A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
השיקום המבוטח של חולי שבץ מוחי כרוני הוא בדרך כלל מוגבל בזמן. מחקר מבוסס הדמיה של פעילות מוחית ממשימות מוטוריות הקשורות להליכה יכול להוביל לקביעת סמנים ביולוגיים למדידת תוצאות משופרות ולהצדקת הרחבת הטיפול המותאם. מוצג מכשיר תנועת כף רגל חדשני, תואם תהודה מגנטית, בעל התנגדות משתנה ופרוטוקול לשימוש במהלך הדמיית תהודה מגנטית תפקודית.
ליקויים נוירולוגיים כתוצאה משבץ מוחי עלולים לגרום לנכויות מוטוריות ארוכות טווח, כולל אלה המשפיעות על הליכה בהליכה. עם זאת, שיקום נרחב לאחר שבץ מוחי הוא בדרך כלל מוגבל בזמן. קביעת סמנים ביולוגיים מנבאים לזיהוי חולים שעשויים להפיק תועלת משמעותית מפיזיותרפיה נוספת ולהפגין שיפור חשובה לשיפור איכות החיים של המטופלים. לזיהוי שיפוץ נוירופלסטי של האזור הפגוע ושינויים בדפוסי הפעילות הנרגשים בעת ביצוע משימות מוטוריות מתאימות עשויות להיות השלכות חשובות על התאוששות משבץ מוחי כרוני. פרוטוקול זה מתאר את השימוש במכשיר רובוטי המושרה על ידי כף רגל (MR_COFID) בשליטה דיגיטלית, תואם תהודה מגנטית כדי להציג משימה מותאמת אישית של כף הרגל הכוללת מעקב אחר מסלול לנבדקים שנפגעו משבץ מוחי עם ליקוי הליכה במהלך הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI). במשימה, כיפוף כף הרגל מבוצע כנגד כוחות התנגדות דו-כיווניים, המכוונים לחוזק הנבדק הן בכיווני הכיפוף הגבי והן בכיפוף הכף, תוך מעקב אחר מטרונום חזותי. fMRI משתמש באופן לא פולשני בדאוקסיהמוגלובין אנדוגני כחומר ניגוד לאיתור שינויים תלויי רמת חמצון בדם (BOLD) בין תקופות הפעילות והמנוחה במהלך הבדיקה. בדיקות תקופתיות חוזרות יכולות לזהות שינויים הקשורים לטיפול בדפוסי העירור במהלך ביצוע המשימה. השימוש בטכניקה זו מספק נתונים לזיהוי ומדידה של סמנים ביולוגיים שעשויים להצביע על הסבירות של אדם להפיק תועלת משיקום מעבר לזה הניתן כיום לחולי שבץ מוחי.
השימוש במדדים כמותיים הנגזרים מהדמיית מוח תפקודית ומבנית עשוי להיות שימושי ויעיל יותר למעקב אחר התקדמות וחיזוי תוצאות הטיפול בשבץ מוחי מאשר הערכת ציונים קליניים, ומדדים כמותיים אלה יכולים להיות שימושיים בתכנון ושיפור תוכניות טיפול אישיות 1,2. פיתוח אסטרטגיות יעילות ומותאמות אישית המקשרות אימון מוטורי לארגון מחדש מדיד של הפעילות העצבית ו/או שיפורים בתפקוד המוטורי נותר מאתגר. בעבודות קודמות פותחו תובנות לגבי האופן שבו שיטות הדמיה מוחית תפקודיות ומיפוי מוחי בחולים שנפגעו משבץ מוחי כרוני יכולות להראות שינויים כאלה 3,4,5,6,7,8. בחינת תפקוד המוח ביחס לביצועי אחיזת היד (שהיא המפתח לעצמאות המטופל ולאיכות החיים) הובילה לציפייה שניתן יהיה ליישם טכניקה זו גם לבקרת תנועת כף הרגל הקשורה להליכה באמצעות הערכת הדפוסים הטופוגרפיים המתאימים של הפעילות העצבית והתאוששות התפקוד. הוצע כי שילוב של מפות תפקודיות מבוססות MRI של פציעות עשוי לעזור לאפיין ליקויים נוירולוגיים בצורה מדויקת יותר מאשר הערכות קליניות9 וכי שימוש במכשירים רובוטיים יעיל יותר להתאוששות המוח מאשר פרדיגמות קונבנציונליות10. מפות פונקציונליות יכולות לספק תובנה לגבי אילו חלקים במערכת מתפקדים, ובכך לספק מידע שאינו ניכר מתצפיות קליניות11. הצלחה בתנועת כף הרגל ושיקום כוח עם MRI לחולי שבץ מוחי תקל על פיתוח אסטרטגיות טיפול מותאמות אישית המבוססות על מדדי MRI לאוכלוסייה רחבה יותר עם מצבים נוירולוגיים אחרים.
