Projekcja wideo w czasie rzeczywistym w rezonansie magnetycznym w celu scharakteryzowania korelatów neuronalnych związanych z terapią lustrzaną w przypadku bólu fantomowego kończyn
20 kwietnia 2019
Prezentujemy nowatorski protokół połączonego obrazowania behawioralnego i neuroobrazowego, wykorzystujący projekcję wideo w czasie rzeczywistym w celu scharakteryzowania neuronalnych korelatów związanych z terapią lustrzaną w środowisku skanera rezonansu magnetycznego u osób po amputacji nogi z bólem fantomowym.
Ogólnym celem tej procedury jest dokładniejsze scharakteryzowanie neuronalnych korelatów terapii lustrzanej u pacjentów z bólem kończyn fantomowych, czyli pacjentów z PLP. W tym celu należy wykonać następujące czynności. Krok pierwszy.
Upewnij się, że uczestnik nie ma żadnych znanych przeciwwskazań do badania MRI i zapewnij nagrany wcześniej dźwięk, aby upewnić się, że jest w stanie zrozumieć i postępować zgodnie z instrukcjami dostarczonymi podczas procedury skanowania. Krok drugi. Ułóż pacjenta tak wygodnie, jak to możliwe, na łóżku skanera, gdzie powinien leżeć na wznak, z jednoczęściowym lustrem poziomym kompatybilnym z rezonansem magnetycznym między nogami.
Lustro to powinno być wsparte na trójkątnym stojaku, aby uniknąć kontaktu z jakąkolwiek częścią ciała pacjenta. Krok trzeci. Umieść kamerę cyfrową kompatybilną z rezonansem magnetycznym na regulowanym statywie w pobliżu nienaruszonej nogi pacjenta, aby zapewnić transmisję wideo w czasie rzeczywistym.
Krok czwarty, ostatni krok. Rozpocznij od anatomicznego rezonansu magnetycznego i dostosuj ustawienia urządzenia do każdego pacjenta, a następnie, podczas wykonywania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego, odtwórz nagranie pacjentowi, instruując go, aby wykonał określone zadania behawioralne. Docelowo lustro przymocowane do cewki do rezonansu magnetycznego pozwoli pacjentom obserwować lustrzane ruchy nóg w czasie rzeczywistym bez poruszania głową.
Do tego protokołu potrzebne będą następujące elementy. Skaner MRI, dwa lustra kompatybilne z MRI, duże do umieszczenia między nogami pacjenta, a także małe do umieszczenia na cewki głowy. Dodatkowo potrzebne będą worki z piaskiem, aparat cyfrowy kompatybilny z rezonansem magnetycznym, statyw do aparatu, system sterowany komputerowo oraz monitor do umieszczenia z tyłu otworu skanera.
Przed przystąpieniem do rezonansu magnetycznego bardzo ważne jest, aby upewnić się, że pacjent nie ma znanych przeciwwskazań do badania rezonansem magnetycznym, na przykład metalowych implantów, klipsów do tętniaków lub ciężkiej klaustrofobii. Na początku wyjaśnisz pacjentom dokładnie, czego powinni się spodziewać podczas procedury eksperymentalnej. Następnie pacjenci wysłuchają nagrania z instrukcjami, których należy przestrzegać podczas skanowania. Lustro.
Pacjenci mogą najpierw poćwiczyć podczas próbnego skanowania, aby zapoznać się z zadaniami, a także ze środowiskiem skanera. Atrapa skanera jest pod każdym względem podobna do prawdziwego skanera MRI, ale bez aktywnego magnesu. Przed wejściem do pomieszczenia skanera pacjenci muszą zdjąć protezy, a także wszelkie metalowe przedmioty, które mogą nosić na głowie lub ciele, na przykład zegarki lub biżuterię.
Technik rezonansu magnetycznego upewni się, że pacjenci nie mają metalu, który mógłby narazić ich na ryzyko. Wszyscy pacjenci są transportowani do sali skanera za pomocą wózka inwalidzkiego bezpiecznego do rezonansu magnetycznego, aby uniknąć wypadnięcia. Następnie pacjenci przenoszą się na łóżko skanera MRI.
