Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

Summary

Die Anpassung und Nutzung eines haptischen Roboter in einem 3T fMRT beschrieben.

Abstract

Funktionelle Kernspintomographie (fMRI) bietet eine hervorragende funktionelle Bildgebung des Gehirns über die BOLD-Signal ¹ mit Vorteilen, einschließlich nicht-ionisierender Strahlung, Millimeter räumliche Genauigkeit der anatomischen und funktionellen Daten ^2, und fast in Echtzeit analysiert ^3. Haptic Roboter sorgen für eine präzise Messung und Steuerung von Position und Kraft eines Cursors in einer recht engen Raum. Hier kombinieren wir diese beiden Technologien, um Präzision Experimente mit Motorsteuerung mit haptischen / taktile Umwelt-Interaktion wie das Erreichen oder Greifen zu ermöglichen. Die Grundidee ist es, ein 8-Fuß-Ende Effektor in der Mitte der Roboter ⁴ erlaubt das Thema, um den Roboter verwenden, nicht unterstützt anhängen, aber es Abschirmung und halten Sie sie aus dem äußersten Teil des Magnetfeldes aus der fMRI-Maschine (Abbildung 1 ).

Das Phantom Premium 3.0, 6DoF, High-Kraft-Roboter (SensAble Technologies, Inc.) ist eine ausgezeichnete Wahl für die Bereitstellung von Force-Feedback in der virtuellen Realität Versuchen ^{5, 6,} aber es ist von Natur aus nicht-MR Safe, stellt erhebliche Geräusche an den empfindlichen fMRI Ausrüstung und ihre Elektromotoren können durch die fMRT ist stark variierenden Magnetfeld beeinflusst werden. Wir haben einen Tisch und Schirm-System, das den Roboter sicher in die fMRI-Umgebung eingeführt werden können und die Grenzen sowohl der Abbau des fMRI-Signals durch die elektrisch verrauschten Motoren und den Abbau des Elektromotors Leistung durch die stark variierenden Magnetfeld der konstruierten fMRI. Mit dem Schild, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR: mittlere Signal / Rausch-Standardabweichung) geht der fMRI von einem Ausgangswert von ~ 380 bis ~ 330 und ~ 250 ohne Abschirmung. Die restlichen Lärm scheint unkorreliert und fügt keine Artefakte, die fMRI eines Tests Kugel (Abbildung 2). Die langen, steifen Griff ermöglicht die Platzierung des Roboters außerhalb der Reichweite der meisten stark variierende Teile des Magnetfeldes, so gibt es keinen signifikanten Effekt der fMRI am Roboter. Die Wirkung der Griff an der Roboter-Kinematik ist minimal, da es leicht (~ 2,6 lbs), aber extrem steif 3 / 4 "Graphit und ausgewogen über die 3DoF Gelenk in der Mitte. Das Endergebnis ist ein fMRI-kompatibel, haptische System mit etwa 1 Kubikfuß Arbeitsraum, und, wenn sie mit der virtuellen Realität ermöglicht in Kombination für eine neue Reihe von Experimenten in der fMRI-Umgebung einschließlich naturalistischen erreichen, passive Verschiebung des Körpers oder der haptischen Wahrnehmung, Anpassung Lernen in unterschiedlichen Kraftfelder durchgeführt werden oder Textur Identifizierung ^{5, 6.}

Protocol

1. Außerhalb der Scanner-Raum

1. Setzen Sie den Rolltisch mit dem freien Ende unterstützt und das äussere Ende der langen Griff gelöst.
2. Prüfen Sie, ob der Roboter ausgeschaltet ist.
3. Stellen Sie den Roboter in der Tabelle Sockel und befestigen Sie die Aluminium-Sicherheits-Platte über den Roboter mit 2 Schrauben.
4. Befestigen Sie das Ende Effektor des Roboters Griff mit Aluminium-Adapter und überprüfen, ob es sich frei bewegt.
5. Bringen Sie die 10 'parallel Kabel mit Schirmung aus Aluminium, um den Roboter und überprüfen Sie, dass die Abschirmung intakt ist. Fügen Sie zusätzliche Folie, wenn nötig.
6. Legen Sie die Schirmung aus Aluminium-Box über den Roboter zu achten, die parallel und Stromkabel in die Nut auf der Rückseite Platz.
7. Sorgfältig auf die Abschirmung box Schraube.
8. Pack Aluminiumfolie in das Kabel Nut auf der Abschirmung Box und sicher sein, die Folie in Kontakt mit der Abschirmung auf das parallele Kabel.

