Abstract
기능 근적외선 분광법 (fNIRS)은 인간 운동의 신경 제어의 연구에서 제시하는 것이 여러 가지 장점이있다. 이 참가자의 위치에 대해 상대적으로 유연하고 작업 동안 일부 머리의 움직임을 허용합니다. 또한, 그것의 사용에 거의 금기와, 저렴한 경량 및 휴대용입니다. 이것은 일반적으로뿐만 아니라 뇌성 마비 등의 운동 장애,있는 사람으로, 개발하고 개인의 모터 작업하는 동안 뇌 기능 활동을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 운동 장애를 고려하여 추가 연구는, 그러나, 실제 동작 수행의 품질 및 추가, 의도하지 않은 움직임을위한 전위이다. 따라서, 모두 혈류의 변화와 뇌 테스트 중에 신체의 움직임을 실제의 동시 모니터링 fNIRS 결과의 적절한 해석이 필요하다. 여기서 우리는 fNIRS의 조합을위한 프로토콜을 보여근육과 모터 작업하는 동안 운동 학적 모니터링. 우리는 걸음 걸이를 탐험, 일방적 인 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈). 제시된 기법은 둘 다 전형적인 비 전형적인 모터 제어를 연구에 유용 할 수 있고, 작업 및 과학적 문제를 폭넓게 조사하도록 변형 될 수있다.
Introduction
기능적 태스크 중 신경 이미징 피질에서 혈류 역학을 측정함으로써 뇌의 활동 영역을 식별하기 위해 비 침습성 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)를 이용하여 휴대 성 및 비용 효율적이되고있다. fNIRS의 휴대은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)와 같은 다른 기술과 수 없습니다 걸음 걸이 하나, 같은 직립 및 기능 작업의 연구에서 특히 유용하다. 이 기능은 신경과 및 신경 과학 분야에서 중요하고, 뇌성 마비 (CP) 및 모터 제어에 영향을 미치는 다른 신경 학적 조건과 어린이와 성인의 운동 장애를 기본 메커니즘에 새로운 통찰력을 제공 할 수있다. 메커니즘을 이해하는 것은 손상 및 활동 한계 소스를 대상으로 효과적인 중재를 설계하는 능력을 향상시킨다.
모터 작업의 많은 fNIRS 연구는 현재까지 성인의 건강한 인구 부분왔다icipants은 특정 작업 및 작업 성능 모니터링이 육안 검사에 제한을 수행하도록 지시한다. 이는 일반적인 운동과 참여의 높은 수준의 사람들을 위해 충분하지만, 운동 장애 또는 어려움 일반적으로 개발 어린이를 포함한 시간의 연장 기간에 대한 작업에 참석있는 사람들 참가자를 공부할 때 허용되지 않습니다 수 있습니다. 이러한 경우 뇌의 활성 분석을 알리기 위해, 실제로 완료 모터 패턴의 동시 모니터링이 요구된다.
fNIRS 시스템 및 사용량의 포괄적 인 리뷰는 문헌 사용법을 안내 데이터가 남아 fNIRS의 정확성과 이러한 시스템의 감도 있지만 수집, 처리에 기술적 문제 및 해석을 설명하는 데 도움이 2-5에 제시되었다. 색상 및 모발의 두께는 광 차단하거나 transmi 왜곡 가능성이 가장 두꺼운 검은 머리와, 광 신호의 품질에 영향ssion 3,6. 모낭 밀도가 가장 크다 정수리 영역에있는 감각 영역 공부, 일부 연구는 비 반응자에게 -6,7-보고하는 경우에 특히 적합하다. 잘 확립 된 국제 10/20 시스템 optodes의 배치를 위해 사용되지만, 특히 참가자의 해부 MRI에 optode 위치 비정형 뇌 해부학 공동 등록 가진 사람들의 경우에 정확하게 필수적 해석 할 수없는 경우에 매우 유용 할 수있다 결과.
어린 시절 발병 뇌 손상 뇌 활성화를 평가하는 fNIRS의 사용은 비교적 최근이지만, 일방적 인 뇌성 마비 6,8,9의 영역에서 견인을 얻고있다. 상술 한 과제를 고려하여,이 프로토콜은 간단한 단일 - 공동 작업뿐만 아니라 더 복잡한 전신 운동을 포함한 다수의 태스크 동안 fNIRS, 모션 캡쳐 및 근전도 (EMG) 모니터링을 결합한다. 시각 및 청각 지침은 우리입니다ED는 참가자의 여러 시대에 걸쳐 관심과 작업 성능을 향상시킬 수 있습니다. 프로토콜의 목표는 일반적으로 현상하는 사람들에 비해 단안 및 양안 소아 발병 뇌 손상과 그 뇌의 활성화 패턴의 차이를 식별하는 것이다. 우리는 방법의 응용 프로그램의 다양성을 설명하는 전신 운동 (보행), 양자 하체 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈)를 탐구한다. 동일하거나 매우 유사한 프로토콜이 다른 감각 또는 운동 장애 또는 관심의 다른 태스크를 연구하는데 이용 될 수있다.
