Name: Adaptation dun robot haptique dans une IRMf 3T (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Apprenez à adapter un robot haptique dans une IRMf 3T pour étudier l'activité cérébrale lors de tâches motrices chez l'humain. Cette méthode minimise les interférences électromagnétiques grâce à un blindage aluminium.

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Nous tenons à remercier Kun Lu et Ronald Kurz de l&#39;assistance technique. Ce travail a été soutenu par l&#39;ONR n ° Prix Muri: N00014-10-1-0072, NSF Grant # SBE-0542013 à la dynamique temporelle de Learning Center, une science de la NSF Learning Center, NIH et # 2 R01 NS036449-11.

1. En dehors de la salle du scanner <ol><li> Placez la table de roulement avec l'extrémité libre soutenus et l'extrémité extérieure de la poignée de longs détachés. </li><li> Vérifiez que le robot est éteint. </li><li> Placez le robot dans la prise de table et fixer la plaque de sécurité en aluminium sur le robot avec 2 vis. </li><li> Fixez le effecteur fin à la poignée de robot avec l'adaptateur en aluminium et vérifier qu'il se déplace librement. </li><li> Fixez la 10 'câble parallèle avec de l'aluminium de blindage pour le robot et vérifier que le blindage est intact. Ajouter une feuille supplémentaire si nécessaire. </li><li> Placez la boîte en aluminium de blindage sur le robot en prenant soin de placer les câbles d'alimentation parallèle et dans la rainure sur le dos. </li><li> Soigneusement vis sur la boîte de blindage. </li><li> Pack de papier d'aluminium dans la rainure du câble sur la boîte de blindage et être sûr que le film est en contact avec le blindage sur le câble parallèle. </li></ol> 2. S'engager dans la salle du scanner avec deux personnes, A et B <ol><li> Préparez-vous à entrer dans un environnement champ magnétique élevé en supprimant toute et tous les objets métalliques non ferreux, y compris celles, par exemple, les téléphones cellulaires, des clés, pièces de monnaie, etc .. </li><li> Avec une personne A la fin tenant l'extrémité libre de la table de robot et la personne B stabiliser la fin, en boîte il libre d'abord que le robot passe juste la porte de la chambre. </li><li> Clips personne B de la corde de sécurité attaché à un trou d'ancrage sur le dos de la sacoche de protection et vérifie que l'autre extrémité est solidement attaché à une fixation murale. </li><li> En travaillant ensemble, rouler la table dans la salle et l'attacher avec des sangles velcro au pied de la table IRMf. La fin du robot de la table doit rester aussi loin que possible du scanner. </li><li> Branchez le câble parallèle du robot au filtre personnalisé sur le passage à la salle de contrôle, et de brancher le robot. Le blindage sur le câble parallèle doivent prendre contact avec le filtre. </li><li> Fixez la partie extérieure de la longue poignée (effecteur final) et vérifiez que celle-ci entrera l'alésage de l'IRMf proprement. </li></ol> 3. Dans la salle de contrôle <ol><li> Démarrer l'ordinateur de contrôle et de joindre un câble parallèle de la 6 'au robot. Veillez à retirer tous les filtres supplémentaires qui peuvent être sur la partie intérieure de la passer à travers. </li><li> Vérifiez que les moteurs du robot sont éteints, le démarrage de la routine de calibrage Phantom et vérifier que les afficheurs de position des moteurs de la routine de calibrage du robot sont stables. </li><li> Vérifiez la connexion du câble parallèle et que seul le grand filtre personnalisé est attachée si la routine de calibrage ne peut pas voir le robot ou il ya de grandes variations dans la lecture du moteur. </li><li> Mettez le robot en ouvrant le port à l'arrière de la boîte de blindage et appuyez sur les interrupteurs avec un bâton. </li><li> Redémarrez la routine de calibrage avec le effecteur final approximativement centré à l'extrémité du guide d'ondes conique. Étape par l'étalonnage et vérifiez que la boîte de calibrage boîte a l'interaction haptique approprié. </li><li> Fixez la sortie TTL du IRMf (connecteur BNC) à l'ADC LabJack sur l'ordinateur de contrôle. </li></ol> 4. Le sujet <ol><li> Préparer le sujet pour un environnement de haut champ magnétique avec les protocoles IRMf standard. </li><li> Mettre en place un équipement supplémentaire pour l'expérience, par exemple, système d'affichage visuel. Nous utilisons les NordicNeuro Lab, Vision System Inc qui fournit l'observation stéréoscopique d'affichages visuels, une caractéristique qui est particulièrement utile lors de la présentation des environnements virtuels. </li><li> Après