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
pl_PL
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Przeprowadziliśmy funkcjonalny rezonans magnetyczny za pomocą nowatorskiego urządzenia robotycznego kompatybilnego z rezonansem magnetycznym, aby ocenić jego przydatność do monitorowania funkcji motorycznych ręki u osób powracających do zdrowia po deficytach neurologicznych.
Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) to nieinwazyjna technika obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, która obrazuje aktywację mózgu in vivo, używając endogennej deoksyhemoglobiny jako endogennego środka kontrastowego do wykrywania zmian w natlenieniu zależnym od poziomu krwi (efekt BOLD). Połączyliśmy fMRI z nowatorskim urządzeniem robotycznym (MR-compatible hand-induced robotic device [MR_CHIROD]), dzięki czemu osoba w skanerze może wykonywać kontrolowane zadanie motoryczne, ściskanie dłoni, które jest bardzo ważnym ruchem ręki do zbadania w neurologicznych chorobach motorycznych. Zastosowaliśmy obrazowanie równoległe (uogólnione auto-kalibrowanie częściowo równoległych akwizycji [GRAPPA]), które pozwoliło na uzyskanie wyższej rozdzielczości przestrzennej, co przełożyło się na zwiększoną czułość na BOLD. Połączenie fMRI z ręcznym urządzeniem robotycznym pozwoliło na precyzyjną kontrolę i monitorowanie zadania, które zostało wykonane, gdy uczestnik znajdował się w skanerze; Może to okazać się przydatne w rehabilitacji funkcji motorycznych ręki u pacjentów po przebytych deficytach neurologicznych (np. po udarze mózgu). Poniżej przedstawiamy protokół korzystania z obecnego prototypu MR_CHIROD podczas skanowania fMRI.
Odpowiednie wskaźniki obrazowania mogą monitorować i przewidywać prawdopodobieństwo sukcesu terapii u osób lepiej niż oceny kliniczne oraz dostarczać informacji do poprawy i indywidualizacji planowania terapii. Mamy doświadczenie w pracy z pacjentami powracającymi do zdrowia po przewlekłym udarze mózgu1,2,3,4,5,6,7,8. Opracowanie optymalnych, zindywidualizowanych strategii, które koncentrują się na tym, jak trening motoryczny może wpływać na stopniową poprawę w zakresie reorganizacji aktywności neuronalnej i/lub funkcji motorycznych, jest nadal wyzwaniem. Wgląd w podstawowe procesy przebudowy strukturalnej i reorganizacji w celu odzyskania funkcjonalności w mózgu po chorobie neurologicznej może pozwolić nam ocenić związek między rozproszonymi wzorcami topograficznymi aktywności neuronalnej a odzyskiwaniem funkcjonalnym za pomocą funkcjonalnych metod neuroobrazowania i mapowania mózgu. Sukces ułatwi opracowanie spersonalizowanych strategii leczenia zoptymalizowanych pod kątem poprawy siły chwytu w szerokiej populacji ze schorzeniami neurologicznymi w oparciu o wskaźniki obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI)9.
Tutaj prezentujemy protokół, który wykorzystuje nowo przeprojektowane robotyczne urządzenie ręczne, które zapewnia kontrolowaną siłę oporu, przeciwko której podmiot chwyta i zwalnia uchwyt w synchronizacji z oscylującym bodźcem wizualnym. MR_CHIROD v3 (MR-compatible Hand-Induced RObotic Device) to system do prezentacji regulowanych sił, przy których wykonywane są ruchy chwytania i zwalniania, przy jednoczesnym pomiarze i rejestrowaniu przyłożonej siły, przemieszczenia uchwytu i znaczników czasu dla każdego punktu danych (
Urządzenie jest używane jednocześnie z metodami obrazowania mózgu do oceny odpowiednich aktywacji mózgu. Podstawowym zastosowaniem systemu jest zapewnienie zadania motorycznego, które generuje aktywacje obszarów motorycznych mózgu, które są wykrywane za pomocą fMRI. Aktywacja mózgu podczas korzystania z MR_CHIROD podczas obrazowania może ocenić neuroplastyczność w chorobie neurologicznej. Śledząc zmiany aktywacji w trakcie i po treningu motorycznym za pomocą MR_CHIROD, można zaobserwować postęp rehabilitacji ruchowej po każdej chorobie neurologicznej prowadzącej do deficytów motorycznych (np. udarze).
