Adaptacja robota haptycznego do obrazowania fMRI 3T

Podsumowanie

Opisano adaptację i zastosowanie robota haptycznego w systemie fMRI 3T.

Streszczenie

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) zapewnia doskonałe obrazowanie funkcjonalne mózgu za pomocą sygnału BOLD ¹, a jego zalety obejmują brak promieniowania jonizującego, milimetrową dokładność przestrzenną danych anatomicznych i funkcjonalnych ² oraz analizy w czasie niemal rzeczywistym ³. Roboty haptyczne umożliwiają precyzyjny pomiar i kontrolę pozycji oraz siły kursora w stosunkowo ograniczonej przestrzeni. W niniejszym materiale łączymy te dwie technologie, aby umożliwić przeprowadzanie precyzyjnych eksperymentów dotyczących kontroli motorycznej z interakcją w środowisku haptycznym/dotykowym, takich jak sięganie lub chwytanie. Podstawowy pomysł polega na przymocowaniu do robota efektora końcowego o długości 8 stóp, podpartego w centrum ⁴, co pozwala badanej osobie na korzystanie z robota, jednocześnie osłaniając go i utrzymując poza obszarem najsilniejszego pola magnetycznego wytwarzanego przez aparat fMRI (Rysunek 1).

Robot Phantom Premium 3.0, 6DoF, o wysokiej sile (SensAble Technologies, Inc.) jest doskonałym wyborem do zapewnienia sprzężenia zwrotnego siły w eksperymentach z rzeczywistością wirtualną ^{5, 6}, jednak z natury nie jest bezpieczny w środowisku MR, wprowadza znaczne zakłócenia do czułego sprzętu fMRI, a jego silniki elektryczne mogą być podatne na wpływ silnie zmiennego pola magnetycznego fMRI. Skonstruowaliśmy stół oraz system ekranowania, który pozwala na bezpieczne wprowadzenie robota do środowiska fMRI i ogranicza zarówno degradację sygnału fMRI przez generujące szumy silniki elektryczne, jak i pogorszenie wydajności silników elektrycznych przez silnie zmienne pole magnetyczne fMRI. Dzięki ekranowaniu stosunek sygnału do szumu (SNR: średni sygnał/odchylenie standardowe szumu) w fMRI zmienia się z poziomu bazowego ˜380 do ˜330, i do ˜250 bez ekranowania. Pozostały szum wydaje się być nieskorelowany i nie wprowadza artefaktów do obrazu fMRI sfery testowej (Rysunek 2). Długi, sztywny uchwyt pozwala na umieszczenie robota poza zasięgiem obszarów o najsilniejszych zmianach pola magnetycznego, dzięki czemu fMRI nie wywiera znaczącego wpływu na robota. Wpływ uchwytu na kinematykę robota jest minimalny, ponieważ jest on lekki (˜2.6 lbs), wykonany z niezwykle sztywnego grafitu 3/4" i dobrze wyważony na przegubie 3DoF w środkowej części. Wynikiem końcowym jest kompatybilny z fMRI system haptyczny o przestrzeni roboczej około 1 stopy sześciennej, który w połączeniu z rzeczywistością wirtualną pozwala na przeprowadzenie nowego zestawu eksperymentów w środowisku fMRI, w tym naturalnych ruchów sięgania, pasywnego przemieszczania kończyny i percepcji haptycznej, uczenia się adaptacyjnego w zmiennych polach sił lub identyfikacji tekstury ^{5, 6}.

Protokół

1. Na zewnątrz pomieszczenia ze skanerem

1. Ustaw stół toczny tak, aby jego wolny koniec był podparty, a zewnętrzny koniec długiej rączki odłączony.
2. Upewnij się, że robot jest wyłączony.
3. Umieść robota w gnieździe stołu i zamocuj aluminiową płytkę zabezpieczającą nad robotem za pomocą 2 śrub.
4. Zamocuj efektor końcowy do rączki robota za pomocą aluminiowego adaptera i sprawdź, czy porusza się on swobodnie.
5. Podłącz do robota 10-stopowy kabel równoległy z ekranowaniem aluminiowym i sprawdź, czy ekranowanie jest nienaruszone. W razie potrzeby dodaj dodatkową folię.
6. Nałóż aluminiową skrzynkę ekranującą na robota, uważając, aby umieścić kable równoległe i zasilające w rowku z tyłu.
7. Ostrożnie przykręć skrzynkę ekranującą.
8. Wypełnij folią aluminiową rowek kablowy w skrzynce ekranującej i upewnij się, że folia styka się z ekranem kabla równoległego.

2. Wejście do pomieszczenia z skanerem przez dwie osoby, A i B

1. Przygotuj się do wejścia w obszar silnego pola magnetycznego, usuwając wszelkie przedmioty metalowe, w tym nieferromagnetyczne, np. telefony komórkowe, klucze, monety itp...
2. Podczas gdy osoba A trzyma wolny koniec stołu z robotem, a osoba B stabilizuje koniec z obudową, przetocz go wolnym końcem do przodu, aż robot znajdzie się w progu drzwi pomieszczenia.
3. Osoba B przypina linę zabezpieczającą do otworu kotwiczącego z tyłu obudowy ekranującej i sprawdza, czy drugi koniec jest mocno przymocowany do kotwicy ściennej.
4. Wspólnie wtocz stół do pomieszczenia i przymocuj go za pomocą rzepów do podstawy stołu fMRI. Koniec stołu z robotem musi znajdować się jak najdalej od skanera.
5. Podłącz kabel równoległy robota do specjalistycznego filtra w przejściu do sterowni i podłącz robota do zasilania. Folia ekranująca kabla równoległego powinna stykać się z filtrem.
6. Zamocuj zewnętrzną część długiego uchwytu (efektor końcowy) i upewnij się, że bez przeszkód wejdzie on do otworu gantry fMRI.

3. W pokoju sterowania

1. Uruchom komputer sterujący i podłącz 6-stopowy kabel równoległy do robota. Upewnij się, że usunięto wszelkie dodatkowe filtry, które mogą znajdować się w wewnętrznej części przejścia.
2. Zweryfikuj, czy silniki robota są wyłączone, uruchom procedurę kalibracji Phantom i sprawdź, czy odczyty pozycji silników z procedury kalibracyjnej robota są stabilne.
3. W przypadku, gdy procedura kalibracji nie wykrywa robota lub występują duże wahania odczytów silników, ponownie sprawdź połączenie kabla równoległego oraz upewnij się, że zamontowany jest tylko duży niestandardowy filtr.
4. Włącz robota, otwierając port z tyłu obudowy ekranującej, i naciśnij przełączniki za pomocą patyczka.
5. Zrestartuj procedurę kalibracji, ustawiając efektor końcowy w przybliżeniu w centrum końca stożkowego falowodu. Przejdź przez kolejne etapy kalibracji i sprawdź, czy kalibracja pola roboczego wykazuje odpowiednią interakcję haptyczną.
6. Podłącz wyjście TTL z fMRI (złącze BNC) do przetwornika Labjack ADC w komputerze sterującym.

4. Badany

1. Przygotować badanego do środowiska o wysokim polu magnetycznym zgodnie ze standardowymi protokołami fMRI.
2. Przygotować dodatkowy sprzęt niezbędny do eksperymentu, np. system wyświetlania obrazu. Stosujemy system Vision System firmy NordicNeuro Lab, Inc., który zapewnia stereoskopowy podgląd wyświetlaczy, co jest szczególnie przydatne podczas prezentowania środowisk wirtualnych.
3. Po położeniu badanego na stole i umieszczeniu cewki głowowej, dostosować położenie robota poprzez poluzowanie śrub ręcznych i przesunięcie górnej części stołu tak, aby badany mógł swobodnie się poruszać.
4. Ręcznie prowadzić stół, trzymając za koniec robota podczas wsuwania i wysuwania stołu fMRI z otworu gantry, aby zapobiec chwianiu się kółek. Upewnić się, że efektor końcowy wchodzi do otworu i nie zahacza o elementy zewnętrzne.
5. Przeprowadzić eksperyment.

5. Demontaż aparatury przez dwie osoby A i B

1. Po wyjściu pacjenta należy zdjąć zewnętrzny koniec długiego uchwytu i odłączyć stół robota od stołu fMRI, odpinając rzep.
2. Należy odpiąć ekranowany kabel równoległy od robota i odłączyć kabel zasilający.
3. Przy udziale osoby A trzymającej wolny koniec stołu robota i osoby B prowadzącej koniec robota, należy przetransportować stół do drzwi. Przy drzwiach należy odpiąć wiązanie i wyjechać stołem robota na korytarz.
4. Należy wykręcić wszystkie śruby z obudowy ekranującej oraz dwie śruby z płyty zabezpieczającej i wyjąć robota.

6. Reprezentatywne wyniki:

W idealnym przypadku robot haptyczny i fMRI nie powinny na siebie wpływać. Możemy na bieżąco stwierdzić, czy robot jest oddziaływany przez fMRI. Zazwyczaj, jeśli równoległy kabel robota nie jest odpowiednio ekranowany i filtrowany, odczyty z silników będą gwałtownie oscylować. Można to naprawić, ponownie sprawdzając ekranowanie aluminiowe kabla, upewniając się, że rdzeń ferrytowy jest prawidłowo umieszczony na kablu równoległym w pobliżu robota oraz że jedynym filtrem dla robota jest niestandardowy filtr po stronie pomieszczenia ze skanerem przy przejściu. Wykrycie błędów w fMRI jest możliwe w rzeczywistości dopiero po zredukowaniu i przeanalizowaniu danych, jednak na początku badania należy wykonać skan anatomiczny i sprawdzić go pod kątem efektów „zamka błyskawicznego” (zipper effects) lub innych artefaktów wskazujących na szum skorelowany (np. szum impulsowy) ⁷. Często taki szum wynika z kontaktu metalu z metalem i można go wyeliminować poprzez dokręcenie wszystkich śrub w stole robota, zwłaszcza śrub regulacji ręcznej po bokach stołu. Z naszych testów wynika, że bazowy stosunek sygnału do szumu (SNR) dla fMRI wynosi ˜380, a przy całkowicie ekranowanym robocie w pomieszczeniu spada on do wciąż akceptowalnego poziomu ˜330. Jeśli robot nie jest ekranowany, SNR spada dalej do ˜250, a efekty szumów stają się bardzo znaczące.

Jak pokazano w ⁴, przegub o 3 stopniach swobody znajdujący się w centrum uchwytu ma niewielki wpływ na dynamikę interakcji robota z dłonią, poza przesunięciem jej z dala od robota. Przegub w centrum uchwytu działa jak punkt podparcia i odwraca pozorny ruch w dwóch kierunkach (lewo-prawo oraz góra-dół), ale nie w trzecim (przód-tył). Ponieważ urządzenie Phantom i dłoń znajdują się na przeciwległych końcach uchwytu przypominającego dźwignię z punktem podparcia w środku, w oprogramowaniu stosuje się wzmocnienia w każdym z trzech kierunków euklidesowych: ujemne wzmocnienia w dwóch kierunkach sterowanych przez przegub obrotowy oraz dodatnie wzmocnienie w kierunku przegubu przesuwnego. Sumaryczny efekt uchwytu i przegubu obrotowego odtwarza pełne 3 stopnie swobody robota Phantom, w odległości 9' od niego.

Rysunek 1 Aparatura użyta do montażu robota haptycznego do zastosowania w środowisku fMRI. Na górze przedstawiono robota haptycznego zamontowanego w obudowie przed jej zamknięciem (góra, lewo) oraz przegub gimbal/suwak w połowie uchwytu (góra, prawo). Na dole po lewej widać badanego w skanerze manipulującego uchwytem. Na dole po prawej znajduje się schemat ekranowania i efektora końcowego.

Rysunek 2 Wyniki testu BIRN dla w pełni ekranowanego robota w ruchu. Trzy obrazy z krzyżykami przedstawiają przekroje sferycznego modelu głowy, a prawy dolny obraz przedstawia widok trójwymiarowy. Małe kropki to pęcherzyki w statycznym modelu głowy, które są obecne zawsze. Brak dużych pasów lub wzorów przypominających zamek błyskawiczny wskazuje, że szum generowany przez robota jest nieskorelowany.

Dyskusja

Robot kompatybilny z fMRI otwiera nowe możliwości prowadzenia eksperymentów w zakresie neuronauki kontroli motorycznej. Najbardziej krytycznym etapem konfiguracji jest ekranowanie robota w celu zapobiegania artefaktom w fMRI, co realizujemy w dwóch krokach. Po pierwsze, sam robot znajduje się w odległości około 9' od otworu gantry, a jego długi, lekki uchwyt jest podparty w środku przegubem o 3 stopniach swobody. Po drugie, robot jest zamknięty w aluminiowej obudowie o grubości 1/16"-1/4" z plastikowym stożkowy...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Phantom premium 1.5/6dof, model o wysokiej sile nacisku	SensAble, Geomagic