$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
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 (Rysunek 1). Urządzenie zostało zaprojektowane w celu zapewnienia wiarygodnej oceny obrazów aktywacji mózgu podczas fMRI (funkcjonalnego rezonansu magnetycznego), które można wykorzystać do oceny zależnych od poziomu tlenu we krwi (BOLD) zmian w odpowiedziach mózgu pacjentów powracających do zdrowia po zaburzeniach neurologicznych. Kompatybilność MR osiągnięto dzięki zastosowaniu całkowicie nieżelaznych/niemagnetycznych komponentów konstrukcji oraz pneumatycznych elementów siłowników i ekranowanych elementów czujnika/elektroniki, które są umieszczone na łożu skanera. Rysunek 2 pokazuje urządzenie przymocowane do łóżka skanera MR, z obiektem w otworze magnesu chwytającym uchwyt MR_CHIROD v3 (Rysunek 3). Komponenty interfejsu i sterowania są umieszczone na zewnątrz pomieszczenia skanera MR (Rysunek 4).
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.