Name: Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 16 s
Description: Aprenda a adaptar um robô háptico para uso em fMRI 3T com blindagem de alumínio e manípulo de oito pés. Este método permite medir posição do braço e força aplicada durante tarefas motoras, avaliando atividade cerebral com mínima interferência eletromagnética.

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Gostaríamos de agradecer a Lu Kun e Ronald Kurz para assistência técnica. Este trabalho foi financiado pelo ONR n º Prêmio MURI: N00014-10-1-0072, a concessão do NSF # SBE-0542013 a dinâmica temporal do Centro de Aprendizagem, uma Ciência NSF do Centro de Aprendizagem, e conceder NIH # 2 NS036449 R01-11.

1. Fora da sala de scanner <ol><li> Colocar a tabela de rolamento com a extremidade livre suportada eo fim exterior do punho longo destacados. </li><li> Verifique se o robô está desligado. </li><li> Coloque o robô no soquete de mesa e segura a placa de segurança de alumínio sobre o robô com dois parafusos. </li><li> Anexar o effecter fim ao lidar com robô com o adaptador de alumínio e verifique se ela se move livremente. </li><li> Anexar o 10 'cabo paralelo com blindagem em alumínio para o robô e verifique se a proteção está intacta. Adicionar folha extra se necessário. </li><li> Coloque a caixa de blindagem em alumínio sobre o robô tomando cuidado para colocar os paralelos e os cabos de alimentação na ranhura na parte de trás. </li><li> Apertar novamente com cuidado na caixa de blindagem. </li><li> Pacote de papel alumínio na ranhura de cabo na caixa de blindagem e não se esqueça da folha entra em contato com a blindagem do cabo paralelo. </li></ol> 2. Movendo para a sala de scanner com duas pessoas, A e B <ol><li> Prepare-se para entrar em um ambiente de alto campo magnético através da remoção de todos e quaisquer objetos metálicos não ferrosos, incluindo aqueles, por exemplo, telefones celulares, chaves, moedas, etc .. </li><li> Uma pessoa com final segurando a extremidade livre da tabela robô e B pessoa estabilizar a caixa final, roll-lo livre até que o primeiro robô só entra pela porta da sala. </li><li> Clips B pessoa a corda de segurança presa a uma âncora buraco na parte de trás do caso blindagem e verifica que a outra extremidade está firmemente presa a uma âncora de parede. </li><li> Trabalhando juntos, rola a tabela para o quarto e anexá-lo com tiras de velcro para o pé da mesa fMRI. O fim robô da tabela deve ficar tão longe do scanner possível. </li><li> Conecte o cabo paralelo do robô para o filtro personalizado no passar para a sala de controle, e ligar o robô. A folha de blindagem no cabo paralelo deve fazer contato com o filtro. </li><li> Anexar a parte exterior da alça longa (effecter final) e verificar se ele vai entrar no furo do fMRI limpa. </li></ol> 3. Na sala de controle <ol><li> Inicie o computador de controle e anexar o cabo paralelo 6 'para o robô. Certifique-se de remover qualquer filtro extra que pode ser na parte interior da passagem. </li><li> Verificar se os motores do robô são desligados, comece a rotina de calibração Fantasma e verificar se as leituras posição dos motores da rotina do robô de calibração são estáveis. </li><li> Verifique a conexão do cabo paralelo e que só filtrar os grandes personalizado é anexado se a rotina de calibração não pode ver o robô ou há grandes variações na leitura motor. </li><li> Ligar o robô, abrindo a porta na parte traseira da caixa de blindagem e pressione as chaves com um pau. </li><li> Reiniciar a rotina de calibração com o fim effecter aproximadamente centrado no final do guia de ondas cônico. Passo através da calibração e verificação de que a caixa de calibração caixa tem a interação háptica apropriado. </li><li> Anexar a saída TTL da fMRI (conector BNC) para o ADC LABJACK no computador controle. </li></ol> 4. O assunto <ol><li> Preparar o tema para um ambiente de alto campo magnético com os protocolos fMRI padrão. </li><li> Configurar qualquer equipamento extra para o experimento, por exemplo, sistema de exibição visual. Usamos o NordicNeuro Lab, Vision System Inc., que proporciona uma visualização estéreo de