Name: Adaptación de un Robot Haptic en un fMRI 3T (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Aprende a adaptar un robot háptico en un escáner fMRI 3T para evaluar la actividad cerebral durante tareas motoras en humanos. Este método minimiza interferencias eléctricas y magnéticas mediante blindaje de aluminio.

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Nos gustaría dar las gracias al Kun Lu y Kurz Ronald de asistencia técnica. Este trabajo fue apoyado por la ONR N º Premio MURI: N00014-10-1-0072, NSF subvención # SBE-0542013 a la dinámica temporal de Centro de Aprendizaje, una ciencia de la NSF Centro de Aprendizaje, y subvención del NIH # 2 R01 NS036449-11.

1. Fuera de la sala del escáner <ol><li> Coloque la mesa rodante con el extremo libre el apoyo y el extremo exterior del mango largo separado. </li><li> Compruebe que el robot está apagado. </li><li> Coloque el robot en el zócalo de la tabla y asegurar la placa de seguridad de aluminio sobre el robot con dos tornillos. </li><li> Conecte el efector final del robot manejar con el adaptador de aluminio y comprobar que se mueve libremente. </li><li> Conecte el 10 'cable paralelo con blindaje de aluminio para el robot y comprobar que el blindaje está intacto. Añadir hojas adicionales si es necesario. </li><li> Coloque la caja de blindaje de aluminio sobre el robot teniendo cuidado de colocar los cables en paralelo y el poder dentro de la ranura en la parte posterior. </li><li> Cuidadosamente los tornillos de la caja de protección. </li><li> Paquete de papel de aluminio en la ranura del cable en la caja de protección y asegurarse de que el papel entra en contacto con el blindaje del cable paralelo. </li></ol> 2. Entrando en la sala del escáner con dos personas, A y B <ol><li> Prepárate para entrar en un entorno de alto campo magnético mediante la eliminación de cualquier y todos los objetos metálicos como los no ferrosos, por ejemplo, teléfonos celulares, llaves, monedas, etc .. </li><li> Con la persona A finales sujeta el extremo libre de la mesa del robot y la persona B estabilizar el extremo de la caja, rodar sin primero hasta que el robot sólo entra por la puerta de la habitación. </li><li> Clips persona B de la cuerda de seguridad atada a un agujero de anclaje en la parte posterior de la caja de blindaje y comprueba que el otro extremo está firmemente unido a un anclaje de pared. </li><li> Trabajando juntos, rollo de la mesa en la habitación y adjuntarlo con tiras de velcro al pie de la tabla de resonancia magnética funcional. El extremo del robot de la tabla debe estar tan lejos de el escáner como sea posible. </li><li> Conecte el cable paralelo del robot para el filtro personalizado en el paso a la sala de control, y conectar el robot. El blindaje del cable paralelo debe estar en contacto con el filtro. </li><li> Coloque la parte exterior del mango largo (efector final) y verificar que se entrará en el agujero de la fMRI limpiamente. </li></ol> 3. En la sala de control <ol><li> Inicie el equipo de control y conectar el cable paralelo de 6 'para el robot. Asegúrese de quitar todos los filtros extra que puede ser en la parte interior del paso a través. </li><li> Verificar que los motores del robot se apagan, la puesta en marcha de la rutina de calibración Phantom y verificar que las lecturas de la posición de los motores de la rutina de calibración del robot son estables. </li><li> Compruebe la conexión del cable paralelo y que sólo el filtro personalizado grueso se une, si la rutina de calibración no se puede ver el robot o hay grandes variaciones en la lectura de motor. </li><li> Encienda el robot por la apertura del puerto en la parte posterior de la caja de protección y los interruptores de prensa con un palo. </li><li> Reiniciar la rutina de calibración con el efector final aproximadamente centrado en la final de la guía de onda cónica. Paso a través de la calibración y comprobar que la caja de calibración caja tiene la interacción háptica apropiado. </li><li> Conecte la salida TTL de la resonancia magnética funcional (conector BNC) a la ADC Labjack en el ordenador de control. </li></ol> 4. El tema <ol><li> Preparar al sujeto para un entorno de alto campo magnético con los protocolos estándar de resonancia magnética funcional. </li><li> La creación de cualquier equipo adicional para el experimento, por ejemplo, el sistema de representación visual. Usamos el NordicNeuro Lab, Sistema de Visión Inc. que ofrece una visualización estéreo de muestra visual, una característica que es especialmente útil cuando se presentan los entornos virtuales. </li><li> Después de