Ressonância magnética funcional em conjunto com um novo dispositivo robótico induzido à mão compatível com ressonância magnética para avaliar a reabilitação de indivíduos que se recuperam de déficits de aperto de mão

Métricas de imagem apropriadas podem monitorar e prever a probabilidade de sucesso da terapia em indivíduos melhor do que avaliações clínicas e fornecer informações para melhorar e individualizar o planejamento terapêutico. Desenvolvemos experiência com pacientes emrecuperação de AVC crônico^{1,2,3,4,5,6,7.} Desenvolver estratégias individualizadas ideais que se concentram em como o treinamento motor pode influenciar a melhoria incremental na reorganização da atividade neural e/ou na função motora ainda é um desafio. Insights sobre os processos subjacentes de remodelação estrutural e reorganização para recuperação funcional no cérebro após a doença neurológica podem nos permitir avaliar a relação entre padrões topográficos distribuídos de atividade neural e recuperação funcional através de métodos de neuroimagem funcional e mapeamento cerebral. O sucesso facilitará o desenvolvimento de estratégias de tratamento personalizadas otimizadas para produzir melhorias na força de aderência em ampla população com condições neurológicas baseadas em métricas de ressonância magnética (RM)^9.

Aqui apresentamos um protocolo que emprega um dispositivo robótico de mão recém-redesenhado que fornece uma força de resistência controlável contra a qual um sujeito se aperto e libera uma alça em sincronia com um estímulo visual oscilante. O MR_CHIROD v3 (dispositivo robotic induzido à mão compatível com RM) é um sistema de apresentação de forças ajustáveis contra as quais movimentos emocionantes e liberadores são realizados, enquanto medem e registram força aplicada, deslocamento de aderência e carimbos de tempo para cada ponto de dados(Figura 1). O dispositivo foi projetado para fornecer avaliações confiáveis de imagens de ativação cerebral durante a fMRI (ressonância magnética funcional), que pode ser usada para avaliar as alterações dependentes do nível de oxigênio sanguíneo (BOLD) nas respostas cerebrais de pacientes que se recuperam de distúrbios neurológicos. A compatibilidade com MR é alcançada através do uso de componentes totalmente não ferrosos/não magnéticos para os elementos estruturaeatuador pneumático e componentes sensor/eletrônicos blindados que estão posicionados na cama do scanner. Figura 2 mostra o dispositivo ligado a uma cama de scanner MR, e com um assunto no ímã furo segurando a alça do MR_CHIROD v3 (Figura 3). Os componentes de interface e controle estão posicionados fora da sala do scanner de ressonância magnética(Figura 4).

O dispositivo é usado simultaneamente com métodos de imagem cerebral para avaliar as ativações cerebrais relevantes. O uso primário do sistema é fornecer uma tarefa motora que gera ativações das áreas motoras do cérebro, que são detectadas usando fMRI. A ativação cerebral durante o uso do MR_CHIROD durante a imagem pode avaliar a neuroplasticidade na doença neurológica. Ao rastrear mudanças nas ativações no decorrer e após o treinamento motor usando o MR_CHIROD, o progresso da reabilitação motora após qualquer doença neurológica que leve a déficits motores (por exemplo, acidente vascular cerebral) pode ser observado.

O MR_CHIROD v3 também pode ser montado em mesa, para uso em exercícios de treinamento intra-varredura, em que o sujeito apertos e libera em resposta a estímulos visuais adequados para períodos de 45 min, três vezes por semana durante o estudo. Nossa experiência com treinamento em forma robótica, monitorada com imagens, sugere que a janela de recuperação para pacientes com AVC, por exemplo, pode nunca fechar¹.

Nossa justificativa para a construção e utilização de um robô compatível com MR mão-grip é que a recuperação robótica tem o potencial de produzir um grande impacto sobre o prejuízo devido à sua implantação fácil, aplicabilidade em várias deficiências motoras, alta confiabilidade de medição, e capacidade de entregar protocolos de treinamento de alta intensidade¹⁰. Nosso robô compatível com MR pode: (a) ser definido para faixas de movimento específicas do assunto e ser ajustada programaticamente para aplicar níveis de força específicos do assunto; (b) controle, medida e força de registro e parâmetros de deslocamento através de um computador hospedeiro; (c) ajustar remotamente os parâmetros de controle sem exigir interrupção da digitalização para acesso à sala do scanner de rassou o reposicionamento do sujeito; e (d) fornecer terapia através de exercícios de treinamento com precisão e consistente por longos períodos.

