ההסתגלות של רובוט לתחושה ב fMRI 3T

Summary

הסתגלות ושימוש רובוט לתחושה ב fMRI 3T מתואר.

Abstract

תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) מספקת למוח מעולה הדמיה תפקודית באמצעות האות BOLD ¹ עם יתרונות כולל קרינה בלתי מייננת, דיוק מרחבי מילימטר של נתונים אנטומיים ותפקודיים ^2, כמעט בזמן אמת ניתוחים ^3. רובוטים לתחושה לספק מדידה מדויקת ובקרה של עמדת כוח של הסמן בחלל מצומצם למדי. כאן אנו משלבים את שתי הטכנולוגיות על מנת לאפשר דיוק ניסויים מעורבים שליטה מוטורית עם לתחושה / אינטראקציה הסביבה משושי כגון לכת או אחיזה. הרעיון הבסיסי הוא לצרף effecter סוף 8 רגל נתמך במרכז לרובוט ⁴ המאפשר הנושא להשתמש רובוט, אבל מיגון זה ולשמור את זה מתוך החלק הקיצוני ביותר של השדה המגנטי של המכונה fMRI (איור 1 ).

Premium פנטום 3.0, 6DoF גבוהה כוח רובוט (SensAble Technologies, Inc) הוא בחירה מצוינת עבור אספקת כוח משוב בניסויים מציאות מדומה ^{5, 6,} אבל הוא מטבעו הלא MR בטוח, מציג רעש משמעותי רגיש ציוד ה-fMRI, מנועים חשמליים שלה עשוי להיות מושפע fMRI של שדה מגנטי בעוצמה משתנה. בנינו שולחן מערכת מיגון המאפשרת את הרובוט להיות הציג בבטחה אל הסביבה fMRI ומגבלות הן השפלה האות fMRI על ידי מנועים רועשים חשמלית ואת ההשפלה של ביצועי המנוע החשמלי על ידי שדה מגנטי חזק המשתנה של fMRI. עם המגן, יחס אות לרעש (SNR: ממוצע אות / רעש סטיית התקן) של ה-fMRI עובר מנקודת ההתחלה של ~ 380 ל ~ 330 ו ~ 250 בלי מיגון. הרעש שנותרו שנראה מתואם ואינו מוסיף חפצים כדי fMRI של כדור הבדיקה (איור 2). ידית ארוכה, נוקשה מאפשר מיקום של הרובוט מחוץ לטווח של החלקים הכי חזק שונים של השדה המגנטי ולכן אין השפעה משמעותית של fMRI על הרובוט. השפעת הידית על קינמטיקה של הרובוט הוא מינימלי שכן הוא קל משקל (~ £ 2.6), אך מאוד קשה 3 / 4 "גרפיט מאוזן על מפרק 3DoF באמצע. התוצאה הסופית היא מערכת ה-fMRI תואם, לתחושה עם על רגל 1 מעוקבים של חלל העבודה, וכאשר בשילוב עם מציאות וירטואלית, היא מאפשרת סדרה חדשה של ניסויים להתבצע בסביבה fMRI כולל עקירה נטורליסטי, והגיע פסיבית של הגפה ותפיסת לתחושה, למידה והסתגלות בתחומים כוח משתנה , או מרקם זיהוי ^{5, 6.}

Protocol

1. מחוץ לחדר סורק

1. הנח את שולחן מתגלגל עם סיום חינם נתמך סוף החיצוני של הידית ארוך מנותקת.
2. בדוק את הרובוט כבוי.
3. הנח את רובוט בארובת את השולחן להבטיח את הצלחת בטיחות אלומיניום על הרובוט עם 2 ברגים.
4. צרף את effecter סוף להתמודד עם רובוט עם מתאם אלומיניום לבדוק כי הוא נע בחופשיות.
5. צרף כבל מקבילי של 10 עם אלומיניום מיגון לרובוט ובדוק מיגון לא נפגע. הוסף לסכל נוספת במידת הצורך.
6. מניחים את תיבת אלומיניום מיגון על הרובוט נזהר למקום במקביל כבלי החשמל לתוך החריץ על הגב.
7. בזהירות בורג על תיבת מיגון.
8. רדיד אלומיניום חבילת לחריץ כבל מסוכך על הקופסה ולהיות בטוח לסכל את עושה בקשר עם מיגון על כבל מקבילי.