Po tym, jak pacjent ułoży się wygodnie na wznak na łóżku skanera, między jego nogami umieszcza się jednoczęściowe lustro poziome kompatybilne z rezonansem magnetycznym. Następnie ustawia się regulowane ramię, aby skierować kamerę na lustrzaną nogę. Duże lustro umieszczone jest między nogami pod kątem około 45 stopni, w zależności od wzrostu pacjenta i stopnia amputacji.
Celem jest zakrycie kikuta i uczynienie go niewidocznym dla kamery wideo. Worki z piaskiem służą do utrzymywania lustra pod odpowiednim kątem. Mniejsze zwierciadło jest umieszczone na cewce głowicy, ustawione pod kątem 45 stopni na wysokości oczu.
Lustro to pozwala pacjentowi na bezpośrednią wizualizację lustrzanego obrazu nogi, bez poruszania głową, leżąc całkowicie w otworze skanera. Kamera cyfrowa kompatybilna z rezonansem magnetycznym jest zamontowana na statywie w pobliżu nienaruszonej nogi. Kamera ta będzie przesyłać w czasie rzeczywistym obrazy wideo lustrzanych ruchów nóg do komputerowego systemu sterowania, który następnie wyświetla obraz na monitorze w pobliżu głowy pacjenta, aby mógł on zobaczyć lustrzane ruchy nóg
.Pacjent zostanie poddany najpierw czterominutowemu skanowaniu anatomicznemu, a następnie czterem seriom akwizycji funkcjonalnej podczas wykonywania zadań. Każdy bieg trwa sześć minut. Podczas skanowania pacjent nosi izolujące dźwięk słuchawki zgodne z rezonansem magnetycznym, które emitują serię sygnałów słuchowych, instruując pacjenta, aby wykonał dane zadanie behawioralne.
Używane są następujące polecenia. Jeden, noga, dwa, lustro i trzy, odpoczynek. Dodatkowo badacz mówi o początku i końcu początku i końca przebiegu eksperymentalnego.
Pacjent został już poinstruowany, gdy usłyszał słowo noga, aby postępować zgodnie z dźwiękiem stukania prezentowanym w dźwięku. Z zamkniętymi oczami będzie stukać stopą w tempie jednego stuknięcia na dwie sekundy, co daje w sumie 10 stuknięć w ciągu 20 sekund. Po usłyszeniu drugiego polecenia, lusterko, pacjent musi kontynuować stukanie stopą w tym samym tempie, tym razem, patrząc na wyświetlacz pokazujący lustrzany obraz obu nóg.
Ponownie, byłoby to w tempie 10 stuknięć w 20 sekund. Lustro. Po usłyszeniu trzeciego polecenia, odpoczynek, pacjent powinien przestać poruszać stopą i leżeć nieruchomo z zamkniętymi oczami. Dane są zbierane podczas jednej sesji dla każdego pacjenta, a cała procedura skanowania trwa około 30 minut.
Śledczy odnotowują wszelkie niepożądane ruchy. Pomiędzy biegami mogą prosić pacjentów o utrzymanie odpowiedniego tempa i wykonywanie prawidłowych ruchów. Po zakończeniu procedury dane są przesyłane na zaszyfrowany pendrive i przechowywane w bezpiecznym miejscu w obiekcie.
Stosuje się projekt analizy podłużnej, porównując dane wyjściowe i po leczeniu. Zostanie zastosowany pakiet oprogramowania FSL i strumień przetwarzania. Objętości o ruchu powyżej 0,9 milimetra w dowolnym kierunku są identyfikowane za pomocą strumienia przetwarzania wykrywania odchyleń ruchu FSL i matematycznie usuwane z końcowej analizy.
