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Artigo de método

Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho das Regiões sensoriais e motoras do cérebro com simultânea cinemática e Monitoramento EMG Durante tarefas motoras

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DOI:

10.3791/52391

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5 de dezembro de 2014

 ,  ,  , 
1Functional and Applied Biomechanics Section, Rehabilitation Medicine Department, Clinical Center, National Institutes of Health

Neste artigo

Resumo

Monitorar a atividade cerebral durante tarefas motoras eretas é de grande valor ao investigar a fonte neural dos distúrbios do movimento. Aqui, demonstramos um protocolo que combina espectroscopia funcional de infravermelho próximo com monitoramento contínuo da atividade muscular e cinemática durante 4 tipos de tarefas motoras.

Resumo

Há várias vantagens que a espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) apresenta no estudo do controlo de movimento neural humana. É relativamente flexível no que diz respeito ao posicionamento participante e permite alguns movimentos de cabeça durante as tarefas. Além disso, é de baixo custo, peso leve, portátil e, com muito poucas contra-indicações para a sua utilização. Isto representa uma oportunidade única para estudar a atividade cerebral funcional durante tarefas motoras em indivíduos com desenvolvimento típico, bem como aqueles com distúrbios do movimento, como a paralisia cerebral. Uma consideração adicional quando se estuda distúrbios do movimento, no entanto, é a qualidade dos movimentos reais executadas eo potencial para movimentos adicionais, não intencionais. Portanto, o monitoramento simultâneo de ambas as alterações de fluxo sanguíneo no cérebro e movimentos reais do corpo durante o teste é necessário para a interpretação adequada de fNIRS resultados. Aqui, nós mostramos um protocolo para a combinação de fNIRS commuscular e monitoramento cinemática durante tarefas motoras. Nós exploramos a marcha, um movimento unilateral multi-articular (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão apertar). As técnicas apresentadas pode ser útil no estudo de controlo, tanto típicos e atípicos do motor, e podem ser modificados para investigar uma variedade de tarefas e perguntas científicas.

Introdução

Imaging Neural durante tarefas funcionais tornou-se mais portáteis e custo-eficiente usando espectroscopia no infravermelho próximo funcional não invasiva (fNIRS) para identificar áreas de atividade cerebral medindo dinâmica do fluxo sanguíneo no córtex. A portabilidade de fNIRS é especialmente útil para o estudo das funções na posição vertical e funcionais, tais como marcha 1, o que não é possível com outras tecnologias, tais como imagem de ressonância magnética (RMF). Esta capacidade é fundamental nas áreas de neurologia e neurociências, e poderia fornecer novos insights sobre os mecanismos subjacentes distúrbios do movimento em crianças e adultos com paralisia cerebral (PC) e outras condições neurológicas que afetam o controle motor. Compreender os mecanismos de melhora a capacidade de projetar intervenções eficazes para atingir a fonte de deficiências e limitações de atividade.

Muitos fNIRS estudos de tarefas motoras até à data foram com uma população saudável de adultos onde parteicipants são instruídos a executar uma determinada tarefa e monitoramento do desempenho da tarefa se limita à inspecção visual. Isso pode ser suficiente para aqueles com movimentos típicos e um alto nível de engajamento, mas não é aceitável quando se estuda os participantes com distúrbios do movimento ou aqueles que têm dificuldade em participar de uma tarefa por longos períodos de tempo, incluindo crianças com desenvolvimento típico. A fim de informar a análise de activação cerebral nestes casos, é necessária a monitorização simultânea do padrão motor que está realmente completa.

Revisões completas de sistemas fNIRS e usos têm sido apresentados na literatura 2-5 que orientam o uso e ajudar a demonstrar a precisão e sensibilidade desses sistemas, mas problemas técnicos na coleta, processamento e interpretação de dados fNIRS ainda permanecem. Cor e espessura do cabelo afetar a qualidade do sinal óptico, com cabelo escuro e espesso mais provável para bloquear ou distorcer transmi ópticassion 3,6. Isto é especialmente relevante quando se estudam as áreas sensório-motores localizados na área da coroa da cabeça, onde a densidade folículo piloso é o maior, e alguns estudos relatam que não responderam 6,7. O sistema internacional 10/20 bem estabelecida pode ser utilizado para a colocação dos optodes, mas em particular no caso das pessoas com a anatomia do cérebro atípico, co-registro de localização optode para MRI anatômica de um participante é muito útil se não essencial para interpretar com precisão o resultados.

