Abstract
وهناك العديد من المزايا التي ظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) ويعرض في الدراسة من التحكم العصبي في حركة الإنسان. أنها مرنة نسبيا فيما يتعلق مشارك المواقع ويسمح لبعض حركات الرأس أثناء المهام. بالإضافة إلى ذلك، أنها غير مكلفة وخفيفة الوزن، والمحمولة، مع عدد قليل جدا من موانع لاستخدامه. وهذا يمثل فرصة فريدة لدراسة نشاط الدماغ وظيفية خلال المهام الحركية في الأفراد الذين عادة ما النامية، فضلا عن أولئك الذين يعانون من اضطرابات الحركة، مثل الشلل الدماغي. وهناك اعتبار إضافي عند دراسة اضطرابات الحركة، ومع ذلك، هو نوعية الحركات الفعلية أداء وإمكانات، والحركات غير مقصودة إضافية. ولذلك، مطلوب الرصد المتزامن لكلا من التغيرات في تدفق الدم في الدماغ والحركات الفعلية من الجسم أثناء الاختبار لتفسير مناسب لنتائج fNIRS. هنا، وتبين لنا بروتوكول لمزيج من fNIRS معالعضلات ورصد الحركية خلال المهام الحركية. نستكشف مشية، وهي حركة من جانب واحد متعدد مشتركة (الدراجات)، وحركتين واحدة مشتركة من جانب واحد (معزول عطف ظهري الكاحل، ومعزولة ناحية الضغط). التقنيات المعروضة يمكن أن تكون مفيدة في دراسة كل من التحكم في المحركات التقليدية وغير التقليدية، ويمكن تعديلها لتحقيق مجموعة واسعة من المهام والمسائل العلمية.
Introduction
أصبح التصوير العصبي خلال المهام الوظيفية أكثر المحمولة والتكاليف وكفاءة باستخدام التحليل الطيفي غير الغازية وظيفية القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) لتحديد مجالات نشاط الدماغ عن طريق قياس ديناميكية تدفق الدم في القشرة. قابلية fNIRS مفيدة بشكل خاص في دراسة المهام تستقيم والوظيفية مثل مشية 1، وهو أمر غير ممكن مع التقنيات الأخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). هذه القدرة هي الحاسمة في مجالات علم الأعصاب وعلم الأعصاب، ويمكن أن تقدم رؤى جديدة في الآليات الكامنة وراء اضطرابات الحركة عند الأطفال والبالغين الذين يعانون من الشلل الدماغي (CP) والحالات العصبية الأخرى التي تؤثر على التحكم في المحركات. فهم آليات يحسن القدرة على تصميم تدخلات فعالة لاستهداف مصدر ضعف ومحدودية النشاط.
وكانت العديد من الدراسات fNIRS من المهام الحركية إلى موعد مع صحة السكان من البالغين حيث جزءوأوعز icipants لتنفيذ مهمة معينة ورصد أداء مهمة يقتصر على الفحص البصري. وهذا يمكن أن يكون كافيا بالنسبة لأولئك مع الحركات النمطية وعلى مستوى عال من المشاركة، ولكن ليس من المقبول عند دراسة المشاركين الذين يعانون من اضطرابات الحركة أو أولئك الذين لديهم صعوبة حضور إلى مهمة لفترات طويلة من الزمن، بما في ذلك الأطفال النامي عادة. من أجل إبلاغ تحليل نشاط المخ في هذه الحالات، هناك حاجة للرصد المتزامنة للنمط الحركية التي يتم الانتهاء فعلا.
تم عرض استعراضات شاملة لنظم fNIRS والأعراف المتبعة في الأدب 2-5 التي توجه الاستخدام ومساعدة للتدليل على دقة وحساسية هذه النظم، ولكن المسائل التقنية في جمع ومعالجة وتفسير fNIRS لا تزال البيانات. لون وسماكة الشعر تؤثر على جودة الإشارة الضوئية، مع الظلام الشعر الكثيف على الأرجح لمنع أو تشويه transmi البصريssion 3،6. ولهذا أهمية خاصة عند دراسة المناطق الحسية تقع على منطقة تاج الرأس حيث الكثافة بصيلات الشعر هي أعظم، وتقديم تقرير بعض الدراسات غير المستجيبين 6،7. وراسخة الدولية 10/20 نظام يمكن استخدامها لوضع لoptodes، ولكن بصفة خاصة في حالة الأشخاص الذين يعانون من غير نمطية تشريح الدماغ، وشارك تسجيل من موقع optode إلى التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحية أحد المشاركين في أمر مفيد للغاية إن لم يكن ضروريا لتفسير دقيق ل النتائج.
