Eksperyment z wykorzystaniem funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni i wspomaganych przez robota wielostawowych ruchów wskazujących kończyny dolnej
7 czerwca 2024
Szacuje się, że 1 na 6 osób na całym świecie dozna udaru mózgu w swoim życiu, powodując długotrwałą niepełnosprawność, której mechanizmy rehabilitacji są nadal słabo poznane. W badaniu tym zaproponowano protokół oceny aktywacji mózgu za pomocą funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) podczas sesji terapii robotycznej kończyn dolnych.
W tym badaniu mamy na celu zbadanie wykonalności protokołu eksperymentalnego obejmującego ruchy kończyny dolnej podłączonej do urządzenia robotycznego i jednoczesne pozyskiwanie funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni, danych fNIRS. W niewielu badaniach wykorzystano fNIRS do badania aktywacji mózgu po udarze, regeneracji motorycznej i ruchów kończyn dolnych, koncentrując się głównie na czynnościach pojedynczych stawów, chodzeniu lub jeździe na rowerze. Nasze badanie jest pionierem w odkrywaniu, wielostawowym, treningu kończyn dolnych w celu rehabilitacji docelowej.
Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni, fNIRS, skutecznie mierzy łańcuchy skroniowe w natlenieniu krwi mózgu, służąc jako pośredni wskaźnik aktywności mózgu, reagując na funkcjonalne sygnały MRI. W przeciwieństwie do FMRI, fNIRS jest kompatybilny ze sprzętem robotycznym, przenośny i bardziej odporny na artefakty ruchu. Istnieją dwa główne kanały.
Pierwszym z nich jest synchronizacja ruchów urządzenia robotycznego z danymi fNIRS. Drugim jest zachowanie wystarczającej ilości danych, aby osiągnąć moc statystyczną do wykrycia zmian hemodynamicznych w ciągu zaledwie sześciu minut. Nasze badanie potwierdziło wykonalność protokołu i plonów, przewidywało wyniki.
A stan wspomagany tylko u pacjenta wykazuje znaczną aktywację mózgu. Samodzielne ćwiczenia wymagające większego wysiłku wykazały większą zmianę stężenia HbO. Następnie, jak to było kiedyś, z zauważalną różnicą w przeciwprzedsionkowym PNC.
Zacznij od przygotowania funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni lub systemu fNIRS. Przygotuj nasadkę za pomocą 16 optodów, ośmiu źródeł światła o długości fal 760 i 850 nanometrów oraz ośmiu detektorów światła. Podłącz ósmy detektor do adaptera krótkiego zasięgu, który jest podłączony do każdego z optodiów źródła.
Otwórz oprogramowanie do akwizycji fNIRS i załaduj montaż z umiejscowieniem każdego optodu. Ustaw czasową częstotliwość próbkowania sygnału fNIRS na 10,17 herca. Krótko wyjaśnij uczestnikowi znaczenie badań i protokół eksperymentalny.
Poinstruuj ochotnika, aby usiadł na fotelu przed robotem, umieszczonym w odległości około 150 centymetrów od monitora komputera. Po zdjęciu obuwia wygodnie przymocuj stopę uczestnika do ramienia robota za pomocą pasków na rzepy. Umieść nasadkę fNIRS z optodami na głowie uczestnika i bezpiecznie zapnij za pomocą zapięcia na rzep poniżej podbródka.
Umieść nasadkę na nasadce optod, aby zmniejszyć zakłócenia światła otoczenia. Przystąp do rozpoczęcia zbierania danych po przygotowaniu uczestnika do sesji terapii robotycznej kończyn dolnych. Poinstruuj każdego uczestnika, aby nie wykonywał gwałtownych ruchów głową, aby zminimalizować ryzyko artefaktów ruchowych.
Skalibruj funkcjonalną spektroskopię bliskiej podczerwieni lub system fNIRS, aby uzyskać optymalną jakość sygnału. Upewnij się, że wszystkie kanały są dobrej jakości, jak pokazuje interfejs. Jeśli nie, spróbuj usunąć włosy między skórą głowy a końcówką optod.