MR_CHIROD v3 może być również zamontowany na stole, do wykorzystania w ćwiczeniach treningowych wewnątrz skanowania, w których podmiot chwyta i puszcza w odpowiedzi na odpowiednie bodźce wizualne przez okres 45 minut, trzy razy w tygodniu podczas badania. Nasze doświadczenia z treningiem prowadzonym przez roboty, monitorowanym za pomocą obrazowania, sugerują, że na przykład okno powrotu do zdrowia dla pacjentów po udarze może nigdy się nie zamknąć1.
Naszym uzasadnieniem dla budowy i używania robota z uchwytem ręcznym kompatybilnego z MR jest to, że regeneracja robotów ma potencjał, aby wywrzeć duży wpływ na upośledzenie ze względu na jego łatwe wdrożenie, możliwość zastosowania w różnych upośledzeniach motorycznych, wysoką niezawodność pomiarów i zdolność do dostarczania protokołów treningowych o wysokiej intensywności10. Nasz robot kompatybilny z rezonansem magnetycznym może: (a) być ustawiony na zakresy ruchu specyficzne dla obiektu i być programowo dostosowany do stosowania poziomów siły specyficznych dla obiektu; b) kontrolować, mierzyć i rejestrować parametry siły i przemieszczenia za pomocą komputera głównego; c) zdalnie regulować parametry sterowania bez konieczności przerywania skanowania w celu uzyskania dostępu do pomieszczenia skanera MR lub zmiany pozycji obiektu; oraz (d) prowadzić terapię poprzez ćwiczenia treningowe precyzyjnie i konsekwentnie przez dłuższy czas.
Wiemy o braku dostępnego na rynku robota do odzyskiwania, który mógłby być używany ze skanerem MR do pomiaru siły i przemieszczenia dłoni osoby badanej, przy jednoczesnym zastosowaniu sterowanej komputerowo siły zmieniającej czas. Tsekos et al.11 dokonali przeglądu różnych głównie opartych na badaniach, kompatybilnych z MR urządzeń robotycznych i rehabilitacyjnych, w tym wcześniejszych iteracji urządzeń z serii MR_CHIROD. Inne urządzenia zostały zaprojektowane do badania ruchów nadgarstka, ruchów palców, izometrycznej siły chwytu i ruchów wielostawowych. W przypadku urządzeń, które aktywnie działają na siły oporowe lub inne, zastosowano różne technologie kompatybilne z MR, w tym hydraulikę, pneumatykę, połączenia mechaniczne i elektroreologiczne tłumiki płynów. Niektóre urządzenia zawierają wiele stopni swobody, w tym inne rozszerzenie wcześniejszych wersji MR_CHIROD dodało obrotowy stopień swobody i przyłożenie siły hydraulicznej, jednak nie było to dostosowane do kompatybilności MR12.
Nasze urządzenie do chwytania dłoni ma zalety przenośności (jest regularnie transportowane między obiektem MR a miejscami szkoleniowymi w biurze) oraz zdolność do wytwarzania dużych, sterowanych komputerowo, zmieniających się w czasie sił oporu. Obecne zastosowanie technologii pneumatycznej w MR_CHIROD pozwala uniknąć konieczności stosowania źródeł wysokiego napięcia niezbędnych w układach elektroreologicznych opartych na płynach, możliwości wycieku płynu hydraulicznego oraz skomplikowanych/połączeń łączących mechanizm interfejsu z zewnętrznymi komponentami zasilającymi i sterującymi.
MR_CHIROD było pierwszym urządzeniem, które zostało zademonstrowane do działania w połączeniu z fMRI do mapowania mózgu u pacjentów po udarze1. Co ważne, MR_CHIROD v3 jest szczególnie przydatny do szkoleń w domu lub biurze, ponieważ system i jego oprogramowanie zostały zaprojektowane do użytku bez eksperckiego wsparcia klinicznego i z elementami motywacyjnymi ("grywalizacja"). W porównaniu ze szkoleniem prowadzonym przez fizjoterapeutę w szpitalu, szkolenie w biurze lub w domu jest tańsze i wygodniejsze, co ułatwia pacjentom przestrzeganie codziennej terapii. Urządzenie, które już teraz jest stosunkowo niedrogie w porównaniu z niektórymi innymi urządzeniami opartymi na badaniach, może zostać przeprojektowane w celu poprawy stosunku kosztów do korzyści. Wirtualna rzeczywistość i grywalizacja treningu, które są kompatybilne z MR_CHIROD v3, mogą angażować pacjentów, zwiększać ich uwagę podczas zadania i poprawiać motywację, zwiększając w ten sposób skuteczność recovery13.
Wszystkie eksperymenty zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board w Massachusetts General Hospital i przeprowadzone zgodnie z zatwierdzeniem w Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.
