Summary
De aanpassing en het gebruik van een haptische robot in een 3T fMRI is beschreven.
Abstract
Functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) biedt uitstekende functionele beeldvorming van de hersenen via het BOLD signaal 1 met voordelen, waaronder niet-ioniserende straling, millimeter ruimtelijke nauwkeurigheid van de anatomische en functionele gegevens 2, en bijna real-time analyses 3. Haptische robots nauwkeurige meting en controle van de positie en de kracht van een cursor in een redelijk kleine ruimte. Hier combineren we deze twee technologieën om de precisie te experimenten met motorische controle met haptische / tactiele omgeving interactie, zoals het bereiken of grijpen mogelijk te maken. Het basis idee is om vast een 8 voeteneinde effector ondersteund in het midden naar de robot 4, zodat het onderwerp aan de robot te gebruiken, maar afscherming het en houden het uit van de meest extreme deel van het magnetische veld van de fMRI-machine (figuur 1 ).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc) is een uitstekende keuze voor het leveren van force-feedback in de virtuele werkelijkheid experimenten 5, 6, maar het is inherent niet-MR veilig, introduceert significante ruis op de gevoelige fMRI-apparatuur, en de elektrische motoren kunnen worden beïnvloed door de fMRI is sterk wisselend magnetisch veld. We hebben geconstrueerd een tafel en afscherming systeem waarmee de robot op een veilige manier worden geïntroduceerd in de fMRI-omgeving en de grenzen zowel de afbraak van de fMRI-signaal door de elektrisch luidruchtige motoren en de afbraak van de elektromotor de prestaties door de sterk wisselende magnetische veld van de fMRI. Met het schild, de signaal-ruisverhouding (SNR: gemiddelde signaal / ruis standaarddeviatie) van de fMRI gaat van een baseline van ~ 380 tot ~ 330 en ~ 250 zonder de afscherming. De resterende geluid lijkt te zijn gecorreleerd en geen artefacten toe te voegen aan de fMRI van een test bol (figuur 2). De lange, stijve handgreep maakt plaatsing van de robot buiten het bereik van de meest sterk verschillende delen van het magnetische veld dus er is geen significant effect van de fMRI op de robot. Het effect van de handgreep op kinematica van de robot is minimaal want het is licht in gewicht (~ 2,6 pond), maar uiterst stijve 3 / 4 "grafiet en goed in balans op de 3DoF gewricht in het midden. Het eindresultaat is een fMRI compatibel, haptische systeem met ongeveer 1 kubieke voet van de werkruimte, en, in combinatie met virtual reality, het zorgt voor een nieuwe reeks van experimenten worden uitgevoerd in de fMRI-omgeving inclusief naturalistisch te bereiken, passieve verplaatsing van de ledematen en haptische perceptie, aanpassing leren in wisselende krachtvelden , of textuur identificatie 5, 6.
Protocol
1. Buiten de scanner kamer
- Plaats de rollende tafel met de ondersteunde vrije einde en de buitenkant einde van de vrijstaande lange steel.
- Controleer of de robot is uitgeschakeld.
- Plaats de robot in de tabel stopcontact en zet de aluminium plaat over de veiligheid van de robot met 2 schroeven.
- Bevestig het uiteinde effector om de robot te behandelen met de aluminium adapter en controleren of deze vrij beweegt.
- Bevestig de 10 'parallelle kabel met aluminium afscherming aan de robot en controleer of de afscherming intact is. Voeg extra folie indien nodig.
- Plaats de aluminium bescherming vak over de robot voorzichtig om de parallelle en stroomkabels in de groef op de rug plaats.
- Voorzichtig schroef op de afscherming doos.
- Pack aluminiumfolie in de kabel groef op de beschermende doos en zorg ervoor dat de folie in contact komt met de afscherming op de parallelle kabel.
2. Verhuizen naar de scanner kamer met twee personen, A en B
- Voor te bereiden op een hoog magnetisch veld in het milieu terechtkomt door het verwijderen van alle metalen objecten, waaronder non-ferro die, bijvoorbeeld, mobiele telefoons, sleutels, munten, enz. ..
