Abstract
Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) insan hareketinin nöral kontrolü çalışmasında sunduğu çeşitli avantajları vardır. Bu katılımcı konumlandırma göre, görece esnektir ve görevleri sırasında bir baş hareketleri sağlar. Buna ek olarak, kullanımı çok az kontrendikasyonlar, ucuz, hafif, ve taşınabilir. Bu genellikle de beyin felci gibi hareket bozuklukları, olanlar gibi, gelişmekte olan bireylerde motor görevleri sırasında fonksiyonel beyin aktivitesini incelemek için eşsiz bir fırsat sunuyor. Hareket bozuklukları okuyan bir ek bedel, ancak, yapılan fiili hareketlerin kalitesi ve ek, istenmeyen hareketler için potansiyel olduğunu. Bu nedenle, hem kan akışı beyinde değişiklikler ve test sırasında vücuda gerçek hareketlerin aynı anda izlenmesi fNIRS sonuçlarını uygun yorumlanması gereklidir. Burada, fNIRS kombinasyonu ile bir protokol göstermektedirkas ve motor görevleri sırasında kinematik izleme. Biz yürüyüşü keşfetmek, tek taraflı çok ortak hareket (bisiklet) ve iki tek taraflı tek eklem hareketleri (izole ayak bileği dorsifleksiyon ve izole el sıkma). Sunulan tekniklerin her ikisi de tipik ve atipik motor kontrolü üzerinde çalışılmasında faydalı olabilir ve görevler ve bilimsel soru geniş bir araştırmak için modifiye edilebilir.
Introduction
Fonksiyonel görevleri sırasında nöral görüntüleme kortekste kan akış dinamiklerini ölçerek beynin faaliyet alanlarını belirlemek için non-invaziv fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) kullanarak daha taşınabilir ve düşük maliyetli hale gelmiştir. fNIRS taşınabilirliği bu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (iMRG) gibi diğer teknolojiler ile mümkün değildir yürüme 1 olarak dik ve fonksiyonel görevleri çalışmada özellikle yararlıdır. Bu yetenek nöroloji ve nörobilim alanında kritik ve serebral palsi (CP) ve motor kontrolünü etkileyen diğer nörolojik sorunları olan çocukların ve yetişkinlerin hareket bozuklukları yatan mekanizmalar yeni bakış açıları sağlayabilir. Mekanizmaların anlaşılması engelli ve faaliyet sınırlamaları kaynağını hedef etkili müdahaleleri tasarım yeteneğini geliştirir.
Motor görevlerin çoğu fNIRS çalışmaları bugüne kadar yetişkinlerin sağlıklı bir nüfusa parçası ile olmuşturicipants belirli bir görevi ve görev performansı izleme, görsel muayene ile sınırlıdır gerçekleştirmek için talimat. Bu tipik hareketleri ve angajman yüksek seviyede olanlar için yeterli, ancak hareket bozuklukları veya zorluk genellikle gelişmekte olan çocuklar dahil uzun süre çalıştırılması için bir göreve katılıyor olanlar katılımcılara eğitim sırasında kabul edilemez olabilir. Bu durumlarda beyin faaliyetinin analizini bilgilendirmek amacıyla aslında tamamlandığında, motor modeli aynı anda izlenmesi gereklidir.
FNIRS sistemleri ve kullanımları Kapsamlı yorum literatür kullanımını rehberlik ve veriler hala devam fNIRS doğruluğunu ve bu sistemlerin duyarlılık, ancak toplama, işleme, teknik konular ve yorumunu göstermek için yardımcı 2-5 olarak sunulmuştur. Renk ve saç kalınlığı engellemek veya optik Şanzıman çarpıtmak büyük olasılıkla koyu kalın saçlı, optik sinyalin kalitesini etkileyensalgılanması 3,6. Saç folikülü yoğunluğu büyük olan baş tacı alan üzerine duyusal alanları inceleyerek, ve bazı çalışmalar olmayan müdahalesinde 6,7 rapor Bu özellikle geçerlidir. iyi kurulmuş Uluslararası 10/20 sistem optodes yerleştirilmesinde kullanılan, ama özellikle bir katılımcının anatomik MRG optode konumu atipik beyin anatomisi, eş-kayıt olanların durumunda doğru yorumlamak için gerekli değilse çok yararlı olduğunu olabilir Sonuçlar.
Çocukluk başlangıçlı beyin hasarı beyin aktivasyonunu değerlendirmek için fNIRS kullanımı oldukça yenidir, ancak tek taraflı serebral palsi 6,8,9 alanında çekiş kazanıyor. Anılan zorluklar dikkate alınarak, bu protokol basit tek-ortak görevler yanı sıra daha karmaşık tam vücut hareketleri gibi çeşitli görevleri bir dizi, sırasında fNIRS, hareket yakalama ve elektromiyografi (EMG) izleme birleştirir. Görsel ve işitsel rehberlik bizized katılımcıların birden çağlar boyunca ilgi ve görev performansını artırmak için. Protokolün amacı, genellikle gelişmekte olanlara kıyasla tek taraflı ve ikili çocukluk başlangıçlı beyin hasarı olanlarda beyin aktivasyon desenleri farklılıkları tespit etmektir. Biz yöntemler uygulama çeşitliliği göstermek için bir tam vücut hareketi (yürüyüş), bir ikili alt ekstremite çok ortak hareket (bisiklet) ve iki tek taraflı tek eklem hareketlerini (izole ayak bileği dorsifleksiyon ve izole el sıkma) keşfetmek. aynı ya da çok benzer bir protokol diğer duyusal ya da hareket bozuklukları ya da ilgili diğer görevleri çalışma için kullanılabilir.
