Adaptation d'un robot haptique dans une IRMf 3T

Summary

L'adaptation et l'utilisation d'un robot haptique dans une IRMf 3T est décrite.

Abstract

Par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet une excellente imagerie cérébrale fonctionnelle via le signal BOLD ¹ avec des avantages, y compris les rayonnements non ionisants, millimètre précision spatiale des données anatomiques et fonctionnelles ^2, et presque en temps réel des analyses ^3. Robots haptiques de fournir une mesure précise et un contrôle de la position et la force d'un curseur dans un espace relativement confiné. Ici, nous combinons ces deux technologies pour permettre des expériences de précision impliquant le contrôle moteur avec haptique / interaction environnement tactiles telles que l'atteinte ou la préhension. L'idée de base est d'attacher une extrémité 8 pieds effecteur pris en charge dans le centre pour le robot ⁴ permettant au sujet d'utiliser le robot, mais c'est le blindage et le garder hors de la partie la plus extrême du champ magnétique de la machine IRMf (figure 1 ).

Le Fantôme Premium 3.0, 6DoF, grande force du robot (SensAble Technologies, Inc) est un excellent choix pour fournir à retour de force dans des expériences de réalité virtuelle ^{5, 6,} mais il est intrinsèquement non-MR sûr, introduit du bruit significative à la sensibilité équipements IRMf, et ses moteurs électriques peuvent être touchés par le IRMf est fortement champ magnétique variable. Nous avons construit une table et un système de blindage qui permet au robot d'être en sécurité introduits dans l'environnement IRMf et les limites à la fois la dégradation du signal IRMf par les moteurs électriques bruyantes et la dégradation de la performance du moteur électrique par le champ magnétique variable fortement de l' IRMf. Avec le bouclier, le rapport signal sur bruit (SNR: moyenne écart-type de signal / bruit) de l'IRMf va partir d'une base de ~ 380 à ~ 330 et ~ 250 sans blindage. Le bruit reste semble être corrélés et ne pas ajouter des artefacts à l'IRMf d'une sphère d'essai (figure 2). La longue poignée rigide permet de placer le robot hors de portée des parties les plus fortes variations du champ magnétique donc il n'ya pas d'effet significatif de l'IRMf sur le robot. L'effet de la poignée sur la cinématique du robot est minime car il est léger (~ 2,6 lb), mais extrêmement rigide 3 / 4 "de graphite et bien équilibrée sur la commune 3DOF au milieu. Le résultat final est une IRMf système compatible haptique, avec environ 1 pied cube d'espace de travail, et, lorsqu'il est combiné avec la réalité virtuelle, elle permet une nouvelle série d'expériences à réaliser dans l'environnement IRMf notamment naturalistes atteindre, le déplacement passif de la branche et la perception haptique, l'apprentissage d'adaptation dans les champs de force variable , l'identification texture ou ^{5, 6.}

Protocol

1. En dehors de la salle du scanner

1. Placez la table de roulement avec l'extrémité libre soutenus et l'extrémité extérieure de la poignée de longs détachés.
2. Vérifiez que le robot est éteint.
3. Placez le robot dans la prise de table et fixer la plaque de sécurité en aluminium sur le robot avec 2 vis.
4. Fixez le effecteur fin à la poignée de robot avec l'adaptateur en aluminium et vérifier qu'il se déplace librement.
5. Fixez la 10 'câble parallèle avec de l'aluminium de blindage pour le robot et vérifier que le blindage est intact. Ajouter une feuille supplémentaire si nécessaire.
6. Placez la boîte en aluminium de blindage sur le robot en prenant soin de placer les câbles d'alimentation parallèle et dans la rainure sur le dos.
7. Soigneusement vis sur la boîte de blindage.
8. Pack de papier d'aluminium dans la rainure du câble sur la boîte de blindage et être sûr que le film est en contact avec le blindage sur le câble parallèle.

2. S'engager dans la salle du scanner avec deux personnes, A et B

1. Préparez-vous à entrer dans un environnement champ magnétique élevé en supprimant toute et tous les objets métalliques non ferreux, y compris celles, par exemple, les téléphones cellulaires, des clés, pièces de monnaie, etc ..
2. Avec une personne A la fin tenant l'extrémité libre de la table de robot et la personne B stabiliser la fin, en boîte il libre d'abord que le robot passe juste la porte de la chambre.
3. Clips personne B de la corde de sécurité attaché à un trou d'ancrage sur le dos de la sacoche de protection et vérifie que l'autre extrémité est solidement attaché à une fixation murale.
4. En travaillant ensemble, rouler la table dans la salle et l'attacher avec des sangles velcro au pied de la table IRMf. La fin du robot de la table doit rester aussi loin que possible du scanner.
5. Branchez le câble parallèle du robot au filtre personnalisé sur le passage à la salle de contrôle, et de brancher le robot. Le blindage sur le câble parallèle doivent prendre contact avec le filtre.
6. Fixez la partie extérieure de la longue poignée (effecteur final) et vérifiez que celle-ci entrera l'alésage de l'IRMf proprement.

