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 d

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