استخدام fNIRS لتقييم نشاط المخ في إصابة الدماغ في مرحلة الطفولة الظهور هو الأخير إلى حد ما، ولكن تكتسب الجر في مجال جانب واحد 6،8،9 الشلل الدماغي. في النظر في التحديات المذكورة آنفا، هذا البروتوكول يجمع بين fNIRS، التقاط الحركة، وelectromyographic (EMG) رصد خلال عدد من المهام، بما في ذلك المهام واحدة مشتركة بسيطة وكذلك الاقتراحات كامل الجسم أكثر تعقيدا. التوجيه البصري والسمعي هو لناإد لتحسين الانتباه ومهمة الأداء عبر العصور متعددة من المشاركين. والهدف من هذا البروتوكول هو لتحديد الاختلافات في أنماط نشاط المخ في تلك مع الأحادية والثنائية الطفولة-ظهور إصابات الدماغ مقارنة مع أولئك الذين عادة ما النامية. نستكشف حركة كامل الجسم (مشية)، وهو أقصى انخفاض الحركة متعددة مشتركة الثنائية (الدراجات)، وحركتين واحدة مشتركة من جانب واحد (معزول عطف ظهري الكاحل، ومعزولة ناحية الضغط) لتوضيح مجموعة متنوعة من التطبيقات من الطرق. نفس أو بروتوكول مماثل جدا يمكن استخدامها لدراسة غيرها من اضطرابات حسية أو حركة أو المهام الأخرى ذات الاهتمام.
وقد تنبعث موجة مستمرة قرب ضوء الأشعة تحت الحمراء والكشف على 690 نانومتر و 830 نانومتر على القشور الحسية باستخدام نظام fNIRS بمعدل 50 هرتز، وذلك باستخدام التكوين مصممة خصيصا للكشف عن مصدر. تم جمع البيانات لاسلكيا EMG على تردد 1،000 هرتز. كانت علامة عاكسة المواقع 3-Dالتي جمعها نظام التقاط الحركة البصرية بمعدل 100 هرتز. جهازي كمبيوتر مختلفة عالجت الحصول على البيانات، واحدة للfNIRS وآخر لالتقاط الحركة وEMG. تم مزامنة البيانات باستخدام نبض الزناد من جهاز كمبيوتر الثالث الذي يتوافق مع زر الماوس اضغط على لبدء الرسوم المتحركة التعليمي لكل مهمة. لكافة المهام باستثناء مشية، تم تصميم الرسوم المتحركة التعليمية لتوحيد أداء المشاركين باستخدام التوجيه البصري من وتيرة مهمة (1 هرتز)، التي يمثلها القفز الحيوان الرسوم المتحركة أو الركل، فضلا عن جديلة السمعية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل مجلس المراجعة المؤسسية من المعاهد الوطنية للصحة (ClinicalTrials.gov المعرف: NCT01829724). يتم منح جميع المشاركين الفرصة لطرح الأسئلة وتقديم الموافقة المسبقة عن علم لمشاركتهم. في النظر في إدخال تغييرات على استجابة الدورة الدموية الناجمة عن تعاطي الأخير من موسعات وvasoconstrictors، ويطلب من المشاركين على الامتناع عن الكحول والكافيين لمدة 24 ساعة قبل التجربة والعرف 3 أشرطة الفيديو والرسوم المتحركة وقاطعت في المختبر لدينا، ولكن يمكن أن تسجل مع الآخر الأصوات أو الصور محددة لأسئلة البحث بديلة.
1. إعداد غرفة وقبل وصول المشارك.
- معايرة الحركة الكاميرات التقاط نسبة إلى إحداثيات مختبر وفقا لعملية محددة لحركة التقاط المصنعة. ضمان أن مواقف الكاميرا سيسمح تسجيل جميع علامات على كل من الجسمورئيس مشارك خلال المهام التي سيتم اختبارها. عملية المعايرة يضمن دقة النظام التقاط الحركة وهي الممارسة القياسية لأي مختبر الحركة. استخدام نظام عشرة الكاميرا، مع حجم تقريبي من 17 م 3 حيث يمكن تحديد علامات عاكسة بشكل موثوق.
- ربط على الزناد من الكمبيوتر تعليمات لمدخلات BNC على التقاط الحركة وfNIRS أجهزة الكمبيوتر. تأكد من توصيل على الزناد إلى زر الماوس، والنقر على الفأرة يكمل الدائرة ويرسل نبضة في وقت واحد لالتقاط الحركة / EMG مجلس الحصول على البيانات وإلى لوحة الحصول على البيانات fNIRS كما auxillary مدخلات تناظرية.
- ربط هذا الفأر من خلال منفذ USB إلى جهاز الكمبيوتر الذي تشغيل تعليمات أشرطة الفيديو والرسوم المتحركة، مثل أن بدء الفيديو سوف يؤدي إلى تغيير الجهد في وقت واحد على كل أنظمة الحصول على البيانات.
ملاحظة: يتم سنشد إشارات EMG تلقائيا وحفظها من قبل البرنامج التقاط الحركة، لذلك الخاليست هناك حاجة IONAL مزامنة للنظام EMG. - إعداد الشاشة والعرض للحصول على التعليمات ليتم عرضها على المشاركين. إزالة أية عناصر غير ضرورية والتي قد تكون distracters. ضع ترايبود وكاميرا الفيديو الرقمية حيث سيكون لديهم مرأى ومسمع من الحركات المشارك.
