方法論記事

手のグリップの欠陥から回復する個人のリハビリテーションを評価する新しいMRI互換手誘導ロボット装置と連動した機能MRI

DOI：

10.3791/59420

⸱

2019年11月23日

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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

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

新しいMRI対応の手によるロボット装置を用いて機能MRIを行い、神経学的欠損から回復する個人の手運動機能をモニタリングする有用性を評価した。

要約

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機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、内因性デオキシヘモグロビンを内因性造影剤として使用して血中濃度依存性の変化を検出する、生体内で脳活性化を画像化する非侵襲的磁気共鳴画像技術である。酸素化(太字効果)。fMRIと新規ロボット装置(MR互換手誘導ロボット装置(MR_CHIROD))を組み合わせることで、スキャナーの人が制御された運動タスク、手絞りを実行できるように、神経運動疾患を研究する非常に重要な手の動きである.並列イメージング(部分的に並列集録[GRAPPA])を一般化し、より高い空間分解能を実現し、BOLDに対する感度を高めました。手で誘導されたロボット装置とfMRIの組み合わせにより、参加者がスキャナーにいる間に実行されたタスクを正確に制御し、監視することができました。これは、神経学的欠損(例えば、脳卒中)から回復する患者における手運動機能のリハビリテーションにおいて有用であることが証明され得る。ここでは、fMRI スキャン中にMR_CHIRODの現在のプロトタイプを使用するためのプロトコルの概要を説明します。

概要

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適切なイメージングメトリックは、臨床評価よりも優れた個人における治療の成功の可能性を監視および予測し、治療計画を改善し、個別化するための情報を提供することができます。慢性脳卒中1、2、3、4、5、6、7、8から回復した患者の経験を開発しました。運動トレーニングが神経活動の再編成や運動機能の段階的改善にどのように影響するかに焦点を当てた最適な個別化戦略の開発は、依然として困難です。神経疾患後の脳の機能回復のための基礎的な構造改造と組織の再編成プロセスに関する洞察は、機能的神経イメージング法と脳マッピングを介して神経活動の分散地形パターンと機能回復との関係を評価することを可能にする。成功は、磁気共鳴画像法(MRI)メトリック9に基づく神経学的条件を有する広範な集団におけるグリップ強度の改善を生み出すために最適化されたパーソナライズされた治療戦略の開発を容易にする。

ここでは、被験者が振動する視覚刺激と同期してハンドルを握り、解放する制御可能な抵抗力を提供する、新しく再設計されたロボットハンドデバイスを採用するプロトコルを紹介します。MR_CHIROD v3(MR互換手誘導ROboticデバイス)は、各データポイントの適用力、グリップ変位、タイムスタンプを測定および記録しながら、グリップとリリースモーションを実行する調整可能な力を提示するためのシステムです(図1)。この装置は、神経疾患から回復した患者の脳反応における血液酸素レベル依存性(BOLD)変化を評価するために使用することができるfMRI(機能的磁気共鳴イメージング)の間に脳活性化画像の信頼性の高い評価を提供するように設計された。MR適合性は、スキャナーのベッドに配置された構造および空気アクチュエータ要素およびシールドセンサー/電子部品に対して、完全に非鉄/非磁性部品を使用して実現します。図2は、MRスキャナベッドに取り付けられた装置と、MR_CHIRODv3のハンドルを握る磁石ボアの被写体を示す(図3)。インターフェイスコンポーネントとコントロールコンポーネントはMRスキャナルームの外側に配置されます(図4)。

このデバイスは、関連する脳の活性化を評価するために脳イメージング方法と同時に使用されます。システムの主な用途は、fMRIを使用して検出される脳の運動領域の活性化を生成する運動タスクを提供することです。イメージング中にMR_CHIRODを使用しながら脳の活性化は、神経疾患における神経可塑性を評価することができる。MR_CHIRODを用いた運動訓練の過程および運動訓練後の活性化の変化を追跡することによって、運動障害(例えば、脳卒中)につながる任意の神経疾患に続く運動リハビリテーションの進行が観察され得る。

MR_CHIROD v3はまた、スキャン中のトレーニング演習で使用するために、被験者が45分の期間、研究中に週に3回、適切な視覚刺激に応答してグリップし、放出するテーブルマウントすることができます。イメージングで監視されたロボットで提供されたトレーニングの経験は、例えば脳卒中患者の回復ウィンドウが決して1を閉じないことを示唆しています。

