Summary
L'adattamento e l'uso di un robot tattile in un fMRI 3T è descritto.
Abstract
La risonanza magnetica funzionale (fMRI), fornisce un eccellente imaging funzionale del cervello tramite il segnale BOLD 1 con vantaggi tra cui radiazioni non ionizzanti, precisione millimetrica spaziale dei dati anatomici e funzionali 2, e quasi in tempo reale analisi 3. Robot tattile fornire una misurazione precisa e il controllo della posizione e la forza di un cursore in uno spazio ragionevolmente ristretti. Qui combinare queste due tecnologie per consentire gli esperimenti che coinvolgono la precisione di controllo del motore con haptic / interazione ambiente tattili, quali il raggiungimento o afferrare. L'idea di base è quella di collegare un effecter end 8 piedi supportati al centro per il robot 4 che permette al soggetto di utilizzare il robot, ma proteggendolo e mantenendolo fuori della parte più estrema del campo magnetico dalla macchina fMRI (Figura 1 ).
Il fantasma Premium 3.0, 6DoF, alta forza di robot (SensAble Technologies, Inc.) è una scelta eccellente per la fornitura di force-feedback in esperimenti di realtà virtuale 5, 6, ma è intrinsecamente non-MR cassetta di sicurezza, introduce rumore significativo al sensibile attrezzature fMRI, e la sua motori elettrici possono essere influenzati dalla fMRI è fortemente variabile campo magnetico. Abbiamo costruito un tavolo e sistema di schermatura che consente al robot di essere tranquillamente introdotti nell'ambiente fMRI e limita sia la degradazione del segnale fMRI dai motori elettrici rumorosi e il degrado delle prestazioni motore elettrico dal campo magnetico variabile forte delle fMRI. Con lo scudo, il rapporto segnale rumore (SNR: media segnale / rumore deviazione standard) della fMRI va da un basale di ~ 380 a ~ 330 e ~ 250 senza la schermatura. Il rumore residuo risulta essere non correlati e non aggiunge artefatti per la fMRI di una sfera di prova (Figura 2). La lunga maniglia rigida permette il posizionamento del robot fuori dalla portata delle parti più fortemente variabili del campo magnetico quindi non c'è alcun effetto significativo della fMRI sul robot. L'effetto della maniglia sulla cinematica del robot è minimo in quanto è leggero (~ 2.6 lbs), ma estremamente rigida 3 / 4 "grafite e ben bilanciata sul giunto 3DoF nel mezzo. Il risultato finale è un fMRI compatibile, sistema aptico con circa 1 piede cubico di spazio di lavoro, e, quando combinato con la realtà virtuale, permette una nuova serie di esperimenti da eseguire in un ambiente naturalistico tra cui fMRI raggiungere, lo spostamento passivo dell'arto e la percezione tattile, l'apprendimento di adattamento in diversi campi di forza , o l'identificazione struttura 5, 6.
Protocol
1. Fuori dalla stanza dello scanner
- Posizionare il tavolo a rotazione con l'estremità libera sostenuto e alla fine esterna del lungo manico staccato.
- Controllare che il robot è spento.
- Posizionare il robot nella presa tavolo e fissare la piastra di sicurezza in alluminio sopra il robot con 2 viti.
- Fissare il effecter fine alla maniglia del robot con l'adattatore in alluminio e verificare che si muove liberamente.
- Collegare il 10 'cavo parallelo con schermatura in alluminio al robot e controllare che la schermatura è intatto. Aggiungi foglio supplementare, se necessario.
- Posizionare la scatola di alluminio schermante sopra il robot avendo cura di posizionare il parallelo e cavi di alimentazione nella scanalatura sul retro.
- Attentamente vite sulla scatola schermatura.
- Confezione foglio di alluminio nella scanalatura del cavo sulla scatola schermatura e assicurarsi che il foglio entra in contatto con la schermatura del cavo parallelo.
2. Lo spostamento nella stanza dello scanner con due persone, A e B
- Preparatevi ad entrare in un ambiente di alto campo magnetico, eliminando qualsiasi e tutti gli oggetti metallici non ferrosi, compresi quelli, ad esempio, telefoni cellulari, chiavi, monete, ecc ..
- Con la persona A fine tenendo l'estremità libera del tavolo robot e la persona B stabilizzare la fine scatola, rotolare libero prima fino a quando il robot entra solo la porta della stanza.
- B clip persona alla fune di sicurezza legato ad un foro di ancoraggio sul retro della cassa schermatura e controlla che l'altra estremità è saldamente attaccato ad una parete di ancoraggio.
- Lavorando insieme, ruotare la tavola nella stanza e fissarla con le cinghie in velcro ai piedi del tavolo fMRI. La fine robot del tavolo deve rimanere il più dallo scanner come possibile.
- Collegare il cavo parallelo del robot per il filtro personalizzato sul passaggio alla sala di controllo, e collegare il robot. La pellicola schermatura del cavo parallelo deve prendere contatto con il filtro.