בעבודה המוצגת כאן, מתואר השימוש במכשיר רובוטי המושרה על ידי כף רגל תואם MR (MR_COFID או מכשיר כף הרגל) במהלך סריקת fMRI כדי לבחון את ההשפעות של אימון מיומנויות מוטוריות לאחר שבץ מוחי על תפקוד המוח. המוטיבציה לפיתוח מכשיר כף הרגל בעל התנגדות מבוקרת זו הייתה הצורך הקריטי שלא נענה לשיקום תנועת כף הרגל בחולי שבץ מוחי. בניית מערכת המתאימה הן להדרכה ביתית והן למשרד ולניטור מבוסס MR של התגובות לפעילויות הדרכה יוצרת גישה אחידה המתייחסת למגבלות קודמות הן מבחינת הדרכה והן מבחינת הערכה.
ה-MR_COFID (איור 1A) הוא התאמה של המכשיר הרובוטי המושרה ביד תואם תהודה מגנטית (MR_CHIRODv2)8,12, שהשתמש במפעיל נוזל אלקטרו-ריאולוגי (ERF) כדי לספק כוח התנגדות מבוקר דינמית בתגובה לנושא שתופס ולוחץ את מנגנון הידית שלו. מפעיל ה-ERF (איור 1B) הוא בוכנה דו-כיוונית ממולאת בנוזל שבה ה-ERF בצד אחד של הבוכנה נאלץ על ידי תנועת בוכנה לזרום בין זוג אלקטרודות בתעלה, המחזירה את הנוזל לצד השני של הבוכנה. כאשר מתח גבוה (HV) מופעל על האלקטרודות, חלקיקים בשמן הסיליקון הלא מוליך מתיישרים ונקשרים מכנית זה לזה, ובכך מגבירים את צמיגות הנוזל ואת עמידות המכשיר לתנועה. במכשיר אחיזת היד, המפעיל מחובר ישירות לידיות האחיזה, לתא עומס למדידת הכוח המופעל ולמקודד אופטי למדידת תזוזה של הידית. התקן כף הרגל החדש הופך את הפעולה הליניארית של התקן האחיזה לתזוזה הזוויתית של כף הרגל בכיפוף גבי וכיפוף פלנטרי באמצעות מנגנון מחוון ארכובה (איור 1C). כוח ההתנגדות ממפעיל ה-ERF מומר כמעט ביחס למומנט ההתנגדות סביב מפרק הקרסול. תנועת הארכובה של הדוושה היא סימטרית סביב הווקטור בניצב לציר המפעיל הראשי, ובכך מנצלת את הקירוב שזווית הארכובה והסינוס שלה כמעט שווים לזוויות קטנות. מכיוון שרק כוחות התנגדות יכולים להיות מופעלים על ידי ERF, המערכת בטוחה מטבעה; המפעיל אינו יכול לדחוף או למשוך את כף הרגל באופן פעיל, והכוח יורד לאפס כאשר הנושא מפסיק לנוע. הכיפוף המרבי של כף הרגל הוא 35 מעלות והגב המרבי הוא 18 מעלות. ערכים אלה נמצאים בטווח התנועה של כף הרגל בתנאי הליכה רגילים ותנאים שאינם נושאי משקל13,14, כמעט זהים לערכים ששימשו במחקרים אחרים15, ונמצאו במהלך בדיקות מקדימות כעומדים או חורגים מטווחי התנועה של נבדקי השבץ בצד הפגוע שלהם ומאפשרים למקסם את כוחות ההתנגדות הזמינים באמצעות מנגנון ההולכה הליניארי-זוויתי. התקן האחיזה המקורי ומנגנון תנועת כף הרגל הנוסף נבנו מחומרים לא ברזליים (פלסטיק, אלומיניום, פליז) לבטיחות MR.