2. המעבר לחדר סורק עם שני אנשים, A ו-B

1. היכונו להיכנס סביבה גבוהה השדה המגנטי על ידי הסרת כל וכל חפצים מתכתיים כולל ברזליות אלה, למשל, טלפונים סלולריים, מפתחות, מטבעות וכו '..
2. עם אדם חופשי מחזיק סוף סוף חופשי של הטבלה רובוט ו-B אדם לייצוב בסוף התיבה, לגלגל אותו תחילה עד הרובוט בדיוק נכנס בדלת של החדר.
3. B קליפים האדם בחבל אבטחה קשור חור עוגן על הגב של התיק ובודק מיגון כי את הקצה השני מחובר היטב העוגן בקיר.
4. עבודה יחד, לגלגל את השולחן לחדר וצרף אותו עם רצועות סקוטש רגל השולחן fMRI. סוף הרובוט של הטבלה חייבת להישאר עד מהסורק ככל האפשר.
5. צרף כבל מקבילי של הרובוט על מסנן מותאם אישית על לעבור דרך אל חדר הבקרה, וחבר של הרובוט. מיגון לסכל את הכבל במקביל צריך ליצור קשר עם המסנן.
6. צרף את החלק החיצוני של הידית ארוך (effecter סוף) ולוודא כי הוא ייכנס נשא של fMRI למשעי.

3. בחדר הבקרה

1. הפעל את המחשב מלאה לצרף כבל מקבילי של 6 על הרובוט. הקפד להסיר את כל המסננים הנוסף שניתן על החלק הפנימי של עובר דרך.
2. ודא מנועים רובוט כבויים, להפעיל את שגרת כיול פנטום וודא readouts המיקום של המנועים מן השגרה כיול של הרובוט הם יציבים.
3. בדוק את חיבור הכבל מקבילים שרק מסנן מותאם אישית גדולה מחוברת אם את שגרת כיול לא יכול לראות את הרובוט או יש וריאציות גדול readout את המנוע.
4. הפעל את הרובוט על ידי פתיחת הנמל בצד האחורי של תיבת מיגון ולחץ על מתגים עם מקל.
5. הפעל מחדש את השגרה עם כיול effecter סוף מרוכז כ בסוף מוליך גל חרוטי. שלב באמצעות כיול ולבדוק את כיול תיבת התיבה יש את האינטראקציה לתחושה המתאימה.
6. צרף את הפלט TTL מן fMRI (מחבר BNC) אל ה-ADC Labjack במחשב שליטה.

4. נושא

1. הכן את נושא הסביבה גבוה שדה מגנטי עם fMRI פרוטוקולים סטנדרטיים.
2. הגדרת כל ציוד נוסף לצורך הניסוי, למשל, מערכת תצוגה ויזואלית. אנו משתמשים מעבדה NordicNeuro, מערכת בע"מ Vision המספק צפייה סטריאו של הצגה ויזואלית, תכונה מועילה במיוחד כאשר מציגים סביבות וירטואליות.
3. אחרי הנושא נמצא על השולחן ואת הראש ממוקם סליל, להתאים את המרחק של הרובוט על ידי שחרור הברגים יד הזזה העליון של הטבלה עד הנושא יכול לנוע בנוחות.
4. מדריך בטבלה באופן ידני על ידי לחיצה על סיום רובוט בעוד שולחן fMRI נע פנימה והחוצה של נשא למנוע גלגלים מ מתנדנד. ודא effecter סוף נכנס נשא ואינו תופס בחוץ.
5. הפעל את הניסוי.