근적 외광을 방사는 연속파 및 맞춤 설계된 소스 검출기 구성을 사용하여, 690 nm 내지 50 Hz의 레이트로 fNIRS 시스템을 사용 감각 피질 위에 830 nm에서 검출되었다. EMG 데이터는 1000 Hz의 주파수에서 무선으로 수집 하였다. 반사 마커 3-D 위치는이었다100 Hz의 레이트로 광 모션 캡쳐 시스템에 의해 수집 하였다. 두 컴퓨터는 데이터 수집, 및 모션 캡쳐를위한 EMG fNIRS 용과 다른 처리. 데이터는 각 작업에 대한 교육 애니메이션을 시작하려면 마우스 버튼을 누른에 해당하는 세 번째 컴퓨터에서 트리거 펄스를 사용하여 동기화 된. 걸음 걸이를 제외한 모든 작업의 경우, 교육 애니메이션은 만화 동물 점프 또는 발로뿐만 아니라 청각 신호로 표시되는 작업 (1 Hz에서)의 속도의 시각적 지침을 사용하여 참가자 성능을 표준화하기 위해 설계되었다.
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Protocol
참고 :이 프로토콜은 국립 보건원의 임상 시험 심사위원회 (: NCT01829724 ClinicalTrials.gov 식별자)에 의해 승인되었다. 모든 참가자가 질문을하고 참여하기 전에 동의를 제공 할 수있는 기회가 주어집니다. 혈관 확장 및 혈관 수 축제의 최근 사용으로 인한 혈역학 적 반응에 대한 변경 사항을 고려하여, 참가자들은 3 .These 애니메이션 동영상을 사용자 정의 우리의 실험실에서 수행 된 실험 전 24 시간 동안 알코올과 카페인을 삼가하도록 요청하지만, 다른 기록 될 수있다 소리 또는 다른 연구 질문에 대한 특정 이미지.
1. 이전 참가자의 도착에 객실을 설정.
- 모션 캡쳐 제조업체의 특정 방법에 따라 기관의 좌표 모션 캡쳐 카메라 상대적인 보정. 카메라 위치가도 몸에있는 모든 마커의 기록을 수 있는지 확인하고 테스트 할 작업하는 동안 참가자의 머리. 교정 프로세스는 모션 캡쳐 시스템의 정확성을 보장하고 동작 실험실 표준 관행이다. 반사 마커가 확실하게 식별 할 수있는 17m 3의 대략적인 볼륨, 10 카메라 시스템을 사용합니다.
- 모션 캡쳐와 fNIRS 컴퓨터의 BNC 입력으로 명령 컴퓨터에서 트리거를 연결합니다. 트리거가 마우스 버튼에 접속되고, 마우스를 클릭하여 회로를 완료하고 모션 캡쳐 / EMG 데이터 수집 보드 및 여기도 보조 아날로그 입력으로서 fNIRS 데이터 수집 보드에 동시에 펄스를 전송되었는지 확인.
- 비디오를 시작하는 것은 모두 데이터 수집 시스템에서 동시에 전압 변화의 원인이됩니다하도록 지시 애니메이션 비디오를 실행하는 컴퓨터에 USB 포트를 통해이 마우스를 연결합니다.
주 : EMG 신호와 동기화되어 자동 모션 캡처 소프트웨어가 저장되어 있으므로와 TEMG 시스템의하는 ional 싱크 조절이 필요하지 않습니다. - 자세한 내용은 스크린과 프로젝터를 설치 참가자에게 표시합니다. 훼방꾼이 될 수있는 불필요한 항목을 제거합니다. 그들은 참가자의 운동의 전체보기를해야합니다 삼각대와 디지털 비디오 카메라를 배치합니다.
- 반사 마커 안전하게 프로브의 각 optode의 상단에 부착되어 있는지 확인합니다.
- 모든 필요한 서류를 조립 : 예를 들어 동의 및 동의 복사, 임상 시험 시트, 실험 노트 시트를,.
2. 기본 조치
- 동의 과정을 완료 한 후, 측정하고 기록 참가자의 신장, 체중, 나이, 및 두위.
