Verwendung eines fußinduzierten digital gesteuerten Widerstandsgeräts zur funktionellen Magnetresonanztomographie-Auswertung bei Patienten mit Fußparese

Zusammenfassung

Die versicherte Rehabilitation von chronischen Schlaganfallpatienten ist in der Regel zeitlich begrenzt. Die bildgebende Untersuchung der Gehirnaktivität durch gehbezogene motorische Aufgaben kann zur Etablierung von Biomarkern führen, um verbesserte Ergebnisse zu messen und eine Ausweitung der maßgeschneiderten Therapie zu rechtfertigen. Vorgestellt werden ein neuartiges, magnetresonanzkompatibles Fußbewegungsgerät mit variablem Widerstand und ein Protokoll für den Einsatz in der funktionellen Magnetresonanztomographie.

Zusammenfassung

Neurologische Defizite nach einem Schlaganfall können zu langfristigen motorischen Behinderungen führen, einschließlich solcher, die den Gehgang beeinträchtigen. Eine umfangreiche Rehabilitation nach einem Schlaganfall ist jedoch in der Regel zeitlich begrenzt. Die Etablierung prädiktiver Biomarker zur Identifizierung von Patienten, die von einer zusätzlichen Physiotherapie profitieren und eine Verbesserung nachweisen können, ist wichtig, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. Die Detektion eines neuroplastischen Umbaus der betroffenen Region und Veränderungen in den Aktivitätsmustern, die bei der Ausführung geeigneter motorischer Aufgaben angeregt werden, könnten wertvolle Auswirkungen auf die Genesung nach einem chronischen Schlaganfall haben. Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung eines digital gesteuerten, magnetresonanzkompatiblen fußinduzierten robotischen Geräts (MR_COFID), um Schlaganfallpatienten mit Gangbeeinträchtigung während der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) eine personalisierte fußmotorische Aufgabe zu präsentieren, die die Trajektorie umfasst. In der Aufgabe wird die Fußbeugung gegen bidirektionale Widerstandskräfte durchgeführt, die sowohl in der Dorsalflexions- als auch in der Plantarflexionsrichtung auf die Stärke des Probanden abgestimmt sind, während sie einem visuellen Metronom folgen. Bei der nicht-invasiven fMRT wird endogenes Desoxyhämoglobin als Kontrastmittel verwendet, um Veränderungen des Blutsauerstoffgehalts (BOLD) zwischen der aktiven und der Ruhephase während des Tests zu erkennen. Wiederholte periodische Tests können therapiebedingte Veränderungen der Erregungsmuster während der Aufgabenausführung erkennen. Die Verwendung dieser Technik liefert Daten zur Identifizierung und Messung von Biomarkern, die darauf hinweisen können, dass eine Person von einer Rehabilitation profitiert, die über das hinausgeht, was derzeit Schlaganfallpatienten zur Verfügung gestellt wird.

Einleitung

Die Verwendung quantitativer Metriken, die aus der funktionellen und strukturellen Bildgebung des Gehirns abgeleitet werden, kann für die Verfolgung des Fortschritts und die Vorhersage der Ergebnisse der Schlaganfalltherapie nützlicher und effektiver sein als die Bewertung klinischer Scores, und diese quantitativen Metriken könnten bei der Gestaltung und Verbesserung individualisierter Therapiepläne nützlich sein ^1,2. Die Entwicklung effektiver, personalisierter Strategien, die das motorische Training mit einer messbaren Reorganisation der neuronalen Aktivität und/oder einer Verbesserung der Motorik in Verbindung bringen, bleibt eine Herausforderung. In früheren Arbeiten wurden Erkenntnisse darüber gewonnen, wie funktionelle Neuroimaging-Verfahren und Brain Mapping bei Patienten mit chronischem Schlaganfall solche Veränderungen zeigen können 3,4,5,6,7,8. Die Untersuchung der Gehirnfunktion in Bezug auf die Handgriffleistung (die für die Selbstversorgung und Lebensqualität der Patienten von entscheidender Bedeutung ist) hat zu der Erwartung geführt, dass diese Technik durch die Auswertung der entsprechenden topographischen Muster der neuronalen Aktivität und der Wiederherstellung der Funktion auch auf die gangbezogene Fußbewegungskontrolle angewendet werden kann. Es wurde postuliert, dass die Einbeziehung von MRT-basierten Funktionskarten von Verletzungen dazu beitragen kann, neurologische Defizite genauer zu charakterisieren als klinische Bewertungen⁹ und dass der Einsatz von Robotergeräten für die Wiederherstellung des Gehirns effektiver ist als herkömmliche Paradigmen¹⁰. Funktionskarten können Aufschluss darüber geben, welche Teile eines Systems funktionieren, und damit Informationen liefern, die aus klinischen Beobachtungen nicht ersichtlich sind¹¹. Der Erfolg bei der Fußbewegungs- und Kraftrehabilitation mit MRT für Schlaganfallpatienten wird die Entwicklung personalisierter Behandlungsstrategien auf der Grundlage von MRT-Metriken für eine breitere Population mit anderen neurologischen Erkrankungen erleichtern.

In der hier vorgestellten Arbeit wird der Einsatz des MR-kompatiblen fußinduzierten robotischen Geräts (MR_COFID oder Fußgerät) während der fMRT-Untersuchung beschrieben, um die Auswirkungen des motorischen Trainings nach einem Schlaganfall auf die Gehirnfunktion zu untersuchen. Die Motivation für die Entwicklung dieses Fußgeräts mit kontrolliertem Widerstand war der kritische ungedeckte Bedarf an der Fußbewegungsrehabilitation bei Schlaganfallpatienten. Durch die Entwicklung eines Systems, das sowohl für die Ausbildung zu Hause und im Büro als auch für die MR-basierte Überwachung der Reaktionen auf die Schulungsaktivitäten geeignet ist, wird ein einheitlicher Ansatz geschaffen, der frühere Einschränkungen sowohl in Bezug auf die Schulung als auch auf die Bewertung berücksichtigt.