2. Umzug in den Scanner Zimmer mit zwei Personen, A und B

1. Bereiten Sie sich darauf ein hohes Magnetfeld-Umgebung, indem Sie alle und alle metallischen Gegenstände wie NE-sein, zum Beispiel Handys, Schlüssel, Münzen, etc. geben ..
2. Mit Person A hält das freie Ende des Roboters Tisch und Person B die Stabilisierung der box Ende, rollen Sie es kostenlos Ende zuerst, bis der Roboter gerade in die Tür des Zimmers.
3. Person B-Clips mit dem Sicherungsseil angebunden an einen Anker Loch auf der Rückseite der Abschirmung Fall und prüft, ob das andere Ende fest an einer Wand verankern befestigt.
4. Gemeinsam rollen die Tabelle in den Raum und verbinden Sie es mit Klettverschlüssen an den Fuß des fMRI-Tabelle. Der Roboter Ende der Tabelle so weit bleiben vom Scanner wie möglich.
5. Befestigen des Roboters parallel-Kabel mit dem benutzerdefinierten Filter auf dem Durchlauf durch den Kontrollraum, und stecken Sie den Roboter. Die Abschirmung Folie auf der parallel Kabel sollte Kontakt mit dem Filter zu machen.
6. Befestigen Sie den äußeren Teil des langen Griffes (Ende Effektor) und überprüfen Sie, dass es die Bohrung des fMRI sauber eingeben.

3. In der Leitwarte

1. Starten Sie das Control Computer und schließen Sie das 6 'parallele Kabel an den Roboter. Achten Sie darauf, keine zusätzlichen Filter, die auf den inneren Teil des passieren kann, zu entfernen.
2. Stellen Sie sicher, dass der Roboter-Motoren ausgeschaltet sind, starten Sie das Phantom Kalibrierroutine und überprüfen, ob die Positionsanzeige der Motoren aus dem Roboter Kalibrierroutine stabil sind.
3. Überprüfen Sie das parallele Kabel-Anschluss und dass nur die großen benutzerdefinierten Filter angebracht ist, wenn der Kalibrierung nicht sehen kann, den Roboter oder gibt es große Unterschiede in der Motor-Anzeige.
4. Schalten Sie den Roboter durch das Öffnen der Anschluss auf der Rückseite der Abschirmung ein und drücken Sie die Schalter mit einem Stock.
5. Starten Sie die Kalibrierungsroutine mit dem Ende Effektor etwa am Ende des konischen Wellenleiter zentriert. Schritt durch die Kalibrierung und Überprüfung, dass die Box Kalibrierung Feld die entsprechende haptische Interaktion hat.
6. Befestigen Sie den TTL-Ausgang aus der fMRI (BNC-Stecker) an den LabJack ADC auf dem Steuerrechner.

4. Das Thema

1. Bereiten Sie das Thema für ein hohes Magnetfeld-Umgebung mit dem Standard-fMRI-Protokolle.
2. Richten Sie keine zusätzliche Ausrüstung für das Experiment, zB Visualisierung. Wir nutzen die NordicNeuro Lab, Inc. Vision System, die Stereo-Anzeige von Visual Displays bietet, ein Feature, das besonders hilfreich ist bei der Präsentation in virtuellen Umgebungen.
3. Nach dem Thema liegt auf dem Tisch und den Kopf Spule befindet, stellen Sie den Abstand des Roboters durch Lösen der Schrauben der Hand und schieben Sie die Spitze der Tabelle, bis das Motiv bequem bewegen kann.
4. Führen Sie die Tabelle manuell, indem Sie auf den Roboter Ende, während der fMRT-Tisch bewegt sich in und aus der Bohrung auf die Rollen ein Wackeln zu verhindern. Stellen Sie sicher, das Ende Effektor geht in die Bohrung und nicht auf der Außenseite zu fangen.
5. Führen Sie das Experiment.

