Ayak Parezisi Olan Hastalarda Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme Değerlendirmesi İçin Ayak Kaynaklı Dijital Kontrollü Direnç Cihazı Kullanımı

Kronik inme hastalarının sigortalı rehabilitasyonu genellikle zaman sınırlıdır. Yürüme ile ilgili motor görevlerden beyin aktivitesinin görüntülemeye dayalı çalışması, iyileştirilmiş sonuçları ölçmek ve özel tedavinin uzatılmasını haklı çıkarmak için biyobelirteçlerin oluşturulmasına yol açabilir. Yeni, manyetik rezonans uyumlu, değişken dirençli bir ayak hareketi cihazı ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme sırasında kullanım için bir protokol sunulmaktadır.

İnmeden kaynaklanan nörolojik eksiklikler, yürüme yürüyüşünü etkileyenler de dahil olmak üzere uzun süreli motor engellere neden olabilir. Bununla birlikte, inme sonrası kapsamlı rehabilitasyon tipik olarak zaman sınırlıdır. Ek fizik tedaviden anlamlı bir şekilde fayda görebilecek ve iyileşme gösterebilecek hastaları belirlemek için öngörücü biyobelirteçlerin oluşturulması, hastaların yaşam kalitesini iyileştirmek için önemlidir. Etkilenen bölgenin nöroplastik yeniden şekillenmesinin ve uygun motor görevleri yerine getirirken uyarılan aktivite modellerindeki değişikliklerin saptanması, kronik inme iyileşmesi için değerli etkilere sahip olabilir. Bu protokol, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) sırasında yürüme bozukluğu olan felçten etkilenen kişilere yörünge takibini içeren kişiselleştirilmiş bir ayak motoru görevi sunmak için dijital olarak kontrol edilen, manyetik rezonans uyumlu ayak kaynaklı bir robotik cihazın (MR_COFID) kullanımını açıklar. Görevde, görsel bir metronom takip edilirken, hem dorsifleksiyon hem de plantar fleksiyon yönlerinde öznenin gücüne göre ayarlanan çift yönlü direnç kuvvetlerine karşı ayak fleksiyonu gerçekleştirilir. fMRI, test sırasında aktif ve dinlenme süreleri arasındaki kan oksijenasyon seviyesine bağlı (BOLD) değişiklikleri tespit etmek için kontrast madde olarak non-invaziv olarak endojen deoksihemoglobini kullanır. Tekrarlanan periyodik testler, görev performansı sırasında uyarma modellerinde terapiyle ilgili değişiklikleri tespit edebilir. Bu tekniğin kullanımı, bir bireyin şu anda inme hastalarına sağlananın ötesinde rehabilitasyondan yararlanma olasılığını gösterebilecek biyobelirteçleri tanımlamak ve ölçmek için veri sağlar.

Fonksiyonel ve yapısal beyin görüntülemeden türetilen kantitatif metriklerin kullanılması, ilerlemeyi izlemek ve inme tedavisinin sonuçlarını tahmin etmek için klinik skorları değerlendirmekten daha yararlı ve etkili olabilir ve bu kantitatif metrikler, bireyselleştirilmiş tedavi planlarının tasarlanmasında ve iyileştirilmesinde yararlı olabilir ^1,2. Motor eğitimini nöral aktivitenin ölçülebilir bir şekilde yeniden düzenlenmesi ve/veya motor fonksiyondaki iyileşmelerle ilişkilendiren etkili, kişiselleştirilmiş stratejiler geliştirmek zor olmaya devam etmektedir. Önceki çalışmalarda, kronik inmeden etkilenen hastalarda fonksiyonel nörogörüntüleme yöntemlerinin ve beyin haritalamasının bu tür değişiklikleri nasıl gösterebileceğine dair içgörüler geliştirilmiştir 3,4,5,6,7,8. Beyin fonksiyonunun el kavrama performansı (hastanın kendi kendine yeterliliği ve yaşam kalitesi için anahtar olan) ile ilişkili olarak incelenmesi, bu tekniğin, nöral aktivitenin karşılık gelen topografik modellerinin değerlendirilmesi ve fonksiyonun geri kazanılması yoluyla yürüyüşle ilgili ayak hareketi kontrolüne de uygulanabileceği beklentisine yol açmıştır. MRG tabanlı fonksiyonel yaralanma haritalarının dahil edilmesinin, nörolojik eksiklikleri klinik değerlendirmelerden daha kesin bir şekilde karakterize etmeye^{yardımcı olabileceği 9} ve robotik cihazların kullanılmasının beyin iyileşmesi için geleneksel paradigmalardan¹⁰ daha etkili olduğu öne sürülmüştür. İşlevsel haritalar, bir sistemin hangi bölümlerinin çalıştığına dair fikir verebilir, böylece klinik gözlemlerden belirgin olmayan bilgiler sağlayabilir¹¹. İnme hastaları için MRG ile ayak hareketi ve kuvvet rehabilitasyonundaki başarı, diğer nörolojik rahatsızlıkları olan daha geniş bir popülasyon için MRG ölçümlerine dayalı kişiselleştirilmiş tedavi stratejilerinin geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.

Burada sunulan çalışmada, inme sonrası motor beceri eğitiminin beyin fonksiyonu üzerindeki etkilerini incelemek için fMRI taraması sırasında MR uyumlu ayak kaynaklı robotik cihazın (MR_COFID veya ayak cihazı) kullanımı anlatılmaktadır. Bu kontrollü dirençli ayak cihazının geliştirilmesi için motivasyon, inme hastalarında ayak hareketi rehabilitasyonu için karşılanmamış kritik ihtiyaçtı. Hem ev hem de ofis tabanlı eğitim için ve eğitim faaliyetlerine verilen yanıtların MR tabanlı olarak izlenmesi için uygun bir sistem oluşturmak, hem eğitim hem de değerlendirme açısından önceki sınırlamaları ele alan birleşik bir yaklaşım oluşturur.

MR_COFID (Şekil 1A), bir nesnenin tutamak mekanizmasını kavrayan ve sıkıştıran bir nesneye yanıt olarak dinamik olarak kontrol edilen, dirençli kuvvet sağlamak için bir elektro-reolojik sıvı (ERF) aktüatörü kullanan önceki manyetik rezonans uyumlu el kaynaklı robotik cihazın (MR_CHIRODv2)^8,12 bir uyarlamasıdır. ERF aktüatörü (Şekil 1B), pistonun bir tarafındaki ERF'nin piston hareketi ile bir kanaldaki bir çift elektrot arasında akmaya zorlandığı ve sıvıyı pistonun diğer tarafına geri döndürdüğü sıvı dolu, çift yönlü bir pistondur. Elektrotlara yüksek voltaj (HV) uygulandığında, iletken olmayan silikon yağındaki parçacıklar hizalanır ve mekanik olarak birbirine bağlanır, böylece sıvının viskozitesi ve cihazın harekete karşı direnci artar. El kavrama cihazında, aktüatör doğrudan kavrama kollarına, uygulanan kuvveti ölçmek için bir yük hücresine ve kolun yer değiştirmesini ölçmek için bir optik kodlayıcıya bağlanır. Yeni ayak cihazı, kavrama cihazının doğrusal hareketini, bir krank kaydırma mekanizması kullanarak dorsifleksiyon ve plantar fleksiyonda ayağın açısal yer değiştirmesine dönüştürür (Şekil 1C). ERF aktüatöründen gelen direnç kuvveti, ayak bileği eklemi etrafındaki direnç torku ile neredeyse orantılı olarak dönüştürülür. Pedalın krank hareketi, ana aktüatör eksenine dik olan vektör etrafında simetriktir, bu nedenle krank açısının ve sinüsünün küçük açılar için neredeyse eşit olduğu yaklaşımından yararlanır. ERF tarafından yalnızca dirençli kuvvetler uygulanabildiğinden, sistem doğası gereği güvenlidir; Aktüatör ayağı aktif olarak itemez veya çekemez ve konu hareket etmeyi bıraktığında kuvvet sıfıra düşer. Ayak cihazının maksimum plantar fleksiyonu 35° ve maksimum dorsifleksiyon 18°'dir. Bu değerler, normal yürüyüş ve ağırlık taşımayan koşullar^13,14 sırasında ayağın hareket aralığı içindedir, diğer araştırmalarda¹⁵ kullanılan değerlerle hemen hemen aynıdır ve ön test sırasında, felçten etkilenen taraftaki felç deneklerinin hareket aralıklarını karşılamak veya aşmak ve mevcut direnç kuvvetlerinin maksimize edilmesine izin vermek için bulunmuştur. Doğrusal-açısal iletim mekanizması. Orijinal kavrama cihazı ve ek ayak hareket mekanizması, MR güvenliği için demir dışı malzemelerden (plastik, alüminyum, pirinç) yapılmıştır.

