تحليل بيانات النشاط القشري النوعي والمقارن من تجربة الطيف الوظيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء التي تطبق تصميم الكتلة

نحن نصف تحليل الموجات المستمرة الوظيفية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء تجربة التحليل الطيفي باستخدام تصميم كتلة مع مهمة الحسية. ولزيادة موثوقية تحليل البيانات، استخدمنا رسم الخرائط الاحصائية الاحصائية العامة الخطية النوعية القائمة على النماذج والنماذج المختلطة الهرمية المقارنة للقنوات المتعددة.

تلعب دراسات التصوير العصبي دورا محوريا في تقييم الحالات العصبية قبل مقابل ما بعد التدخل مثل إعادة التأهيل والعلاج الجراحي. من بين العديد من تقنيات التصوير العصبي المستخدمة لقياس نشاط الدماغ ، يمكن التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) من تقييم الأنشطة القشرية الديناميكية من خلال قياس مستويات الهيموغلوبين المحلية المشابهة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). أيضا ، بسبب تقييد أقل المادية في fNIRS ، يمكن تقييم المتغيرات المتعددة من المهام الحسية الحركية. وقد طورت العديد من المختبرات عدة طرق لتحليل بيانات fNIRS؛ ومع ذلك، وعلى الرغم من أن المبادئ العامة هي نفسها، لا توجد طريقة موحدة عالميا. هنا، نقدم الأساليب النوعية والتحليلية المقارنة للبيانات التي تم الحصول عليها من تجربة fNIRS متعددة القنوات باستخدام تصميم الكتلة. للتحليل النوعي، استخدمنا برنامجا ل NIRS كنهج أحادي المتغيرات الشامل استنادا إلى النموذج الخطي المعمم. يظهر تحليل NIRS-SPM نتائج نوعية لكل جلسة من خلال تصور المنطقة المنشطة أثناء المهمة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الرقمن ثلاثي الأبعاد غير الغازي لتقدير مواقع قناة fNIRS بالنسبة للدماغ. 11- ولتثبت النتائج التي توصل إليها نظام NIRS-SPM، يمكن تحليل اتساع التغيرات في مستويات الهيموغلوبين الناجمة عن المهمة الحسية الحركية إحصائيا بمقارنة البيانات التي تم الحصول عليها من جلستين مختلفتين (قبل وبعد التدخل) لنفس موضوع الدراسة باستخدام نموذج مختلط هرمي متعدد القنوات. يمكن استخدام أساليبنا لقياس تحليل ما قبل التدخل مقابل ما بعده في مجموعة متنوعة من الاضطرابات العصبية مثل اضطرابات الحركة والأمراض الدماغية الوعائية والاضطرابات العصبية النفسية.

يلعب التأهيل العصبي دورا مهما في التعافي الوظيفي بعد الاضطراب الحسي الحركي. لتوضيح آليات التعافي الوظيفي المرتبط بالبلاستيك العصبي، تم استخدام تقنيات التصوير العصبي المختلفة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، والتصوير المقطعي لانبعاثات البوزيترون (PET)، والتصوير الكهربائي ل الدماغ (EEG)، والتنظير الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS). طرائق التصوير المختلفة لها مزايا وعيوب مختلفة. على الرغم من أن جهاز الرنين المغناطيسي هو الجهاز الأكثر شيوعا ، إلا أنه يتأثر بالمجالات المغناطيسية ، وبه تكلفة عالية ، وتقييد مادي مرتفع ، ومهام حسية محدودة^1،2،3،4. جهاز fNIRS تبرز باعتبارها التصوير العصبي البصري غير الباضعة ولها دقة المكانية أقل نسبيا، ولكن لديها دقة زمنية أفضل من التصوير بالرنين المجاري⁴. fNIRS مناسبة عند التحقق من آثار العلاج لأنه يقارن بين آثار ما قبل مقابل ما بعد التدخل، والمهام الحركية الديناميكية، والمحمولة، ويعمل أكثر في البيئات الطبيعية من fMRI^1،2،4. وقد أفيد أن NIRS أن تكون أكثر ملاءمة في مجالات الأمراض الدماغية الوعائية, اضطرابات الصرع, إصابة الدماغ الشديدة, مرض باركنسون, وضعف الإدراك^1,5. وفيما يتعلق بالمهام الحسية الحركية، فهو يستخدم على نطاق واسع في المشية والتوازن الدائم^6و7و8ووظيفة الطرف العلوي (الإمساك باليد، والتنصت على الإصبع)^8و9وتدريب المهارات الحركية^{المعقدة 10و11}والروبوتات^{12و13و14و15}وواجهة الدماغ والكمبيوتر^16و17و18. ويستند fNIRS على مبادئ التصوير العصبي البصري واقتران الأوعية الدموية العصبية، والتي تقيس النشاط الأيضي القشري، وزيادة تدفق الدم، وبالتالي النشاط القشري والإشارات الثانوية¹⁹. وقد أفيد fNIRS إشارات أن لها علاقات قوية مع إشارات من الدم الأكسجين تعتمد على مستوى²⁰fMRI . يستخدم fNIRS الموجة المستمرة قانون البيرة لامبرت المعدل لتحديد التغيرات في الهيموغلوبين المؤكسيج (HbO₂₎ومستويات تركيز الهيموغلوبين الهوكسيجين (HHb) القشرية استنادا إلى التغيرات المقاسة في توهين ضوء النطاق العريض القريب من الأشعة تحت الحمراء^21،22. لأنه لم يكن من الممكن لقياس الفرق عامل طول المسار (DPF) باستخدام نظام NIRS الموجة المستمرة، افترضنا أن DPF كان ثابتا وأن التغيرات إشارة الهيموغلوبين كان يشار إليها في وحدات التعسفي من ميليمول ملليمتر (mM × مم)^2،18.

