Использование индуцированного стопным аппаратом с цифровым управлением сопротивления для оценки функциональной магнитно-резонансной томографии у пациентов с парезом стопы

Резюме

Застрахованная реабилитация пациентов с хроническим инсультом, как правило, ограничена по времени. Основанное на визуализации исследование активности мозга от двигательных задач, связанных с ходьбой, может привести к установлению биомаркеров для измерения улучшенных результатов и обоснования расширения индивидуальной терапии. Представлено новое, совместимое с магнитно-резонансной томографией устройство для движения стопы с переменным сопротивлением и протокол использования во время функциональной магнитно-резонансной томографии.

Аннотация

Неврологические нарушения в результате инсульта могут привести к долгосрочным двигательным нарушениям, в том числе тем, которые влияют на ходьбу. Тем не менее, обширная реабилитация после инсульта, как правило, ограничена по времени. Установление прогностических биомаркеров для выявления пациентов, которые могут получить значимую пользу от дополнительной физиотерапии и продемонстрировать улучшение, важно для улучшения качества жизни пациентов. Обнаружение нейропластического ремоделирования пораженной области и изменений в паттернах активности, возбуждаемых при выполнении подходящих двигательных задач, может иметь ценные последствия для восстановления после хронического инсульта. Этот протокол описывает использование роботизированного устройства (MR_COFID) с цифровым управлением, совместимого с магнитно-резонансной томографией, для представления персонализированной ножно-моторной задачи, включающей следование траектории пострадавшим от инсульта субъектам с нарушениями походки во время функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В задании сгибание стопы выполняется против двунаправленных сил сопротивления, которые настраиваются на силу субъекта как в направлении тыльного сгибания, так и в направлении подошвенного сгибания, следуя при этом визуальному метроному. ФМРТ неинвазивно использует эндогенный дезоксигемоглобин в качестве контрастного вещества для выявления изменений, зависящих от уровня оксигенации крови (BOLD) между активным периодом и периодом покоя во время тестирования. Повторное периодическое тестирование может выявить связанные с терапией изменения в паттернах возбуждения во время выполнения задачи. Использование этого метода позволяет получить данные для идентификации и измерения биомаркеров, которые могут указывать на вероятность того, что реабилитация принесет пользу человеку сверх той, которая в настоящее время предоставляется пациентам с инсультом.

Введение

Использование количественных показателей, полученных на основе функциональной и структурной визуализации мозга, может быть более полезным и эффективным для отслеживания прогресса и прогнозирования результатов терапии инсульта, чем оценка клинических показателей, и эти количественные показатели могут быть полезны при разработке и совершенствовании^{индивидуальных планов терапии.} Разработка эффективных, персонализированных стратегий, которые связывают моторную тренировку с измеримой реорганизацией нейронной активности и/или улучшением двигательных функций, остается сложной задачей. В предыдущих работах было разработано понимание того, как методы функциональной нейровизуализации и картирование мозга у пациентов, страдающих хроническим инсультом, могут показать такие изменения 3,4,5,6,7,8. Изучение функции мозга в связи с выполнением захвата кисти (что является ключом к самодостаточности пациента и качеству жизни) привело к ожиданию, что этот метод также может быть применен для контроля движений ног, связанных с походкой, путем оценки соответствующих топографических паттернов нейронной активности и восстановления функций. Было высказано предположение, что включение функциональных карт травмы на основе МРТ может помочь охарактеризовать неврологические дефициты более точно, чем клинические^{оценки9}, и что использование роботизированных устройств более эффективно для восстановления мозга, чем традиционные^{парадигмы10}. Функциональные карты могут дать представление о том, какие части системы функционируют, тем самым предоставляя информацию, которая не очевидна из^{клинических наблюдений.} Успех в реабилитации движений стоп и силы с помощью МРТ у пациентов с инсультом будет способствовать разработке персонализированных стратегий лечения на основе показателей МРТ для более широкой популяции с другими неврологическими заболеваниями.

В представленной здесь работе описано использование МР-совместимого ножного индуцированного роботизированного устройства (MR_COFID или ножного устройства) во время сканирования фМРТ для изучения влияния тренировки двигательных навыков после инсульта на функцию мозга. Мотивацией для разработки этого устройства для ног с контролируемым сопротивлением послужила критическая неудовлетворенная потребность в реабилитации движений стопы у пациентов с инсультом. Создание системы, подходящей как для обучения на дому и в офисе, так и для мониторинга реакции на учебные мероприятия на основе МРТ, создает единый подход, который устраняет предыдущие ограничения как с точки зрения обучения, так и оценки.

