Name: Adattamento di un robot tattile in un fMRI 3T (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Scopri come adattare un robot aptico in un ambiente fMRI 3T per studiare l'attività cerebrale durante compiti motori. Questo metodo consente misurazioni precise con minima interferenza elettromagnetica.

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Vorremmo ringraziare Lu Kun e Ronald Kurz per l&#39;assistenza tecnica. Questo lavoro è stato sostenuto da n ° Premio MURI ONR: N00014-10-1-0072, NSF concedere # SBE-0542013 alla dinamica temporale del Learning Center, un Science Learning Center di NSF, NIH e concedere # 2 NS036449 R01-11.

1. Fuori dalla stanza dello scanner <ol><li> Posizionare il tavolo a rotazione con l'estremità libera sostenuto e alla fine esterna del lungo manico staccato. </li><li> Controllare che il robot è spento. </li><li> Posizionare il robot nella presa tavolo e fissare la piastra di sicurezza in alluminio sopra il robot con 2 viti. </li><li> Fissare il effecter fine alla maniglia del robot con l'adattatore in alluminio e verificare che si muove liberamente. </li><li> Collegare il 10 'cavo parallelo con schermatura in alluminio al robot e controllare che la schermatura è intatto. Aggiungi foglio supplementare, se necessario. </li><li> Posizionare la scatola di alluminio schermante sopra il robot avendo cura di posizionare il parallelo e cavi di alimentazione nella scanalatura sul retro. </li><li> Attentamente vite sulla scatola schermatura. </li><li> Confezione foglio di alluminio nella scanalatura del cavo sulla scatola schermatura e assicurarsi che il foglio entra in contatto con la schermatura del cavo parallelo. </li></ol> 2. Lo spostamento nella stanza dello scanner con due persone, A e B <ol><li> Preparatevi ad entrare in un ambiente di alto campo magnetico, eliminando qualsiasi e tutti gli oggetti metallici non ferrosi, compresi quelli, ad esempio, telefoni cellulari, chiavi, monete, ecc .. </li><li> Con la persona A fine tenendo l'estremità libera del tavolo robot e la persona B stabilizzare la fine scatola, rotolare libero prima fino a quando il robot entra solo la porta della stanza. </li><li> B clip persona alla fune di sicurezza legato ad un foro di ancoraggio sul retro della cassa schermatura e controlla che l'altra estremità è saldamente attaccato ad una parete di ancoraggio. </li><li> Lavorando insieme, ruotare la tavola nella stanza e fissarla con le cinghie in velcro ai piedi del tavolo fMRI. La fine robot del tavolo deve rimanere il più dallo scanner come possibile. </li><li> Collegare il cavo parallelo del robot per il filtro personalizzato sul passaggio alla sala di controllo, e collegare il robot. La pellicola schermatura del cavo parallelo deve prendere contatto con il filtro. </li><li> Fissare la parte esterna del lungo manico (effecter fine) e verificare che entrerà nel foro della fMRI pulito. </li></ol> 3. Nella sala di controllo <ol><li> Avviare il computer di controllo e collegare il cavo parallelo 6 'al robot. Accertarsi di rimuovere eventuali filtri aggiuntivi che possono essere sulla parte interna del passaggio. </li><li> Verificare che i motori del robot sono spenti, avviare la routine di calibrazione Phantom e verificare che la lettura di posizione dei motori dalla routine di calibrazione del robot sono stabili. </li><li> Doppia controllare il cavo di collegamento in parallelo e che solo il filtro di grandi dimensioni personalizzate è collegato se la procedura di taratura non può vedere il robot o ci sono grandi variazioni nella lettura del motore. </li><li> Accendere il robot aprendo la porta sul retro della scatola schermatura e premere gli interruttori con un bastone. </li><li> Riavviare la procedura di calibrazione con il effecter fine circa centrato alla fine della guida d'onda conica. Passo attraverso la calibrazione e controllare che la casella di calibrazione box ha il un'adeguata interazione tattile. </li><li> Collegare l'uscita TTL dalla fMRI (connettore BNC) per l'ADC Labjack sul computer di controllo. </li></ol> 4. Il soggetto <ol><li> Preparare il soggetto per un ambiente di alto campo magnetico con i protocolli standard di fMRI. </li><li> Impostare qualsiasi equipaggiamento extra per l'esperimento, ad esempio, il sistema di visualizzazione. Usiamo il NordicNeuro Lab, Vision System Inc. che offre una visualizzazione