Summary
La adaptación y el uso de un robot háptico en una fMRI 3T se describe.
Abstract
Resonancia magnética funcional (fMRI) proporciona imágenes de excelente funcional del cerebro a través de la señal BOLD 1 con ventajas, incluyendo la radiación no ionizante, precisión milimétrica espacial de los datos anatómicos y funcionales 2, y casi en tiempo real de análisis 3. Robots háptica proporciona una medición precisa y control de la posición y la fuerza de un cursor en un espacio bastante reducido. Aquí combinamos estas dos tecnologías para permitir que los experimentos de precisión implica el control del motor con háptico / interacción táctil medio ambiente tales como alcanzar o agarrar. La idea básica consiste en conectar un efector final de 8 pies apoyados en el centro para el robot de 4 lo que permite al sujeto a utilizar el robot, sino protegerlo y mantenerlo alejado de la parte más extrema del campo magnético de la máquina de resonancia magnética funcional (Figura 1 ).
El fantasma de Premium 3.0, 6DOF, alta fuerza de robot (SensAble Technologies, Inc.) es una excelente opción para proporcionar retroalimentación de fuerza en los experimentos de realidad virtual 5, 6, sino que es esencialmente no-MR seguro, introduce ruido significativo a la sensibilidad equipo de resonancia magnética funcional, y sus motores eléctricos pueden ser afectados por la fMRI es muy variable el campo magnético. Hemos construido una mesa y un sistema de protección que permite que el robot de forma segura introducción en el medio fMRI y los límites tanto de la degradación de la señal de resonancia magnética funcional por los motores de ruido eléctrico y la degradación del rendimiento del motor eléctrico por el campo magnético que varía fuertemente de la fMRI. Con el escudo, la relación señal a ruido (SNR: media de la señal / ruido de desviación estándar) de la fMRI va desde un valor basal de ~ 380 a ~ 330 y ~ 250 sin blindaje. El ruido restante parece ser correlacionados y no agregar artefactos a la resonancia magnética funcional de una esfera de prueba (Figura 2). El mango largo y rígido permite la colocación del robot fuera del alcance de las partes más fuertemente variables del campo magnético lo que no hay efecto significativo de la resonancia magnética funcional en el robot. El efecto del mango en la cinemática del robot es mínima ya que es ligero (~ 2,6 libras), pero muy dura 3 / 4 "de grafito y equilibrado en el conjunto 3DOF en el centro. El resultado final es una resonancia magnética compatible con el sistema táctil con alrededor de 1 pie cúbico de espacio de trabajo, y, cuando se combina con la realidad virtual, que permite un nuevo conjunto de experimentos que se realizan en el medio ambiente incluyendo fMRI naturalista desplazamiento alcance, pasiva de la extremidad y la percepción háptica, aprendizaje para la adaptación en los campos de fuerza variable , o la textura de identificación 5, 6.
Protocol
1. Fuera de la sala del escáner
- Coloque la mesa rodante con el extremo libre el apoyo y el extremo exterior del mango largo separado.
- Compruebe que el robot está apagado.
- Coloque el robot en el zócalo de la tabla y asegurar la placa de seguridad de aluminio sobre el robot con dos tornillos.
- Conecte el efector final del robot manejar con el adaptador de aluminio y comprobar que se mueve libremente.
- Conecte el 10 'cable paralelo con blindaje de aluminio para el robot y comprobar que el blindaje está intacto. Añadir hojas adicionales si es necesario.
- Coloque la caja de blindaje de aluminio sobre el robot teniendo cuidado de colocar los cables en paralelo y el poder dentro de la ranura en la parte posterior.
- Cuidadosamente los tornillos de la caja de protección.
- Paquete de papel de aluminio en la ranura del cable en la caja de protección y asegurarse de que el papel entra en contacto con el blindaje del cable paralelo.
2. Entrando en la sala del escáner con dos personas, A y B
- Prepárate para entrar en un entorno de alto campo magnético mediante la eliminación de cualquier y todos los objetos metálicos como los no ferrosos, por ejemplo, teléfonos celulares, llaves, monedas, etc ..
- Con la persona A finales sujeta el extremo libre de la mesa del robot y la persona B estabilizar el extremo de la caja, rodar sin primero hasta que el robot sólo entra por la puerta de la habitación.
- Clips persona B de la cuerda de seguridad atada a un agujero de anclaje en la parte posterior de la caja de blindaje y comprueba que el otro extremo está firmemente unido a un anclaje de pared.
- Trabajando juntos, rollo de la mesa en la habitación y adjuntarlo con tiras de velcro al pie de la tabla de resonancia magnética funcional. El extremo del robot de la tabla debe estar tan lejos de el escáner como sea posible.
- Conecte el cable paralelo del robot para el filtro personalizado en el paso a la sala de control, y conectar el robot. El blindaje del cable paralelo debe estar en contacto con el filtro.