MR_COFID (рис. 1A) представляет собой адаптацию предыдущего магнитно-резонансно-совместимого ручного роботизированного устройства (MR_CHIRODv2)^8,12, в котором использовался привод электрореологической жидкости (ERF) для обеспечения динамически контролируемой резистивной силы в ответ на захват и сжатие механизма рукоятки субъектом. Привод ERF (рис. 1B) представляет собой заполненный жидкостью двунаправленный поршень, в котором ERF на одной стороне поршня вынуждается движением поршня течь между парой электродов в канале, который возвращает жидкость на другую сторону поршня. Когда на электроды подается высокое напряжение (HV), частицы в непроводящем силиконовом масле выравниваются и механически связываются друг с другом, тем самым увеличивая вязкость жидкости и сопротивление устройства движению. В устройстве с рукояткой привод напрямую соединен с рукоятками рукоятки, с тензодатчиком для измерения приложенного усилия и с оптическим энкодером для измерения смещения рукоятки. Новое устройство для ног преобразует линейное действие устройства захвата в угловое смещение стопы при тыльном сгибании и подошвенном сгибании с помощью кривошипно-шатунного ползунка (рис. 1C). Сила сопротивления от привода ERF преобразуется почти пропорционально крутящему моменту сопротивления вокруг голеностопного сустава. Движение кривошипа педали симметрично относительно вектора, перпендикулярного оси главного привода, таким образом, извлекая преимущество из приближения, согласно которому угол кривошипа и его синус почти равны для малых углов. Поскольку ERF может оказывать только сопротивление, система по своей сути безопасна; Привод не может активно толкать или тянуть ногу, и усилие падает до нуля, когда объект перестает двигаться. Максимальное подошвенное сгибание устройства стопы составляет 35°, а максимальное тыльное сгибание – 18°. Эти значения находятся в пределах диапазона движений стопы при нормальной ходьбе и в условиях без нагрузки^13,14, почти такие же, как и значения, использованные в других исследованиях¹⁵, и в ходе предварительных испытаний были обнаружены, что они соответствуют или превышают диапазоны движений субъектов, перенесших инсульт, на их стороне, пострадавшей от травмы, и позволяют максимизировать доступные силы сопротивления с помощью Линейно-угловой механизм передачи. Оригинальное устройство захвата и дополнительный механизм движения ноги были сконструированы из цветных металлов (пластик, алюминий, латунь) для безопасности МРТ.

Привод ERF использует переменные электрические, а не магнитные поля для изменения вязкости жидкости и, таким образом, не подвержен влиянию магнитных полей МРТ-сканера. Привод ERF заключен в цилиндрическую медную оболочку, которая соединена с экранирующим проводником коаксиального высоковольтного кабеля; этот кабель, в свою очередь, заземлен на проходную панель клетки Фарадея МР-сканера. Это предотвращает воздействие на сканер потенциального радиочастотного шума от переменного напряжения, подаваемого на привод, и предотвращает индуцирование переменных магнитных полей сканера токов в кабелях, которые могут изменить вязкость ERF. Высоковольтный кабель выходит за пределы проходной панели к высоковольтному усилителю. Используются коаксиальные разъемы MHV (миниатюрные высоковольтные), которые обеспечивают дополнительную безопасность при переносе напряжения до 4 кВ (рисунок 2).

Отдельные кабели от оптического энкодера и тензодатчика имеют экраны, которые также заземлены на панели перепонки, что предотвращает воздействие их сигналов (особенно цифровых сигналов из каналов энкодера) на сканер или выход тензодатчика малого напряжения. Экранированные и заземленные кабели за пределами панели проходки передают сигналы к модулю сбора данных (DAQ). Выходной сигнал тензодатчика, в котором используется термокомпенсированный мост Уитстона, усиливается инструментальным усилителем, подключенным к аналоговым входным клеммам системы сбора данных, обеспечивая коэффициент усиления в 1000 раз.