displays visuais, uma característica que é particularmente útil quando apresenta ambientes virtuais. </li><li> Depois que o sujeito se deita sobre a mesa e da bobina a sua sede, ajustar a distância do robô soltando os parafusos de mão e deslizando o topo da tabela até que o sujeito pode mover-se confortavelmente. </li><li> Guia da tabela manualmente, segurando a extremidade do robô enquanto a tabela fMRI está se movendo para dentro e para fora do furo para evitar a oscilação de rodas. Verifique se o effecter final vai para o furo e não pegar do lado de fora. </li><li> Executar o experimento. </li></ol> 5. Quebrar a configuração com duas pessoas A e B <ol><li> Após a saída do paciente, remova o fim exterior da alça de comprimento e retire a tabela de robô da tabela fMRI, desfazendo a cinta de velcro. </li><li> Do robô, desfazer o cabo blindado em paralelo e desconecte o cabo de alimentação. </li><li> Uma pessoa com segurando a extremidade livre da tabela robô e B pessoa guiando o fim robô, mover a tabela para a porta. Na porta, desfazer a corda, and roll tabela robô até o hall. </li><li> Desfazer todos os parafusos da caixa de blindagem e os dois parafusos da placa de segurança e remover o robô. </li></ol> 6. Resultados representativos: Idealmente, o robô haptic e fMRI não deve afetar o outro. Podemos dizer on-line se o robô está sendo afetado pela fMRI. Geralmente, se o cabo paralelo do robô não é devidamente blindado e filtrada, em seguida, a leitura dos motores vai oscilaçãofinal rapidamente. Isso pode ser corrigido com um duplo verificar a blindagem em alumínio no cabo, que o núcleo ferroso é devidamente colocado no cabo paralelo perto do robô, e que o filtro só para o robô é o filtro personalizado no lado sala de scanner da passagem . Detecção de erros no fMRI é realmente só é possível depois que os dados foram reduzidos e analisados, mas um exame de anatomia deve ser tomada no início do estudo e verificado para efeitos de zíper ou outros artefatos indicativos de ruído correlacionados (por exemplo, o ruído pico) 7. Freqüentemente, esse ruído vem de metal em contato com metal e pode ser limpo, apertando todos os parafusos em cima da mesa robô, especialmente os parafusos de mão de ajuste do lado da mesa. De nossos testes o sinal fMRI base-ruído (SNR) é de ~ 380 e com o robô totalmente blindados na sala que cai para um ainda razoável ~ 330. Se o escudo não está em vigor no robô, então a queda SNR ainda mais a ~ 250, e os efeitos de ruído se tornar muito significativo. Como mostrado em 4, o grau 3 de articular a liberdade no centro da alça tem pouco efeito sobre a dinâmica da interação do robô / mão, exceto para transferi-lo longe do robô. A junta no centro da alça funciona como um ponto de apoio e inverte o movimento aparente em duas das direções (esquerda-direita e de cima para baixo), mas não o terceiro (frente-verso). Desde o Fantasma ea mão estão em extremos opostos da alavanca como lidar com o seu fulcro no meio, os ganhos são aplicados em software em cada uma das três direções euclidiana: ganhos negativos nos dois sentidos controlada pela junta giratória e um ganho positivo na direção da junta deslizante. O efeito líquido da alça e giratória reproduz o total de 3 graus de liberdade do robô Phantom, apenas "nove fora. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1 O aparelho utilizado para montar o robô haptic para uso no ambiente de fMRI. Superior mostra o robô haptic montado no caso antes de gabinete (em cima, à esquerda) e o controle deslizante / cardan conjunta no ponto médio do punho (topo, direita). Baixo, da esquerda mostra um objeto no scanner manipular a alça. Inferior, à direita é um cartoon do effecter blindagem e fim. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2 Resultados do teste BIRN para o robô totalmente blindado com o movimento. As três imagens com cruzes mostram seções do modelo de cabeça esférica, e na parte inferior direita mostra uma visão tridimensional. Os pequenos pontos são bolhas no modelo de cabeça estático e sempre estão presentes. A falta de listras grandes ou zíperes indica que o ruído do robô é não correlacionadas.