Yakın kızılötesi ışınları Sürekli dalga yayılan ve özel olarak tasarlanmış kaynak dedektör yapılandırmayı kullanarak, 690 nm ve 50 Hz hızında fNIRS sistemini kullanarak sensörimotor korteks üzerinde 830 nm'de tespit edildi. EMG verileri 1000 Hz'lik bir frekansta kablosuz toplanmıştır. Yansıtıcı işaretleyici 3-D yerleri vardı100 Hz bir hızda bir optik hareket yakalama sistemi ile toplandı. İki farklı bilgisayar veri toplama, hareket yakalama ve EMG için fNIRS için bir başka ele. Veriler, her görev için öğretim animasyonu başlatmak için bir fare düğmesine basın karşılık gelen üçüncü bir bilgisayara bir tetik darbe ile senkronize edildi. Yürümenin dışında tüm görevler için, öğretim animasyonlar bir karikatür hayvan atlama ya da tekmeleme, yanı sıra işitsel işaret ile temsil edilen bir görev (1 Hz), hızı görsel rehberlik kullanarak katılımcı performansını standardize etmek tasarlanmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
NOT: Bu protokol Ulusal Sağlık Enstitüleri Kurumsal Değerlendirme Kurulu (: NCT01829724 ClinicalTrials.gov tanımlayıcı) tarafından onaylanmıştır. Tüm katılımcılar soru sorma ve onların katılımı öncesinde bilgilendirilmiş onam sağlamak için fırsat verilir. Vazodilatörlerin ve vazokonstriktörlere son kullanımından kaynaklanan hemodinamik yanıtı değişiklikleri dikkate alarak, katılımcılar 3 .Bu animasyon videoları özel laboratuvarda yapılan deneyden önce 24 saat alkol ve kafein kaçınmaları istenir, ancak diğer kaydedilmiş olabilir sesler ya da alternatif araştırma sorularına özel görüntüler.
1. Önceki Katılımcının Varış için oda Kurma.
- Hareket yakalama üreticinin özel sürecine göre laboratuvarın koordinatlara hareket yakalama kameraları göreli kalibre. Kamera pozisyonları vücudun hem de tüm belirteçlerin kayıt sağlayacak emin olunve test edilecek görevleri sırasında katılımcının başkanı. Kalibrasyon işlemi hareket yakalama sisteminin doğruluğunu sağlar ve herhangi bir hareket laboratuvar için standart bir uygulamadır. Yansıtıcı belirteçler güvenilir bir şekilde tespit edilebilir 17 m 3 yaklaşık bir hacmi ile, on kamera sistemi kullanın.
- Hareket yakalama ve fNIRS bilgisayarların BNC girişi talimat bilgisayardan tetiği bağlayın. Tetikleyici bir fare düğmesi bağlı ve fareyi tıklayarak devreyi tamamlar ve hareket yakalama / EMG veri toplama kuruluna ve yardımcı analog girişler gibi fNIRS veri toplama kartına aynı anda darbe gönderir emin olun.
- Video başlayan iki veri toplama sistemlerinde aynı anda voltaj değişikliği neden olacak şekilde talimat animasyon videoları çalıştırmak bilgisayara USB portundan bu fareyi bağlayın.
NOT: EMG sinyalleri otomatik olarak senkronize ve hareket yakalama yazılımı tarafından kaydedilen, yani addit edilirEMG sistemi uğratarak senkronizasyon gerekli değildir. - Talimatlar için ekran ve projektör kurmak katılımcıya gösterilecek. Distracters olabilecek herhangi bir gereksiz öğeleri kaldırın. Onlar katılımcının hareketlerinin tam bir görünümü olacak tripod ve dijital video kamera yerleştirin.
- Yansıtıcı belirteçler güvenli prob her optode üstüne takılı olduğundan emin olun.
- Gerekli tüm belgeleri birleştirin: Örneğin rıza ve onay kopyaları, klinik muayene sayfaları, ve deneysel not kağıtları,.
2. Temel Önlemler
- Bilgilendirilmiş onam sürecini tamamladıktan sonra, ölçmek ve kayıt katılımcının boy, kilo, yaş, ve baş çevresi.
- Belirtildiği gibi Edinburg El Envanteri 10 ve diğer klinik muayene yönetme. Tutanak saç ve cilt tipleri katılımcı-bildirmişlerdir.
- Bilateral posterior superior iliak dikenler üzerinde yansıtıcı belirteçleri (PSIS) yerleştirin. 5 kez, ve kendi kendine seçilen yürüme hızını tahmin etmek çalışmalar boyunca hız ortalama - laboratuarında genelinde 3 onların rahat bir tempoda katılımcı bir yürüyüş var.