ERF aktüatörü, sıvı viskozitesini değiştirmek için manyetik yerine değişken elektrik alanları kullanır ve bu nedenle MR tarayıcısının manyetik alanlarından etkilenmez. ERF aktüatörü, koaksiyel HV kablosunun blendaj iletkenine bağlı silindirik bir bakır kabuk içine alınmıştır; bu kablo da MR tarayıcısının Faraday kafesinin penetrasyon paneline topraklanır. Bu, aktüatöre uygulanan değişken voltajdan kaynaklanan potansiyel radyo frekansı gürültüsünün tarayıcıyı etkilemesini önler ve tarayıcının değişken manyetik alanlarının kablolarda ERF viskozitesini değiştirebilecek akımları indüklemesini önler. YG kablosu, penetrasyon panelinin dışında YG amplifikatörüne devam eder. 4 kV'a kadar gerilimleri taşırken ek güvenlik sağlayan koaksiyel MHV (minyatür yüksek voltaj) konektörleri kullanılır (Şekil 2).

Optik enkoderden ve yük hücresinden gelen ayrı kablolar, aynı zamanda penetrasyon paneline topraklanmış kalkanlara sahiptir, böylece sinyallerinin (özellikle enkoder kanallarından gelen dijital sinyallerin) tarayıcıyı veya küçük voltajlı yük hücresi çıkışını etkilemesini önler. Penetrasyon panelinin dışındaki blendajlı ve topraklı kablolar, sinyalleri veri toplama (DAQ) modülüne taşır. Sıcaklık kompanzasyonlu bir Wheatstone köprüsü kullanan yük hücresinin çıkışı, DAQ'nun analog giriş terminallerine bağlı bir enstrümantasyon amplifikatörü tarafından yükseltilir ve 1.000x amplifikasyon faktörü sağlar.

DAQ modülü, Lua betik dilini (Ek Kodlama Dosyası 1) kullanarak bellenimi çalıştırır. DAQ modülüne yüklenen komut dosyası 500 Hz'lik bir döngü hızında çalışır ve modül, kodlayıcıyı ve güçlendirilmiş yük hücresi sinyalini okur, sensör okumalarını uzunluk ve kuvvet değerlerine dönüştürür ve bunları bir m-dosyası kullanıcı arayüzü (UI; Şekil 3) ana dizüstü bilgisayarda (Ek Kodlama Dosyası 2). Ana dizüstü bilgisayar, gerektiğinde dorsifleksiyon ve plantar fleksiyon için hedef kuvvet değerlerini, kapalı döngü denetleyici parametrelerini ve kodlayıcı sıfırlama komutlarını DAQ modülündeki ek bellek kayıtlarına gönderir. DAQ komut dosyası, hangi kuvvetin uygulanacağını belirlemek için pedal hareket yönünü algılayan bir kontrol döngüsü çalıştırır: dorsifleksiyon veya plantar fleksiyon. Daha sonra, YG amplifikatörünün izin verilen giriş aralığı olan 0 V ve 4 V ile sınırlanan, ölçülen ve hedef kuvvet değerleri arasındaki farkla orantılı bir çıkış voltajı hesaplar. ERF, uygulanan elektrik alanının büyüklüğüne yanıt verir; voltajın tersine çevrilmesi, viskoziteyi enerjisiz (elektrik alanı olmayan) sıvının viskozitesinin altına düşürmez, bu nedenle DAQ çıkışı minimum 0 V ile sınırlıdır. DAQ, analog voltajları nicelleştirir (12 bit çözünürlük) ve örnekler (500 Hz), bu da her adımdaki hızlı değişiklikler nedeniyle YG çıkışında yüksek frekanslı bileşenlere neden olabilecek YG amplifikatörüne bir merdiven basamağı çıkışı ile sonuçlanır. HV amplifikatörü, sırasıyla 35 kHz ve 8 kHz'lik küçük ve büyük sinyal bant genişliklerine sahiptir, bu nedenle tarayıcı tarafından algılanabilen RF gürültüsünün üretilme olasılığını azaltmak için DAQ çıkışı, yaklaşık 3 Hz'de -900 dB frekansına sahip birinci dereceden bir RC filtresi kullanır, bu nedenle daha yüksek frekanslar neredeyse ortadan kaldırılır. Ek olarak, ayak cihazı, tarayıcının deliğinin dışına, yatağın ayak ucuna yakın bir yere yerleştirilmiştir ve cihaz sensörleri, aktüatör ve tarayıcı arasındaki etkileşimi daha da en aza indirir. 1.000 V/V'luk bir kazanç ve 4 kV'luk bir tepe çıkışına sahip amplifikatör, ERF boşluğu boyunca 4 kV/mm'ye kadar alanlar oluşturur; ERF sıvısının arıza voltajı satıcı tarafından bildirilmese de, viskozite ve diğer parametreler bu seviyeye kadar açıklanmıştır. ERF silindiri, tam olarak enerjilendirildiğinde ve hedef hızda hareket ettirildiğinde 200 N'den biraz daha fazla kuvvet uygulayabilir. Biyel kolunun pedalla birleştiği moment kolu uzunluğu 56 mm'dir ve bu da yaklaşık 11,2 Nm'lik bir maksimum tork ile sonuçlanır. Bu, ayak parezisi olan denekler için fazlasıyla yeterlidir; Bununla birlikte, güçlü ve sağlıklı denekler tarafından alt edilebilir. Donanım bileşenleri, Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

Ayak cihazının kullanımı, daha önceki el kavrama cihazları 3,4,5,6,7,8,16 ve diğer çalışmalar 11,17,18 ile geliştirilen eğitim ve test paradigmalarına dayanmaktadır. Yayınlandığı tarihte, bu cihaz, hem MR görüntüleme hem de kantitatif performans değerlendirmeleri yoluyla tedaviye dayalı nöroplastik değişiklikleri incelemek için ayakla ilgili eksiklikleri olan kronik inme hastalarında kullanıldı.

Aşağıdaki protokolde açıklandığı gibi, taramaya tabi tutulan denekler tarayıcı yatağında sırtüstü yatar ve kafaları tarayıcının kafa bobini içinde hareketsiz hale getirilir ve tarayıcının izomerkezine yerleştirilir. Ayak cihazı, deneğin test edilen bacağı düz olacak şekilde konumlandırılır ve yerine kilitlenir ve ayakları cihazın ilgili pedalına bağlanır. Bu şekilde, ayak bileğinin bükülmesi, başın bobin içindeki konumunu değiştirebilecek şekilde cihaza karşı itme veya çekmeye neden olmaz. Nesnenin gözlerinin önüne bir ayna çerçevesi yerleştirilmiştir ve bu da öznenin motor görevi için talimatları ve görsel ipuçlarını görüntüleyen bir projeksiyon ekranını görmelerine olanak tanır.