Estamos cientes de nenhum dispositivo robótico de recuperação disponível comercialmente que possa ser usado com um scanner de rasspara muspor a força de aderência e deslocamento da mão do sujeito enquanto aplica a força de variação de tempo controlada por computador. Tsekos et al.¹¹ revisaram uma variedade de dispositivos robóticos e de reabilitação baseados principalmente em pesquisa, compatíveis com MR, incluindo iterações anteriores da série de dispositivos MR_CHIROD. Outros dispositivos foram projetados para estudar o movimento do pulso, o movimento do dedo, a força isométrica do aperto, e os movimentos multi-joint. Para dispositivos que fornecem ativamente forças resistivas ou outras, uma variedade de tecnologias compatíveis com RM foram empregadas, incluindo hidráulica, pneumática, ligações mecânicas e amortecedores de fluidoeletrorilógico. Alguns dispositivos incluem vários graus de liberdade, incluindo outra extensão das versões anteriores MR_CHIROD adicionou um grau rotacional de aplicação de liberdade e força hidráulica, no entanto, não foi adaptado para mr-compatibilidade¹².

Nosso dispositivo específico de mão-grip tem as vantagens da portabilidade (é transportado regularmente entre a facilidade do MR e os locais de treinamento escritório-baseados), e a capacidade de produzir forças resistivas grandes, computador-controladas, tempo-variando. O uso atual da tecnologia pneumática no MR_CHIROD evita a necessidade de fontes de alta tensão necessárias para sistemas baseados em fluido eletrorológico, o potencial de vazamento de fluido hidráulico e cabos/ligações complexas ligando o mecanismo de interface com componentes externos de energia e controle.

O MR_CHIROD foi o primeiro dispositivo que foi demonstrado para funcionar em conjunto com fMRI para mapeamento cerebral em pacientes com AVC¹. É importante ressaltar que o MR_CHIROD v3 é particularmente útil para treinamento em casa ou de escritório, já que o sistema e seu software foram projetados para uso sem suporte clínico especializado e com elementos motivacionais ("gamificação"). Em relação ao treinamento facilitado pelo fisioterapeuta em um hospital, o treinamento de escritório ou domiciliar é menos caro e mais conveniente, tornando mais fácil para os pacientes aderirem à terapia diária. O dispositivo, já relativamente barato em relação a alguns dos outros dispositivos baseados em pesquisa, pode ser reprojetado para melhorar a relação custo-benefício. A realidade virtual e a gamificação do treinamento, ambos compatíveis com o MR_CHIROD v3, podem envolver os pacientes, aumentar sua atenção durante a tarefa e melhorar a motivação, aumentando assim a eficácia da recuperação^13.

Todos os experimentos foram aprovados pelo Institutional Review Board do Massachusetts General Hospital e realizados como aprovados no Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.

1. Preparação do assunto

Nota: Os critérios de inclusão são: (i) dominância da mão direita, (ii) capacidade de dar consentimento informado por escrito. A exclusão foi implementada com base no rastreamento de contra-indicadores no ambiente de ressonância magnética, como o seguinte: (a) Critérios rotineiros de exclusão de ressonância magnética, como a presença de um clipe de marca-passo ou aneurisma cerebral e implantes metálicos ou conteúdo metálico no corpo; (b) história de convulsões (c) claustrofobia; (d) gravidez.

1. Para obter o consentimento informado, leia o formulário de consentimento para o voluntário. Tanto o voluntário quanto o investigador assinam nos locais apropriados no formulário de consentimento em duplicado. Deixe uma cópia assinada do formulário de consentimento em um local apropriado para os registros do investigador. Mantenha a segunda cópia do formulário de consentimento para os registros do participante.
2. Selecione o voluntário para ressonância magnética (ressonância magnética) contra-indicações. Preencha a lista de contra-indicações de ressonância magnética e pergunte sobre cada item da lista, verificando as caixas conforme apropriado.
3. Não prossiga com a varredura se os participantes têm (ou potencialmente têm) quaisquer contra-indicações, incluindo clipes de aneurisma cirúrgica, marca-passo cardíaco, válvula cardíaca protética, neuroestimulador, bombas implantadas, implantes cocleares, hastes de metal, placas, parafusos, aparelho auditivo ou remendo transdérmico.