- تحقق من أن علامات عاكسة وتعلق بشكل آمن إلى أعلى كل optode في التحقيق.
- تجميع كل الوثائق الضرورية: موافقة وموافقة نسخ، وصحائف والفحص السريري، وأوراق مذكرة التجريبية، على سبيل المثال.
2. تدابير بسيطة
- بعد الانتهاء من عملية الموافقة المسبقة، وقياس والطول والوزن والعمر، ومحيط الرأس مشارك سجل في.
- إدارة ادنبره الطغيان المخزون 10 والامتحانات السريرية الأخرى كما هو مبين. وأفاد-مشارك سجل أنواع الشعر والجلد.
- وضع علامات عاكسة على العمود الفقري الحرقفي الخلفي متفوقة (PSIS) ثنائيا. يكون المشي مشارك في وتيرة المريحة خاصتهم عبر المختبر 3-5 مرات، ويبلغ متوسط سرعة عبر التجارب لتقدير الذات اختيار سرعة المشي الخاصة بهم.
3. الوظيفي الأدنى الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIRS) الإعداد
ملاحظة: يمكن أن تكتمل هذه بالتزامن مع الإعداد للEMG والحركة القبض، إذا كان هناك ما يكفي من المجربون أو موظفي البحوث للمساعدة، وإذا كان المشارك هو مريح مع العديد من الناس كونها قريبة لهم في نفس الوقت.
- قياس المسافة بين الأنيفى (NZ) وقمحدوة (عز)، وبين نقاط قبل أذني على اليمين (ع) واليسرى (آل) الأذنين. تقاطع منتصف هذه التدابير الاثنين هو تشيكوسلوفاكيا، و الذي يظهر على فروة الرأس باستخدام علامة قابل للغسل.
- إذا كان مشارك الشعر الطويل، قسم من أجزاء صغيرة من الشعر باستخدام الضفائر أو ذيل الحصان من أجل فضح فروة الرأس حيث سيتم وضع optodes.
- ضع fNIRS بفتح تحقيق على رانه رئيس مشارك، مع الحرص على مواءمة مع تشيكوسلوفاكيا، AR. ثم تحريك الشعر بعيدا من تحت كل optode كما يتم وضعه على فروة الرأس. وأخيرا، ونعلق الأشرطة فيلكرو لعقد آمن optodes في المكان.
ملاحظة: في هذا البروتوكول، واستخدام قبعة التي لديها حزام واحد أن يذهب خلف الرأس، واحد يمر عبر الجبين، واحد ان يذهب تحت الذقن. ترتكز Optodes لهذا الغطاء مع الفيلكرو على حلقة بلاستيكية مرنة يطوق الأذن.- إذا كان مشارك الشعر القصير (أقل من حوالي 2 بوصة في الطول)، سحب الشعر بين optodes بعصا رقيقة صغيرة أو نهاية بلاستيكية المشط.
- تحقق من أن جميع الكابلات optode والاستلقاء، والتي optodes هي عمودي تقريبا على سطح فروة الرأس.
- إذا لزم الأمر، ضع قطعة رقيقة من الرغوة في إطار مجموعة من الكابلات optode لتعزيز التوافق عمودي من optodes.
- تحقق مع المشاركين حول الراحة للتحقيقات، وضبط إذا لزم الأمر. يأمرهم أن يقول المجربون إذا تنخفض راحتهم في أي لحظة أثناء التجربة.
- بدوره على مصادر والتحقق من الإشارات.
- في هذا النظام، وضمان إشارة إلى أن لديها كثافة لا يقل عن 80 ديسيبل وضربات القلب واضحة للعيان في deltaOD (التغير في كثافة ضوئية) إشارة، في كل من 690 و 830 نانومتر موجات. عندما القنوات لها إشارات لا تستوفي هذه المعايير، تأكد من أن الشعر لا يسد optode (ق) وثم ضبط المكاسب كاشف حسب الحاجة لتحقيق أقصى قدر من كثافة إشارة. تأكد من أن الكاميرات التقاط الحركة هي من خلال هذا الوقت.
ملاحظة: آلات fNIRS أخرى قد تعمل على أطوال موجية مختلفة إلى 690 و 830 نانومتر. في هذه الحالة، والتحقق من الأطوال الموجية الأنسب لآلة المستخدمة.
- في هذا النظام، وضمان إشارة إلى أن لديها كثافة لا يقل عن 80 ديسيبل وضربات القلب واضحة للعيان في deltaOD (التغير في كثافة ضوئية) إشارة، في كل من 690 و 830 نانومتر موجات. عندما القنوات لها إشارات لا تستوفي هذه المعايير، تأكد من أن الشعر لا يسد optode (ق) وثم ضبط المكاسب كاشف حسب الحاجة لتحقيق أقصى قدر من كثافة إشارة. تأكد من أن الكاميرات التقاط الحركة هي من خلال هذا الوقت.