מפעיל ה-ERF משתמש בשדות חשמליים משתנים, ולא מגנטיים, כדי לשנות את צמיגות הנוזל ולכן אינו מושפע מהשדות המגנטיים של סורק ה-MR. מפעיל ה-ERF סגור בתוך מעטפת נחושת גלילית המחוברת למוליך המגן של כבל ה-HV הקואקסיאלי; כבל זה, בתורו, מקורקע ללוח החדירה של כלוב פאראדיי של סורק ה-MR. זה מונע מרעש פוטנציאלי בתדר רדיו מהמתח המשתנה המופעל על המפעיל להשפיע על הסורק ומונע מהשדות המגנטיים המשתנים של הסורק לגרום לזרמים בכבלים, מה שעלול לשנות את צמיגות ה-ERF. כבל ה-HV ממשיך מחוץ ללוח החדירה ל-HV ampחיים יותר. נעשה שימוש במחברי MHV (מתח גבוה זעירים) קואקסיאליים, המספקים בטיחות נוספת בעת נשיאת מתחים של עד 4 kV (איור 2).
לכבלים הנפרדים מהמקודד האופטי ומתא העומס יש מגנים המוארקים גם ללוח החדירה, ובכך מונעים מהאותות שלהם (במיוחד האותות הדיגיטליים מערוצי המקודד) להשפיע על הסורק או על יציאת תא עומס המתח הקטן. הכבלים הממוגנים והמוארקים מחוץ ללוח החדירה נושאים אותות למודול רכישת הנתונים (DAQ). הפלט של תא העומס, המשתמש בגשר וויטסטון מפוצה טמפרטורה, מוגבר על ידי מגבר מכשור המחובר למסופי הכניסה האנלוגיים של ה-DAQ, ומספק גורם הגברה פי 1,000.
מודול ה-DAQ מריץ קושחה באמצעות שפת הסקריפטים Lua (קידוד משלים file 1). הסקריפט שנטען על מודול ה-DAQ פועל בקצב לולאה של 500 הרץ, והמודול קורא את המקודד ואת אות תא העומס המוגבר, ממיר את קריאות החיישן לערכי אורך וכוח ומאחסן אותם באוגרי זיכרון לגישה ורישום על ידי ממשק משתמש של קובץ m (UI; איור 3) במחשב הנייד המארח (קובץ קידוד משלים 2). המחשב הנייד המארח שולח ערכי כוח יעד עבור כיפוף דורסי וכיפוף פלנטרי, פרמטרים של בקר לולאה סגורה ופקודות איפוס מקודד לאוגשי זיכרון נוספים במודול DAQ בעת הצורך. סקריפט ה-DAQ מפעיל לולאת בקרה המזהה את כיוון תנועת הדוושה כדי לקבוע איזה כוח להפעיל: כיפוף דורסי או כיפוף פלנטרי. לאחר מכן הוא מחשב מתח מוצא פרופורציונלי להפרש בין ערכי הכוח הנמדד והיעד, המוגבל על ידי 0 V ו-4 V, שהוא טווח הכניסה המותר של מגבר HV. ה-ERF מגיב לגודל השדה החשמלי המופעל; היפוך המתח אינו מפחית את הצמיגות מתחת לזו של הנוזל הלא מופעל (ללא שדה חשמלי), ולכן פלט ה-DAQ מוגבל למינימום של 0 וולט. ה-DAQ מכמת (רזולוציה של 12 סיביות) ודוגם (500 הרץ) את המתחים האנלוגיים, וכתוצאה מכך פלט מדרגות למגבר HV שיכול לגרום לרכיבים בתדר גבוה ביציאת ה-HV