Модуль сбора данных запускает прошивку с использованием языка сценариев Lua (Supplemental Coding File 1). Сценарий, загруженный в модуль сбора данных, работает с частотой 500 Гц, и модуль считывает сигнал энкодера и усиленного тензодатчика, преобразует показания датчика в значения длины и силы и сохраняет их в регистрах памяти для доступа и регистрации с помощью пользовательского интерфейса m-файла (UI; Рисунок 3) на хост-ноутбуке (Supplemental Coding File 2). Хост-ноутбук при необходимости отправляет целевые значения силы для тыльного и подошвенного сгибания, параметров контроллера замкнутого цикла и команд сброса энкодера в дополнительные регистры памяти на модуле сбора данных. Скрипт сбора данных запускает цикл управления, который определяет направление движения педали, чтобы определить, какую силу следует приложить: тыльное сгибание или подошвенное сгибание. Затем он вычисляет выходное напряжение, пропорциональное разнице между измеренным и целевым значениями силы, ограниченное 0 В и 4 В, что является допустимым диапазоном входного напряжения высоковольтного усилителя. ERF реагирует на величину приложенного электрического поля; реверсивное напряжение не снижает вязкость ниже вязкости жидкости, не находящейся под напряжением (без электрического поля), поэтому выходное напряжение сбора данных ограничено минимумом 0 В. Система сбора данных квантовает (12-битное разрешение) и дискретизирует (500 Гц) аналоговые напряжения, в результате чего на высоковольтный усилитель получается ступенчатый выход, который может вызывать высокочастотные компоненты на выходе высоковольтного напряжения из-за быстрых изменений на каждом этапе. Высоковольтный усилитель имеет малую и большую полосы пропускания сигнала 35 кГц и 8 кГц соответственно, поэтому для снижения вероятности генерации радиочастотного шума, обнаруживаемого сканером, на выходе сбора данных используется RC-фильтр первого порядка с частотой −3 дБ на частоте около 900 Гц, поэтому более высокие частоты практически исключаются. Кроме того, устройство для ног расположено за пределами отверстия сканера рядом с изножьем кровати, что еще больше сводит к минимуму любое взаимодействие между датчиками устройства, исполнительным механизмом и сканером. Усилитель с коэффициентом усиления 1 000 В/В и пиковым выходным напряжением 4 кВ генерирует поля в зазоре ERF со скоростью до 4 кВ/мм; Несмотря на то, что поставщик не сообщает о пробивном напряжении жидкости ERF, вязкость и другие параметры описаны до этого уровня. Цилиндр ERF может оказывать усилие чуть более 200 Н при полном включении и перемещении с заданной скоростью. Длина рычага момента в месте соединения шатуна с педалью составляет 56 мм, в результате чего максимальный крутящий момент составляет около 11,2 Нм. Этого более чем достаточно для субъектов с парезом стопы; Тем не менее, его можно одолеть сильными, здоровыми субъектами. Аппаратные компоненты перечислены в Таблице материалов.

Использование устройства для ног основывается на парадигмах обучения и тестирования, разработанных с более ранними устройствами для захвата рук 3,4,5,6,7,8,16 и другими работами 11,17,18. На момент публикации это устройство использовалось у пациентов с хроническим инсультом и дефицитом, связанным с ногами, для изучения нейропластических изменений, вызванных терапией, с помощью МРТ и количественной оценки эффективности.

Как описано в приведенном ниже протоколе, испытуемые лежат на спине на кровати сканера, а их головы обездвижены внутри катушки головки сканера и расположены в изоцентре сканера. Ножное устройство располагается и фиксируется на месте таким образом, что испытуемая нога находится прямо, а его ступня пристегнута к соответствующей педали устройства. Таким образом, сгибание в лодыжке не вызывает толчка или натяжения устройства, что может сместить положение головки внутри катушки. Рамка зеркала располагается перед глазами субъекта, позволяя ему видеть проекционный экран, на котором отображаются инструкции и визуальные подсказки для двигательной задачи.

Во время выполнения задания испытуемый видит либо знак «+» во время отдыха, либо визуальный метроном во время тестирования, при котором один круг движется вверх и вниз по экрану (мишень), а другой круг отображается, который движется под управлением положения ножной педали устройства (курсор; Рисунок 4). Испытуемых просят внимательно следить за движением мишени. Скорость цели определяется таким образом, чтобы незаряженная вязкая сила реакции устройства (вязкие силы увеличиваются с увеличением скорости) была достаточно мала для того, чтобы любой субъект мог ее преодолеть, при этом повышенные силы прикладываются под компьютерным управлением.