1. Przygotowanie do przedmiotu
UWAGA: Kryteria włączenia to: (i) dominacja prawej ręki, (ii) zdolność do wyrażenia pisemnej świadomej zgody. Wykluczenie zostało wdrożone na podstawie badań przesiewowych pod kątem przeciwwskazań w środowisku rezonansu magnetycznego, takich jak: (a) kryteria rutynowego wykluczenia z MRI, takie jak obecność rozrusznika serca lub klipsa do tętniaka mózgu i metalowych implantów lub zawartość metalu w organizmie; b) historia napadów padaczkowych, c) klaustrofobia; d) ciąża.
2. Konfiguracja
3. Wprowadź dane ochotnika i skalibruj skaner MR
4. Uruchom sesję fMRI
5. Zakończ sesję rezonansu magnetycznego
6. Usunięcie
Metodologia opisana w protokole pozwala na zbieranie obrazów fMRI, podczas gdy ochotnik wykonuje zadanie w czasie rzeczywistym w magnesie. Eksperymenty przeprowadzono w placówce Bay 1 Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, przy użyciu skanera rezonansu magnetycznego całego ciała 3T. Rysunek 2 i Rysunek 3 pokazują umiejscowienie MR_CHIROD na stole i pacjenta w miejscu, w którym go obsługuje. W Rysunek 3, ochotnik znajduje się w otworze skanera z głową umieszczoną w izośrodku magnesu, co jest prawidłową pozycją dla obrazowania mózgu. Rysunek 4 pokazuje schemat komponentów systemu i połączeń, które są ustawiane podczas początkowych faz procesu. Podczas sesji fMRI zbierane są nie tylko obrazy, ale także uzyskuje się w czasie rzeczywistym ślad rzeczywistych ruchów urządzenia podczas obsługi go przez osobę znajdującą się w otworze magnesu. Typowe wyniki są pokazane w Rysunek 5. Zastosowanie kontrolowanego ciśnienia pneumatycznego pozwala na precyzyjne sterowanie stałą siłą reakcji dostarczaną przez MR_CHIROD v3.
Rysunek 5A–C pokazuje typowe obszary aktywacji podczas chwytania/zwalniania urządzenia, wykorzystując wyniki techniki BOLD podczas skanowania fMRI. Czerwone strzałki pokazują aktywację w regionie M1 (pierwszorzędowa kora ruchowa), a zielone obszary pokazują SMA (dodatkowa kora ruchowa). Rysunek 5D pokazuje zmierzone przemieszczenie podczas chwytania/zwalniania, które zostało wykonane przeciwko sile oporu MR_CHIROD. Rysunek 5E pokazuje aktywację w czasie przy pojedynczym wokselu, wybranym z obszaru somatosensorycznego. Odpowiedź odpowiada aktywności podmiotu, podwyższonej aktywacji występującej podczas chwytania/zwalniania i zmniejszonej aktywacji, gdy podmiot odpoczywa.

Rysunek 1: Części urządzenia MR_CHIROD v3. (1) Uchwyt stały; (2) Uchwyt przesuwny; (3) Czujnik siły; (4) Enkoder położenia; (5) Zespół cylinder-tłok szklano-grafitowy; (6) Ekranowany wzmacniacz ogniw obciążnikowych; (7) Szczelina montażowa stołu MR (makieta); (8) Łożyska kulkowe z bieżniami acetylowymi i szklanymi kulkami. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Widok MR_CHIROD v3 bezpiecznie przymocowanego do stołu skanera. Taka konfiguracja pozwala osobie obsługiwać MR_CHIROD bez podtrzymywania jego ciężaru. Urządzenie może być ustawione dla lewej lub prawej ręki. ekranowane są uziemione na panelu przepustowym, rura pneumatyczna wychodzi przez rurę przelotową w panelu przepustowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 3: Widok MR_CHIROD v3 względem pacjenta. Ochotnik odpoczywa z ręką w pozycji w pobliżu uchwytów urządzenia. Ochotnik umieszcza się we właściwej pozycji w izocentrum magnesu w celu obrazowania mózgu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Schemat ideowy MR_CHIROD zestawu do pracy w pomieszczeniu skanera MR. Ekranowane przenoszące sygnały dla danych o położeniu i prędkości oraz dla czujnika siły, a także przewody pneumatyczne przechodzą przez panel przepustowy, który służy jako poziom odniesienia uziemienia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Typowe wyniki wykonywania zadania motorycznego (ściskanie uchwytów MR_CHIROD). Pokazane są (A) aktywacje mózgu fMRI, nałożone jako plamy na kontur mózgu, (B) jako pseudo-kolor na trójwymiarowy przekrój poprzeczny anatomicznego skanu mózgu ochotnika oraz (C) jako pseudo-kolor renderowany na szablonie mózgu. M1 = Pierwotna kora ruchowa. SMA = Dodatkowy obszar silnika. (D) Rzeczywista siła wyjściowa, mierzona w jednostkach siły (Newton, N) w funkcji czasu. Siła wyjściowa jest rzeczywistym zapisem ściskania ochotnika i jest rejestrowana w czasie rzeczywistym przez MR_CHIROD. (E) Pokazany jest przebieg aktywacji w czasie pojedynczym wokselowym, wybrany z woksela w obszarze somatosensorycznym w miejscu krzyża w (B). Czarne paski w (D) i (E) odpowiadają 60-sekundowemu okresowi bodźca/odpoczynku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Żaden z autorów nie ma konfliktu do ujawnienia.
