3T fMRI环境中触觉机器人的适配

摘要

描述了在3T fMRI中对触觉机器人的改造与应用。

摘要

功能性磁共振成像（fMRI）通过血氧水平依赖信号（BOLD信号）¹ 提供出色的功能性脑成像，其优势包括无电离辐射、解剖与功能数据的毫米级空间精度²，以及近乎实时的分析能力³。触觉机器人可在相对受限的空间内精确测量和控制光标的位置与受力。本文将这两种技术相结合，以支持涉及运动控制与触觉/触感环境交互的高精度实验，例如伸手或抓握动作。其基本思路是将一个8英尺长的末端执行器固定于中心位置并连接至机器人⁴，使受试者能够使用机器人设备，同时将其屏蔽并置于fMRI设备最强磁场区域之外（图1）。

Phantom Premium 3.0、6DoF、高力反馈机器人（SensAble Technologies, Inc.）是为虚拟现实实验提供力反馈的理想选择 ^{5, 6}，但它本质上不具备磁共振安全性，会向敏感的fMRI设备引入显著噪声，并且其电动机可能受到fMRI强变化磁场的影响。我们设计了一张实验台和屏蔽系统，可使机器人安全地进入fMRI环境，同时限制电动机产生的电噪声对fMRI信号的干扰，以及fMRI强变化磁场对电动机性能的不利影响。在使用屏蔽系统后，fMRI的信噪比（SNR：平均信号/噪声标准差）从基线水平 ˜380 至 ˜330，以及 ˜250，无屏蔽时。剩余的噪声似乎不相关，不会在测试球体的fMRI中引入伪影（图2）。长而刚性的手柄可将机器人放置在磁场变化最剧烈区域之外，因此fMRI对机器人无显著影响。由于手柄重量轻，其对机器人运动学的影响极小（˜2.6 磅），但具有极高的刚性，采用 3/4 英寸石墨材料制成，并在中部的三自由度（3DoF）关节上实现了良好的平衡。最终成果是一种与 fMRI 兼容的触觉系统，工作空间约为 1 立方英尺；当与虚拟现实结合时，可在 fMRI 环境中开展一系列新实验，包括自然状态下的伸手运动、肢体被动位移与触觉感知、在变化力场中的适应性学习，以及纹理识别 ^{5, 6}.

方案

1. 扫描室外

1. 将滚轮桌放置好，确保自由端被支撑，且长手柄的外端已拆下。
2. 检查机器人是否已关闭电源。
3. 将机器人放入桌面上的插座中，并用两颗螺丝将铝制安全板固定在机器人上方。
4. 使用铝制适配器将末端执行器连接至机器人手柄，并检查其是否可自由移动。
5. 将带铝屏蔽层的10英尺并行电缆连接至机器人，并检查屏蔽层是否完好；如有需要，可额外添加铝箔。
6. 将铝屏蔽箱小心地罩在机器人上，注意将并行电缆和电源线放入后部的凹槽中。
7. 小心地将屏蔽箱用螺丝固定。
8. 在屏蔽箱的线缆凹槽中填入铝箔，并确保铝箔与并行电缆上的屏蔽层接触良好。

2. 由两人A和B进入扫描室

1. 进入高磁场环境前，需移除所有金属物品，包括非铁质金属物品，例如手机、钥匙、硬币等。
2. 由人员 A 扶住机器人操作台的自由端，人员 B 稳定箱体端，将操作台以自由端先行的方式推入，直至机器人刚好进入房间门内。
3. 人员 B 将固定在屏蔽箱背面锚孔上的安全绳扣紧，并检查另一端是否牢固连接于墙面锚点。
4. 两人协作将操作台推入房间，并使用魔术贴绑带将其固定在 fMRI 检查床的床脚位置。机器人的前端必须尽可能远离扫描仪。
5. 将机器人的并行电缆连接至穿过屏蔽墙通往控制室的定制滤波器，并接通电源。并行电缆上的屏蔽箔应与滤波器良好接触。
6. 安装长手柄的外部部件（末端执行器），并确认其可顺利进入 fMRI 的扫描孔内。

3. 在控制室内

1. 启动控制计算机，并将 6 英尺的并行电缆连接到机器人上。务必移除穿墙部件内部可能存在的任何额外滤波器。
2. 确认机器人电机已关闭，启动 Phantom 校准程序，并确认机器人校准程序中电机的位置读数稳定。
3. 如果校准程序无法检测到机器人或电机读数出现较大波动，请再次检查并行电缆连接，并确认仅安装了大型定制滤波器。
4. 通过打开屏蔽箱背面的端口，并用棍子按下开关，开启机器人电源。
5. 将末端执行器大致置于锥形波导末端位置，重新启动校准程序。逐步执行校准过程，并检查校准框是否具有适当的触觉交互。
6. 将来自 fMRI 的 TTL 输出（BNC 连接器）连接至控制计算机上的 Labjack 模数转换器（ADC）。