- Coloque la parte exterior del mango largo (efector final) y verificar que se entrará en el agujero de la fMRI limpiamente.
3. En la sala de control
- Inicie el equipo de control y conectar el cable paralelo de 6 'para el robot. Asegúrese de quitar todos los filtros extra que puede ser en la parte interior del paso a través.
- Verificar que los motores del robot se apagan, la puesta en marcha de la rutina de calibración Phantom y verificar que las lecturas de la posición de los motores de la rutina de calibración del robot son estables.
- Compruebe la conexión del cable paralelo y que sólo el filtro personalizado grueso se une, si la rutina de calibración no se puede ver el robot o hay grandes variaciones en la lectura de motor.
- Encienda el robot por la apertura del puerto en la parte posterior de la caja de protección y los interruptores de prensa con un palo.
- Reiniciar la rutina de calibración con el efector final aproximadamente centrado en la final de la guía de onda cónica. Paso a través de la calibración y comprobar que la caja de calibración caja tiene la interacción háptica apropiado.
- Conecte la salida TTL de la resonancia magnética funcional (conector BNC) a la ADC Labjack en el ordenador de control.
4. El tema
- Preparar al sujeto para un entorno de alto campo magnético con los protocolos estándar de resonancia magnética funcional.
- La creación de cualquier equipo adicional para el experimento, por ejemplo, el sistema de representación visual. Usamos el NordicNeuro Lab, Sistema de Visión Inc. que ofrece una visualización estéreo de muestra visual, una característica que es especialmente útil cuando se presentan los entornos virtuales.
- Después de que el sujeto se acuesta sobre la mesa y la bobina de la cabeza se encuentra, ajustar la distancia del robot aflojando los tornillos de mano y deslizando la parte superior de la tabla hasta que el sujeto puede moverse con soltura.
- Guía de la tabla manualmente mediante la celebración en el extremo del robot, mientras que la tabla de resonancia magnética funcional se está moviendo dentro y fuera del agujero para evitar que las ruedas se tambalee. Asegúrese de que el efector final entra en el agujero y no recoge en el exterior.
- Realizar el experimento.
5. Romper la configuración con dos personas A y B
- Después de la salida del paciente, retire el extremo exterior del mango largo y separar la mesa de robot de la mesa de resonancia magnética funcional por deshacer la correa de velcro.
- Del robot, deshacer el cable paralelo apantallado y desconecte el cable de alimentación.
- Una persona con la celebración de la extremidad libre de la tabla de robot y la persona B guiar el robot final, mover la tabla a la puerta. En la puerta, deshacer la atadura, y gire la mesa de robot a la sala.
- Deshacer todos los tornillos de la caja de protección y los dos tornillos de la placa de seguridad y quitar el robot.
6. Los resultados representativos:
Idealmente, el robot táctil y fMRI no debería afectar a los demás. Podemos decir en línea si el robot está siendo afectada por la fMRI. Por lo general, si el cable paralelo del robot no está correctamente aislado y se filtra, entonces la lectura de los motores se oscilaciónfinales con rapidez. Esto se puede solucionar con un doble control de la protección de aluminio en el cable, que el núcleo de hierro está correctamente colocado en el cable paralelo, cerca del robot, y que el filtro sólo a los que el robot es el filtro personalizado en el lado de la sala del escáner pasar a través de . Detección de errores en la fMRI es realmente sólo es posible después de los datos se han reducido y analizado, pero una exploración anatómica se deben tomar al principio del estudio y se analiza los efectos de cremallera u otros artefactos indicativo de ruido correlacionado (por ejemplo, el ruido pico) 7. Con frecuencia, el ruido que proceda de metal en contacto con el metal y se puede limpiar apretando todos los tornillos en la mesa robot, especialmente los tornillos de ajuste la mano del lado de la mesa. De nuestras pruebas la señal de resonancia magnética funcional de referencia a ruido (SNR) es de ~ 380 y con el robot totalmente blindado en el cuarto que cae a un todavía razonable ~ 330. Si el protector no esté en su lugar en el robot, entonces la caída de SNR más de ~ 250, y los efectos del ruido se vuelven muy importantes.
Como se muestra en 4, el grado 3 de la articulación la libertad en el centro del mango tiene poco efecto sobre la dinámica de la interacción robot / la mano si no es para alejarse de la robot. La articulación en el centro de la palanca actúa como un punto de apoyo e invierte el movimiento aparente de dos de las direcciones (izquierda-derecha y arriba-abajo), pero no el tercero (de adelante hacia atrás). Dado que el fantasma y la mano se encuentran en extremos opuestos de la palanca como manejar con su punto de apoyo en el medio, las ganancias se aplican en el software en cada una de las tres direcciones euclidiana: ganancias negativas en las dos direcciones controladas por la articulación giratoria y una ganancia positiva en la dirección de la junta deslizante. El efecto neto de la manija giratoria y se reproduce la totalidad de 3 grados de libertad del robot Phantom, a sólo 9 'de distancia.