3. Dans la salle de contrôle

1. Démarrer l'ordinateur de contrôle et de joindre un câble parallèle de la 6 'au robot. Veillez à retirer tous les filtres supplémentaires qui peuvent être sur la partie intérieure de la passer à travers.
2. Vérifiez que les moteurs du robot sont éteints, le démarrage de la routine de calibrage Phantom et vérifier que les afficheurs de position des moteurs de la routine de calibrage du robot sont stables.
3. Vérifiez la connexion du câble parallèle et que seul le grand filtre personnalisé est attachée si la routine de calibrage ne peut pas voir le robot ou il ya de grandes variations dans la lecture du moteur.
4. Mettez le robot en ouvrant le port à l'arrière de la boîte de blindage et appuyez sur les interrupteurs avec un bâton.
5. Redémarrez la routine de calibrage avec le effecteur final approximativement centré à l'extrémité du guide d'ondes conique. Étape par l'étalonnage et vérifiez que la boîte de calibrage boîte a l'interaction haptique approprié.
6. Fixez la sortie TTL du IRMf (connecteur BNC) à l'ADC LabJack sur l'ordinateur de contrôle.

4. Le sujet

1. Préparer le sujet pour un environnement de haut champ magnétique avec les protocoles IRMf standard.
2. Mettre en place un équipement supplémentaire pour l'expérience, par exemple, système d'affichage visuel. Nous utilisons les NordicNeuro Lab, Vision System Inc qui fournit l'observation stéréoscopique d'affichages visuels, une caractéristique qui est particulièrement utile lors de la présentation des environnements virtuels.
3. Après le sujet s'allonge sur la table et la tête de la bobine se trouve, régler la distance du robot en dévissant les vis à main et glisser le haut du tableau jusqu'à ce que le sujet peut se déplacer confortablement.
4. Guide de la table manuellement en maintenant sur l'extrémité du robot tandis que la table IRMf est déplaçant dans et hors de l'alésage pour éviter les roulettes de vaciller. Assurez-vous que l'effecteur final va dans le trou et ne pas attraper de l'extérieur.
5. Exécutez l'expérience.

5. Décomposer la configuration avec deux personnes A et B

1. Après la sortie du patient, retirez la fin de l'extérieur le long manche et se détacher de la table robot de la table IRMf en desserrant la sangle velcro.
2. Du robot, défaire le câble parallèle blindé et débranchez le câble d'alimentation.
3. Avec une personne A tenant l'extrémité libre de la table de robot et la personne B guider l'extrémité du robot, de déplacer la table à la porte. À la porte, défaire l'attache, et rouler sur la table du robot à la salle.
4. Annuler toutes les vis de la boîte de blindage et les deux vis de la plaque de la sécurité et retirer le robot.

6. Les résultats représentatifs:

Idéalement, le robot haptique et l'IRMf ne devrait pas affecter l'autre. Nous pouvons dire en ligne si le robot est touché par l'IRMf. Généralement, si un câble parallèle du robot n'est pas correctement blindé et filtré, puis la lecture des moteurs sera oscillateurfin rapidement. Ceci peut être fixé par un double contrôle de l'aluminium de blindage sur le câble, que le noyau ferreux est correctement placé sur le câble parallèle à proximité du robot, et que le filtre seulement pour le robot est le filtre personnalisé sur le côté salle du scanner de l'passent à travers . Détection des erreurs dans les IRMf est vraiment possible qu'après que les données ont été réduites et analysées, mais une analyse anatomique devraient être prises au début de l'étude et vérifié les effets de fermeture éclair ou d'autres artefacts indicatif de bruit corrélé (par exemple pic de bruit) ^7. Souvent, un tel bruit vient du métal au contact de métal et peuvent être nettoyés en serrant les vis sur la table de robot, surtout les vis de réglage main sur le côté de la table. De nos tests le signal IRMf de référence pour bruit (SNR) est ~ 380 et avec le robot entièrement blindé dans la pièce qui tombe à un niveau encore raisonnable ~ 330. Si le bouclier n'est pas en place sur le robot, puis la chute de SNR suite à ~ 250, et les effets sonores deviennent très importantes.

Comme le montre le ^4, le degré 3 de la liberté dans la commune centre de la poignée a peu d'effet sur ​​la dynamique de l'interaction robot / main, sauf pour le changement de distance du robot. La commune dans le centre de la poignée agit comme un point d'appui et renverse le mouvement apparent dans deux directions (gauche-droite et haut-bas) mais pas le troisième (avant-arrière). Depuis le fantôme et la main sont aux extrémités opposées de la manette comme manche avec son point d'appui dans le milieu, les gains sont appliquées dans le logiciel dans chacune des trois directions euclidienne: les gains négatifs dans les deux directions, commandé par la rotule et un gain positif dans le sens de l'articulation du curseur. L'effet net de la poignée et le pivot reproduit les trois degrés de liberté complète du robot Phantom, à seulement 9 pieds de distance.

