RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Mark P. Ottensmeyer1,2, Shasha Li2,3,4, Gianluca De Novi1,2, A. Aria Tzika2,3,4
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
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
אנו ביצעו MRI פונקציונלי באמצעות התקן MRI המושרה ביד המכשיר רובוטית להעריך את השירות שלה עבור ניטור מנוע יד פונקציה אצל אנשים שמתחלים מפני חסרונות נוירולוגיים.
תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה (fMRI) היא טכניקה לא פולשנית תהודה מגנטית הדמיה כי תמונות המוח הפעלה vivo, באמצעות deoxyhemoglobin המוגלובין כסוכן ניגודיות אנדוגניים לזהות שינויים ברמת הדם תלוי חמצן (אפקט מודגש). אנו משולבים fMRI עם מכשיר רובוטי הרומן (MR-תואם יד המושרה המכשיר הרובוטי [MR_CHIROD]) כך אדם בסורק יכול לבצע משימה מוטורית מבוקרת, יד לסחוט, שהיא תנועת יד חשובה מאוד ללמוד במחלות נוירולוגיות מנוע . אנו מועסקים הדמיה מקבילה (כיול אוטומטי מוכללת רכישות מקבילות חלקית [גראפה]), אשר אפשרה רזולוציה מרחבית גבוהה יותר וכתוצאה מכך רגישות מוגברת למודגש. השילוב של fMRI עם המכשיר הרובוטי המושרה בעבודת יד איפשר שליטה וניטור מדויקים של המשימה שבוצעה בזמן שמשתתף היה בסורק; זה עשוי להוכיח להיות השירות בשיקום של תפקוד מנוע יד בחולים התאוששות מפני כמות נוירולוגית (g., שבץ). כאן אנו מתווה את הפרוטוקול לשימוש באבטיפוס הנוכחי של הMR_CHIROD במהלך סריקת fMRI.
מדדי הדמיה מתאימים עשויים לפקח ולנבא את הסבירות של הצלחה טיפולית אצל אנשים טובים יותר מאשר הערכות קליניות ולספק מידע כדי לשפר ולממש את תכנון הטיפול. פיתחנו ניסיון עם מטופלים מתאושש משבץ כרוני1,2,3,4,5,6,7,8. פיתוח אסטרטגיות מיטביות מיטבית המתמקדים באופן ההכשרה של הרכב יכול להשפיע על שיפור מצטבר או בארגון מחדש של פעילות עצבית ו/או פונקציה מוטורית עדיין מאתגרת. תובנות לגבי שיפוץ מבניים בבסיס ותהליכים ארגוניים מחדש להתאוששות תפקודית במוח לאחר מחלה נוירולוגית יכולה לאפשר לנו להעריך את הקשר בין דפוסים טופוגרפיים מבוזרים של פעילות עצבית ושחזור פונקציונלי באמצעות שיטות נוירודימות פונקציונלי מיפוי המוח. הצלחה תסייע בפיתוח אסטרטגיות טיפול מותאמות אישית הממוטבות להניב שיפורים בחוזק האחיזה באוכלוסיה נרחבת עם מצבים נוירולוגיים המבוססים על דימות תהודה מגנטית (MRI) מדדים9.