Görev sırasında, denek dinlenme süreleri boyunca bir "+" işareti veya test sırasında bir dairenin ekranda yukarı ve aşağı hareket ettiği (hedef) ve cihazın ayak pedalı konumunun kontrolü altında hareket eden başka bir dairenin görüntülendiği görsel bir metronom görüntüler (imleç; Şekil 4). Deneklerden hedefin hareketini yakından takip etmeleri istenir. Hedef hız, cihazın enerjisiz viskoz reaksiyon kuvveti (viskoz kuvvetler artan hız ile artar), bilgisayar kontrolü altında uygulanan artan kuvvetlerle, herhangi bir konunun üstesinden gelmesi için yeterince düşük olacak şekilde belirlenir.

Robotlar kolayca kullanılabilir, çeşitli motor bozukluklara uygulanabilir, yüksek ölçüm güvenilirliğine sahiptir ve yüksek yoğunluklu eğitim verme kapasitesine sahiptir¹⁰. Bu ERF tabanlı cihaz, nesneye dijital olarak kontrol edilen direnç kuvveti sağlar ve bu cihaz, demir dışı/manyetik olmayan bileşenlerle birleştirildiğinde MR güvenlidir ve ayrıca topraklanmış ve korumalı elektroniklerin kullanılması nedeniyle MR uyumludur¹². Taşınabilir olması ve kullanımı nispeten basit olması nedeniyle ilgili cihazlara göre avantajları vardır, yani hem klinik ortamlarda hem de evde, seyahat veya klinik tesisle ilgili maliyetler olmadan düzenli tedavinin gerçekleştirilebileceği yerlerde kullanılabilir. Cihaz, hastaya özel rehabilitasyon rutinlerinin oluşturulmasını kolaylaştırmak için plantar fleksiyon ve dorsifleksiyonda bilgisayar kontrollü, zamanla değişen direnç üretebilir ve böylece ticari olarak temin edilebilen rehabilitasyon cihazları alanındaki bir boşluğu giderir.

Başka araştırma cihazları da mevcuttur, ancak çeşitli nedenlerden dolayı mevcut araştırma için uygun değildi. Bazı cihazlar statiktir, ölçüm kuvvetleri öznenin hareket aralığı (RoM) yerine izometrik olarak¹⁹ uygulanır. Elastik tabanlı cihazlar, RoM üzerinde sabit direnç yerine artan yer değiştirme ile artan kuvvet uygular ve^20,21,22 kuvvet seviyelerini değiştirmek için manuel olarak ayarlanmalıdır. Sabit ağırlıkların ve yerçekimi yükünün^15,23 kullanılması, plantar fleksiyon ve dorsifleksiyon için yüklerin veya farklı yüklerin bilgisayarlı kontrolüne izin vermez. Pnömatik cihazlar ^24,25,26, testler arasında kuvvet değişimlerine ve RoM boyunca sabit bir kuvvete izin verir; bununla birlikte, valflerin tarayıcıdan belirli bir mesafeye yerleştirilmesi gerekecektir, bu nedenle genel olarak bu cihaz, ayak yönünü değiştirirken plantar fleksiyon ve dorsifleksiyon kuvvetleri arasında hızlı bir şekilde geçiş yapamaz ve ERF aktüatörlerinin frekans tepki yeteneklerine sahip olmaz. Elektromanyetik motorlar tarayıcı ortamında²⁷ kullanılabilir, ancak yalnızca mekanizmayı MR güvenliğini ve uyumluluğunu koruyacak kadar genişleterek, taşınabilirliği sınırlar ve motor bileşenlerinden herhangi birinin deliğe çok yaklaştırılması durumunda kaza riskini artırır. Hidrolik²⁸, farklı kuvvet seviyelerinde çift yönlü olabilir, ancak kompresörün/sürücünün (tipik olarak MR uyumlu olmayan) delikten uzakta olması gerektiği ve dolayısıyla taşınabilirliği ve frekans tepkisini sınırlaması nedeniyle elektromanyetik motorların kullanımına benzer zorluklara sahiptir. Hidrolik, ERF sistemleri²⁹ ile birleştirilmiştir, böylece sistem uç efektörünü (ayak veya kavrama cihazı) geri tahrik edebilir ve izometrik direnç sağlayabilir; ancak, bu yetenek mevcut araştırma için gerekli değildi ve MR uyumlu olmayan hidrolik motorların kullanılması pahasına eklendi.

Ayak cihazı, aşağıdakileri sağlayan özelliklerin bir kombinasyonunu sağlar: uzun süreler boyunca hassas ve tutarlı terapötik ayak kontrol egzersizleri; deneğin mevcut motor performans yeteneğinin ölçülmesi ve rehabilitasyon devam ederken görev zorluğunun ayarlanması; hem plantar fleksiyon hem de dorsifleksiyonda uygulanan kuvvetin gerçek zamanlı kontrolü ve bağımsız olarak ayarlanması; manuel ayarlama için uzaktan kumanda ve direnç kuvvetinin kesintisiz olarak ayarlanması; ve MR güvenliği ve uyumluluğu.

Tüm deneyler Massachusetts General Hospital'daki Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı ve Athinoula A. Martinos Biyomedikal Görüntüleme Merkezi'nde onaylandığı gibi gerçekleştirildi. Kimliksizleştirilmiş verilerin kullanımı ve paylaşımı için denek onayı alındı.

NOT: Mevcut çalışmada, dahil etme kriterleri aşağıdaki gibidir: (1) ≥6 ay önce meydana gelen iskemik / MCA inmesinden kalan bacak hareketi ile sağ veya sol hemiparezi; (2) Fonksiyonel Ambulasyon Kategorisi (FAC) puanı³⁰ / 4-5 (denek, merdivenlerde / düz olmayan yüzeylerde gezinmek için bir asistanla veya bir asistanın yardımı olmadan yürür); (3) Ulusal Sağlık Enstitüleri İnme Ölçeği (NIHSS)³¹ puanı 5-14 (hafif / orta); (4) 5 dakika ayakta durma ve 10 m yürüme yeteneği; (5) 18-80 yaş arası. İlk testin ardından, deneklerin paretik ayakla pedalı en az 5° hareket ettirebildiğinin doğrulanmasını içeren ek bir kriter dahil edildi. Demografik özellikler, inme risk faktörleri, fiziksel/mesleki tedavi süresi, akut dönemde hastanede kalış süresi, ilaç kullanımı, intercurrent enfeksiyonlar ve komplikasyonlar hakkında veri toplandı.

1. Konu taraması ve hazırlanması

1. İşe alım sırasında, potansiyel deneklerle tanışın ve cihazın pedallarını paretik ayaklarıyla hareket ettirme yeteneklerini test edin.
   1. Her bir kişinin ayağının cihazın ayak pedallarına oturup oturmadığını kontrol edin. Daha küçük ayakları olan denekler için, MR için güvenli spor ayakkabı veya benzeri ayakkabılar giyerken ayaklarının uyumunu test edin.
   2. Cihaz enerjisizken pedalı en az 5°'lik bir hareket aralığında hareket ettirmek için yeterli kuvvet uygulayamayan denekler çalışmadan çıkarılmalıdır.
2. Varıştan önce, ön tarama sırasında gerekli olduğu tespit edilirse, deneklere test edilen ayakkabıları getirmeleri talimatını verin. Konu bilgilerini kaydedin ve kurumsal protokole göre bilgilendirilmiş onay alın.
3. Her test gününde, denekleri MR tesis politikasında belirtildiği gibi kontrendikasyonlar açısından tarayın. Tahriş ve/veya yanma hissi potansiyeli olan dövmeleri olan kişiler ve tesise özel diğer feragatnameler için imzalı feragatnameler alın.
4. Deneğe tesis onaylı bir önlük/pantolon giymesini ve tarayıcı odasına çağrılmayı beklemesini söyleyin. Kişinin eşyalarını tesis politikasına göre saklayın. İhtiyaç duyulduğu belirlenirse, deneğe ayakkabıyı giymesini söyleyin.