2. Configuração

1. Executar a configuração inicial na sala de scanner.
   NOTA: Todo o treinamento necessário deve ser obtido pelo investigador antes do procedimento. As precauções relevantes para a instalação de RM devem ser tomadas o tempo todo.
   1. Traga o MR_CHIROD (dispositivo robótico induzido à mão compatível com ressonância magnética) para a sala de scanner de ressonância magnética e coloque-a perto do painel de penetração. Insira o tubo pneumático de 3/8 polegadas no tubo de passagem no painel na sala de suporte adjacente da ressonância magnética.
   2. Conecte a sala de scanner de ressonância magnética de detecção e codificação de cabos para o conector em forma de D (DSUB) de 9 pinos no lado da sala de scanner do painel.
2. Configuração da sala de apoio mri.
   1. Ligue o compressor de ar em uma tomada de parede 110VAC. Com o regulador interno do compressor virado para a posição de pressão off/minimum e a válvula de bola em fora de posição, ligue o compressor e permita que ele venha a pressão interna total (~4 min).
   2. Conecte a sala de suporte de detecção de força e codificar cabos para o conector DSUB no lado externo do painel de penetração.
   3. Conecte a montagem do tubo pneumático de 3/8 polegadas, emergindo da passagem do painel de penetração à tomada da tomada do regulador da pressão da unidade da relação/poder. Conecte o tubo pneumático de 4 mm à tomada do compressor e à enseada do filtro de ar na unidade de interface/potência/reguladora.
   4. Conecte a unidade de interface/potência/reguladora ao conector micro-USB da montagem usb de cabo/repetidor e coloque o cabo repetidor para o PC/laptop de acolhimento na sala de controle de ressonância magnética. Ligue a unidade de interface/potência/reguladora em um plugue de parede 110VAC na sala de suporte e, em seguida, ligue o interruptor de energia.
3. Posição MR_CHIROD v3 com o paciente.
   1. Estender totalmente e abaixar a cama scanner MR. Anexar a metade inferior da bobina de cabeça e orientar o voluntário para se deitar, certificando-se de que o voluntário está descansando confortavelmente e estendeu os braços confortavelmente.
   2. Fornecer tampões de ouvido para o voluntário para redução de ruído acústico.
   3. Anexar a bobina de cabeça e pequenas almofadas de espuma para imobilizar a cabeça.
   4. Anexar travesseiros em torno do braço emocionante do voluntário ao nível do braço e cotovelo, para minimizar o acoplamento vibracional para o próprio corpo do voluntário e para as paredes do scanner MR.
   5. Anexar a bola de comunicação no peito do voluntário, instruí-los sobre como usá-lo e confirmar que a bola de comunicação funciona bem antes de iniciar os exames.
   6. Instale frouxamente o MR_CHIROD no lado do paciente oposto àquele de sua lesão de cérebro usando o bed-slot correspondente. Com o cotovelo do voluntário descansando sobre a mesa para suportar o peso de seu braço, mova o MR_CHIROD alça para a membrana entre o polegar e o indicador e guie o voluntário para pegar as alças do MR_CHIROD.
   7. Se o MR_CHIROD estiver no lado oposto da tabela do painel de penetração, posicione os cabos e o tubo pneumático para que eles passem a mesa em vez de sobre o paciente.
   8. Certifique-se de que a posição de aderência é adequada para apertar. Instrua o voluntário para espremer e empurrar ou puxar o MR_CHIROD até que tenham a posição a mais confortável para espremer.
   9. Fixe o MR_CHIROD firmeno lugar apertando as porcas plásticas usando uma chave inglesa MR-compatível.
      Nota: Nenhuma varredura está sendo executada naquele tempo. Ao posicionar o MR_CHIROD, o voluntário está descansando confortavelmente na cama do varredor do SRM fora do ímã. A porta da sala de ímã pode estar aberta.
4. Configure o laptop de controle na sala de controle de RM (adjacente ao scanner e salas de suporte), confirme a conexão e seja definido para o nível de força do paciente.
   1. Ligue o laptop e inicie o software de aquisição/análise de dados. Conecte a montagem do cabo/repetidor USB ao laptop. Ligue o projetor da sala mr scanner. Conecte a porta de saída de vídeo do laptop ao conector do projetor e defina o monitor para estender a tela no projetor. Conecte o cabo de gatilho USB HID do scanner ao laptop para receber sinais de disparo do scanner.
   2. Executar a interface de usuário personalizada (UI) / controle / programa de estímulo para o MR_CHIROD. Definir automaticamente MR_CHIROD pressão para o nível (mínimo) de "configuração" para empurrar a alça para a parada final, verificando a exibição de formas de onda de movimento e força.
   3. Instrua o voluntário que os próximos apertos serão calibrar para a força máxima de espremer e, portanto, será difícil.
   4. Defina o nível de força, por exemplo, para 30 N e instrua o voluntário a apertar completamente 2-3 vezes com um período de aproximadamente 2 s. Observe se o voluntário pode completar um aperto nesse nível de força.
   5. Gradualmente aumentar o nível de força e repetir tentativas de aperto até que o voluntário não pode completar um aperto. Esta medida serve como um máximo da força de aderência do voluntário. A ui calcula automaticamente 60%, 40% e 20% dos níveis máximos de força para uso durante os testes.