3. Fonksiyonel Yakın Kızılötesi Spektroskopisi (fNIRS) Kurulum
NOT: katılımcı birkaç kişi aynı anda onlara yakın olmak rahat ise, bu yardım için yeterli deneyci veya araştırma personeli varsa, EMG ve hareket yakalama kurulumu ile eş zamanlı olarak tamamlanmış, ve olabilir.
- Nasion (Nz) ve inion (İz) arasındaki mesafeyi ölçün, ve sağa (Ar) ve sol (Al) kulaklara öncesi aurikular noktalar arasında. Bu iki önlemlerin orta kesiştiği bir yıkanabilir kalem kullanarak kafa derisi üzerinde işaretlenmiş Cz vardır.
- Katılımcı optodes alınacaktır kafa derisi ortaya koymak için örgü veya ponytails kullanarak saç küçük porsiyonlarda kapalı uzun saçlı, bölüm varsa.
- FNIRS t üzerine soruşturma yerleştirinO katılımcının baş, Cz, Ar uyum için dikkat. O kafa derisi üzerine yerleştirilir Sonra uzak, her optode altından saç taşımak. Son olarak, güvenli bir şekilde yerinde optodes tutmak için Velcro şeritleri ekleyin.
NOT: Bu protokolde, çene altında gider kafa, alnını gider biri ve arkasında gider bir kayış var bir kap kullanın. Optodes kulağı çevreleyen esnek bir plastik halka üzerindeki Velcro ile bu kapağa demirlemiş.- Katılımcı kısa saç (uzunluk az 2 yaklaşık daha inç) varsa, bir tarağın küçük bir ince çubuk veya plastik ucu ile optodes arasında saç çekin.
- Tüm optode kabloları düz yalan olduğunu ve optodes kafa derisi yüzeyine yaklaşık dik olduğundan emin olun.
- Gerekirse, optodes dik hizalama temin etmek için optode kabloları grubu altında bir köpük ince bir parçası eklenir.
- Prob konforu hakkında katılımcı ile kontrol edin, veGerekirse ayarlayın. Kendi konfor deney sırasında herhangi bir noktada düşerse deneycilerin anlatmak için onları bilgilendirin.
- Kaynağa açın ve sinyalleri kontrol edin.
- Bu sistemde, en az 80 dB, bir yoğunluk ve hem de 690 ve 830 nm dalga boylarında sinyal deltaOD (optik yoğunluk değişikliği) 'de açık bir şekilde görünür bir sinyal sahip olan bir sinyal sağlamak. Kanallar bu kriterlere uymayan sinyalleri varsa, o saç optode (lar) engellemediğini teyit ve ardından sinyal yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak gerektiği gibi dedektör kazanç ayarlayın. Bu hareket yakalama kameraları bu süre boyunca kapalı olduğundan emin olun.
NOT: Diğer fNIRS makinaları 690 ve 830 nm dalga boylarında farklı çalışabilir; Bu durumda, kullanılan makineye en uygun dalga boyu kontrol edin.
- Bu sistemde, en az 80 dB, bir yoğunluk ve hem de 690 ve 830 nm dalga boylarında sinyal deltaOD (optik yoğunluk değişikliği) 'de açık bir şekilde görünür bir sinyal sahip olan bir sinyal sağlamak. Kanallar bu kriterlere uymayan sinyalleri varsa, o saç optode (lar) engellemediğini teyit ve ardından sinyal yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak gerektiği gibi dedektör kazanç ayarlayın. Bu hareket yakalama kameraları bu süre boyunca kapalı olduğundan emin olun.
- Nz, Iz, Ar, ve Al yansıtıcı belirteçler ekleyin. Hala tutun ve hareket yakalama bu veri ve fNIRS optode belirteçlerin yaklaşık 2 sn toplamak için katılımcı isteyin. DoğrulayınTüm belirteçler kaydedildi ve gerektiğinde ilave denemeler toplamak edilmiştir. Bu kameralar ve belirteçleri arasındaki görüş hattı geliştirmek için kafa konumunu değiştirmek için katılımcı gerektirebilir. Varsa bir katılımcının bireysel yapısal MRG olasılık kayıt için analiz sırasında bu toplanan üç boyutlu yerleri kullanın.
- Hareket yakalama kameraları müdahalesi veya doygunluk dedektörleri korumak için fNIRS optodes üstüne siyah keçe veya diğer optik emici malzeme birkaç kat ile bir kapak ekleyin. Kablolar ve fNIRS cihazın ön paneli de iyi aynı optik emici malzeme kullanılarak ekranlı emin olun.
4. Yüzey Elektromiyografi (EMG) Kurulum
- Kas kasılması sırasında anatomik yerlerinden, palpasyon kullanarak her hedeflenen kas kas karın bulun, ve elektrot yerleştirme kılavuzları 11.