2. Kontrollü rezistanslı ayak cihazının kurulumu

NOT: Adım 2.1-2.3'ün tamamlanmasının, deneğin varışından önce yapılması önerilir.

1. MRG destek odasında kurulum
   1. HV'yi yerleştirin amplifier ünite, DAQ modülü takılı durumdayken, penetrasyon paneline yakın bir yere yerleştirin. AC güç kablosunu duvar prizine takın, HV koaksiyel kablosunu HV'ye takın amplifier terminallerine ve penetrasyon panelindeki MHV koaksiyel fişine takın ve sensör kablosunu penetrasyon panelindeki ilgili fişe takın. HV'nin ana güç anahtarını açın.
   2. USB kablosunun USB B fişini DAQ modülüne ve kablonun USB A fişini USB tekrarlayıcı kablosuna takın. USB tekrarlayıcı kablosunu MRG destek odasından MRG kontrol odasına yerleştirin ve personelin veya tesis çevresinde ambulasyonun yerinden çıkmasını önlemek için kabloyu gerektiği gibi yapışkan bant kullanarak zemine sabitleyin.
   3. Tarayıcı odası projektörünü etkinleştirin.
2. MRG kontrol odasında kurulum
   1. Ayak aygıtı ana bilgisayar dizüstü bilgisayarını MRI tarayıcı arayüzünün yanına yerleştirin, güç kaynağını takın ve dizüstü bilgisayarı açın. MATLAB uygulamasını başlatın ve kullanıcı arabirimi (UI) programını yükleyin.
   2. MRI tarayıcı düğme kutusunu/tetikleme sinyali USB kablosunu, tarayıcı odası projektör kablosunu ve USB tekrarlayıcı kablosunu dizüstü bilgisayara takın.
   3. Daha önce kurulmadıysa, dizüstü bilgisayar monitörü ayarlarını, ana pencere ana dizüstü bilgisayar penceresinin sağındaki projektör ekranına uzatılacak şekilde ayarlayın. Fare işaretçisini ana dizüstü bilgisayar penceresinin sağ tarafından uzaklaştırın ve projektör ekranının görüş alanına girdiğinden emin olun. Fare işaretçisini ana pencereye geri getirin.
      NOT: Tetik sinyali ve projektör kablosu biçimleri tesisler arasında farklılık gösterebilir. Video adaptörleri veya benzeri birimler gerekli olabilir.
3. Tarayıcı odasında kurulum
   1. Tarayıcı tablasının tarayıcı deliğinin tamamen dışında olduğunu ve tamamen indirildiğini doğrulayın.
   2. Tarayıcı tablasındaki ilgili yuvasına bir kafa bobini monte edin. Bobinin üst kısmını çıkarın ve yana yerleştirin. Tarayıcı masa minderlerini ve kafa bobininin alt kısmını bir hastane çarşafı ile örtün.
   3. Projektör ekranını, tarayıcı masasının karşı ucundaki deliğe monte edin.
   4. Bobin montaj yuvalarına tarayıcı tablasının ayak ucuna doğru iki çift pirinç montaj vidası yerleştirin ve ayak cihazını vida çiftleri arasına yerleştirin. Plastik tespit braketlerini ayak cihazının taban plakasındaki vidalara ve hizalama deliklerine gevşek bir şekilde takın (Şekil 1A).
   5. Sensörü ve HV kablolarını penetrasyon panelindeki fişlere takın. Kabloların masanın etrafına dolanmadığından veya masa tarayıcı deliğine taşındığında sıkışma veya dolaşma riski altında olmadığından emin olun. Sensör ve HV kablolarının, ayak cihazı ile penetrasyon paneli arasında halka olmadan uzatıldığından emin olun.
   6. Kontrol odasında UI programını başlatın (m-file komut dosyasını çalıştırın) ve UI'deki onay mesajını gözlemleyerek ana dizüstü bilgisayar ile DAQ modülü arasında iletişimin kurulduğunu doğrulayın (Şekil 3).
   7. Tamam düğmesine tıklayarak ilk UI iletişim kutusundaki varsayılan kuvvet seviyesi oranlarını kabul edin. Onay iletişim kutularının görünmesini ve kendilerini kapatmasını ve ilk kuvvet ve yer değiştirme canlı grafik penceresinin görünmesini bekleyin.
   8. Bir personel ayak cihazının pedalını hareket aralığı boyunca hareket ettirirken ve başka bir personel üyesi kuvvet ve yer değiştirme izlerini gözlemlerken, yer değiştirme izinin -35° ile +18° arasında ve geri hareket ettiğinden ve kuvvet izinin dorsifleksiyon yönündeki hareketler için pozitif kuvvetler, plantar fleksiyon yönündeki hareketler için negatif kuvvetler gösterdiğinden emin olun, ve dinlenme durumunda sıfıra döner. Bu, sensörlerin, DAQ modülünün, HV amplifikatörünün ve ERF aktüatörünün işlevini doğrular (Şekil 3A).
   9. Sinyaller normal görünüyorsa, canlı grafik penceresinde Devam'a ve ardından onay iletişim kutusundaki Kapat düğmesine tıklayın. Değilse, kablo bağlantılarını ve güç bağlantılarını kontrol edin ve kurulum adımlarını gerektiği gibi yeniden yapın.
4. Konu ve ayak cihazı hizalaması
   1. Deneğe bekleme odasından tarayıcı odasına kadar eşlik edin. Bildirilmeyen nesneleri veya implantları kontrol etmek için tesis politikasına göre metal taraması yapın. Kişiye koruyucu kulak tıkaçları sağlayın.
   2. Deneğe masanın üzerine oturmasını ve ardından başı kafa bobininin alt kısmına yerleştirilmiş olarak sırtüstü yatmasını söyleyin. Gerektiğinde yardım sağlayın. Görüntüleme sırasında kafa hareketinin önlenmesini sağlamak için öznenin kafası ile kafa bobininin duvarları arasına dolgu yerleştirin.
   3. Deneğe bacaklarını düzeltmesini söyleyin. Ayak cihazını, topukları (veya ayakkabılarının topukları) ayak cihazının ayak yuvalarına oturana kadar özneye doğru/nesneden uzağa doğru hareket ettirin. Pedalların ana pivotunu öznenin ayak bilekleriyle hizalamak için daha fazla ayarlayın.
   4. Plastik tespit braketlerini ve plastik kelebek somunları kullanarak ayak cihazını yerine sabitleyin.
   5. Deneğe test edilmeyen ayağı pedalından çıkarmasını ve ayak cihazından biraz yakınına koymasını söyleyin. Test edilmemiş bacağı gerektiği gibi yastıklarla destekleyin. Test edilen ayağı, cırt cırtlı tutma kayışlarıyla ayak cihazı pedalına sabitleyin ve deneğin ayağının topunun (veya deneğin ayakkabısının ön tarafının) pedalla temas halinde olduğundan emin olun.
      NOT: Bu çalışmada, kontrol edilemeyen (inme) deneklerle, öncelikle inmeden etkilenen ayak test edilmiştir. Etkilenen ayağın testi tamamlandıktan sonra, bu ayak pedaldan çıkarıldı ve etkilenmeyen ayak, adım 2.4.5'teki ile aynı işlem kullanılarak ilgili pedala monte edildi.
   6. Deneğe bir ampul sıkma alarm cihazı sağlayın, test etmek için ampulü sıkmalarını söyleyin ve deneğe herhangi bir zamanda teknisyenlerle iletişim kurmak için ampulü sıkabileceklerini hatırlatın.
   7. Deneğin ayna düzeneğinden projeksiyon ekranını görebilmesi için MR masasını tam yüksekliğe kaldırın.
   8. Kafa bobininin üst kısmını takın ve izleme aynası tertibatını kafa bobininin üzerine monte edin. Öznenin projektör ekranını aynada net bir şekilde görebildiğinden emin olun.