5. לשבור את ההתקנה עם שני אנשים A ו-B

1. אחרי היציאות החולה, להסיר את הקצה החיצוני של הידית ארוך לנתק את שולחן הרובוט מהשולחן fMRI על ידי ביטול רצועת סקוטש.
2. מאת הרובוט, לבטל את כבל מקבילי מוגן ונתק את כבל החשמל.
3. עם אדם מחזיק את הקצה החופשי של הטבלה רובוט ו-B אדם המנחה את סוף רובוט, להזיז את השולחן לדלת. ליד הדלת, לבטל את הרצועה, וגלגל את שולחן רובוט מחוץ לאולם.
4. בטל את כל הברגים מתיבת מסוכך את שני הברגים מהצלחת את הבטיחות ולהסיר את הרובוט.

6. נציג התוצאות:

באופן אידיאלי, הרובוט לתחושה ו fMRI לא אמור להשפיע על זה. אנחנו יכולים לספר באינטרנט אם הרובוט הוא להיות מושפע fMRI. באופן כללי, אם כבל מקבילי של הרובוט אינו מוגן כראוי מסונן, אז readout המנועים יהיה oscilמאוחר במהירות. ניתן לתקן בעיה זו על ידי זוגית בדיקת מיגון אלומיניום על הכבל, כי ליבת ברזל ממוקם כראוי על כבל במקביל ליד הרובוט, וכי לסנן רק רובוט הוא מסנן מותאם אישית בצד סורק החדר של לעבור דרך . זיהוי שגיאות fMRI הוא באמת אפשרי רק לאחר הנתונים צומצמו ונותחו, אך בסריקה אנטומי צריך לקחת בתחילת המחקר בדק את ההשפעות רוכסן או ממצאים אחרים המעידים על רעש בקורלציה (רעש למשל ספייק) ^7. לעתים קרובות, רעש כזה מגיע מתכת על מגע מתכת ניתן לנקות על ידי הידוק כל הברגים על השולחן רובוט, במיוחד ההתאמה יד הברגים בצד של השולחן. מתוך הבדיקות שלנו את האות fMRI הבסיס יחס רעש (SNR) היא ~ 380 עם הרובוט מוגן באופן מלא בחדר כי טיפות סביר עדיין ~ 330. אם מגן לא נמצא מקום על הרובוט, אז טיפה SNR נוסף ~ 250, ואת ההשפעות רעש להיות מאוד משמעותי.

כפי שמוצג ^4, מידת 3 משותף של חופש במרכז הידית יש השפעה מועטה על הדינמיקה של האינטראקציה רובוט / יד אלא להעביר אותה הרחק הרובוט. משותף במרכז לטפל מתנהג כמו נקודת משען והופך את התנועה לכאורה בשני הכיוונים (שמאל ימין למעלה למטה) אך לא את השלישי (קדימה אחורה). מאז הפנטום והיד הם בקצוות מנוגדים של המנוף כמו ידית עם נקודת המשען שלה באמצע, רווחי מוחלים בתוכנה בכל אחד משלושה כיוונים האוקלידית: רווחי שלילית בשני הכיוונים נשלט על ידי המפרק המסתובב רווח חיובי בכיוון של המפרק המחוון. ההשפעה נטו של הידית המסתובב משחזרת את מלוא 3 דרגות החופש של הרובוט פנטום, רק 9 "משם.

איור 1 המנגנון המשמש לעלות את הרובוט לתחושה לשימוש בסביבה fMRI. למעלה מראה את הרובוט לתחושה רכוב במקרה לפני המתחם (למעלה, משמאל) את המחוון gimbal / משותף ב האמצע של הידית (למעלה, מימין). תחתון, שמאל מראה הנושא סורק מניפולציה את הידית. התחתונה, נכון הוא קריקטורה של effecter מיגון בסופו של דבר.

איור 2 תוצאות הבדיקה BIRN עבור הרובוט מוגן באופן מלא עם תנועה. שלוש תמונות עם צלבי להראות קטעים של מודל ראש כדורי, והתחתון את הזכות להציג מראה תלת מימדי. נקודות קטנות הן בועות במודל ראש סטטי הם תמיד נוכחים. העדר פסים או רוכסנים גדולים עולה כי הרעש של הרובוט הוא מתואם.