כאן אנו מציגים פרוטוקול המעסיק החדש מתוכנן מכשיר יד רובוטית המספקת כוח התנגדות בשליטה כנגד אשר נושא אוחז ומשחרר ידית בסנכרון עם גירוי חזותי מנדנוד. ה-MR_CHIROD v3 (המכשיר הרובוטי המושרה על ידי MR) הוא מערכת להצגת כוחות מתכווננים שעליהם מתבצעות התנועות המתכווננות ומשחררים, תוך כדי מדידת והקלטת כוח שהוחל, הזחה וחותמות זמן עבור כל נקודת נתונים (איור 1). המכשיר תוכנן לספק הערכות אמינות של תמונות הפעלת המוח במהלך fMRI (תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה), אשר ניתן להשתמש בהם כדי להעריך את התלות בדם-חמצן ברמת (מודגש) שינויים בתגובות המוח של חולים התאוששות מהפרעות נוירולוגיות. MR-תאימות מושגת באמצעות שימוש של רכיבים לא ברזלי/לא מגנטיים לחלוטין עבור מבנה ואלמנטים מפעיל פנאומטי וחיישנים מוגנים/רכיבים אלקטרוניים הממוקמים על המיטה של הסורק. איור 2 מראה את המכשיר המצורף למיטת הסורק של MR, ועם נושא במגנט נשא את ידית האחיזה של הMR_CHIROD V3 (איור 3). רכיבי ממשק ובקרה ממוקמים מחוץ לחדר הסורק של MR (איור 4).
המכשיר משמש במקביל עם שיטות דימות מוחי להערכת הפעלות המוח הרלוונטיות. השימוש העיקרי במערכת הוא לספק משימה מוטורית שיוצרת הפעלות של אזורי המנוע של המוח, אשר מזוהים באמצעות fMRI. הפעלת המוח תוך שימוש בMR_CHIROD במהלך ההדמיה יכול להעריך נוירופלסטיות במחלות נוירולוגיות. על-ידי מעקב אחר שינויים בהפעלות במהלך ואחרי האימון המוטורי באמצעות הMR_CHIROD, התקדמות שיקום מוטורי לאחר כל מחלה נוירולוגית המובילה להגרמות המוטורית (למשל, שבץ) ניתן לצפות.
The MR_CHIROD v3 יכול להיות גם רכוב על השולחן, לשימוש בתרגילי הכשרה פנים, שבו הנושא אוחז ומשחרר בתגובה גירויים חזותיים מתאימים לתקופות של 45 דקות, שלוש פעמים בשבוע במהלך המחקר. הניסיון שלנו עם הכשרה מועברת באופן מוחי, במעקב עם הדמיה, מצביע על כך שחלון ההתאוששות עבור חולי שבץ למשל עלול לעולם לא להיסגר1.
הרציונל שלנו עבור בניית ושימוש MR-אחיזת ידיים רובוט הוא התאוששות רובוטית יש את הפוטנציאל לייצר השפעה גדולה על הפגיעה בשל הפריסה הקל שלה, הישימות באמצעות ליקויים מוטוריים שונים, אמינות מדידה גבוהה, ויכולת לספק בעוצמה גבוהה הכשרה פרוטוקולים10. הרובוט התואם MR שלנו יכול: (א) להיות מוגדר עבור טווחים ספציפיים לנושא של תנועה ולהיות מותאם באופן תוכניתי כדי להחיל רמות הכוח ספציפי לנושא; (ב) שליטה, מדידה והקלטה של הפרמטרים וההזחה באמצעות מחשב מארח; (ג) התאמה מרחוק של פרמטרי בקרה מבלי לדרוש הפרעה בסריקה לצורך גישה לחדר הסורק של MR או מיקום מחדש של הנושא; ו-(ד) לספק טיפול באמצעות תרגילי אימון בדיוק ובעקביות לתקופות ממושכות.
אנחנו מודעים לא מסחרית התאוששות התקן רובוטי שניתן להשתמש עם סורק MR כדי למדוד את הכוח של הנושא ידית העקירה תוך החלת מחשב נשלט זמן שונים כוח. סקוס ואח '11 סקרו מגוון של מכשירי מחקר ושיקום בעלי תאימות MR, התואמים בעיקר למחקר, כולל חזרות קודמות של סדרת MR_CHIROD התקנים. התקנים אחרים תוכננו ללימוד תנועה בפרק כף היד, תנועת אצבע, כוח אחיזה איזומטרי ותנועות רב מפרקים. עבור התקנים המספקים באופן פעיל התנגדות או כוחות אחרים, מגוון של טכנולוגיות מתאימות MR כבר המועסקים כולל הידראוליקה, פנאומטיקה, קישורים מכניים והרטבה נוזלים אלקטולוגית. התקנים מסוימים כוללים דרגות חופש מרובות, כולל הארכה נוספת של גירסאות הMR_CHIROD הקודמות שנוספו מידה של חופש ויישום כוח הידראולי, אולם היא לא הותאמה ל-MR-תאימות12.