3. Konu gücü testi

1. Kullanıcı arabirimini yeniden başlatın. Varsayılan kuvvet seviyesi oranlarını kabul edin veya çalışma protokolü gerektiriyorsa bunları ayarlayın ve yukarıdaki gibi Tamam düğmesine tıklayın. Kuvvet / yer değiştirme izleri ortaya çıktığında, deneğe test edilen ayağı dorsifleksiyon yönünde mümkün olduğunca hareket ettirmesi ve üç kez tam plantar fleksiyona dönmesi talimatını verin. Yer değiştirme ve kuvvet izlerinin yukarıdaki gibi normal göründüğünü doğrulayın. Bu, ayak cihazının tüm aralığından daha az olabilen test için hareket aralığını belirler (Şekil 3A).
2. Sonuçlar kabul edilebilirse, canlı grafik penceresinde Devam'a tıklayın ve Evet - Onay iletişim kutusunda ilerleyin; denek fleksiyon talimatlarını doğru bir şekilde takip etmediyse Yeniden Deneme Yok'a tıklayın; veya başka sorunlar varsa Kapat'a Git'e tıklayın ve gerekirse sorun giderin.
3. Tarih/saat onay iletişim kutusu sunulduğunda, Evet - İletişim kutusuna devam edin veya farklı bir dosya adı veya kapatma isteniyorsa diğer seçeneklere tıklayın.
4. Deneğe test edilen ayağını tam plantar fleksiyona getirmesi talimatını verin ve onay iletişim kutusunda Tamam'a tıklayın. Bir talimat/metronom penceresi görünecektir ( Şekil 3'te etiketlenmiştir). Fareyi kullanarak bu pencereyi projeksiyon ekranının görüş alanına sürükleyin ve bunun tamamlandığını onaylamak için Tamam'a tıklayın.
5. Konuyla ilgili talimatların projektörde görüntülendiğinden emin olun. Deneğin ayağının tam plantar fleksiyonda kaldığını doğrulayın ve ilgili iletişim kutusunda Tamam'a tıklayın. UI grafiği, direnç kuvveti ayar noktalarının göstergeleriyle dinamometre ekranına değişir.
6. Yukarıda açıklanan görsel metronom, projeksiyon ekranında, ekranda sabit bir hızda yukarı veya aşağı hareket eden katı, hedef bir daire ve ayak cihazı pedal konumu tarafından kontrol edilen açık dairesel bir imleç ile görünür. İmlecin hedefin hareketini yakından takip etmesini sağlamak için deneğe ayağını hareket ettirmesini söyleyin. Denek, hedefi takip ederken tüm hareket açıklığı boyunca başarılı bir şekilde hareket edebiliyorsa, hem dorsifleksiyon hem de plantar fleksiyon için kuvvet ayar noktalarını artırmak için canlı grafikte (Fd, Fp) + 10'a tıklayın (Şekil 3B).
7. Öznenin metronom hareketini doğru bir şekilde izlemeye devam edip etmediğini gözlemleyin.
   1. Eğer öyleyse, her iki kuvvet ayar noktasını da artırmak için (Fd, Fp) + 10'a tekrar tıklayın. Dorsifleksiyon tamamlanamıyor ancak plantar fleksiyon hedef hareketi takip etmeye devam ediyorsa, dorsifleksiyon direnç kuvvetini bir adım azaltmak ve plantar direnci bir adım artırmak için (Fd, Fp) - 10'a bir kez tıklayın ve Fp + 10'a iki kez tıklayın.
   2. Dorsifleksiyon kuvveti ayarlanmışsa ancak denek artık plantar-fleksiyonda metronomu izleyemiyorsa, Fp - 10'a bir kez tıklayın ve ardından canlı grafik penceresinde Devam'a tıklayın. Mevcut kuvvet seviyeleri, UI programı tarafından test aşamasında uygulanan oransal olarak azaltılmış kuvvetler için referans noktaları olarak kullanılır.
   3. Plantar fleksiyon kuvveti ayar noktası ayak cihazının maksimum ayarına ulaştıysa, canlı grafikte Devam'a basın ve devam edin.
      NOT: Adım 3.7.3 genellikle normal bacak kuvvetine sahip kontrol denekleri için ve etkilenen uzuvdaki kuvvete odaklanmak üzere tasarlanmış cihazın yeteneklerini aşmaları nedeniyle inme deneklerinde etkilenmemiş uzuv için meydana gelir.
   4. İleride başvurmak üzere kuvvet ayar noktalarını (kuvvet izleme grafiğinin sağında gösterilir) kaydedin. Evet - Devam etmek için Devam Et , Hayır - tekrarlamak için Tekrar Test Et veya başka sorunlar varsa Kapat'a tıklayın. Deneğe test edilen ayağı tam plantar yer değiştirmeye getirmesi ve ardından rahatlaması talimatını verin.
8. Sıkma ampulünün kullanımını, tarama sırasını ve konuyla ilgili görevi gözden geçirin ve taramalar başlamadan önce öznenin sahip olabileceği tüm soruları yanıtlayın.
9. Bu adım sırasında deneğe gözlerini kapatmasını söyleyin. Kafa bobininin/nesnenin kafa konumunu bulmak için tarayıcının yer işaretleme lazer çizgisini kullanın. Masayı, öznenin kafasını tarayıcı deliği içinde ortalayacak şekilde hareket ettirin. Personelin tarayıcı odasından çıkmasını ve kapıyı kapatmasını sağlayın.

