Method Article

功能 MRI 与新型 MRI 兼容手感应机器人设备结合，以评估从手柄缺陷中恢复的个人的康复情况

DOI:

10.3791/59420

⸱

November 23rd, 2019

 ,  ,  , 
1Medical Device & Simulation Laboratory, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, 2Harvard Medical School, 3NMR Surgical Laboratory, Department of Surgery, Center for Surgery, Innovation and Bioengineering, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 4Athinoula A. Martinos Center of Biomedical Imaging, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School

In This Article

Summary

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我们使用新型MRI兼容手感应机器人设备进行功能性MRI，以评估其用于监测从神经缺陷中恢复的个人的手势机功能的效用。

Abstract

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功能磁共振成像 （fMRI） 是一种非侵入性磁共振成像技术，利用内源性脱氧血红蛋白作为内源造影剂来检测血液水平依赖性的变化，对体内的大脑激活进行成像氧合（BOLD效应）。我们将fMRI与新型机器人装置（MR兼容手感应机器人装置[MR_CHIROD]相结合，使扫描仪中的一个人能够执行控制电机任务，即手挤压，这是研究神经运动疾病的非常重要的手部运动。.我们采用了并行成像（广义自动校准部分并行采集 [GRAPPA]），从而实现了更高的空间分辨率，从而提高了对 BOLD 的敏感度。fMRI 与手动诱导的机器人设备相结合，可以精确控制和监控参与者在扫描仪中时执行的任务;这可能证明对从神经缺陷（如中风）康复的患者的手势运动功能的康复是有用的。在这里，我们概述了在fMRI扫描期间使用MR_CHIROD的当前原型的协议。

Introduction

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适当的成像指标可以比临床评估更好地监控和预测个人治疗成功的可能性，并提供信息，以改善和个性化治疗规划。我们已有经验与从慢性中风1，2，3，4，5，6，7，8的慢性中风患者恢复的经验。制定最佳的个性化策略，专注于运动训练如何影响神经活动和/或运动功能重组的增量改进，这仍然是一项挑战。通过功能神经成像方法和大脑映射，了解神经疾病后大脑功能恢复的基本结构重塑和重组过程，可以让我们评估神经活动的分布式地形模式与功能恢复之间的关系。成功将有助于开发个性化治疗策略，优化，根据磁共振成像（MRI）指标9，在神经病的广大人群中提高抓地力。

在这里，我们提出了一个协议，它采用新重新设计的机器人手装置，提供可控的阻力力，主体可以抓住并释放手柄与振荡视觉刺激同步。MR_CHIROD v3（兼容 MR 的手动感应 RObot....

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Protocol

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所有实验均获得马萨诸塞州总医院机构审查委员会的批准，并在阿蒂努拉·马蒂诺斯生物医学成像中心进行。

1. 主题准备

注:纳入标准是:（一） 右手支配地位，（二） 书面知情同意的能力。排除是在对磁共振环境中的禁忌指标进行筛查的基础上实施的，例如:（a） 常规MRI排除标准，如存在心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（d） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内金属含量;（2） 常规核磁共振检查标准;（d） 常规核磁共振检查排除标准，（b） 癫痫发作史（c） 幽闭症;（d） 怀孕。

  1. 要获得知情同意，请阅读志愿者的同意书。志愿者和调查员在适当的地点重复签署同意书。在适当的位置留下一份已签名的同意书副本，以便调查人员记录。保留参与者记录的同意书的第二份副本。
  2. 筛查 MRI（磁共振成像）禁忌症的志愿者。填写 MRI 禁忌指示列表并查询清单上的每一项，并酌情勾选中框。
  3. 如果参与者有任何禁忌症（包括手术动脉瘤夹、心脏起搏器、假心瓣膜、神经刺激器、植入泵、人工耳蜗、金....