وينبغي لتجارب ال FNIRS أن تختار أكثر الطرق ملاءمة بما في ذلك إعدادات المسبار، وتصميمات التجربة، وأساليب التحليل. وفيما يتعلق بإعداد المسبار، فإن الطريقة الدولية 10-20 المستخدمة في قياس تخطيط كهربية الدماغ هي معيار الإعداد الذي يستخدمه العديد من الباحثين في التصوير العصبي. في السنوات الأخيرة، تم استخدام إعدادات التنسيق على أساس الدماغ القياسي على أساس إحداثيات معهد مونتريال العصبي (MNI). تستخدم التجربة تصميم كتلة ، يستخدم عادة للمهام الحسية الحركية ، وتصميما متعلقا بالحدث. هذه طريقة لمقارنة التغيرات في تركيز الهيموغلوبين في الراحة وأثناء المهام. مستويات تركيز HbO₂ زيادة ومستويات تركيز HHb تنخفض مع التغيرات في تدفق الدم الدماغي المرتبطة النشاط القشري تعتمد على المهمة. 10- ورغم وجود أساليب تحليل مختلفة، فإن البرمجيات الحرة للمعهد الوطني للإبلاغ عن الألغام - نظام الإدارة الوطنية تمكن من إجراء تحليل مماثل لرسم الخرائط الإحصائية البارامترية (SPM) للمعهد. يستخدم علاج بيانات NIRS نهجا أحادي المتغيرات الجماعية استنادا إلى النموذج الخطي العام (GLM). عند إجراء تحليل نشاط الدماغ المعتمد على المهام ، يمكن أن تتأثر قياسات fNIRS بالنشاط العصبي المثار أو غير المثار والتدخلات الفسيولوجية الجهازية (معدل ضربات القلب وضغط الدم ومعدل التنفس ونشاط الجهاز العصبي اللاإرادي) في المقصورة الدماغية وخارج الدماغ^23. لذلك ، فإن معالجة ما قبل التحليل ، والتصفية ، وتحويل الموجة ، وتحليل المكون الرئيسي مفيدة^23. وفيما يتعلق تصفية والتحف من معالجة البيانات باستخدام NIRS-SPM، تم استخدام تصفية تمرير^{منخفضة 9} وطول وصف الحد الأدنى الموجي (Wavelet-MDL)²⁴ detrending للتغلب على الحركة أو مصادر أخرى من الضوضاء / القطع الأثرية. للحصول على تفاصيل هذه الطريقة التحليلية، راجع تقرير يي وآخرون²⁵. على الرغم من وجود تقارير تستخدم SPM فقط ، إلا أنها ليست سوى فهرس نوعي عن طريق تحليل الصور ، ونظرا لانخفاض الدقة المكانية ل NIRS ، فإن الحذر الشديد مطلوب لتحليل المجموعة. وعلاوة على ذلك، عندما يكون برنامج إدارة القنوات ثابتا، لا ينبغي إجراء مقارنات رقمية بين القنوات والأفراد، ولكن يمكن التحقق من الفرق في التغييرات في كل قناة. بناء على الشروط المذكورة أعلاه، من أجل استكمال نتائج تحليل مجموعة NIRS-SPM، استخدمنا طريقة التحليل الأصلية للتحليل متعدد القنوات بعد تحسين دقة التسجيل المكاني. قارن هذا التحليل متعدد القنوات سعة التغيير في مستويات HbO₂ وHHB بين فترات الراحة وفترات العمل في كل قناة قبل وبعد العلاج مباشرة باستخدام نماذج مختلطة هرمية مع تدخلات ثابتة (قبل أو بعد) ، وفترات محددة (الراحة أو على المهمة) ، والآثار الفردية العشوائية.

