结合新型磁共振兼容手控机器人装置的功能性磁共振成像评估手握力功能障碍患者的康复治疗

摘要

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。

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（磁共振兼容手部驱动机器人装置）是一种可施加可调节力的系统，用于执行握持与释放动作，同时测量并记录每次数据点的施加力、握力位移及时间戳（图1）。该设备通过完全采用非铁磁/非磁性材料构建结构和气动执行元件，并将屏蔽的传感器和电子元件置于扫描仪床体上，从而实现磁共振兼容性，可在功能磁共振成像（fMRI）过程中可靠地评估脑激活图像，进而用于分析神经系统疾病康复患者脑部反应的血氧水平依赖（BOLD）变化。图2展示了该装置连接在磁共振扫描仪床体上的情况，以及受试者位于磁体孔道内握持MR_CHIROD v3手柄的状态（图3）。人机交互与控制组件则置于磁共振扫描室之外（图4）。

该设备可与脑成像方法同时使用，以评估相关的脑部激活情况。该系统的主要用途是提供一种运动任务，以激发大脑运动区域的活动，并通过功能性磁共振成像（fMRI）检测这些激活。在成像过程中使用MR_CHIROD时，可评估神经系统疾病中的神经可塑性。通过追踪使用MR_CHIROD进行运动训练期间及训练后的脑区激活变化，可以观察因神经系统疾病导致运动功能障碍（如脑卒中）后的运动康复进展。

MR_CHIROD v3 还可安装在桌面上，用于扫描过程中的训练练习。在研究期间，受试者需根据适当的视觉刺激进行抓握和松开动作，每次持续 45 分钟，每周进行三次。我们通过机器人辅助训练并结合影像监测的经验表明，例如中风患者的恢复窗口可能永远不会关闭¹。

我们设计并使用磁共振兼容的手握机器人，是因为机器人康复有望对功能障碍产生重大影响，其优势包括易于部署、适用于多种运动功能障碍、测量可靠性高，以及能够实施高强度训练方案¹⁰。我们的磁共振兼容机器人具备以下功能：（a）可针对个体设置特定的活动范围，并通过程序调节施加个体化的力水平；（b）通过主机计算机控制、测量和记录力与位移参数；（c）可在不中断扫描、无需进入磁共振扫描室或重新调整受试者体位的情况下远程调节控制参数；（d）能够长期、精确且一致地通过训练任务提供治疗。

目前我们尚未知晓有任何 commercially available 的康复机器人设备可用于 MR 扫描仪中，在施加计算机控制的时变力的同时测量受试者的手握力和位移。Tsekos 等人¹¹综述了多种主要用于研究的、与 MR 兼容的机器人及康复设备，其中包括早期版本的 MR_CHIROD 系列设备。其他设备则被设计用于研究腕部运动、手指运动、等长握力以及多关节运动。对于能够主动提供阻力或其他外力的设备，已采用多种与 MR 兼容的技术，包括液压、气动、机械连杆以及电流变液阻尼器。部分设备具备多个自由度，例如早期 MR_CHIROD 版本的另一项拓展增加了旋转自由度和液压力施加功能，但该版本并未适配 MR 兼容性¹²。

我们专为手握设计的设备具有便携性优势（可常规在磁共振成像设施与基于办公室的训练场所之间运输），并能够产生大范围、由计算机控制、随时间变化的阻力。目前在MR_CHIROD中采用的气动技术避免了基于电流变液系统所需的高压电源、液压油泄漏的风险，以及将接口机构与外部动力和控制组件连接所需的复杂电缆或连杆结构。