NOT: Bu protokol hedeflenen kaslar bil dahilateral medial gastroknemius, tibialis anterior, rektus femoris, vastus lateralis, biceps femoris, ekstansör karpi radialis ve fleksör karpi radialis. - SENIAM 12 tarafından tavsiye edilen, bir izopropil alkol pedi ile temizlik daha sonra bant ile ölü cilt hücrelerini kaldırarak, ve, tıraş kas karın üzerinde EMG elektrot yerleştirme için hazırlayın ve cilt kurumasını bekleyin.
- Kas liflerinin yönüne yönelik EMG elektrot yerleştirin.
- Bir öz yapışık şal ile rahatça sarın.
- Kas aktif olduğunda manuel kas testi yapılarak uygun elektrot yerleştirme, ve sinyal değişikliği açıkça görüntülenmesini sağlamak için ise bilgisayardaki kas sinyalleri kontrol edin.
5. Hareket Yakalama Kurulumu
- Ortak yerler de yansıtıcı belirteçler yerleştirin. Bunlar, medial ve lateral malleolus, medial ve lateral diz eklemi dahil üstün iliyak omurga (ÇED), posterior superior iliak omurga (PSIS), radyal stiloidi, ulnar Syloid, medi önEl humerus epikondil ve yanal humerus epikondil.
- Ayak, sap, uyluk, el ve önkol dahil ilgi her segmentin üzerine 3 veya daha fazla işaretçileri veya belirteçleri bir katı cisim küme, yerleştirin.
- Katılımcı gibi 90 ° omuz fleksiyon ve 90 ° dirsek fleksiyonda kolları ile ayakta gibi, standart bir konumda hala ayakta iken hareket yakalama verileri yaklaşık 2 sn toplayın. Tüm belirteçler açıkça kameralara görünür olduğundan emin olun.
6. Yürüme Görev
- Koşu bandı katılımcı transferi var. Hasta pozisyonunda sonra tavan desteği kabloları sabitleyin sonra fNIRS optode kabloları destekleyerek onlara yardımcı ve. Hasta düşme riski yüksek ise, bu görev sırasında güvenliği için bir vücut ağırlığı destek kemeri kullanın.
- Yavaş yavaş kurmak koşullara rahat katılımcı almak için ölçülen öz seçilen yürüme hızı kadar bina, koşu bandını başlatın. Bir durak sonra yavaşTekrar.
- Dinlenme veya taşımak ya katılımcıyı başlama işareti olur işitsel geribildirim ile animasyon dosyasını kurun. Katılımcı ile Gözden görev talimatları, hala devam etmelerini söylüyorum ve mümkün olduğunca rahat "dinlenme" dönemlerinde ve ekranda küçük siyah daire onların dikkatini odaklama yaparken, "görev" döneminde koşu bandının ayarlanan hızda yürümek veri toplama süresi.
- Işıkları Dim ve hareket yakalama bilgisayar ve fNIRS bilgisayarda veri toplama başlar. Video kamera kaydı başlayın.
- Fare tetiği kullanarak, bu görevle ilişkili animasyon dosyası play butonuna tıklayın. Tetik hareket yakalama ve NIRS sistemleri hem tarafından alındığını emin olun.
- Onlar deneme süresi için bir odak noktası olması, böylece görüş katılımcının hattında bulunan siyah bir nokta bir görüntüye geçin.
NOT: Her için genel şematikDeneme, Şekil 2 'de gösterilmiştir.
- Onlar deneme süresi için bir odak noktası olması, böylece görüş katılımcının hattında bulunan siyah bir nokta bir görüntüye geçin.
- Katılımcı performansını izlemek ve gerektiğinde hız, ya da yabancı istemli hareketleri hakkında geribildirim sağlamak.
- Öğretim animasyon sonunda, hareket yakalama, EMG ve fNIRS sistemlerin yanı sıra, video kamera kayıt durdurmak. Katılımcının dinlenme veya gerekli pozisyonları kaydırmak için bir fırsat verin.
7. İkili Alt Ekstremite Bisiklet Görev
- , Hareketli sırt ve bacak desteği ile bir kaide katılımcı geçişi var fNIRS optode kabloları desteklemek özen ve yumru veya hareket yakalama işaretleri veya EMG elektrotları çıkarmak değil. Deney sırasında konforu artırmak için köpük koltuk minderi var.
- Pozisyona döngüsü çerçevesini kaldırın ve bir kayış ile kaide sabitleyin.
- Pedallar içine ayak Güvenli ve pedallar için rahat ve doğal bir mesafe teşvik için gerekli döngüsünün konumunu ayarlamak. Atdöngüsünde uzak nokta, yaklaşık 10 ° fleksiyonda onların diz korumak.
NOT: Bu noktada, katılımcı bazı gövde desteği sağlar ve dinlenme döneminde rahatlama kolaylaştıran bir yarı yatar pozisyonda, olacak. - Bunları söylüyorum katılımcı ile İnceleme görev talimatları, yaklaşık 60 rpm "görev" döneminde "rest" dönemlerinde ve dolaşmak için hala ve rahat mümkün olduğunca kalmaya.