4. MRI tarama oturumunu ve ayak cihazı görevini çalıştırma

1. Konunun tesise özel kaydını gerçekleştirin ve tarama protokolünü yükleyin. Deneğe anatomik tarama dizisinin başlayacağını ve protokolün bu kısmı sırasında rahatlayabileceklerini bildirin ve anladıklarını doğrulamak için ampulü sıkmalarını söyleyin. Anatomik taramayı başlatın ve tamamlanmasını bekleyin.
2. Kullanıcı arayüzü tarafından sağlanan iletişim penceresinin yönlendirdiği şekilde, deneğe çalışmanın fMRI ve ayak cihazı bölümünün başlayacağını bildirin ve test edilen ayağının tam plantar fleksiyonda olduğundan emin olmaları gerektiğini, ekranda bir fiksasyon haçı göründüğünde ayaklarını tam plantar fleksiyona döndürmeleri gerektiğini söyleyin, ve göründüğünde görsel metronomu takip etmeleri gerektiğini. Talimat iletişim kutusunda Tamam'a tıklayın.
3. Operatörü, protokolün fMRI bölümünü başlatmak için tarayıcı kontrol bilgisayarını hazırlamaya yönlendiren talimatı izleyin. Talimat iletişim penceresinde Tamam'a tıklayın ve fMRI dizisini başlatın. UI programı, istenen kuvvet ayarlarını otomatik olarak DAQ modülüne gönderir.
   NOT: Mevcut çalışmada, görsel metronom görevi, adım 3.7'de belirlenen maksimum seviyelerin %60, %40 ve %20'si kadar kuvvet seviyelerinde felçten etkilenen ve etkilenmeyen uzuvlar için üçer kez gerçekleştirilmiştir. Kuvvet seviyeleri, testin her tekrarı için otomatik olarak güncellenir.
4. Konu, projektör ekranında görüntülenen talimatlarını görüntüler. Daha önce talimat verildiği gibi konunun dinlendiği bir "+" işareti (sabitleme çapraz) belirir.
5. Görsel metronom hedefi, katı daire sabit hızda yukarı ve aşağı hareket ederken görüntülenir. Daha önce talimat verildiği gibi, denek, açık dairesel imlecin hedefi izlemesini sağlamak için test edilen ayağını dorsifleksiyon ve plantar fleksiyonda hareket ettirir.
   NOT: Bu çalışmada, geri kalan (fiksasyon çapraz) ve aktif (metronom) fazlar eşit uzunluktaydı ve döngü yedi kez tekrarlandı. Metronom fazı sırasında, hareket aralığı boyunca iki dorsifleksiyon ve plantar fleksiyon döngüsü vardı. Bu parametreler, diğer etütler için UI komut dosyasında ayarlanabilir. Her fMRI/metronom fazı yaklaşık 5 dakika 40 saniye sürdü.
6. Adım 4.4 ve adım 4.5'i toplam yedi döngü boyunca tekrarlayın, ardından sabitleme çarpı işareti görüntülenir ve konu dinlenir.
7. Toplam üç döngü için 4.2-4.6 adımlarını tekrarlayın.
8. MRI tarayıcı odasına girin ve adım 2.4.5'e göre ayak cihazına monte edilen ayağı değiştirin. İkinci ayak için protokol bölüm 3'ü tekrarlayın.
9. Adım 4.1 ve adım 4.8'i (kayıt, anatomik tarama, ayak değiştirme) atlayarak protokol bölüm 4'ü tekrarlayın.
10. Deneğe taramanın DTI kısmının başlayacağını ve çalışmanın bu aşamasında rahatlayabileceklerini bildirin ve anladıklarını doğrulamak için ampulü sıkmalarını söyleyin. DTI taramasını başlatın ve tamamlanmasını bekleyin.

5. Test sonrası işlemler

1. Masayı ve konuyu tarayıcı deliğinden çıkarın ve tablayı indirin. Ayna aksamını, üst kafa bobin bölümünü ve öznenin kafasıyla ilgili dolguyu çıkarın. Kulak koruması şu anda atılabilir.
2. Kişinin oturma pozisyonuna gelmesine ve gerekirse soyunma alanına geçmesine yardımcı olun. Denek artık normal kıyafetlerine geri dönebilir.
3. Denekle konuşun, test sonrası sorularını ele alın, gelecekteki randevuların zamanlamasını düzenleyin ve denek ayrılmadan önce maaş ödeme formlarını doldurun.
4. Donanımı sökün ve paketleyin ve ayak bileği cihazını tarayıcı masasından çıkarın. HV ve sensör kablolarını penetrasyon panelinden ayırın. Düğme kutusunu ve monitör kablolarını ana dizüstü bilgisayardan çıkarın. Ayak bileği cihazını ve destekleyici donanımı taşıma çantalarına koyun.
5. Tarayıcı masasının ve ilgili çalışma yüzeylerinin ve ekipmanlarının tesise özel sanitasyonunu gerçekleştirin.
6. Çevrimdışı analiz için tarayıcı sistemindeki geçici klasörlerden verileri ayıklayın. Oturum kapatma prosedürlerini gerçekleştirin.

Burada açıklanan sonuçlar, ayak cihazının MR uyumluluğu, tipik fonksiyonel tarama sonuçlarının analizi ve ayak cihazı ile ilgili notlar ile ilgilidir.

Ayak cihazı, Athinoula A. Martinos Merkezi personeli tarafından MR güvenliği açısından değerlendirildi ve 3 T MRI tarayıcısında MR uyumluluğu açısından test edildi. 1.24 g NiSO_4·1.000_{g H}2 O başına 6H₂O ve 2.62 g NaCl, ayak cihazı, deliğin ucundan ~ 85 cm uzaklıkta, 500 mT çizgisinin yakınında, pedal pivotunun bacakları uzatılmış olarak bir deneğin ayak bileği eklemi ile hizalanması için yaklaşık olarak gerekli konumda tarayıcı masasına takıldı. Fantom testlerinin görüntüleri, denek fMRI görüntülemesi için kullanılan aynı tarama dizileri kullanılarak yakalandı (artan uzamsal çözünürlük ve BOLD [kan oksijenasyon seviyesine bağlı] hassasiyet için kullanılan genelleştirilmiş otomatik kalibrasyon, kısmen paralel edinim [GRAPPA] ile). Bu testler, hem cihaz yerindeyken hem de aktif değilken ve cihaz aktifken, yazarlardan biri konu aktivitesini simüle etmek için pedalları hareket ettirerek ve DAQ modülünün kontrolü altında HV amplifikatör uyarımını gerçekleştirmiştir. Her koşulda taramalardan on görüntü seçildi.

Arka plan gürültüsünü ve sinyali hesaplamak için sırasıyla görüntünün kenarında ve merkezinde (Şekil 5) çizilen ilgi alanları (ROI'ler) kullanıldı; Her bir konumdaki sinyal araçları, her koşul altında 10 satın almanın tamamında merkezi ortalamadan %<0,2 oranında saptıkları için koşular boyunca sabitti. Aktif olmayan ayak cihazı ile fantom testi için merkezi ve arka plan sinyalleri arasındaki oranda istatistiksel bir fark yoktu (P = 0.1215, iki örneklem t-testi, 10 tekrar / koşul) (30.24 ± 2.31, boyutsuz; Şekil 5Aa) ve aktif ayak cihazı ile fantom testi (27.94 ± 3.76; Şekil 5Ab). Bu, ne HV aktivitesinin ne de sensör sinyallerinin MR görüntüleri üzerinde herhangi bir etkisi olmadığını göstermektedir.

Tarayıcıda yatan ve görevi deneklere benzer şekilde yerine getiren altı gönüllü ile elde edilen görüntüler, ayak cihazının sinyal-gürültü oranını (SNR) veya görüntü kalitesini etkilemediğini gösterdi (Şekil 5Ba,Bb, cihaz aktif olmadan ve aktifken, sırasıyla).

Bir kontrol deneği için M1 ve SMA'daki (ek motor alan) tipik aktivasyonlar, ayak bileği cihazı pasif (Şekil 5Bd) ve aktif (Şekil 5Be) ile dinlenme durumuna göre hareket aktivitesi ile ilgili t-istatistik değerini göstermek için atlas görüntülerinin üzerine bindirildi. Şekil ve t değerlerindeki farklılıklar, hareket aktivitesi sırasında uygulanan kuvvetteki farklılıklardan ve beynin farklı zaman noktalarındaki normal aktivitesindeki varyasyondan etkilenmiştir. Antrenman sırasında ve sonrasında bu tür görüntülerin zaman içinde izlenmesi, felçten etkilenen beyindeki değişiklikleri tanımlamak için veri sağlar.

Kuvvet ve yer değiştirme sensörleri de statik veya tarayıcının zamanla değişen manyetik alanlarına duyarlı değildi. Kayıtlar, ayak cihazı MR masasına yerinde olacak şekilde hem fMRI sekansı aktifken hem de ayak cihazı ile MR olmayan bir laboratuvar ortamında toplandı ve bu kayıtlar ayırt edilemedi (her iki durumda da sabit enkoder değerleri, kuvvet kayıtlarında ≤1 bit gürültü).