MR互換ハンドグリップロボットを構築して使用するための当社の根拠は、ロボットの回復が、その容易な展開、様々な運動障害、高い測定信頼性、および高強度トレーニングプロトコル10を提供する能力に起因する障害に大きな影響を与える可能性を有することです。当社のMR互換ロボットは、(a)被験者固有の運動範囲に設定し、被験者固有の力レベルを適用するようにプログラムで調整することができます。(b) ホストコンピュータを介した力と変位パラメータの制御、測定、記録(c) MRスキャナールームへのアクセスのためのスキャンを中断したり、被験者の再配置を必要とせずに、制御パラメータをリモートで調整すること。(d) トレーニング演習を通じて、長期間にわたり正確かつ一貫して治療を提供します。

MRスキャナで被験者の手の握力や変位を測定し、コンピュータ制御の時間変動力を加えながら測定できる市販の回収ロボット装置は提供されていません。Tsekos et al.11は、MR_CHIRODシリーズのデバイスの以前の反復を含む、主に研究ベースのMR互換ロボットおよびリハビリテーションデバイスの様々なMR_CHIROD見直しを行いました。その他のデバイスは、手首の動き、指の動き、等角グリップの強さ、および多関節の動きを研究するために設計されました。抵抗やその他の力を積極的に提供する装置には、油圧、空気圧、機械的結合、電気流体ダンパーなど、さまざまなMR互換技術が採用されています。一部のデバイスには、以前のMR_CHIRODバージョンの別の拡張を含む複数の自由度が含まれており、回転自由度と水力アプリケーションが追加されましたが、MR適合性12には適合されていませんでした。

当社のハンドグリップ固有のデバイスには、携帯性(MR施設とオフィスベースのトレーニングサイトの間で定期的に輸送されます)の利点があり、大型のコンピュータ制御の時間変動抵抗力を生み出す機能があります。MR_CHIRODの空気圧技術の現在の使用は、電気レオロジー流体ベースのシステムに必要な高電圧源、油圧流体の漏洩の可能性、および外部電源および制御コンポーネントとインターフェース機構をリンクする複雑なケーブル/リンケージの必要性を回避します。

MR_CHIRODは、脳卒中患者1における脳マッピングのためのfMRIと共に機能することが実証された最初の装置であった。重要なことに、MR_CHIROD v3は、システムとそのソフトウェアが専門的な臨床サポートなしで、動機付け要素(「ゲーミフィケーション」)で使用するように設計されていたので、ホームベースまたはオフィスベースのトレーニングに特に役立ちます。病院での理学療法によるトレーニングに比べて、オフィスまたは家庭でのトレーニングは、より安価で便利で、患者が日常療法に従いやすくなります。このデバイスは、他の研究ベースのデバイスの一部に比べてすでに比較的安価で、コスト対利益率を向上させるために再設計することができる。MR_CHIRODv3と互換性のあるトレーニングのバーチャルリアリティとゲーミフィケーションは、患者を従事させ、タスク中に注意を高め、モチベーションを向上させることができ、したがって、回復13の有効性を高める。

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プロトコル

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すべての実験は、マサチューセッツ総合病院の機関審査委員会によって承認され、アティヌーラA.マルティノス生物医学イメージングセンターで承認されたとおりに行われました。

1. 科目準備

注:包含基準は、(i)右手支配、(ii)書面によるインフォームド・コンセントを与える能力である。除外は、次のような磁気共鳴環境におけるコントラ指標のスクリーニングに基づいて実施されました: (a) ペースメーカーや脳動脈瘤クリップ、金属インプラントまたは金属含有量の存在などの定期的なMRI除外基準。(b) けいれんの歴史 (c) 閉所恐怖症;(d)妊娠。

  1. インフォームド・コンセントを得るためには、ボランティアに同意書を読んでください。ボランティアと調査員の両方が、同意書の適切な場所に重複して署名します。署名された同意書のコピーを、調査者レコードの適切な場所に残します。参加者の記録に対する同意書の2番目のコピーを保管します。
  2. MRI(磁気共鳴画像)のボランティアをスクリーニングします。MRIの反徴候リストに記入し、リスト上の各項目について問い合わせ、必要に応じてチェックボックスをオフにします。
  3. 参加者が外科的動脈瘤クリップ、心臓ペースメーカー、補綴心臓弁、神経刺激剤、埋め込みポンプ、人工内耳、金属棒、プレート、ネジ、および任意の矛盾した徴候を持っている(または潜在的に持っている)場合は、スキャンを進めないでください。補聴器または経皮パッチ。