- Tekrarlayın 6,4-6,7 adımları. Bunun yerine bir nokta, proje dinlenme veya görsel ve işitsel geribildirim yoluyla hareket ya katılımcıyı başlama işareti olur çizgi animasyon bir görüntüye geçiş. Katılımcı mevcut deneme, geçti, ya da kalan zamanı takip etmek mümkün değil böylece film penceresi maksimize.
8. El Sıkma Görev
- Döngüsü ve döngüsü kendisi ayak çıkardıktan sonra, katılımcı, makin önünde bir yatak tablo yerleştirmekkatılımcının kolları rahat bir pozisyonda masaya desteklendiğinden emin olun g.
- "Görev" döneminde yaklaşık kez sn (1 Hz) başına yumuşak bir nesne sıkmak için katılımcı bilgilendirin ve "dinlenme" dönemlerde mümkün olduğunca rahat kalır.
- Adımı tekrarlayın 7.5.
9. Ayak Bileği dorsifleksiyon Görev
- Yatakta tablosunu çıkarın ve katılımcının görünümüne ayaklarını getirmek için kaidenin ayak dinlenme kısmını yükseltmek.
- Katılımcının ayakkabı ve çorap çıkarın ve uygun pozisyonlarda ayak işaretçileri değiştirin. Sadece ayak bileği eklem hareketine izin verecek bir köpük ped ile ayak bileği ekleminin üzerinde buzağıyı destekleyin.
- "Görev" döneminde sn (1 Hz) başına yaklaşık bir kez ayak bileği dorsiflex katılımcı talimat ve "dinlenme" dönemlerde mümkün olduğunca rahat kalır.
- Adımı tekrarlayın 7.5.
Pro 10. Sonuçtokol
- Kapağı çıkarın ve basınç veya kızarıklık alanları için cilt inceleyin.
- Tüm yansıtıcı işaretleri ve EMG birimleri çıkarın.
- Onların zaman için katılımcı teşekkür ve protokolün öznel deneyimi konusunda girişi davet ediyoruz. (Transkranial manyetik stimülasyon 13 Garvey ve arkadaşları tarafından kullanılan) Bu resmi bir anket olabilir, ya da gayri resmi bir tartışma gelecekte gelişmiş olabilir rahatsızlık ortak kaynaklarını belirlemek için.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu protokol, katılımcı, motor görevleri (Şekil 1) gerçekleştirirken beyin kan akımını, elektrik kas aktivitesini ve eklemlerin hareketini kinematik yakalamak için 3 yöntemleri eşzamanlı satın koordine eder.
Şekil 1. Prob yeri. Bu rakamın sol kısmı (yeşil, Brodmann alan 4), primer motor alan (mavi, Brodmann alanlarda 1,2,3) duyusal alanların yaklaşık yerleri ve Premotor alanını gösterir (turuncu, Brodmann alan 6). Bu rakamın sağ bölümü ve ilgili fonksiyonları (MGH Optics Bölümü 15 açık kaynak kodlu yüklenebilir) AtlasViewerGUI kullanılarak üretildi. Kısacası, bu prob tasarım kaynakları, dedektörler ve Anato mekansal düzenleme kullanarak Colin47 Atlas yüzeyine tescil edildimical görülecek (kaynaklar kırmızı daireler ve mavi çevreler tarafından dedektörler tarafından temsil edilmektedir). Bir Monte Carlo foton göç ileri modeli korteks yüzeyine ve tüm tahmin edilmektedir tüm kaynak-dedektör çiftleri için duyarlılık profilleri ile, deri, kafatası ve beyin malzemelerin içinden ışık 1 x 10 8 fotonları başlatılması için çalıştırıldı Bu şekilde aynı anda görüntülenen. beynin yüzeyinde renkli harita probunun kortikal duyarlılığını temsil eder; diğer bir deyişle girus ve kaynaklar ve dedektörler altında bulunan sulkuslar ulaşmak simüle fotonların sayısı (sıcak renkler bir günlük 10 ölçeğine göre büyüklüğü 2 siparişlerin bir dizi soğuk renkler daha fotonlar, işaret).
Bu protokolde kullanılan kaynak dedektör düzenlemesinin bir örneğini gösterir, ve bir beyin atlası üzerinde yatan nöroanatomik yapılarla ilgili nasıl. 2 Bu protokolde kullanılan blok tasarımı, yanı sıra ekran görüntüleri özetliyor Şekilöğretim videoları. 30 sn - Görevler 20 rasgele uzunluk dinlenme dönemleri ile serpiştirilmiş sekiz 15 sn görev blokları ile, bir blok tasarımı yapılmaktadır. Karikatür hayvanlar özellikle ayna nöron sistemi 11 meşgul etmeyecek kadar gibi olmayan insan olmak seçildi ve ses ipuçları diğer blok tasarımı deneylerde 10 görev performansını artırmak için gösterilmiştir. yürüme görevi sadece bir işitsel işaret vardı, ve katılımcılar önlerinde bir ekrana yansıtılan bir küçük siyah daire odaklanmak istendi.