Kontrollü rezistanslı ayak cihazının tasarımı
Daha önce bildirilen MR_CHIROD v2 el kavrama cihazı 3,4,5,6,7,8, el kavrama cihazının doğrusal kavrama tepkisini, deneğin ayak bileği eklemi etrafındaki açısal pedal hareketine dönüştüren ayak cihazı için temel mekanizmayı sağlar. bir krank kaydırma mekanizması. Ayak cihazı, nesnenin boyuna uyacak şekilde konumu ayarlanabilen sağlam bir platform sağlamak için MRI yatağının bobin montaj raylarına monte edilebilir. Pedallar, plantar fleksiyon ve dorsifleksiyon sırasında ayağı yerinde tutmak için kısıtlayıcı kayışlara sahiptir. Ara parçalar veya ayakkabılar, ayak bileğinin dönme merkezinin pedalın ekseni ile hizalanmasını sağlamak için öznenin ayağını pedalın taban yüzeyinden ve topuk desteğinden dengeler. Bu, eksenel bacak hareketini en aza indirir, böylece tarama sırasında hareketin deneğin kafasına çevrilmesini ve ayak hareketiyle ilgisi olmayan beyin uyarımının ortaya çıkmasını önler. Birleştirilmiş sol ve sağ pedallar, cihazın beynin her iki tarafında felç geçiren hastalarla kullanılmasına izin verir. Test sırasında, test edilmeyen taraftaki diz bükülür ve test edilmeyen ayağı kullanılmayan pedaldan uzak tutmak için pedlerle desteklenir. Daha önceki el kavrama cihazı ve MR_COFID'nin yeni bileşenleri (ayak cihazı) demir dışı metal ve plastik bileşenlerden monte edilmiştir ve cihazlar korumalı elektronikler kullanır. Cihaz, Athinoula A. Martinos Merkezi'nde MR güvenliği açısından değerlendirildi ve MR uyumluluğu açısından test edildi ve fantom görüntülemede herhangi bir sorun gözlenmedi. Kuvvet ve yer değiştirme sensörleri, tarayıcının statik veya zamanla değişen manyetik alanlarına duyarlı değildi.

Resim 1: MR-COFID cihazı. (A) 1: Elektro-reolojik akışkan (ERF) silindiri, Faraday kafesi; 2: optik kodlayıcı; 3: yük hücresi; 4: pedal ve pivot; 5: tutma braketleri. (B) ERF silindir detayları: 1: piston ve mil; 2: Basınç altında ER sıvısı; 3: YG alan boşluğu; 4: ER sıvı dönüşü. Dönüş stroku için akış ve basınçlar tersine döner. (C) Ayak bileği ekseni etrafında pedal dönüşü; doğrusal ERF kuvvetinin açısal ayak bileği torkuna dönüştürülmesi için şanzıman bağlantısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Tarayıcı, kontrol ve destek odalarındaki ayak cihazı kurulumunun şeması. (1) ERF silindiri hakkında Faraday kafesi, (2) HV beslemesi için blendajlı kablolar ve (3) MRI tarayıcısının penetrasyon paneline topraklanmış blendajlı enkoder ve yük hücresi kabloları. (4) Tarayıcı izocenter'daki kafa bobinindeki silindirik fantom. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Operatör arayüzü. (A) Cihazın çalışmasını doğrulamak ve öznenin hareket aralığını ölçmek için ilk arayüz. (B) Deneğin dorsifleksiyon ve plantar fleksiyondaki güç seviyesini belirlemek için ikinci arayüz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Deneğe gösterilen talimatlar, fiksasyon çaprazı ve görsel metronom. (A) Hareket aralığı testi sırasında görüntülenen talimatlar. (B) fMRI taraması sırasında testin her aşamasından önceki talimatlar. (C) Dinlenme aşamaları sırasında görüntülenen sabitleme çaprazı. (D) Görsel metronom: kapalı bir daire (hedef) oval bir çerçevede yukarı ve aşağı hareket ederken, özne hedefi takip etmek için ayak fleksiyonu ile açık bir daireyi (imleç) kontrol eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Fantom ve nesne görüntüleme. (A) Fantom görüntüleme sonuçları (a) ayak cihazı olmadan ve (b) ayak cihazı aktifken ve fantom içindeki ve tarama çevresindeki ROI'lerin analizi ile. (B) Ayak robotunun çalışması, EPI insan görüntülerini veya aktivasyonlarını etkilemez. (a) Tarayıcı odasında ayak robotu olmadan kontrol. (b) Tarayıcı odasında ayak robotu ile sürekli adım atma. (c) (b)'deki görüntü eksi (a)'daki görüntü. M1 ve SMA (oklar) dahil olmak üzere aktivasyonlar, (d) ayak bileği cihazı aktif değilken ve (e) deneğin maksimum kuvvetinin %60'ında enerjiliyken. T-istatistiği değerleri gösterilir (renk çubuğu), hareket sırasında beynin hareket sırasında uyarılmasına karşı dinlenirken uyarılmasını gösterir ve atlas görüntülerinin üzerine bindirilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 1: Jove.lua için Ayak - Lua komut dosyası ürün yazılımı DAQ modülüne yüklendi. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 2: FootDevice_forJove.m - Operatör arayüzü ve konular için ekranlar için m dosyası komut dosyası. Yardımcı işlev dosyası, Ek Kodlama Dosyası 3'te sağlanır. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyası 3: ShutdownLabJackIfAbort.m - kullanılan m dosyası yardımcı işlevi Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Kritik adımlar
Bir deneğin paretik ayağıyla ayak pedalının en azından minimum hareketini üretme yeteneğinin ön testi çok önemlidir. 4 veya 5'lik bir FAC puanı ve minimum bir süre ayakta durma yeteneği, bir deneğin etkilenmemiş ve paretik uzuvları arasındaki birleşik yeteneğini yansıtır ve tek başına paretik ayağı hareket ettirme yeteneğini yansıtmaz. Bu çalışmada birincil amaç, etkilenen ayağı içeren yoğun tedavi yoluyla yaralanma bölgesi ile ilgili nöroplastik değişikliklerin uyarılması ve beyindeki uyarılmanın incelenmesiydi. En azından gerekli kuvvet seviyesini üretemeyen ve pedalı hareket ettiremeyen denekler, görsel metronomu takip edemeyecek veya ilgili eğitim paradigmasına katılamayacak - bir video avatarının duvarlarla çarpışmalardan kaçınırken dalgalı bir mağarada hareket ettiği oyunlaştırılmış bir terapi seansı.

Protokol adımı 2.4'te, deneğin ayağı pedala sabitlenir ve ayak cihazı, deneğin kafası kafa bobini içinde zaten stabilize edildikten sonra konumlandırılır. Deneğin ayak bileği hareket ekseni ayak cihazının ana ekseni ile aynı hizada olacak şekilde, tabanın altında ve ayağın ve/veya ayakkabının topuğunun arkasında dengeleme dolgusu sağlamak önemlidir. Bu makul bir doğrulukla elde edilemezse, denek ayağını yukarı ve aşağı büktüğünde, düzleştirilmiş bacağı itilecek ve çekilecek, bu da deneğin kafasına iletilecek, potansiyel olarak kafa hareketine neden olacak ve fMRI taramalarında hareket artefaktları üretecektir.