Wyjaśnij uczestnikowi, jak grać w grę, poruszając stopą przymocowaną do robota, aby dotrzeć do celów wskazanych na ekranie. Wyjaśnij, że będą dwa warunki:Bez i z pomocą robota. Po zainicjowaniu systemu operacyjnego pojawia się pierwszy interfejs gry.
Ustaw ramię robota w standardowej lokalizacji i poczekaj na otrzymanie komunikatu zwrotnego o prawidłowym ustawieniu ramienia robota. Wprowadź do systemu dane opisowe o uczestniku i eksperymentatorze, aby zalogować się do interfejsu gry robota. W interfejsie wyboru gry skonfiguruj czas sesji na sześć minut z 30-sekundowymi przerwami na odpoczynek.
Wybierz odpowiednią nogę, która będzie używana przez uczestnika. Wybierz grę piknikową i kliknij Przejdź, aby zagrać w grę. Dla każdego badanego mapy związane ze zmianami HbO powinny statystycznie istotnej aktywacji w warunkach eksperymentalnych bez pomocy robota.
Podczas gdy tylko dwie osoby wykazały statystycznie istotną aktywację w warunkach eksperymentalnych z pomocą robota. Jeśli chodzi o HbR, czterech pacjentów wykazało statystycznie istotną aktywację w obu stanach, choć w mniejszej liczbie kanałów w porównaniu z HbO. Tylko lewa kora przedruchowa wykazywała statystycznie istotny wzrost aktywacji HbO podczas gry lub zabawy bez pomocy robota w stosunku do reszty.
Ponadto ten zwrot z inwestycji wykazał większą aktywację w stanie bez pomocy robota w porównaniu ze stanem ze wspomaganiem robota.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje możliwość wykorzystania funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) do oceny aktywacji mózgu podczas sesji robotycznej terapii kończyn dolnych w ramach rehabilitacji po udarze mózgu. Opracowano protokół synchronizacji akwizycji danych fNIRS z ruchami robota, co pozwala na wgląd w aktywność mózgu podczas ruchów wielostawowych, które są kluczowe dla powrotu sprawności motorycznej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Rehabilitacja
- Robotyka
Wstęp
- Mechanizmy rehabilitacji po udarze nie są dobrze poznane.
- Poprzednie badania koncentrowały się na działaniach w obrębie pojedynczego stawu, a nie na rehabilitacji wielostawowej.
- fNIRS jest przenośną i niezawodną techniką obrazowania, kompatybilną z systemami robotycznymi.
Cel badania
- Ocena aktywacji mózgu podczas treningu kończyn dolnych z wykorzystaniem robota.
- Zbadanie różnic w aktywacji mózgu pomiędzy warunkami z asystą a warunkami bez asysty.
- Potwierdzenie wykonalności protokołu eksperymentalnego.
Zastosowane Metody
- Do pomiaru utlenowania krwi w mózgu wykorzystano funkcjonalną spektroskopię bliskiej podczerwieni (fNIRS).
- Uczestnicy wykonywali ruchy będąc przymocowanymi do urządzenia robotycznego, co pozwoliło na kontrolę warunków ruchu.
- Dane gromadzono przez sześć minut, po uprzedniej dokładnej kalibracji systemu fNIRS.
- Przetestowano dwa warunki: z asystą robotyczną oraz bez niej.
Główne wyniki
- W ćwiczeniach bez wsparcia zaobserwowano istotnie większą aktywację mózgu w porównaniu do ćwiczeń wspomaganych.
- Zwiększone zmiany stężenia HbO odnotowano przede wszystkim w lewej korze przedmotorycznej.
- U czterech badanych stwierdzono aktywację w obu warunkach, przy czym odnotowano wyraźną różnicę w wynikach pomiędzy zadaniami wspomaganymi a niewspomaganymi.
Wnioski
- Niniejsze badanie wykazuje potencjał fNIRS w monitorowaniu aktywności mózgu podczas rehabilitacji robotycznej.