stereo di visual display, una caratteristica che è particolarmente utile al momento della presentazione degli ambienti virtuali. </li><li> Dopo che il soggetto si sdraia sul tavolo e la bobina testa si trova, regolare la distanza del robot allentando le viti a mano e facendo scorrere la parte superiore del tavolo fino a quando il soggetto può muoversi comodamente. </li><li> Guida alla tabella manualmente premendo sull'estremità del robot, mentre la tabella fMRI si muove dentro e fuori il foro per evitare che le rotelle di oscillazione. Assicurarsi che il effecter fine va nel foro e non prendere sul lato esterno. </li><li> Esegui l'esperimento. </li></ol> 5. Abbattere il setup con due persone A e B <ol><li> Dopo le uscite paziente, rimuovere alla fine esterno del manico lungo e staccare il tavolo robot dalla tabella fMRI annullando il cinturino in velcro. </li><li> Dal robot, annullare il cavo schermato parallelo e scollegare il cavo di alimentazione. </li><li> Un'azienda con la persona l'estremità libera del tavolo robot e la persona B guida la fine robot, spostare il tavolo verso la porta. Alla porta, annullare la pastoia, e ruotare la tavola robot verso la sala. </li><li> Allentare tutte le viti dalla casella schermatura e le due viti dalla piastra di sicurezza e rimuovere il robot. </li></ol> 6. Rappresentante dei risultati: Idealmente, il robot tattili e fMRI non dovrebbe influenzare l'un l'altro. Possiamo dire in linea se il robot viene colpiti dalla fMRI. In generale, se cavo parallelo del robot non è adeguatamente schermato e filtrato, poi la lettura dei motori sarà oscilloscopifine rapidamente. Questo può essere risolto con un doppio controllo della schermatura in alluminio sul cavo, che il nucleo ferroso sia correttamente posizionato sul cavo parallelo vicino il robot, e che l'unico filtro per il robot è il filtro personalizzato sul lato scanner sala del passaggio . Rilevare errori nella fMRI è davvero possibile solo dopo che i dati sono stati ridotti e analizzati, ma una scansione anatomica dovrebbe essere presa presto nello studio e controllato per gli effetti di cerniera o di altri artefatti indicativi di rumore correlato (per esempio rumore picco) 7. Frequentemente, il rumore che questi provengano da metallo a contatto metallo e possono essere ripulite serrando tutte le viti sul tavolo del robot, in particolare le viti di regolazione mano sul lato del tavolo. Dal nostro test il segnale fMRI basale a rumore (SNR) è ~ 380 e con il robot completamente schermati nella stanza che scende ad un ancora ragionevole ~ 330. Se lo scudo non è presente sul robot, poi la goccia SNR ulteriormente ~ 250, e gli effetti del rumore diventare molto significativo. Come mostrato in 4, i 3 gradi di libertà comuni nel centro del manico ha scarso effetto sulla dinamica del robot / interazione mano se non a spostare lontano dal robot. Il giunto nel centro della maniglia agisce come un fulcro e inverte il moto apparente in due delle direzioni (destra-sinistra e alto-basso), ma non il terzo (avanti-indietro). Dato che la Phantom e la mano sono agli estremi opposti della leva come il manico con il suo fulcro nel mezzo, gli utili vengono applicate nel software in ciascuna delle tre direzioni euclidea: guadagna negativa nelle due direzioni controllato dalla snodo e un guadagno positivo nella direzione di scorrimento del giunto. L'effetto netto della maniglia girevole e riproduce l'intero 3 gradi di libertà del robot Phantom, a soli 9 'via. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1 L'apparecchio utilizzato per montare il robot tattile per l'uso in ambiente fMRI. Superiore mostra il robot tattile montato nel caso prima di custodia (in alto, a sinistra) e il giunto cardanico / cursore giunto a metà del manico (in alto, a destra). In basso, a sinistra mostra un soggetto nello scanner manipolare la maniglia. Fondo, è proprio un cartone animato della effecter schermatura e fine. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2 I risultati del test BIRN per il robot completamente schermati con il movimento. Le tre immagini mostrano con croci sezioni del modello testa sferica, e il basso a destra mostra una vista tridimensionale. I puntini sono bolle in testa il modello statico e sono sempre presenti. La mancanza delle strisce grandi o cerniere indica che il rumore dal robot non correlati.