- Fissare la parte esterna del lungo manico (effecter fine) e verificare che entrerà nel foro della fMRI pulito.
3. Nella sala di controllo
- Avviare il computer di controllo e collegare il cavo parallelo 6 'al robot. Accertarsi di rimuovere eventuali filtri aggiuntivi che possono essere sulla parte interna del passaggio.
- Verificare che i motori del robot sono spenti, avviare la routine di calibrazione Phantom e verificare che la lettura di posizione dei motori dalla routine di calibrazione del robot sono stabili.
- Doppia controllare il cavo di collegamento in parallelo e che solo il filtro di grandi dimensioni personalizzate è collegato se la procedura di taratura non può vedere il robot o ci sono grandi variazioni nella lettura del motore.
- Accendere il robot aprendo la porta sul retro della scatola schermatura e premere gli interruttori con un bastone.
- Riavviare la procedura di calibrazione con il effecter fine circa centrato alla fine della guida d'onda conica. Passo attraverso la calibrazione e controllare che la casella di calibrazione box ha il un'adeguata interazione tattile.
- Collegare l'uscita TTL dalla fMRI (connettore BNC) per l'ADC Labjack sul computer di controllo.
4. Il soggetto
- Preparare il soggetto per un ambiente di alto campo magnetico con i protocolli standard di fMRI.
- Impostare qualsiasi equipaggiamento extra per l'esperimento, ad esempio, il sistema di visualizzazione. Usiamo il NordicNeuro Lab, Vision System Inc. che offre una visualizzazione stereo di visual display, una caratteristica che è particolarmente utile al momento della presentazione degli ambienti virtuali.
- Dopo che il soggetto si sdraia sul tavolo e la bobina testa si trova, regolare la distanza del robot allentando le viti a mano e facendo scorrere la parte superiore del tavolo fino a quando il soggetto può muoversi comodamente.
- Guida alla tabella manualmente premendo sull'estremità del robot, mentre la tabella fMRI si muove dentro e fuori il foro per evitare che le rotelle di oscillazione. Assicurarsi che il effecter fine va nel foro e non prendere sul lato esterno.
- Esegui l'esperimento.
5. Abbattere il setup con due persone A e B
- Dopo le uscite paziente, rimuovere alla fine esterno del manico lungo e staccare il tavolo robot dalla tabella fMRI annullando il cinturino in velcro.
- Dal robot, annullare il cavo schermato parallelo e scollegare il cavo di alimentazione.
- Un'azienda con la persona l'estremità libera del tavolo robot e la persona B guida la fine robot, spostare il tavolo verso la porta. Alla porta, annullare la pastoia, e ruotare la tavola robot verso la sala.
- Allentare tutte le viti dalla casella schermatura e le due viti dalla piastra di sicurezza e rimuovere il robot.
6. Rappresentante dei risultati:
Idealmente, il robot tattili e fMRI non dovrebbe influenzare l'un l'altro. Possiamo dire in linea se il robot viene colpiti dalla fMRI. In generale, se cavo parallelo del robot non è adeguatamente schermato e filtrato, poi la lettura dei motori sarà oscilloscopifine rapidamente. Questo può essere risolto con un doppio controllo della schermatura in alluminio sul cavo, che il nucleo ferroso sia correttamente posizionato sul cavo parallelo vicino il robot, e che l'unico filtro per il robot è il filtro personalizzato sul lato scanner sala del passaggio . Rilevare errori nella fMRI è davvero possibile solo dopo che i dati sono stati ridotti e analizzati, ma una scansione anatomica dovrebbe essere presa presto nello studio e controllato per gli effetti di cerniera o di altri artefatti indicativi di rumore correlato (per esempio rumore picco) 7. Frequentemente, il rumore che questi provengano da metallo a contatto metallo e possono essere ripulite serrando tutte le viti sul tavolo del robot, in particolare le viti di regolazione mano sul lato del tavolo. Dal nostro test il segnale fMRI basale a rumore (SNR) è ~ 380 e con il robot completamente schermati nella stanza che scende ad un ancora ragionevole ~ 330. Se lo scudo non è presente sul robot, poi la goccia SNR ulteriormente ~ 250, e gli effetti del rumore diventare molto significativo.
Come mostrato in 4, i 3 gradi di libertà comuni nel centro del manico ha scarso effetto sulla dinamica del robot / interazione mano se non a spostare lontano dal robot. Il giunto nel centro della maniglia agisce come un fulcro e inverte il moto apparente in due delle direzioni (destra-sinistra e alto-basso), ma non il terzo (avanti-indietro). Dato che la Phantom e la mano sono agli estremi opposti della leva come il manico con il suo fulcro nel mezzo, gli utili vengono applicate nel software in ciascuna delle tre direzioni euclidea: guadagna negativa nelle due direzioni controllato dalla snodo e un guadagno positivo nella direzione di scorrimento del giunto. L'effetto netto della maniglia girevole e riproduce l'intero 3 gradi di libertà del robot Phantom, a soli 9 'via.