2. セットアップ

  1. スキャナルームで初期設定を実行します。
    メモ:    必要なトレーニングはすべて、手順の前に調査官が取得する必要があります。MR施設に関する注意事項は常に受け付けなければなりません。
    1. MR_CHIROD(磁気共鳴対応手誘導ロボット装置)をMRIスキャナールームに持ち込み、貫通パネルの近くに置きます。3/8インチの空気圧チューブをパネルのパススルーチューブに差し込み、隣接するMRIサポートルームに挿入します。
    2. MRIスキャナールームのフォースセンシングケーブルとエンコーダケーブルを、パネルのスキャナルーム側の9ピンD字型(DSUB)コネクタに接続します。
  2. MRI サポートルームを設定します。
    1. 空気圧縮機を110VACの壁コンセントに差し込みます。コンプレッサーの内部レギュレータをオフ/最小圧力位置に、ボールバルブをオフ位置にオンにして、コンプレッサーをオンにして、完全な内圧(約4分)に来るようにします。
    2. サポートルームのフォースセンシングケーブルとエンコーダケーブルを、浸透パネルの外面のDSUBコネクタに接続します。
    3. 3/8インチの空気圧チューブフィッティングを接続し、貫通パネルパススルーからインターフェース/パワーユニット圧力レギュレータコンセントのコンセントに接続します。4 mm 空気管をコンプレッサーのコンセントと、インターフェイス/パワー/レギュレータ ユニットのエア フィルターの入口に接続します。
    4. インターフェイス/電源/レギュレータユニットをUSBケーブル/リピータアセンブリのマイクロUSBコネクタに接続し、リピータケーブルをMRIコントロールルームのホストPC/ラップトップに接続します。インターフェイス/電源/レギュレータユニットをサポートルームの110VACウォールプラグに差し込み、電源スイッチをオンにします。
  3. 患者とMR_CHIRODv3の位置。
    1. MRスキャナーベッドを完全に延長および下げます。ヘッドコイルの下半分を取り付け、ボランティアを横に導き、ボランティアが快適に休み、腕を快適に伸ばしていることを確認します。
    2. 音響ノイズ低減のためにボランティアに耳栓を提供します。
    3. ヘッドコイルと小さなフォームパッドを取り付け、ヘッドを固定します。
    4. 腕と肘のレベルでボランティアのグリップアームの周りに枕を取り付け、ボランティア自身の体とMRスキャナーの壁への振動結合を最小限に抑えます。
    5. ボランティアの胸にコミュニケーションボールを取り付け、使い方を教え、スキャンを開始する前にコミュニケーションボールがうまく機能することを確認します。
    6. 対応するベッドスロットを使用して、脳病変の反対側の患者の側にMR_CHIRODを緩く取り付けます。ボランティアの肘をテーブルの上に置いて腕の重さを支え、親指と人差し指の間のウェビングにMR_CHIRODハンドルを動かし、ボランティアにMR_CHIRODのハンドルをつかむために導きます。
    7. MR_CHIRODが浸透パネルからテーブルの反対側にある場合は、ケーブルと空気圧チューブを患者の上ではなくテーブルの下に置きます。
    8. グリップの位置が絞りに適していることを確認します。ボランティアに対して、絞り込みのための最も快適な位置になるまで、MR_CHIRODを絞ったり、押したり引いたりするように指示します。
    9. MR対応レンチを使用してプラスチックナットを締め付け、MR_CHIRODしっかりと固定します。
      注:その時点ではスキャンは実行されません。MR_CHIRODを配置する場合、ボランティアは磁石の外側のMRスキャナーベッドで快適に休みます。マグネットルームのドアが開いている可能性があります。
  4. MRコントロールルーム(スキャナとサポートルームに隣接)でコントロールラップトップを設定し、接続を確認し、患者の力レベルに設定します。
    1. ラップトップの電源を入れ、データ集録/分析ソフトウェアを起動します。USBケーブル/リピータアセンブリをラップトップに接続します。MR スキャナールームプロジェクターの電源を入れます。ラップトップのビデオ出力ポートをプロジェクターコネクタに接続し、モニタを設定してスクリーンをプロジェクターに拡張します。スキャナーの USB HID トリガー ケーブルをラップトップに接続して、スキャナーからトリガー信号を受信します。
    2. MR_CHIRODのカスタムユーザーインターフェイス(UI)/制御/刺激プログラムを実行します。MR_CHIROD圧力を(最小限の)「セットアップ」レベルに自動的に設定して、ハンドルをエンドストップに押し込み、動きと力波形の表示を検証します。
    3. 次のいくつかのスクイーズは、絞りの最大強度のために較正することであり、したがって、難しいであろうことをボランティアに指示します。
    4. たとえば、力レベルを30Nに設定し、約2sの期間で2~3回完全に絞るようにボランティアに指示します。
    5. 徐々に力レベルを上げ、ボランティアがスクイーズを完了できないまで、スクイーズの試みを繰り返します。この測定は、ボランティアのグリップ強度の最大値として機能します。UI は、テスト中に使用する最大力レベルの 60%、40%、および 20% を自動的に計算します。