- 표시된대로 에딘버러하는 손의 재고 (10) 및 기타 임상 시험을 관리합니다. 기록 머리와 피부 유형을 참가자가보고.
- 양측 후방 우수한 장골 척추에 반사 마커 (PSIS)를 배치. 5 회, 그들의 자기 선택 보행 속도를 추정하는 시험을 통해 속도를 평균 - 실험실에서 3을 자신의 편안한 속도로 참가자 갈 수 있습니다.
3. 기능 근처 적외선 분광학 (fNIRS) 설치
주 : 참가자가 여러 사람이 동시에 그들 가까이 내키지 경우이 어시스트 데 충분한 실험자 또는 연구원이 있으면 EMG 및 모션 캡처의 설정과 동시에 완료 될 수있다.
- nasion (NZ)와 inion (이즈) 사이의 거리를 측정하고 오른쪽 (AR)과 왼쪽 (알) 귀에 사전 귀의 점 사이. 이 두 조치의 중간 지점의 교차로는 빨 마커를 사용하여 두피에 표시되어 있습니다 CZ,이다.
- 참가자는 optodes 배치 될 두피를 노출하기 위해 머리띠 또는 피부색을 사용하여 머리의 작은 부분 오프 긴 머리, 섹션이있는 경우.
- fNIRS가 t에 프로브 배치그는 참가자의 머리, CZ, 아르곤과 정렬을 돌보는. 이 두피에 배치됩니다 그런 다음 멀리 각 optode 아래에서 머리를 이동합니다. 마지막으로, 제자리에 안전 optodes를 개최 벨크로 스트랩을 연결합니다.
참고 :이 프로토콜에서 턱 아래에 간다 머리, 이마에 걸쳐 진행 한 한 뒤에가는 하나의 끈이있는 캡을 사용합니다. Optodes는 귀를 둘러싼 유연한 플라스틱 링에 벨크로이 뚜껑에 고정된다.- 참가자가 짧은 머리 (길이 이하 2 약보다 인치)가있는 경우, 빗의 작은 얇은 스틱이나 플라스틱 끝 optodes 사이에 머리를 꺼내.
- 모든 optode 케이블이 플랫 누워 있는지, 그리고 optodes 두피의 표면에 거의 수직 있는지 확인합니다.
- 필요한 경우, optodes의 수직 정렬을 촉진하기 위해 optode 케이블의 그룹에서 거품의 얇은 조각을 배치합니다.
- 프로브의 쾌적함을 참가자와 함께 확인하고,필요한 경우 조정합니다. 자신의 편안함을 실험하는 동안 어느 시점에서 감소하면 실험자에게하도록 지시합니다.
- 소스를 켜고 신호를 확인합니다.
- 이 시스템에서, 적어도 80dB의 강도 모두 690 및 830 nm의 파장에서 신호 deltaOD (광학 밀도의 변화)에 명확하게 보이는 심장 박동을 갖는 신호를 보장한다. 채널이 기준을 충족하지 신호가있을 때, 그 머리 optode (들)을 차단하지 확인하고 다음 신호 강도를 극대화하기 위해 필요에 따라 검출기 이득을 조정합니다. 그 모션 캡쳐 카메라는이 시간 동안 꺼져 있어야합니다.
참고 : 다른 fNIRS 기계 (690) 830 nm의 서로 다른 파장에서 동작 할 수있다; 이 경우에 사용되는 기계에 가장 적절한 파장을 확인한다.
- 이 시스템에서, 적어도 80dB의 강도 모두 690 및 830 nm의 파장에서 신호 deltaOD (광학 밀도의 변화)에 명확하게 보이는 심장 박동을 갖는 신호를 보장한다. 채널이 기준을 충족하지 신호가있을 때, 그 머리 optode (들)을 차단하지 확인하고 다음 신호 강도를 극대화하기 위해 필요에 따라 검출기 이득을 조정합니다. 그 모션 캡쳐 카메라는이 시간 동안 꺼져 있어야합니다.
- Nz가, 이즈, 아르곤, 알에 반사 마커를 추가합니다. 가만히과 모션 캡쳐 이들에 대한 데이터와 fNIRS optode 마커의 약 2 초를 수집하기 위해 참가자를 요청합니다. 그 확인모든 마커를 기록하고, 필요에 따라 추가 실험을 수집되었다. 그것은 카메라와 마커 사이의 시야를 개선하기 위해 머리 위치를 변경하려면 참가자를 요구할 수있다. 가능한 경우 참가자의 개별 구조 MRI의 확률 등록을 위해 분석 과정이 수집 한 세 가지 차원 위치를 사용합니다.