وبهذه الطريقة، هناك عدة أساليب لقياس وتحليل ال FNIRS؛ ومع ذلك، لم يتم تأسيس أي أسلوب قياسي. في هذه الورقة ، نقدم أساليبنا ، ورسم الخرائط البارامترية الإحصائية النوعية القائمة على GLM والنموذج المختلط الهرمي متعدد المستويات المقارنة ، لتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من تجربة fNIRS متعددة القنوات لما قبل التدخل مقابل ما بعده باستخدام تصميم الكتلة مع المهام الحسية الحركية.

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) التابع لجامعة فوكوكا في اليابان (IRB No. 2017M017). وقبل المشاركة، قدم جميع المرضى موافقة خطية مستنيرة.

1. إعداد تجربة fNIRS

ملاحظة: تم استخدام نظام NIRS متعدد القنوات مستمر الموجة المستندة إلى الليزر لهذه التجربة. وكانت الأطوال الموجية للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء 780 نانومتر، و 805 نانومتر، و 830 نانومتر، وتم تحديد معدل أخذ العينات عند 7.8 هرتز. وكان الوقت والدقة المكانية (المسافة بين جهاز بث الضوء ومسبار الكاشف) 0.13 s و 3.0 سم، على التوالي.

1. تعيين جهاز fNIRS في مكان مظلم بدون ضجيج. إجراء التجارب في درجة حرارة الغرفة. بدء تشغيل أداة fNIRS 30 دقيقة قبل التجربة.
   ملاحظة: يتم استخدام أنظمة fNIRS تحت درجة الحرارة والرطوبة التي تسيطر عليها الظروف لضمان التشغيل المستقر للمعدات^26.
2. استخدام قبعات الرأس كاملة لتسجيل fNIRS وإرفاق غطاء الرأس على رأس الموضوع بحيث يقع الموقف المقابلة إلى المركزية (Cz) من النظام الدولي 10-20 في حامل رقم 245 من غطاء الرأس. (الشكل 1).
3. إرفاق ملصق الوسم بالنقاط الموقعية المرجعية: النسيون (Nz) ، اللحم السمعي الخارجي الأيمن (AR) ، واللحم السمعي الخارجي الأيسر (AL).
   ملاحظة: نظرا لأن الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) تتم قراءتها حول مواقع ملصق العلامات Nz و AR و AL وحامل Cz ، فمن الضروري إرفاق ملصق العلامات قبل التقاط صورة.
4. بعد معايرة كاميرا رقمية عالية الدقة للتسجيل المكاني، يمكنك التقاط صور لرأس الشخص المعني مع موقع المسبار مع عرض النقاط المرجعية (Cz و Nz و AR و LR) من 15 منظورا.
   ملاحظة: الرجاء التقاط صورة قبل وضع المسبار. إذا تم التقاط صورة بعد وضع المسبار، فقد يكون معلم العلامة مخفيا بواسطة المسبار وسلك الأسلاك. كما أوصت الشركة المصنعة، بعد أخذ 12 صورة 30 درجة قطريا إلى الأمام إلى يمين الموضوع، واتخاذ ثلاث أو أكثر من الصور أعلاه قليلا بحيث Cz (حامل رقم 245) يظهر في الصورة. وذلك لأنه من السهل جعله ثلاثي الأبعاد عند التقاط ما مجموعه 15 طلقة أو أكثر.
5. افصل شعر الموضوع بعناية ويتداخل مع البصريات باستخدام قضيب بلاستيكي مضاء بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) لإرفاق المسبار. ترتيب التحقيق بحيث يتم إرفاق optodes على مسافة ضئيلة من سطح فروة الرأس وعلى اتصال مع فروة الرأس.
   ملاحظة: تحقق بعناية ما إذا كان هناك أي ضغط أو إزعاج للمريض بسبب تعلق optodes، بسبب زيادة قوة confounders الجهازية المرتبطة تنشيط الجهاز العصبي اللاإرادي²³.
6. ترتيب نظام 48 قناة مع 32 optodes (16 مصادر الضوء و 16 كاشفات؛ 4 × 4 صفيف لكل نصف الكرة الأرضية) إلى غطاء الرأس ثنائيا على المناطق الأمامية والبارية كالمناطق ذات الأهمية (الشكل 2).
7. بدء استخدام برنامج رقمي ثلاثي الأبعاد لتحديد التسجيل المكاني.
8. بعد مسح بيانات الصورة لرأس كامل، حدد الإحداثيات المكانية لكل مريض عن طريق القياس التلقائي وحفظه كملف Origin و Others (* ملف CSV).
   ملاحظة: إذا تعذر اكتشاف نقاط الإحداثيات من الصور باستخدام القياس التلقائي، أدخل التعديل يدويا.