que el sujeto se acuesta sobre la mesa y la bobina de la cabeza se encuentra, ajustar la distancia del robot aflojando los tornillos de mano y deslizando la parte superior de la tabla hasta que el sujeto puede moverse con soltura. </li><li> Guía de la tabla manualmente mediante la celebración en el extremo del robot, mientras que la tabla de resonancia magnética funcional se está moviendo dentro y fuera del agujero para evitar que las ruedas se tambalee. Asegúrese de que el efector final entra en el agujero y no recoge en el exterior. </li><li> Realizar el experimento. </li></ol> 5. Romper la configuración con dos personas A y B <ol><li> Después de la salida del paciente, retire el extremo exterior del mango largo y separar la mesa de robot de la mesa de resonancia magnética funcional por deshacer la correa de velcro. </li><li> Del robot, deshacer el cable paralelo apantallado y desconecte el cable de alimentación. </li><li> Una persona con la celebración de la extremidad libre de la tabla de robot y la persona B guiar el robot final, mover la tabla a la puerta. En la puerta, deshacer la atadura, y gire la mesa de robot a la sala. </li><li> Deshacer todos los tornillos de la caja de protección y los dos tornillos de la placa de seguridad y quitar el robot. </li></ol> 6. Los resultados representativos: Idealmente, el robot táctil y fMRI no debería afectar a los demás. Podemos decir en línea si el robot está siendo afectada por la fMRI. Por lo general, si el cable paralelo del robot no está correctamente aislado y se filtra, entonces la lectura de los motores se oscilaciónfinales con rapidez. Esto se puede solucionar con un doble control de la protección de aluminio en el cable, que el núcleo de hierro está correctamente colocado en el cable paralelo, cerca del robot, y que el filtro sólo a los que el robot es el filtro personalizado en el lado de la sala del escáner pasar a través de . Detección de errores en la fMRI es realmente sólo es posible después de los datos se han reducido y analizado, pero una exploración anatómica se deben tomar al principio del estudio y se analiza los efectos de cremallera u otros artefactos indicativo de ruido correlacionado (por ejemplo, el ruido pico) 7. Con frecuencia, el ruido que proceda de metal en contacto con el metal y se puede limpiar apretando todos los tornillos en la mesa robot, especialmente los tornillos de ajuste la mano del lado de la mesa. De nuestras pruebas la señal de resonancia magnética funcional de referencia a ruido (SNR) es de ~ 380 y con el robot totalmente blindado en el cuarto que cae a un todavía razonable ~ 330. Si el protector no esté en su lugar en el robot, entonces la caída de SNR más de ~ 250, y los efectos del ruido se vuelven muy importantes. Como se muestra en 4, el grado 3 de la articulación la libertad en el centro del mango tiene poco efecto sobre la dinámica de la interacción robot / la mano si no es para alejarse de la robot. La articulación en el centro de la palanca actúa como un punto de apoyo e invierte el movimiento aparente de dos de las direcciones (izquierda-derecha y arriba-abajo), pero no el tercero (de adelante hacia atrás). Dado que el fantasma y la mano se encuentran en extremos opuestos de la palanca como manejar con su punto de apoyo en el medio, las ganancias se aplican en el software en cada una de las tres direcciones euclidiana: ganancias negativas en las dos direcciones controladas por la articulación giratoria y una ganancia positiva en la dirección de la junta deslizante. El efecto neto de la manija giratoria y se reproduce la totalidad de 3 grados de libertad del robot Phantom, a sólo 9 'de distancia. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1 El aparato utilizado para montar el robot táctil para su uso en el entorno de resonancia magnética funcional. Superior muestra el robot táctil montada en el caso antes de la caja (arriba, izquierda) y el cardán / regulador común en el punto medio de la manija (arriba, derecha). Abajo y de izquierda se muestra un objeto en el escáner de la manipulación de la palanca. Abajo, derecha es una caricatura de la protección y efector final. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2 Resultados de la prueba BIRN para el robot totalmente blindados con el movimiento. Las tres imágenes con cruces muestran las secciones de la modelo de cabeza esférica, y la parte inferior derecha muestra una vista tridimensional. Los puntos pequeños son burbujas en el modelo de carga estática y están siempre presentes. La falta de grandes bandas o cremalleras indica que el ruido de los robots no está correlacionado.

