$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wykorzystanie wskaźników ilościowych pochodzących z funkcjonalnego i strukturalnego obrazowania mózgu może być bardziej przydatne i skuteczne w śledzeniu postępów i przewidywaniu wyników terapii udaru mózgu niż ocena wyników klinicznych, a te wskaźniki ilościowe mogą być przydatne w projektowaniu i ulepszaniu zindywidualizowanych planów terapii 1,2. Opracowanie skutecznych, spersonalizowanych strategii, które łączą trening motoryczny z mierzalną reorganizacją aktywności neuronalnej i/lub poprawą funkcji motorycznych, pozostaje wyzwaniem. We wcześniejszych pracach opracowano spostrzeżenia dotyczące tego, w jaki sposób funkcjonalne metody neuroobrazowania i mapowanie mózgu u pacjentów dotkniętych przewlekłym udarem mózgu mogą wykazywać takie zmiany 3,4,5,6,7,8. Badanie funkcji mózgu w odniesieniu do wydajności chwytu dłoni (która jest kluczem do samowystarczalności pacjenta i jakości życia) doprowadziło do oczekiwań, że technika ta może być również zastosowana do kontroli ruchów stóp związanych z chodem poprzez ocenę odpowiednich wzorców topograficznych aktywności neuronalnej i odzyskiwania funkcji. Przypuszcza się, że włączenie funkcjonalnych map urazów opartych na MRI może pomóc w dokładniejszym scharakteryzowaniu deficytów neurologicznych niż oceny kliniczne9 oraz że użycie urządzeń robotycznych jest bardziej skuteczne w regeneracji mózgu niż konwencjonalne paradygmaty10. Mapy funkcjonalne mogą zapewnić wgląd w to, które części systemu działają, dostarczając w ten sposób informacji, które nie są oczywiste z obserwacji klinicznych11. Sukces w rehabilitacji ruchomości i siły stóp za pomocą rezonansu magnetycznego u pacjentów po udarze mózgu ułatwi opracowanie spersonalizowanych strategii leczenia opartych na wskaźnikach MRI dla szerszej populacji z innymi schorzeniami neurologicznymi.
W przedstawionej pracy opisano zastosowanie kompatybilnego z MR robota indukowanego stopą (MR_COFID lub urządzenia do stopy) podczas skanowania fMRI w celu zbadania wpływu treningu umiejętności motorycznych po udarze na funkcjonowanie mózgu. Motywacją do opracowania tego urządzenia do pomiaru stopy z kontrolowanym oporem była krytyczna, niezaspokojona potrzeba rehabilitacji ruchomości stóp u pacjentów po udarze. Skonstruowanie systemu odpowiedniego zarówno do szkolenia w domu, jak i w biurze oraz do monitorowania reakcji na działania szkoleniowe w oparciu o MR tworzy ujednolicone podejście, które eliminuje wcześniejsze ograniczenia zarówno w zakresie szkolenia, jak i oceny.
MR_COFID (Rysunek 1A) jest adaptacją wcześniejszego ręcznego urządzenia robotycznego (MR_CHIRODv2)8,12 zgodnego z rezonansem magnetycznym, które wykorzystywało siłownik z płynem elektroreologicznym (ERF) w celu zapewnienia dynamicznie kontrolowanej siły oporu w odpowiedzi na podmiot chwytający i ściskający mechanizm uchwytu. Siłownik ERF (rysunek 1B) jest dwukierunkowym tłokiem wypełnionym płynem, w którym ERF po jednej stronie tłoka jest zmuszany przez ruch tłoka do przepływu między parą elektrod w kanale, który zawraca płyn na drugą stronę tłoka. Po przyłożeniu wysokiego napięcia (HV) do elektrod cząsteczki