我们采用一种新型的与磁共振成像兼容的手动机器人装置进行功能磁共振成像，以评估其在监测神经系统功能缺损恢复个体手部运动功能方面的应用价值。
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本文内容
摘要
摘要
功能性磁共振成像（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性对比剂，在活体中对脑部激活进行成像，以检测与血氧水平依赖相关的信号变化（BOLD效应）。我们将fMRI与一种新型机器人装置（磁共振兼容的手动驱动机器人装置 [MR_CHIROD]）相结合，使受试者在扫描仪内能够执行一种受控的运动任务——手部握力动作，这是一种在神经运动系统疾病研究中非常重要的手部运动。我们采用了并行成像技术（广义自校准部分并行采集 [GRAPPA]），该技术实现了更高的空间分辨率，从而提高了对BOLD信号的敏感性。将fMRI与手动驱动机器人装置结合，可在受试者处于扫描仪内时，精确控制并监测所执行的任务；这一方法可能在神经系统功能缺损患者（例如脑卒中患者）手部运动功能康复中具有应用价值。本文概述了在fMRI扫描过程中使用当前MR_CHIROD原型装置的实验操作流程。
引言
合适的影像学指标可能比临床评估更能监测和预测个体治疗成功的可能性，并提供信息以改进和个性化治疗方案。我们在慢性卒中患者康复方面已积累了一定经验1,2,3,4,5,6,7,8。目前，制定聚焦于运动训练如何影响神经活动和/或运动功能逐步改善的最优个体化策略仍具挑战性。深入了解神经系统疾病后大脑功能恢复过程中潜在的结构重塑与重组机制，可使我们通过功能神经影像技术和脑图谱方法，评估神经活动的空间拓扑模式与功能恢复之间的关系。成功实现这一目标将有助于基于磁共振成像（MRI）指标，为患有神经系统疾病的广大人群开发出优化的个性化治疗策略，以提升握力功能9。
本文介绍了一种采用全新重新设计的机器人手部装置的实验方案，该装置可提供可控的阻力，受试者需在视觉振荡刺激的同步引导下握紧和松开手柄。MR_CHIROD v3（磁....
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方案
所有实验均经麻省总医院机构审查委员会批准，并在雅典娜·马丁诺斯生物医学成像中心按批准方案进行。
1. 受试者准备
注意：纳入标准为：（i）右手优势，（ii）能够提供书面知情同意。排除标准基于磁共振环境中的禁忌症筛查，包括以下情况：（a）常规磁共振成像（MRI）排除标准，例如安装有心脏起搏器、脑动脉瘤夹、体内金属植入物或金属异物；（b）癫痫发作史；（c）幽闭恐惧症；（d）妊娠。
- 为获得知情同意，向志愿者宣读知情同意书。志愿者和研究人员均应在知情同意书相应位置签署，并制作两份副本。将其中一份签署后的知情同意书副本存放于研究人员档案的适当位置，另一份交由参与者保存。
- 对志愿者进行磁共振成像（MRI）禁忌症筛查。填写MRI禁忌症清单，并逐项询问清单中的每一项内容，根据情况勾选相应选项。
- 若参与者存在（或可能存在）任何禁忌症，包括手术用动脉瘤夹、心脏起搏器、人工心脏瓣膜、神经刺激器、植入式泵、人工耳蜗、金属杆、金属板、螺钉、助听器或透皮贴剂，不得进行扫描。
2. 实验设置
- 在扫描室中进行初始设置。
注意：研究者必须在操作前完成所有必要的培训。在任何时候都必须遵守与MR设施相关的安全预防措施。 ....