<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>
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</ol>

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Il robot compatibile fMRI apre nuove possibilità per gli esperimenti in neuroscienze del controllo motorio. La fase più critica nel setup è la schermatura del robot per evitare artefatti nella fMRI, che noi facciamo in due fasi. In primo luogo, lo stesso robot è di circa 9 &#39;dal foro con un lungo, leggero, manico sostenuto nella sua metà con un grado 3 della comune libertà. In secondo luogo, il robot è racchiuso in un 1 / 16 &quot;-1 / 4&quot; scatola di alluminio con una in plastica conica (13 &quot;di diametro di b...

<table border="1"><tbody><tr><td> Phantom premio 1.5/6dof, modello forza elevata </td><td> Sensable </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

adattamento di un robot tattile in un fmri 3t

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

La risonanza magnetica funzionale (fMRI), fornisce un eccellente imaging funzionale del cervello tramite il segnale BOLD 1 con vantaggi tra cui radiazioni non ionizzanti, precisione millimetrica spaziale dei dati anatomici e funzionali 2, e quasi in tempo reale analisi 3. Robot tattile fornire una misurazione precisa e il controllo della posizione e la forza di un cursore in uno spazio ragionevolmente ristretti. Qui combinare queste due tecnologie per consentire gli esperimenti che coinvolgono la precisione di controllo del motore con haptic / interazione ambiente tattili, quali il raggiungimento o afferrare. L&#39;idea di base è quella di collegare un effecter end 8 piedi supportati al centro per il robot 4 che permette al soggetto di utilizzare il robot, ma proteggendolo e mantenendolo fuori della parte più estrema del campo magnetico dalla macchina fMRI (Figura 1 ). Il fantasma Premium 3.0, 6DoF, alta forza di robot (SensAble Technologies, Inc.) è una scelta eccellente per la fornitura di force-feedback in esperimenti di realtà virtuale 5, 6, ma è intrinsecamente non-MR cassetta di sicurezza, introduce rumore significativo al sensibile attrezzature fMRI, e la sua motori elettrici possono essere influenzati dalla fMRI è fortemente variabile campo magnetico. Abbiamo costruito un tavolo e sistema di schermatura che consente al robot di essere tranquillamente introdotti nell&#39;ambiente fMRI e limita sia la degradazione del segnale fMRI dai motori elettrici rumorosi e il degrado delle prestazioni motore elettrico dal campo magnetico variabile forte delle fMRI. Con lo scudo, il rapporto segnale rumore (SNR: media segnale / rumore deviazione standard) della fMRI va da un basale di ~ 380 a ~ 330 e ~ 250 senza la schermatura. Il rumore residuo risulta essere non correlati e non aggiunge artefatti per la fMRI di una sfera di prova (Figura 2). La lunga maniglia rigida permette il posizionamento del robot fuori dalla portata delle parti più fortemente variabili del campo magnetico quindi non c&#39;è alcun effetto significativo della fMRI sul robot. L&#39;effetto della maniglia sulla cinematica del robot è minimo in quanto è leggero (~ 2.6 lbs), ma estremamente rigida 3 / 4 &quot;grafite e ben bilanciata sul giunto 3DoF nel mezzo. Il risultato finale è un fMRI compatibile, sistema aptico con circa 1 piede cubico di spazio di lavoro, e, quando combinato con la realtà virtuale, permette una nuova serie di esperimenti da eseguire in un ambiente naturalistico tra cui fMRI raggiungere, lo spostamento passivo dell&#39;arto e la percezione tattile, l&#39;apprendimento di adattamento in diversi campi di forza , o l&#39;identificazione struttura 5, 6.

L&#39;adattamento e l&#39;uso di un robot tattile in un fMRI 3T è descritto.