<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>

Não há conflitos de interesse declarados.

O robô fMRI compatível abre novas possibilidades para experimentos na neurociência de controle motor. O passo mais crítico na instalação é a blindagem do robô para evitar artefatos no fMRI, o que fazemos em duas etapas. Primeiro, o robô em si é de cerca de 9 &quot;fora do furo com um longo e leve, alça apoiada no seu meio com um grau 3 da articulação liberdade. Segundo, o robô é envolto em um 1 / 16 caixa de alumínio &quot;-1 / 4&quot; com um cone de plástico (13 &quot;de diâmetro de base, 6&quot; de diâmetro superior x...

<table border="1"><tbody><tr><td> Fantasma prêmio 1.5/6dof, modelo elevada força </td><td> SensAble </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

adaptação de um robô haptic em um fmri 3t

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Ressonância magnética funcional (fMRI) fornece imagiologia cerebral funcional excelente através do sinal BOLD 1 com vantagens, incluindo radiação não-ionizante, precisão espacial milímetro de dados anatômicos e funcionais 2, e quase em tempo real, análises 3. Robôs Haptic proporcionar a medição precisa e controle de posição e força de um cursor em um espaço razoavelmente confinados. Aqui nós combinamos essas duas tecnologias para permitir que experimentos de precisão envolvendo o controle motor com haptic / interação tátil ambiente, tais como alcançar ou agarrar. A idéia básica é para anexar um effecter final 8 pés apoiados no centro para o robô quatro permitindo ao indivíduo usar o robô, mas protegê-lo e mantê-lo fora da parte mais extrema do campo magnético da máquina de fMRI (Figura 1 ). O Fantasma premium 3.0, 6DOF, alta força de robô (SensAble Technologies, Inc.) é uma excelente escolha para a prestação de force-feedback em experiências de realidade virtual 5, 6, mas é inerentemente não seguro MR, introduz ruído significativo para o sensível fMRI, equipamentos e seus motores elétricos podem ser afetadas pela fMRI fortemente variando o campo magnético. Construímos uma tabela e sistema de blindagem que permite que o robô para ser introduzida com segurança o ambiente fMRI e limita tanto a degradação do sinal de fMRI pelos motores eletricamente ruidosos ea degradação do desempenho motor elétrico pelo campo magnético variável fortemente do fMRI. Com o escudo, a relação sinal-ruído (SNR: média de sinal / ruído desvio padrão) da fMRI passa de uma linha de base de ~ 380 a ~ 330 e ~ 250 sem a blindagem. O ruído restante parece ser não correlacionadas e não adicionar artefatos à ressonância magnética funcional de uma esfera de teste (Figura 2). A alça longa, dura permite a colocação do robô fora do alcance das partes mais fortemente variando do campo magnético que não há efeito significativo da fMRI no robô. O efeito da alça sobre cinemática do robô é mínima, pois é leve (~ 2,6 lbs), mas extremamente dura 3 / 4 &quot;de grafite e bem equilibrado na articulação 3DoF no meio. O resultado final é um sistema háptico fMRI compatível, com cerca de 1 metro cúbico de espaço de trabalho, e, quando combinado com a realidade virtual, que permite um novo conjunto de experimentos a serem realizados no ambiente de fMRI incluindo naturalista deslocamento, atingindo passiva do membro e da percepção tátil, o aprendizado de adaptação em diferentes campos de força , ou identificação textura 5, 6.