עקב השינויים המהירים בכל שלב. למגבר HV יש רוחבי-פס אותות קטנים וגדולים של 35 קילו-הרץ ו-8 קילו-הרץ, בהתאמה, כך שכדי להפחית את האפשרות שנוצר רעש RF הניתן לזיהוי על ידי הסורק, פלט ה-DAQ משתמש במסנן RC מסדר ראשון עם תדר -3 dB בכ-900 הרץ, כך שכמעט מתבטלים תדרים גבוהים יותר. בנוסף, מכשיר כף הרגל ממוקם מחוץ לקידוח הסורק ליד רגלי המיטה, מה שממזער עוד יותר כל אינטראקציה בין חיישני המכשיר, המפעיל והסורק. המגבר, עם הגבר של 1,000 V/V ותפוקת שיא של 4 kV, מייצר שדות על פני פער ה-ERF עד 4 kV/mm; למרות שמתח הפריצה של נוזל ERF אינו מדווח על ידי הספק, צמיגות ופרמטרים אחרים מתוארים עד לרמה זו. צילינדר ה-ERF יכול להפעיל מעט יותר מ-200 N של כוח כאשר הוא מופעל במלואו ומונע במהירות המטרה. אורך זרוע הרגע שבו מוט החיבור מצטרף לדוושה הוא 56 מ"מ, וכתוצאה מכך מומנט מרבי של כ-11.2 ננומטר. זה די והותר לנבדקים עם שיתוק כף הרגל; עם זאת, ניתן להתגבר עליו על ידי נושאים חזקים ובריאים. רכיבי החומרה מפורטים בטבלת החומרים.
השימוש במכשיר כף הרגל מתבסס על פרדיגמות האימון והבדיקה שפותחו עם מכשירי אחיזת יד קודמים 3,4,5,6,7,8,16 ועבודות אחרות 11,17,18. בזמן הפרסום, מכשיר זה שימש עם נבדקים עם שבץ מוחי כרוני עם ליקויים הקשורים לכף הרגל כדי לחקור שינויים נוירופלסטיים מונעי טיפול באמצעות הדמיית MR והערכות ביצועים כמותיות.
כפי שמתואר בפרוטוקול שלהלן, הנבדקים שעוברים סריקה שוכבים על מיטת הסורק, וראשיהם משותקים בתוך סליל ראש הסורק וממוקמים באיזוסנטר של הסורק. מכשיר כף הרגל ממוקם וננעל במקומו כך שרגלו של הנבדק ישרה, וכף רגלו קשורה לדוושה המתאימה של המכשיר. באופן זה, כיפוף בקרסול אינו גורם לדחיפה או משיכה כנגד המכשיר, מה שעלול לשנות את מיקום הראש בתוך הסליל. מסגרת מראה ממוקמת מול עיני הנושא, ומאפשרת לו לצפות במסך הקרנה המציג הוראות ורמזים חזותיים למשימה המוטורית.
במהלך המשימה, הנבדק צופה בסימן "+" בתקופות מנוחה או במטרונום חזותי במהלך הבדיקה, בו עיגול אחד נע למעלה ולמטה על המסך (מטרה), ומוצג עיגול נוסף שנע בשליטת מיקום דוושת הרגל של המכשיר (סמן; איור 4). הנבדקים מתבקשים לעקוב מקרוב אחר תנועת המטרה. מהירות היעד נקבעת כך שכוח התגובה הצמיג הלא מופעל של המכשיר (הכוחות הצמיגים גדלים עם המהירות הגוברת) נמוך מספיק כדי שכל נבדק יוכל להתגבר עליו, עם כוחות מוגברים המופעלים תחת שליטת המחשב.