Робототехника проста в развертывании, применима при различных двигательных нарушениях, обладает высокой надежностью измерений и способна проводить высокоинтенсивные тренировки¹⁰. Это устройство на основе ERF подает на испытуемого силу сопротивления с цифровым управлением, и это устройство безопасно для МРТ в сочетании с нецветными/немагнитными компонентами, а также совместимо с МРТ благодаря использованию заземленной и экранированной электроники¹². Он имеет преимущества по сравнению с родственными устройствами в том, что он портативный и относительно простой в использовании, что означает, что его можно использовать как в клинических условиях, так и дома, где можно проводить регулярную терапию без затрат, связанных с поездками или клиническим учреждением. Устройство может создавать управляемое компьютером, изменяющееся во времени сопротивление при подошвенном сгибании и тыльной стороне сгибания, чтобы облегчить создание индивидуальных реабилитационных процедур для пациента и, таким образом, заполнить пробел в области коммерчески доступных реабилитационных устройств.

Существуют и другие исследовательские приборы, но по разным причинам они не подходят для настоящих исследований. Некоторые устройства являются статическими, измеряя силы, приложенные^{изометрически19}, а не по диапазону движений объекта (RoM). Устройства на упругой основе прикладывают возрастающее усилие с увеличением перемещения, а не постоянное сопротивление над RoM, и должны быть вручную отрегулированы для изменения уровней усилия 20,21,22. Использование фиксированных грузов и гравитационных нагрузок^15,23 не позволяет осуществлять компьютеризированное управление нагрузками или различными нагрузками для подошвенного сгибания и тыльного сгибания. Пневматические устройства 24,25,26 допускают колебания усилия между испытаниями и постоянное усилие по всему РМ; однако клапаны должны быть размещены на расстоянии от сканера, поэтому, как правило, это устройство не сможет быстро переключаться между подошвенными и тыльными сгибательными силами при изменении направления стопы и не будет обладать возможностями частотной характеристики приводов ERF. Электромагнитные двигатели^{можно использовать в} среде сканера, но только при таком удлинении механизма, чтобы обеспечить безопасность и совместимость с МРТ, что ограничивает портативность и увеличивает риск несчастных случаев, если какой-либо из компонентов двигателя будет слишком близко расположен к отверстию. Гидравлика²⁸ может быть двунаправленной при различных уровнях усилия, но имеет проблемы, аналогичные использованию электромагнитных двигателей, в том смысле, что компрессор/драйвер (обычно не совместимый с MR) должен находиться далеко от отверстия, что ограничивает портативность и частотную характеристику. Гидравлика была объединена с системами ERF²⁹ таким образом, что система может приводить в движение торцевой исполнитель (ножное или захватное устройство) и обеспечивать изометрическое сопротивление; однако эта возможность не требовалась для настоящего исследования и была добавлена за счет использования гидравлических двигателей, не совместимых с MR.

Устройство для ног обеспечивает комбинацию функций, которые позволяют: точные и последовательные терапевтические упражнения для контроля стопы в течение длительного времени; измерение текущей двигательной работоспособности субъекта и корректировка сложности задачи по мере прохождения реабилитации; контроль в режиме реального времени и независимая регулировка приложенного усилия как при подошвенном, так и при тыльной сгибании; дистанционное управление и регулировка силы сопротивления без перерывов для ручной регулировки; а также безопасность и совместимость МРТ.

протокол

Все эксперименты были одобрены Институциональным наблюдательным советом в Массачусетской больнице общего профиля и проведены в соответствии с утверждениями в Центре биомедицинской визуализации имени Афинулы А. Мартиноса. Получено согласие субъекта на использование и передачу обезличенных данных.

ПРИМЕЧАНИЕ: В данном исследовании критерии включения были следующими: (1) правый или левый гемипарез с остаточным движением ноги после ишемического инсульта/инсульта MCA, произошедшего ≥6 месяца назад; (2) категория функциональной передвижения (FAC)³⁰ баллов из 4-5 (субъект передвигается с помощником для навигации по лестницам/неровным поверхностям или без помощи помощника); (3) шкала инсульта Национальных институтов здравоохранения (NIHSS)³¹ от 5 до 14 баллов (легкая/умеренная); (4) способность стоять в течение 5 минут и ходить 10 м; (5) в возрасте от 18 до 80 лет. После первоначального тестирования был включен дополнительный критерий, который включал в себя проверку того, могут ли испытуемые перемещать педаль по крайней мере на 5° движения с помощью паретической ноги. Были собраны данные о демографии, факторах риска инсульта, продолжительности физической/трудотерапии, продолжительности пребывания в больнице во время острой стадии, использовании лекарств, интеркуррентных инфекциях и осложнениях.