- إضافة علامات عاكسة لنيوزيلندي، عز، AR، و آل. اسأل المشاركين لعقد لا يزال وجمع ما يقرب من 2 ثانية من البيانات التقاط الحركة لهذه وعلامات على fNIRS optode. تحقق من أنوقد تم تسجيل كل علامات، وجمع محاكمات إضافية حسب الضرورة. قد تتطلب المشارك لتغيير موقف رئيس لتحسين خط الأفق بين الكاميرات وعلامات. استخدام هذه جمعت ثلاثة مواقع الأبعاد خلال تحليل للتسجيل احتمالي التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي الفردي أحد المشاركين إذا كان متوفرا.
- إضافة غطاء مع عدة طبقات من اللباد الأسود أو غيرها من المواد الماصة بصريا على رأس optodes fNIRS لحماية أجهزة الكشف عن التدخل أو التشبع من الكاميرات التقاط الحركة. تأكد من أن الكابلات واللوحة الأمامية للوحدة fNIRS هي أيضا محمية بشكل جيد باستخدام نفس مادة ماصة بصريا.
4. السطح الكهربائي (EMG) الإعداد
- تحديد موقع بطن العضلات من كل العضلات المستهدفة باستخدام المعالم التشريحية، ملامسة خلال تقلص العضلات، وأدلة وضع قطب كهربائي 11.
ملاحظة: العضلات المستهدفة في هذا البروتوكول تشمل BILالساق وسطي ateral، الظنبوبي الأمامي، الفخذية المستقيمة، الوحشية المتسعة، العضلة ذات الرأسين الفخذية، الكعبري الباسطة للرسغ، والكعبري الرسغي المثنية. - الاستعداد لEMG القطب التنسيب على البطن العضلات عن طريق الحلاقة، وإزالة خلايا الجلد الميتة مع الشريط، ثم تنظيف مع وسادة ايزوبروبيل، على النحو الموصى به من قبل SENIAM 12 وانتظر حتى يجف الجلد.
- وضع EMG القطب الموجهة لاتجاه الألياف العضلية.
- التفاف بشكل مريح مع التفاف ملتصقة النفس.
- تحقق إشارات العضلات على الكمبيوتر أثناء أداء اختبار العضلات اليدوي لضمان وضع قطب كهربائي الصحيح، والتصور الواضح للتغيير إشارة عندما عضلة نشطة.
5. الحركة الإعداد لقطة
- وضع علامات عاكسة على المعالم المشتركة. وتشمل هذه الإنسي والكعب الوحشي، الإنسي والوحشي مفصل الركبة، الشوكة الحرقفية الأمامية العلوية (ASIS)، الخلفي الحرقفي متفوقة العمود الفقري (PSIS)، الإبري شعاعي، syloid الزندي، ميديآل epicondyl عضدي، والجانبية عضدي epicondyl.
- وضع 3 أو أكثر من علامات، أو مجموعة الجسم جامدة من علامات، على كل جزء من الفائدة، بما في ذلك القدم، وساق والفخذ واليد، والساعد.
- جمع حوالي 2 ثانية من البيانات التقاط الحركة في حين المشارك يقف لا يزال في موقف موحد، مثل الوقوف مع الأسلحة في 90 انثناء ° الكتف والكوع 90 درجة انثناء. التأكد من أن جميع علامات مرئية بشكل واضح إلى الكاميرات.
6. مشية العمل
- يكون نقل المشاركين إلى حلقة مفرغة. مساعدتهم من خلال دعم الكابلات وfNIRS optode ومن ثم تأمين الكابلات إلى دعم السقف بعد المريض في الموقف. إذا كان المريض هو عرضة للهبوط، واستخدام دعم وزن الجسم تسخير السلامة أثناء هذه المهمة.
- بدء حلقة مفرغة، وبناء ببطء حتى اختيار النفس سرعة المشي قياس للحصول على المشاركين مريح مع اقامة الظروف. ثم بطيئة إلى حدمرة أخرى.
- إعداد ملف الرسوم المتحركة مع التغذية المرتدة السمعية التي من شأنها أن جديلة المشارك إما الراحة أو الحركة. تعليمات مهمة مراجعة مع المشاركين، نقول لهم أن تبقى كما لا تزال واسترخاء ممكن خلال فترات "الراحة" والسير بسرعة مجموعة مفرغه خلال "مهمة" الفترة، في حين تركز اهتمامها على دائرة سوداء صغيرة على الشاشة ل مدة الحصول على البيانات.
- تحت أضواء خافتة، والبدء في الحصول على البيانات على الكمبيوتر التقاط الحركة والكمبيوتر fNIRS. بدء تسجيل على كاميرا فيديو.
- باستخدام الزناد الماوس، انقر فوق زر التشغيل على ملف الرسوم المتحركة المرتبطة بهذه المهمة. تأكد من أن الزناد كان في استقباله كل من التقاط الحركة وأنظمة تقارير قوائم الجرد الوطنية.