שלנו אחיזה ביד המכשיר הספציפי יש את היתרונות של ניידות (הוא מועבר באופן סדיר בין מתקן MR לבין אתרי הדרכה מבוססי משרד), ואת היכולת של ייצור גדול, בקרת מחשב, שונים בזמן כוחות התנגדות. השימוש הנוכחי של הטכנולוגיה הפניאומטית בMR_CHIROD מונע את הצורך מקורות מתח גבוה הדרושים עבור מערכות אלקטרו-מבוססות-מגנטי של נוזלים, הפוטנציאל לדליפת נוזל הידראולי, וכבלים/קשרים מורכבים המקשרים את מנגנון הממשק עם מרכיבי חשמל ובקרה חיצוניים.
הMR_CHIROD היה המכשיר הראשון שהדגים לתפקד בשילוב עם fMRI עבור מיפוי המוח בחולי שבץ1. חשוב מכך, the MR_CHIROD v3 שימושי במיוחד עבור הבית-או מבוסס משרד הדרכה, כמו המערכת ואת התוכנה שלה עוצבו לשימוש ללא תמיכה קלינית מומחה עם אלמנטים מוטיבציה ("gamification"). ביחס האימון הפיזי-הכשרה בבית החולים, משרד או הכשרה מבוססת הבית הוא פחות יקר ונוח יותר, מה שהופך את זה קל יותר לחולים לדבוק טיפול יומיומי. ההתקן, שכבר יחסית זול יחסית לכמה מההתקנים האחרים המבוססים על מחקר, ניתן לתכנן מחדש כדי לשפר את היחס של עלות לתועלת. מציאות וירטואלית האימון, שניהם תואמים את MR_CHIROD v3, יכול לעסוק בחולים, להגביר את תשומת לבם במהלך המשימה, ולשפר את המוטיבציה, ובכך להגדיל את האפקטיביות של התאוששות13.
כל הניסויים אושרו על ידי מועצת הסקירה המוסדית בבית החולים הכללי של מסצ והופיע כמאושר במרכז אתיולה א. מרטינוס להדמיה ביו-רפואית.
1. הכנה לנושא
הערה: קריטריוני הכללה הם: (i) הדומיננטיות יד ימין, (ii) היכולת לתת הסכמה מושכלת בכתב. הדרה בוצעה על בסיס הקרנה עבור קונטרה-אינדיקטורים בסביבת התהודה המגנטית, כגון: (א) קריטריון הוצאה לאור של MRI שגרתי, כגון נוכחות של קוצב לב או מפרצת מוחית ושתלי מתכת או תוכן מתכת בגוף; (ב) ההיסטוריה של התקפים (c) קלאוסטרופוביה; (ד) הריון.
2. התקנה
3. הזן נתוני התנדבות וכיול סורק MR
4. הפעל fMRI סשן
5. להשלים את הפעלת ה-MRI
6. המשך למטה
המתודולוגיה המתוארים בפרוטוקול מאפשרת את האוסף של תמונות fMRI כאשר המתנדב מבצע את המשימה בזמן אמת במגנט. ניסויים נערכו במתקן מפרץ 1 של בית החולים הכללי של מסצ Athinoula מרכז להדמיה ביו-רפואית, באמצעות סורק 3T גוף מלא-תהודה מגנטית. איור 2 ואיור 3 הצג את מיקום הMR_CHIROD על השולחן והמטופל במקומו מפעיל אותו. באיור 3, המתנדב הוא בסורק נשא עם הראש שלו/שלה להציב את isocenter של המגנט, שהוא המיקום הנכון עבור דימות המוח. איור 4 מציג סכמטי של רכיבי המערכת והחיבורים, ההוגדרו בשלבים ההתחלתיים של התהליך. במהלך הפעלה fMRI, לא רק את התמונות שנאספו, אלא גם מעקב בזמן אמת של משיכות בפועל של המכשיר כמו האדם מגנט נשא הוא פועל זה מתקבלים. תוצאות טיפוסיות מוצגות באיור 5. השימוש בלחץ פניאומטי מבוקר מאפשר שליטה מדויקת בכוח התגובה המתמיד שמספק הMR_CHIROD v3.