3. ボランティアデータを入力し、MRスキャナをキャリブレーションする

  1. スキャナーコンソールのHIPAA(1996年米国健康保険の携行性と説明責任に関する法律)の規制に従って、病院ポリシーに従ってボランティアの非識別データを入力します。
  2. テーブルと参加者をスキャナに移動し、アイソセンターに配置します。

4. fMRI セッションの実行

  1. コントロールルームとスキャナールームの間の窓からボランティアを観察し、ボランティアと通信して、fMRIプロトコルを開始する参加者の許可を得ます。MR_CHIRODハンドルを保持して、完全に開いた位置に置くように指示します。
  2. 磁石をシムし、ローカライザスキャンを実行します。fMRI プロトコルを開き、ボランティアの脳をカバーするスライスを設定します。
  3. fMRI セッションが始まることをボランティアに指示します。
  4. UI を使用して、最初のフォース レベル (最大の 20%) を適用するようにMR_CHIRODを設定します。UI プログラムは、視覚的な刺激に応答する方法を思い出させるために、ボランティアのビデオ プロジェクターに一連の指示を表示します。UI は、スキャナーがトリガー信号を提供するまで待機します。
  5. fMRI のエコー平面イメージング プロトコルを開始します。フォルダ USERS のイメージング プログラム MR_CHIRODを使用します。集録および再構成パラメータはイメージングプログラムで既に設定されており、変更しないでください。次のパラメータが使用されます: 面内 192 x 192 または 256 x 256 取得行列;TR(繰り返し時間)は2〜3sの範囲で;30 ミリ秒の TE (エコー時間);5mmのスライス厚さ、および~1mm×1mmの空間分解能。
    注:UI/データ取得/刺激プログラムは、スキャナプログラムでfMRI前スキャンの開始に対応するスキャナからトリガパルスを受信するのを待ちます。視覚刺激は指示を取り除き、ボランティアが焦点を当てる「固定クロス」を示します。fMRI スキャン T が開始されると、拡大および縮小する円の形で視覚的なメトロノームディスプレイが表示されます。ボランティアは完全に絞り、刺激と同期してハンドルを解放します。休息期間は刺激期間を分離し、その間に固定十字が再表示されます。
  6. タスクの実行中に、UI 上の力と変位のライブ プロットを観察して、フォース出力を監視し、参加者がタスクを正しく実行しているかどうか (つまり、グリップとリリースを完全に完了し、視覚的なメトロノームとの同期を維持する).
  7. 最初の実行が終わったら、UI での実験の継続を確認します。手順 4.5 から繰り返します。同様に、2 回目の実行が終了したら、3 番目のフォース レベルで最終実行を実行する継続を確認します。
  8. 3 回目の実行後、UI は自動的に低い 「セットアップ」 レベルにMR_CHIROD圧力を設定します。