- التبديل إلى صورة من نقطة سوداء تقع في خط المشارك عن الأنظار، بحيث يكون لديك نقطة التركيز لمدة المحاكمة.
ملاحظة: التخطيطي الشامل لكلويظهر محاكمة في الشكل 2.
- التبديل إلى صورة من نقطة سوداء تقع في خط المشارك عن الأنظار، بحيث يكون لديك نقطة التركيز لمدة المحاكمة.
- مراقبة أداء المشاركين وتقديم ملاحظات حول سرعة، أو الحركات الطوعية دخيلة حسب الحاجة.
- في نهاية للرسوم المتحركة التعليمي، ووقف التسجيل على التقاط الحركة، EMG، وأنظمة fNIRS، فضلا عن كاميرا الفيديو. إعطاء المشاركين فرصة للراحة أو تغيير المواقف حسب الضرورة.
7. الثنائي الأطراف السفلى الدراجات العمل
- هل لديك الانتقال المشاركين إلى طيدة مع عودة المنقولة ودعم الساق، مع الحرص على دعم الكابلات وfNIRS optode وعدم عثرة أو طرد علامات التقاط الحركة أو أقطاب EMG. لديها وسادة مقعد رغوة لتحسين وسائل الراحة أثناء التجربة.
- رفع إطار دورة في الموقف وثبته على طيدة مع حزام.
- تأمين القدمين في الدواسات وضبط الموقف من دورة اللازمة لتعزيز مسافة مريحة وطبيعية لالدواسات. فيأبعد نقطة في دورة، والحفاظ على الركبة في حوالي 10 درجة من الانحناء.
ملاحظة: عند هذه النقطة، سيكون المشارك في وضعية شبه راقد، والذي يوفر بعض الدعم الجذع ويسهل الاسترخاء خلال فترة الراحة. - تعليمات مهمة مراجعة مع المشاركين، نقول لهم لتبقى كما لا يزال والاسترخاء قدر الإمكان أثناء فترات "الراحة"، ودورة في حوالي 60 دورة في الدقيقة خلال "مهمة" الفترة.
- كرر الخطوات من 6،4-6،7. بدلا من التحول إلى صورة لنقطة، مشروع الرسوم المتحركة التي سوف جديلة المشارك إما الراحة أو الحركة من خلال ردود الفعل البصري والسمعي. تكبير إطار الفيلم بحيث المشارك ليست قادرة على مراقبة الوقت الذي انقضى، أو المتبقية، في المحاكمة الحالية.
8. اليد عصر العمل
- بعد إزالة قدم من دورة ودورة نفسها، ضع طاولة السرير أمام المشاركين، ماكينز على يقين من أن يتم دعم السلاح المشاركين على الطاولة في وضع مريح.
- إرشاد المشاركين أن يسجل هدف لينة مرة واحدة تقريبا لكل ثانية (1 هرتز) خلال "مهمة" الفترة، وتبقى مسترخيا قدر الإمكان خلال فترات "الراحة".
- كرر الخطوة 7.5.
9. الكاحل عطف ظهري العمل
- إزالة طاولة السرير، ورفع جزء بقية سفح طيدة حتى جلب القدمين في طريقة العرض المشارك.
- إزالة الأحذية المشارك وجورب، واستبدال علامات القدم في المناصب المناسبة. دعم العجل فقط فوق مفصل الكاحل مع وسادة رغوة للسماح الكاحل حركة المفاصل.
- إرشاد المشاركين إلى dorsiflex الكاحل مرة واحدة تقريبا لكل ثانية (1 هرتز) خلال "مهمة" الفترة، وتبقى مسترخيا قدر المستطاع خلال فترات "الراحة".
- كرر الخطوة 7.5.
10. اختتام بروtocol
- إزالة الغطاء وافحص الجلد للمناطق من الضغط أو احمرار.
- إزالة كل علامات عاكسة وحدات EMG.
- أشكر المشاركين على وقتهم ودعوة مدخلاتها عن تجربة ذاتية للبروتوكول. يمكن أن يكون هذا الاستبيان الرسمي (كما يستخدمه غارفي وزملاؤه لتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة 13)، أو مناقشة غير رسمية لتحديد مصادر مشتركة من عدم الراحة التي يمكن تحسينها في المستقبل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
هذا البروتوكول ينسق اكتساب المتزامن من 3 طرائق لالتقاط تدفق الدم في الدماغ، والنشاط الكهربائي للعضلات، وحركة الحركية للمفاصل أثناء أحد المشاركين بأداء المهام الحركية (الشكل 1).