A adaptação e utilização de um robô haptic em um fMRI 3T é descrito.

Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T

A ressonância magnética funcional (fMRI) fornece excelentes imagens funcionais do cérebro por meio do sinal BOLD, com vantagens que incluem a ausência de radiação ionizante...

Este vídeo demonstra como utilizar um robô háptico de fantasma durante a imagem por ressonância magnética funcional (FMR), com o objetivo final de avaliar a atividade cerebral durante tarefas motoras em humanos. Quando o braço do robô é manipulado por um sujeito, é possível obter medidas precisas da posição do braço e da força aplicada pelo sujeito. Para registrar FMRI em conjunto com manipulações robóticas hápticas, é importante evitar que o robô interfira na saída do FMRI introduzindo ruído elétrico excessivo, bem como prevenir danos ao robô causados pelo campo magnético da ressonância magnética.Para conseguir isso, o robô é primeiramente envolvido em uma caixa blindada de alumínio. Além disso, o robô blindado é acoplado a um cabo de oito pés que será utilizado pelo sujeito durante o experimento. O blindagem e o cabo de oito pés minimizam os campos elétricos e magnéticos disruptivos quando o robô fantasma é usado com o scanner de RM.Quando um sujeito é colocado na ressonância magnética e manipula o braço efetor do robô simulado por meio da alavanca de oito pés, podem ser realizados experimentos de realidade virtual envolvendo movimentos naturais de alcance, deslocamento passivo do membro e adaptação da percepção háptica, aprendizado em campos de força variáveis e identificação de texturas. Em última análise, essa configuração pode ser usada para correlacionar a atividade cerebral com o movimento e o planejamento por meio de gravações de ressonância magnética funcional e análise cinemática dos dados do robô. A principal vantagem dessa técnica em relação aos métodos existentes, como o uso de ar comprimido ou água Tory, na interação sensorial motora, é que o robô háptico responde com latências de milissegundos, mesmo a objetos dinâmicos complexos.Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais no estudo do controle neuro-motor. Por exemplo, as regiões cerebrais ativas durante a interação háptica com objetos virtuais. Para começar, posicione uma mesa rolante com uma caixa de alumínio blindada do lado de fora da porta do scanner de ressonância magnética.A extremidade livre da mesa deve ser apoiada e a extremidade externa do efetuador com cabo longo deve ser desconectada para garantir que o robô esteja desligado. Em seguida, coloque o robô na tomada da mesa e fixe a placa de segurança de alumínio sobre o robô com dois parafusos. Depois, prenda o efetuador ao cabo do robô e verifique se ele se move livremente.Em seguida, conecte o cabo paralelo de 10 pés com blindagem de alumínio ao robô e verifique se a blindagem está intacta. Adicione folha extra, se necessário. Coloque a caixa de blindagem de alumínio sobre o robô, tomando cuidado para inserir os cabos paralelo e de energia na ranhura na parte traseira.Parafuse cuidadosamente a caixa de blindagem. Coloque folha de alumínio na ranhura do cabo na caixa de blindagem, e certifique-se de que a folha entre em contato com o blindagem do cabo paralelo. Prepare-se para entrar no ambiente de alto campo magnético removendo todos os objetos metálicos e quaisquer itens não seguros para RM.Mover o robô para dentro da sala de ressonância magnética requer duas pessoas para garantir que a configuração possa ser introduzida no campo magnético com segurança. Com uma pessoa segurando a extremidade livre da mesa do robô e outra pessoa estabilizando a extremidade traseira da caixa, avance com a extremidade livre até que o robô entre ligeiramente na porta da sala. O pesquisador que segura a extremidade da caixa deve agora prender a corda de segurança fixada a um orifício de ancoragem na parte traseira da caixa de blindagem.Assegure-se de que a outra extremidade esteja firmemente presa a um suporte na parede próximo ao local de trabalho. Empurre a mesa