w nieprzewodzącym oleju silikonowym wyrównują się i mechanicznie wiążą ze sobą, zwiększając w ten sposób lepkość płynu i opór ruchu urządzenia. W urządzeniu z uchwytem ręcznym siłownik jest bezpośrednio sprzężony z uchwytami, z ogniwem obciążnikowym w celu pomiaru przyłożonej siły oraz z enkoderem optycznym w celu pomiaru przemieszczenia uchwytu. Nowe urządzenie do zakładania stopy przekształca liniowe działanie urządzenia chwytającego w kątowe przemieszczenie stopy w zgięciu grzbietowym i podeszwowym za pomocą mechanizmu suwaka korbowego (rysunek 1C). Siła oporu od siłownika ERF jest przekształcana prawie proporcjonalnie do momentu oporu wokół stawu skokowego. Ruch korby pedału jest symetryczny względem wektora prostopadłego do głównej osi siłownika, wykorzystując w ten sposób przybliżenie, że kąt korby i jego sinus są prawie równe dla małych kątów. Ponieważ ERF może wywierać tylko siły oporu, system jest z natury bezpieczny; Siłownik nie może aktywnie pchać ani ciągnąć stopy, a siła spada do zera, gdy obiekt przestaje się poruszać. Maksymalne zgięcie podeszwowe stopy wynosi 35°, a maksymalne zgięcie grzbietowe 18°. Wartości te mieszczą się w zakresie ruchu stopy podczas normalnego chodu i warunków nieobciążania13,14, są prawie takie same jak wartości użyte w innych badaniach15 i zostały stwierdzone podczas wstępnych testów, aby spełnić lub przekroczyć zakresy ruchu osób dotkniętych urazem po stronie dotkniętej urazem i umożliwić maksymalizację dostępnych sił oporu poprzez mechanizm przekładni liniowo-kątowej. Oryginalny uchwyt i dodatkowy mechanizm ruchu stopy zostały wykonane z materiałów nieżelaznych (plastik, aluminium, mosiądz) dla bezpieczeństwa MR.
Siłownik ERF wykorzystuje zmienne pola elektryczne, a nie magnetyczne, do zmiany lepkości płynu, dzięki czemu pola magnetyczne skanera MR nie mają na niego wpływu. Siłownik ERF jest zamknięty w cylindrycznej miedzianej powłoce, która jest podłączona do przewodu ekranującego koncentrycznego WN; ten jest z kolei uziemiony do panelu penetracyjnego klatki Faradaya skanera MR. Zapobiega to wpływaniu na skaner potencjalnego szumu o częstotliwości radiowej spowodowanego zmiennym napięciem przyłożonym do siłownika i zapobiega indukowaniu prądów w przez zmienne pola magnetyczne skanera, które mogłyby zmienić lepkość ERF. WN biegnie na zewnątrz panelu przepustowego do wzmacniacza WN. Zastosowano koncentryczne złącza MHV (miniaturowe wysokie napięcie), które zapewniają dodatkowe bezpieczeństwo przy przenoszeniu napięć do 4 kV (ilustracja 2).
Oddzielne od enkodera optycznego i czujnika wagowego mają ekrany, które są również uziemione do panelu penetracyjnego, dzięki czemu ich sygnały (w szczególności sygnały cyfrowe z kanałów enkodera) nie wpływają ani na skaner, ani na wyjście ogniwa obciążnikowego o małym napięciu. ekranowane i uziemione na zewnątrz panelu przepustowego przenoszą sygnały do modułu akwizycji danych (DAQ). Wyjście ogniwa obciążnikowego, które wykorzystuje mostek Wheatstone'a z kompensacją temperatury, jest wzmacniane przez wzmacniacz oprzyrządowania podłączony do analogowych zacisków wejściowych DAQ, zapewniając 1,000-krotny współczynnik wzmocnienia.