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Results

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协议中概述的方法允许在志愿者在磁体中实时执行任务时收集 fMRI 图像。实验在马萨诸塞州总医院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心的Bay 1设施进行，使用3T全身磁共振扫描仪进行。图 2和图 3显示了MR_CHIROD放在桌子上的位置和患者就位进行操作。在图3中，一名志愿者在扫描仪孔中，头部被放置在磁体的等中心，这是大脑成像的正确位置。图 4显示了在流程初始阶段设置的系统组件和连接的示意图。在 fMRI 会话期间，不仅收集了图像，而且在磁孔中操作时获取设备实际行程的实时跟踪。典型结果如图5所示。使用受控气动压力可以精确控制MR_CHIROD v3 提供的恒定反应力。

图 5A+C

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Discussion

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我们使用最新版的新型机器人装置fMRI，MR_CHIROD1，2，8。MR_CHIROD设计用于执行一项手挤压握把任务，该任务可由慢性中风患者执行，并曾研究过1、2、3、4、5、6、8。该装置还可用作测功机，测量患者的最大抓地力，根据该力，实验力水平被规范化。运动皮层的激活与实验期间设定的力水平有关。此外，在研究过程中跟踪最大力，以显示增强的抓地力。我们早期MR_CHIROD的迭代已经证明在研.......

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Disclosures

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没有一个作者有冲突要披露。

Acknowledgements

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这项工作得到了国家卫生研究院神经疾病和中风研究所（赠款号1R01NS105875-01A1）对A.Aria Tzika的资助。这项工作是在阿蒂努拉·马蒂诺斯生物医学成像中心进行的。 我们要感谢布鲁斯·罗森博士、博士、博士和马丁诺斯中心工作人员的支持。 我们还要感谢克里斯蒂安·普萨特先生和迈克尔·阿尔马尼尼先生协助进行实验。 最后，我们感谢Michael A. Moskowitz博士和罗森博士在MR_CHIROD系列设备的概念和开发以及相关的中风研究方面的指导。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
滚珠轴承，塑料，带玻璃球 （8）McMaster-Carr6455K97
双向逻辑电平转换器Adafruit395
双LS7366R正交编码器缓冲SuperDroid 机器人TE-183-002
Feather M0 WiFi w/ATWINC1500Adafruit Adafruit3010
法兰螺母，玻璃纤维，3/8"-16 （8）McMaster-Carr98945A041
石榴石棒，¾”直径， 4'longMcMaster-Carr8467K84
笔记本电脑各种任何带 USB2.0 端口和 MATLAB
称重传感器的笔记本电脑（20 公斤）RobotshopRB-PHI-119
称重传感器放大器- HX711Mouser474-SEN-13879
MATLABMathWorks2008 版或更高版本，带 Psychophysics Toolbox
磁共振成像扫描仪西门子Skyra 3T3T 全身扫描仪，具有 BOLD 和 GRAPPA 功能
MR_CHIRODv3内部定制塑料和 3D 打印结构
运算放大器开发板Schmartboard710-0011-01
面板安装电源DeltaPMT-D2V100W1AA
塑料管和管件McMaster-Carr各种
Pyrex/石墨活塞/气缸模块Airpot2KS240-3
螺丝，¼"-20，尼龙McMaster-Carr各种
轴环用于 ¾”直径轴，尼龙 （2）McMaster-Carr9410T6用塑料螺钉代替金属夹紧螺钉
屏蔽电缆 （2）US DigitalCA-C5-SH-C5-25
玻璃纤维螺纹杆，3/8"-16McMaster-Carr91315A010
透射式光学编码器代码带US DigitalLIN-2000-3.5-0.5
透射式光学编码器模块US 数字EM2-0-2000-I
PTFE 套筒轴承McMaster-Carr2639T32
器 制造

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mintzopoulos, D., et al. Functional MRI of Rehabilitation in Chronic Stroke Patients Using Novel MR-Compatible Hand Robots. The Open Neuroimaging Journal. 2, 94-101 (2008).
  2. Khanicheh, A., Mintzopoulos, D., Weinberg, B., Tzika, A. A., Mavroidis, C.

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Functional MRIHand Grip RehabilitationMR Compatible Robotic DeviceBlood Oxygen Level DependentParallel Imaging GRAPPANeuroplasticity MonitoringMotor Task ExecutionForce Waveform AnalysisSomatosensory Cortex ActivationDiffusion Tensor Imaging

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