<ol><li>Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 9868-9872 (1990).</li>
<li>Heeger, D. J., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+does+fMRI+tell+us+about+neuronal+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">What does fMRI tell us about neuronal activity.</a> Nat. Rev. Neurosci. 3, 142-151 (2002).</li>
<li>deCharms, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+real-time+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Applications of real-time fMRI.</a> Nat. Rev. Neurosci. 9, 720-729 (2008).</li>
<li>Hribar, A., Koritnik, B., Munih, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phantom+haptic+device+upgrade+for+use+in+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+and+Biological+Engineering+and+Computing%22%5BJournal%5D)">Phantom haptic device upgrade for use in fMRI.</a> Medical and Biological Engineering and Computing. 47, 677-684 (2009).</li>
<li>Trommershauser, J., Gepshtein, S., Maloney, L. T., Landy, M. S., Banks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimal+compensation+for+changes+in+task-relevant+movement+variability%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Optimal compensation for changes in task-relevant movement variability.</a> J. Neurosci. 25, 7169-7178 (2005).</li>
<li>Konczak, J., Li, K. Y., Tuite, P. J., Poizner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Haptic+perception+of+object+curvature+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Haptic perception of object curvature in Parkinson's disease.</a> PLoS ONE. 3, e2625-e2625 (2008).</li>
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<li>Rajh, M., Glodez, S., Flasker, J., Gotlih, K., Kostanjevec, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+analysis+of+an+fMRI+compatible+haptic+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Robotics+and+Computer-Integrated+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Design and analysis of an fMRI compatible haptic robot.</a> Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 27, 267-275 (2011).</li>
<li>Burdet, E., Gassert, R., Gowrishankar, G., Chapuis, D., Bleuler, H. fMRI compatible haptic interfaces to investigate human motor control. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBurdet%2C+E+%22Experimental+Robotics+IX%2C+of+Springer+Tracts+in+Advanced+Robotics%22">Experimental Robotics IX, of Springer Tracts in Advanced Robotics</a>. Ang, M., Khatib, O. 21, Springer. Berlin. 25-34 (2006).</li>
<li>Nakamura, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+networks+in+motor+sequence+learning%3A+abnormal+topographies+in+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Hum+Brain+Mapp%22%5BJournal%5D)">Functional networks in motor sequence learning: abnormal topographies in Parkinson's disease.</a> Hum Brain Mapp. 12, 42-60 (2001).</li>
</ol>

No hay conflictos de interés declarado.

El robot compatible fMRI abre nuevas posibilidades para los experimentos en la neurociencia de control de motores. El paso más importante en la configuración es la protección del robot para evitar artefactos en la fMRI, lo que hacemos en dos pasos. En primer lugar, el propio robot es de unos 9 &#39;de distancia de la perforación con una larga y ligera, manejar el apoyo en su centro con un grado 3 de la libertad común. En segundo lugar, el robot está encerrado en un 16.1 casilla &quot;-1 / 4&quot; de aluminio con un plás...

<table border="1"><tbody><tr><td> Phantom premium 1.5/6dof, modelo de gran fuerza </td><td> SensAble </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

adaptación de un robot haptic en un fmri 3t

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Resonancia magnética funcional (fMRI) proporciona imágenes de excelente funcional del cerebro a través de la señal BOLD 1 con ventajas, incluyendo la radiación no ionizante, precisión milimétrica espacial de los datos anatómicos y funcionales 2, y casi en tiempo real de análisis 3. Robots háptica proporciona una medición precisa y control de la posición y la fuerza de un cursor en un espacio bastante reducido. Aquí combinamos estas dos tecnologías para permitir que los experimentos de precisión implica el control del motor con háptico / interacción táctil medio ambiente tales como alcanzar o agarrar. La idea básica consiste en conectar un efector final de 8 pies apoyados en el centro para el robot de 4 lo que permite al sujeto a utilizar el robot, sino protegerlo y mantenerlo alejado de la parte más extrema del campo magnético de la máquina de resonancia magnética funcional (Figura 1 ). El fantasma de Premium 3.0, 6DOF, alta fuerza de robot (SensAble Technologies, Inc.) es una excelente opción para proporcionar retroalimentación de fuerza en los experimentos de realidad virtual 5, 6, sino que es esencialmente no-MR seguro, introduce ruido significativo a la sensibilidad equipo de resonancia magnética funcional, y sus motores eléctricos pueden ser afectados por la fMRI es muy variable el campo magnético. Hemos construido una mesa y un sistema de protección que permite que el robot de forma segura introducción en el medio fMRI y los límites tanto de la degradación de la señal de resonancia magnética funcional por los motores de ruido eléctrico y la degradación del rendimiento del motor eléctrico por el campo magnético que varía fuertemente de la fMRI. Con el escudo, la relación señal a ruido (SNR: media de la señal / ruido de desviación estándar) de la fMRI va desde un valor basal de ~ 380 a ~ 330 y ~ 250 sin blindaje. El ruido restante parece ser correlacionados y no agregar artefactos a la resonancia magnética funcional de una esfera de prueba (Figura 2). El mango largo y rígido permite la colocación del robot fuera del alcance de las partes más fuertemente variables del campo magnético lo que no hay efecto significativo de la resonancia magnética funcional en el robot. El efecto del mango en la cinemática del robot es mínima ya que es ligero (~ 2,6 libras), pero muy dura 3 / 4 &quot;de grafito y equilibrado en el conjunto 3DOF en el centro. El resultado final es una resonancia magnética compatible con el sistema táctil con alrededor de 1 pie cúbico de espacio de trabajo, y, cuando se combina con la realidad virtual, que permite un nuevo conjunto de experimentos que se realizan en el medio ambiente incluyendo fMRI naturalista desplazamiento alcance, pasiva de la extremidad y la percepción háptica, aprendizaje para la adaptación en los campos de fuerza variable , o la textura de identificación 5, 6.