1. Предметный отбор и подготовка

1. Во время вербовки встретьтесь с потенциальными испытуемыми и проверьте их способность двигать педали устройства своей неподвижной ногой.
   1. Проверьте посадку ноги каждого испытуемого в ножных педалях устройства. Для людей с маленькими ступнями проверьте посадку ноги при ношении кроссовок или аналогичной обуви, безопасной для МРТ.
   2. Субъекты, которые не могут приложить достаточное усилие для перемещения педали в диапазоне не менее 5° при выключенном устройстве, должны быть исключены из исследования.
2. До прибытия проинструктируйте испытуемых взять с собой проверенную обувь, если во время предварительного скрининга было установлено ее необходимость. Запишите информацию о предмете и получите информированное согласие в соответствии с институциональным протоколом.
3. В каждый день тестирования проверяйте испытуемых на наличие противопоказаний в соответствии с политикой учреждения МРТ. Получите подписанное разрешение на отказ от прав в случае наличия у людей с татуировками, которые могут вызвать раздражение и/или жжение, а также любые другие исключения, связанные с конкретным учреждением.
4. Попросите субъекта переодеться в одобренный учреждением халат/брюки и дождаться вызова в комнату для сканирования. Храните вещи субъекта в соответствии с политикой объекта. Если будет сочтено, что это необходимо, попросите субъекта надеть обувь.

2. Настройка ножного устройства с регулируемым сопротивлением

ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется, чтобы выполнение шагов 2.1-2.3 произошло до прибытия субъекта.