le sujet s'allonge sur la table et la tête de la bobine se trouve, régler la distance du robot en dévissant les vis à main et glisser le haut du tableau jusqu'à ce que le sujet peut se déplacer confortablement. </li><li> Guide de la table manuellement en maintenant sur l'extrémité du robot tandis que la table IRMf est déplaçant dans et hors de l'alésage pour éviter les roulettes de vaciller. Assurez-vous que l'effecteur final va dans le trou et ne pas attraper de l'extérieur. </li><li> Exécutez l'expérience. </li></ol> 5. Décomposer la configuration avec deux personnes A et B <ol><li> Après la sortie du patient, retirez la fin de l'extérieur le long manche et se détacher de la table robot de la table IRMf en desserrant la sangle velcro. </li><li> Du robot, défaire le câble parallèle blindé et débranchez le câble d'alimentation. </li><li> Avec une personne A tenant l'extrémité libre de la table de robot et la personne B guider l'extrémité du robot, de déplacer la table à la porte. À la porte, défaire l'attache, et rouler sur la table du robot à la salle. </li><li> Annuler toutes les vis de la boîte de blindage et les deux vis de la plaque de la sécurité et retirer le robot. </li></ol> 6. Les résultats représentatifs: Idéalement, le robot haptique et l'IRMf ne devrait pas affecter l'autre. Nous pouvons dire en ligne si le robot est touché par l'IRMf. Généralement, si un câble parallèle du robot n'est pas correctement blindé et filtré, puis la lecture des moteurs sera oscillateurfin rapidement. Ceci peut être fixé par un double contrôle de l'aluminium de blindage sur le câble, que le noyau ferreux est correctement placé sur le câble parallèle à proximité du robot, et que le filtre seulement pour le robot est le filtre personnalisé sur le côté salle du scanner de l'passent à travers . Détection des erreurs dans les IRMf est vraiment possible qu'après que les données ont été réduites et analysées, mais une analyse anatomique devraient être prises au début de l'étude et vérifié les effets de fermeture éclair ou d'autres artefacts indicatif de bruit corrélé (par exemple pic de bruit) 7. Souvent, un tel bruit vient du métal au contact de métal et peuvent être nettoyés en serrant les vis sur la table de robot, surtout les vis de réglage main sur le côté de la table. De nos tests le signal IRMf de référence pour bruit (SNR) est ~ 380 et avec le robot entièrement blindé dans la pièce qui tombe à un niveau encore raisonnable ~ 330. Si le bouclier n'est pas en place sur le robot, puis la chute de SNR suite à ~ 250, et les effets sonores deviennent très importantes. Comme le montre le 4, le degré 3 de la liberté dans la commune centre de la poignée a peu d'effet sur ​​la dynamique de l'interaction robot / main, sauf pour le changement de distance du robot. La commune dans le centre de la poignée agit comme un point d'appui et renverse le mouvement apparent dans deux directions (gauche-droite et haut-bas) mais pas le troisième (avant-arrière). Depuis le fantôme et la main sont aux extrémités opposées de la manette comme manche avec son point d'appui dans le milieu, les gains sont appliquées dans le logiciel dans chacune des trois directions euclidienne: les gains négatifs dans les deux directions, commandé par la rotule et un gain positif dans le sens de l'articulation du curseur. L'effet net de la poignée et le pivot reproduit les trois degrés de liberté complète du robot Phantom, à seulement 9 pieds de distance. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="Figure 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 1"> Figure 1 L'appareil utilisé pour monter le robot haptique pour une utilisation dans l'environnement IRMf. Haut montre le robot haptique montés dans le cas avant boîtier (en haut, à gauche) et le cardan / curseur conjointe à mi-chemin de la poignée (en haut, à droite). Bas, de gauche montre un sujet dans le scanner de manipuler la poignée. Bas, est juste une bande dessinée de l'effecteur de blindage et de fin. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="Figure 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figure 2"> Figure 2 Résultats de l'épreuve BIRN pour le robot entièrement blindé avec le mouvement. Les trois images avec des croix indiquent les sections du modèle de tête sphérique, et le bas à droite montre une vue en trois dimensions. Les petits points sont des bulles dans le modèle de tête statique et sont toujours présents. Le manque de bandes ou fermetures à glissière grandes indique que le bruit du robot n'est pas corrélé.