- Met persoon A houdt het vrije uiteinde van de robot tafel en persoon B het stabiliseren van de box eind, rol het vrije uiteinde eerste tot de robot gaat alleen de deur van de kamer.
- Persoon B clips van de veiligheidslijn vastgebonden aan een anker gat aan de achterkant van de afscherming zaak en controleert of het andere uiteinde stevig is bevestigd aan een muur te verankeren.
- Samen te werken, rol de tafel in de kamer en bevestig deze met klittenband aan de voet van de fMRI tafel. De robot einde van de tabel moet zo ver te blijven van de scanner mogelijk te maken.
- Bevestig de robot parallelle kabel aan de aangepaste filter op de pas door naar de meldkamer, en steek de stekker in de robot. De afscherming folie op de parallelle kabel moet contact maken met het filter.
- Bevestig de buitenkant deel van de lange steel (eind effector) en controleer of het zal de boring van de fMRI netjes in te voeren.
3. In de meldkamer
- Start de besturingscomputer en bevestig de 6 'parallelle kabel aan op de robot. Zorg ervoor dat u extra filters die op de binnenkant van de pas via verwijderen.
- Controleer of de robot motoren zijn uitgeschakeld, start u de Phantom kalibratieroutine en controleer dat de positie uitlezingen van de motoren van de kalibratie van de robot routine stabiel zijn.
- Controleer de parallelle kabel aansluiting en dat alleen de grote custom filter is bevestigd als de kalibratie niet kunnen zien van de robot of zijn er grote variaties in de motor uitlezen.
- Zet de robot door het openen van de poort aan de achterkant van de afscherming vak en druk op de schakelaars met een stok.
- Start de calibratie routine met het eind effector ongeveer gecentreerd op het einde van de conische golfgeleider. Stap door de kalibratie en controleer of het vakje kalibratie box de juiste haptische interactie.
- Bevestig de TTL uitgang van de fMRI (BNC connector) aan op de Labjack ADC op de besturingscomputer.
4. Het onderwerp
- Bereiden op het onderwerp voor een hoog magnetisch veld omgeving met de standaard fMRI protocollen.
- Stel eventueel extra materiaal voor het experiment, bijvoorbeeld, visuele weergave systeem. We gebruiken de NordicNeuro Lab, Inc Vision System, die stereo weergave van visuele displays biedt, een functie die is vooral handig bij de presentatie van virtuele omgevingen.
- Nadat het onderwerp gaat liggen op de tafel en het hoofd spoel is gelegen, past u de afstand van de robot door het losdraaien van de hand schroeven en schuif de bovenkant van de tabel totdat het onderwerp comfortabel kunt bewegen.
- Handmatig Guide de tafel door vasthouden aan de robot einde, terwijl het fMRI tafel beweegt in en uit de boring aan de wielen te voorkomen dat wiebelen. Zorg ervoor dat het eind effector gaat in de boring en niet vangen aan de buitenkant.
- Voer het experiment.
5. Breken de opstelling met twee personen A en B
- Nadat de patiënt verlaat, verwijdert u de buitenkant einde van de lange steel en verwijder de robot tafel uit de fMRI tafel door het losdraaien van de klittenband.
- Van de robot, ongedaan maken van de afgeschermde parallelle kabel en de stekker uit het stopcontact.
- Met persoon A houdt het vrije uiteinde van de robot tafel en persoon B begeleiden van de robot einde, verplaats de tafel naar de deur. Bij de deur, ongedaan maken van de ketting, en rol van de robot tabel naar de hal.
- Alles ongedaan maken van de schroeven van de afscherming doos en de twee schroeven van de veiligheids-bord en verwijder de robot.