Moduł DAQ uruchamia oprogramowanie układowe przy użyciu języka skryptowego Lua (Supplemental Coding File 1). Skrypt załadowany do modułu DAQ działa z częstotliwością pętli 500 Hz, a moduł odczytuje enkoder i wzmocniony sygnał ogniwa obciążnikowego, konwertuje odczyty czujnika na wartości długości i siły oraz przechowuje je w rejestrach pamięci w celu uzyskania dostępu i rejestrowania przez interfejs użytkownika m-file (UI; Rysunek 3) na laptopie hosta (Supplemental Coding File 2). W razie potrzeby laptop hosta wysyła wartości siły docelowej dla zgięcia grzbietowego i podeszwowego, parametrów kontrolera w pętli zamkniętej oraz poleceń resetowania enkodera do dodatkowych rejestrów pamięci w module DAQ. Skrypt DAQ uruchamia pętlę sterowania, która wykrywa kierunek ruchu pedału, aby określić, jaką siłę należy wywierać: zgięcie grzbietowe lub zgięcie podeszwowe. Następnie oblicza napięcie wyjściowe proporcjonalne do różnicy między wartościami siły zmierzonej i docelowej, ograniczoną napięciem od 0 V do 4 V, co jest dopuszczalnym zakresem wejściowym wzmacniacza wysokiego napięcia. ERF reaguje na wielkość przyłożonego pola elektrycznego; odwrócenie napięcia nie zmniejsza lepkości poniżej lepkości płynu niezasilanego (bez pola elektrycznego), więc wyjście DAQ jest ograniczone do minimum 0 V. DAQ kwantyzuje (rozdzielczość 12 bitów) i próbkuje (500 Hz) napięcia analogowe, co skutkuje wyjściem schodkowym do wzmacniacza HV, które może powodować składowe wysokiej częstotliwości na wyjściu WN z powodu szybkich zmian na każdym kroku. Wzmacniacz HV ma małe i duże pasmo sygnału wynoszące odpowiednio 35 kHz i 8 kHz, więc aby zmniejszyć możliwość generowania szumów RF wykrywanych przez skaner, wyjście DAQ wykorzystuje filtr RC pierwszego rzędu o częstotliwości -3 dB przy około 900 Hz, więc wyższe częstotliwości są prawie wyeliminowane. Ponadto urządzenie nożne jest umieszczone na zewnątrz otworu skanera, w pobliżu podstawy łóżka, co dodatkowo minimalizuje jakąkolwiek interakcję między czujnikami urządzenia, siłownikiem i skanerem. Wzmacniacz o wzmocnieniu 1 000 V/V i szczytowej mocy wyjściowej 4 kV generuje pola w poprzek szczeliny ERF do 4 kV/mm; chociaż napięcie przebicia płynu ERF nie jest podawane przez dostawcę, lepkość i inne parametry są opisane do tego poziomu. Butla ERF może wywierać nieco ponad 200 N siły, gdy jest w pełni zasilana i porusza się z prędkością docelową. Długość ramienia w miejscu, w którym korbowód łączy się z pedałem, wynosi 56 mm, co daje maksymalny moment obrotowy około 11,2 Nm. Jest to więcej niż wystarczające dla osób z niedowładem stóp; jednak może zostać obezwładniony przez silne, zdrowe podmioty. Komponenty sprzętowe są wymienione w Tabeli materiałów.
Zastosowanie urządzenia nożnego opiera się na paradygmatach treningu i testowania opracowanych z wcześniejszymi urządzeniami do chwytania dłoni 3,4,5,6,7,8,16 i innymi pracami 11,17,18. W momencie publikacji urządzenie to było używane u pacjentów z przewlekłym udarem mózgu z deficytami związanymi ze stopą w celu zbadania zmian neuroplastycznych wywołanych terapią zarówno za pomocą obrazowania MR, jak i ilościowej oceny wydajności.
Jak opisano w poniższym protokole, osoby poddawane skanowaniu leżą na wznak na łożu skanera, a ich głowy są unieruchomione w cewce głowicy skanera i umieszczone w izocentrum skanera. Urządzenie nożne jest ustawione i zablokowane w taki sposób, że badana noga jest prosta, a jego stopa jest przypięta do odpowiedniego pedału urządzenia. W ten sposób zginanie w kostce nie powoduje pchania ani ciągnięcia za urządzenie, co mogłoby przesunąć pozycję głowicy w cewce. Rama lustra jest umieszczona przed oczami fotografowanej osoby, umożliwiając jej oglądanie ekranu projekcyjnego, który wyświetla instrukcje i wskazówki wizualne dotyczące zadania motorycznego.
Podczas zadania badany widzi albo znak "+" w okresach odpoczynku, albo wizualny metronom podczas testowania, w którym jeden okrąg porusza się w górę iw dół na ekranie (cel), a drugi okrąg jest wyświetlany, który porusza się pod kontrolą położenia pedału nożnego urządzenia (kursor; Rysunek 4). Badani proszeni są o uważne śledzenie ruchu celu. Prędkość docelowa jest określana w taki sposób, że niezasilona lepka siła reakcji urządzenia (siły lepkości rosną wraz ze wzrostem prędkości) jest wystarczająco niska, aby każdy podmiot mógł ją pokonać, przy zwiększonych siłach przyłożonych pod kontrolą komputera.