<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>
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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>
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</ol>

Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Le robot IRMf compatibles ouvre de nouvelles possibilités pour des expériences en neuroscience de contrôle moteur. L&#39;étape la plus critique dans le setup est le blindage du robot pour éviter des artefacts dans l&#39;IRMf, que nous ne en deux étapes. D&#39;abord, le robot lui-même est d&#39;environ 9 &#39;loin de l&#39;ennuyer avec un long, léger, poignée soutenue en son milieu avec un degré 3 de la liberté commune. Deuxièmement, le robot est enfermé dans un 1 / 16 boîte en aluminium &quot;-1 / 4&quot; avec un plasti...

<table border="1"><tbody><tr><td> Phantom prime 1.5/6dof, modèle de force de haute </td><td> SensAble </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

adaptation d&#39;un robot haptique dans une irmf 3t

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet une excellente imagerie cérébrale fonctionnelle via le signal BOLD 1 avec des avantages, y compris les rayonnements non ionisants, millimètre précision spatiale des données anatomiques et fonctionnelles 2, et presque en temps réel des analyses 3. Robots haptiques de fournir une mesure précise et un contrôle de la position et la force d&#39;un curseur dans un espace relativement confiné. Ici, nous combinons ces deux technologies pour permettre des expériences de précision impliquant le contrôle moteur avec haptique / interaction environnement tactiles telles que l&#39;atteinte ou la préhension. L&#39;idée de base est d&#39;attacher une extrémité 8 pieds effecteur pris en charge dans le centre pour le robot 4 permettant au sujet d&#39;utiliser le robot, mais c&#39;est le blindage et le garder hors de la partie la plus extrême du champ magnétique de la machine IRMf (figure 1 ). Le Fantôme Premium 3.0, 6DoF, grande force du robot (SensAble Technologies, Inc) est un excellent choix pour fournir à retour de force dans des expériences de réalité virtuelle 5, 6, mais il est intrinsèquement non-MR sûr, introduit du bruit significative à la sensibilité équipements IRMf, et ses moteurs électriques peuvent être touchés par le IRMf est fortement champ magnétique variable. Nous avons construit une table et un système de blindage qui permet au robot d&#39;être en sécurité introduits dans l&#39;environnement IRMf et les limites à la fois la dégradation du signal IRMf par les moteurs électriques bruyantes et la dégradation de la performance du moteur électrique par le champ magnétique variable fortement de l&#39; IRMf. Avec le bouclier, le rapport signal sur bruit (SNR: moyenne écart-type de signal / bruit) de l&#39;IRMf va partir d&#39;une base de ~ 380 à ~ 330 et ~ 250 sans blindage. Le bruit reste semble être corrélés et ne pas ajouter des artefacts à l&#39;IRMf d&#39;une sphère d&#39;essai (figure 2). La longue poignée rigide permet de placer le robot hors de portée des parties les plus fortes variations du champ magnétique donc il n&#39;ya pas d&#39;effet significatif de l&#39;IRMf sur le robot. L&#39;effet de la poignée sur la cinématique du robot est minime car il est léger (~ 2,6 lb), mais extrêmement rigide 3 / 4 &quot;de graphite et bien équilibrée sur la commune 3DOF au milieu. Le résultat final est une IRMf système compatible haptique, avec environ 1 pied cube d&#39;espace de travail, et, lorsqu&#39;il est combiné avec la réalité virtuelle, elle permet une nouvelle série d&#39;expériences à réaliser dans l&#39;environnement IRMf notamment naturalistes atteindre, le déplacement passif de la branche et la perception haptique, l&#39;apprentissage d&#39;adaptation dans les champs de force variable , l&#39;identification texture ou 5, 6.

