geschikt is voor zowel thuis- als kantoortraining en voor de MR-gebaseerde monitoring van de reacties op trainingsactiviteiten, ontstaat een uniforme aanpak die eerdere beperkingen op het gebied van zowel training als evaluatie aanpakt.
De MR_COFID (Figuur 1A) is een aanpassing van het eerdere magnetische resonantie-compatibele handgeïnduceerde robotapparaat (MR_CHIRODv2)8,12, dat een elektro-reologische vloeistof (ERF) actuator gebruikte om dynamisch gecontroleerde, resistieve kracht te leveren als reactie op een persoon die het handvatmechanisme vastpakt en knijpt. De ERF-actuator (Figuur 1B) is een met vloeistof gevulde, bidirectionele zuiger waarbij de ERF aan de ene kant van de zuiger door zuigerbeweging wordt gedwongen om tussen een paar elektroden in een kanaal te stromen, waardoor de vloeistof naar de andere kant van de zuiger wordt teruggevoerd. Wanneer een hoge spanning (HV) op de elektroden wordt aangelegd, worden deeltjes in de niet-geleidende siliconenolie uitgelijnd en binden ze mechanisch aan elkaar, waardoor de viscositeit van de vloeistof en de bewegingsweerstand van het apparaat toenemen. In de handgreep is de actuator rechtstreeks gekoppeld aan de handgrepen, aan een loadcel om de uitgeoefende kracht te meten en aan een optische encoder om de verplaatsing van de handgreep te meten. Het nieuwe voetapparaat zet de lineaire werking van het handvat om in de hoekverplaatsing van de voet in dorsaalflexie en plantairflexie met behulp van een slingerschuifmechanisme (Afbeelding 1C). De weerstandskracht van de ERF-actuator wordt bijna evenredig omgezet met het weerstandskoppel rond het enkelgewricht. De krukbeweging van het pedaal is symmetrisch ten opzichte van de vector loodrecht op de hoofdas van de actuator, waardoor wordt geprofiteerd van de benadering dat de krukhoek en de sinus bijna gelijk zijn voor kleine hoeken. Aangezien ERF alleen weerstandskrachten kan uitoefenen, is het systeem inherent veilig; De actuator kan de voet niet actief duwen of trekken en de kracht daalt tot nul wanneer het onderwerp stopt met bewegen. De maximale plantairflexie van het voetapparaat is 35° en de maximale dorsaalflexie is 18°. Deze waarden liggen binnen het bewegingsbereik van de voet tijdens normaal lopen en niet-dragende omstandigheden13,14, zijn bijna hetzelfde als de waarden die in ander onderzoek zijn gebruikt15, en bleken tijdens voorlopige tests het bewegingsbereik van de proefpersonen aan hun door letsel aangetaste zijde te voldoen aan of te overschrijden en om de beschikbare weerstandskrachten te maximaliseren via het lineair-hoekige transmissiemechanisme. De originele handgreep en het extra voetbewegingsmechanisme zijn gemaakt van non-ferromaterialen (plastic, aluminium, messing) voor MR-veiligheid.
De ERF-actuator maakt gebruik van variabele elektrische in plaats van magnetische velden om de viscositeit van de vloeistof te wijzigen en wordt dus niet beïnvloed door de magnetische velden van de MR-scanner. De ERF-actuator is omsloten door een cilindrische koperen mantel die is aangesloten op de afschermingsgeleider van de coaxiale HV-kabel; deze kabel is op zijn beurt geaard naar het penetratiepaneel van de kooi van Faraday van de MR-scanner. Dit voorkomt dat potentiële radiofrequente ruis van de variabele spanning die op de actuator wordt toegepast, de scanner beïnvloedt en voorkomt dat de variabele magnetische velden van de scanner stromen in de kabels induceren, waardoor de ERF-viscositeit zou kunnen veranderen. De HV-kabel loopt buiten het penetratiepaneel door naar de HV-versterker. Er worden coaxiale MHV-connectoren (miniatuur hoogspanning) gebruikt, die extra veiligheid bieden bij het transporteren van spanningen tot 4 kV (Afbeelding 2).
De afzonderlijke kabels van de optische encoder en de loadcel hebben afschermingen die ook zijn geaard op het penetratiepaneel, waardoor wordt voorkomen dat hun signalen (met name de digitale signalen van de encoderkanalen) de scanner of de output van de loadcel met kleine spanning beïnvloeden. De afgeschermde en geaarde kabels buiten het penetratiepaneel voeren signalen naar de data-acquisitiemodule (DAQ). De output van de loadcel, die gebruikmaakt van een temperatuurgecompenseerde Wheatstone-brug, wordt versterkt door een instrumentatieversterker die is aangesloten op de analoge ingangsaansluitingen van de DAQ, wat een versterkingsfactor van 1.000x oplevert.