Das MR_COFID (Abbildung 1A) ist eine Adaption des vorherigen magnetresonanzkompatiblen handinduzierten Robotergeräts (MR_CHIRODv2)^8,12, das einen elektrorheologischen Flüssigkeitsaktuator (ERF) verwendete, um eine dynamisch kontrollierte, resistive Kraft als Reaktion auf ein Subjekt zu erzeugen, das seinen Griffmechanismus greift und drückt. Der ERF-Aktuator (Abbildung 1B) ist ein flüssigkeitsgefüllter, bidirektionaler Kolben, bei dem der ERF auf einer Seite des Kolbens durch die Kolbenbewegung gezwungen wird, zwischen einem Elektrodenpaar in einem Kanal zu fließen, wodurch die Flüssigkeit auf die andere Seite des Kolbens zurückgeführt wird. Wenn eine Hochspannung (HV) an die Elektroden angelegt wird, richten sich Partikel im nichtleitenden Silikonöl aus und binden sich mechanisch aneinander, wodurch die Viskosität des Fluids und der Bewegungswiderstand des Geräts erhöht werden. Bei der Handgriffvorrichtung ist der Aktuator direkt an die Griffe, an eine Wägezelle zur Messung der aufgebrachten Kraft und an einen optischen Encoder zur Messung der Verschiebung des Griffs gekoppelt. Die neue Fußvorrichtung wandelt die lineare Wirkung der Greifvorrichtung mit Hilfe eines Kurbelschiebermechanismus in die Winkelverschiebung des Fußes bei Dorsalflexion und Plantarflexion um (Abbildung 1C). Die Widerstandskraft des ERF-Aktuators wird nahezu proportional zum Widerstandsmoment um das Sprunggelenk umgesetzt. Die Kurbelbewegung des Pedals ist symmetrisch um den Vektor senkrecht zur Hauptachse des Aktuators, wodurch die Annäherung genutzt wird, dass der Kurbelwinkel und sein Sinus bei kleinen Winkeln nahezu gleich sind. Da von ERF nur Widerstandskräfte ausgeübt werden können, ist das System von Natur aus sicher. Der Aktuator kann den Fuß nicht aktiv drücken oder ziehen, und die Kraft sinkt auf Null, wenn sich das Subjekt nicht mehr bewegt. Die maximale Plantarflexion des Fußgeräts beträgt 35° und die maximale Dorsalflexion 18°. Diese Werte liegen innerhalb des Bewegungsbereichs des Fußes bei normalem Gang und bei nicht belastenden Bedingungen^13,14, entsprechen nahezu den in anderen Untersuchungen^{verwendeten Werten 15} und wurden in Vorversuchen festgestellt, dass sie den Bewegungsumfang der Schlaganfallprobanden auf ihrer verletzungsbetroffenen Seite erreichen oder übertreffen und die Maximierung der verfügbaren Widerstandskräfte über Der linear-winklige Übertragungsmechanismus. Die originale Griffvorrichtung und der zusätzliche Fußbewegungsmechanismus wurden aus Nichteisenmetallen (Kunststoff, Aluminium, Messing) für die MR-Sicherheit konstruiert.

Der ERF-Aktuator verwendet variable elektrische statt magnetische Felder, um die Viskosität des Fluids zu verändern, und ist somit unbeeinflusst von den Magnetfeldern des MRT-Scanners. Der ERF-Aktuator ist in einer zylindrischen Kupferhülle eingeschlossen, die mit dem Schirmleiter des Koaxial-HV-Kabels verbunden ist. Dieses Kabel ist wiederum mit der Einführungsplatte des Faradayschen Käfigs des MRT-Scanners geerdet. Dadurch wird verhindert, dass potenzielles Hochfrequenzrauschen durch die variable Spannung, die an den Aktuator angelegt wird, den Scanner beeinträchtigt, und verhindert, dass die variablen Magnetfelder des Scanners Ströme in den Kabeln induzieren, die die ERF-Viskosität verändern könnten. Das HV-Kabel führt außerhalb der Einführungsplatte zum HV-Verstärker. Zum Einsatz kommen koaxiale MHV-Steckverbinder (Miniatur-Hochspannung), die zusätzliche Sicherheit bei der Führung von Spannungen bis zu 4 kV bieten (Abbildung 2).

Die getrennten Kabel vom optischen Encoder und der Wägezelle verfügen über Abschirmungen, die ebenfalls mit der Einführungsplatte geerdet sind, wodurch verhindert wird, dass ihre Signale (insbesondere die digitalen Signale von den Encoderkanälen) entweder den Scanner oder den Ausgang der Kleinspannungs-Wägezelle beeinflussen. Die geschirmten und geerdeten Kabel außerhalb der Einführungsleiste leiten Signale an das Datenerfassungsmodul (DAQ). Der Ausgang der Wägezelle, die eine temperaturkompensierte Wheatstone-Brücke verwendet, wird durch einen Instrumentenverstärker verstärkt, der an die analogen Eingangsanschlüsse des Datenerfassungsgeräts angeschlossen ist und einen 1.000-fachen Verstärkungsfaktor liefert.