5. Gliedern Sie die Setup mit zwei Personen A und B

1. Nachdem der Patient verlässt, entfernen Sie das äußere Ende des langen Griff und nehmen Sie das Roboter-Tabelle aus der fMRI-Tabelle durch Lösen der Klettverschluss.
2. Von dem Roboter, lösen Sie die geschirmten Parallelkabel und ziehen Sie das Netzkabel.
3. Mit Person A hält das freie Ende des Roboters Tisch und Person B die Führung des Roboters Ende, bewegen Sie die Tabelle, um die Tür. An der Tür, lösen Sie die Leine, und rollen Sie den Roboter Tabelle auf den Flur.
4. Undo all die Schrauben von der Abschirmung Box und die beiden Schrauben von der Sicherungsplatte und entfernen Sie den Roboter.

6. Repräsentative Ergebnisse:

Idealerweise sollte das haptische Roboter-und fMRI nicht gegenseitig beeinflussen. Wir können sagen, online, wenn der Roboter durch die fMRI betroffen sein. Im Allgemeinen, wenn der Roboter parallel Kabel ist nicht ordnungsgemäß abgeschirmt und gefiltert und dann das Auslesen der Motoren wird OszillatorenEnde schnell. Dies kann durch eine doppelte Überprüfung der Aluminium-Abschirmung des Kabels befestigt werden, dass die Eisen-Kern richtig auf das parallele Kabel in der Nähe des Roboters gelegt, und dass der einzige Filter, um den Roboter wird die benutzerdefinierte Filter auf dem Scanner-Raum Seite des Passes durch . Erkennen von Fehlern in der fMRT ist wirklich nur möglich, nachdem die Daten reduziert worden und analysiert, sondern eine anatomische Scan sollte frühzeitig in die Studie aufgenommen und überprüft Reißverschluss Effekte oder andere Artefakte bezeichnend für korrelierte Rauschen (zB Spike Lärm) ^7. Häufig kommt eine solche Geräusche von Metall auf Metall Kontakt und kann durch Anziehen aller Schrauben auf der Roboter-Tisch, vor allem die Hand Stellschrauben auf der Seite des Tisches gereinigt werden. Von unseren Tests der Grundlinie fMRI-Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beträgt ~ 380 und mit dem Roboter völlig in den Raum abgeschirmt, die zu einem noch angemessenen ~ 330 Tropfen. Wenn die Abschirmung nicht an ihrem Platz auf dem Roboter, dann ist die SNR drop weiter auf ~ 250 und Lärmauswirkungen sehr bedeutsam.

Wie in ⁴ gezeigt, hat die 3 Freiheitsgrad Gelenk in der Mitte des Griffs kaum Auswirkungen auf die Dynamik des Roboters / Hand-Interaktion außer es Verschiebung weg von dem Roboter. Das Joint in der Mitte des Griffes wirkt wie ein Drehpunkt und dreht die scheinbare Bewegung in zwei der Richtungen (links-rechts und oben-unten), nicht aber den dritten (forward-back). Seit dem Phantom und die Hand an den entgegengesetzten Enden des Hebels wie umgehen mit seinen Dreh-und Angelpunkt in der Mitte sind, werden Gewinne in der Software in jedem der drei euklidischen Richtungen aufgebracht: negative Gewinne in beiden Richtungen durch das Drehgelenk kontrolliert und eine positive Verstärkung in die Richtung des Läufers Gelenk. Der Nettoeffekt der Griff-und schwenkbar reproduziert das volle 3 Freiheitsgrade der Phantom-Roboter, nur 9 'entfernt.

Abbildung 1: Das Gerät verwendet, um die haptische Roboter für den Einsatz in der fMRI-Umgebung montieren. Top zeigt die haptische Roboter in dem Fall angebracht vor dem Gehäuse (oben, links) und die Aufhängung / Schieber Joint in der Mitte des Griffs (oben, rechts). Unten, links zeigt einen Gegenstand in den Scanner manipulieren den Griff. Unten rechts ist eine Karikatur der Abschirmung und Ende Effektor.

Abbildung 2: Ergebnisse der BIRN Test für die vollständig abgeschirmte Roboter mit Bewegung. Die drei Bilder mit Kreuze zeigen Teile der Kugelkopf-Modell, und unten rechts zeigt eine dreidimensionale Ansicht. Die kleinen Punkte sind Blasen im statischen Modell und sind immer vorhanden. Das Fehlen von großen Streifen oder Reißverschlüsse zeigt an, dass der Lärm von der Roboter unkorreliert ist.