Przeprowadziliśmy funkcjonalny rezonans magnetyczny za pomocą nowatorskiego urządzenia robotycznego kompatybilnego z rezonansem magnetycznym, aby ocenić jego przydatność do monitorowania funkcji motorycznych ręki u osób powracających do zdrowia po deficytach neurologicznych.
Ta praca została wsparta grantem z National Institute of Neurological Disorders and Stroke (numer grantu 1R01NS105875-01A1) z National Institutes of Health dla A. Aria Tzika. Praca ta została wykonana w Centrum Obrazowania Biomedycznego im. Athinouli A. Martinos. Pragniemy podziękować Dyrektorowi Dr. Bruce'owi R. Rosenowi, M.D., Ph.D. oraz członkom personelu Martinos Center za ich wsparcie. Pragniemy również podziękować Panu Christianowi Pusatere i Panu Michaelowi Armaniniemu za ich pomoc w prowadzeniu eksperymentów. Na koniec, Dziękujemy dr Michaelowi A. Moskowitzowi i dr Rosenowi za ich wskazówki w zakresie koncepcji i rozwoju serii urządzeń MR_CHIROD oraz związanych z nimi badań nad udarem mózgu.
| Łożyska kulkowe, plastikowe ze szklanymi kulkami (8) | McMaster-Carr | 6455K97 | |
| Dwukierunkowy konwerter poziomów logicznych | Adafruit | 395 | |
| Podwójny LS7366R Enkoder Kwadraturowy Bufor | SuperDroid Robots | TE-183-002 | |
| Feather M0 WiFi z ATWINC1500 | Adafruit Adafruit 3010 | ||
| Nakrętki kołnierzowe, włókno szklane, 3/8"-16 (8) | McMaster-Carr | 98945A041 | |
| Pręt garolitowy, ¾ ” średnica, 4' długi | Laptop McMaster-Carr | 8467K84 | |
| Różne | Dowolna laptop z portem USB2.0 i ogniwem | ||
| obciążnikowym MATLAB (20 kg) | Robotshop | RB-PHI-119 | |
| Wzmacniacz ogniw obciążnikowych - HX711 | Mouser | 474-SEN-13879 | |
| MATLAB | MathWorks | 2008 wersja lub nowsza z Psychophysics Toolbox | |
| Rezonans magnetyczny skaner obrazowania | Skaner całego ciałaSiemens | Skyra | 3T 3T z funkcjami BOLD i GRAPPA |
| MR_CHIRODv3 | Wykonane we własnym zakresie | Tworzywo sztuczne i struktura drukowana w 3D | |
| Płytka rozwojowa wzmacniacza operacyjnego | Schmartboard | 710-0011-01 | |
| Zasilacz panelowy | Delta | PMT-D2V100W1AA | |
| Plastikowe rurki i złączki rurowe | McMaster-Carr | różne | |
| moduły tłoka / cylindra Pyrex / grafitowy Airpot | 2KS240-3 | ||
| i frac14; "-20, nylonowe | McMaster-Carr | różne | |
| kołnierze wału dla ¾ ” wałek o średnicy, nylon (2) | McMaster-Carr | 9410T6 | Standardowe metalowe zaciskowe zastąpione plastikowymi |
| ekranowane (2) | US Digital | CA-C5-SH-C5-25 | |
| Pręt gwintowany, włókno szklane, 3/8"-16 | McMaster-Carr | 91315A010 | |
| Transmisyjny koder optyczny Pasek kodowy | US Digital | LIN-2000-3.5-0.5 | |
| Transmisyjny optyczny Moduł enkodera | US Digital | EM2-0-2000-I | |
| Łożyska ślizgowe PTFE | McMaster-Carr | 2639T32 |