O uso de fNIRS para avaliar a ativação do cérebro em lesão cerebral de início na infância é relativamente recente, mas ganhando força na área de unilateral 6,8,9 paralisia cerebral. Em consideração aos desafios acima mencionados, este protocolo combina fNIRS, captura de movimento, e eletromiografia (EMG) de monitoramento durante uma série de tarefas, incluindo as tarefas de single-conjuntos simples, bem como mais complexos movimentos de corpo inteiro. Orientação visual e auditiva é-nosed para melhorar o desempenho de atenção e de tarefas através de múltiplas idades dos participantes. O objetivo do protocolo é o de identificar as diferenças nos padrões de ativação cerebral em pessoas com a infância de início lesão cerebral unilateral e bilateral em comparação com aqueles que são tipicamente em desenvolvimento. Nós exploramos um movimento de corpo inteiro (marcha), uma extremidade inferior movimento multi-articular bilateral (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão espremendo) para ilustrar a variedade de aplicações dos métodos. O mesmo ou um protocolo muito semelhante pode ser utilizada para estudar outras distúrbios sensoriais ou do movimento ou outras tarefas de interesse.

Onda contínua perto de luz infravermelha emitida e foi detectada a 690 nm e 830 nm ao longo dos córtices sensório-motores que utilizam o sistema fNIRS a uma velocidade de 50 Hz, utilizando uma configuração personalizada da fonte eo detector. Dados EMG foram coletados sem fio a uma frequência de 1.000 Hz. Marcadoras Reflective locais 3-D foramrecolhido por um sistema de captura de movimento óptico a uma velocidade de 100 Hz. Dois computadores diferentes tratadas de aquisição de dados, um para os fNIRS e outro para a captura de movimento e EMG. Os dados foram sincronizados usando um pulso de disparo de um terceiro computador que corresponde a um botão do mouse prima para iniciar a animação de instrução para cada tarefa. Para todas as tarefas, com exceção da marcha, animações instrucionais foram projetados para padronizar desempenho dos participantes usando a orientação visual do ritmo de uma tarefa (1 Hz), representado por um animal do salto ou chutar, bem como um sinal sonoro.

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Protocolo

NOTA: Este protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Instituto Nacional de Saúde (identificador ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Todos os participantes têm a oportunidade de fazer perguntas e dar seu consentimento informado antes de sua participação. Em consideração de alterações à resposta hemodinâmica causada pelo uso recente de vasodilatadores e vasoconstritores, os participantes são convidados a abster-se de álcool e cafeína durante 24 horas antes do experimento 3 vídeos de animação .Estes foram personalizado feito em nosso laboratório, mas poderia ser gravadas com outro sons ou imagens específicas para questões de pesquisa alternativos.

1. Configurar o ambiente antes da chegada do Participante.

  1. Calibrar o câmeras de captura de movimento em relação às coordenadas de um laboratório de acordo com processo específico do fabricante captura o movimento. Certifique-se de que as posições de câmera irá permitir a gravação de todos os marcadores, tanto no corpoe chefe do participante durante as tarefas que serão testadas. O processo de calibração garante a precisão do sistema de captura de movimento e é uma prática comum em qualquer laboratório de movimento. Use um sistema de dez câmera, com um volume aproximado de 17 m 3, onde marcadores reflexivos puderam ser identificados de forma confiável.
  2. Conecte o gatilho do computador instrução para entradas BNC a captura e fNIRS movimento dos computadores. Certifique-se de que o gatilho é conectado a um botão do mouse e clicar com o mouse completa o circuito e envia um pulso simultaneamente ao EMG placa de captura de movimento / aquisição de dados e à placa de aquisição de dados fNIRS como auxiliares entradas analógicas.
  3. Conecte este rato através da porta USB para o computador que executa instruções vídeos de animação, de tal forma que a partir do vídeo irá provocar uma mudança de tensão simultaneamente em ambos os sistemas de aquisição de dados.
    NOTA: sinais EMG são automaticamente sincronizados e salvos pelo software de captura de movimento, de modo additional sincronização do sistema de EMG não é necessário.
  4. Configure a tela e projetor para obter instruções para ser mostrado para o participante. Remova todos os itens desnecessários que poderiam ser distracters. Coloque o tripé e câmera de vídeo digital, onde terão visão completa dos movimentos dos participantes.
  5. Verifique se marcadores reflexivos estão bem presos ao topo de cada optode na sonda.
  6. Reúna todos os documentos necessários: cópias de consentimento e de parecer favorável, folhas de exame clínico e folhas da nota experimentais, por exemplo.