רובוטיקה נפרסת בקלות, ישימה על פני ליקויים מוטוריים שונים, בעלת אמינות מדידה גבוהה ובעלת יכולת לספק אימון בעצימות גבוהה10. מכשיר מבוסס ERF זה מספק כוח התנגדות מבוקר דיגיטלית לנבדק, ומכשיר זה בטוח ל-MR בשילוב עם רכיבים לא ברזליים/לא מגנטיים, כמו גם תואם MR עקב השימוש באלקטרוניקה מוארקת ומסוככת12. יש לו יתרונות ביחס למכשירים קשורים בכך שהוא נייד ופשוט יחסית לשימוש, כלומר ניתן להשתמש בו הן בסביבות קליניות והן בבית, שם ניתן לבצע טיפול קבוע ללא עלויות הקשורות לנסיעות או למתקן הקליני. המכשיר יכול לייצר התנגדות מבוקרת מחשב ומשתנה בזמן בכיפוף כף הרגל ובכיפוף הגב כדי להקל על יצירת שגרות שיקום ספציפיות למטופל ובכך לטפל בפער בתחום מכשירי השיקום הזמינים מסחרית.
מכשירי מחקר אחרים אכן קיימים אך לא התאימו למחקר הנוכחי מסיבות שונות. חלק מהמכשירים הם סטטיים, ומודדים כוחות המופעלים באופן איזומטרי19 ולא על טווח התנועה של הנבדק (RoM). מכשירים מבוססי אלסטי מפעילים כוח הולך וגובר עם תזוזה הולכת וגוברת, במקום התנגדות קבועה על ה-RoM, ויש לכוונן אותם ידנית כדי לשנות את רמות הכוח 20,21,22. השימוש במשקלים קבועים ועומס כבידה 15,23 אינו מאפשר בקרה ממוחשבת של העומסים או עומסים שונים לכיפוף פלנטרי וכיפוף גבי. מכשירים פנאומטיים 24,25,26 מאפשרים שינויים בכוח בין בדיקות וכוח קבוע על פני ה-RoM; עם זאת, יהיה צורך למקם את השסתומים במרחק מהסורק, כך שבדרך כלל, מכשיר זה לא יוכל לעבור בין כוחות כיפוף פלנטרי ודורסיפלקסיה במהירות בעת שינוי כיוון כף הרגל ולא יהיו לו יכולות תגובת התדר של מפעילי ERF. ניתן להשתמש במנועים אלקטרומגנטיים27 בסביבת הסורק אך רק על ידי הרחבת המנגנון מספיק כדי לשמור על בטיחות ותאימות MR, מה שמגביל את הניידות ומגביר את הסיכון לתאונות אם אחד מרכיבי המנוע יובא קרוב מדי לקידוח. הידראוליקה28 יכולה להיות דו-כיוונית ברמות כוח שונות אך יש לה אתגרים דומים לשימוש במנועים אלקטרומגנטיים בכך שהמדחס/דוחף (בדרך כלל לא תואם MR) חייב להיות מרוחק מהקידוח, ובכך להגביל את הניידות ואת תגובת התדר. הידראוליקה שולבה עם מערכות ERF29 כך שהמערכת יכולה להניע לאחור את אפקטור הקצה (התקן רגל או אחיזה) ולספק התנגדות איזומטרית; עם זאת, יכולת זו לא הייתה נדרשת למחקר הנוכחי ונוספה במחיר של שימוש במנועים הידראוליים שאינם תואמי MR.