3. Digite dados voluntários e calibrar o scanner MR

1. Insira os dados desidentificados do voluntário de acordo com os regulamentos da HIPAA (United States Health Insurance Portability and Accountability Act de 1996) no console scanner.
2. Mova a tabela e o participante para o scanner e a posição no isocentro.

4. Executar fMRI Sessão

1. Observe o voluntário através da janela entre as salas de controle e scanner e se comunique com o voluntário para obter a permissão do participante para iniciar o protocolo fMRI. Instrua-os não prender o punho MR_CHIROD para permitir que o descanso na posição inteiramente aberta.
2. Shim o ímã e executar uma varredura localizador. Abra o protocolo de fMRI e ajuste fatias para cobrir o cérebro do voluntário.
3. Instrua o voluntário que a sessão de fMRI está prestes a começar.
4. Usando a ui, definir o MR_CHIROD para aplicar o primeiro nível de força (20% do máximo). O programa de iu irá exibir um conjunto de instruções sobre o projetor de vídeo para o voluntário para lembrá-los como responder ao estímulo visual. A ui vai esperar para o scanner para fornecer um sinal de gatilho para continuar.
5. Inicie um protocolo de ecoplanar-imagem para fMRI. Use o programa de imagem MR_CHIROD de usuários de pasta. Os parâmetros de aquisição e reconstrução já estão definidos no programa de imagem e não devem ser alterados. Os seguintes parâmetros são empregados: no avião 192 x 192 ou 256 x 256 matrizes de aquisição; TR (tempo de repetição) na faixa de 2-3 s; a 30 ms TE (tempo de eco); 5 mm fatia de espessura, e uma resolução espacial de ~ 1 mm x 1 mm.
   Nota: O ui / dados aquisição / programa de estímulo vai esperar para receber um pulso de gatilho do scanner correspondente com a iniciação de varreduras pré-fMRI no programa scanner. O estímulo visual irá remover as instruções e mostrar uma "cruz de fixação" que o voluntário vai se concentrar. Quando as TRs da varredura do fMRI começam, uma exposição visual do metronomo, a forma de um círculo crescente e shrinking será indicada. O voluntário vai espremer completamente e liberar o punho sincronizadamente com o estímulo. Os períodos de descanso separarão os períodos de estímulo, períodos durante os quais a cruz de fixação será reexibida.
6. Durante a execução de uma tarefa, monitore a saída da força e se o participante está realizando a tarefa corretamente (ou seja, completando totalmente apertos e liberações e mantendo sincronia com o metrônomo visual) observando parcelas ao vivo de força e deslocamento na UI .
7. Uma vez que a primeira corrida é longo, confirmar a continuação do experimento na UI, que irá mudar o nível de força para o segundo de três níveis. Repita a partir do passo 4.5. Da mesma forma, quando a segunda corrida terminar, confirme a continuação para executar a corrida final no terceiro nível de força.
8. Após a terceira corrida, a ui irá definir automaticamente MR_CHIROD pressão para o nível de "configuração" baixo.