La adaptación y el uso de un robot háptico en una fMRI 3T se describe.

Adaptación de un Robot Haptic en un fMRI 3T

La resonancia magnética funcional (RMf) proporciona una excelente imagen funcional del cerebro a través de la señal BOLD 1, con ventajas que incluyen el hecho de no ser ionizante...

Este video demuestra cómo utilizar un robot háptico con un fantasma durante imágenes de RMf con el objetivo final de evaluar la actividad cerebral durante tareas motoras en humanos. Cuando el brazo del robot es manipulado por un sujeto, se pueden realizar mediciones precisas de la posición del brazo y de la fuerza aplicada por el sujeto. Para registrar RMf en conjunto con manipulaciones robóticas hápticas, es importante evitar que el robot interfiera con la salida de RMf introduciendo demasiado ruido eléctrico, así como también evitar dañar el robot debido al campo magnético de la RM.Para lograr esto, primero se coloca al robot dentro de una caja protectora de aluminio. Además, el robot protegido se conecta a un mango de accionamiento de ocho pies que será utilizado por el sujeto durante el experimento. El blindaje y el mango de ocho pies minimizan los campos eléctricos y magnéticos perturbadores cuando el robot simulado se utiliza con el escáner de RM.Cuando un sujeto se coloca dentro del MRI y manipula el brazo efector del robot simulado mediante la empuñadura de ocho pies, se pueden realizar experimentos de realidad virtual sobre desplazamiento pasivo naturalista del miembro, adaptación de la percepción háptica, aprendizaje en campos de fuerza variables e identificación de texturas. En última instancia, este montaje puede utilizarse para correlacionar la actividad cerebral con el movimiento y la planificación mediante grabaciones de resonancia magnética funcional y análisis cinemático de los datos del robot. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes, como el uso de aire comprimido o agua Tory, en la interacción sensoriomotora, es que el robot háptico responde con latencias de milisegundos incluso ante objetos dinámicos complejos.Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el estudio del control neuro-motor. Por ejemplo, las regiones cerebrales activas durante la interacción háptica con objetos virtuales. Para comenzar, coloque una mesa rodante con una caja blindada de aluminio fuera de la puerta del escáner de resonancia magnética. El extremo libre de la mesa debe estar soportado y el extremo exterior del efector de mango largo debe desacoplarse para asegurarse de que el robot esté apagado. A continuación, coloque el robot en el enchufe de la mesa y asegure la placa de seguridad de aluminio sobre el robot con dos tornillos. Luego, fije el efector final al mango del robot y verifique que se mueva libremente.Luego, conecte el cable paralelo de 10 pies con blindaje de aluminio al robot y verifique que el blindaje esté intacto. Añada lámina adicional si es necesario. Coloque la caja de blindaje de aluminio sobre el robot, teniendo cuidado de introducir los cables paralelo y de alimentación en la ranura de la parte trasera.Ajuste cuidadosamente la caja de blindaje. Coloque papel de aluminio en la ranura del cable dentro de la caja de blindaje, y asegúrese de que el papel haga contacto con el blindaje del cable paralelo. Prepárese para ingresar al entorno de campo magnético alto retirando todos los objetos metálicos y cualquier artículo que no sea seguro para RM.Mover el robot hacia la sala de RM requiere dos personas para asegurar que el montaje pueda introducirse en el campo magnético de forma segura. Con una persona sosteniendo el extremo libre de la mesa del robot y otra persona estabilizando el extremo de la caja, mueva el extremo libre hacia adelante hasta que el robot apenas entre por la puerta de la sala. El investigador que sostiene el extremo de la caja ahora debe enganchar la cuerda de seguridad unida a un orificio de anclaje en la parte trasera del blindaje.Asegúrese de que el otro extremo esté firmemente sujeto a un anclaje de pared antes de comenzar a trabajar conjuntamente. Desplace la mesa hacia la habitación