- 모션 캡쳐 카메라의 간섭이나 채도에서 감지기를 보호하기 위해 fNIRS의 optodes의 상단에 검은 색 펠트 또는 기타 광 흡수 물질의 여러 층으로 커버를 추가합니다. 케이블과 fNIRS 장치의 전면 패널도 잘 같은 광학적 흡수 재료를 사용하여 차폐되어 있는지 확인합니다.
4. 표면 근전도 (EMG) 설치
- 근육의 수축시 해부학 적, 촉진를 사용하여 각 대상 근육의 근육 배를 찾아 전극 배치 (11)를 안내합니다.
참고 :이 프로토콜에서 대상 근육 억을 포함ateral 내측 비복근, 경골근, 대퇴 직근, 광근 lateralis, 대퇴 이두근, 신근 요측 수근 및 요측 수근 굴근. - SENIAM (12)에서 권장하는대로, 이소 프로필 알코올 패드로 세척 한 다음 테이프로 죽은 피부 세포를 제거하고, 면도에 의해 근육 배 이상 EMG 전극 배치를 위해 준비하고 피부가 건조 할 때까지 기다립니다.
- 근육 섬유의 방향을 지향 EMG 전극을 배치합니다.
- 자체 접착 포장으로 꼭 감싸.
- 근육이 활성화되었을 때 수동 근육 테스트를 수행하는 적절한 전극 배치, 신호 변화의 명확한 시각화를 보장하면서 컴퓨터 근육 신호를 확인한다.
5. 모션 캡쳐 설정
- 공동 랜드 마크에서 반사 마커를 놓습니다. 다음은, 내측 및 외측 복사뼈, 내측과 외측 무릎 관절을 포함 골극 (ASIS), 후방 골극 (PSIS), 반경 경상 돌기, 척골 실 로이드, 메디칼을 전방알 상완골 epicondyl 및 상완골의 epicondyl.
- 발, 정강이, 허벅지, 손, 팔뚝을 포함하여 관심의 각 세그먼트 상에 3 개 이상의 마커 또는 마커의 강체 클러스터를, 놓습니다.
- 참가자는 90 ° 어깨 굴곡 90 ° 팔꿈치 굴곡에 팔을 서로, 표준화 된 위치에 아직도 서있는 동안 모션 캡쳐 데이터의 약 2 초를 수집합니다. 모든 마커가 명확하게 카메라에 볼 수 있는지 확인합니다.
6. 보행 작업
- 디딜 방아에 참가자 전송을하게한다. 환자가 위치 된 후 천정 지지체에 케이블을 고정 후 fNIRS optode 케이블을지지하여 그들을 돕고. 환자가 낙상 위험이 높은 경우,이 작업을하는 동안 안전을 위해 체중을 지원 하네스를 사용합니다.
- 천천히 설정 조건에 편안 참가자를 얻기 위해 측정자가 선택 보행 속도에 구축, 디딜 방아를 시작합니다. 정지 후 천천히다시.
- 휴식 또는 이동 중 참가자를 큐 것이다 청각 피드백과 애니메이션 파일을 설정합니다. 참가자와 검토 작업 지침, 움직이지 그들에게 말하고 가능한 한 편안 "휴식"기간 및 위해 화면에 작은 검은 색 원에 관심을 집중하면서, "작업"기간 동안 러닝 머신의 설정 속도로 걸어 데이터 수집의 기간.
- 조명을 차단하고, 모션 캡쳐 시스템 및 fNIRS 컴퓨터에 데이터 수집을 시작한다. 비디오 카메라에서 녹화를 시작합니다.
- 마우스 트리거를 사용하여,이 작업과 관련된 애니메이션 파일의 재생 버튼을 클릭합니다. 트리거가 모션 캡쳐와 NIRS 시스템 모두에 의해 수신되었음을 확인합니다.
- 그들이 재판 기간 동안 포커스 포인트를 가질 수 있도록, 시야 참가자의 라인에있는 검은 점의 이미지로 전환합니다.
참고 : 각각에 대한 개요 개략적시험은 그림 2에 표시됩니다.
- 그들이 재판 기간 동안 포커스 포인트를 가질 수 있도록, 시야 참가자의 라인에있는 검은 점의 이미지로 전환합니다.
- 참가자 성능을 모니터링하고 필요에 따라 속도, 또는 외부의 자발적인 움직임에 대한 피드백을 제공합니다.
- 교육용 애니메이션의 끝에서, 모션 캡쳐, EMG 및 fNIRS 시스템뿐만 아니라 비디오 카메라에 기록을 중지. 참가자에게 휴식 또는 필요에 따라 위치를 이동 할 수있는 기회를 제공한다.