MR_CHIROD 是首个被证实可与功能性磁共振成像（fMRI）结合用于中风患者脑图谱绘制的设备¹。尤为重要的是，MR_CHIROD v3 特别适用于家庭或办公室环境下的康复训练，因为该系统及其软件的设计无需专业临床人员支持即可使用，并融入了激励性元素（“游戏化”）。与在医院由物理治疗师指导的训练相比，办公室或家庭环境下的训练成本更低、更便捷，有助于患者坚持每日治疗。该设备相对于其他一些基于研究的设备而言已具有较低的成本，还可通过重新设计进一步优化其成本效益比。虚拟现实和训练过程的游戏化均与 MR_CHIROD v3 兼容，能够增强患者的参与度，提高任务过程中的注意力和动机水平，从而提升康复效果¹³。

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。

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
   1. 将MR_CHIROD（磁共振兼容手部诱导机器人装置）带入MRI扫描室，并放置在穿透面板附近。将3/8英寸气动管插入面板中的穿墙管，通向相邻的MRI支持室。
   2. 将MRI扫描室内的力传感和编码器电缆连接到面板扫描室一侧的9针D型（DSUB）连接器上。
2. 设置MRI支持室。
   1. 将空气压缩机插入110VAC墙上的电源插座。将压缩机内部调压器置于关闭/最低压力位置，球阀置于关闭位置，然后启动压缩机，使其达到完全内部压力（约4分钟）。
   2. 将支持室内的力传感和编码器电缆连接到穿透面板外侧的DSUB连接器上。
   3. 将从穿透面板穿墙口引出的3/8英寸气动管接头连接至接口/电源单元压力调节器的出口。将4 mm气动管连接至压缩机出口以及接口/电源/调压单元上的空气过滤器入口。
   4. 将接口/电源/调压单元连接到USB电缆/中继器组件的micro-USB接口，并将中继电缆铺设至MRI控制室中的主机PC或笔记本电脑。将接口/电源/调压单元插入支持室内的110VAC电源插座，然后打开电源开关。
3. 将MR_CHIROD v3与患者定位。
   1. 完全伸出并降低MR扫描床。安装头部线圈的下半部分，并引导受试者躺下，确保其体位舒适且双臂自然伸展。
   2. 为受试者提供耳塞，以降低声学噪声的影响。
   3. 安装头部线圈和小型泡沫垫，以固定头部。
   4. 在受试者握持手臂的臂部和肘部周围放置枕头，以尽量减少振动传递至受试者自身身体及MRI扫描仪壁面。
   5. 将通信球放置在受试者胸部，指导其使用方法，并在开始扫描前确认通信球功能正常。
   6. 使用相应的床槽，将MR_CHIROD松散地安装在患者脑损伤对侧。让受试者的肘部 resting 在桌面上以支撑手臂重量，将MR_CHIROD手柄移至拇指与食指之间的蹼状区域，并引导受试者握住MR_CHIROD的手柄。
   7. 如果MR_CHIROD位于与穿透面板相对的桌子另一侧，则应布置电缆和气动管，使其从桌子下方穿过，而不是越过患者身体上方。
   8. 确保握持位置适合进行挤压动作。指导受试者挤压并推拉MR_CHIROD，直至找到最舒适的挤压位置。
   9. 使用MR兼容扳手拧紧塑料螺母，将MR_CHIROD牢固固定到位。
      注意：此时未进行任何扫描。在定位MR_CHIROD时，受试者舒适地躺在磁体外部的MR扫描床上。磁体室的门可以保持开启状态。
4. 在MR控制室（毗邻扫描室和支持室）设置控制笔记本电脑，确认连接并设定患者的力水平​。
   1. 打开笔记本电脑并启动数据采集/分析软件。将USB电缆/中继器组件连接至笔记本电脑。打开MR扫描室投影仪。将笔记本电脑视频输出端口连接至投影仪接口，并设置显示器将屏幕扩展至投影仪。将扫描仪USB HID触发电缆连接至笔记本电脑，以接收来自扫描仪的触发信号。
   2. 运行MR_CHIROD的自定义用户界面（UI）/控制/刺激程序。自动将MR_CHIROD压力设置为（最小）“设置”水平，推动手柄至限位端，验证运动和力波形的显示。
   3. 告知受试者，接下来的几次挤压将用于校准最大握力，因此会较为困难。
   4. 设定力水平，例如30 N，并指示受试者以约2秒为周期完全挤压2-3次。观察受试者是否能在该力水平下完成挤压动作。
   5. 逐步增加力水平并重复挤压尝试，直到受试者无法完成一次完整挤压。此测量值即为受试者握力的最大值。用户界面将自动计算出最大力水平的60%、40%和20%，供测试过程中使用。