para dentro da sala e fixe-a com tiras de velcro na extremidade da mesa de ressonância magnética funcional (FMRI). A extremidade do robô da mesa deve permanecer o mais distante possível do escâner.Agora conecte o cabo paralelo do robô ao filtro personalizado no passagem para a sala de controle e ligue o robô. A folha de blindagem do cabo paralelo deve fazer contato com o filtro. Por fim, acople a parte externa do efetuador final, que é o cabo longo ao qual o sujeito irá alcançar, ao robô.Verifique se o manípulo conseguirá entrar no orifício do FMRI limpa e completamente, sem atingir as laterais. Uma vez que o robô estiver configurado no escâner, inicie o computador de controle. Em seguida, certifique-se de que apenas o filtro personalizado esteja na parte interna da passagem e conecte o cabo paralelo de seis pés ao robô.Em seguida, verifique se os motores do robô estão desligados. Então, inicie a rotina de calibração do fantoma e verifique se as leituras de posição dos motores estão estáveis. Agora, ligue o robô abrindo a porta na parte traseira da caixa de blindagem e ativando os interruptores dentro da caixa.Reinicie a rotina de calibração com o efetuador final aproximadamente centralizado na extremidade do guia de onda cônico. Prossiga com a calibração e verifique se a caixa de calibração apresenta a interação háptica apropriada. Para iniciar o experimento, configure qualquer equipamento adicional necessário, como um sistema de exibição visual.Aqui, utiliza-se o sistema de visão da Nordic Neuro Lab Incorporated, que fornece visualização estéreo de telas visuais. Agora, posicione o sujeito deitado na mesa do escâner e certifique-se de que ele ou ela estará confortável durante toda a duração do experimento. Coloque a bobina da cabeça e os amortecedores.Em seguida, ajuste a distância do robô por meio das parafusos manuais e deslizando a parte superior da mesa até que o sujeito consiga alcançar a alça do efetuador e se movimentar confortavelmente. Oriente manualmente a mesa para dentro do orifício da ressonância magnética segurando a extremidade do robô enquanto a mesa está em movimento. Certifique-se de que o efetuador final esteja direcionado para dentro do orifício e não fique preso na parte externa.Por fim, execute o experimento de FMRI. Comece obtendo uma varredura anatômica para verificar a presença de artefatos de imagem. Em seguida, realize as varreduras funcionais enquanto o sujeito executa a tarefa funcional projetada para o experimento, como um paradigma naturalístico de alcance; o robô háptico e o FMRI não devem interferir um no outro.Se o robô estiver sendo afetado pelo FMRI, a leitura dos motores oscilará rapidamente e a representação em tempo real do robô se moverá mesmo quando o próprio robô não estiver em movimento. Em geral, isso ocorre quando o cabo paralelo do robô não está adequadamente blindado e filtrado. Isso pode ser corrigido verificando cuidadosamente o blindagem de alumínio no cabo, garantindo que o núcleo de Ferrite esteja corretamente posicionado no cabo paralelo próximo ao robô e que o único filtro conectado ao robô seja o filtro personalizado localizado no lado da sala do scanner da passagem.A detecção de erros na RMf só é realmente possível após os dados terem sido reduzidos e analisados. No entanto, uma varredura anatômica deve ser realizada no início do estudo e verificada quanto a efeitos de zíper ou outros artefatos indicativos de ruído correlacionado. Frequentemente, esse ruído provém de contato entre metais e pode ser eliminado apertando todos os parafusos na mesa do robô, especialmente os parafusos de ajuste manual localizados na lateral da mesa.Uma vez dominada, esta técnica pode ser concluída em cerca de 15 minutos, o que é muito importante para a FMRI. Como o tempo é tão caro, ao tentar o procedimento, é urgentemente importante ter em mente os protocolos de segurança de ressonância magnética, já que o robô poderia potencialmente ser atraído para o interior do scanner de ressonância magnética.

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