Discussion

Die fMRI kompatibel Roboter eröffnet neue Möglichkeiten für Experimente in der Neurowissenschaft der Motorsteuerung. Der wichtigste Schritt in der Einrichtung ist die Abschirmung des Roboters zu Artefakten in der fMRI, die wir in zwei Schritten zu verhindern. Zunächst wird der Roboter selbst über 9 'weg von der Bohrung mit einem langen, leicht, Griff in der Mitte mit einem 3-Freiheitsgrad gemeinsame unterstützt. Zweitens ist der Roboter in einer 1 / 16 "-1 / 4" Alu-Box mit einer Kunststoff-konische (13 "Basisdurchmesser, 6" top Durchmesser x 42 "lang) Wellenleiter mit Alufolie Abschirmung, berechnet nach ~ 100dB Block wurde ummantelt Lärm in der fMRI relevanten Frequenzband,> 100 MHz. In Zukunft Kupferabschirmung könnte verwendet werden, um die Aluminiumfolie auf dem Kegel zu ersetzen, aber es derzeit zufriedenstellend bedient, wie es bei einem erheblichen Kosten-und Gewichtseinsparung. Auch, um weitere Ausweitung des Anwendungsbereichs der Anlage, planen wir die gleichzeitige EEG / fMRI mit dem derzeitigen System zu integrieren.

Die wichtigsten Sicherheitsbedenken mit dem experimentellen Aufbau verbunden ist das Potential für ferromagnetische Gegenstände mit großer Kraft in die Bohrung des fMRI Magneten gezogen werden. Um dieses Risiko zu minimieren, alle Zusatzgeräte, wie der Schild und rollenden Tisch, werden aus nicht-magnetischen Materialien hergestellt. Da die haptische Roboter selbst enthält ferromagnetische Materialien, muss besondere Sorgfalt im Hinblick auf ihre Positionierung ausgeübt werden. Der Roboter ist mit dem rollenden Tisch befestigt und die gesamte Baugruppe wird an der Wand vor dem Walzen der Montage in den Magneten Raum angebunden. Die Länge der Leine ist so konzipiert, dass der Roboter nicht über das Ende des Patienten Tisch zu bewegen. Schließlich, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen experimentelle Personal besondere Sorgfalt walten lassen, um die detaillierten Protokoll an anderer Stelle in diesem Dokument beschrieben ist.

Eines der wichtigsten Merkmale der fMRI ist, dass es nicht-ionisierende Strahlung verwendet und ist somit sicherer als weitere invasive konkurrierenden Technologien, wie PET, ohne den Verlust der Lokalisation der Aktivität in passive Technologien wie EEG oder MEG gesehen. Der Nachteil fMRI, dass wir mit der Haptik-Roboter Anpassung zu überwinden ist, um Geräte mit dem hohen Magnetfeld und Lärm Empfindlichkeit der fMRT unter Beibehaltung seiner Funktionalität. Frühere Versuche, menschliche Motorik-Studie haben auf beiden Druckluft ⁸ oder Wasser ⁹ Geräte, die schlechte Reaktionszeiten verlassen haben macht sie ungeeignet für realistische Interaktion mit der Umwelt oder Laufwerken befinden sich außerhalb des Scanners Zimmer mit begrenzten Freiheitsgraden. Die Lösung hier, ähnlich wie bei einer früheren Studie, dass eine ungeschirmte unteren-force-Modell-Roboter eingesetzt, in einem 1,5 T fMRT ^4, halten die Geräte in den Raum und Abschirmung, gibt das gesamte Spektrum der Bewegung der Luft-Kompressoren, sondern mit dem schnellen, Millisekunde Latenzzeiten von elektrischen Antrieben.

Mit der Ausrüstung und läuft, suchen wir nun zu überdenken klassische Motorsteuerung Experimente wie deutete mit Strafe ⁵ oder Sequenz Lernen ¹⁰ sowie die Entwicklung neuer Experimente mit voll immersive virtuelle Realität mit dem Roboter bieten haptische Interaktion. Die relative einfache Handhabung des derzeitigen Protokolls öffnet sich die fMRI in Echtzeit, interaktive Bewegung Experimente.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Phantom premium 1.5/6dof, high force model	SensAble, Geomagic