Ein Experiment mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie und robotergestützten Mehrgelenk-Zeigebewegungen der unteren Extremität

Zusammenfassung

Es wird geschätzt, dass 1 von 6 Menschen weltweit in ihrem Leben einen Schlaganfall erleiden wird, der zu langfristigen Behinderungen führt, deren Rehabilitationsmechanismen noch wenig verstanden sind. Diese Studie schlägt ein Protokoll zur Bewertung der Gehirnaktivierung durch funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) während einer Robotertherapiesitzung der unteren Extremitäten vor.

Zusammenfassung

Schlaganfall betrifft jedes Jahr etwa 17 Millionen Menschen weltweit und ist eine der Hauptursachen für langfristige Behinderungen. Die Robotertherapie hat sich als vielversprechend erwiesen, um Schlaganfallpatienten dabei zu helfen, verlorene motorische Funktionen wiederzuerlangen. Ein möglicher Weg, um das Verständnis der motorischen Erholung zu verbessern, besteht darin, die Gehirnaktivierung während der Bewegungen zu untersuchen, auf die die Therapie bei gesunden Personen abzielt. Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) hat sich als vielversprechende Neuroimaging-Technik zur Untersuchung der neuronalen Grundlagen der motorischen Funktion herausgestellt. Ziel dieser Studie war es, neuronale fNIRS-Korrelate komplexer Bewegungen der unteren Extremitäten bei gesunden Probanden zu untersuchen. Die Teilnehmer wurden gebeten, 6 Minuten lang Ruhe- und Bewegungszyklen mit einem Robotergerät zur motorischen Rehabilitation durchzuführen. Die Aufgabe erforderte koordinierte Knie- und Knöchelgelenksbewegungen, um auf Ziele zu zeigen, die auf einem Computerbildschirm angezeigt wurden. Es wurden zwei experimentelle Bedingungen mit unterschiedlicher Bewegungsunterstützung durch den Roboter untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das fNIRS-Protokoll Gehirnregionen, die mit der motorischen Kontrolle verbunden sind, während der Aufgabe effektiv erkannte. Bemerkenswert ist, dass alle Probanden während der Bedingung ohne Unterstützung eine stärkere Aktivierung im kontralateralen prämotorischen Bereich zeigten als in der assistierten Bedingung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass fNIRS ein wertvoller Ansatz zur Erkennung von Veränderungen der Oxyhämoglobinkonzentration zu sein scheint, die mit mehrgelenkigen Zeigebewegungen der unteren Extremität verbunden sind. Diese Forschung könnte zum Verständnis der motorischen Wiederherstellungsmechanismen des Schlaganfalls beitragen und den Weg für verbesserte Rehabilitationsbehandlungen für Schlaganfallpatienten ebnen. Es sind jedoch weitere Forschungen erforderlich, um das Potenzial von fNIRS bei der Untersuchung der motorischen Funktion und ihrer Anwendungen im klinischen Umfeld vollständig aufzuklären.

Einleitung

Epidemiologische Daten zeigen, dass es weltweit jedes Jahr ~17 Millionen neue Schlaganfallfälle gibt, wobei die Inzidenz in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen zunimmt¹. Die Zahl der neuen Fälle wird bis 2030 schätzungsweise auf 77 Millionen ansteigen². Motorische Beeinträchtigungen aufgrund eines Schlaganfalls beeinträchtigen häufig die Mobilität des Patienten und die Teilnahme an Aktivitäten des täglichen Lebens und tragen zu einer geringen Lebensqualität bei. Die traditionelle motorische Rehabilitation umfasst die manuelle Therapie, aber in den letzten Jahrzehnten wurden Robotersysteme für die Rehabilitation....

Protokoll

Diese Studie wurde vom lokalen Ethikprüfungsausschuss des UNICEP (Centro Universitario Paulista) genehmigt. Alle Teilnehmer gaben ihre Einverständniserklärung gemäß allen institutionellen Richtlinien und Bundesnormen in Bezug auf wissenschaftliche Forschung am Menschen. Sie erhielten keine finanzielle Entschädigung, wie es die brasilianischen Bundesvorschriften vorschreiben.

1. fNIRS-System

1. Bereiten Sie die Kappe mit 16 Optoden vor: 8 Lichtquellen (760 nm und 850 nm) und 8 Lichtdetektoren (siehe Abbildung 2; Position der Quellen: FC1, FC2, C3, Cz, C4, CP1, CP2 und Pz; Position der Det....

Diskussion

In dieser Proof-of-Concept-Studie wurde untersucht, ob es möglich ist, Rückschlüsse auf die Kartierung der Gehirnaktivierung unter Verwendung von fNIRS-Daten von gesunden Probanden zu ziehen, während sie mit verschiedenen Arten von Bewegungen mit einem Roboter für die Rehabilitation der unteren Gliedmaßen trainierten. Typische fNIRS-Aufnahmesitzungen bei Erwachsenen dauern länger als 6 Minuten⁵⁴. Um Aufzeichnungen im Rahmen einer Rehabilitationseinrichtung möglich zu machen, muss die Gesam.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
32 inch Smart TV	Samsung	N/A	TV connected to robot via HDMI cable
8-detector silicon photodiode (SiPD) optodes for optical detection with dual tip	NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)	https://nirx.net/nirsport
8-source optodes bundle for optical illumination with dual tip	NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)	https://nirx.net/nirsport
Aurora acquisition software	NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)	https://nirx.net/nirsport
Laptop Precision XPS 13	Dell Technologies (Round Rock, TX, USA)
nirsLAB fNIRS Analysis software	NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)	https://nirx.net/nirsport
NIRSports2 fNIRS acquisition system	NIRx Medical Technologies (Glen Head, NY, USA)	https://nirx.net/nirsport	It has two different continuous wave optics (760 and 850 nm), 8 dual-ended LED sources and 8 dual-ended active detectors.
R	R-project.org (open source software)	https://www.r-project.org/
Standard cut cap, black color for up to 128 holders.	Easycap GmbH (Wörthsee, Germany)	https://www.easycap.de/
Vivax Assistive Rehabilitation Machine (ARM)	Vivax Ltda (São Paulo, Brazil)	https://vivaxbr.com/home/	It is a portable robot designed to deliver lower limb rehabilitation. It has a 3D reachable workspace and is compact and light, weighing about 35 lb., which makes it easy to transport and to install.