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结果
本方案所述的方法能够在志愿者于磁体中实时执行任务的同时采集功能性磁共振成像（fMRI）图像。实验在麻省总医院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心的Bay 1实验室进行，使用一台3T全身磁共振扫描仪。图2和图3展示了MR_CHIROD装置在操作台上的放置方式以及受试者就位并操作该设备的情形。图3中，一名志愿者位于扫描仪孔道内，其头部置于磁体等中心位置，这是进行脑成像的正确位置。图4展示了系统各组件及其连接方式的示意图，这些在实验初始阶段完成设置。在一次fMRI扫描过程中，不仅采集图像，同时还实时记录设备在磁体孔道内由受试者操作时的实际运动轨迹。典型的实验结果如图5所示。通过控制气压可实现对MR_CHIROD v3所提供的恒定反作用力的精确调控。
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讨论
我们采用最新版本的新型机器人设备 MR_CHIROD1,2,8，开展一项运动任务的 fMRI 研究。MR_CHIROD 被设计用于执行手部握力任务，该任务可由慢性卒中患者完成，并已在先前研究中得到探讨1,2,3,4,5,6,8。该设备还可作为测力计，测量患者的最大握力，并以此对实验中的施加力水平进行归一化处理。在实验过程中，不同设定力水平可诱发相应程度的运动皮层激活。此外，通过追踪研究过程中最.......
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披露
所有作者均无利益冲突需要披露。
致谢
本研究由美国国立卫生研究院国家神经疾病与卒中研究所（资助号：1R01NS105875-01A1）向 A. Aria Tzika 提供的资助支持。本工作在 Athinoula A. Martinos 生物医学成像中心完成。 我们谨向主任 Bruce R. Rosen 医学博士、哲学博士以及 Martinos 中心的工作人员成员表示感谢，感谢他们提供的支持。 我们进一步感谢 Christian Pusatere 先生和 Michael Armanini 先生在实验运行过程中提供的协助。 最后，我们感谢 Michael A. Moskowitz 博士和 Rosen 博士在 MR_CHIROD 系列设备及其相关卒中研究的构思与开发过程中给予的指导。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 塑料球轴承，含玻璃珠（8） | McMaster-Carr | 6455K97 | |
| 双向逻辑电平转换器 | Adafruit | 395 | |
| 双路LS7366R正交编码器缓冲器 | SuperDroid Robots | TE-183-002 | |
| 带ATWINC1500的Feather M0 WiFi | Adafruit | Adafruit 3010 | |
| 带法兰螺母，玻璃纤维，3/8”-16 (8) | McMaster-Carr | 98945A041 | |
| 加罗利特棒， ¾” 天，4’ 长 | McMaster-Carr | 8467K84 | |
| 笔记本电脑 | 各种 | 配备 USB2.0 端口的任意笔记本电脑及 MATLAB | |
| 载荷传感器（20 kg） | Robotshop | RB-PHI-119 | |
| 称重传感器放大器-HX711 | 穆瑟 | 474-SEN-13879 | |
| MATLAB | MathWorks | 2008 版或更高版本，配备 Psychophysics Toolbox | |
| 磁共振成像扫描仪 | 西门子 | Skyra 3T | 具备BOLD和GRAPPA功能的3T全身扫描仪 |
| MR_CHIRODv3 | 自制 | 定制塑料 &和 3D 打印结构 | |
| 运算放大器开发板 | Schmartboard | 710-0011-01 | |
| 面板安装电源 | Delta | PMT-D2V100W1AA | |
| 塑料管 &和管件 | McMaster-Carr | 各种 | |
| Pyrex/石墨活塞/圆筒模块 | 气压壶 | 2KS240-3 | |
| 螺钉， ¼”-20，尼龙 | McMaster-Carr | 各种 | |
| 用于轴套的紧固环 ¾” 尼龙轴杆（2） | McMaster-Carr | 9410T6 | 将金属固定螺钉更换为塑料螺钉 |
| 屏蔽电缆（2） | 美国数字 | CA-C5-SH-C5-25 | |
| 螺纹杆，玻璃纤维，3/8”-16 | McMaster-Carr | 91315A010 | |
| 透射式光学编码器码带 | 美国数字 | LIN-2000-3.5-0.5 | |
| 透射式光学编码器模块 | US Digital | EM2-0-2000-I | |
| 聚四氟乙烯套筒轴承 | McMaster-Carr | 2639T32 |
参考文献
- 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).
- Khanicheh, A., Mintzopoulos, D., Weinberg, B., Tzika, A. A., Mavroidis, C.
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