5. Completar a sessão de ressonância magnética

1. Instrua o participante a relaxar e deixar de lado a alça. Recolher uma série de exames anatômicos.

6. Take-down 6. Take-down

1. Retire o participante da sala do scanner mr, siga as etapas de configuração em sentido inverso, e proceder para desligar e desligar as partes do MR_CHIROD. Transfira dados de RM para o banco de dados e para o disco e feche a sessão.

A metodologia descrita no protocolo permite a coleta de imagens de fMRI enquanto o voluntário está realizando a tarefa em tempo real no ímã. Experimentos foram realizados na instalação da Bay 1 do Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, usando um scanner de ressonância magnética de corpo inteiro 3T. A Figura 2 e a Figura 3 mostram a colocação do MR_CHIROD sobre a mesa e o paciente em vigor. Na Figura 3,um voluntário está no furo scanner com a cabeça colocada no isocentro do ímã, que é a posição correta para a imagem do cérebro. A figura 4 mostra um esquema dos componentes e conexões do sistema, que são configurados durante as fases iniciais do processo. Durante uma sessão de fMRI, não só as imagens são coletadas, mas também um traço em tempo real dos traços reais do dispositivo como a pessoa no furo ímã está operando são obtidos. Os resultados típicos são mostrados na Figura 5. O uso de pressão pneumática controlada permite o controle preciso da força de reação constante fornecida pelo MR_CHIROD v3.

A Figura 5A-C mostra áreas típicas de ativação durante o aperto/liberação do dispositivo, usando os resultados da técnica BOLD durante a digitalização de fMRI. As setas vermelhas mostram ativação na região M1 (córtex motor primário) e áreas verdes mostram o SMA (córtex motor suplementar). A Figura 5D mostra o deslocamento medido durante o emocionante/lançamento, que foi realizado contra a força de resistência do MR_CHIROD. A Figura 5E mostra ativação ao longo do tempo em um único voxel, escolhido de dentro da área somato-sensorial. A resposta corresponde à atividade do sujeito, ativação elevada ocorrendo durante o aperto/liberação e redução da ativação quando o sujeito está descansando.

Figura 1: As partes do dispositivo MR_CHIROD v3. (1) Alça fixa; (2) Punho deslizante; (3) Sensor de força; (4) Codificador de posição; (5) Unidade de pistão de cilindro-cilindro de grafite de vidro; (6) Amplificador de células de carga protegida; (7) Slot de montagem de mesa MR (maquete); (8) Rolamentos de esferas com corridas de acetiletil e bolas de vidro. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figura 2: Vista do MR_CHIROD v3 unido firmemente na cama do varredor. Esta configuração permite que a pessoa opere o MR_CHIROD sem suportar alguns de seu peso. O dispositivo pode ser posicionado para a mão esquerda ou direita. Os cabos blindados são aterrados no painel de penetração, saídas pneumáticas do tubo através de uma passagem através do tubo no painel da penetração. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figura 3: Vista do MR_CHIROD v3 em relação a um paciente. Um voluntário está descansando com a mão na posição perto das alças do dispositivo. O voluntário é colocado na posição correta no isocenter do ímã para a imagem latente do cérebro. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figura 4: Diagrama esquemático de MR_CHIROD configurado para operação em uma sala de scanner MR. Os cabos blindados que transportam os sinais para os dados de posição e velocidade e para o sensor de força, bem como a tubulação pneumática passam pelo painel de penetração que serve como nível de referência de aterramento. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figura 5: Resultados típicos de executar uma tarefa do motor (espremendo os punhos de um MR_CHIROD). São mostradas (A)as ativações cerebrais fMRI, sobrepostas como bolhas em um contorno do cérebro, (B) como pseudo-cor em uma visão transversal tridimensional da varredura anatômica do cérebro do voluntário, e (C) como pseudo-cor renderizada em um modelo cerebral. M1 = Córtex motor primário. SMA = Área motora suplementar. (D)Saída de força real, medida em unidades de força (Newton, N) em função do tempo. A saída da força é o registro real do espremendo do voluntário e é gravado em tempo real pela MR_CHIROD. (E)O curso de tempo de um único voxel de ativação é mostrado, escolhido a partir de um voxel na área somatossensorial no local da mira em (B). Barras pretas em (D) e (E) correspondem a um período de estímulo/descanso de 60 anos. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Nenhum dos autores tem conflito a revelar.