איור 5A – C מראה אזורים טיפוסיים של הפעלה במהלך מרתק/שחרור של המכשיר, באמצעות התוצאות של הטכניקה הנועזת במהלך סריקת fMRI. חיצים אדומים להראות הפעלה באזור M1 (קליפת המנוע העיקרי) ואת האזורים הירוקים להראות SMA (המשלים מנוע קליפת). איור 5D מציג את העקירה נמדד במהלך מרתק/שחרור, אשר בוצע נגד כוח ההתנגדות של הMR_CHIROD. איור 5E מראה הפעלה לאורך זמן ב voxel יחיד, שנבחר מתוך אזור somato-חושי. התגובה מתאימה לפעילות הנושא, הפעלה מוגבהת המתרחשת במהלך מרתק/שחרור והפעלה מופחתת כאשר הנושא נח.

איור 1: החלקים של התקן MR_CHIROD v3. (1) ידית קבועה; (2) ידית הזזה; (3) חיישן כוח; (4) מקודד מיקום; (5) זכוכית גרפיט צילינדר-יחידת בוכנה; (6) מגבר תא טען מסוכך; (7) חריץ לשולחן מר (מדגם); (8) כדור מיסבים עם גזעים מרחקסיל וכדורי זכוכית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תצוגת הMR_CHIROD v3 המצורפת באופן מאובטח אל מיטת הסורק. תצורה זו מאפשרת לאדם להפעיל את הMR_CHIROD מבלי לתמוך באף אחד ממשקלו. ייתכן שההתקן ממוקם ליד ימין או שמאל. כבלים מסוכך מבוססים על לוח חדירה, צינור פנאומטי יציאות באמצעות מעבר דרך צינור בלוח החדירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: מבט על MR_CHIROD v3 ביחס למטופל. המתנדב נח עם ידו בעמדה ליד ידיות של המכשיר. המתנדב ממוקם בעמדה הנכונה בבית מגנט isocenter עבור דימות מוחי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: דיאגרמה סכמטית של MR_CHIROD להגדיר עבור המבצע בחדר סורק MR. הכבלים המוגן הנושאים את האותות למיקום ולנתוני מהירות ולחיישן הכוח, כמו גם האבובים הפניאומטיים עוברים דרך לוח החדירה המשמש כרמת ההארקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: התוצאות האופייניות לביצוע משימה מוטורית (לחיצת ידיות של MR_CHIROD). המוצג הם (א) הפעלות המוח fMRI, על גבי כתמים על קו מיתאר של המוח, (ב) כמו צבע מדומה על הנוף הצלב תלת מימדי של סריקת המוח האנטומית של המתנדבים, ו (ג) כמו צבע פסאודו המעובד על תבנית המוח. M1 = קליפת המנוע העיקרית. SMA = אזור המנוע המשלים. (ד) כוח בפועל פלט, נמדד יחידות כוח (ניוטון, N) כפונקציה של זמן. פלט הכוח הוא השיא הממשי של לחיצת המתנדבים והוא נרשם בזמן אמת על ידי הMR_CHIROD. (ה) קורס ההפעלה של הזמן היחיד-voxel מוצג, שנבחר מתוך voxel באזור המגע במיקום הצלב (ב). פסים שחורים ב (ד) ו-(E) תואמים לתקופת הגירוי/מנוחה של 60 s. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
לאף אחד מהמחברים אין עימות לגלות.