Figure 1 L'appareil utilisé pour monter le robot haptique pour une utilisation dans l'environnement IRMf. Haut montre le robot haptique montés dans le cas avant boîtier (en haut, à gauche) et le cardan / curseur conjointe à mi-chemin de la poignée (en haut, à droite). Bas, de gauche montre un sujet dans le scanner de manipuler la poignée. Bas, est juste une bande dessinée de l'effecteur de blindage et de fin.

Figure 2 Résultats de l'épreuve BIRN pour le robot entièrement blindé avec le mouvement. Les trois images avec des croix indiquent les sections du modèle de tête sphérique, et le bas à droite montre une vue en trois dimensions. Les petits points sont des bulles dans le modèle de tête statique et sont toujours présents. Le manque de bandes ou fermetures à glissière grandes indique que le bruit du robot n'est pas corrélé.

Discussion

Le robot IRMf compatibles ouvre de nouvelles possibilités pour des expériences en neuroscience de contrôle moteur. L'étape la plus critique dans le setup est le blindage du robot pour éviter des artefacts dans l'IRMf, que nous ne en deux étapes. D'abord, le robot lui-même est d'environ 9 'loin de l'ennuyer avec un long, léger, poignée soutenue en son milieu avec un degré 3 de la liberté commune. Deuxièmement, le robot est enfermé dans un 1 / 16 boîte en aluminium "-1 / 4" avec un plastique conique (13 "diamètre à la base, 6" de diamètre supérieure x 42 "de long) guide de papier d'aluminium de blindage qui a été calculée pour bloquer ~ 100dB de bruit dans la bande de fréquence pertinentes IRMf,> 100 MHz. Dans l'avenir, le cuivre blindage pourrait être utilisé pour remplacer le papier d'aluminium sur le cône, mais il accomplit actuellement de manière satisfaisante est que, à un coût considérable et un gain de poids. Aussi, pour d'autres élargir la portée de l'équipement, nous prévoyons d'intégrer simultanément EEG / IRMf avec le système actuel.

Le principal problème de sécurité associé à la mise en place expérimentale est le potentiel d'objets ferromagnétiques d'être tiré avec une grande force dans l'alésage de l'aimant IRMf. Pour minimiser ce risque, tous les équipements auxiliaires, tels que le bouclier et la table de roulement, sont construits à partir de matériaux non-magnétiques. Comme le robot haptique lui-même contient des matériaux ferromagnétiques, une attention particulière doit être exercée à l'égard de son positionnement. Le robot est fixé à la table de roulement et l'ensemble est attachée au mur avant de rouler le montage dans la salle de l'aimant. La longueur de l'attache est conçu de sorte que le robot ne peut pas dépasser l'extrémité de la table patient. Enfin, pour assurer un fonctionnement sûr, le personnel expérimental doit prendre un soin particulier à suivre le protocole détaillé est décrit ailleurs dans ce document.

Une des caractéristiques les plus importantes de l'IRMf est qu'il utilise les rayonnements non ionisants et est donc plus sûrs que les technologies concurrentes plus invasives, comme le PET, sans perte de localisation de l'activité considérée dans les technologies passives, comme l'EEG ou MEG. L'inconvénient de l'IRMf que nous surmonter avec l'adaptation du robot haptique est de faire de l'équipement compatible avec le champ magnétique élevé et de sensibilité au bruit de l'IRMf, tout en maintenant sa fonctionnalité. Les tentatives précédentes pour étudier le comportement moteur humain se sont appuyés sur l'air comprimé ou d'eau ^{8 9} appareils qui ont mauvais temps de réponse rendant inapproprié pour une interaction réaliste avec l'environnement ou des disques externes situées à la salle de scanner avec des degrés de liberté limitée. La solution ici, semblable à une étude antérieure qui utilise un robot blindé modèle de bas-force, dans une IRMf 1.5 T ^4, en gardant les équipements dans la chambre et le blindage, donne à la gamme complète de mouvement des compresseurs d'air, mais avec le jeûne, latences milliseconde d'entraînements électriques.

Avec l'équipement en marche, nous cherchons actuellement à réexaminer les expériences classiques de contrôle moteur comme pointant avec une pénalité ^{de 5} ou ¹⁰ séquence d'apprentissage ainsi que de développer de nouvelles expériences impliquant la réalité virtuelle immersive avec le robot permettant une interaction haptique. La relative facilité d'utilisation de l'actuel protocole va ouvrir le IRMf en temps réel, des expériences interactives mouvement.

Materials

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