- Wyniki podkreślają znaczenie ruchów bez wspomagania w wywoływaniu silniejszej aktywacji mózgu.
- Badanie przyczynia się do zrozumienia mechanizmów neuronalnych uczestniczących w regeneracji funkcji motorycznych po udarze mózgu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) zsynchronizowana z robotycznie wspomaganymi ruchami wielostawowymi kończyn dolnych umożliwia ilościowe mapowanie aktywacji mózgu podczas złożonych zadań motorycznych. Podejście to zwiększa wiarygodność prognostyczną w badaniach nad wczesnym etapem neurorehabilitacji, zapewniając obiektywne i powtarzalne odczyty neuronalne istotne dla powrotu funkcji ruchowych. Integracja fNIRS z platformami robotycznymi pozwala na lepsze zrozumienie mechanizmów działania oraz kształtuje strategie translacyjne w opracowywaniu terapii dla pacjentów po udarach i z zaburzeniami motorycznymi.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia badanie korelatów neuronalnych leżących u podłoża funkcji motorycznych i mechanizmów regeneracji.
- Wspiera biologiczną redukcję ryzyka poprzez rozróżnianie wzorców aktywacji przy różnych poziomach wspomagania ruchu.
- Zapewnia funkcjonalną walidację celów dla interwencji w zakresie neurorehabilitacji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Ułatwia przygotowanie zwalidowanych protokołów neuroobrazowania dla późniejszych badań translacyjnych.
- Zapewnia zestandaryzowane, ilościowe wyniki hemodynamiczne w celu zapewnienia powtarzalności analizy.
- Umożliwia badanie wpływu interwencji na aktywację mózgu w kontrolowanych paradygmatach ruchu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie mapowania aktywacji neuronalnej do zadań motorycznych istotnych dla danej choroby w celu opracowania translacyjnych biomarkerów.
- Zapewnia ciągłość przejścia od fazy odkryć do walidacji przedklinicznej w badaniach nad neurorehabilitacją.
- Zapewnia predykcyjną redukcję ryzyka w przypadku interwencji ukierunkowanych na szlaki powrotu sprawności motorycznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół sytuuje mapowanie aktywacji neuronalnej w oparciu o fNIRS na styku wczesnych odkryć i badań translacyjnych w zakresie neurorehabilitacji.
- Biologia odkryć: Ilościowe określanie aktywacji mózgu podczas wielostawowych zadań motorycznych w celu wyjaśnienia ścieżek regeneracji.
- Przesiewanie: Dostarczanie powtarzalnych, ilościowych danych hemodynamicznych do oceny interwencji.
- Analityka: Umożliwienie statystycznego porównania warunków ruchu wspomaganego i niewspomaganego przy użyciu parametrów HbO i HbR.
- Badania translacyjne: Przenoszenie wyników uzyskanych u zdrowych osób do przedklinicznych modeli regeneracji po udarze.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanowienie wielokrotnego wykorzystania przepływu pracy w neuroobrazowaniu, kompatybilnego z platformami rehabilitacji robotycznej.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad regeneracją funkcji motorycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowane, odporne na ruch obrazowanie neuronalne kompatybilne z systemami robotycznymi.
- Wartość strategiczna: Uzasadnia decyzje o kwalifikacji lub odrzuceniu kandydatów do neurorehabilitacji poprzez dostarczenie obiektywnych punktów końcowych w obrębie układu nerwowego.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację interwencji ukierunkowanych na przywrócenie funkcji motorycznych z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu neuroobrazowania, robotyki oraz analizy statystycznej danych hemodynamicznych.
- Niezbędny jest dostęp do aparatury fNIRS oraz platform ruchu robotycznego.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów akwizycji i analizy danych pomiędzy zespołami.
- Możliwa może być konieczność adaptacji metody dla różnych paradygmatów ruchu lub populacji pacjentów.
- Krótki czas akwizycji oraz wielkość próby mogą ograniczać moc statystyczną w niektórych ustawieniach.