7. 양측 하체 순환 작업
- , 이동 뒤로 다리를 지원하는 주각에 참가자 전환을 가지고 fNIRS optode 케이블을 지원하기 위해 돌보는 및 범프 또는 모션 캡쳐 마커 또는 EMG 전극을 제거하지. 실험 기간 동안 편안함을 향상시킬 수있는 발포 시트 쿠션이 있습니다.
- 위치로 사이클 프레임을 들어 올려 스트랩 받침대에 고정.
- 페달에 발을 안전하고 페달에 편안하고 자연의 거리를 촉진하기 위해 필요에 따라주기의 위치를 조정합니다. 에사이클에서 가장 먼 점은 약 10 ° 굴곡의 자신의 무릎을 유지한다.
주 :이 시점에서, 학습자가 어떤 트렁크 지원을 제공하고, 나머지 기간 동안 이완을 용이 세미 누운 자세에있을 것이다. - 그들에게 말하고 참가자와 검토 작업 지침, 약 60 rpm으로 "작업"기간 동안 "휴식"기간 동안 사이클에 여전히 편안한 가능한 한 유지합니다.
- 반복 6.4-6.7 단계를 반복합니다. 대신 점, 프로젝트 휴식 또는 시각 및 청각 피드백을 통해 이동 중 참가자를 큐 것 만화 애니메이션의 이미지로 전환. 참가자가 현재 연구에서 통과 또는 남아있는 시간을 모니터링 할 수 있도록하지 동영상 윈도우를 최대화.
8. 손을 꽉 조이고 작업
- 사이클 및 사이클 자체로부터 발을 제거한 후, 참여자, 지는데 앞 베드 테이블을 배치참가자의 팔을 편안한 위치에 테이블에서 지원되는지 확인 g.
- "작업"기간 동안 약 한 번 초 (1 Hz에서) 당 부드러운 물체를 집어 넣은 참가자를 지시하고, "휴식"기간 동안 가능한 한 편안하게 남아있다.
- 단계를 반복 7.5.
9. 발목 배측 굴곡 작업
- 침대 테이블을 제거하고 참가자의 뷰에 발을 가지고 최대 플 린스의 발 나머지 부분을 올립니다.
- 참가자의 신발과 양말을 제거하고 적절한 위치에 발 마커를 교체합니다. 다만 발목 관절 운동을 할 수있는 폼 패드와의 발목 관절 위의 송아지를 지원합니다.
- "작업"기간 동안 초 (1 Hz에서) 당 약 한 번 자신의 발목을 배굴 참가자를 지시하고, "휴식"기간 동안 가능한 한 편안하게 남아있다.
- 단계를 반복 7.5.
프로 10. 결론로토콜
- 캡을 제거하고 압력 또는 적색의 영역에 대한 피부를 검사합니다.
- 모든 반사 마커와 EMG 장치를 제거합니다.
- 그 시간 동안 참가자 감사 프로토콜의 주관적 경험에 대해 자신의 입력을 초대합니다. (경 두개 자기 자극 (13)과 가비 동료들에 의해 사용되는 바와 같이)이 앙케이트 형식이거나, 비공식 토론이 미래에 개선 될 수 위화감의 공통 소스를 식별하기.
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Representative Results
이 프로토콜은 참가자 모터 작업 (도 1)을 수행하는 동안 뇌 혈류, 근육 활동의 전기 및 관절 운동 학적 움직임을 캡처 3 양상의 동시 획득을 조정한다.
그림 1. 프로브 위치.이 도면의 좌측 부분 (녹색, 브로드 만 4), 일차 운동 영역 (블루, 브로드 만 영역 1,2,3)에 감각 영역의 대략적인 위치, 전 운동 영역을 도시 (오렌지, 브로드 만 영역 6). 이 그림의 오른쪽 부분과 관련 기능 (MGH 광학 부 (15)에서 오픈 소스 다운로드 가능) AtlasViewerGUI를 사용하여 생성되었습니다. 요컨대,이 프로브 디자인은 소스, 검출기 및 anato의 공간 배열을 사용 Colin47 아틀라스의 표면에 등록화학적 인 랜드 마크 (소스는 빨간색 원과 파란색 원으로 감지기에 의해 표현된다). 몬테 카를로 광자 마이그레이션 앞으로 모델은 피질의 표면과 모든 예상되는 모든 소스 검출기 쌍에 대한 민감도 프로파일, 피부, 두개골, 뇌의 물질을 통해 빛의 1 × 8 광자를 시작하기위한 실행 된 이 그림에 동시에 표시. 뇌의 표면에 컬러 맵은 프로브의 피질 감도를 나타내고; 즉 뇌회 (gyri)과 소스 및 검출기 아래에있는 열구에 도달 시뮬레이션 광자의 수는 (따뜻한 색 로그 (10) 규모의 크기의이 명령의 범위와 쿨러 색상보다 더 많은 광자를 나타냅니다).