6. Representatieve resultaten:
Idealiter zou de haptische robot en fMRI geen invloed op elkaar. We kunnen zeggen online als de robot wordt beïnvloed door de fMRI. Over het algemeen, als de robot de parallelle kabel is niet goed afgeschermd en gefilterd, dan is de uitlezing van de motoren zal oscillaat snel. Dit kan worden opgelost door te dubbelklikken het controleren van de aluminium bescherming op de kabel, dat de ferro-kern correct is geplaatst op de parallelle kabel de buurt van de robot, en dat de enige filter naar de robot is de aangepaste filter van de scanner kamer kant van het passeren . Het detecteren van fouten in de fMRI is eigenlijk alleen mogelijk nadat de gegevens zijn beperkt en geanalyseerd, maar een anatomische scan moet vroeg in de studie worden genomen en gecontroleerd op rits effecten of andere artefacten wijzen op gecorreleerde ruis (bijv. spike geluid) 7. Vaak, zoals lawaai is afkomstig van metaal op metaal contact en kunnen worden opgeruimd door het aandraaien van de schroeven op de robot tafel, in het bijzonder de hand stelschroeven aan de zijkant van de tafel. Uit onze tests de baseline fMRI signaal-ruisverhouding (SNR) is ~ 380 en met de robot volledig afgeschermd in de kamer die daalt tot een nog redelijk ~ 330. Als het schild is niet op zijn plaats op de robot, dan is de SNR dalen verder naar ~ 250, en lawaai-effecten zeer belangrijk.
Zoals weergegeven in 4, de 3 graden van vrijheid gewricht in het midden van het handvat heeft weinig effect op de dynamiek van de robot / hand interactie, behalve om het te verplaatsen weg van de robot. De gezamenlijke in het midden van het handvat fungeert als een steunpunt en keert de schijnbare beweging in twee van de richtingen (links-rechts en up-down), maar niet de derde (forward-back). Sinds de Phantom en de hand zijn op tegenovergestelde uiteinden van de hendel, zoals handgreep met haar steunpunt in het midden, worden winsten toegepast in de software in elk van de drie Euclidische richtingen: negatief winst in de twee richtingen gecontroleerd door de swivel joint en een positief resultaat in de richting van de slider gewricht. Het netto-effect van de hendel en draai reproduceert het volledige drie graden van vrijheid van de Phantom robot, slechts 9 'weg.
Figuur 1 Het apparaat wordt gebruikt om de haptische robot voor het gebruik monteren in de fMRI-omgeving. Bovenste gedeelte geeft de haptische robot gemonteerd in het geval vóór behuizing (boven, links) en de gimbal / schuifregelaar gezamenlijk in het midden van het handvat (boven, rechts). Bottom, links zie je een onderwerp in de scanner het manipuleren van de handgreep. Onder, rechts is een cartoon van de afscherming en eind effector.
Figuur 2 Resultaten van de Birn test voor de volledig afgeschermd robot met beweging. De drie beelden met kruisen tonen de delen van de bolvormige kop model, en onderaan rechts toont een drie dimensionaal beeld. De kleine puntjes zijn belletjes in het statische model en zijn altijd aanwezig. Het gebrek aan grote strepen of ritsen geeft aan dat het lawaai van de robot is niet gecorreleerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De fMRI compatibele robot opent nieuwe mogelijkheden voor experimenten in de neurowetenschappen van motorische controle. De meest kritische stap in de setup is de afscherming van de robot om artefacten te voorkomen in de fMRI, dat doen we in twee stappen. Ten eerste is de robot zelf is ongeveer 9 'uit de buurt van de boring met een lange, licht, handvat ondersteund in het midden met een 3 graden van vrijheid gewricht. Ten tweede, de robot is ingekapseld in een 1 / 16 "-1 / 4" aluminium doos met een plastic conische (13 "base diameter, 6" top diameter x 42 "lang) golfgeleider met aluminium folie afscherming die werd berekend op ~ 100dB te blokkeren van lawaai in de fMRI desbetreffende frequentieband,> 100 MHz. In de toekomst, koperen afscherming kan worden gebruikt om de aluminium folie op de conus vervangen, maar op dit moment presteert naar behoren net als met een aanzienlijke kosten-en gewichtsbesparing. Ook verder uitbreiding van het toepassingsgebied van de apparatuur, zijn we van plan om simultane EEG / fMRI met het huidige systeem op te nemen.