2. تشغيل التجربة

1. حدد تصميم كتلة للتجربة، ويمكن أن تكون المهمة أي حركة من الفائدة للدراسة مثل فتح اليد / إغلاق، التنصت على الإصبع، الخ. في دراستنا السابقة ، كانت المهمة حركات الكوع بمساعدة الروبوت^15.
   ملاحظة: كل دورة تتكون من ثلاث كتل (15 ق من الراحة - 15 ق من المهمة - 15 ق من الراحة)، ويكمل كل مريض سبع دورات في كل دورة.
2. اجعل المشارك ينتظر في وضع مريح حتى إشارة البداية. إرشاد الموضوع إلى إغلاق أعينهم أثناء بقية المهمة.
3. إعطاء بداية ووقف العظة (أي "تكرار الانحناء وتمديد الكوع"، "وقف والاسترخاء").
   ملاحظة: لا تتكلم أثناء القياسات. تحقق بعناية من وجود قطع أثرية على شاشة الشاشة أثناء القياسات.
4. تنفيذ مهمة تصميم كتلة في نفس الموقف. وضعية مستقيمة مع وضعية الوقوف أو الجلوس أمر مرغوب فيه لعدم تشويه سماعة الرأس.
   ملاحظة: إذا كان المريض يشعر بعدم الارتياح بعد ارتداء حامل الرأس لفترة طويلة من الزمن، قم بإزالة أو تخفيف المسبار أثناء التمرين بمساعدة الروبوت.
5. بعد الانتهاء من قياس NIRS، قم بإزالة حامل الرأس ووضع علامة لاصقة لإنهاء التجربة.
   ملاحظة: تحقق بعناية من تلف الجلد في فروة الرأس بسبب ارتدائه لفترات طويلة.

3. تحليل GLM النوعي باستخدام برنامج NIRS-SPM

1. بدء تشغيل NIRS-SPM على برنامج MATLAB. تحويل ملف البيانات المتعلقة بالتغيير في تركيز HbO₂ و HHb المكتسبة من جهاز NIRS إلى تنسيق الملف لتحليل NIRS-SPM.
2. اختر خيار نظام NIRS باستخدام من القائمة المنبثقة. حدد زر التحميل واختر خيارات تغيير تركيز HbO₂ وHHb المحولة.
3. الكشف عن التسجيل المكاني لموقع قناة NIRS. حدد خانة الاختيار المستقلة ثم حدد خانة الاختيار مع رقمي ثلاثي الأبعاد.
4. ضمن من Real Coordinates إلى MNI Space، استخدم مربع الحوار لاختيار _origin. CSV يشير إلى تنسيق ملف نقطة مرجعية، و _others. CSV يشير إلى تنسيق تحقيقات / القنوات الملف.
5. حدد الزر تسجيل. اختر النقاط التي تريد الانتقال إلى التقدير المكاني، وانقر على الزر موافق . انقر على تنسيق MNI Project إلى زر الدماغ المقدم.
   ملاحظة: يقدر الموضع المكاني لمواقع قناة NIRS على أساس قالب الدماغ لمعهد مونتريال العصبي (MNI).
6. حدد الخيار عرض الظهر، وانقر على زر حفظ.
7. في المقطع تحديد مستوى^st 1 حدد اسم ملف بيانات NIRS و دليل SPM. حدد خانة الاختيار الهيموجلوبين; HbO₂ أو HHb. تمييز الخيار تحديد التصميم وحدد الخيار Sec. قم بتمييز عدد خيارات الشروط/التجارب وأدخل الرقم 7.
8. تسليط الضوء على ناقلات بداية ومدة [ق] خيارات وأدخل ناقل بداية مضروبا في مدة الظروف التجريبية على النحو التالي.
   ملاحظة: في هذه الحالة، يجب تحديد متجه أوقات البدء على أنه [15:45:285] أو [15 60 105 150 195 240 285]. يجب تحديد متجه المدة على أنه [15* منها (7،1)] أو [15 15 15 15 15 15 15 15].
9. للفصل، حدد زر Wavelet-MDL. استخدم طريقة precoloring: عامل تصفية تمرير منخفض وحدد زر hrf، وصحح الارتباط التسلسلي، ثم حدد الزر بلا.
10. في تقدير الارتباطات الزمنية، تحقق من التحليل الفردي.
    ملاحظة: حفظ التعريب المكاني لمواضع قناة fNIRS في أنظمة تنسيق MNI الفردية كملف نصي. وبالمثل، حفظ الخريطة استنادا إلى منطقة برودمان الفردية (BA) كملف نصي.
11. عند تقدير الارتباطات الزمنية، تحقق من تحليل المجموعة. قام NIRS-SPM بمحاذاة متوسط مواقف العين لعدد المشاركين وفقا لنظام تنسيق الدماغ الموحد MNI.
12. حساب خريطة التنشيط على أساس التغيرات في مستوى الهيموغلوبين للدماغ الموحد. واعتبرت مستويات HbO₂ وHHb كبيرة عند عتبة غير مصححة من p < 0.01.
    ملاحظة: تم قلب المعلومات اليمنى/اليسرى في الجوانب المتأثرة إلى اليمين لتحليل المجموعة.

