기능적 근적외선 분광법과 하지의 로봇 보조 다관절 포인팅 운동을 이용한 실험

요약

전 세계 6명 중 1명은 일생 동안 뇌졸중을 앓아 장기적인 장애를 유발하는 것으로 추정되며, 이러한 재활 메커니즘은 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 이 연구는 하지 로봇 치료 세션 동안 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)으로 뇌 활성화를 평가하는 프로토콜을 제안합니다.

초록

뇌졸중은 매년 전 세계적으로 약 1,700만 명에게 영향을 미치며 장기 장애의 주요 원인입니다. 로봇 치료는 뇌졸중 환자가 잃어버린 운동 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 운동 회복이 어떻게 일어나는지에 대한 이해를 높일 수 있는 한 가지 방법은 건강한 사람의 치료 대상이 되는 운동 중 뇌 활성화를 연구하는 것입니다. 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)은 운동 기능의 신경 토대를 검사하기 위한 유망한 신경 영상 기술로 부상했습니다. 이 연구는 건강한 피험자의 복잡한 하지 움직임의 fNIRS 신경 상관 관계를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 참가자들은 운동 재활을 위한 로봇 장치를 사용하여 6분 동안 휴식과 움직임의 주기를 수행하도록 요청받았습니다. 이 작업에는 컴퓨터 화면에 표시된 표적을 가리키기 위해 무릎과 발목 관절의 조정된 움직임이 필요했습니다. 로봇이 제공하는 다양한 수준의 이동 지원을 사용하는 두 가지 실험 조건을 탐색했습니다. 그 결과, fNIRS 프로토콜은 작업 중 운동 제어와 관련된 뇌 영역을 효과적으로 감지하는 것으로 나타났습니다. 특히, 모든 피험자는 도움을 받은 조건에 비해 도움이 없는 상태에서 반대쪽 전운동 영역에서 더 큰 활성화를 보였습니다. 결론적으로, fNIRS는 하지의 다관절 포인팅 운동과 관련된 옥시헤모글로빈 농도의 변화를 감지하는 데 유용한 접근법인 것으로 보입니다. 이 연구는 뇌졸중 운동 회복 메커니즘에 대한 이해에 기여할 수 있으며 뇌졸중 환자를 위한 개선된 재활 치료를 위한 길을 열 수 있습니다. 그러나 운동 기능 연구와 임상 환경에서의 응용에 대한 fNIRS의 잠재력을 완전히 설명하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.

서문

역학 데이터에 따르면 전 세계적으로 매년 ~1,700만 건의 새로운 뇌졸중 사례가 발생하며 저소득 및 중간 소득 국가에서 발병률이 증가하고 있습니다¹. 신규 확진자 수는 2030년까지 7,700만 명으로 증가할 것으로 추정². 뇌졸중으로 인한 운동 장애는 종종 환자의 이동성과 일상 생활 활동 참여에 영향을 미쳐 삶의 질을 저하시킵니다. 전통적인 운동 재활에는 도수 치료가 포함되지만 지난 수십 년 동안 재활을 위한 로봇 시스템이 개발되었습니다. 이러한 시스템은 고강도, 용량, 정량화성, 신뢰성, 반복성^{및 유연성으로} 치료를 제공할 수 있으며3 급성 및 만성 뇌졸중 환자 모두에게 효과적인 재활 치료로서의 잠재력을 보여주었습니다 ^4,5,6. 재활을 위한 로봇 시스템은 치료를 제공하는 것 외에도 환자의 움직임 운동학적/운동학적 데이터를 측정할 수 있는 센서를 장착할 수 있으므로 평가 도구로 사용할 수 있습니다 ^7,8....

프로토콜

이 연구는 UNICEP(Centro Universitario Paulista)의 지역 윤리 검토 위원회의 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 인간과 관련된 과학 연구에 관한 모든 기관 지침 및 연방 규범에 따라 정보에 입각한 동의를 제공했습니다. 그들은 브라질 연방 규정에서 요구하는 금전적 보상을 받지 못했다.

1. fNIRS 시스템

1. 8개의 광원(760nm 및 850nm)과 8개의 광 검출기( 그림 2 참조, 광원 위치: FC1, FC2, C3, Cz, C4, CP1, CP2 및 Pz, 검출기 위치(FCz, C1, C2, CPz, P1 및 P3))와 같은 16개의 옵토드를 사용하여 캡을 준비합니다. 여덟 번째 감지기를 각 소스 옵토드에 연결된 근거리 어댑터에 부착합니다.
2. fNIRS 수집 소프트웨어를 열고 각 옵토드의 배치를 사용하여 몽타주를 불러옵니다.
3. fNIRS 신호 시간 샘플링 레이트를 10.17Hz로 설정합니다.

2. 참가자

1. 참가자에게 연구 관련성과 실험 프로토콜을 간략하게 설명합니다.
....

토론

이 개념 증명 연구에서는 하지 재활을 위해 로봇을 사용하여 다양한 유형의 움직임으로 운동하는 동안 건강한 피험자의 fNIRS 데이터를 사용하여 뇌 활성화 매핑에 대한 추론을 할 수 있는 가능성을 조사했습니다. 성인의 일반적인 fNIRS 기록 세션은 6분⁵⁴보다 깁니다. 그러나 재활 환경의 맥락에서 녹음을 가능하게 하려면 피험자의 불필요한 피로와 노력을 피하기 위해 실험의 전?.......

자료

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.