الشكل 1. مسبار الموقع. ويبين الجزء الأيسر من هذا الرقم المواقع التقريبية من المناطق الحسية (في الزرقاء، والمناطق برودمان 1،2،3)، ومنطقة الحركية الأولية (باللون الأخضر، منطقة برودمان 4)، والمنطقة أمام الحركية (باللون البرتقالي، منطقة برودمان 6). ولدت الجزء الأيمن من هذا الرقم باستخدام AtlasViewerGUI (متوفر للتحميل المصدر المفتوح من البصريات MGH قسم 15) ووظائف المرتبطة بها. وباختصار، تم تسجيل هذا التصميم التحقيق إلى السطح من الأطلس Colin47 باستخدام الترتيب المكاني للمصادر، كشف، وanatoمعالم mical (ممثلة مصادر من الدوائر الحمراء وأجهزة الكشف من قبل الدوائر الزرقاء). تم تشغيل ومونت كارلو الهجرة الفوتون نموذج الأمام لإطلاق 1 × 10 8 فوتونات الضوء من خلال المواد من الجلد، والجمجمة، والدماغ، مع لمحات حساسية لجميع أزواج مصدر للكشف عن من المتوقع أن سطح القشرة وجميع عرض في وقت واحد في هذا الرقم. خريطة اللون على سطح الدماغ تمثل حساسية القشرية لجنة التحقيق. وبعبارة أخرى عدد الفوتونات محاكاة التي تصل إلى التلافيف وتلم تقع تحت مصادر وأجهزة الكشف عن (ألوان أكثر دفئا تشير إلى المزيد من الفوتونات من الألوان الباردة، مع مجموعة من 2 أوامر من حجم على نطاق وسجل 10).
يظهر مثال على الترتيب مصدر كاشف المستخدمة في هذا البروتوكول، وكيف يرتبط ذلك إلى الهياكل تشريحي عصبي الكامنة على أطلس الدماغ الشكل 2 الخطوط العريضة لتصميم كتلة المستخدمة في هذا البروتوكول، وكذلك لقطات الشاشةمن أشرطة الفيديو التعليمات. يتم تنفيذ المهام في تصميم كتلة، مع ثمانية كتل مهمة 15 ثانية تتخللها فترات راحة طول عشوائية من 20 - 30 ثانية. وقد تم اختيار الحيوانات الرسوم المتحركة خصيصا لتكون غير بشرية مثل ذلك لعدم إشراك نظام الخلايا العصبية المرآة 11، وثبت العظة الصوت لتحسين أداء مهمة في غيرها من التجارب تصميم كتلة 10. وكانت مهمة مشية فقط جديلة السمعية، وطلب من المشاركين التركيز على دائرة سوداء صغيرة المتوقعة على شاشة أمامهم.
الشكل 2. تخطيطي من كل محاكمة. جمع البيانات لكل نوع مهمة تستغرق حوالي 6 دقائق. هناك فترات من الراحة متغيرة (تتراوح بين 20 و 30 ثانية في المدة)، مع 15 كتل ثانية النشاط (مشية، وركوب الدراجات، عطف ظهري، أو الضغط). تم إنشاء أشرطة فيديو تعليميةمع الإشارات البصرية والسمعية للمشارك للراحة أو التحرك. تؤخذ الصور البطريق من واحد من أشرطة الفيديو تعليمات معروضة للمريض. انه لا يزال على الأرض خلال فترات الراحة، ويقفز في الهواء 1 مرة في ثانية خلال الفترات المهمة. وهناك أيضا الموسيقى المنصوص عليها في كل حالة، واللعب لحن الاسترخاء أثناء الراحة وتناغم مع سرعة 60 نبضة في الدقيقة قوية خلال الكتل المهمة.
الرقم 3 هو مثال على الإشارات الضوئية التي سجلت خلال أداء المهمة. يتم حفظ البيانات تلقائيا إلى ملف بملحق .nirs * ونقل في وقت لاحق من الكمبيوتر الحصول على البيانات لمزيد من المعالجة. الشكل يدل على 4 مثال على نموذج الهيكل العظمي أعيد بناؤها، جنبا إلى جنب مع زاوية مشتركة وتدابير EMG لمهمة عطف ظهري الكاحل. يتم إنشاء نموذج الهيكل العظمي وزوايا المشتركة وتحسب باستخدام حزم البرامج نيكزس وVisual3D. هذه البيانات، فضلا عن EMG لم يتم معالجتها، وشاركULD احتواء الحركة الفنية أو الضجيج الأخرى التي يمكن أن تستفيد من تقنيات الترشيح.
هناك مجموعة واسعة من تقنيات التحليل وحزم البرمجيات المتاحة لتفسير البيانات التي تم جمعها. وأحد الأمثلة على استكمال fNIRS إعادة الإعمار الصورة باستخدام حزمة برمجيات المصدر المفتوح دعا هوميروس 14. ويرد مثال على الخارطة في الشكل 5 لإظهار نوع من المعلومات تفعيل يمكن تفسيرها من الإشارات الكثافة البصرية التي تم جمعها.