Das Datenerfassungsmodul führt die Firmware mit der Skriptsprache Lua (Supplemental Coding File 1) aus. Das auf das Datenerfassungsmodul geladene Skript läuft mit einer Schleifenrate von 500 Hz, und das Modul liest den Encoder und das verstärkte Wägezellensignal, wandelt die Sensormesswerte in Längen- und Kraftwerte um und speichert sie in Speicherregistern für den Zugriff und die Protokollierung über eine m-Datei-Benutzeroberfläche (UI; Abbildung 3) auf dem Host-Laptop (Supplemental Coding File 2). Der Host-Laptop sendet bei Bedarf Zielkraftwerte für Dorsalflexion und Plantarflexion, Parameter des Reglers mit geschlossenem Regelkreis und Befehle zum Zurücksetzen des Encoders an zusätzliche Speicherregister auf dem Datenerfassungsmodul. Das Messskript führt einen Regelkreis aus, der die Bewegungsrichtung des Pedals erkennt, um zu bestimmen, welche Kraft ausgeübt werden soll: Dorsalflexion oder Plantarflexion. Anschließend wird eine Ausgangsspannung berechnet, die proportional zur Differenz zwischen den gemessenen und den Soll-Kraftwerten ist, begrenzt durch 0 V und 4 V, was dem zulässigen Eingangsbereich des HV-Verstärkers entspricht. Der ERF reagiert auf die Größe des angelegten elektrischen Feldes; Durch das Umkehren der Spannung wird die Viskosität nicht unter die des stromlosen Fluids (ohne elektrisches Feld) gesenkt, so dass der DAQ-Ausgang auf mindestens 0 V begrenzt ist. Das Datenmessgerät quantisiert (12 Bit Auflösung) und tastet die analogen Spannungen ab (500 Hz), was zu einem Treppenstufenausgang zum HV-Verstärker führt, der aufgrund der schnellen Änderungen bei jedem Schritt zu hochfrequenten Komponenten im HV-Ausgang führen kann. Der HV-Verstärker verfügt über kleine und große Signalbandbreiten von 35 kHz bzw. 8 kHz, so dass der Datenerfassungsausgang einen RC-Filter erster Ordnung mit einer Frequenz von -3 dB bei ca. 900 Hz verwendet, um die Möglichkeit zu verringern, dass vom Scanner detektierbares HF-Rauschen erzeugt wird, so dass höhere Frequenzen nahezu eliminiert werden. Darüber hinaus befindet sich die Fußvorrichtung außerhalb der Bohrung des Scanners in der Nähe des Fußes des Bettes, wodurch die Interaktion zwischen den Gerätesensoren, dem Aktuator und dem Scanner weiter minimiert wird. Der Verstärker mit einer Verstärkung von 1.000 V/V und einer Spitzenleistung von 4 kV erzeugt Felder über den ERF-Spalt von bis zu 4 kV/mm; Obwohl die Durchbruchspannung der ERF-Flüssigkeit vom Anbieter nicht angegeben wird, werden die Viskosität und andere Parameter bis zu diesem Wert beschrieben. Der ERF-Zylinder kann etwas mehr als 200 N Kraft aufbringen, wenn er voll unter Strom steht und mit der Zielgeschwindigkeit bewegt wird. Die Momentenarmlänge, an der die Pleuelstange auf das Pedal trifft, beträgt 56 mm, woraus sich ein maximales Drehmoment von ca. 11,2 Nm ergibt. Dies ist mehr als ausreichend für Probanden mit Fußparese; Es kann jedoch von starken, gesunden Probanden überwältigt werden. Die Hardwarekomponenten sind in der Materialtabelle aufgeführt.

Die Verwendung des Fußgeräts baut auf den Trainings- und Testparadigmen auf, die mit früheren Handgriffgeräten 3,4,5,6,7,8,16 und anderen Arbeiten 11,17,18 entwickelt wurden. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung wurde dieses Gerät bei chronischen Schlaganfallpatienten mit fußbedingten Defiziten eingesetzt, um therapiebedingte neuroplastische Veränderungen sowohl mittels MRT-Bildgebung als auch quantitativer Leistungsbewertungen zu untersuchen.

Wie im folgenden Protokoll beschrieben, liegen die Probanden, die gescannt werden, in Rückenlage auf dem Scannerbett, und ihre Köpfe werden in der Kopfspule des Scanners immobilisiert und im Isozentrum des Scanners positioniert. Das Fußgerät wird so positioniert und arretiert, dass das Bein des Probanden gerade ist und der Fuß in das entsprechende Pedal des Geräts eingeschnallt ist. Auf diese Weise führt das Beugen am Knöchel nicht zu einem Drücken oder Ziehen gegen das Gerät, das die Position des Kopfes innerhalb der Spule verschieben könnte. Vor den Augen des Probanden wird ein Spiegelrahmen positioniert, der es ihm ermöglicht, eine Projektionsfläche zu betrachten, auf der Anweisungen und visuelle Hinweise für die motorische Aufgabe angezeigt werden.

Während der Aufgabe sieht der Proband entweder ein "+"-Zeichen während der Ruhephasen oder ein visuelles Metronom während des Tests, bei dem sich ein Kreis auf dem Bildschirm auf und ab bewegt (Ziel), und ein weiterer Kreis angezeigt wird, der sich unter der Kontrolle der Fußpedalposition des Geräts bewegt (Cursor; Abbildung 4). Die Probanden werden gebeten, der Bewegung des Ziels genau zu folgen. Die Zielgeschwindigkeit wird so bestimmt, dass die stromlose viskose Reaktionskraft des Geräts (die viskosen Kräfte nehmen mit zunehmender Geschwindigkeit zu) niedrig genug ist, damit jedes Subjekt sie überwinden kann, wobei die erhöhten Kräfte unter Computersteuerung aufgebracht werden.

Robotik ist einfach zu implementieren, für verschiedene motorische Beeinträchtigungen anwendbar, hat eine hohe Messzuverlässigkeit und ist in der Lage, hochintensives Training zu ermöglichen¹⁰. Dieses ERF-basierte Gerät liefert eine digital gesteuerte Widerstandskraft an das Subjekt, und dieses Gerät ist MR-sicher, wenn es mit Nichteisen-/nichtmagnetischen Komponenten gekoppelt wird, sowie MR-kompatibel aufgrund der Verwendung von geerdeter und abgeschirmter Elektronik¹². Es hat Vorteile im Vergleich zu verwandten Geräten, da es tragbar und relativ einfach zu bedienen ist, was bedeutet, dass es sowohl in klinischen Umgebungen als auch zu Hause verwendet werden kann, wo eine regelmäßige Therapie ohne die Kosten für Reisen oder die klinische Einrichtung durchgeführt werden kann. Das Gerät kann computergesteuerte, zeitlich veränderliche Widerstände in der Plantarflexion und Dorsalflexion erzeugen, um die Erstellung patientenspezifischer Rehabilitationsroutinen zu erleichtern und schließt damit eine Lücke im Bereich der kommerziell erhältlichen Rehabilitationsgeräte.