Her deneme Şekil 2. şematik. Her görev türü için veri toplama, yaklaşık 6 dakika sürer. Faaliyet 15 sn blokları (yürüyüş, bisiklet, dorsifleksiyon, ya da sıkma) ile (süresi sn 20 ila 30 arasında değişen) değişken dinlenme dönemleri vardır. Öğretim videolar oluşturulandinlenme veya taşımak için katılımcı için görsel ve işitsel ipuçları ile. penguen görüntüleri hastaya gösterilen talimat videoları birinden alınır. O dinlenme dönemlerinde yerde kalır ve görev dönemlerinde saniyede hava 1 kez atlar. Görev bloklarında güçlü 60 bpm hızı ile her durumda, dinlenme sırasında rahatlatıcı melodi çalmaya ve bir melodi için sağlanan müzik de vardır.
Şekil 3, işlem gerçekleştirilmesi sırasında kaydedilen optik sinyallerin bir örnektir. Veriler otomatik olarak * .nirs uzantılı bir dosyaya kaydedilir ve daha sonra daha fazla işlem için veri toplama bilgisayardan aktarılır. Bir ayak bileği dorsifleksiyon görev için ortak açı ve EMG önlemlerle birlikte, 4 yeniden iskelet modelin bir örneğini göstermektedir. iskelet modeli ve eklem açıları yarattı ve Nexus ve Visual3D yazılım paketleri kullanılarak hesaplanır. Bu veriler, hem de EMG gibi işlenmiş değil, ve ortakcamiaların filtreleme teknikleri yararlanabilir hareket eserler veya diğer gürültü içerir.
Toplanan verileri yorumlamak için kullanılabilir analiz teknikleri ve yazılım paketleri geniş bir dizi vardır. Bir örnek Homer 14 adlı bir açık kaynak yazılım paketi kullanarak fNIRS görüntü rekonstrüksiyonu tamamlıyor. Oluşturulan haritasının örneği toplandı optik yoğunluk sinyallerinden yorumlanabilir aktivasyon bilgi türünü göstermek için, Şekil 5 'de gösterilmiştir.
Optik yoğunluk kayıt Şekil 3. Örnek. Bu ekran görüntüsü fNIRS makinenin bir tip veri toplama yazılımı arasındadır. Bu fNIRS hakkında bilgi prob düzenleme (sağ üst), kapalı bireysel lazer kaynakları açmak için yeteneği ve (sol alt) ve Optio içerirHer dectector (alt orta) kazancını değiştirme ns. Veri görselleştirme penceresinin (sol üst), dikey pembe çizgi aktivitesinin bir blok başlangıcını temsil eder. Izleri Renkleri sağda prob düzenlemesi gösterilen kanalların renklerine karşılık gelmektedir. Tüm sinyaller 80 dB üzerinde olan ve kalp ritmi bile ışık yoğunluğu sinyali, açıkça görünür olduğunu unutmayın.
Sol dorsifleksiyon görev için Şekil 4. Örnek iskelet rekonstrüksiyonu, eklem açıları ve EMG. Temsil dönemde görev süresi yaklaşık 4.5 saniye başlar ve 19.5 sn kadar devam eder. Bu genellikle gelişmekte olan birey (13 yaşında), hedeflenen sol ayak bileği başka eklemlerde de çok sınırlı bir hareket var. Buna ek olarak, hareketi sağlayan dışındaki kaslar (tibialis anterior) birgörev yanı sıra dinlenme dönemlerinde genellikle sakin yeniden. TA = tibialis anterior; MG = medial gastroknemius; RF = rektus femoris; VL Vastus lateralis =; MH = medial hamstringlerdir.
Şekil sağ elini sıkma görevi sırasında fNIRS aktivasyon haritası 5. örneği. Beynin üstünde mavi kutu bu prob tasarımı (ayrıca bkz Şekil 1) ile örneklenen alanı yaklaşık özetliyor. Bu katılımcı) 13 yaşında idi ve 56 cm baş çevresi vardı. kendi sağ eli ile bir topu sıkma bir tipik gelişmekte olan ergen hareket başlangıcı takip eden 10 saniye - şeklin sağ bölümü süresi 5 sırasında ortalama oksijenli hemoglobin (HbO) tepkisini gösterir. Bu şekilde Bu veriler, Homer 14 oluşturulur ve daha sonra, genel lineer model kullanılarak değerlendirilir. mavi renkler artan HBO kırmızı alanlar gösterge bölgelerinde ise görev dönemlerinde, hiçbir aktivasyonu temsil eder. Bu araştırmacılar oksijenli ve / veya oksijenden arındırılmış kan akımında büyük değişiklikler alanları belirlemek için kullandığınız analiz ve görselleştirme bir yöntemdir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Korteks hedeflenen alanlarda ve bir kişinin hareket bozukluğu olanlar gibi tipik bir gelişmekte olan nüfus, hem hareketin nöral kontrolü anlayışımızı geliştirmek için hediyeler muazzam potansiyeli hareket nasıl hakkında nicel verilerle beyin aktivitesinin Eşzamanlı koleksiyonu. Katılımcılar fonksiyonel MRI olurdu sırt üstü yatırıldı sınırlı değildir gibi, tamamlanmış olabilir yaş ve hareket görevleri açısından geniş uygulama bulunmaktadır. piyasada birçok hareket yakalama ve hareket ölçüm sistemleri, EMG sistemleri ve fNIRS sistemler vardır, ve bunlar burada önerilen olanlar yerine kullanılabilir - özel ekipman öğeleri materyaller listesinde önerilen olanlar bunlarla sınırlı değildir. Buna ek olarak, seçilmiş bir hareket yakalama sistemi kullanılan gövde ve baş ya da optik olmayan teknoloji hem işaretçileri lokalize ölçü yeterli miktarlar yoksa, 3-D pozisyon izlemekalem ortak bir koordinat sisteminde anatomik noktalarına göre optodes bulmak için yerine kullanılabilir. Buna ek olarak, kalp hızı ve kan basıncı gibi fizyolojik verileri toplamak mümkün Son olarak, eğer bu bilgiler HbO ve HBr zaman serisi analizi bilgilendirmek için yararlı olacaktır.