מכשיר כף הרגל מספק שילוב של תכונות המאפשרות את הדברים הבאים: תרגילי שליטה טיפוליים מדויקים ועקביים בכף הרגל לתקופות ממושכות; מדידת יכולת הביצועים המוטוריים הנוכחית של הנבדק והתאמת קושי המשימה עם התקדמות השיקום; בקרה בזמן אמת והתאמה עצמאית של הכוח המופעל הן בכיפוף פלנטרי והן בכיפוף הגב; שליטה מרחוק והתאמת כוח ההתנגדות ללא הפרעות להתאמה ידנית; ובטיחות ותאימות MR.
כל הניסויים אושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית בבית החולים הכללי של מסצ'וסטס ובוצעו כפי שאושר במרכז Athinoula A. Martinos להדמיה ביו-רפואית. הושגה הסכמת הנבדק לשימוש ושיתוף של נתונים לא מזהים.
הערה: במחקר הנוכחי, קריטריוני ההכללה היו כדלקמן: (1) המיפרזיס ימני או שמאלי עם תנועת רגליים שיורית משבץ איסכמי/MCA שנגרם ≥6 חודשים קודם לכן; (2) ציון30 מתוך 4-5 בקטגוריית אמבולציה פונקציונלית (FAC) (הנבדק מתנייד עם עוזר כדי לנווט במדרגות/משטחים לא ישרים או ללא עזרת עוזר); (3) סולם שבץ מוחי של המכונים הלאומיים לבריאות (NIHSS)31 ציון של 5-14 (קל/בינוני); (4) היכולת לעמוד 5 דקות וללכת 10 מ'; (5) בגיל 18-80. לאחר בדיקה ראשונית, נכלל קריטריון נוסף, שכלל אימות שהנבדקים יכולים להזיז את הדוושה בתנועה של לפחות 5 מעלות עם כף הרגל הפרטית. נאספו נתונים על נתונים דמוגרפיים, גורמי סיכון לשבץ מוחי, משך הפיזיותרפיה / ריפוי בעיסוק, משך האשפוז בשלב האקוטי, שימוש בתרופות, זיהומים בין-זרמיים וסיבוכים.
1. סינון והכנת נושא
2. הגדרת מכשיר כף הרגל בעל ההתנגדות המבוקרת
הערה: מומלץ להשלים את שלבים 2.1-2.3 לפני הגעת הנבדק.
3. בדיקת חוזק הנושא
4. הפעלת סשן סריקת MRI ומשימת מכשיר כף הרגל
5. פעולות לאחר הבדיקה
התוצאות המתוארות כאן מתייחסות לתאימות MR של מכשיר כף הרגל, ניתוח של תוצאות סריקה פונקציונליות טיפוסיות והערות על מכשיר כף הרגל.
מכשיר כף הרגל הוערך לבטיחות MR על ידי צוות מרכז Athinoula A. Martinos ונבדק לתאימות MRI בסורק MRI 3 T. לבדיקות פנטום באמצעות גליל המכיל תמיסה של ...
שלבים קריטיים
הבדיקה המוקדמת של יכולתו של הנבדק לייצר לפחות תנועה מינימלית של דוושת כף הרגל עם כף הרגל החלקית שלו היא קריטית. ציון FAC של 4 או 5 והיכולת לעמוד לפרק זמן מינימלי משקפים את היכולת המשולבת של הנבדק בין הגפיים הלא מושפעות והפרטיות שלו ואינם משקפים את ה?...
לאף אחד מהמחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי מענק מהמכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי (מענק מספר 1R01NS105875-01A1) של המכונים הלאומיים לבריאות לא. עבודה זו בוצעה במרכז Athinoula A. Martinos להדמיה ביו-רפואית. ברצוננו להודות למנהל ד"ר ברוס ר. רוזן, ד"ר לרפואה ולחברי צוות מרכז מרטינוס, ולד"ר מיכאל מוסקוביץ, ד"ר, על עצתם ותמיכתם. לבסוף, אנו מודים ל-Virtumed, LLC על ייצור המכשיר.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved