Name: 3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: 学ぶ3T fMRI環境における触覚ロボットの適応方法。アルミニウムシールドボックスと長尺エフェクターハンドルを用いて電気ノイズと磁気干渉を最小化し、ヒトの運動課題中の脳活動を正確に評価する技術を解説します。

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我々は技術支援のためにくん呂とロナルドクルツに感謝します。この作品は、ONRのMURI賞号によってサポートされていました：N00014 - 10 - 1から0072まで、NSFの助成＃SBE - 0542013学習センター、学習センターのNSFの科学、およびNIHの助成第2位R01 NS036449 - 11の空間ダイナミクスに。

1。スキャナ室の外<ol><li>サポートされて自由端と切り離さ長いハンドルの外側の端でローリングテーブルに置きます。 </li><li>ロボットがオフになっていることを確認してください。 </li><li>テーブルのソケットにロボットを置き、2本のネジでロボットを介してアルミニウムの安全性のプレートを固定します。 </li><li>アルミアダプター付きロボットハンドルにエンドエフェクタを取り付け、それが自由に動くことを確認してください。 </li><li>アルミロボットにシールドと10'のパラレルケーブルを接続し、シールドが損なわれていないことを確認してください。必要に応じて余分な箔を追加。 </li><li>背面の溝に平行ケーブルと電源ケーブルを配置するように注意してロボットを介しアルミシールドボックスを置きます。 </li><li>シールドボックスに慎重にねじ込みます。 </li><li>シールドボックスのケーブル溝にアルミホイルを梱包し、箔がパラレルケーブルにシールドに接触することを確認してください。 </li></ol> 2。二人、AとBとスキャナの部屋に移動する<ol><li>あらゆる非鉄もの、例えば、携帯電話、鍵、硬貨等を含むすべての金属物を除去することにより、高磁場環境を入力するための準備.. </li><li>人とロボットまで、最初に、ロボットのテーブルやボックスの端を安定させる人物Bの自由端をロール保持自由端は、ちょうど部屋のドアに入る。 </li><li>ユーザーBのクリップは、セキュリティのロープは、もう一方の端がしっかりと壁のアンカーに接続されているシールドケースと小切手の裏面にアンカー穴につなが。 </li><li>一緒に働いて、部屋にテーブルをロールバックし、fMRIのテーブルの足にマジックテープのストラップで、それを添付。テーブルのロボットの終わりには、可能な限り、スキャナから滞在す​​る必要があります。 </li><li>ロボットでのカスタムコントロールルームに至るまでのパスでフィルタ、およびプラグにロボットのパラレルケーブルを接続します。パラレルケーブルのシールド箔は、フィルターとの接触を確認する必要があります。 </li><li>長いハンドルの外側の部分（エンドエフェクタ）を添付し、それが正常に機能的MRIのボアを入力することを確認してください。 </li></ol> 3。制御室で<ol><li>制御用コンピュータを起動して、ロボットに6'パラレルケーブルを取り付けます。パススルーのインテリアの一部になる可能性のある追加のフィルタを削除してください。 </li><li>ロボットのモータがオフになっていることを確認する、ファントムキャリブレーションルーチンを起動して、ロボットのキャリブレーションルーチンからモータの位置の読み出しが安定していることを確認してください。 </li><li>パラレルケーブル接続をチェックし、キャリブレーションルーチンがロボットを見ることができないまたはモーターの読み出しに大きな変動がある場合にのみ、大規模なカスタムフィルタが接続されていることをダブルクリック。 </li><li>シールドボックスの背面のポートを開くことで、ロボットの電源を入れ、棒でスイッチを押してください。 </li><li>略円錐導波路の端を中心とするエンドエフェクタを持つキャリブレーションルーチンを再起動します。キャリブレーションをステップ実行し、ボックスのキャリブレーションボックスが適切なハプティックインタラクションを持っていることを確認してください。 </li><li>制御用コンピュータで機能的MRI（BNCコネクタ）からLabjack ADCへのTTL出力を取り付けます。 </li></ol> 4。対象と<ol><li>標準的なfMRIのプロトコルと高磁場環境のための主題を準備します。 </li><li>実験、例えば、視覚的な表示システムのための余分な機器をセットアップします。我々は、視覚的なディスプレイのステレオ表示、仮想環境を提示するときに特に便利です機能を提供するNordicNeuroラボ、（株）ビジョンシステムを使用してください。 </li><li>被写体がテーブルの上に横になると、ヘッドのコイルが位置された後、手のネジを緩め、被験者が快適に移動できるようになるまでテーブルの上をスライドさせて、ロボットの距離を調整する。 </li><li> fMRIの表は、ウォブリングからキャスターを防ぐために、ボアのうちに動いている間にロボットの端に保持することによって手動でテーブルをご案内。エンドエフェクタは、穴に入ると外でキャッチしていないことを確認してください。 </li><li>実験を実行します。 </li></ol> 5。二人とBとのセットアップを打破する<ol><li>患者が終了した後、長いハンドルの外側の端を削除し、ベルクロストラップを元に戻すことによってfMRIのテーブルからロボットのテーブルを切り離します。 </li><li>ロボットから、シールドパラレルケーブルを元に戻すと電源ケーブルを抜いてください。 </li><li>人とロボットのテーブルとロボットの終了を導く人物Bの自由端を持って、ドアにテーブルを移動する。玄関で、テザーを取り消し、そしてホールにロボットのテーブルをロールアウト。 </li><li>すべてのシールドボックスからネジと安全性のプレートから2本のネジを元に戻すとロボットを取り外します。 </li></ol> 6。代表的な結果： 理想的には、触覚ロボットとfMRIはお互いに影響を与えないはずです。ロボットは、fMRIによる影響を受けている場合我々はオンラインで伝えることができます。ロボットのパラレルケーブルが適切に遮蔽され、フィルタリングされていない場合は一般的に、、その後、モーターの読み出しは、発振される後半急速に。これは、鉄のコアが適切にロボットの近くにパラレルケーブル上に配置されていること、二重ケーブルのシールドアルミをチェックすることで固定し、ロボットにのみフィルタすることは、パススルーのスキャナの部屋側のカスタムフィルタですできます。 fMRIの中のエラーを検出すると、データが減少して分析された後に実際には可能ですが、解剖学的スキャンは、初期の研究で採取し、相関ノイズ（例えばスパイクノイズ）7の示すジッパーの効果や他のアーティファクトをチェックする必要があります。頻繁に、このようなノイズは、金属の接点に金属から来ていると、特にロボットのテーブルのすべてのネジ、テーブルの側の手の調整ネジを締めてクリーンアップすることができます。我々のテストから雑音比にベースラインのfMRIの信号（SNR）〜380と完全にはまだ合理的〜330まで下がる部屋にシールドロボットとなります。シールドはロボット上の場所にない場合は、〜250、およびノイズの影響をさらにSNRの低下は非常に重要になります。 4に示すように、ハンドルの中心にある自由のジョイントの3度はロボットから離れてシフトすることを除き、ロボット/ハンド相互作用の動力学にほとんど影響を与えません。ハンドルの中央のジョイントが支点のように動作し、向きは2（左右、上下）が、サードではない（将来のバック）で明らかに動きが逆になります。ファントムと手が途中でその支点とハンドルのようなレバーの反対側の端にあるので、利益は3つのユークリッド方向のそれぞれにソフトウェアで適用されます。スイベルジョイントと正のゲインで制御される二つの方向に負の利益スライダージョイントの方向です。ハンドルとスイベルの正味の効果は、ファントムのロボットの自由度、車でわずか9'の完全な3度を再現。 <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="図1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図1"> 図1 fMRIの環境で使用するための触覚ロボットをマウントするために使用される装置。トップへ前の筐体（左、上）とハンドルの中間点（右、上）での共同ジンバル/スライダーのケースに実装されている触覚ロボットを示しています。左下には、ハンドルを操作するスキャナの主題を示しています。底には、右のシールドと終了エフェクタの漫画です。 <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="図2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="図2"> 動きと完全にシールドされたロボットのためのBIRN試験の2の結果図 。十字架と3つの画像は、球状の頭部モデルのセクションを示し、そして右下には、3次元のビューを示しています。小さな丸は、静的な頭部モデルにおける気泡であり、常に存在している。大きなストライプやジッパーの欠如は、ロボットからのノイズが相関していることを示します。

<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>
<li>Lipton, M. L., Lipton, M. L. Artifacts: When things go wrong, it's not necessarily all bad. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLipton%2C+ML+%22Totally+Accessible+MRI%22">Totally Accessible MRI</a>. , Springer. New York. 139-153 (2008).</li>
<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>

利害の衝突は宣言されません。

fMRIの互換性のあるロボットは、モータ制御の神経科学の実験のための新たな可能性を開きます。セットアップで最も重要なステップは、我々は二つのステップで行う機能的MRI、内のアーティファクトを防ぐために、ロボットのシールドです。最初に、ロボット自体が長く、軽量、自由関節の3度と、その途中でサポートされているハンドルを持つボアから離れて約9&#39;です。第二に、ロボットがプラスチックの円錐形（13&quot;ベースの直径、6&quot;トップ直径× 42&quot;長い）〜100dBをブロックするように計算されたアルミ箔シールドと導波管と1 / 16&quot;-1 / 4&quot;アルミボックスに包み込まれているfMRIの関連する周波数帯域のノイズが、&gt; 100 MHzで。将来的には、銅シールドが円錐上にアルミ箔を置き換えるために使用することができるが、それは現在のような大幅なコストと軽量化にある十分に行い、また、促進する機器の範囲を拡大し、我々は現在のシステムとの同時EEG / fMRIを組み込むことを計画。 実験的なセットアップに関連付けられている主要な安全性について...

<table border="1"><tbody><tr><td>ファントムプレミアム1.5/6dof、高い力のモデル</td><td> Sensable </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

3tのfmriの中の触覚ロボットの適応

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

機能的磁気共鳴画像（fMRI）は非電離放射線、解剖学的および機能的なデータのミリ空間精度2、ほぼリアルタイムの分析3を含む利点とBOLD信号1を介して、優れた脳機能イメージングを提供します。ハプティックロボットは、合理的に限定されたスペース内でカーソルの位置と力の精密計測と制御を提供しています。ここでは、触覚/などに到達するか、または把握のような触覚環境の相互作用によるモータ制御に関わる精密実験を可能にするためにこれら二つの技術を組み合わせる。基本的な考え方は図1（被験者がロボットを使用できるようにロボットは4〜中央でサポートされている8フィートのエンドエフェクタを添付することですが、それを遮蔽し、fMRIのマシンからの磁界の最も極端な部分から、それを締め出す）。 ファントムプレミアム3.0、6自由度、高フォースロボットは（SensAble Technologies社）バーチャルリアリティの実験5,6で、フォースフィードバックを提供するための優れた選択肢ですが、それは本質的に非MR安全です、敏感に大きなノイズを紹介します機能的MRI装置、およびその電気モーターが強く磁場を変化させてfMRIによる影響を受ける可能性があります。我々は、ロボットが安全に機能的MRI環境に導入することを可能にするとの大きく変化する磁場によって電気的ノイズの多いモーターによるfMRI信号の劣化と電気モーターの性能の劣化の両方を制限するテーブルとシールドシステムを構築しています機能的MRI。シールドと、信号対雑音比（SNR：平均シグナル/ノイズの標準偏差）fMRIのは、〜380のベースラインから〜330、およびシールドなし〜250になります。残りのノイズが無相関であるために表示され、試験球の機能的MRI（図2）にアイテムを追加していません。ロボットの機能的MRIの有意な効果がないので、長く、硬いハンドルが磁場の中で最も大きく変化する部​​分の範囲外のロボットの配置を可能に。ロボットの運動学上のハンドルの効果は、それが軽量であるため、最小限のです（〜2.6ポンド）が非常に堅い3 / 4&quot;グラファイトと真ん中に3自由度関節の上にバランスよく。と最終結果は、fMRIの互換性、触覚システムです。作業スペースの約1立方フィート、そして、バーチャルリアリティと組み合わせると、それは様々な力の場での適応学習、手足や触覚知覚の自然な遠大な、受動的な変位を含むfMRIの環境で実行される実験の新しいセットが可能、またはテクスチャ識別5,6。

3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応と使用が記載されている。

3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）は、BOLD信号を介して優れた機能的脳画像を提供し、非電離放射線であることなどの利点があります...

このビデオでは、最終的に人間の運動タスク中の脳活動を評価することを目的に、fMRI撮像中にファントムハプティックロボットを使用する方法を実演します。被験者がロボットアームを操作すると、アームの位置と被験者が加えた力を精密に測定できます。ハプティックロボットによる操作と併せてfMRIを記録するためには、過度な電気的ノイズを導入してロボットがfMRIの出力に干渉することを避け、また MRI の磁場によるロボットへの損傷を回避することが重要です。これを実現するため、まずロボットをアルミニウム製の遮蔽ボックスに封入します。さらに、遮蔽したロボットを、実験中に被験者が使用する8フィートのエフェクタハンドルに取り付けます。この遮蔽と8フィートのハンドルにより、ファントムロボットをMRスキャナーで使用する際の、妨害となる電気的および磁気的な電場・磁場を最小限に抑えることができます。被験者がMRIに入り、8フィートのハンドルを介してファントムロボットのエフェクタアームを操作することで、自然なリーチング、肢の受動的変位、触覚知覚の適応、さまざまな力場における学習、およびテクスチャの識別に関するバーチャルリアリティ実験を行うことができます。最終的に、このセットアップを用いることで、機能的MRIによる記録とロボットデータのキネマティック解析を通じて、脳活動と運動およびプランニングを相関させることが可能です。圧縮空気や水を用いた既存の手法と比較したこの技術の主な利点は、感覚運動相互作用において、ハプティックロボットが複雑な動的物体に対してもミリ秒単位のレイテンシで反応することにあります。この手法は、運動の神経制御に関する研究における重要な疑問への回答に役立ちます。例えば、仮想物体との触覚的相互作用の間に活性化する脳領域などが挙げられます。まず、アルミニウム遮蔽ボックスを載せた転がし台をMRIスキャナーのドアの外に配置します。テーブルの自由端を支持し、ロングハンドルエフェクターの外側端を取り外して、ロボットの電源がオフになっていることを確認してください。次に、ロボットをテーブルソケットに設置し、2本のネジでアルミニウム製安全プレートをロボットの上に固定します。続いて、エンドエフェクターをロボットハンドルに取り付け、自由に動作することを確認します。次に、アルミニウム遮蔽付きの10 footパラレルケーブルをロボットに取り付け、遮蔽が適切になされているか確認します。必要に応じてアルミ箔を追加してください。ロボットにアルミニウム遮蔽ボックスを被せます。その際、パラレルケーブルと電源ケーブルを背面の溝に慎重に配置してください。遮蔽ボックスを慎重にねじ込みます。遮蔽ボックスのケーブル溝にアルミ箔を詰め、箔がパラレルケーブルの遮蔽部分に確実に接触するようにしてください。すべての金属物体およびMR

adaptation-of-a-haptic-robot-in-a-3t-fmri

Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

この資料では、3Tのスキャナを用いたヒト脳および皮質下構造で1.2mmのサンプリングで高解像度の機能的磁気共鳴イメージングを実行するテクニックについて説明します。例として、与えられた人間の上丘（SC）における視覚刺激の地形図を解決するためにこれらの技術の使用。...

人間の中脳の高解像度機能的磁気共鳴画像法

聴覚処理は、音声や音楽関連の処理の基礎となっています。経頭蓋磁気刺激（TMS）を認知、感覚と運動のシステムを研究するために正常に使用されているが、まれにオーディションを受けるために適用されていません。ここでは、聴覚皮質の機能的な組織を理解することは機能的磁気共鳴画像法と組み合わせるTMSを検討した。...

機能イメージングによるヒト聴覚皮質上のシータバースト刺激の後遺症のマッピング

このプロトコルは、齧歯類における同時機能的磁気共鳴画像法及び深部脳刺激のための標準的な方法を記載している。これらの実験のツールを併用することは事実上すべての脳のターゲットに電気的刺激に反応して世界的な下流の活動の探査が可能になります。...

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

直立運動課題中の脳活動を監視することは、運動障害の神経源を調査する際に大きな価値があります。ここでは、機能的な近赤外分光法と、4種類の運動課題における筋肉および運動学的活動の継続的なモニタリングを組み合わせたプロトコルを実演します。...

運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

小説を提案する行動を組み合わせるし、ニューロ イメージング...

幻肢痛に対する鏡治療に関連付けられている関連する神経基盤の特性のため、MRI でリアルタイム映像投影

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。...

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

この記事では、経頭蓋磁気刺激を用いて機能的に特異的な神経経路を測定し、強化するための新しいアプローチについて説明します。これらの高度な非侵襲的な脳刺激方法論は、脳と行動の関係を理解し、脳障害を治療するための新しい治療法の開発のための新しい機会を提供することができます。...

経頭蓋磁気刺激によるヒト運動系における機能的特異的神経経路の測定と操作

慢性脳卒中患者の保険付きリハビリテーションは、一般的に期間限定です。歩行関連の運動課題による脳活動の画像診断に基づく研究は、改善された結果を測定し、オーダーメイドの治療の延長を正当化するためのバイオマーカーの確立につながる可能性があります。新しい磁気共鳴対応の可変抵抗フットモーションデバイスと、機能的磁気共鳴画像法中に使用するためのプロトコルが提示されます。...

足部麻痺患者の機能的磁気共鳴画像評価のための足誘導デジタル制御抵抗デバイスの使用

世界では、6人に1人が一生のうちに脳卒中を発症し、長期的な障害を引き起こすと推定されていますが、そのリハビリテーションメカニズムはまだよくわかっていません。この研究では、機能的近赤外分光法(fNIRS)による脳の活性化を評価するためのプロトコルを提案します...

機能的近赤外分光法とロボット支援下肢の多関節指差し運動を用いた実験

ここでは、nTMSと拡散テンソルイメージング(DTI)に基づく皮質脊髄路(CST)再建を組み合わせた運動マッピングの標準化プロトコルを説明します。このプロトコルは再現性が高く、臨床的に実現可能であり、日常的な臨床ワークフローに容易に統合できるため、運動経路評価、神経可塑性研究、リハビリテーション計画のための堅牢で価値ある枠組みを提供します。...

ナビゲーション経頭蓋磁気刺激を用いた機能的運動マッピングの標準化プロトコル

学ぶ3T fMRI環境における触覚ロボットの適応方法。アルミニウムシールドボックスと長尺エフェクターハンドルを用いて電気ノイズと磁気干渉を最小化し、ヒトの運動課題中の脳活動を正確に評価する技術を解説します。

3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応

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