L&#39;adaptation et l&#39;utilisation d&#39;un robot haptique dans une IRMf 3T est décrite.

Adaptation d&#39;un robot haptique dans une IRMf 3T

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet une excellente imagerie fonctionnelle du cerveau via le signal BOLD 1, présentant des avantages tels que l'absence de rayonnements ionisants...

Ce vidéo montre comment utiliser un robot haptique fantôme pendant l'imagerie IRMF afin d'évaluer l'activité cérébrale pendant des tâches motrices chez l'humain. Lorsque le bras du robot est manipulé par un sujet, des mesures précises de la position du bras et de la force exercée par le sujet peuvent être effectuées. Afin d'enregistrer l'IRMf en conjonction avec des manipulations robotiques haptiques, il est important d'éviter que le robot n'interfère avec le signal IRMf en introduisant trop de bruit électrique, ainsi que d'éviter d'endommager le robot par le champ magnétique de l'IRM.Pour y parvenir, le robot est d'abord enfermé dans une boîte blindée en aluminium. De plus, le robot blindé est fixé à une poignée d'effaceur de huit pieds de long qui sera utilisée par le sujet pendant l'expérience. Le blindage et la poignée de huit pieds minimisent les champs électriques et magnétiques perturbateurs lorsque le robot fantôme est utilisé avec le scanner IRM.Lorsqu'un sujet est placé dans l'IRM et manipule le bras effecteur du robot fantôme à l'aide de la poignée de huit pieds, des expériences de réalité virtuelle peuvent être réalisées, portant sur l'étirement naturel du membre, le déplacement passif et l'adaptation de la perception haptique, l'apprentissage dans des champs de force variables, ainsi que l'identification de textures. En fin de compte, ce dispositif peut être utilisé pour corréler l'activité cérébrale avec le mouvement et la planification, grâce à des enregistrements d'IRM fonctionnelle et à une analyse cinématique des données du robot. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, comme l'utilisation d'air comprimé ou d'eau, en ce qui concerne l'interaction sensori-motrice, est que le robot haptique répond avec des latences de l'ordre de la milliseconde, même face à des objets dynamiques complexes.Cette méthode peut aider à répondre à des questions essentielles dans l'étude du contrôle neurologique du mouvement. Par exemple, les régions cérébrales actives lors d'interactions haptiques avec des objets virtuels. Pour commencer, placez une table roulante munie d'une boîte en aluminium blindée à l'extérieur de la porte du scanner IRM.L'extrémité libre de la table doit être soutenue et l'extrémité extérieure de l'effecteur à long manche détachée afin de s'assurer que le robot est éteint. Ensuite, placer le robot dans la prise de la table et fixer la plaque de sécurité en aluminium sur le robot à l'aide de deux vis. Puis, attacher l'effecteur terminal au manche du robot et vérifier qu'il se déplace librement.Ensuite, fixez au robot le câble parallèle de 10 pieds avec blindage en aluminium, et vérifiez que le blindage est intact. Ajoutez une feuille supplémentaire si nécessaire. Placez la boîte de blindage en aluminium sur le robot en prenant soin d’insérer les câbles parallèle et d’alimentation dans la rainure située à l’arrière.Vissez soigneusement le boîtier de blindage. Placez de la feuille d'aluminium dans la rainure du câble sur le boîtier de blindage, en veillant à ce que la feuille entre en contact avec le blindage du câble parallèle. Préparez-vous à pénétrer dans l'environnement de champ magnétique élevé en retirant tous les objets métalliques et tous les éléments non conformes à la sécurité IRM.Déplacer le robot dans la salle d'IRM nécessite deux personnes afin de garantir que l'installation puisse être introduite en toute sécurité dans le champ magnétique. Tandis qu'une personne tient l'extrémité libre de la table du robot et qu'une autre personne stabilise l'extrémité équipée de rouleaux, avancer l'extrémité libre jusqu'à ce que le robot pénètre juste dans l'ouverture de la pièce. Le chercheur qui tient l'extrémité de la boîte doit alors fixer la corde de sécurité attachée à un trou d'ancrage situé à l'arrière du boîtier de protection.Veillez à ce que l'autre extrémité soit fermement fixée à un ancrage mural avant de