الشكل 3. مثال على التسجيلات الكثافة البصرية. هذه النار الشاشة من برنامج الحصول على البيانات من نوع واحد من آلة fNIRS. وهو يتضمن معلومات عن fNIRS بحث الترتيب (أعلى اليمين)، والقدرة على تحويل مصادر الليزر الفردية وإيقاف (أسفل اليسار)، وOPTIOنانوثانية لتعديل كسب كل dectector (وسط السفلي). في إطار التصور البيانات (أعلى اليسار)، والخط الوردي الرأسي يمثل بداية لكتلة من النشاط. ألوان من آثار تتوافق مع ألوان القنوات هو مبين في الترتيب التحقيق على اليمين. لاحظ أن كل الإشارات هي فوق 80 ديسيبل، وضربات القلب غير واضحة للعيان، حتى في إشارة شدة الضوء.
الشكل 4. مثال إعادة الإعمار الهيكل العظمي، وزوايا المشتركة وEMG لمهمة عطف ظهري اليسرى. فترة مهمة خلال الفترة ممثلة يبدأ في حوالي 4.5 ثانية، ويستمر حتى 19.5 ثانية. في هذا الشخص النامي عادة (13 عاما)، هناك حركة محدودة جدا في المفاصل الأخرى من الكاحل الأيسر المستهدفة. وبالإضافة إلى ذلك، عضلات أخرى غير واحد توفير الحركة (الظنبوبي الأمامي) لإعادة هادئة عموما خلال هذه المهمة، وكذلك فترات الراحة. TA = الظنبوبي الأمامي. MG = الساق وسطي. الفخذية المستقيمة = RF. VL = الوحشية المتسعة. MH = أوتار الركبة وسطي.
ويبين الشكل 5. مثال على fNIRS خريطة تفعيل خلال الصحيحة مهمة الضغط وسلم. مربع الأزرق على رأس الدماغ المساحة التقريبية عينات من هذا التصميم التحقيق (انظر أيضا الشكل 1). وكان هذا مشارك من العمر 13 عاما، وكان محيط الرأس 56 سم). الجزء الأيمن من الرقم يبين متوسط الهيموجلوبين المؤكسج (HBO) استجابة خلال الفترة من 5 - 10 ثانية بعد ظهور حركة واحدة المراهق تطوير عادة الضغط على الكرة مع أيديهم اليمنى. يتم إنشاء هذه البيانات في هذا الشكل من هوميروس 14، ومن ثم تقييمها باستخدام النموذج الخطي العام. اللون الأزرقالصورة تمثل أي تفعيل، في حين أن المناطق الحمراء إشارة مجالات زيادة HBO خلال الفترات المهمة. هذا هو أسلوب واحد من التحليل والتصور التي يستخدمها الباحثون لتحديد مجالات تغييرات أكبر في الاوكسيجين و / أو غير المؤكسج تدفق الدم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
جمع في وقت واحد من نشاط الدماغ من المناطق المستهدفة من القشرة والبيانات الكمية حول كيف يمكن لشخص يتحرك يعرض إمكانيات هائلة لتحسين فهمنا للالتحكم العصبي في الحركة، سواء في عدد السكان النامي عادة وكذلك الذين يعانون من اضطرابات الحركة. وهناك أيضا تطبيق واسع النطاق من حيث الأعمار ومهام الحركة التي يمكن أن يكتمل، كما لا تقتصر المشاركين إلى موقف ضعيف لأنها ستكون لMRI الوظيفي. بنود معدات معينة لا تقتصر على تلك التي اقترحت في قائمة المواد - هناك عدة أنظمة التقاط الحركة والحركة الكمي، ونظم الإدارة البيئية، وأنظمة fNIRS المتاحة في السوق، وأنها يمكن أن تستخدم بدلا من تلك المقترحة هنا. وبالإضافة إلى ذلك، إذا لم يكن نظام التقاط الحركة اختارت كميات كافية من قياس لتوطين علامات على كل من الجسم والرأس أو غير البصرية التكنولوجيا المستخدمة، 3-D تتبع موقفالقلم يمكن استخدامها بدلا من ذلك لتحديد موقع optodes فيما يتعلق المعالم التشريحية في نظام تنسيق المشترك. وأخيرا، إذا كان من الممكن بالإضافة إلى ذلك لجمع البيانات الفسيولوجية مثل معدل ضربات القلب وضغط الدم، فإن هذه المعلومات تكون مفيدة لإبلاغ تحليل HBO وHBR السلاسل الزمنية.
بروتوكول بأكمله يمكن أن تكتمل في حوالي 2 ساعة، مع أن ما يقرب من نصف الوقت المخصص لإعداد. للمشاركين من الذكور مع الشعر القصير، قد يكون وقت الإعداد أقل لأن هناك حاجة أقل وقت للتحضير الشعر. من المهم للمحققين لتجنيد دون تحيز من جميع الأعراق وأنواع الشعر، وتقديم تقرير ما إذا كان هناك أفراد حيث لا يمكن الحصول على إشارات مفيدة 3. اعتمادا على العمر ومدى اهتمام الشخص يجري اختبارها، يمكن إضافة مهام إضافية أو كتل إضافية لجمع البيانات بسهولة. ومن المهم أن نلاحظ، مع ذلك، بعض القيود التكنولوجيا fNIRS في وضعها الحالي. وعلى الرغم من جإعداد areful والرعاية للحد من التدخل الشعر، قد يكون هناك بعض المشاركين حيث محتوى الميلانين من الشعر والجلد يحول دون جمع الإشارات مع شدة المناسبة. حتى بين أولئك مع كثافة كافية، سيكون هناك تقلب في وضوح استجابة الدورة الدموية لوحظ. وتحتاج هذه القضايا التي سيتم التعامل معها خلال تحليل البيانات، مع تقارير واضح لكيفية تم تحديد غير المستجيبين والكشف عن عدد المشاركين اختبار الذي لا يمكن استخدامها 2-5 البيانات.