2. Medidas básicas

  1. Depois de completar o processo de consentimento informado, medir e altura, peso, idade e circunferência da cabeça do participante registro.
  2. Administrar Manual de Edimburgo Inventory 10 e outros exames clínicos, como indicado. Grave-participante relatou cabelo e pele tipos.
  3. Coloque marcadores reflexivos sobre as espinhas ilíacas posteriores superiores (EIPS) bilateralmente. Já a caminhada participante em seu ritmo confortável através do laboratório de 3-5 vezes, e, em média, a velocidade entre os ensaios para estimar a sua auto-selecionado ritmo de passeio.

3. Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho (fNIRS) Setup

NOTA: Este pode ser concluído em simultâneo com a instalação do EMG e motion capture, se houver experimentadores suficientes ou pessoal de investigação para ajudar, e se o participante é confortável com várias pessoas estarem próximos a eles ao mesmo tempo.

  1. Medir a distância entre o násio (Nz) e ínion (Iz), e entre os pontos pré-auricular na (Al) OD (Ar) e. A intersecção do ponto médio das duas medidas é Cz, o qual está marcado sobre o couro cabeludo com um marcador lavável.
  2. Se o participante tem cabelo comprido, seção off pequenas porções do cabelo com tranças ou rabos de cavalo, a fim de expor o couro cabeludo onde optodes será colocado.
  3. Coloque as fNIRS sondar sobre tele cabeça do participante, tendo o cuidado de alinhar com Cz, Ar. Em seguida, mova o cabelo longe do âmbito de cada optode como este é colocado no couro cabeludo. Por último, coloque tiras de velcro para prender firmemente os optodes no lugar.
    NOTA: Neste protocolo, use um boné que tem uma alça que vai atrás da cabeça, um que vai através da testa, e que passa por baixo do queixo. Optodes são ancoradas a este tampão com velcro em um anel de plástico flexível que circunda a orelha.
    1. Se o participante tem o cabelo curto (menos de cerca de 2 centímetros de comprimento), puxe o cabelo entre optodes com uma vara fina pequeno ou final de plástico de um pente.
  4. Verificar se todos os cabos são optode deitado, e que são optodes aproximadamente perpendicular à superfície do couro cabeludo.
    1. Se necessário, coloque um pequeno pedaço de espuma sob o grupo de cabos optode para promover o alinhamento perpendicular das optodes.
  5. Verifique com o participante sobre o conforto das sondas, eajustar, se necessário. Instruí-los para contar os experimentadores se o seu conforto diminui em qualquer momento durante o experimento.
  6. Ligue fontes e verificar os sinais.
    1. Neste sistema, garantir um sinal que tem uma intensidade de, pelo menos, 80 dB e uma pulsação claramente visível na deltaOD (mudança de densidade óptica) de sinal, em ambos os comprimentos de onda de 690 e 830 nm. Quando os canais têm sinais que não cumpram estes critérios, confirmar que o cabelo não está bloqueando o optode (s) e depois ajustar os ganhos detector conforme necessário para maximizar a intensidade do sinal. Certifique-se de que as câmeras de captura de movimento estão desligados durante este tempo.
      NOTA: Outras máquinas fNIRS pode operar em comprimentos de onda diferentes para 690 e 830 nm; neste caso, verificar os comprimentos de onda mais adequados para a máquina a ser utilizada.
  7. Adicionar marcadores reflexivos para Nz, Iz, Ar, e Al. Pergunte ao participante para prender ainda e recolher cerca de 2 segundos de dados de captura de movimento para estes e os marcadores fNIRS optode. Verifique setodos os marcadores foram registrados, e recolher ensaios adicionais, conforme necessário. Ela pode exigir que o participante para mudar a posição da cabeça para melhorar a linha de visão entre as câmeras e os marcadores. Use esses recolhidos três locais dimensionais durante a análise para registro probabilística de ressonância magnética estrutural individual de um participante, se estiver disponível.
  8. Adicionar uma cobertura com várias camadas de feltro preto ou outro material opticamente absorvente em cima dos optodes fNIRS para proteger detectores de interferência ou a saturação das câmeras de captura de movimento. Certifique-se de que os cabos e o painel frontal da unidade fNIRS são também bem blindado usando o mesmo material opticamente absorvente.