travailler ensemble. Roulez la table dans la pièce et fixez-la au pied de la table d'IRMf à l'aide de sangles en velcro. L'extrémité de la table portant le robot doit rester aussi éloignée que possible du scanner.Connectez maintenant le câble parallèle du robot au filtre personnalisé sur le passage vers la salle de contrôle et branchez le robot. La feuille de blindage du câble parallèle doit être en contact avec le filtre. Enfin, fixez la partie extérieure de l'effecteur terminal, constituée de la longue poignée que le sujet devra atteindre, au robot.Vérifiez que la poignée pourra pénétrer proprement dans l'alésage de l'IRMf sans heurter les parois latérales. Une fois le robot installé dans le scanner, démarrez l'ordinateur de commande. Ensuite, assurez-vous que seul le filtre personnalisé est placé sur la partie intérieure du passage, puis reliez le câble parallèle de six pieds au robot.Ensuite, vérifiez que les moteurs du robot sont éteints. Lancez ensuite la routine d'étalonnage du fantôme et assurez-vous que les affichages de position des moteurs sont stables. Allumez maintenant le robot en ouvrant le port situé à l'arrière de la boîte de blindage et en activant les interrupteurs situés à l'intérieur de la boîte.Redémarrez la procédure d'étalonnage avec l'organe terminal approximativement centré à l'extrémité du guide d'ondes conique. Parcourez l'étalonnage et vérifiez que la boîte d'étalonnage présente une interaction haptique appropriée. Pour commencer l'expérience, mettez en place tout équipement supplémentaire nécessaire, comme un système d'affichage visuel.Ici, on utilise le système de vision de Nordic Neuro Lab Incorporated, qui permet une visualisation stéréoscopique des affichages visuels. Faites maintenant s’allonger le sujet sur la table du scanner et assurez-vous qu’il ou elle sera à l’aise pendant toute la durée de l’expérience. Placez la bobine crânienne et le rembourrage.Ensuite, ajustez la distance du robot à l’aide des vis de réglage manuel et en faisant glisser le plateau supérieur de la table jusqu’à ce que le sujet puisse atteindre la poignée de l’effecteur et se déplacer confortablement. Guidez manuellement la table dans le tunnel de l’IRM en tenant l’extrémité du robot pendant que la table se déplace. Veillez à ce que l’effecteur terminal soit orienté vers l’intérieur du tunnel et ne s’accroche pas à l’extérieur.Enfin, réalisez l'expérience d'IRMf. Commencez par obtenir une acquisition anatomique afin de vérifier la présence d'artéfacts d'imagerie. Exécutez ensuite les acquisitions fonctionnelles pendant que le sujet effectue la tâche fonctionnelle conçue pour l'expérience, telle qu'un paradigme de pointage naturel. Le robot haptique et l'IRMf ne doivent pas interférer l'un avec l'autre.Si le robot est affecté par l'IRMf, alors l'affichage des moteurs oscille rapidement et la représentation en ligne du robot bouge même lorsque le robot lui-même ne bouge pas. En général, cela se produit lorsque le câble parallèle du robot n'est pas correctement blindé et filtré. Cela peut être corrigé en vérifiant attentivement le blindage en aluminium du câble, en s'assurant que le noyau Ferrite est correctement placé sur le câble parallèle près du robot, et que le seul filtre vers le robot est le filtre personnalisé situé du côté de la salle de scanner du passage.La détection des erreurs en IRMf n'est réellement possible qu'après que les données aient été réduites et analysées. Toutefois, une acquisition anatomique doit être réalisée au début de l'étude et vérifiée afin de repérer des effets de « fermeture éclair » ou d'autres artefacts révélateurs d'un bruit corrélé. Ce type de bruit provient fréquemment d'un contact métal sur métal et peut être atténué en resserrant toutes les vis de la table robotisée, en particulier les vis de réglage manuel situées sur le côté de la table.Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en environ 15 minutes, ce qui est très important pour l'IRMf. Étant donné que le temps est très coûteux, il est essentiel de garder à l'esprit les protocoles de sécurité en IRM lors de la réalisation de la procédure, car le robot pourrait potentiellement être attiré vers l'intérieur du tunnel de l'IRM.

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