Jeżeli więcej niż 25% woluminów jest przeznaczonych do usunięcia, całe pozyskanie jest wyłączone z całego zbioru danych. Używana jest analiza zwrotu z inwestycji w obszar zainteresowania. Pierwotny zwrot z inwestycji jest definiowany strukturalnie za pomocą atlasu Desikan firmy Freesurfer podstawowej kory czuciowo-ruchowej i udoskonalany za pomocą specyficznej dla pacjenta aktywacji funkcjonalnej podczas stanu nogi w porównaniu ze stresem podczas skanowania wyjściowego.
Ten ROI jest następnie odbijany na homologicznym obszarze drugiej półkuli, czyli ipsilateralnej pierwotnej reprezentacji czuciowo-motorycznej nienaruszonej kończyny dolnej. Wtórny ROI to cała obustronna potyliczna kora wzrokowa zgodnie z definicją anatomicznego atlasu Desikan. Pacjenci zgłaszali, że doświadczenie jest wciągające, a obraz wideo jest realistyczny.
Dlatego ten proces projekcji wideo w czasie rzeczywistym może generować odczucia związane z konwencjonalną terapią lustrzaną. Spodziewamy się, że stan nóg, czyli zadanie stukania stopą, doprowadzi do solidnej aktywacji czuciowo-ruchowej kory reprezentującej nienaruszoną nogę w porównaniu ze stanem spoczynku. Spodziewamy się jednak również mniej wyraźnej aktywacji czuciowo-motorycznego obszaru nogi reprezentującego amputowaną nogę.
Stan lustra wykazuje również silną kontralateralną, a także pewną ipsilateralną aktywację czuciowego obszaru motorycznego korowej nogi w porównaniu ze stanem spoczynku. Dodatkowo, silna aktywacja kory mózgowej jest widoczna z tyłu w obszarach kory wzrokowej związanych z oglądaniem lustrzanej nogi. Schemat aktywacji jest opisany tak, aby reprezentował stan wyjściowy, czyli przed rozpoczęciem leczenia.
Te początkowe odpowiedzi służą do zdefiniowania obszarów zainteresowania, ROI i umożliwiają porównania po zakończeniu protokołu terapeutycznego u każdej osoby. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć odpowiednią i wystarczającą wiedzę na temat niezbędnych kroków wymaganych do skonfigurowania wszystkich urządzeń do przeprowadzenia terapii w skanerze MRI. Protokół ten opisuje nowatorską procedurę fizyczną, która pozwala badaczom dokładniej scharakteryzować korelaty neuronalne związane z terapią lustrzaną u osób z bólem fantomowym kończyn.
Moglibyśmy odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące organizacji mózgu po amputacji kończyny, postępując zgodnie z krokami tego protokołu, korzystając z innych pomiarów neurofizjologicznych lub technik obrazowania. Wyzwaniem związanym z tym podejściem jest ryzyko generowania artefaktów nadmiernego ruchu głowy, biorąc pod uwagę, że noga musi być wielokrotnie poruszana wewnątrz skanera. Nadmierny ruch głowy może pogorszyć jakość danych obrazu.
W związku z tym ważne jest, aby planować z wyprzedzeniem i wdrażać różne strategie, aby złagodzić tę możliwość. Obejmują one szkolenie uczestnika w symulowanym skanerze, aby wykonywał zadanie bez nadmiernego poruszania głową, upewnienie się, że głowa jest bezpieczna, a jednocześnie wygodnie unieruchomiona, oraz wdrożenie strategii korekcji detekcji ruchu odpowiednio w fazie akwizycji i analizy danych. Biorąc pod uwagę, że metoda wdrożenia układu eksperymentalnego jest stosunkowo prosta, podejście to może pozwolić na ocenę efektów terapii lustrzanej nie tylko u osób po amputacji kończyny, ale także w innych stanach, takich jak udar lub uraz rdzenia kręgowego, w przypadku których terapia lustrzana jest już powszechnie stosowana w praktyce klinicznej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowy protokół łączący zadania behawioralne z neuroobrazowaniem w celu zbadania neuronalnych korelacji terapii lustrzanej w leczeniu bólu fantomowego u osób po amputacjach kończyn dolnych. Wykorzystując projekcję wideo w czasie rzeczywistym w środowisku skanera MRI, badanie ma na celu dostarczenie informacji na temat mechanizmów leżących u podstaw interwencji terapeutycznych z użyciem lustra u pacjentów doświadczających bólu fantomowego.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Leczenie bólu
- Neuroobrazowanie
Wstęp
- Ból fantomowy (PLP) jest złożonym zjawiskiem występującym u osób po amputacjach.