1. Настройка в комнате поддержки МРТ
   1. Поместите высоковольтный усилитель с подключенным модулем сбора данных на пол рядом с панелью проникновения. Подключите шнур питания переменного тока к настенной розетке, высоковольтный коаксиальный кабель — к клеммам высоковольтного усилителя и к коаксиальному штекеру MHV на панели ввода, а кабель датчика — к соответствующему разъему на панели ввода. Включите основной выключатель питания высоковольтного усилителя.
   2. Подключите штекер USB B кабеля USB к модулю сбора данных, а штекер USB A кабеля — к кабелю USB-ретранслятора. Проложите кабель USB-репитера из комнаты поддержки МРТ в комнату управления МРТ и при необходимости закрепите кабель на полу с помощью клейкой ленты, чтобы предотвратить смещение персонала или объекта при передвижении по объекту.
   3. Активируйте сканер комнатного проектора.
2. Настройка в диспетчерской МРТ
   1. Поместите хост-ноутбук с ножным устройством рядом с интерфейсом МРТ-сканера, подключите блок питания и включите ноутбук. Запустите приложение MATLAB и загрузите программу пользовательского интерфейса (UI).
   2. Подключите к ноутбуку USB-кабель кнопочного блока/триггерного сигнала сканера МРТ, кабель проектора сканера и кабель USB-репитера.
   3. Если это не было сделано ранее, отрегулируйте параметры монитора ноутбука таким образом, чтобы главное окно расширялось на экран проектора справа от главного окна ноутбука. Переместите указатель мыши с правой стороны главного окна ноутбука и убедитесь, что он перемещается в поле зрения экрана проектора. Переместите указатель мыши обратно в главное окно.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Формат сигнала запуска и кабеля проектора может отличаться в зависимости от объекта. Могут потребоваться видеоадаптеры или аналогичные устройства.
3. Настройка в комнате сканера
   1. Убедитесь, что стол сканера полностью находится за пределами отверстия сканера и полностью опущен.
   2. Установите катушку головки в соответствующий слот на столе сканера. Снимите верхнюю часть катушки и отложите ее в сторону. Накройте подушки стола сканера и нижнюю часть катушки для головы простыней больничного кроватного полотна.
   3. Установите экран проектора в отверстие на противоположном конце от стола сканера.
   4. Вставьте две пары латунных крепежных винтов в пазы для крепления катушки ближе к нижнему концу стола сканера и поместите ножное устройство между парами винтов. Неплотно прикрепите пластиковые стопорные скобы к винтам и юстировочным отверстиям в опорной пластине ножного устройства (рис. 1A).
   5. Прикрепите датчик и высоковольтные кабели к заглушкам на панели проходки. Убедитесь, что кабели не намотаны вокруг стола и не подвержены риску защемления или запутывания при перемещении стола в отверстие сканера. Убедитесь, что кабели датчика и высоковольтного кабеля удлинены без петель между ножным устройством и панелью проходки.
   6. Запустите программу пользовательского интерфейса в диспетчерской (запустите скрипт m-file) и убедитесь, что связь между хост-ноутбуком и модулем сбора данных установлена, наблюдая за подтверждающим сообщением в пользовательском интерфейсе (рисунок 3).
   7. Примите пропорции уровня силы по умолчанию в начальном диалоговом окне пользовательского интерфейса, нажав кнопку OK . Подождите, пока появятся диалоговые окна подтверждения и закройте себя, а также появится окно графика начальной силы и смещения в реальном времени.
   8. Обеспечить, чтобы в то время, как один сотрудник перемещает педаль ножного устройства по диапазону его движения, а другой сотрудник наблюдает за траекторией силы и смещения, траектория перемещения перемещается от −35° до +18° и обратно и чтобы кривая силы показывала положительные силы для движений в направлении тыльного сгибания и отрицательные силы для движений в направлении подошвенного сгибания. и возвращается к нулю в состоянии покоя. Это подтверждает работу датчиков, модуля сбора данных, высоковольтного усилителя и привода ERF (рис. 3A).
   9. Если сигналы выглядят нормальными, нажмите «Продолжить » в окне графика в реальном времени, а затем кнопку «Выключение » в диалоговом окне подтверждения. Если нет, проверьте кабельные соединения и разъемы питания, а затем при необходимости повторите действия по настройке.
4. Выравнивание объекта и устройства для ног
   1. Сопроводите объект из зала ожидания в комнату для сканирования. Проводите скрининг металлов в соответствии с политикой учреждения, чтобы проверить наличие незарегистрированных объектов или имплантатов. Обеспечьте субъекта защитными берушами.
   2. Попросите испытуемого сесть на стол, а затем лечь на спину, положив голову в нижнюю часть катушки для головы. Оказывайте помощь по мере необходимости. Установите набивку между головой объекта и стенками катушки для головы, чтобы предотвратить движение головы во время визуализации.
   3. Попросите испытуемого выпрямить ноги. Перемещайте устройство для ног к объекту или от него до тех пор, пока их каблуки (или каблуки обуви) не упрются в ножные сиденья устройства для ног. Отрегулируйте дальше, чтобы выровнять основной шарнир педалей с лодыжками объекта.
   4. Закрепите ножное устройство на месте с помощью пластиковых фиксирующих кронштейнов и пластиковых барашковых гаек.
   5. Попросите испытуемого снять непроверяемую ногу с педали и положить ее немного ближе к ножному устройству. При необходимости поддерживайте непроверенную ногу подушками. Пристегните испытуемую ногу к педали ножного устройства с помощью фиксирующих ремней на липучке, следя за тем, чтобы подушечка стопы субъекта (или передняя часть обуви субъекта) соприкасалась с педалью.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В данном исследовании, на неконтрольных (инсультных) субъектах, сначала была протестирована стопа, пораженная инсультом. После того, как проверка поврежденной ноги была завершена, эта нога была снята с педали, и неповрежденная нога была установлена на соответствующую педаль с использованием той же процедуры, что и в шаге 2.4.5.
   6. Предоставьте испытуемому сигнализатор с выжимной лампой, попросите его сжать лампу для ее проверки и напомните субъекту, что в любое время он может сжать лампочку для связи с техниками.
   7. Поднимите стол MR на полную высоту, чтобы объект мог видеть проекционный экран через узел зеркала.
   8. Установите верхнюю секцию катушки головки и установите узел зеркала обзора на катушку головки. Убедитесь, что объект четко видит экран проектора в зеркале.