Es gibt zwar auch andere Forschungsgeräte, die aber aus verschiedenen Gründen für die vorliegende Forschung ungeeignet waren. Einige Geräte sind statisch und messen Kräfte, die isometrisch¹⁹ und nicht über den Bewegungsbereich des Probanden (RoM) ausgeübt werden. Elastische Geräte wenden mit zunehmender Verschiebung eine zunehmende Kraft an, anstatt einen konstanten Widerstand über dem RoM, und müssen manuell angepasst werden, um die Kraftstufen^{20, 21 und 22} zu ändern. Die Verwendung von festen Gewichten und Gravitationslasten ^15,23 ermöglicht keine computergestützte Steuerung der Lasten oder unterschiedlicher Lasten für die Plantarflexion und Dorsalflexion. Pneumatische Einrichtungen^{24, 25, 26} ermöglichen Kraftschwankungen zwischen den Prüfungen und eine konstante Kraft über den RoM; Die Ventile müssten jedoch in einiger Entfernung vom Scanner platziert werden, so dass dieses Gerät im Allgemeinen nicht in der Lage wäre, beim Ändern der Fußrichtung schnell zwischen Plantarflexions- und Dorsalflexionskräften umzuschalten, und nicht über die Frequenzgangfähigkeiten von ERF-Aktuatoren verfügen würde. Elektromagnetische Motoren²⁷ können in der Scannerumgebung verwendet werden, jedoch nur, indem der Mechanismus weit genug erweitert wird, um die MR-Sicherheit und -Kompatibilität zu gewährleisten, was die Tragbarkeit einschränkt und das Unfallrisiko erhöht, wenn eine der Motorkomponenten zu nahe an die Bohrung gebracht wird. Die Hydraulik²⁸ kann bei verschiedenen Kraftniveaus bidirektional sein, hat aber ähnliche Herausforderungen wie die Verwendung von elektromagnetischen Motoren, da der Kompressor/Treiber (typischerweise nicht MR-kompatibel) von der Bohrung entfernt sein muss, wodurch die Tragbarkeit und der Frequenzgang eingeschränkt werden. Die Hydraulik wurde mit den ERF-Systemen²⁹ kombiniert, so dass das System den Endeffektor (Fuß- oder Griffvorrichtung) zurücktreiben und einen isometrischen Widerstand bereitstellen kann; Diese Fähigkeit war jedoch für die vorliegende Forschung nicht erforderlich und wurde auf Kosten der Verwendung von nicht MR-kompatiblen Hydraulikmotoren hinzugefügt.

Das Fußgerät bietet eine Kombination von Funktionen, die Folgendes ermöglichen: präzise und konsistente therapeutische Fußkontrollübungen über längere Zeiträume; die Messung der aktuellen motorischen Leistungsfähigkeit des Probanden und die Anpassung der Aufgabenschwierigkeit im Laufe der Rehabilitation; Echtzeitsteuerung und unabhängige Einstellung der ausgeübten Kraft sowohl bei der Plantarflexion als auch bei der Dorsalflexion; Fernsteuerung und Einstellung der Widerstandskraft ohne Unterbrechungen für die manuelle Einstellung; und MR-Sicherheit und Verträglichkeit.

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Protokoll

Alle Experimente wurden vom Institutional Review Board des Massachusetts General Hospital genehmigt und am Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging wie genehmigt durchgeführt. Die Zustimmung der betroffenen Personen zur Verwendung und Weitergabe anonymisierter Daten wurde eingeholt.

HINWEIS: In der aktuellen Studie waren die Einschlusskriterien wie folgt: (1) rechte oder linke Hemiparese mit Restbewegung des Beins nach einem ischämischen / MCA-Schlaganfall, der ≥6 Monate zuvor aufgetreten ist; (2) eine Punktzahl der Functional Ambulation Category (FAC)^{von 30} von 4-5 (der Proband geht mit einem Assistenten spazieren, um Treppen/unebene Oberflächen zu bewältigen, oder ohne die Hilfe eines Assistenten); (3) eine Punktzahl der National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS)³¹ von 5-14 (leicht/mittelschwer); (4) die Fähigkeit, 5 Minuten zu stehen und 10 m zu gehen; (5) im Alter von 18-80 Jahren. Nach ersten Tests wurde ein zusätzliches Kriterium aufgenommen, bei dem nachgewiesen werden musste, dass die Probanden das Pedal mit dem paretischen Fuß um mindestens 5° bewegen konnten. Es wurden Daten zu demografischen Daten, Schlaganfallrisikofaktoren, der Dauer der Physio-/Ergotherapie, der Dauer des Krankenhausaufenthalts im akuten Stadium, der Einnahme von Medikamenten, interkurrenten Infektionen und Komplikationen erhoben.