Tüm protokol kurulum adanmış o zaman neredeyse yarısı, yaklaşık 2 saat içinde tamamlanabilir. Daha az zaman saç hazırlamak için gerekli olduğundan, kısa saçlı erkek katılımcılar için, kurulum süresi daha az olabilir. Araştırmacılar, tüm etnik ve saç tipleri gelen önyargı olmadan işe ve kullanışlı sinyaller 3 elde edilememiştir kişiler varsa rapor için önemlidir. Kişinin yaşı ve dikkat süresi bağlı test edilen, ek görevler ya da veri toplama ek blokları kolayca eklenebilir. Bu dikkat etmek önemlidir, ancak, mevcut durumda fNIRS teknolojisinin bazı sınırlamalar. C rağmenareful hazırlık ve bakım onların saç ve cilt melanin içeriği uygun şiddette sinyallerin toplanmasını önleyen bazı katılımcılar olabilir, saç paraziti azaltmak için. Hatta yeterli yoğunlukta olanlar arasında gözlenen hemodinamik yanıtı netlik değişkenlik olacaktır. Bu konular olmayan yanıt belirlendi ve katılımcı sayısı açıklanması olan verileri 05/02 kullanılan olamazdı test nasıl açık raporlama ile, veri analizi sırasında ele alınması gerekir.
Bu özel protokol özel araştırma sorulara uygulanması için bir dizi yolla da uygulanabilir. kaynaklar ve detektörlerin oryantasyon korteksin diğer alanlarda örnek esneklik sağlayan yerlerde ve düzenlemeler bakımından sonsuz olanaklara sahip, büyük çözünürlük veya daha seyrek düzenleme için kolaylaştırmak için ek kanal örtüşme ile yoğun bir prob oluşturmak büyük alanlarını kapsayacakkortikal yüzey. fNIRS genel uzaysal çözünürlüğü fMRI'ın göre daha düşük kalır, ancak bu sınırlama hareket görevleri eğitim, özellikle çok sayıda araştırma uygulamaları için daha az sınırlı bir ortamda fNIRS kullanma yeteneği tarafından bertaraf edilebilir. Ayrıca, motor, duyusal, ya da görüntü görevleri herhangi bir sayı fizibil daha karmaşık dizileri ya da diğer basit tek ortak hareketleri de dahil olmak üzere sunulan blok tasarımı dahil edilebilir. Bu tür fNIRS gibi bir yüzey tabanlı yaklaşım ile bu derin almak mümkün olmayabilir gibi alt ekstremite görevleri dikkate Ancak, düşünce, motor homunculus distal alt ekstremite temsil yere verilmelidir. Buna ek olarak, aynı zamanda kolayca katılımcılara animasyonlar ve talimatları değiştirerek entegre edilebilir bir olay-ilişkili paradigma 16,17, kullanmak çalışmalar vardır. Bu paradigmaların hareket blok daha fazla sayıda gerekli, ancak s arasında daha az geri kalanı ile tamamlanabiliro toplam veri toplama süresi sunulan blok paradigmaları önemli ölçüde farklılık olabilir.
Kinematik ve EMG verileri bir dizi yolla kullanılabilir. Nitel, bu talimat olarak katılımcı bir görevi tamamladıktan yararlı bir onay sağlar. Özellikle hareketler nedeniyle azalmış dikkat veya bir hareket bozukluğu varlığı, beklenmemektedir gibi durumlarda, bu sinyaller veri bloklarını kaldırarak kantitatif yöntemler olarak çok değerli olabilir, ya da bir genel lineer model önsavının reddi (GLM) analizi Hervey ve diğ. 18 ile gösterildiği gibi, veri. FNIRS optodes ve anatomik yerlerinden koordinatlarını belirleyen bir katılımcının bireysel yapısal MRG eş-kayıt için gereklidir. Optode yerleri Co-kayıt özellikle beyin yaralanması toplumlarda, güvenilirlik ve fNIRS bulguların nöro-anatomik önemi artan önemli bir adımı temsil etmektedir. Son olarak, bir eklemeyi düşünebilirsiniz olabilirEk bir adım olarak kablo hareket izleme kaydedilen veri içinde hareket eserler için hesap.