4. تحليل مقارن متعدد القنوات على أساس نموذج مختلط هرمي

1. بدء تشغيل برنامج SAS. تحويل المستند النصي (. TXT) من تغييرات تركيز HbO₂ وHHb في ملف البيانات NIRS معالجتها مع مرشح تمرير منخفض (تم تعيين تردد قطع في 0.1 هرتز) إلى جدول البيانات فاصلة فاصلة ملف القيم (. CSV).
2. إنشاء استيراد بيانات SAS (.sas7bdat) باستخدام البرنامج.
3. إخراج الملف استيراد مع الأمر التالي libname خارج "استيراد ملف"
4. إخراج ملف pre-vs. بعد التدخل لكل موضوع، قم بتشغيل الأوامر التالية في تحليل SAS. (الشكل 3) أثناء إنشاء ملف الاستيراد، قم بإعطاء اسم يمكنه تحديد معلومات الموضوع وقبل مقابل ما بعد التدخل (على سبيل المثال، id1 قبل، id1 post...)
5. تشغيل الأمر بيانات ما قبل وبعد التدخل لكل قناة (ch1-48; HbO₂ وHHB) على النحو التالي (الشكل 4).
6. استنادا إلى البيانات التي تم الحصول عليها من نتائج الإخراج، أدخل الاختلافات السابقة مقابل ما بعد التدخل في التغيير (الفرق في المهمة والراحة)، والراحة، والقيم على المهمة (القيم المقدرة والحدود العليا والحدود الدنيا) لكل قناة في ملف مصنف جدول البيانات (.xlsx).
7. وبالمثل، إدخال البسط والمقام درجات الحرية، قيمة F، وقيمة P العنصر التفاعل من اختبار نوع 3 تأثير ثابت إلى ملف مصنف جدول البيانات (.xlsx).
8. للتحكم في معدل اكتشاف false (FDR) في اختبار متعدد القنوات استخدم أساليب بنيامين و Hochberg²⁷ والتحكم في FDR في قيمة p < 0.01.

هنا ، نقدم إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت التي تعمل عليها مجموعتنا حاليا: آثار الارتجاع البيولوجي على العجز الحركي في الأطراف العلوية في المرضى الذين يعانون من السكتة الدماغية الحادة. أدرجنا 10 مرضى بالتراضي في السكتة الدماغية (متوسط العمر: 66.8 ± 12.0 سنة؛ امرأتان وثمانية رجال) الذين أدخلوا إلى مستشفانا. في مرحلة السكتة الدماغية تحت الحادة ، بعد أكثر من أسبوعين من البداية ، قمنا بتقييم النشاط القشري المرتبط بالمحرك لهؤلاء المرضى باستخدام نظام fNIRS قبل وبعد إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت في الطرف العلوي في نفس اليوم. وفيما يتعلق بمهام تصميم كتلة، نفذوا حركات الكوع المرن / التمديد المتضررة 15x في غضون 15 ثانية في كل دورة مهمة، وكرروا سبع دورات مهمة. وبالإضافة إلى ذلك، تم أيضا تسجيل ستة متطوعين أصحاء (متوسط العمر: 58.7 ± 7.1 سنة؛ امرأتان وأربعة رجال) كضوابط لتحديد موقع التنشيط القشري العادي المرتبط بالمهمة أثناء حركات انثناء/تمديد المرفق الأيمن.