5. MRI セッションの完了

  1. 参加者にリラックスしてハンドルを手放するように指示します。一連の解剖学的スキャンを収集します。

6. テイクダウン

  1. MR スキャナー ルームから参加者を取り外し、セットアップ手順を逆に実行して、MR_CHIRODの部分をシャットダウンして取り外します。MR データをデータベースとディスクに転送し、セッションを閉じます。

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結果

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プロトコルで概説されている方法論は、ボランティアが磁石でリアルタイムにタスクを実行している間、fMRI画像の収集を可能にします。実験は、マサチューセッツ総合病院アティヌーラA.マルティノス生物医学イメージングセンターのベイ1施設で、3T全身磁気共鳴スキャナーを用いて行った。図2および図3は、テーブル上のMR_CHIRODとそれを操作する所定の位置における患者の配置を示す。図3では、ボランティアが磁石のアイソセンターに頭を置いたスキャナーボアに入っています。図 4は、プロセスの初期フェーズで設定されるシステム コンポーネントと接続の概略を示しています。fMRIセッション中に、画像が収集されるだけでなく、磁石ボア内の人が動作しているデバイスの実際のストロークのリアルタイムトレースが得られる。一般的な結果を図 5に示します。制御された空気圧力の使用...

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ディスカッション

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私たちは、新しいロボットデバイスの最新バージョン、MR_CHIROD1、2、8を使用してモータタスクのfMRIを提示します。MR_CHIRODは、慢性脳卒中患者が行うことができる手絞りグリップタスクを実行するように設計されており、以前に研究されている1、2、3、4、5、6、8 。装置はさらにダイナモメーターとして使用され、実験力レベルが正規化される患者の最大グリップ力を測定する。運動皮質の活性...

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開示事項

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著者の誰も開示する矛盾を持っていません。

謝辞

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この研究は、国立衛生研究所の国立神経疾患・脳卒中研究所(助成金番号1R01NS105875-01A1)からA.アリア・ジカへの助成金によって支援されました。この作品は、アティヌーラ・A・マルティノス生物医学イメージングセンターで行われました。 ブルース・R・ローゼン博士、博士号、マルティノス・センターのスタッフの皆様のご支援に感謝申し上げます。 クリスチャン・プサテア氏とマイケル・アルマーニ氏の実験への支援に感謝します。 最後に、マイケル・A・モスコヴィッツ博士とローゼン博士が、MR_CHIROD一連のデバイスとそれに関連する脳卒中研究の構想と開発に関する指導を行ってくれたことに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ボールベアリング、ガラスボール付きプラスチック (8)McMaster-Carr6455K97
双方向ロジックレベルコンバータAdafruit395
デュアルLS7366R直交エンコーダバッファSuperDroid ロボットTE-183-002
フェザー M0 WiFi w/ATWINC1500AdafruitAdafruit 3010
フランジナット、グラスファイバー、3/8"-16 (8)McMaster-Carr98945A041
ガロライトロッド、¾”直径、4フィート長いMcMaster-Carr8467K84
各種USB2.0ポートとMATLAB
ロードセル(20kg)RobotshopRB-PHI-119
ロードセルアンプ-HX711Mouser474-SEN-13879
MATLABMathWorks2008バージョン以降、Psychophysics Toolbox
共鳴イメージングスキャナーシーメンSkyra 3T3T フルボディスキャナー BOLDおよびGRAPPA機能付き
MR_CHIRODv3社内特注のプラスチック&3Dプリント構造
オペアンプ開発ボードSchmartboard710-0011-01
パネルマウント電源デルタPMT-D2V100W1AA
プラスチックチューブ&チューブ継手McMaster-Carrさまざまな
パイレックス/グラファイトピストン/シリンダーモジュールAirpot2KS240-3
ネジ、¼"-20、ナイロンMcMaster-Carr&
シャフトカラー。”ダイヤシャフト、ナイロン (2)McMaster-Carr9410T6純正金属クランプネジをプラスチックネジに交換
シールドケーブル (2)US DigitalCA-C5-SH-C5-25
ネジ付きロッド、グラスファイバー、3/8"-16McMaster-Carr91315A010
透過型光学式エンコーダーコードストリップUS DigitalLIN-2000-3.5-0.5
透過型光学式エンコーダーモジュールUSデジタルEM2-0-2000-I
PTFEスリーブベアリングMcMaster-Carr2639T32
ラップトップを備えた任意のラップトップ磁気ス で製造 frac34のための様々な

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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  14. Unluhisarcikli, O., et al. A Robotic Hand Rehabilitation System with Interactive Gaming Using Novel Electro-Rheological Fluid Based Actuators. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , Anchorage, AK. (2010).

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