y sujétela con correas de velcro al extremo inferior de la mesa de RMf. El extremo del robot de la mesa debe permanecer lo más alejado posible del escáner.Ahora conecte el cable paralelo del robot al filtro personalizado en el paso a través hacia la sala de control y enchufe el robot. La lámina de blindaje del cable paralelo debe hacer contacto con el filtro. Finalmente, sujete la parte exterior del efector final, que es el mango largo que el sujeto alcanzará, al robot.Verifique que el mango pueda introducirse en el orificio del FMRI de forma limpia sin golpear los laterales. Una vez que el robot esté configurado en el escáner, encienda la computadora de control. Asegúrese entonces de que solo el filtro personalizado esté en la parte interior del passthrough y conecte el cable paralelo de seis pies al robot.A continuación, verifique que los motores del robot estén apagados. Luego, inicie la rutina de calibración del fantasma y compruebe que las lecturas de posición de los motores sean estables. Ahora encienda el robot abriendo el puerto en la parte trasera de la caja de blindaje y activando los interruptores dentro de la caja.Reinicie la rutina de calibración con el efector final aproximadamente centrado en el extremo del guía de onda cónico. Realice la calibración y verifique que la caja de calibración tenga la interacción háptica adecuada. Para comenzar el experimento, configure cualquier equipo adicional necesario, como un sistema de visualización.Aquí se utiliza el sistema de visión de Nordic Neuro Lab Incorporated, que proporciona una visualización estéreo de las pantallas visuales. Ahora, haga que el sujeto se acueste sobre la mesa del escáner y asegúrese de que esté cómodo durante toda la duración del experimento. Coloque la bobina de cabeza y el acolchado.Luego, ajuste la distancia del robot mediante los tornillos manuales y deslice la parte superior de la mesa hasta que el sujeto pueda alcanzar el mango del efector y moverse cómodamente. Guíe manualmente la mesa hacia el interior del orificio del MRI sujetando el extremo del robot mientras la mesa se desplaza. Asegúrese de que el efector final esté dirigido hacia el interior del orificio y no se enganche en el exterior.Finalmente, realice el experimento de IRMf. Comience obteniendo una exploración anatómica para verificar la presencia de artefactos de imagen. Luego, realice las exploraciones funcionales mientras el sujeto realiza la tarea funcional diseñada para el experimento, como un paradigma de alcance naturalista; el robot háptico y la IRMf no deben interferir entre sí.Si el robot se ve afectado por la RMf, entonces la lectura de los motores oscilará rápidamente y la representación en línea del robot se moverá incluso cuando el robot en sí no se esté moviendo. En general, esto ocurre cuando el cable paralelo del robot no está adecuadamente protegido y filtrado. Esto se puede solucionar verificando cuidadosamente el blindaje de aluminio del cable, asegurándose de que el núcleo de ferrita esté correctamente colocado en el cable paralelo cerca del robot, y de que el único filtro hacia el robot sea el filtro personalizado situado en el lado de la sala del escáner del paso a través.Detectar errores en la RMf es realmente posible solo después de que los datos hayan sido reducidos y analizados. Sin embargo, se debe realizar una exploración anatómica al principio del estudio y verificarla en busca de efectos de cremallera u otros artefactos indicativos de ruido correlacionado. Con frecuencia, este tipo de ruido proviene del contacto entre metales y puede corregirse apretando todos los tornillos de la mesa robótica, especialmente los tornillos de ajuste manual situados en los laterales de la mesa.Una vez dominada, esta técnica puede completarse en aproximadamente 15 minutos, lo cual es muy importante para la IRMf. Dado que el tiempo es tan costoso, es sumamente importante tener presentes los protocolos de seguridad del MRI durante el procedimiento, ya que el robot podría ser atraído potencialmente hacia el imán del MRI.

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