Adattamento di un robot tattile in un fMRI 3T

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) fornisce un'eccellente imaging funzionale del cervello attraverso il segnale BOLD 1, con vantaggi che includono l'assenza di radiazioni ionizzanti...

Questo video illustra come utilizzare un robot aptico phantom durante l'imaging FMR con l'obiettivo finale di valutare l'attività cerebrale durante compiti motori negli esseri umani. Quando il braccio del robot viene manipolato da un soggetto, è possibile effettuare misurazioni precise della posizione del braccio e della forza applicata dal soggetto. Per registrare la FMRI in concomitanza con manipolazioni robotiche aptiche, è fondamentale evitare che il robot interferisca con l'output della FMRI introducendo troppo rumore elettrico e, allo stesso tempo, evitare danni al robot dovuti al campo magnetico della risonanza magnetica.Per raggiungere questo obiettivo, il robot viene innanzitutto racchiuso in una scatola schermata in alluminio. Inoltre, il robot schermato è collegato a un manico dell'effettore lungo otto piedi che sarà utilizzato dal soggetto durante l'esperimento. Lo schermo e il manico di otto piedi riducono al minimo i campi elettrici e magnetici disturbanti quando il robot fantoccio viene utilizzato con lo scanner RM.Quando un soggetto viene posizionato nella risonanza magnetica e manipola il braccio effettore del robot fantoccio tramite l'impugnatura a otto piedi, è possibile eseguire esperimenti di realtà virtuale su movimenti naturali di afferramento, spostamento passivo dell'arto e adattamento della percezione tattile, apprendimento in campi di forza variabili e identificazione di texture. In definitiva, questa configurazione può essere utilizzata per correlare l'attività cerebrale al movimento e alla pianificazione attraverso registrazioni di risonanza magnetica funzionale e analisi cinematica dei dati del robot. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come l'uso di aria compressa o acqua Tory, nell'interazione sensoriale e motoria, è che il robot tattile risponde con latenze dell'ordine del millisecondo anche a oggetti dinamici complessi.Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nello studio del controllo neurologico del movimento. Ad esempio, le regioni cerebrali attive durante l'interazione tattile con oggetti virtuali. Per iniziare, posizionare un tavolo scorrevole con una scatola schermata in alluminio all'esterno della porta della risonanza magnetica.L'estremità libera del tavolo deve essere sostenuta e l'estremità esterna dell'effettore con manico lungo deve essere staccata per assicurarsi che il robot sia spento. Successivamente, posizionare il robot nel connettore del tavolo e fissare la piastra di sicurezza in alluminio sul robot con due viti. Quindi, collegare l'effettore finale al manico del robot e verificare che si muova liberamente.Quindi collegare il cavo parallelo da 10 piedi con schermatura in alluminio al robot e verificare che la schermatura sia integra. Aggiungere ulteriore foglio di alluminio se necessario. Posizionare la scatola di schermatura in alluminio sopra il robot, avendo cura di inserire i cavi parallelo e di alimentazione nella scanalatura posteriore.Avvitare con cura il contenitore schermato. Inserire del foglio di alluminio nella scanalatura del cavo sul contenitore schermato, assicurandosi che l'alluminio entri in contatto con lo schermo presente sul cavo parallelo. Prepararsi a entrare nell'ambiente con campo magnetico elevato rimuovendo tutti gli oggetti metallici e tutti gli oggetti non sicuri per la risonanza magnetica.Spostare il robot nella stanza della risonanza magnetica richiede due persone per assicurare che il sistema possa essere introdotto nel campo magnetico in sicurezza. Una persona deve tenere l'estremità libera del tavolo del robot mentre un'altra stabilizza l'estremità della scatola con il rotolo, spingendo l'estremità libera in avanti finché il robot non entra appena nella porta della stanza. Il ricercatore che tiene l'estremità della scatola deve ora agganciare la corda di sicurezza fissata a un foro di ancoraggio sul retro della cassa schermata.Assicurarsi che l'altra estremità sia saldamente fissata a un ancoraggio a muro vicino al posto di lavoro. Portare il tavolo nella stanza e fissarlo con cinghie in velcro