1. Screening und Vorbereitung der Fächer

1. Treffen Sie sich während der Rekrutierung mit den potenziellen Probanden und testen Sie ihre Fähigkeit, die Pedale des Geräts mit ihrem paretischen Fuß zu bewegen.
   1. Überprüfen Sie, ob der Fuß jedes Motivs in den Fußpedalen des Geräts sitzt. Bei Personen mit kleineren Füßen testen Sie die Passform ihrer Füße, wenn sie Turnschuhe oder ähnliche Schuhe tragen, die MR-sicher sind.
   2. Probanden, die nicht genügend Kraft aufbringen können, um das Pedal über einen Bewegungsbereich von mindestens 5° zu bewegen, wenn das Gerät nicht unter Strom steht, sollten von der Studie ausgeschlossen werden.
2. Weisen Sie die Probanden vor der Ankunft an, das getestete Schuhwerk mitzubringen, wenn dies während des Pre-Screenings als notwendig befunden wurde. Erfassen Sie die Informationen der Probanden und holen Sie die Einwilligungserklärung gemäß dem institutionellen Protokoll ein.
3. Untersuchen Sie die Probanden an jedem Testtag auf Kontraindikationen, wie in den Richtlinien der MRT-Einrichtung festgelegt. Holen Sie unterschriebene Verzichtserklärungen für Personen mit Tätowierungen ein, die möglicherweise Reizungen und/oder Brennen hervorrufen, sowie alle anderen einrichtungsspezifischen Verzichtserklärungen.
4. Weisen Sie den Probanden an, einen von der Einrichtung zugelassenen Kittel/eine Hose anzuziehen und darauf zu warten, dass er in den Scannerraum gerufen wird. Bewahren Sie die Sachen des Subjekts gemäß den Einrichtungsrichtlinien auf. Wenn dies als notwendig erachtet wird, weisen Sie die Person an, das Schuhwerk anzuziehen.

2. Einrichtung der Fußvorrichtung mit kontrolliertem Widerstand

HINWEIS: Es wird empfohlen, dass der Abschluss der Schritte 2.1-2.3 vor der Ankunft des Subjekts erfolgt.

1. Einrichtung im MRT-Supportraum
   1. Platzieren Sie die HV-Verstärkereinheit mit dem angeschlossenen Datenerfassungsmodul auf dem Boden in der Nähe der Durchführung. Stecken Sie das Netzkabel in die Steckdose, stecken Sie das HV-Koaxialkabel in die Klemmen des HV-Verstärkers und in den MHV-Koaxialstecker an der Durchführung, und stecken Sie das Sensorkabel in den entsprechenden Stecker an der Durchführung. Schalten Sie den Hauptschalter des HV-Verstärkers ein.
   2. Stecken Sie den USB-B-Stecker des USB-Kabels in das Datenerfassungsmodul und den USB-A-Stecker des Kabels in das USB-Repeater-Kabel. Verlegen Sie das USB-Repeater-Kabel vom MRT-Unterstützungsraum zum MRT-Kontrollraum und befestigen Sie das Kabel bei Bedarf mit Klebeband am Boden, um ein Lösen durch Personal oder Probanden zu verhindern, die sich in der Einrichtung bewegen.
   3. Aktivieren Sie den Scanner-Raumprojektor.
2. Aufbau in der MRT-Regie
   1. Platzieren Sie den Host-Laptop des Fußgeräts neben der MRT-Scanner-Schnittstelle, schließen Sie das Netzteil an, und schalten Sie den Laptop ein. Starten Sie die MATLAB-Anwendung, und laden Sie das Programm für die Benutzeroberfläche.
   2. Schließen Sie das USB-Kabel für die Tastenbox/das Triggersignal des MRT-Scanners, das Projektorkabel des Scannerraums und das USB-Repeater-Kabel an den Laptop an.
   3. Falls noch nicht eingerichtet, passen Sie die Einstellungen des Laptop-Monitors so an, dass das Hauptfenster auf die Projektorleinwand rechts neben dem Laptop-Hauptfenster erweitert wird. Bewegen Sie den Mauszeiger von der rechten Seite des Laptop-Hauptfensters und vergewissern Sie sich, dass er sich in das Sichtfeld des Projektorbildschirms bewegt. Bewegen Sie den Mauszeiger zurück in das Hauptfenster.
      HINWEIS: Die Formate des Triggersignals und des Projektorkabels können je nach Einrichtung unterschiedlich sein. Möglicherweise sind Videoadapter oder ähnliche Geräte erforderlich.
3. Einrichtung im Scannerraum
   1. Vergewissern Sie sich, dass sich der Scannertisch vollständig außerhalb der Scannerbohrung befindet und vollständig abgesenkt ist.
   2. Montieren Sie eine Kopfspule in den entsprechenden Schlitz auf dem Scannertisch. Entfernen Sie den oberen Teil der Spule und legen Sie ihn zur Seite. Decken Sie die Scannertischkissen und den unteren Teil der Kopfspule mit einem Krankenhausbettlaken ab.
   3. Montieren Sie die Projektorscheibe in die Bohrung am gegenüberliegenden Ende des Scannertisches.
   4. Setzen Sie zwei Paar Befestigungsschrauben aus Messing in die Schlitze für die Spulenbefestigung am unteren Ende des Scannertisches ein und platzieren Sie die Fußvorrichtung zwischen den Schraubenpaaren. Befestigen Sie die Haltebügel aus Kunststoff locker an den Schrauben und Ausrichtungslöchern in der Grundplatte des Fußgeräts (Abbildung 1A).