ويبين الشكل 5 نتائج التحليل الجماعي ل 10 مرضى بالسكتة الدماغيةمن خلال قيم رسم الخرائط الإحصائية باستخدام نماذج GLM مع برنامج NIRS-SPM. وأظهرت هذه الطريقة زيادة في النشاط القشري للقشرة الحركية الأولية في نصف الكرة الأرضية المقاس مباشرة بعد إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت مقارنة مع ذلك قبل التدريب. وقد تم جمع البيانات قبل التدخل والتدخل (التمرين بمساعدة الروبوت) وجمع البيانات بعد التدخل في الجلسة التجريبية الوحيدة في نفس اليوم وفي نفس المكان.

ويبين الشكل 6 نتائج تحليل المجموعة المتعدد القنوات الذي يقارن بين ما قبل التدخل وبعده (التمرين بمساعدة الروبوت). 10 - وتم إجراء تحليل إحصائي للنموذج المختلط الهرمي المتعدد المستويات مع برنامج القوات الخاصة. لوحظت زيادة النشاط القشري في القشرة الحركية الأولية بعد التدخل ، وهي نفس منطقة الدماغ كما هو الحال في NIRS-SPM.

الشكل 1:إعداد التسجيل المكاني ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) وكل حامل لغطاء الرأس المستخدم لتسجيل fNIRS. يظهر حامل الرقم 245 المشار إليه بالسهم في الشكل الموضع المركزي (Cz)، وهو أحد محاور التنسيق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2:ترتيب نظام القنوات ال 48 مع 32 جهازا صوتيا أثناء تسجيل fNIRS. (أ) موقع المسابير على حامل الرأس ،(ب)ترتيب القنوات والتحقيقات ال 48 (16 مصدر ضوء و 16 كاشفا ؛ 4 × 4 صفيف لكل نصف كرة قدم) إلى غطاء رأس ثنائيا فوق المناطق القشرية ، كمناطق اهتمام. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: إدخال الأمر لإنشاء الملفات المستخدمة في برنامج تحليل SAS. يوضح الشكل كيفية تعريف المصطلحات والقيم الرقمية على شاشة إدخال الأمر الذي يحول معلومات الملف النصي التي تم الحصول عليها من ملف NIRS إلى ملف Excel CSV ثم يقوم بتحويله لتحليل SAS. تم إدخال معرف، العمر، الجنس، الجانب ipsilesional، قبل وبعد التدخل، والوقت الإجمالي، وفترات المهمة، رقميا. وبالإضافة إلى ذلك، تم إدخال معلومات عن HbO_2،HHB، ومجموع مستوى تركيز الهيموغلوبين (mM x mm). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: إدخال الأوامر المستخدمة في تحليل كل قناة في برنامج تحليل SAS. في هذا النموذج المختلط الهرمي متعدد المستويات، تم تعيين القيم الرقمية التالية وإدخالها على شاشة إدخال الأمر SAS. تمت مقارنة الحالة في الراحة (المهمة = 0) وفي المهمة (المهمة = 1)، وتم استبعاد الحالة عند الاسترداد (المهمة = 2). علاوة على ذلك، تم تعيين الحالة قبل التدخل إلى n = 0 والحالة مباشرة بعد تعيين التدخل إلى n = 1، وتم فحص التفاعل للاختلافات ذات الأهمية الإحصائية في مقدار التغيير في HbO₂ وHHb لكل قناة. في الشكل، يتم حذف معلومات شاشة الإدخال حتى ch2 أو ch47. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: نتائج تحليل المجموعة من قبل قيم رسم الخرائط الإحصائية باستخدامنماذجGLM مع برنامج NRS-SPM. يصور متوسط النشاط القشري من جميع المرضى على المنظر أعلاه لنماذج الدماغ الموحدة. يمثل العلوي والسفلي التنشيط القشري في HbO₂ ومستوى HHb على التوالي. تشير الصورة الصحيحة إلى النشاط القشري للمواضيع الصحية أثناء المهام. وبمقارنة إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت من قبل، تم زيادة النشاط القشري مباشرة بعد التدريب بمساعدة الروبوت في نفس اليوم. وبالمقارنة مع المناطق القشرية الأخرى، ازدادت حالة أداء كل منها زيادة كبيرة (غير مصححة، ص < 0.01). تشير الخطوط المنقطة إلى الكبريتوس المركزي (CS) على صور الدماغ العادية. وقد تم تعديل هذا الرقم من سايتا وآخرون¹⁵. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: نتيجة التحليل متعدد القنوات باستخدام نماذج مختلطة هرمية متعددة المستويات مع برنامج SAS. يمثل النشاط القشري للتغيير المقارنة بين ما قبل وبعد التدخل باستخدام علاجات إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت. بالنسبة للصورة اليسرى ، تم فرض أعداد قنوات NIRS على الدماغ الموحد وفقا لنظام تنسيق MNI. بالنسبة للصورة الصحيحة، يشير اللونان الأحمر والأزرق إلى زيادة ونقصان في مستوى HbO_2، على التوالي (تصحيح FDR، p < 0.01). يشير غراي إلى أن القنوات لم تتغير بشكل كبير بعد إعادة التأهيل بمساعدة الروبوت. وقد تم تعديل هذا الرقم من سايتا وآخرون¹⁵. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في مجموعتنا طرق تحليلية لfNIRS، بالإضافة إلى إجراء طريقة تحليلية التصوير عن طريق التعيينات النوعية رالإحصائية، قارنا قبل مقابل بعد التدخل (ممارسة بمساعدة الروبوت) باستخدام التحليل المتعدد القنوات المقارنة. للتحليل النوعي، استخدمنا برنامج NIRS-SPM كنهج أحادي المتغيرات الشامل استنادا إلى النموذج الخطي المعمم. يظهر تحليل NIRS-SPM النتائج النوعية لكل جلسة من خلال تصور المنطقة المنشطة أثناء المهمة. وعلاوة على ذلك، فإن المعلومات من غير الغازية 3D-digitizer تمكن من تقدير مواقع قناة fNIRS بالنسبة للدماغ. كان تحليل المجموعة باستخدام تحليل NIRS-SPM قادرا على التقاط المناطق التنشيطية الخام للدماغ في مرحلة ما قبل التدخل مقابل ما بعد التدخل أثناء المهام الحسية الحركية ولكنه لم يتمكن من مقارنة الفرق في التغيرات في نفس القنوات. 11- ولتثبت النتائج التي توصل إليها نظام NIRS-SPM، يمكن تحليل اتساع التغيرات في مستويات الهيموغلوبين الناجمة عن المهمة الحسية الحركية إحصائيا بمقارنة البيانات التي تم الحصول عليها من جلستين مختلفتين (أي قبل وبعد التدخل) في نفس موضوع الدراسة باستخدام النموذج المختلط الهرمي المتعدد القنوات. وباستخدام هاتين الطريقتين، تكمل النتائج بعضها بعضا وتظهر بوضوح أكبر.