Sınırlama
Yukarıda bahsedildiği gibi, cihazın bu yinelemesinin sınırlamalarından biri, belirli bir düzeyde şiddetli parezi olan deneklerin cihazı etkilenen tek uzuv ile çalıştırmasını engelleyen minimum bir direnç kuvveti gereksinimi olmasıdır. Tek uzuv kısıtlaması olmayan çalışmalar ve terapi, her iki pedalı aynı anda kullanabilir, böylece etkilenmemiş uzuv tarafından yardım sağlanabilir. Etkilenen uzuv ile efor sarf etme girişiminin, yardımcı uzuv tarafından sağlanan fiziksel hareketle birleştirilmesinin faydaları olabilir, ancak bu etki, ayak cihazının başlangıçta geliştirildiği çalışmanın kapsamı dışındaydı. Bu sınırlama, cihazın gelecekteki bir sürümünde, mevcut ERF'nin daha düşük enerjisiz viskoziteye sahip olanla değiştirilmesi veya ERF pistonunun ve silindirinin yeniden tasarlanması yoluyla ele alınabilir. Bu, dinamik kuvvet aralığını artıracak ve daha ciddi şekilde engelli deneklerin çalışmalara katılmasına ve cihazın halefleri ile terapiden yararlanmasına izin verecektir.

Mevcut çalışmada ayak cihazı yalnızca belirli bir hareket için sabit kuvvet direnci oluşturmak için kullanılmış olsa da, bu cihazın bir sınırlaması değildir. Kullanıcı arayüzü, basit bir görsel metronomdan daha karmaşık hedef izleme görevleri sunacak şekilde yeniden programlanabilir ve/veya direnç kuvveti sürekli veya beklenmedik bir şekilde değiştirilebilir, bu da deneğin yörüngeyi takip etmek için ayarlanması gerektiği anlamına gelir. Yukarıda bahsedilen eğitim oyunu, daha karmaşık yolları (tek tip kuvvetler altında) sınırlı bir şekilde kullanır ve kullanıcının, uzun eğitim seansları sırasında ilgiyi sürdürmeye yardımcı olmak için çeşitli zamanlarda yukarı ve aşağı dallar arasında seçim yapmasına olanak tanır. Gelecekteki araştırmalar, daha karmaşık uyaranların daha hızlı nöronal yeniden şekillenme ve fonksiyonun geri kazanılmasına neden olabileceğini ortaya koyabilir.

Önem
Obezite, aşırı veya sınırlı fiziksel aktivite, yaşlanma, konjenital patolojiler, yaralanmalar vb. dahil olmak üzere çeşitli faktörler ayak bileği sakatlıklarına neden olabilir ve günlük yaşamı olumsuz etkileyebilir. Bunlar arasında, felç veya omurilik yaralanmalarının neden olduğu nörolojik sakatlıklar en uzun ve zorlu rehabilitasyona sahiptir. Konvansiyonel rehabilitasyon protokolleri, direnç bantları, köpük silindirler ve spin tahtaları kullanılarak yoğun bir egzersiz programı gerektirir. Bu basit cihazlar, rehabilitasyon sürecinin izlenmesi ve tedavinin özelleştirilmesi için gereken nicel bilgileri sağlayamaz. Ek olarak, tutarlı bir şekilde yüksek doz ve yüksek yoğunluklu tedavi sağlayamazlar. Aktif ortezler, dış iskeletler ve platform tabanlı robotlar dahil olmak üzere farklı mimariler ve tasarım özellikleri ile bu sınırlamaların üstesinden gelmek için birçok ayak hareketi rehabilitasyon robotu geliştirilmiştir³².

Mevcut MR uyumlu ayak hareket cihazları arasında çok azı rehabilitasyon odaklıdır. Bazı cihazlar, gerçekçi fonksiyonel rehabilitasyonu desteklemek yerine beyin aktivasyonunu ortaya çıkarmak için ayak tabanının küçük bir yüzeyinde düşük kuvvet ve yüksek frekanslı uyaranlar sağlar^33,34. Diğerleri, yeterli veya önceden tanımlanmış direnç^sağlamadan kinematik veya kuvveti ölçmeye odaklanır 19,35,36,37,38,39. Yürüme ile ilişkili direnç sağlamak için MRG uyumlu rehabilitasyon yeteneğine sahip birkaç sistem ya pnömatik^25,40 ya da elastik bantlar²¹ kullanır. Mevcut ayak cihazı, uygulanan elektrik alanlarına tepki olarak viskozitelerini değiştirebilen elektroreolojik sıvılar kullanarak dinamik olarak ayarlanabilen bir çalıştırma türü kullanır. Öncü el kavrama cihazında gösterildiği gibi, diğer çalıştırma teknolojileriyle karşılaştırıldığında, ERF'ler kompakt ve taşınabilir bir tasarımda birleştirilen hızlı, doğru ve güçlü dirence izin verir 41,42,43.

Geleneksel rehabilitasyon tipik olarak, yeniden kazanılan yetenekte bir platoya ulaşmak için gerekli yoğunluk ve sürede tekrarlayan görev odaklı uygulamaya bağlıdır. Bu nedenle, bir hastanın olumlu bir iyileşme sonucu elde etme yeteneği, ya hastanın başlangıçtaki içsel motivasyonuna ya da yetkin bir terapistin dışsal/içsel motivasyon yeteneklerine bağlıdır. İnme sonrası klinik izleme zahmetli ve kesin değildir. Fizyoterapi için sigorta kapsamı, ilk inme için art arda 150 gün ile sınırlıdır⁴⁴ ve erken tedavilere iyi yanıt vermeyen hastaların genellikle iyileşmesi beklenmez⁴⁵. El kavrama cihazı kullanılarak görüntüleme ile izlenen, robotik olarak verilen eğitimle ilgili deneyim, inme hastaları için fizyoterapi penceresinin asla kapanmayabileceğini düşündürmektedir ^3,5,6,8,46. Görüntülemeden türetilen metrikler, potansiyel terapötik başarının belirleyicileri olarak klinik değerlendirmelerden daha iyi olabilir ve gelişmiş ve bireyselleştirilmiş tedavi planlamasına rehberlik edecek bilgiler sağlayabilir. Elde edilen veriler, eğitimle edinilen motor gelişimlerin uzun vadede devam ettiğini göstermektedir³. Bu iş kolu, inme sağlık hizmetlerinde bir paradigma değişikliği yaratma ve kronik inme hastaları için umudu yenileme potansiyeline sahiptir.

Robotik el kavrama cihazı ^3,8,46,47,48 ile elde edilen sonuçlara dayalı olarak sonuç belirleyicilerden nöroplastisite tespit edildiğinden, benzer bir MR uyumlu ayak indüklemeli robotik cihazın (MR_COFID) geliştirilmesi önerilmiştir. Kavrama işleminden sonra ayak kullanımı rehabilitasyon için kritik bir hedeftir, çünkü inmeye bağlı ayak disfonksiyonu tökezlemelere ve düşmelere neden olur⁴⁹. Bu çalışmanın çıktıları, kronik inme sonuçlarını iyileştirebilir, hızlandırılmış rehabilitasyon yoluyla maliyetleri azaltabilir ve rehabilitasyon sonrası bakım yüklerini azaltabilir ve hastaların yaşam kalitesini iyileştirebilir. Yenilikçi yaklaşımlarla ölçeklenebilir ve etkili rehabilitasyon eğitimi verme potansiyelini keşfetmek, öngörülebilir şekilde daralan sağlık bütçeleri ve mevcut pandemi gibi öngörülemeyen olaylar karşısında giderek daha önemli hale gelecektir.

Yazarların hiçbirinin açıklanacak çıkar çatışması yoktur.

Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü'nden (Hibe numarası 1R01NS105875-01A1) A. Aria Tzika'ya verilen bir hibe ile desteklenmiştir. Bu çalışma Athinoula A. Martinos Biyomedikal Görüntüleme Merkezi'nde gerçekleştirildi. Direktör Dr. Bruce R. Rosen, MD, Ph.D. ve Martinos Center personelinin üyelerine ve tavsiyeleri ve destekleri için Dr. Michael Moskowitz, MD'ye teşekkür etmek istiyoruz. Son olarak, cihazın üretimi için Virtumed, LLC'ye teşekkür ederiz.