4. 受试者

1. 按照标准的fMRI方案，使受试者做好进入高磁场环境的准备。
2. 为实验设置任何额外设备，例如视觉显示系统。我们使用NordicNeuro Lab, Inc.的视觉系统，该系统可提供视觉显示的立体观察功能，这在呈现虚拟环境时尤为有用。
3. 受试者躺上检查床并安置好头部线圈后，通过松开手拧螺丝并滑动床体顶部，调节机器人的距离，直至受试者能够舒适地活动。
4. 在fMRI检查床进出磁体孔道时，手动握住机器人末端引导检查床移动，以防止脚轮晃动。确保末端执行器顺利进入孔道，不被外部卡住。
5. 运行实验。

5. 由两人 A 和 B 拆卸装置

1. 患者离开后，取下长手柄的外端，并通过解开尼龙搭扣带将机器人台从fMRI台分离。
2. 从机器人上解开屏蔽并行电缆，并拔下电源线。
3. 由人员A扶住机器人台的自由端，人员B引导机器人端，将台面移至门口。在门口解开系留绳，将机器人台推出至走廊。
4. 拧下屏蔽箱上的所有螺丝以及安全板上的两颗螺丝，取出机器人。

6. 代表性结果：

理想情况下，触觉机器人与fMRI不应相互干扰。我们可以在运行过程中实时判断机器人是否受到fMRI的影响。通常，如果机器人的并行电缆未充分屏蔽和滤波，电机读数将迅速发生振荡。这一问题可通过以下方式解决：仔细检查电缆上的铝制屏蔽层，确保铁氧体磁芯正确安装在靠近机器人的并行电缆上，并确保通往机器人的唯一滤波装置是穿过扫描室墙体的定制滤波器。对fMRI数据中错误的检测通常只能在数据处理与分析完成后进行，但应在实验早期获取一次解剖像扫描，并检查是否存在拉链伪影或其他提示相关噪声（例如尖峰噪声）的伪影⁷。此类噪声通常来源于金属与金属之间的接触，可通过拧紧机器人台架上的所有螺丝（尤其是台面侧边的手部调节螺丝）来消除。根据我们的测试，基础fMRI信噪比（SNR）约为380；当机器人在室内完全屏蔽时，信噪比下降至仍属合理的约330；若机器人未加装屏蔽装置，则信噪比进一步降至约250，噪声影响将变得非常显著。

如文献⁴所示，手柄中心的三自由度关节对机器人与手部相互作用的动力学影响很小，仅使其相对于机器人产生偏移。手柄中心的关节起到支点作用，在两个方向（左右和上下）上反转了表观运动，但在第三个方向（前后）上则不会。由于Phantom装置与手部分别位于类似杠杆的手柄两端，支点位于中间，因此在软件中对三个笛卡尔方向分别施加增益：在由旋转关节控制的两个方向上施加负增益，而在滑动关节方向上施加正增益。手柄与旋转关节的综合作用重现了Phantom机器人完整的三个自由度，仅相距9英尺。

图1 用于在fMRI环境中安装触觉机器人的装置。上方左侧显示的是在封闭外壳之前已安装在机箱内的触觉机器人，上方右侧为手柄中点处的万向节/滑块关节。下方左侧显示受试者在扫描仪内操作手柄的情景。下方右侧为屏蔽结构与末端执行器的示意图。

图2 全屏蔽机器人在运动状态下BIRN测试结果。带有叉号的三幅图像显示球形头部模型的切片，右下角为三维视图。小点为静态头部模型中的气泡，始终存在。无明显的大条纹或拉链状伪影，表明机器人产生的噪声不具有相关性。

讨论

与fMRI兼容的机器人开启了运动控制神经科学研究实验的新可能性。系统设置中最关键的步骤是对机器人进行屏蔽，以防止在fMRI中产生伪影，该过程分为两个步骤完成。首先，机器人本体距离磁体孔径约9英尺，通过一根长而轻便的手柄连接，手柄中部由一个具有三个自由度的关节支撑。其次，机器人被封装在1/16英寸厚的铜质屏蔽箱内"-1/4" 带塑料锥形（13）的铝盒" 基底直径，6" 上端直径 × 42" 长波导管，带有铝箔屏蔽层，经计算可阻断 ˜fMRI 相关频段内 100dB 的噪声， >100 MHz。未来可用铜屏蔽替代锥体上的铝箔，但目前该设计已能令人满意地工作，且显著节省了成本与重量。此外，为进一步拓展设备的应用范围，我们计划将当前系统与同步EEG/fMRI技术相结合。

与实验装置相关的主要安全问题是铁磁性物体可能受到强大力量被吸入fMRI磁体的孔径中。为最大限度降低这一风险，所有辅助设备（如屏蔽装置和移动台）均采用非磁性材料制造。由于触觉机器人本身含有铁磁性材料，因此必须特别注意其放置位置。机器人被固定在移动台上，整个装...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Phantom premium 1.5/6dof，高力型号	SensAble, Geomagic