3. Испытание предмета на прочность

1. Перезапустите пользовательский интерфейс. Примите стандартные пропорции уровня силы или отрегулируйте их, если это требуется в соответствии с протоколом исследования, и нажмите кнопку OK , как указано выше. Когда появятся следы силы/смещения, проинструктируйте испытуемого переместить испытуемую стопу как можно дальше в направлении тыльного сгибания и вернуться к полному подошвенному сгибанию три раза. Убедитесь, что траектории смещения и силы выглядят нормальными, как указано выше. При этом устанавливается диапазон движений для тестирования, который может быть меньше, чем у полного диапазона ножного устройства (рис. 3A).
2. Если результаты приемлемы, нажмите «Продолжить » в окне графика и «Да» - «Продолжить » в диалоговом окне подтверждения; нажмите на кнопку «Не повторить », если испытуемый неправильно следовал инструкциям по сгибанию; или нажмите «Перейти к завершению работы », если есть другие проблемы, и при необходимости устраните неполадки.
3. Когда появится диалоговое окно подтверждения даты/времени, нажмите Да - Продолжить в диалоговом окне или нажмите на другие параметры, если требуется другое имя файла или завершение работы.
4. Попросите испытуемого перевести испытуемую ногу в положение полного подошвенного сгибания и нажмите OK в диалоговом окне подтверждения. Появится окно с инструкциями/метрономом (обозначено на рисунке 3). С помощью мыши перетащите это окно в поле зрения проекционного экрана и нажмите OK, чтобы подтвердить, что это было завершено.
5. Убедитесь, что на проекторе отображаются инструкции по теме. Убедитесь, что стопа субъекта остается в полном подошвенном сгибании, и нажмите OK в соответствующем диалоговом окне. График пользовательского интерфейса изменяется на дисплей динамометра с указанием заданных значений силы сопротивления.
6. Описанный выше визуальный метроном появляется на проекционном экране со сплошным кругом мишени, движущимся вверх или вниз по экрану с постоянной скоростью, и открытым круглым курсором, управляемым положением педали ножного устройства. Попросите испытуемого двигать ногой, чтобы курсор внимательно следовал за движением цели. Если объект может успешно перемещаться по всей амплитуде движения, следуя за целью, нажмите на (Fd, Fp) + 10 на графике в реальном времени, чтобы увеличить заданные значения силы как для тыльного сгибания, так и для подошвенного сгибания (рис. 3B).
7. Понаблюдайте, продолжает ли объект точно отслеживать движение метронома.
   1. Если это так, нажмите на (Fd, Fp) + 10 еще раз, чтобы увеличить оба заданных значения силы. Если тыльное сгибание не может быть завершено, но подошвенное сгибание продолжает следовать целевому движению, нажмите на (Fd, Fp) - 10 один раз и нажмите на Fp + 10 дважды, чтобы уменьшить силу сопротивления тыльного сгибания на один шаг и увеличить подошвенное сопротивление на один шаг.
   2. Если сила тыльного сгибания была установлена, но субъект больше не может отслеживать метроном при подошвенном сгибании, нажмите на Fp - 10 один раз, а затем нажмите на Продолжить в окне графика в реальном времени. Текущие уровни сил используются программой пользовательского интерфейса в качестве опорных точек для пропорционально уменьшенных сил, приложенных на этапе испытаний.
   3. Если заданное значение силы подошвенного сгибания достигло максимальной настройки устройства для ног, нажмите «Продолжить » на графике в реальном времени и продолжите.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг 3.7.3 обычно выполняется для субъектов контрольной группы с нормальной силой ног и для непораженной конечности у пациентов с инсультом из-за превышения ими возможностей устройства, которое предназначено для фокусировки на силе пораженной конечности.
   4. Запишите уставки силы (показаны справа на графике кривой силы) для использования в будущем. Нажмите Да - Продолжить , Нет - Проверить еще раз для повтора или Выключить , если есть другие проблемы. Проинструктируйте испытуемого переместить испытуемую стопу до полного подошвенного смещения, а затем расслабиться.
8. Просмотрите использование лампы сжатия, последовательность сканирования и задачу с субъектом, а также ответьте на любые вопросы, которые могут возникнуть у субъекта до начала сканирования.
9. Проинструктируйте субъекта закрыть глаза во время этого шага. Используйте лазерную линию ориентира сканера, чтобы определить положение катушки головы/головы объекта. Переместите стол так, чтобы голова объекта находилась по центру отверстия сканера. Попросите персонал покинуть комнату сканера и закрыть дверь.