A eletromiografia (EMG) Setup 4. Superfície

  1. Localize o ventre muscular de cada músculo alvo usando marcos anatômicos, palpação durante a contração muscular, e colocação de eletrodos orienta 11.
    NOTA: Os músculos alvo neste protocolo incluem bilgastrocnêmio medial ateral, tibial anterior, reto femoral, vasto lateral, bíceps femoral, extensor radial do carpo e flexor radial do carpo.
  2. Prepare-se para a colocação do eletrodo EMG sobre o ventre muscular pelo barbear, removendo as células mortas da pele com fita adesiva, e, em seguida, limpar com uma compressa embebida em álcool isopropílico, como recomendado pelo SENIAM 12 e esperar para a pele para secar.
  3. Coloque eléctrodo EMG orientado para a direcção das fibras musculares.
  4. Enrole firmemente com um envoltório aderente self.
  5. Verifique sinais musculares no computador enquanto a realização de testes de força muscular para assegurar a colocação adequada do eletrodo, e clara visualização de mudança de sinal quando o músculo está ativo.

5. Proposta de configuração de captação

  1. Coloque marcadores reflexivos em marcos conjuntas. Estes incluem medial e do maléolo lateral, medial e articulação do joelho lateral, anterior superior espinha ilíaca (ASIS), ilíaca superior posterior da coluna (PSIS), estilóide radial, syloid ulnar, medial epicondyl humeral, e epicondyl humeral lateral.
  2. Coloque 3 ou mais marcadores, ou um cluster de corpo rígido de marcadores, em cada segmento de interesse, incluindo o pé, pernil, coxa, mão e antebraço.
  3. Recolha de aproximadamente 2 segundos de dados de captura de movimento, enquanto o participante ainda está de pé em uma posição padronizada, como está com os braços a 90 ° de flexão de ombro e 90 ° de flexão do cotovelo. Assegurar que todos os marcadores são claramente visíveis para as câmeras.

6. Gait Task

  1. Já a transferência participante para a esteira. Ajudá-los, apoiando os cabos fNIRS optode e fixe os cabos ao apoio teto depois que o paciente está em posição. Se o paciente é de alto risco para quedas, use um cinto de suporte de peso corporal para a segurança durante esta tarefa.
  2. Comece a esteira, construindo lentamente até a auto selecionado velocidade de caminhada medida para obter o participante confortável com as condições estabelecidas. Então lento até pararnovamente.
  3. Configure o arquivo de animação com o feedback auditivo que irá sinalizar que o participante quer descansar ou se mover. Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de "descanso" e para andar na velocidade conjunto da esteira durante o período de "tarefa", ao focalizar a sua atenção para o pequeno círculo preto na tela para a duração de aquisição de dados.
  4. Apague as luzes, e começar a aquisição de dados no computador de captura de movimento e o computador fNIRS. Comece a gravação na câmera de vídeo.
  5. Usando o gatilho do mouse, clique no botão de reprodução do arquivo de animação associado a esta tarefa. Certifique-se de que o gatilho foi recebido tanto pela captura de movimento e os sistemas de NIRS.
    1. Mudar para uma imagem de um ponto preto localizado na linha do participante de visão, de modo que eles têm um ponto de focagem para a duração do ensaio.
      NOTA: O esquema geral para cadaexperimentação é mostrado na Figura 2.
  6. Monitorar o desempenho do participante e fornecer feedback sobre a velocidade, ou movimentos voluntários externos quando necessário.
  7. No final da animação de instrução, parar a gravação sobre a captura de movimento, EMG, e sistemas fNIRS, bem como a câmara de vídeo. Dê ao participante a oportunidade de descansar ou trocar de posição, se necessário.

7. Bilateral Lower Extremity Ciclismo Task

  1. Já a transição participante para um plinto com volta móveis e apoio para as pernas, tendo o cuidado de apoiar os cabos fNIRS optode e para não bater ou desalojar os marcadores de captura de movimento ou eletrodos EMG. Tenha um assento almofada de espuma para melhorar o conforto durante o experimento.
  2. Levante o quadro da bicicleta para a posição e fixá-lo ao pedestal com uma cinta.
  3. Fixar os pés nos pedais e ajustar a posição do ciclo, conforme necessário para promover uma distância confortável e natural aos pedais. Emo ponto mais distante do ciclo, manter o seu joelho em aproximadamente 10 ° de flexão.
    NOTA: Neste ponto, o participante estará numa posição semi-deitada, que proporciona algum suporte do tronco e facilita o relaxamento durante o período de repouso.
  4. Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de "descanso" e para o ciclo de aproximadamente 60 rpm durante o período de "missão".
  5. Repita os passos de 6,4-6,7. Em vez de mudar para uma imagem de um ponto, projeto da animação dos desenhos animados que vai sinalizar que o participante quer descansar ou se mover através de feedback visual e auditiva. Maximizar a janela do filme de modo que o participante não é capaz de monitorar o tempo que passou ou que resta, no ensaio actual.