alla base del tavolo della risonanza magnetica funzionale. L'estremità del tavolo su cui è montato il robot deve rimanere il più lontano possibile dallo scanner.Ora collegare il cavo parallelo del robot al filtro personalizzato sul passaggio verso la stanza di controllo e collegare il robot alla corrente. La lamina schermante del cavo parallelo deve entrare in contatto con il filtro. Infine, fissare la parte esterna dell'effettore finale, costituita dalla lunga impugnatura che il soggetto dovrà afferrare, al robot.Verificare che la manopola possa entrare agevolmente nel foro dell'FMRI senza urtare i lati. Una volta configurato il robot nello scanner, avviare il computer di controllo. Assicurarsi quindi che solo il filtro personalizzato sia posizionato sulla parte interna del passaggio e collegare il cavo parallelo da sei piedi al robot.Successivamente, verificare che i motori del robot siano spenti. Quindi avviare la procedura di calibrazione del fantoccio e verificare che le letture di posizione dei motori siano stabili. A questo punto, accendere il robot aprendo la porta sul retro della scatola di schermatura e attivando gli interruttori all'interno della scatola.Riavviare la procedura di calibrazione con l'effettore finale posizionato approssimativamente al centro dell'estremità della guida d'onda conica. Procedere con la calibrazione e verificare che la scatola di calibrazione presenti un'adeguata interazione tattile. Per iniziare l'esperimento, configurare eventuali apparecchiature aggiuntive necessarie, come un sistema di visualizzazione.Qui viene utilizzato il sistema visivo della Nordic Neuro Lab Incorporated, che fornisce una visione stereoscopica dei display visivi. Ora chiedere al soggetto di sdraiarsi sul tavolo dello scanner e assicurarsi che possa rimanere comodo per tutta la durata dell'esperimento. Posizionare la bobina per la testa e l'imbottitura.Quindi regolare la distanza del robot mediante le viti manuali e facendo scorrere la parte superiore del tavolo finché il soggetto riesce a raggiungere l'impugnatura dell'effettore e a muoversi comodamente. Guidare manualmente il tavolo all'interno del foro della risonanza magnetica tenendo l'estremità del robot mentre il tavolo si sposta. Assicurarsi che l'effettore finale sia orientato verso l'interno del foro e non si incastrì all'esterno.Infine, eseguire l'esperimento di FMRI. Iniziare ottenendo una scansione anatomica per verificare la presenza di eventuali artefatti di imaging. Successivamente, eseguire le scansioni funzionali mentre il soggetto svolge il compito funzionale progettato per l'esperimento, come un paradigma di raggiungimento naturalistico; il robot aptico e la FMRI non devono interferire l'uno con l'altra.Se il robot è influenzato dalla risonanza magnetica funzionale (FMRI), la lettura dei motori oscillerà rapidamente e la rappresentazione in tempo reale del robot si muoverà anche quando il robot stesso non è in movimento. In generale, ciò accade quando il cavo parallelo del robot non è adeguatamente schermato e filtrato. Questo problema può essere risolto verificando attentamente lo schermo in alluminio sul cavo, assicurandosi che il nucleo Ferrite sia posizionato correttamente sul cavo parallelo in prossimità del robot e che l'unico filtro collegato al robot sia il filtro personalizzato situato sul lato della stanza dello scanner del passaggio.La rilevazione degli errori nella risonanza magnetica funzionale è possibile solo dopo che i dati sono stati ridotti e analizzati. Tuttavia, all'inizio dello studio si dovrebbe eseguire una scansione anatomica e verificarla alla ricerca di effetti a cerniera o di altri artefatti indicativi di rumore correlato. Spesso tale rumore deriva dal contatto tra metalli e può essere eliminato serrando tutte le viti del tavolo robotico, in particolare le viti di regolazione manuale situate sui lati del tavolo.Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere completata in circa 15 minuti, il che è molto importante per la fMRI. Poiché il tempo è estremamente costoso, durante il tentativo della procedura è fondamentale tenere presenti i protocolli di sicurezza della risonanza magnetica, dato che il robot potrebbe potenzialmente essere attratto all'interno del tunnel della risonanza magnetica.

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