4. Выполнение сеанса МРТ и задачи устройства для ног

1. Выполните регистрацию субъекта в конкретном учреждении и загрузите протокол сканирования. Предупредите субъекта о том, что начнется анатомическое сканирование и что он может расслабиться во время этой части протокола, и попросите его сжать лампочку, чтобы убедиться в его понимании. Начните анатомическое сканирование и дождитесь его завершения.
2. В соответствии с указаниями диалогового окна, предоставленного пользовательским интерфейсом, уведомить испытуемого о том, что начнется часть исследования, связанная с фМРТ и устройством стопы, и проинструктировать его, что он должен убедиться, что его исследуемая стопа находится в полном подошвенном сгибании, что он должен вернуть свою стопу к полному подошвенному сгибанию, когда на экране появится фиксирующий крест. и что они должны следовать за визуальным метрономом, когда он появляется. Нажмите OK в диалоговом окне инструкции.
3. Следуйте инструкциям, которые предписывают оператору подготовить компьютер управления сканером к началу части протокола, посвященной фМРТ. Нажмите OK в диалоговом окне инструкции и запустите последовательность фМРТ. Программа пользовательского интерфейса автоматически отправляет желаемые настройки силы в модуль сбора данных.
   Примечание: В данном исследовании задача визуального метронома выполнялась три раза для пораженных и непораженных конечностей с уровнями силы 60%, 40% и 20% от максимальных уровней, установленных на шаге 3.7. Уровни силы обновляются автоматически при каждом повторении теста.
4. Испытуемый просматривает свои инструкции, отображаемые на экране проектора. Появляется знак «+» (фиксирующий крест), во время которого, как было сказано ранее, субъект отдыхает.
5. Визуальная цель метронома отображается со сплошным кругом, движущимся вверх и вниз с постоянной скоростью. Как было сказано ранее, испытуемый двигает испытуемой ногой тыльным сгибанием и подошвенным сгибанием, чтобы открытый круговой курсор следовал за целью.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В данном исследовании остальные (фиксирующий крест) и активные (метроном) фазы были одинаковой длины, и цикл повторялся семь раз. Во время фазы метронома происходило два цикла тыльного сгибания и подошвенного сгибания в диапазоне движения. Эти параметры могут быть скорректированы в скрипте пользовательского интерфейса для других исследований. Каждая фаза фМРТ/метронома длилась примерно 5 мин 40 с.
6. Повторите шаги 4.4 и 4.5 в общей сложности семь циклов, после чего фиксирующий крест отображается и объект отдыхает.
7. Повторите шаги 4.2-4.6 в общей сложности три цикла.
8. Войдите в комнату для проведения МРТ и поменяйте местами ножку, установленную в устройстве для ног, в соответствии с шагом 2.4.5. Повторите раздел протокола 3 для второй ноги.
9. Повторите раздел протокола 4, минуя шаг 4.1 и шаг 4.8 (регистрация, анатомическое сканирование, переключение лапки).
10. Предупредите испытуемого о том, что начнется часть сканирования DTI и что он может расслабиться во время этой фазы исследования, и попросите его сжать лампочку, чтобы подтвердить свое понимание. Запустите сканирование DTI и дождитесь его завершения.

5. Пост-тестовые операции

1. Переместите стол и объект из отверстия сканера и опустите стол. Снимите узел зеркала, верхнюю часть катушки головки и набивку вокруг головы объекта. В это время от защитных наушников можно отказаться.
2. Помогите подопечному сесть и при необходимости переместитесь в зону для переодевания. Теперь субъект может переодеться обратно в свою обычную одежду.
3. Поговорите с испытуемым, ответьте на любые вопросы, которые могут возникнуть у него после теста, договоритесь о назначении будущих встреч и заполните формы выплаты стипендии до отъезда субъекта.
4. Разберите и упакуйте оборудование, а также снимите устройство на лодыжке со стола сканера. Отсоедините высоковольтные кабели и кабели датчика от панели проходки. Отсоедините кнопочный блок и кабели монитора от хост-ноутбука. Упакуйте устройство для лодыжки и вспомогательное оборудование в чехлы для переноски.
5. Выполняйте санитарную обработку стола сканера и соответствующих рабочих поверхностей и оборудования, специфичных для конкретного объекта.
6. Извлекайте данные из временных папок в системе сканера для анализа в автономном режиме. Выполните процедуры выхода из системы.

Результаты

Описанные здесь результаты относятся к МР-совместимости устройства для ног, анализу типичных результатов функционального сканирования и примечаниям к устройству для ног.

Устройство для ног было оценено на безопасность для МРТ сотрудниками Центра Ати...

Обсуждение

Критические шаги
Предварительное тестирование способности испытуемого генерировать хотя бы минимальное движение ножной педали с помощью паретической ноги имеет решающее значение. Оценка FAC 4 или 5 баллов и способность стоять в течение минимального период...

Материалы

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