Figura 1 El aparato utilizado para montar el robot táctil para su uso en el entorno de resonancia magnética funcional. Superior muestra el robot táctil montada en el caso antes de la caja (arriba, izquierda) y el cardán / regulador común en el punto medio de la manija (arriba, derecha). Abajo y de izquierda se muestra un objeto en el escáner de la manipulación de la palanca. Abajo, derecha es una caricatura de la protección y efector final.
Figura 2 Resultados de la prueba BIRN para el robot totalmente blindados con el movimiento. Las tres imágenes con cruces muestran las secciones de la modelo de cabeza esférica, y la parte inferior derecha muestra una vista tridimensional. Los puntos pequeños son burbujas en el modelo de carga estática y están siempre presentes. La falta de grandes bandas o cremalleras indica que el ruido de los robots no está correlacionado.
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Discussion
El robot compatible fMRI abre nuevas posibilidades para los experimentos en la neurociencia de control de motores. El paso más importante en la configuración es la protección del robot para evitar artefactos en la fMRI, lo que hacemos en dos pasos. En primer lugar, el propio robot es de unos 9 'de distancia de la perforación con una larga y ligera, manejar el apoyo en su centro con un grado 3 de la libertad común. En segundo lugar, el robot está encerrado en un 16.1 casilla "-1 / 4" de aluminio con un plástico de forma cónica (13 "diámetro de la base, 6" de diámetro superior x 42 "de largo) de guía de ondas con papel de aluminio de blindaje que se calculó para bloquear ~ 100dB de ruido en la banda de frecuencias correspondiente fMRI,> 100 MHz. En el futuro, blindaje de cobre puede ser usado para reemplazar el papel de aluminio en el cono, pero en la actualidad lleva a cabo de manera satisfactoria, como es a un costo sustancial y el ahorro de peso. Además, para más ampliar el alcance de los equipos, tenemos la intención de incorporar simultánea de EEG / fMRI con el sistema actual.
La preocupación principal de seguridad asociados con el montaje experimental es el potencial de objetos ferromagnéticos que se tiró con gran fuerza en el agujero del imán fMRI. Para minimizar este riesgo, todos los equipos auxiliares, tales como el escudo y la mesa de rodadura, se construye a partir de materiales no magnéticos. A medida que el robot háptico se contiene materiales ferromagnéticos, especial cuidado debe ser ejercida con respecto a su posicionamiento. El robot se fija a la mesa rodante y todo el conjunto está unido a la pared antes de rodar el montaje en la sala de imán. La longitud de la correa está diseñada para que el robot no puede moverse más allá del final de la mesa del paciente. Por último, para garantizar un funcionamiento seguro, el personal de experimentación debe tener especial cuidado de seguir el protocolo detallado se describe en este documento.
Una de las características más importantes de la fMRI es que utiliza las radiaciones no ionizantes por lo que es más seguro que las tecnologías más invasivas que compiten, como el PET, sin la pérdida de la localización de la actividad se ve en las tecnologías pasivas como EEG o MEG. El inconveniente de resonancia magnética funcional que superar con la adaptación robot háptico es hacer un equipo compatible con el campo magnético de alta sensibilidad al ruido y de la resonancia magnética funcional, manteniendo su funcionalidad. Los intentos anteriores para estudiar el comportamiento motor humano se han basado en aire comprimido o bien ocho o nueve dispositivos de agua que tienen tiempos de respuesta pobres lo que resultan inadecuados para la interacción real con el medio ambiente o unidades ubicadas externo a la sala del escáner con grados limitados de la libertad. La solución a este problema, similar a un estudio previo que se utiliza un blindaje inferior de la fuerza de robot modelo, en una resonancia magnética de 1,5 T 4, manteniendo el equipo en el cuarto y el blindaje, ofrece la gama completa del movimiento de los compresores de aire, pero con el ayuno, milisegundos latencias de accionamientos eléctricos.
Con el equipo en funcionamiento, ahora estamos buscando volver a examinar los experimentos de control del motor clásico como señalar con pena de 5 o 10 secuencia de aprendizaje, así como desarrollar nuevos experimentos involucran la realidad totalmente virtual inmersiva con el robot proporcionando una interacción háptica. La relativa facilidad de uso del actual protocolo se abrirá la resonancia magnética funcional en tiempo real, experimentos interactivos movimiento.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Nos gustaría dar las gracias al Kun Lu y Kurz Ronald de asistencia técnica. Este trabajo fue apoyado por la ONR N º Premio MURI: N00014-10-1-0072, NSF subvención # SBE-0542013 a la dinámica temporal de Centro de Aprendizaje, una ciencia de la NSF Centro de Aprendizaje, y subvención del NIH # 2 R01 NS036449-11.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phantom premium 1.5/6dof, high force model | SensAble, Geomagic |
References
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