Figura 1 L'apparecchio utilizzato per montare il robot tattile per l'uso in ambiente fMRI. Superiore mostra il robot tattile montato nel caso prima di custodia (in alto, a sinistra) e il giunto cardanico / cursore giunto a metà del manico (in alto, a destra). In basso, a sinistra mostra un soggetto nello scanner manipolare la maniglia. Fondo, è proprio un cartone animato della effecter schermatura e fine.
Figura 2 I risultati del test BIRN per il robot completamente schermati con il movimento. Le tre immagini mostrano con croci sezioni del modello testa sferica, e il basso a destra mostra una vista tridimensionale. I puntini sono bolle in testa il modello statico e sono sempre presenti. La mancanza delle strisce grandi o cerniere indica che il rumore dal robot non correlati.
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Discussion
Il robot compatibile fMRI apre nuove possibilità per gli esperimenti in neuroscienze del controllo motorio. La fase più critica nel setup è la schermatura del robot per evitare artefatti nella fMRI, che noi facciamo in due fasi. In primo luogo, lo stesso robot è di circa 9 'dal foro con un lungo, leggero, manico sostenuto nella sua metà con un grado 3 della comune libertà. In secondo luogo, il robot è racchiuso in un 1 / 16 "-1 / 4" scatola di alluminio con una in plastica conica (13 "di diametro di base, 6" di diametro superiore x 42 "di lunghezza) a guida d'onda con un foglio di schermatura di alluminio che è stato calcolato per bloccare ~ 100dB di rumore nella banda di frequenze fMRI,> 100 Mhz. In futuro, schermatura in rame potrebbero essere utilizzati per sostituire il foglio di alluminio sul cono, ma si svolge attualmente in modo soddisfacente è come a un costo considerevole risparmio di peso. Inoltre, per ulteriori ampliare la portata delle apparecchiature, abbiamo in programma di incorporare simultanea EEG / fMRI con l'attuale sistema.
La preoccupazione principale di sicurezza associati al set-up sperimentale è il potenziale per gli oggetti ferromagnetici per essere tirato con grande forza nel foro del magnete fMRI. Per minimizzare questo rischio, tutte le apparecchiature ausiliarie, come lo scudo e la tabella di rotolamento, sono costruiti con materiali non magnetici. Come il robot tattile stesso contiene materiali ferromagnetici, particolare attenzione deve essere esercitata rispetto al suo posizionamento. Il robot è fissato al tavolo di rotolamento e l'intero gruppo è legato al muro, prima di laminazione l'assemblea nella sala magnete. La lunghezza del cordino è progettato in modo che il robot non può muoversi oltre la fine del tavolo paziente. Infine, per garantire un funzionamento sicuro, il personale sperimentale deve prestare particolare attenzione a seguire il protocollo dettagliato descritto altrove in questo documento.
Una delle caratteristiche più importanti della fMRI è che utilizza radiazioni non ionizzanti ed è quindi più sicuro che più invasive tecnologie concorrenti, come la PET, senza la perdita di localizzazione di attività visto in tecnologie passive come l'EEG e MEG. Lo svantaggio di fMRI che abbiamo superato con l'adattamento robot tattile è quello di rendere compatibili con le apparecchiature ad alto campo magnetico e la sensibilità al rumore della fMRI mantenendone la funzionalità. I precedenti tentativi di studiare il comportamento umano hanno fatto affidamento su motore ad aria compressa o acqua 8 o 9 i dispositivi che hanno tempi di risposta poveri che li rende inadeguato per l'interazione realistica con l'ambiente esterno o unità situate nella stanza dello scanner con limitati gradi di libertà. La soluzione qui, simile ad un precedente studio che ha utilizzato un minore non schermati-robot forza del modello, in una T 1,5 fMRI 4, mantenendo l'attrezzatura in camera e schermatura, offre l'intera gamma di movimento di compressori d'aria, ma con il digiuno, latenze millisecondo di azionamenti elettrici.
Con le attrezzature in funzione, stiamo cercando di riesaminare classici esperimenti di controllo del motore come la punta con la pena di 5 o 10 sequenza di apprendimento, nonché di sviluppare nuovi esperimenti che coinvolgono realtà completamente virtuale immersiva con il robot fornendo un'interazione tattile. La relativa facilità di utilizzo del protocollo attuale aprirà la fMRI in tempo reale, gli esperimenti movimento interattivo.
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Vorremmo ringraziare Lu Kun e Ronald Kurz per l'assistenza tecnica. Questo lavoro è stato sostenuto da n ° Premio MURI ONR: N00014-10-1-0072, NSF concedere # SBE-0542013 alla dinamica temporale del Learning Center, un Science Learning Center di NSF, NIH e concedere # 2 NS036449 R01-11.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phantom premium 1.5/6dof, high force model | SensAble, Geomagic |
References
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