   5. Befestigen Sie die Sensor- und HV-Kabel an den Steckern an der Durchführung. Stellen Sie sicher, dass die Kabel nicht um den Tisch geschlungen werden oder die Gefahr besteht, dass sie sich verklemmen oder verheddern, wenn der Tisch in die Scannerbohrung bewegt wird. Stellen Sie sicher, dass die Sensor- und HV-Kabel ohne Schlaufen zwischen dem Fußgerät und der Einführungsplatte verlängert werden.
   6. Starten Sie das UI-Programm im Kontrollraum (führen Sie das m-file-Skript aus), und überprüfen Sie, ob die Kommunikation zwischen dem Host-Laptop und dem Datenerfassungsmodul hergestellt wurde, indem Sie die Bestätigungsmeldung in der Benutzeroberfläche beachten (Abbildung 3).
   7. Übernehmen Sie die standardmäßigen Kraftstufenproportionen im ersten Dialogfeld der Benutzeroberfläche, indem Sie auf die Schaltfläche OK klicken. Warten Sie, bis Bestätigungsdialogfelder angezeigt und sich selbst verworfen werden und bis das erste Live-Diagrammfenster für Kraft und Verschiebung angezeigt wird.
   8. Stellen Sie sicher, dass, während ein Mitarbeiter das Pedal des Fußgeräts durch seinen Bewegungsbereich bewegt und ein anderer Mitarbeiter die Kraft- und Verschiebungsspuren beobachtet, sich die Verschiebungsspur von -35° bis +18° und zurück bewegt und dass die Kraftspur positive Kräfte für Bewegungen in Dorsalflexionsrichtung und negative Kräfte für Bewegungen in Plantarflexionsrichtung anzeigt, und kehrt im Ruhezustand auf Null zurück. Dies bestätigt die Funktion der Sensoren, des Messmoduls, des HV-Verstärkers und des ERF-Aktuators (Abbildung 3A).
   9. Wenn die Signale normal erscheinen, klicken Sie im Live-Graph-Fenster auf Weiter und dann im Bestätigungsdialog auf die Schaltfläche Herunterfahren . Ist dies nicht der Fall, überprüfen Sie die Kabel- und Stromanschlüsse und wiederholen Sie die Einrichtungsschritte nach Bedarf.
4. Ausrichtung des Motivs und des Fußgeräts
   1. Begleiten Sie das Subjekt aus dem Wartezimmer in den Scannerraum. Führen Sie ein Metallscreening gemäß den Richtlinien der Einrichtung durch, um nach nicht gemeldeten Objekten oder Implantaten zu suchen. Stellen Sie dem Motiv schützende Ohrstöpsel zur Verfügung.
   2. Weisen Sie die Versuchsperson an, sich auf den Tisch zu setzen und dann in Rückenlage zu liegen, wobei der Kopf in den unteren Teil der Kopfspule eingebettet ist. Bieten Sie bei Bedarf Hilfe an. Bringen Sie eine Polsterung zwischen dem Kopf des Motivs und den Wänden der Kopfspule an, um sicherzustellen, dass Kopfbewegungen während der Bildgebung verhindert werden.
   3. Weisen Sie die Person an, ihre Beine zu strecken. Bewegen Sie das Fußgerät zu/von der Person weg, bis die Fersen (oder die Fersen der Schuhe) in den Fußsitzen der Fußvorrichtung aufliegen. Stellen Sie weiter ein, um den Hauptdrehpunkt der Pedale mit den Knöcheln des Motivs auszurichten.
   4. Befestigen Sie die Fußvorrichtung mit den Haltebügeln aus Kunststoff und den Flügelmuttern aus Kunststoff.
   5. Weisen Sie den Probanden an, den nicht getesteten Fuß vom Pedal zu nehmen und ihn leicht proximal vom Fußgerät abzulegen. Stützen Sie das nicht getestete Bein bei Bedarf mit Kissen ab. Befestigen Sie den getesteten Fuß mit Klettverschlüssen in seinem Fußpedal und stellen Sie sicher, dass der Fußballen des Probanden (oder die Vorderseite des Schuhs des Probanden) mit dem Pedal in Kontakt ist.
      HINWEIS: In der aktuellen Studie wurde mit den Nicht-Kontroll-Probanden (Schlaganfall) zuerst der vom Schlaganfall betroffene Fuß getestet. Nachdem die Prüfung des betroffenen Fußes abgeschlossen war, wurde dieser Fuß vom Pedal entfernt und der nicht betroffene Fuß mit dem gleichen Verfahren wie in Schritt 2.4.5 in das entsprechende Pedal eingebaut.
   6. Geben Sie der Person ein Quetschbirnen-Alarmgerät, weisen Sie sie an, die Glühbirne zusammenzudrücken, um sie zu testen, und erinnern Sie die Person daran, dass sie die Glühbirne jederzeit zusammendrücken kann, um mit den Technikern zu kommunizieren.
   7. Heben Sie den MR-Tisch auf die volle Höhe an, damit das Motiv die Projektionsfläche durch die Spiegelbaugruppe sehen kann.
   8. Montieren Sie den oberen Teil der Kopfspule und montieren Sie die Sichtspiegelbaugruppe über der Kopfspule. Vergewissern Sie sich, dass das Motiv die Projektorleinwand deutlich im Spiegel sehen kann.