이 프로토콜에서 사용되는 소스 검출기 구성의 일례를 표시하고, 뇌 아틀라스 하부 신경 해부학 적 구조와 관련되는 방법. (2)는이 프로토콜에서 사용되는 블록 설계뿐만 아니라 화면 캡처를 설명 도표명령 비디오. 30 초 - 태스크는 임의의 길이 (20)의 나머지 기간 산재 여덟 15 초 태스크 블록과, 블록 설계에서 수행된다. 만화 동물은 특히 거울 신경 세포 시스템 (11)와 결합하지 않도록 비 같은 인간이되도록 선택하고, 오디오 큐들이 다른 블록 설계 실험 10의 작업 성능을 개선하는 것으로 나타났다. 걸음 걸이 작업은 청각 신호가 있고, 참가자들은 그들의 앞에 화면에 영사 작은 검은 색 원에 집중했다.
각 시험의 그림 2. 회로도. 각 작업 유형에 대한 데이터 수집은 약 6 분 동안 지속됩니다. 활동의 15 초 블록 (보행, 자전거, 족배 굴곡, 또는 압착)과 (지속 시간이 20 초에서 30 사이에 이르기까지) 변수의 휴식 기간이있다. 교육용 비디오가 만든휴식 또는 이동하는 참가자에 대한 시각 및 청각 단서와 함께. 펭귄 이미지는 환자에 도시 한 명령 동영상 중 하나에서 가져옵니다. 그는 나머지 기간 동안 지상에 남아 있고, 작업 기간 동안 초당 공기 1 시간에 점프. 작업 블록 동안 강한 60 BPM의 속도와 각 조건, 나머지 동안 휴식 조정 재생 및 조정을 위해 제공 음악도 있습니다.
도 3은 작업 동안 기록 성능을 광 신호의 일례이다. 데이터는 자동 * .nirs 확장자 파일에 저장하고 나중에 추가 처리를 위해 데이터 수집 시스템에서 전송된다. 발목 배굴 작업 관절 각도와 EMG 측정과 함께, 4 재구성 골격 모델의 예를 보여준다. 골격 모델과 관절 각도가 작성 넥서스와 Visual3D 소프트웨어 패키지를 사용하여 계산됩니다. 이러한 데이터뿐만 아니라 EMG 처리되지 않은, 그리고 CO자민련은 필터링 기술 혜택을 누릴 수있는 모션 유물이나 소음이 포함되어 있습니다.
수집 된 데이터를 해석 가능한 분석 기술 및 소프트웨어 패키지의 다양한 배열이있다. 한 가지 예는 홈런 (14)이라는 오픈 소스 소프트웨어 패키지를 사용 fNIRS 영상 재구성을 완료한다. 작성된 맵의 예는 수집 된 광학 밀도 신호들로부터 해석 될 수있는 활성화 정보의 종류를 설명하기 위해도 5에 도시된다.
광학 밀도 녹음 그림 3. 예.이 스크린 샷은 fNIRS 기계의 한 종류의 데이터 수집 소프트웨어에서입니다. 그것은 fNIRS에 대한 정보 조사 배열 (오른쪽 위), 오프 개별 레이저 소스를 설정하는 능력 (왼쪽)와 OPTIO를 포함각 dectector (아래 가운데)의 이득을 수정하는 NS. 데이터 시각화 창 (왼쪽)에서, 수직 라인 핑크 활성 블록의 시작을 나타낸다. 트레이스의 색상은 오른쪽에 배열 프로브에 나타낸 채널들의 색에 대응한다. 모든 신호는 80dB 이상이며, 심장 리듬도 광 강도 신호에서 명확하게 볼 수 있습니다.
왼쪽 배측 굴곡 작업에 대한 그림 4. 예 골격 재건, 관절 각도와 EMG. 표시되는 기간 동안의 작업 기간은 약 4.5 초 시작하고, 19.5 초까지 계속됩니다. 이 일반적으로 개발하는 개인 (13 세)에서 대상 왼쪽 발목 이외의 관절에 매우 제한적인 움직임이있다. 또한, 운동을 제공하는 것 이외의 근육 (경골근)작업뿐만 아니라 나머지 기간 동안 일반적으로 대기 다시. TA = 경골근; MG = 내측 비복근; RF = 대퇴 직근; VL은 광근 lateralis를 =; MH는 = 내측 햄스트링.