אנו ביצעו MRI פונקציונלי באמצעות התקן MRI המושרה ביד המכשיר רובוטית להעריך את השירות שלה עבור ניטור מנוע יד פונקציה אצל אנשים שמתחלים מפני חסרונות נוירולוגיים.
עבודה זו נתמכת על ידי מענק מהמכון הלאומי של הפרעות נוירולוגיות שבץ (גרנט מספר 1R01NS105875-01A1) של המוסדות הלאומיים לבריאות לא. אריה ציקא. העבודה הזאת בוצעה במרכז אתיולה א. מרטינוס להדמיה ביו-רפואית. אנו רוצים להודות למנהל ד ר ברוס ר. רוזן, md, Ph.D. וחברי צוות מרטינוס לתמיכתם. אנו מבקשים להודות למר כריסטיאן Pusatere ומר מייקל ארמנני על עזרתם בניהול ניסויים. לבסוף, אנו מודים לד ר מיכאל א. מוסקוביץ וד ר רוזן על הדרכתו בתפיסה ובפיתוח של סדרת MR_CHIROD התקנים ומחקרי שבץ משויכים.
| מיסבים כדוריים, פלסטיק עם כדורי זכוכית (8) | McMaster-Carr | 6455K97 | |
| ממיר רמת לוגיקה דו-כיווני | Adafruit | 395 | |
| מאגר מקודד ריבועי LS7366R כפול | רובוטים SuperDroid | TE-183-002 | |
| Feather M0 WiFi עם ATWINC1500 | Adafruit | Adafruit 3010 | |
| אגוזי אוגן, פיברגלס, 3/8 אינץ'-16 (8) | מקמאסטר-קאר | 98945A041 | |
| מוט גרוליט, ¾ ” קוטר, 4 אינץ' מחשב נייד ארוך | McMaster-Carr | 8467K84 | |
| מגוון | כל מחשב נייד עם יציאות USB2.0 ותא עומס MATLAB | ||
| (20 ק"ג) | Robotshop | RB-PHI-119 | |
| מגבר תא עומס- HX711 | Mouser | 474-SEN-13879 | |
| MATLAB | MathWorks | גרסת 2008 ואילך עם ארגז כלים פסיכופיזי | |
| תהודה מגנטית סורק הדמיה | סימנס | Skyra | 3T 3T סורק גוף מלא עם יכולות BOLD ו-GRAPPA |
| MR_CHIRODv3 | מיוצר בבית | פלסטיק | בהתאמה אישית ומבנה מודפס בתלת מימד |
| לוח פיתוח מגבר | אופ Schmartboard | 710-0011-01 | |
| פאנל הר ספק כוח | דלתא | PMT-D2V100W1AA | |
| צינורות פלסטיק ואביזרי צינורות | מקמאסטר-קאר | מודול פיירקס / גרפיט / צילינדר שונים | |
| Airpot | 2KS240-3 | ||
| ברגים, ו- frac14; "-20, ניילון | מקמאסטר-קאר | צווארוני פיר שונים | |
| עבור ¾ ” פיר קוטר, ניילון (2) | McMaster-Carr | 9410T6 | ברגי הידוק מתכת מלאי שהוחלפו בברגי פלסטיק |
| כבלים מסוככים (2) | US Digital | CA-C5-SH-C5-25 | |
| מוט הברגה, פיברגלס, 3/8 אינץ'-16 | McMaster-Carr | 91315A010 | |
| רצועת קוד מקודד אופטי מעביר US | Digital | LIN-2000-3.5-0.5 | |
| אופטי מעביר מודול מקודד | ארה"ב דיגיטלי | EM2-0-2000-I | |
| מיסבי שרוול PTFE | McMaster-Carr | 2639T32 |