هذا بروتوكول معين يمكن تكييفها في عدد من الطرق لتطبيقها على أسئلة بحثية محددة. التوجه لمصادر وكشف ديه إمكانيات لا نهائية من حيث المواقع والترتيبات، التي توفر المرونة لأخذ عينات مناطق أخرى من القشرة، قم بإنشاء التحقيق مع كثافة التداخل قناة إضافية من أجل تيسير زيادة القرار، أو ترتيب أكثر متفرق ل تغطية مساحات واسعة منسطح القشرية. ويبقى القرار المكانية العام للfNIRS أقل بالمقارنة مع الرنين المغناطيسي الوظيفي، ولكن قد تكون تفوق هذا التحديد عن طريق القدرة على استخدام fNIRS في بيئة أقل محصورة للعديد من التطبيقات البحثية، وخاصة عند دراسة مهام الحركة. وعلاوة على ذلك، يمكن دمج أي عدد من السيارات، والحسية، أو المهام الصور عمليا في تصميم كتلة قدمت بما في ذلك المزيد من متواليات معقدة أو غيرها من الحركات مشتركة واحدة بسيطة. في النظر في أقل المهام أقصى، ومع ذلك، لا بد من التفكير في موقع أدنى تمثيل الطرف القاصي على أنيسيان المحرك لأنه قد لا يكون من الممكن الحصول على هذا العمق مع النهج القائم على السطح مثل fNIRS. وبالإضافة إلى ذلك، هناك دراسات التي تستخدم أيضا نموذج ذات الصلة بالحدث 16،17، والتي يمكن بسهولة أن تكون متكاملة عن طريق تغيير الرسوم المتحركة وتعليمات للمشاركين. هذه النماذج تتطلب عددا أكبر من كتل حركة، ولكنها يمكن أن تكتمل مع أقل بقية في بين الصورةس مجموع الوقت الحصول على البيانات قد لا تختلف كثيرا عن النماذج كتلة المقدمة.
بيانات الحركية وEMG يمكن استخدامها في عدد من الطرق. نوعيا، فإنه يوفر تأكيدا مفيدا أن المشاركين تم استكمال مهمة وفقا للتعليمات. ولا سيما في الحالات التي يكون فيها حركات لا كما هو متوقع، وذلك بسبب الاهتمام انخفضت أو وجود اضطراب حركة ل، يمكن لهذه الإشارات تكون ذات قيمة للغاية حيث الأساليب الكمية لإزالة كتل من البيانات، أو كمعاملات تراجع في النموذج الخطي العام (GLM) تحليل البيانات، كما يتضح من هيرفي وآخرون. 18. تحديد إحداثيات fNIRS optodes والمعالم التشريحية هو ضروري لتسجيل المشارك لMRI الهيكلي الفردي على المشاركين. شارك تسجيل المواقع optode يمثل خطوة هامة في زيادة الموثوقية والعصبية التشريحية أهمية النتائج fNIRS، وخاصة في السكان مع إصابات المخ. وأخيرا، يمكن للمرء النظر في إضافةتتبع الحركة كابل كخطوة إضافية لحساب التحف التنقل داخل البيانات المسجلة.
ومن المعروف إصابات الدماغ في مرحلة الطفولة الظهور مثل الشلل الدماغي أن يسبب عددا من الأعراض الطرفية مثل التشنج، وضعف العضلات، وخفض التحكم في المحركات انتقائي 19. وقد أظهرت تقنيات التصوير الكهربية أو الدماغ سلبية مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة 20،21 ونشر الموترة التصوير 22،23 تغييرات في تنظيم القشرية. كان الرنين المغناطيسي الوظيفي مفيدة في الكشف عن الاختلافات في التنشيط في حركات صغيرة معزولة 24-26، ولكن يمكن رصد أداء المهمة أن يكون تحديا في البيئة MRI، وحتى حركة صغيرة من الرأس يمكن أن يسبب القطع الأثرية الكبيرة. في هذه الفئة من السكان في معين، أو مكملة المتزامنة استخدام طرائق التصوير العصبي مثل fNIRS أو كهربية (EEG) يقدم فرصة لاكتساب فهم أكبر حول مصدر الأساسيمن مشاكل الحركة، وأداة إضافية لرصد التقدم المحرز المتعلقة التدخلات السيارات.
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.
- 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).