للحصول على نشاط الدماغ دقيقة ذات الصلة المهمة من قبل بيانات NIRS، تصميم المهام، موضع التحقيق، معالجة ما قبل التحليل، وأساليب التحليل، وإعدادات البيئة هي مهمة جدا^23،26. فيما يتعلق بتصميم الكتلة باستخدام المهام الحسية في دراساتنا التمثيلية ، وضعنا المهمة ووقت الراحة عند 15 و 30 s ، على التوالي^15. وقد أفيد أن الذروة بعد النشاط والاسترداد عن طريق وقت الراحة تعتمد على تصميم المهمة. في الأبحاث السابقة، أفيد أن تصميم المهمة غالبا ما يكون 10-30 ثانية للمهام المتعلقة حركة اليد (إصبع التنصت، واستيعاب المهمة) و 30 ق للمهام المتعلقة بالتحكم في الموقف والمشي^7،8،28. لفترات المهمة، يستغرق حوالي 5-10 ق للوصول إلى الذروة بعد بدء تنشيط المهمة^8،29، وفترات الانتعاش مواتية مع 15 إلى 18 ق متفاوتة عشوائيا لتجنب آثار الترقب وماير الموجة^28،30. في هذا الصدد، يعتبر بروتوكول مهمة أبحاثنا أن تكون مناسبة وممكنة لأنه يتبع تصميم كتلة مع حركة الكوع. ومع ذلك، قد تحتاج فترات المهمة إلى أن تكون أطول استنادا إلى صعوبة المهمة، مثل مهام المشي والمهام المعرفية المعقدة. وفيما يتعلق بترتيب التحقيق، فإن FNIRS لديها دقة مكانية أكثر فقرا، لذا فإن إعادة ترتيب ما قبل التدخل مقابل ما بعده هي قضية رئيسية. في دراستنا التمثيلية ، تم تعويض هذا القصور من خلال تصميمنا الذي لا يتطلب نقل المسبار لتأكيد التأثير الفوري للعلاج الروبوتي في نفس اليوم. إذا كان تغيير موضعه مطلوبا، فمن المهم التحقق من المسافة بين ملصق الوسم وحامله باستخدام صورة تم التقاطها مسبقا للتأكد من أنها ليست خارج الترتيب مقارنة بما قبل التدخل. ومع ذلك ، في تصميمنا ، لم يكن كافيا لتأكيد تأثير التداخل الفسيولوجي الجهازي مثل الجهاز العصبي اللاإرادي على استخدام حامل الرأس عن طريق القياس المستمر لفترة طويلة. ولذلك، من الضروري استخدام رصد fNIRS أثناء النماذج الوظيفية والرصد المتعدد الوسائط²³ في المستقبل. وفيما يتعلق بمجال الاهتمام لقياس NIRS، ركزت العديد من الدراسات NIRS على المعالجة المعرفية على قياس نشاط قشرة الجبهي (PFC) بالنظر إلى أن PFC هو مجال رئيسي في الوظيفة التنفيذية والسيطرة المعرفية للحركة^31،32. بالنسبة للمهام الحسية الحركية ، من المهم قياس المنطقة الجدارية من أجل تقييم النشاط الحسي. قياس المنطقة الجدارية، ومع ذلك، عرضة للعقبات مثل الشعر وفروة الرأس سميكة. وبالتالي، فمن الضروري إعداد القياس بعناية. أحد قيود هذه الطريقة التجريبية fNIRS هو أنه بسبب هيكل حامل الرأس ، استخدمنا طريقة القياس العامة مع مسافة البصريات من 3 سم. ومع ذلك ، باستخدام قنوات فصل قصيرة لمعايرة الإشارات السطحية أو الضوضاء ، هناك إمكانية لقياس نشاط الدماغ الدقيق^33.