- Terapia lustrzana jest interwencją behawioralną stosowaną w celu łagodzenia PLP.
- Zrozumienie mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw terapii lustrzanej jest kluczowe dla opracowania skutecznych metod leczenia.
- Niniejszy protokół ma na celu dokładny pomiar aktywności mózgu związanej z terapią lustrzaną podczas skanowania MRI.
Cel badania
- Charakterystyka korelatów neuronalnych terapii lustrzanej u pacjentów z PLP.
- Wykorzystanie połączonego podejścia behawioralnego i neuroobrazowego do przeprowadzenia tej charakterystyki.
- Poprawa zrozumienia wpływu terapii lustrzanej na funkcje mózgu.
Zastosowane metody
- Protokół obejmuje obrazowanie MRI, a konkretnie skany anatomiczne i funkcjonalne.
- Uczestnikami są osoby po amputacji kończyn dolnych cierpiące na ból fantomowy, w terapii których wykorzystuje się poziomy układ luster.
- W celu wzmocnienia efektów terapii lustrzanej wykorzystuje się transmisję ruchów nóg z kamery w czasie rzeczywistym.
- Procedura skanowania obejmuje zadania behawioralne sterowane poleceniami słuchowymi podczas funkcjonalnych skanów MRI.
Główne wyniki
- Celem badania jest skorelowanie obserwowanych zadań behawioralnych z wynikową aktywnością mózgu podczas terapii lustrzanej.
- Szczegółowe informacje dotyczące konkretnych wyników nie zostały podane, jednak przyjęte podejście ma na celu wyjaśnienie mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw terapii lustrzanej.
- Analiza podłużna porówna dane wyjściowe z danymi po leczeniu w celu pomiaru skuteczności terapii.
- Dane zostaną poddane analizie statystycznej przy użyciu oprogramowania FSL w celu korekcji artefaktów ruchowych oraz przeprowadzenia analizy ROI.
Wnioski
- Niniejsze badanie przedstawia metodę efektywnej oceny wpływu terapii lustrzanej na aktywność mózgu u pacjentów z PLP.
- Uzyskane informacje mogą pomóc w opracowaniu strategii leczenia oraz działań w zakresie rehabilitacji neurologicznej.
- Połączenie technik behawioralnych i obrazowania pogłębia zrozumienie mechanizmów neuronalnych zaangażowanych w łagodzenie bólu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w terapii lustrzanej poprzez zapewnienie ilościowych odczytów neuronowych w kontrolowanym środowisku MRI, co wspiera walidację celów dla metod neuromodulacji w bólu fantomowym. Łączy on interwencję behawioralną z neuroobrazowaniem w celu uzyskania wiarygodnych prognoz dotyczących skuteczności terapeutycznej przed przełożeniem ich na praktykę kliniczną. Metoda ta odpowiada na kluczowe wyzwanie na etapie odkryć: ustanowienie związków przyczynowo-skutkowych między strategiami rehabilitacyjnymi a reorganizacją kory u osób po amputacjach.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez powiązanie wizualnej informacji zwrotnej wywołanej lustrem z wzorcami aktywacji kory sensoromotorycznej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia system istotny dla danej jednostki chorobowej w celu walidacji funkcjonalnych celów w modelach bólu neuropatycznego u osób po amputacjach.