Beyin felci gibi Çocukluk başlangıçlı beyin yaralanmaları gibi spastisite, kas güçsüzlüğü gibi periferik belirtiler bir dizi neden olduğu bilinmektedir ve seçici motor kontrol 19 azalır. Böyle transkranial manyetik stimülasyon 20,21 ve difüzyon tensör görüntüleme 22,23 olarak Pasif elektrofizyolojik veya beyin görüntüleme teknikleri kortikal organizasyon değişiklikleri göstermiştir. fMRI küçük izole hareketlerle 24-26 aktivasyon farklılıkları saptamada yararlı olmuştur, ancak görev performansının izlenmesi MR ortamında meydan ve büyük eserler neden olabilir başın hatta küçük hareketi olabilir. Bu tür fNIRS veya elektroensefalografi (EEG) beyin görüntüleme yöntemlerinin olarak, özellikle tamamlayıcı veya eş zamanlı kullanımda bu popülasyonda altta yatan kaynağı hakkında daha büyük bir anlayış kazanmak için bir fırsat sunuyorHareket problemleri ve motor müdahaleleri ile ilgili gelişmeleri izlemek için ek bir aracı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Suzuki, M., et al. Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study. Neuroimage. 23 (3), 1020-1026 (2004).
- Leff, D. R., et al. Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies. Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).
- Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation. Phys Med Biol. 55 (13), 3701-3724 (2010).
- Pellicer, A., Bravo Mdel, C. Near-infrared spectroscopy: a methodology-focused review. Semin Fetal Neonatal Med. 16 (1), 42-49 (2011).
- Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications. J Biomed Opt. 12 (6), 062104 (2007).
- Tian, F., et al. Quantification of functional near infrared spectroscopy to assess cortical reorganization in children with cerebral palsy. Opt Express. 18 (25), 25973-25986 (2010).
- Koenraadt, K. L., Duysens, J., Smeenk, M., Keijsers, N. L. Multi-channel NIRS of the primary motor cortex to discriminate hand from foot activity. J Neural Eng. 9 (4), 046010 (2012).
- Khan, B., et al. Identification of abnormal motor cortex activation patterns in children with cerebral palsy by functional near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 15 (3), 036008 (2010).
- Tian, F., Alexandrakis, G., Liu, H. Optimization of probe geometry for diffuse optical brain imaging based on measurement density and distribution. Appl Opt. 48 (13), 2496-2504 (2009).
- Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
- Delagi, E. F., Perotto, A. Anatomic guide for the electromyographer--the limbs. , 2nd edn, Thomas. (1980).
- Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).
- Garvey, M. A., Kaczynski, K. J., Becker, D. A., Bartko, J. J. Subjective reactions of children to single-pulse transcranial magnetic stimulation. J Child Neurol. 16 (12), 891-894 (2001).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48 (10), 280-298 (2009).
- Boas, D. A. HOMER2. , Available from: http://www.nmr.mgh.harvard.edu/DOT/resources/homer2/home.htm (2012).
- Jasdzewski, G., et al. Differences in the hemodynamic response to event-related motor and visual paradigms as measured by near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 20 (1), 479-488 (2003).
- Plichta, M. M., et al. Event-related functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): are the measurements reliable. Neuroimage. 31 (1), 116-124 (2006).
- Hervey, N., et al. Photonic Therapeutics and Diagnostics IX. SPIE. , (2013).
- Sanger, T. D., Delgado, M. R., Gaebler-Spira, D., Hallett, M., Mink, J. W. Classification and definition of disorders causing hypertonia in childhood. Pediatrics. 111 (1), 89-97 (2003).
- Eyre, J. A., et al. Is hemiplegic cerebral palsy equivalent to amblyopia of the corticospinal system. Ann Neurol. 62 (5), 493-503 (2007).
- Maegaki, Y., et al. Central motor reorganization in cerebral palsy patients with bilateral cerebral lesions. Pediatr Res. 45 (4 pt 1), 559-567 (1999).
- Hoon, A. H., et al. Sensory and motor deficits in children with cerebral palsy born preterm correlate with diffusion tensor imaging abnormalities in thalamocortical pathways. Dev Med Child Neurol. 51 (9), 697-704 (2009).
- Yoshida, S., et al. Quantitative diffusion tensor tractography of the motor and sensory tract in children with cerebral palsy. Dev Med Child Neurol. 52 (10), 935-940 (2010).
- Lotze, M., Sauseng, P., Staudt, M. Functional relevance of ipsilateral motor activation in congenital hemiparesis as tested by fMRI-navigated TMS. Exp Neurol. 217 (2), 440-443 (2009).
- Phillips, J. P., et al. Ankle dorsiflexion fMRI in children with cerebral palsy undergoing intensive body-weight-supported treadmill training: a pilot study. Dev Med Child Neurol. 49 (1), 39-44 (2007).
- Wilke, M., et al. Somatosensory system in two types of motor reorganization in congenital hemiparesis: topography and function. Hum Brain Mapp. 30 (3), 776-788 (2009).