De DAQ-module voert firmware uit met behulp van de Lua-scripttaal (aanvullend coderingsbestand 1). Het script dat op de DAQ-module is geladen, wordt uitgevoerd met een lussnelheid van 500 Hz, en de module leest de encoder en het versterkte loadcelsignaal, converteert de sensormetingen naar lengte- en krachtwaarden en slaat ze op in geheugenregisters voor toegang en logboekregistratie door een m-file gebruikersinterface (UI; Figuur 3) op de hostlaptop (aanvullend coderingsbestand 2). De hostlaptop verzendt indien nodig doelkrachtwaarden voor dorsaalflexie en plantairflexie, closed-loop controllerparameters en encoder-reset-commando's naar extra geheugenregisters op de DAQ-module. Het DAQ-script voert een controlelus uit die de bewegingsrichting van het pedaal detecteert om te bepalen welke kracht moet worden uitgeoefend: dorsaalflexie of plantairflexie. Vervolgens berekent het een uitgangsspanning die evenredig is met het verschil tussen de gemeten en doelkrachtwaarden, begrensd door 0 V en 4 V, wat het toegestane ingangsbereik van de HV-versterker is. Het ERF reageert op de grootte van het aangelegde elektrische veld; het omkeren van de spanning verlaagt de viscositeit niet tot onder die van de niet-bekrachtigde (geen elektrisch veld) vloeistof, dus de DAQ-uitgang is beperkt tot minimaal 0 V. De DAQ kwantificeert (12 bit resolutie) en samplet (500 Hz) de analoge spanningen, wat resulteert in een traptrede uitgang naar de HV-versterker die hoogfrequente componenten in de HV-uitgang kan veroorzaken vanwege de snelle veranderingen bij elke stap. De HV-versterker heeft kleine en grote signaalbandbreedtes van respectievelijk 35 kHz en 8 kHz, dus om de kans te verkleinen dat RF-ruis die door de scanner kan worden gedetecteerd, wordt gegenereerd, gebruikt de DAQ-uitgang een RC-filter van de eerste orde met een frequentie van -3 dB bij ongeveer 900 Hz, zodat hogere frequenties bijna worden geëlimineerd. Bovendien wordt het voetapparaat buiten de boring van de scanner in de buurt van het voeteneinde van het bed geplaatst, waardoor de interactie tussen de apparaatsensoren, de actuator en de scanner verder wordt geminimaliseerd. De versterker, met een versterking van 1.000 V/V en een piekvermogen van 4 kV, genereert velden over de ERF-kloof tot 4 kV/mm; hoewel de doorslagspanning van ERF-vloeistof niet wordt gerapporteerd door de verkoper, worden viscositeit en andere parameters tot dit niveau beschreven. De ERF-cilinder kan iets meer dan 200 N kracht uitoefenen wanneer deze volledig onder spanning staat en met de beoogde snelheid wordt bewogen. De momentarmlengte waar de drijfstang samenkomt met het pedaal is 56 mm, wat resulteert in een maximaal koppel van ongeveer 11,2 Nm. Dit is meer dan voldoende voor proefpersonen met voetparese; Het kan echter worden overmeesterd door sterke, gezonde proefpersonen. De hardwarecomponenten worden vermeld in de materiaaltabel.
Het gebruik van het voetapparaat bouwt voort op de trainings- en testparadigma's die zijn ontwikkeld met eerdere handgrepen 3,4,5,6,7,8,16 en ander werk 11,17,18. Op het moment van publicatie werd dit apparaat gebruikt bij proefpersonen met een chronische beroerte met voetgerelateerde tekorten om therapiegestuurde neuroplastische veranderingen te bestuderen via zowel MR-beeldvorming als kwantitatieve prestatie-evaluaties.
Zoals beschreven in het onderstaande protocol, liggen de proefpersonen die scannen op hun rug op het scannerbed en worden hun hoofden geïmmobiliseerd in de hoofdspoel van de scanner en in het isocentrum van de scanner geplaatst. Het voetapparaat is zo gepositioneerd en vergrendeld dat het geteste been van de proefpersoon gestrekt is en de voet in het overeenkomstige pedaal van het apparaat wordt vastgemaakt. Op deze manier veroorzaakt buigen bij de enkel geen duwen of trekken tegen het apparaat, waardoor de positie van het hoofd in de spoel zou kunnen verschuiven. Een spiegelframe wordt voor de ogen van de geportretteerde geplaatst, zodat ze een projectiescherm kunnen bekijken dat instructies en visuele aanwijzingen voor de motorische taak weergeeft.