그림 오른쪽 손으로 짜내는 작업 중 fNIRS 활성화지도 5. 예. 뇌의 상단에있는 파란색 상자이 프로브 디자인 (또한 그림 1 참조)에 의해 샘플링 대략적인 영역을 설명합니다. 이 참가자는) 13 세 였고, 56cm의 머리 둘레를했다. 자신의 오른손으로 공을 짜내는 하나 일반적으로 개발 청소년의 이동 발병 다음 10 초 - 그림의 오른쪽 부분은 기간 5시 평균 산소 헤모글로빈 (HBO) 응답을 보여줍니다. 이 도면에있는이 데이터는 홈런 (14)로부터 발생하고 일반 선형 모델을 사용하여 평가된다. 푸른 색의 증가 HBO의 붉은 영역 표시 영역 동안 작업 기간 동안, 더 활성화를 대표하지 않습니다. 이 연구자들은 산소 및 / 또는 탈 산소 혈류 큰 변화의 영역을 식별하는 데 사용하는 분석 및 가시화하는 한 방법이다.
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Discussion
피질의 대상 지역과 사람이 운동 장애와 그뿐만 아니라 일반적으로 개발 인구 모두에서 운동의 신경 제어에 대한 우리의 이해를 향상시키기위한 선물 엄청난 잠재력을 이동하는 방법에 대한 정량 데이터에서 뇌 활동의 동시 모음. 참가자들은 기능적 MRI 때처럼 앙와위로 제한되지 않기 때문에, 완료 될 수 연령과 이동 작업의 측면에서 다양한 응용이있다. 시장에서 사용할 수있는 몇몇 모션 캡쳐 및 모션 정량화 시스템, EMG 시스템 및 fNIRS 시스템이 있고, 그것들은 여기에 제안 된 것들 대신에 사용될 수있다 - 특정 장비 아이템은 재료 목록에 제시된 것들에 한정되지 않는다. 또한, 선택된 모션 캡쳐 시스템이 사용되는 본체와 헤드 또는 비 - 광학 기술 모두에서 마커 국산화 측정에 충분한 양을 가지고 있지 않는 경우, 3-D 위치 추적스타일러스는 공통 좌표계에서 해부학에 대한 optodes을 찾는 대신에 사용될 수있다. 그것은이 별도로 심박수 및 혈압 등의 생리 데이터를 수집 할 수있는 경우에는 마지막으로,이 정보는 HBO와 HBR 시계열 분석 알리기 위해 유용 할 것이다.
전체 프로토콜 설정에 전념하는 시간의 거의 절반, 약 2 시간에 완료 할 수 있습니다. 적은 시간이 머리를 준비하기 위해 필요하기 때문에 짧은 머리를 가진 남성 참가자, 설정 시간이 적을 수 있습니다. 연구자들은 모든 민족, 모발용로부터 모집 바이어스없이, 유용한 신호 3을 수득 할 수없는 사람들이 있는지보고하는 것이 중요하다. 인물의 연령과 집중력에 따라 시험되는 것은, 추가적인 작업이나 데이터 수집의 추가적인 블록을 쉽게 추가 할 수있다. 이것은 중요하다, 그러나, 현재 상태로 fNIRS 기술의 몇 가지 제한. C에도 불구하고areful 준비 및 관리는 머리와 피부의 멜라닌 함량은 적절한 강도 신호의 컬렉션을 배제 일부 참가자가있을 수 있고, 모발의 간섭을 감소시킨다. 심지어 충분한 강도를 가진 사람들 사이에서 관찰 혈역학 적 반응의 선명도에 변화가있을 것입니다. 이러한 문제는 비 대응 식별하고, 참가자 수의 개시는 그 데이터를 2-5 사용될 수없는 시험 방법의 명확한보고를 통해 데이터 분석에서 처리 될 필요가있다.