فيما يتعلق بأساليب تحليل مجموعة NIRS ، كشرط أساسي ، من الأفضل تحليل البيانات الشخصية لنتائج قياس NIRS بعناية على غرار تخطيط كهربية الدماغ. قد يكون الجمع بين التحليلات أحادية المستوى وعلى مستوى المجموعة هو النهج الأمثل^23. على الرغم من أن الدماغ الموحد يستخدم للتحليل الجماعي لبيانات NIRS ، فقد نوقشت القيود المتعلقة بالدقة المكانية المنخفضة⁴. وفي هذه الدراسة، وضعت طريقة التسجيل المكاني، وكان من الممكن الكشف عن إحداثيات أكثر دقة، مما قد يؤدي إلى نتائج أفضل. ثانيا، الدراسة الحالية لها حدود في قدرة نظام NIRS الموصوف هنا. القيم الرقمية المستخدمة في التحليل هي قيم نسبية باستخدام NIRS المستمر الموجة، وجهاز مثل المجال الزمني (TD) -NIRS يحتاج إلى استخدام للتقييم باستخدام القيم المطلقة^34،35. ومع ذلك ، فإن TD-NIRS مكلفة ولها عيب في عدم ملاءمتها لمثل هذا التحليل متعدد القنوات. ولأن المعايير الوطنية للإبلاغ عن الأسلحة الكيميائية تستخدم على نطاق واسع، فإننا بحاجة إلى طريقة تقييم دقيقة نسبيا يمكن تحقيقها للتعويض عن هذا القصور. وكعملية تحليل مسبق، سيحتاج تحليل قناتنا أيضا إلى النظر في وسائل استخدام تحليل إضافي للمكون الرئيسي لإزالة هذه الإرباكات.

في المستقبل، سوف نبلغ عن نتائج التغيير في مرحلة ما قبل مقابل ما بعد العملية من التحفيز العميق للدماغ لمرض باركنسون⁹، واضطرابات الأوعية الدماغية مع التشنج¹²، وضعف الإدراك³⁶ باستخدام تطبيق التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة. يمكن تطبيق أساليبنا على مجموعة متنوعة من الاضطرابات العصبية مثل اضطرابات الحركة والأمراض الدماغية الوعائية والاضطرابات العصبية النفسية.

ليس لدى المؤلفين تضارب في المصالح ذات صلة بهذه الدراسة للكشف عنها.

وقد دعم هذا العمل جزئيا من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) منحة في المعونة للبحوث العلمية (C) 18K08956 وصندوق من معهد البحوث المركزي لجامعة فوكوكا (رقم 201045).