Discussion

הרובוט תואם fMRI פותחת אפשרויות חדשות עבור ניסויים של מדעי המוח של שליטה מוטורית. השלב הקריטי ביותר ההתקנה הוא מיגון של הרובוט כדי למנוע artifacts ב-fMRI, אשר אנו עושים בשני שלבים. ראשית, את הרובוט עצמו הוא על 9 'הרחק נשאו את עם ארוך, קל, ידית נתמך באמצע שלה עם תואר 3 משותף של חופש. שנית, הרובוט עטוף קופסת 1 / 16 "-1 / 4" אלומיניום עם חרוטי פלסטיק (13 'קוטר בסיס, 6 "קוטר העליון x 42" ארוך) מוליך גל ברדיד אלומיניום מיגון זה היה מחושב כדי לחסום ~ 100dB רעש הלהקה בתדירות fMRI הרלוונטי,> 100 MHz. בעתיד, נחושת מיגון יכול לשמש כדי להחליף את רדיד אלומיניום על חרוט, אך כיום מבצעת באופן משביע רצון כפי במחיר משמעותי חיסכון במשקל. כמו כן, כדי לקדם את להרחיב את היקף הציוד, אנו מתכננים לשלב בו זמנית EEG / fMRI עם המערכת הנוכחית.

הדאגה העיקרית בטיחות הקשורים מעלה הגדרת הניסוי הוא הפוטנציאל עבור אובייקטים פרומגנטי להיות משך בכוח רב לתוך נשא של המגנט fMRI. כדי למזער את הסיכון, כל ציוד נלווה, כגון המגן שולחן מתגלגל, בנויים מחומרים שאינם מגנטיים. כמו רובוט לתחושה עצמו מכיל חומרים פרומגנטיים, טיפול מיוחד חייבים להיות מופעלים לגבי המיצוב שלה. הרובוט מאובטחת לשולחן מתגלגלת ההרכבה כולו קשור אל הקיר לפני גלגול הרכבה לחדר מגנט. אורכו של גבול מתוכנן כך הרובוט לא יכול לזוז בעבר בקצה השולחן את החולה. לבסוף, כדי להבטיח פעולה בטוחה, אנשי הניסוי חייב לקחת טיפול מיוחד כדי לעקוב אחר פרוטוקול מפורט תיאר במקום אחר במסמך זה.

אחת התכונות החשובות ביותר של fMRI היא כי היא משתמשת קרינה בלתי מייננת ועל כן בטוח יותר ויותר טכנולוגיות מתחרות פולשניים, כמו PET, ללא אובדן של לוקליזציה של הפעילות ראו בטכנולוגיות פסיביות כמו EEG או MEG. החיסרון fMRI שאנחנו להתגבר עם הסתגלות הרובוט לתחושה היא להפוך את הציוד תואם השדה המגנטי גבוהה ורגישות רעש של fMRI תוך שמירה על הפונקציונליות שלו. ניסיונות קודמים במחקר התנהגות המנוע האנושי יש לסמוך על אוויר דחוס או ⁸ או ⁹ מים התקנים זמני תגובה עני שהופך אותם בלתי הולמת עבור אינטראקציה עם הסביבה מציאותית או כוננים חיצוניים הממוקמים לחדר סורק עם דרגות של חופש מוגבל. הפתרון כאן, בדומה למחקר הקודם שהיה רובוט unshielded הנמוך בכוח המודל, 1.5 T-fMRI ^4, שמירה על הציוד בחדר, מיגון, נותן טווח תנועה מלא של מדחס אוויר, אבל עם הצום, אלפית השנייה latencies של כונני חשמלי.

עם הציוד ולהפעלתו, עכשיו אנחנו מחפשים לבחון מחדש את הניסויים הקלאסיים שליטה מוטורית כמו הצבעה עם עונש ⁵ או רצף למידה ¹⁰ כמו גם לפתח ניסויים חדשים מעורבים מציאות וירטואלית לחלוטין immersive עם הרובוט לספק אינטראקציה לתחושה. הקלות היחסית של השימוש בפרוטוקול הנוכחי תפתח את ה-fMRI בזמן אמת, ניסויים תנועה אינטראקטיביים.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Phantom premium 1.5/6dof, high force model	SensAble, Geomagic