3. Prüfung der Stärke des Probanden

1. Starten Sie die Benutzeroberfläche neu. Übernehmen Sie die standardmäßigen Kraftniveauanteile oder passen Sie sie an, wenn das Studienprotokoll dies erfordert, und klicken Sie auf die Schaltfläche OK wie oben. Wenn die Kraft-/Verschiebungsspuren aufgetreten sind, weisen Sie den Probanden an, den getesteten Fuß so weit wie möglich in Dorsalflexionsrichtung zu bewegen und dreimal zur vollen Plantarflexion zurückzukehren. Stellen Sie sicher, dass die Verschiebungs- und Kraftspuren wie oben normal angezeigt werden. Dadurch wird der Bewegungsumfang für die Prüfung festgelegt, der kleiner sein kann als der gesamte Bereich des Fußgeräts (Abbildung 3A).
2. Wenn die Ergebnisse akzeptabel sind, klicken Sie im Live-Graph-Fenster auf Weiter und im Bestätigungsdialog auf Ja - Fortfahren ; Klicken Sie auf "Kein Wiederholen ", wenn der Proband die Flexionsanweisungen nicht korrekt befolgt hat. oder klicken Sie auf Zu Herunterfahren, wenn es andere Probleme gibt, und beheben Sie sie bei Bedarf.
3. Wenn das Dialogfeld zur Bestätigung von Datum/Uhrzeit angezeigt wird, klicken Sie auf Ja - Fortfahren im Dialogfeld oder klicken Sie auf andere Optionen, wenn ein anderer Dateiname oder ein anderes Herunterfahren gewünscht wird.
4. Weisen Sie den Probanden an, seinen getesteten Fuß in die volle Plantarflexion zu bewegen, und klicken Sie im Bestätigungsdialog auf OK . Ein Anweisungs-/Metronomfenster wird angezeigt (in Abbildung 3 beschriftet). Ziehen Sie dieses Fenster mit der Maus in das Sichtfeld der Projektionsfläche und bestätigen Sie mit OK , dass dieser Vorgang abgeschlossen ist.
5. Vergewissern Sie sich, dass die Anweisungen für das Motiv auf dem Projektor angezeigt werden. Vergewissern Sie sich, dass sich der Fuß des Probanden in voller Plantarflexion befindet, und klicken Sie im entsprechenden Dialogfeld auf OK . Das UI-Diagramm ändert sich in die Anzeige des Prüfstands mit Anzeigen der Sollwerte der Widerstandskraft.
6. Das oben beschriebene visuelle Metronom erscheint auf der Projektionsfläche mit einem festen Zielkreis, der sich mit konstanter Geschwindigkeit auf der Leinwand nach oben oder unten bewegt, und einem offenen kreisförmigen Cursor, der durch die Pedalstellung des Fußgeräts gesteuert wird. Weisen Sie das Motiv an, seinen Fuß zu bewegen, damit der Cursor der Bewegung des Ziels genau folgt. Wenn sich der Proband erfolgreich über seinen gesamten Bewegungsumfang bewegen kann, während er dem Ziel folgt, klicken Sie auf (Fd, Fp) + 10 in der Live-Grafik, um die Kraftsollwerte sowohl für die Dorsalflexion als auch für die Plantarflexion zu erhöhen (Abbildung 3B).
7. Beobachten Sie, ob das Motiv die Metronombewegung weiterhin genau verfolgt.
   1. Wenn ja, klicken Sie erneut auf (Fd, Fp) + 10 , um beide Kraftsollwerte zu erhöhen. Wenn die Dorsalflexion nicht abgeschlossen werden kann, die Plantarflexion aber weiterhin der Zielbewegung folgt, klicken Sie einmal auf (Fd, Fp) - 10 und zweimal auf Fp + 10 , um die Dorsalflexionswiderstandskraft um eine Stufe zu verringern und den Plantarwiderstand um eine Stufe zu erhöhen.
   2. Wenn die Dorsalflexionskraft eingestellt wurde, der Proband aber das Metronom in der Plantarflexion nicht mehr verfolgen kann, klicken Sie einmal auf Fp - 10 und dann im Live-Graph-Fenster auf Weiter . Die aktuellen Kraftniveaus werden vom UI-Programm als Referenzpunkte für die proportional reduzierten Kräfte verwendet, die während der Testphase angewendet werden.
   3. Wenn der Sollwert der Plantarflexionskraft die maximale Einstellung des Fußgeräts erreicht hat, drücken Sie im Live-Diagramm auf Weiter und fahren Sie fort.
      HINWEIS: Schritt 3.7.3 tritt im Allgemeinen bei Kontrollpersonen mit normaler Beinkraft und bei nicht betroffenen Gliedmaßen bei Schlaganfallpatienten auf, da sie die Fähigkeiten des Geräts überschreiten, das darauf ausgelegt ist, sich auf die Kraft in der betroffenen Extremität zu konzentrieren.
   4. Notieren Sie sich die Kraftsollwerte (rechts im Kraftspurdiagramm dargestellt), um sie später als Referenz zu verwenden. Klicken Sie auf Ja - Weiter , um fortzufahren, Nein - Erneut testen , um den Vorgang zu wiederholen, oder auf Herunterfahren , wenn andere Probleme auftreten. Weisen Sie den Probanden an, den getesteten Fuß bis zur vollen Plantarverschiebung zu bewegen und sich dann zu entspannen.
8. Überprüfen Sie die Verwendung der Quetschbirne, die Scansequenz und die Aufgabe mit dem Probanden und beantworten Sie alle Fragen, die der Proband vor Beginn der Scans haben könnte.
9. Weisen Sie die Person an, während dieses Schritts die Augen zu schließen. Verwenden Sie die Landmarkierungs-Laserlinie des Scanners, um die Kopfposition der Kopfspule/des Motivs zu lokalisieren. Verschieben Sie den Tisch so, dass der Kopf des Motivs innerhalb der Scannerbohrung zentriert wird. Lassen Sie das Personal den Scannerraum verlassen und die Tür schließen.