De belangrijkste veiligheidsproblemen in verband met de experimentele set-up is het potentieel voor ferromagnetische objecten die moeten worden getrokken met grote kracht in de boring van de fMRI magneet. Om dit risico te minimaliseren, alle bijkomende apparatuur, zoals het schild en roltafel, zijn opgebouwd uit niet-magnetische materialen. Als de haptische robot zelf bevat ferromagnetische materialen, moet bijzondere voorzichtigheid worden betracht met betrekking tot de positionering. De robot is bevestigd aan de rollende tafel en de geheel wordt vastgebonden aan de muur voorafgaand aan de implementatie van de assemblage in de magneet kamer. De lengte van de ketting is zo ontworpen dat de robot niet kan bewegen voorbij het einde van de patiënt tafel. Ten slotte, om een veilige werking te garanderen, moeten experimentele personeel extra voorzichtig zijn om de gedetailleerde protocol elders beschreven in dit document te volgen.
Een van de belangrijkste kenmerken van de fMRI is dat het niet-ioniserende straling gebruikt en is dus veiliger dan meer invasieve concurrerende technologieën, zoals PET, zonder het verlies van de lokalisatie van de activiteit gezien in passieve technologieën, zoals EEG of MEG. Het nadeel van fMRI dat we overwonnen met de haptische robot aanpassing is om apparatuur die compatibel is met de hoge magnetische veld en het lawaai de gevoeligheid van de fMRI met behoud van de functionaliteit. Eerdere pogingen om het menselijk motorisch gedrag studie hebben vertrouwd op ofwel perslucht of water 8 9 apparaten die een slechte responstijden hebben waardoor ze niet geschikt voor realistische interactie met de omgeving of de schijven bevinden buiten de scanner kamer met een beperkte mate van vrijheid. De oplossing hier, vergelijkbaar met een eerdere studie dat een onbeschermde lagere-force model robot wordt gebruikt, in een 1.5 T fMRI-4, het houden van de apparatuur in de kamer en afscherming, geeft het volledige scala van de beweging van lucht compressoren, maar met de snelle, milliseconde latencies van elektrische aandrijvingen.
Met de apparatuur up and running, zijn we nu op zoek naar heroverwegen klassieke motor controle-experimenten zoals wijst met boete 5 of sequentieel leren 10 als nieuwe experimenten met volledig immersieve virtual reality met de robot het verstrekken van haptische interactie te ontwikkelen. Het relatieve gemak van het gebruik van het huidige protocol zal het openstellen van de fMRI om real-time, interactieve beweging experimenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
We willen graag Kun Lu en Ronald Kurz bedanken voor technische bijstand. Dit werk werd ondersteund door ONR MURI Award Nr: N00014-10-1-0072, NSF subsidie # SBE-0542013 om de temporele dynamiek van het Learning Center, een NSF Science of Learning Center, en de NIH subsidie # 2 R01 NS036449-11.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phantom premium 1.5/6dof, high force model | SensAble, Geomagic |
References
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 9868-9872 (1990).
- Heeger, D. J., Ress, D. What does fMRI tell us about neuronal activity. Nat. Rev. Neurosci. 3, 142-151 (2002).
- deCharms, R. C.
- Hribar, A., Koritnik, B., Munih, M. Phantom haptic device upgrade for use in fMRI. Medical and Biological Engineering and Computing. 47, 677-684 (2009).
- Trommershauser, J., Gepshtein, S., Maloney, L. T., Landy, M. S., Banks, M. S. Optimal compensation for changes in task-relevant movement variability. J. Neurosci. 25, 7169-7178 (2005).
- Konczak, J., Li, K. Y., Tuite, P. J., Poizner, H. Haptic perception of object curvature in Parkinson's disease. PLoS ONE. 3, e2625-e2625 (2008).
- Lipton, M. L., Lipton, M. L. Artifacts: When things go wrong, it's not necessarily all bad. Totally Accessible MRI. , Springer. New York. 139-153 (2008).
- Rajh, M., Glodez, S., Flasker, J., Gotlih, K., Kostanjevec, T. Design and analysis of an fMRI compatible haptic robot. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 27, 267-275 (2011).
- Burdet, E., Gassert, R., Gowrishankar, G., Chapuis, D., Bleuler, H. fMRI compatible haptic interfaces to investigate human motor control. Experimental Robotics IX, of Springer Tracts in Advanced Robotics. Ang, M., Khatib, O. 21, Springer. Berlin. 25-34 (2006).
- Nakamura, T. Functional networks in motor sequence learning: abnormal topographies in Parkinson's disease. Hum Brain Mapp. 12, 42-60 (2001).