이 특정 프로토콜은 특정 연구 문제에 적용하기 다수의 방식으로 구성 될 수있다. 소스 및 검출기의 방향 피질의 다른 영역을 샘플링 할 수있는 유연성을 제공하는 위치 및 배열의 측면에서 무한한 가능성을 갖고, 높은 해상도, 또는 더 성긴 배열로를 용이하게하기 위해 추가적인 채널 겹침 조밀 프로브를 만들 더 많은 영역을 커버대뇌 피질의 표면. fNIRS의 전체 공간적 해상도의 fMRI에 비해 낮게 유지하지만, 이러한 제한은 이동 작업을 연구 할 때, 특히, 많은 애플리케이션을 위해 연구 덜 제한된 환경에서 fNIRS을 사용하는 능력에 의해 압도 될 수있다. 또한, 모터, 감각, 또는 이미지에 태스크가 실행 가능하게 임의의 수의 더 복잡한 시퀀스 또는 다른 간단한 단일 관절 운동 포함 제시된 블록 설계에 통합 될 수있다. 그러한 fNIRS 같이 표면 기반 방식으로 그 깊이 얻을 수는 없으므로 하체 태스크 고려 그러나 사상은 모터에 호문 원위 하체 표현의 위치에 제공되어야한다. 또한, 참여자들에게 쉽게 애니메이션 및 사용을 변경하여 집적 될 수있는 이벤트 관련 패러다임 (16, 17)를 사용하는 연구가있다. 이러한 패러다임 이동 블록의 더 많은 수를 필요로하지만, 그것들은 그 사이에 발 적은 나머지로 완료 될 수있다O 전체 데이터 수집 시간은 제시된 블록 패러다임에서 유의 한 차이가있다.
운동 학적 및 EMG 데이터는 다수의 방법으로 사용될 수있다. 질적,이 지침에 따라 참가자가 작업을 완료했다 확인하는 유용한 방법을 제공합니다. 특히 움직임 인해 감소주의 또는 운동 장애의 존재, 예상되지 않기 때문에 경우에 따라, 이러한 신호는 데이터의 블록을 제거하는 정량적 방법으로서 매우 유용 할 수있는, 또는 일반 선형 모델의 회귀 (GLM) 분석과 같은 하비 등. (18)에 의해 도시 된 바와 같이 데이터. fNIRS의 optodes과 해부학의 좌표를 결정하는 것은 참가자의 개별 구조 MRI에 공동 등록을 위해 필요하다. optode 위치의 공동 등록은 특히 뇌 손상을 입은 인구에, 신뢰성과 fNIRS 결과의 신경 해부학 적 관련성을 증가시키는 중요한 단계를 나타냅니다. 마지막으로, 하나는 추가 고려할 수추가 단계로 케이블의 움직임 추적 기록 된 데이터 내에서 이동 유물을 설명합니다.
뇌성 마비 아동기 발병 뇌 손상은 경직, 근육 약화와 같은 주변 증상의 수를 일으키는 것으로 알려진, 선택적 모터 제어 (19)를 감소한다. 이러한 경 두개 자기 자극 (20, 21)과 확산 텐서 영상 (22, 23)과 같은 수동 전기 생리학 또는 뇌 영상 기술은 대뇌 피질의 조직의 변화를 보여 주었다. 의 fMRI는 작은 고립 운동 24 ~ 26 정품 인증의 차이를 검출에 유용했지만, 작업 성능을 모니터링하는 것은 MRI 환경에서 도전하고, 큰 이슈를 일으킬 수있는 머리의 아주 작은 움직임이 될 수 있습니다. 이러한 fNIRS 또는 뇌파 (EEG)로 뇌 영상 양식의, 특히 보완 또는 동시 사용이 인구에서 기본 소스에 대한 더 큰 이해를 얻을 수있는 기회를 제공운동 장애, 및 모터 개입에 관련된 진행 상황을 모니터링하기위한 추가의 도구.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CW6 | TechEn | http://nirsoptix.com/ | fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included |
| MX system with ten T40-series cameras | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | http://www.vicon.com/System/TSeries | Motion capture cameras |
| reflective 4 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates. | |
| reflective 9.5 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate arm and leg coordinates. Clusters are used for the limb segments, and markers with offsets are uses for PSIS and Iz to improve reliability in data capture. | |
| Trigno Wireless EMG system | Delsys, Inc. Natick, MA | http://www.delsys.com/products/wireless-emg/ | Electromyography |
| Bertec split-belt instrumented treadmill | Bertec Corporation, Columbus, OH | http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html | Treadmill |
| ZeroG body-weight support system | Aretech, LLC, Ashburn, VA | http://www.aretechllc.com/overview.html | Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials |
| 3DS Max 2013 | Autodesk, Inc., San Francisco, CA | http://www.autodesk.com/ | 3-D animation software used to animate animals for instructional videos |
| Windows Movie Maker | Microsoft Corporation, Redmond, WA | http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker | software used to combine animation footage with music |
| Audacity | open source | http://audacity.sourceforge.net/ | Software used to alter musical beat to appropriate cadence |
References
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