Robotyka jest łatwa do wdrożenia, ma zastosowanie w przypadku różnych zaburzeń motorycznych, charakteryzuje się wysoką wiarygodnością pomiarów i jest w stanie zapewnić trening o wysokiej intensywności10. To urządzenie oparte na ERF dostarcza cyfrowo kontrolowaną siłę oporu do obiektu i jest bezpieczne dla MR w połączeniu z komponentami nieżelaznymi/niemagnetycznymi, a także kompatybilne z MR dzięki zastosowaniu uziemionej i ekranowanej elektroniki12. Ma zalety w stosunku do powiązanych urządzeń, ponieważ jest przenośny i stosunkowo prosty w użyciu, co oznacza, że może być używany zarówno w środowiskach klinicznych, jak iw domu, gdzie regularna terapia może być wykonywana bez kosztów związanych z podróżą lub placówką kliniczną. Urządzenie może wytwarzać sterowany komputerowo, zmienny w czasie opór w zgięciu podeszwowym i zgięciu grzbietowym, aby ułatwić tworzenie procedur rehabilitacyjnych dostosowanych do potrzeb pacjenta, a tym samym wypełnia lukę w dziedzinie dostępnych na rynku urządzeń rehabilitacyjnych.
Istnieją inne urządzenia badawcze, które z różnych powodów nie nadają się do niniejszych badań. Niektóre urządzenia są statyczne, mierząc siły przyłożone izometrycznie19, a nie w zakresie ruchu obiektu (RoM). Urządzenia oparte na sprężystości wywierają rosnącą siłę wraz ze wzrostem przemieszczenia, a nie stałym oporem nad RoM i muszą być ręcznie regulowane, aby zmienić poziomy siły 20,21,22. Stosowanie stałych ciężarów i obciążeń grawitacyjnych15,23 nie pozwala na komputerowe sterowanie obciążeniami lub różnymi obciążeniami dla zgięcia podeszwowego i grzbietowego. Urządzenia pneumatyczne 24,25,26 pozwalają na zmiany siły między testami i stałą siłę na RoM; jednak zawory musiałyby być umieszczone w pewnej odległości od skanera, więc ogólnie rzecz biorąc, urządzenie to nie byłoby w stanie szybko przełączać się między siłami zgięcia podeszwowego i grzbietowego podczas zmiany kierunku stopy i nie miałoby możliwości odpowiedzi częstotliwościowej siłowników ERF. Silniki elektromagnetyczne mogą być używane27 w środowisku skanera, ale tylko poprzez przedłużenie mechanizmu na tyle daleko, aby zachować bezpieczeństwo i kompatybilność MR, co ogranicza przenośność i zwiększa ryzyko wypadków, jeśli którykolwiek z elementów silnika zostanie przysunięty zbyt blisko otworu. Hydraulika28 może być dwukierunkowa przy różnych poziomach siły, ale wiąże się z wyzwaniami podobnymi do stosowania silników elektromagnetycznych, ponieważ sprężarka/sterownik (zwykle niekompatybilny z MR) musi znajdować się daleko od otworu, co ogranicza przenośność i pasmo przenoszenia. Hydraulika została połączona z systemami ERF29, dzięki czemu system może napędzać wstecznie efektor końcowy (stopę lub urządzenie chwytające) i zapewniać opór izometryczny; jednak ta zdolność nie była wymagana w obecnych badaniach i została dodana kosztem użycia silników hydraulicznych niekompatybilnych z MR.
Urządzenie do pomiaru stopy zapewnia połączenie funkcji, które umożliwiają: precyzyjne i konsekwentne terapeutyczne ćwiczenia kontroli stopy przez dłuższy czas; pomiar aktualnej sprawności motorycznej pacjenta i dostosowanie trudności zadania w miarę postępu rehabilitacji; kontrola w czasie rzeczywistym i niezależna regulacja przyłożonej siły zarówno w zgięciu podeszwowym, jak i grzbietowym; zdalne sterowanie i regulacja siły oporu bez przerw w celu ręcznej regulacji; oraz bezpieczeństwo i kompatybilność MR.