8. Mão que espreme Task

  1. Depois de retirar os pés do ciclo e do próprio ciclo, colocar uma tabela cama em frente do participante, fazendog certeza de que os braços do participante são suportadas na mesa em uma posição confortável.
  2. Instrua participante para espremer um objeto macio aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de "missão", e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de "descanso".
  3. Repita o passo 7.5.

9. Ankle Dorsiflexão Task

  1. Remover a tabela de cama, e aumentar a porção pé resto do plinto para trazer os pés à vista do participante.
  2. Remover sapato ea meia do participante, e substituir marcadores pé em posições adequadas. Apoiar o bezerro apenas acima de sua articulação do tornozelo com uma almofada de espuma para permitir tornozelo movimento articular.
  3. Instrua o participante a dorsiflex seu tornozelo aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de "missão", e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de "descanso".
  4. Repita o passo 7.5.

10. Conclusão do Protocol

  1. Retire a tampa e inspecionar pele para áreas de pressão ou vermelhidão.
  2. Remova todos os marcadores refletivos e unidades de EMG.
  3. Obrigado o participante para o seu tempo e convidar os seus contributos sobre a experiência subjetiva do protocolo. Isso pode ser um questionário formais (como o usado por Garvey e colegas para a estimulação magnética transcraniana 13), ou uma discussão informal para identificar fontes comuns de desconforto que podem ser melhorados no futuro.

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Resultados

Este protocolo coordena aquisição simultânea de três modalidades para capturar o fluxo de sangue do cérebro, a atividade elétrica muscular e cinemática do movimento das articulações, enquanto um participante executa tarefas motoras (Figura 1).

figure-results-1
Figura 1. Localização da Sonda. A parte esquerda desta figura mostra as localizações aproximadas das ...

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Discussão

Coleta simultânea de atividade cerebral a partir de áreas específicas do córtex e dados quantitativos sobre a forma como a pessoa está se movendo apresenta um enorme potencial para melhorar a nossa compreensão do controle neural do movimento, tanto em uma população com desenvolvimento normal, bem como aqueles com distúrbios do movimento. Há também uma ampla aplicação em termos de idades e tarefas de movimento que poderiam ser concluídas, como os participantes não são restritos a uma posição supina como seriam para uma r...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este projeto foi financiado pelo Programa de Pesquisa Intramural do Centro Clínico do National Institutes of Health. Reconhecemos as discussões úteis com o Dr. Thomas Bulea, PhD e Laurie Ohlrich, PT no refinamento dos procedimentos apresentados neste protocolo. Muyinat W. Osoba e Andrew Gravunder, MS ajudaram com as animações.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
CW6TechEnhttp://nirsoptix.com/fNIRS máquina com número variável de fontes e detectores, dependendo do número de módulos incluídos
Sistema MX com dez câmeras da série T40Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Reino Unidohttp://www.vicon.com/System/TSeriesCâmeras de captura de movimento
marcadores reflexivos de 4 mmVicon Motion Systems Ltd., Oxford, Reino UnidoMarcadores usados pelas câmeras de captura de movimento para localizar optódios fNIRS, Ar, Al, NZ e coordenadas manuais.
marcadores reflexivos de 9,5 mmVicon Motion Systems Ltd., Oxford, Reino UnidoMarcadores usados pelas câmeras de captura de movimento para localizar coordenadas de braço e perna. Clusters são usados para os segmentos dos membros e marcadores com deslocamentos são usados para PSIS e Iz para melhorar a confiabilidade na captura de dados.
Sistema EMG sem fio TrignoDelsys, Inc. Natick, MAhttp://www.delsys.com/products/wireless-emg/Eletromiografia
Esteira instrumentada de correia dividida BertecCorporation, Columbus, OHhttp://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html
Esteira Sistema de suporte de peso corporal ZeroGAretech, LLC, Ashburn, VAhttp://www.aretechllc.com/overview.htmlTrilho e carrinho passivo usado para suportar cabos, chicote pode ser usado para segurança do paciente durante testes de marcha
3DS Max 2013Autodesk, Inc., San Francisco, CA http://www.autodesk.com/Software de animação 3D usado para animar animais para vídeos instrutivos
Windows Movie MakerMicrosoft Corporation, Redmond, WAhttp://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-makersoftware usado para combinar imagens de animação com música
Audacitysoftware de código abertohttp://audacity.sourceforge.net/Software usado para alterar a batida musical para a cadência apropriada

Referências

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