4. Ausführen der MRT-Scan-Sitzung und der Aufgabe für das Fußgerät

1. Führen Sie eine einrichtungsspezifische Registrierung des Themas durch, und laden Sie das Scanprotokoll. Benachrichtigen Sie den Probanden, dass die anatomische Scansequenz beginnt und dass er sich während dieses Teils des Protokolls entspannen kann, und weisen Sie ihn an, den Bulbus zusammenzudrücken, um sein Verständnis zu überprüfen. Starten Sie den anatomischen Scan und warten Sie, bis er abgeschlossen ist.
2. Benachrichtigen Sie den Probanden, wie in dem von der Benutzeroberfläche bereitgestellten Dialogfenster angegeben, dass der fMRT- und Fußgeräteteil der Studie beginnen wird, und weisen Sie ihn an, dass er sicherstellen soll, dass sich sein zu testender Fuß in voller Plantarflexion befindet, dass er seinen Fuß wieder in die volle Plantarflexion versetzen soll, wenn ein Fixationskreuz auf dem Bildschirm erscheint. und dass sie dem visuellen Metronom folgen sollten, wenn es erscheint. Klicken Sie im Anweisungsdialog auf OK .
3. Befolgen Sie die Anweisungen, die den Bediener anweisen, den Scanner-Steuercomputer so vorzubereiten, dass der fMRT-Teil des Protokolls gestartet wird. Klicken Sie im Anweisungsdialogfenster auf OK und starten Sie die fMRT-Sequenz. Das UI-Programm sendet automatisch die gewünschten Krafteinstellungen an das Datenerfassungsmodul.
   HINWEIS: In der aktuellen Studie wurde die Aufgabe des visuellen Metronoms jeweils dreimal für die vom Schlaganfall betroffenen und nicht betroffenen Gliedmaßen bei Kraftniveaus von 60 %, 40 % und 20 % der in Schritt 3.7 festgelegten Höchstwerte durchgeführt. Die Kraftstufen werden bei jeder Wiederholung des Tests automatisch aktualisiert.
4. Der Proband sieht sich seine Anweisungen auf der Projektionsleinwand an. Es erscheint ein "+"-Zeichen (Fixationskreuz), während dessen sich das Subjekt, wie zuvor angewiesen, ausruht.
5. Das visuelle Metronomziel wird angezeigt, wobei sich der durchgezogene Kreis mit konstanter Geschwindigkeit auf und ab bewegt. Wie zuvor angewiesen, bewegt der Proband seinen getesteten Fuß in Dorsalflexion und Plantarflexion, um den offenen kreisförmigen Cursor zu veranlassen, das Ziel zu verfolgen.
   HINWEIS: In der aktuellen Studie waren die Ruhephase (Fixationskreuz) und die aktive Phase (Metronom) gleich lang, und der Zyklus wurde siebenmal wiederholt. Während der Metronomphase gab es zwei Zyklen der Dorsalflexion und der Plantarflexion durch den Bewegungsbereich. Diese Parameter können im UI-Skript für andere Studien angepasst werden. Jede fMRT/Metronom-Phase dauerte ca. 5 min 40 s.
6. Wiederholen Sie Schritt 4.4 und Schritt 4.5 für insgesamt sieben Zyklen, danach wird das Fixationskreuz angezeigt und das Subjekt ruht sich.
7. Wiederholen Sie die Schritte 4.2-4.6 für insgesamt drei Zyklen.
8. Betreten Sie den MRT-Scanner-Raum und schalten Sie den im Fußgerät montierten Fuß gemäß Schritt 2.4.5 um. Wiederholen Sie Protokollabschnitt 3 für den zweiten Fuß.
9. Wiederholen Sie den Protokollabschnitt 4 unter Umgehung der Schritte 4.1 und 4.8 (Registrierung, anatomischer Scan, Fußwechsel).
10. Benachrichtigen Sie den Probanden, dass der DTI-Teil des Scans beginnen wird und dass er sich während dieser Phase der Studie entspannen kann, und weisen Sie ihn an, die Glühbirne zusammenzudrücken, um sein Verständnis zu bestätigen. Initiieren Sie den DTI-Scan, und warten Sie, bis der Vorgang abgeschlossen ist.

5. Vorgänge nach dem Test

1. Bewegen Sie den Tisch und das Motiv aus der Scannerbohrung und senken Sie den Tisch ab. Entfernen Sie die Spiegelbaugruppe, den oberen Kopfspulenabschnitt und die Polsterung um den Kopf des Motivs. Der Gehörschutz kann zu diesem Zeitpunkt entsorgt werden.
2. Helfen Sie dem Probanden, sich in eine sitzende Position zu begeben und sich bei Bedarf in den Wickelbereich zu begeben. Die Person kann nun wieder in ihre normale Kleidung schlüpfen.
3. Sprechen Sie mit dem Probanden, beantworten Sie alle Fragen, die er nach dem Test hat, vereinbaren Sie die Planung zukünftiger Termine und füllen Sie die Stipendienzahlungsformulare aus, bevor der Proband abreist.
4. Zerlegen und verpacken Sie die Hardware und hängen Sie das Knöchelgerät vom Scannertisch ab. Trennen Sie die HV- und Sensorkabel von der Durchführung. Trennen Sie das Tastenfach und die Monitorkabel vom Host-Laptop. Packen Sie das Knöchelgerät und die unterstützende Hardware in Tragetaschen.
5. Führen Sie eine anlagenspezifische Desinfektion des Scannertisches und der relevanten Arbeitsflächen und Geräte durch.
6. Extrahieren Sie die Daten aus temporären Ordnern auf dem Scannersystem für die Offline-Analyse. Führen Sie Abmeldevorgänge durch.

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Ergebnisse

Die hier beschriebenen Ergebnisse beziehen sich auf die MRT-Verträglichkeit des Fußgeräts, eine Analyse typischer funktioneller Scan-Ergebnisse und Hinweise zum Fußgerät.

Das Fußgerät wurde von den Mitarbeitern des Athinoula A. Martinos Zentrums auf MRT-Sicherheit untersucht und in einem 3 T MRT-Scanner auf MRT-Kompatibilität getestet. Für Phantomtests mit einem Zylinder, der eine Lösung von 1,24 g NiSO_4·6H₂O und 2,62 g NaCl pr...

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Diskussion

Kritische Schritte
Entscheidend ist der Vorabtest der Fähigkeit eines Probanden, mit seinem paretischen Fuß zumindest eine minimale Bewegung des Fußpedals zu erzeugen. Ein FAC-Wert von 4 oder 5 und die Fähigkeit, für einen minimalen Zeitraum zu stehen, spiegeln die kombinierte Fähigkeit eines Probanden zwischen seinen nicht betroffenen und paretischen Gliedmaßen wider und spiegeln nicht die Fähigkeit wider, den paretischen Fuß allein zu bewegen. In der aktuel...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T MRI scanner	Siemens Medical Solutions USA, Inc., Malvern, PA	Magnetom Skyra	https://www.siemens-healthineers.com/en-us/magnetic-resonance-imaging/3t-mri-scanner/magnetom-skyra
Data acquisition unit (DAQ)	LabJack Corp., Lakewood, CO	T4	https://labjack.com/news/labjack-t4
High voltage amplifier	Trek, Inc., Lockport, NY	Model 609C-6	https://www.manualsdir.com/manuals/268654/trek-609e-6-high-voltage-power-amplifier.html?page=2&original=1
Matlab	The Mathworks, Ltd., Natick, MA	n/a	https://www.mathworks.com/
USB repeater cable	Tripp Lite, Chicago, IL	U026-10M	https://assets.tripplite.com/product-pdfs/en/u02610m.pdf