Tijdens de taak bekijkt de proefpersoon een "+"-teken tijdens rustperioden of een visuele metronoom tijdens het testen, waarbij een cirkel op en neer beweegt op het scherm (doel) en een andere cirkel wordt weergegeven die beweegt onder controle van de voetpedaalpositie van het apparaat (cursor; Figuur 4). Proefpersonen wordt gevraagd de beweging van het doelwit nauwlettend te volgen. De doelsnelheid wordt zo bepaald dat de niet-bekrachtigde viskeuze reactiekracht van het apparaat (de viskeuze krachten nemen toe met toenemende snelheid) laag genoeg is voor elk onderwerp om deze te overwinnen, waarbij verhoogde krachten worden uitgeoefend onder computerbesturing.
Robotica zijn gemakkelijk in te zetten, kunnen worden toegepast op verschillende motorische stoornissen, hebben een hoge meetbetrouwbaarheid en hebben de capaciteit om intensieve training te geven10. Dit op ERF gebaseerde apparaat levert digitaal gestuurde weerstandskracht aan de proefpersoon, en dit apparaat is MR-veilig in combinatie met non-ferro/niet-magnetische componenten, en ook MR-compatibel door het gebruik van geaarde en afgeschermde elektronica12. Het heeft voordelen ten opzichte van verwante apparaten omdat het draagbaar en relatief eenvoudig te gebruiken is, wat betekent dat het zowel in klinische omgevingen als thuis kan worden gebruikt, waar reguliere therapie kan worden uitgevoerd zonder de kosten in verband met reizen of de klinische faciliteit. Het apparaat kan computergestuurde, in de tijd variërende weerstand produceren bij plantairflexie en dorsaalflexie om het creëren van patiëntspecifieke revalidatieroutines te vergemakkelijken en zo een leemte op het gebied van in de handel verkrijgbare revalidatieapparaten op te vullen.
Er bestaan wel andere onderzoeksapparaten, maar die waren om verschillende redenen ongeschikt voor het huidige onderzoek. Sommige apparaten zijn statisch en meten de krachten die isometrisch worden uitgeoefend19 in plaats van over het bewegingsbereik van het onderwerp (RoM). Op elastiek gebaseerde apparaten oefenen toenemende kracht uit met toenemende verplaatsing, in plaats van constante weerstand over de RoM, en moeten handmatig worden aangepast om de krachtniveaus 20,21,22 te wijzigen. Het gebruik van vaste gewichten en zwaartekrachtbelasting15,23 maakt het niet mogelijk om de belastingen of verschillende belastingen voor plantairflexie en dorsaalflexie te regelen. Pneumatische apparaten 24,25,26 zorgen voor krachtvariaties tussen tests en een constante kracht over de RoM; de kleppen zouden echter op een afstand van de scanner moeten worden geplaatst, dus over het algemeen zou dit apparaat niet snel kunnen schakelen tussen plantairflexie- en dorsaalflexiekrachten bij het veranderen van de voetrichting en zou het niet de frequentieresponsmogelijkheden van ERF-actuatoren hebben. Elektromagnetische motoren kunnen worden gebruikt27 in de scanneromgeving, maar alleen door het mechanisme ver genoeg uit te breiden om de MR-veiligheid en compatibiliteit te behouden, wat de draagbaarheid beperkt en het risico op ongelukken verhoogt als een van de motorcomponenten te dicht bij de boring wordt gebracht. Hydraulica28 kan bidirectioneel zijn op verschillende krachtniveaus, maar heeft uitdagingen die vergelijkbaar zijn met het gebruik van elektromagnetische motoren, in die zin dat de compressor/driver (meestal niet MR-compatibel) zich op afstand van de boring moet bevinden, waardoor de draagbaarheid en frequentierespons worden beperkt. Hydraulica is gecombineerd met ERF-systemen29, zodat het systeem de eindeffector (voet of grijpapparaat) kan terugdrijven en isometrische weerstand kan bieden; deze mogelijkheid was echter niet vereist voor het huidige onderzoek en werd toegevoegd ten koste van het gebruik van niet-MR-compatibele hydraulische motoren.
Het voetapparaat biedt een combinatie van functies die het volgende mogelijk maken: nauwkeurige en consistente therapeutische voetcontroleoefeningen gedurende langere perioden; de meting van het huidige motorische prestatievermogen van de proefpersoon en aanpassing van de moeilijkheidsgraad van de taak naarmate de revalidatie vordert; real-time controle en onafhankelijke aanpassing van de uitgeoefende kracht bij zowel plantairflexie als dorsaalflexie; afstandsbediening en aanpassing van de weerstandskracht zonder onderbrekingen voor handmatige aanpassing; en MR-veiligheid en -compatibiliteit.