- Wartość prognostyczna: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez zdefiniowanie bazowych korelatów neuronalnych, które mogą być śledzone podłużnie w celu oceny odpowiedzi na leczenie.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Gotowość analizy: Ustanawia powtarzalny odczyt oparty na fMRI w celu ilościowej oceny zaangażowania kory mózgowej podczas sesji terapii lustrzanej.
- Wynik ilościowy: Generuje zmiany sygnału BOLD w korze sensoryczno-motorycznej i wzrokowej jako zmienne zależne do przesiewu związków lub urządzeń neuromodulacyjnych.
- Standaryzacja platformy: Wykorzystuje korekcję ruchu oraz definiowanie ROI za pomocą FSL i Freesurfer w celu zapewnienia niezawodności i skalowalności między sesjami.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Odzwierciedla sposób prowadzenia klinicznej terapii lustrzanej przy jednoczesnym rejestrowaniu odpowiedzi neuronalnych, co umożliwia bezpośrednie porównanie z wynikami u ludzi.
- Zgodność biomarkerów: Definiuje ROI w korach sensoryczno-motorycznych i wzrokowych, które mogą służyć jako biomarkery translacyjne dla oceny zaangażowania celu.
- Postęp dostosowany do ryzyka: Wzorcowe wzorce aktywacji pozwalają na stratyfikację pacjentów pod kątem responsywności neuronalnej, co dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji go/no-go w rozwoju terapeutycznym.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu badawczego — od weryfikacji hipotez dotyczących celów terapeutycznych, poprzez identyfikację wiodących związków, aż po walidację przedkliniczną — dostarczając obiektywnych korelacji neuronalnych interwencji behawioralnej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie szlaków poprzez izolację wpływu sprzężenia zwrotnego wizualnego na aktywację kory w obszarach sensoryczno-motorycznych.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych wyników fMRI gotowych do analizy, co umożliwia wiarygodne porównanie warunków eksperymentalnych (noga, lustro, odpoczynek).
- Analityka: Wykorzystuje wykrywanie odstających wartości ruchu oraz analizę opartą na ROI w celu generowania statystycznie odpornych, porównywalnych zbiorów danych pomiędzy badanymi i punktami czasowymi.
- Badania translacyjne: Łączy stosowanie terapii lustrzanej z mierzalnymi zmianami w homologicznych reprezentacjach korowych, wspierając ciągłość przejścia z fazy przedklinicznej do klinicznej.
- Zastosowania wielokrotne: System lustro-kamera-monitor stanowi wielorazową platformę neurobehawioralną, którą można zastosować w innych paradygmatach wyobrażeń ruchowych lub rehabilitacji.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w terapii lustrzanej, dostarczając bezpośrednich dowodów na aktywację korową powiązaną z konkretnymi poleceniami behawioralnymi.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przeprowadzanie terapii lustrzanej podczas badania MRI poprzez zastosowanie stałych kątów ustawienia lustra, sygnałów słuchowych oraz protokołów korekcji ruchu.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez kwantyfikację zaangażowania celu, co redukuje ryzyko niepowodzenia na późnych etapach rozwoju urządzeń do neuromodulacji lub rehabilitacji.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację wariantów terapii lustrzanej z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o profile aktywacji neuronalnej w grupach osób po amputacjach.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w projektowaniu eksperymentów fMRI, neuronauce behawioralnej oraz w zarządzaniu artefaktami ruchowymi.
- Wymaga sprzętu kompatybilnego z MRI: podwójnych luster, kamery cyfrowej, statywu, systemu sterowania komputerowego oraz monitora do projekcji w czasie rzeczywistym.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie kątów ustawienia luster, czasu wydawania poleceń słuchowych oraz progów korekcji ruchu we wszystkich ośrodkach.
- Uwzględnia konieczność adaptacji do różnych poziomów amputacji i morfologii kikuta podczas pozycjonowania luster i kamer.
- Ograniczony przez podatność na artefakty ruchowe głowy wynikające z powtarzających się ruchów kończyn dolnych, co wymaga treningu w skanerze symulacyjnym (mock scanner) oraz prospektywnej korekcji ruchu.