3. 输入志愿者数据并校准磁共振扫描仪

1. 根据医院政策和美国1996年健康保险可携性和责任法案（HIPAA）的规定，在扫描仪控制台上输入志愿者的去标识化数据。
2. 将检查床及受试者移入扫描仪，并定位至等中心。

4. 进行 fMRI 扫描

1. 通过控制室与扫描室之间的窗口观察志愿者，并与志愿者沟通，获得其同意后开始功能性磁共振成像（fMRI）实验方案。指导志愿者不要握紧MR_CHIROD手柄，使其保持在完全打开的位置。
2. 对磁体进行匀场，并运行定位扫描。打开fMRI实验程序，设置扫描层面以覆盖志愿者的整个大脑。
3. 告知志愿者fMRI扫描即将开始。
4. 通过用户界面（UI）将MR_CHIROD设置为施加第一级力（最大力的20%）。UI程序将在视频投影仪上显示一组指示，提醒志愿者如何响应视觉刺激。UI将等待扫描仪发送触发信号后继续下一步操作。
5. 启动用于fMRI的平面回波成像（echo-planar imaging）程序。从USERS文件夹中调用MR_CHIROD成像程序。采集和重建参数已在成像程序中预设，不得更改。所用参数如下：面内采集矩阵为192 × 192或256 × 256；重复时间（TR）为2–3 s；回波时间（TE）为30 ms；层厚5 mm，空间分辨率约为1 mm × 1 mm。
   注意：用户界面/数据采集/刺激程序将等待扫描仪发送触发脉冲，该脉冲对应扫描程序中预扫描阶段的启动。视觉刺激将移除提示文字，并显示一个“注视十字”，志愿者需持续注视该十字。当fMRI扫描的TR周期开始时，将显示一个以圆形扩张和收缩形式呈现的视觉节拍器。志愿者需根据该节拍器的节奏，同步完成手柄的完全挤压与释放动作。刺激阶段之间由休息期分隔，在休息期间将重新显示注视十字。
6. 在任务执行过程中，通过观察UI界面上实时显示的力和位移曲线，监控力输出情况以及参与者是否正确执行任务（即是否完整完成抓握与释放动作，并与视觉节拍器保持同步）。
7. 第一轮扫描结束后，在UI上确认继续实验，系统将自动将MR_CHIROD的力调整至三级中的第二级。重复步骤4.5。同样地，第二轮扫描结束后，确认继续进行第三轮扫描，施加第三级力。
8. 第三轮扫描结束后，UI将自动将MR_CHIROD的压力设置为较低的“设置”水平。

5. 完成 MRI 检查

1. 指导受试者放松并松开手柄。采集一系列解剖学扫描图像。

6. 拆卸

1. 将受试者带离磁共振扫描室，按相反顺序执行拆卸步骤，并关闭及断开MR_CHIROD各部件的连接。将磁共振数据传输至数据库和磁盘，并结束会话。

结果

本方案中所述的方法允许在志愿者于磁共振设备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孔内，其头部置于磁体的等中心位置，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，这些组件在实验初始阶段完成设置。在一次fMRI扫描过程中，不仅采集图像数据，同时还获取磁共振扫描孔内受试者操作设备时实际运动轨迹的实时记录。典型的实验结果如图5所示。通过控制气压，可精确调节MR_CHIROD v3所提供的恒定反作用力。

讨论

我们采用最新版本的新型机器人设备 MR_CHIROD^1,2,8，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...

材料

本文使用的材料清单

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