Summary
3TのfMRIの中の触覚ロボットの適応と使用が記載されている。
Abstract
機能的磁気共鳴画像（fMRI）は非電離放射線、解剖学的および機能的なデータのミリ空間精度2、ほぼリアルタイムの分析3を含む利点とBOLD信号1を介して、優れた脳機能イメージングを提供します。ハプティックロボットは、合理的に限定されたスペース内でカーソルの位置と力の精密計測と制御を提供しています。ここでは、触覚/などに到達するか、または把握のような触覚環境の相互作用によるモータ制御に関わる精密実験を可能にするためにこれら二つの技術を組み合わせる。基本的な考え方は図1（被験者がロボットを使用できるようにロボットは4〜中央でサポートされている8フィートのエンドエフェクタを添付することですが、それを遮蔽し、fMRIのマシンからの磁界の最も極端な部分から、それを締め出す）。
ファントムプレミアム3.0、6自由度、高フォースロボットは（SensAble Technologies社）バーチャルリアリティの実験5,6で、フォースフィードバックを提供するための優れた選択肢ですが、それは本質的に非MR安全です、敏感に大きなノイズを紹介します機能的MRI装置、およびその電気モーターが強く磁場を変化させてfMRIによる影響を受ける可能性があります。我々は、ロボットが安全に機能的MRI環境に導入することを可能にするとの大きく変化する磁場によって電気的ノイズの多いモーターによるfMRI信号の劣化と電気モーターの性能の劣化の両方を制限するテーブルとシールドシステムを構築しています機能的MRI。シールドと、信号対雑音比（SNR：平均シグナル/ノイズの標準偏差）fMRIのは、〜380のベースラインから〜330、およびシールドなし〜250になります。残りのノイズが無相関であるために表示され、試験球の機能的MRI（図2）にアイテムを追加していません。ロボットの機能的MRIの有意な効果がないので、長く、硬いハンドルが磁場の中で最も大きく変化する部分の範囲外のロボットの配置を可能に。ロボットの運動学上のハンドルの効果は、それが軽量であるため、最小限のです（〜2.6ポンド）が非常に堅い3 / 4"グラファイトと真ん中に3自由度関節の上にバランスよく。と最終結果は、fMRIの互換性、触覚システムです。作業スペースの約1立方フィート、そして、バーチャルリアリティと組み合わせると、それは様々な力の場での適応学習、手足や触覚知覚の自然な遠大な、受動的な変位を含むfMRIの環境で実行される実験の新しいセットが可能、またはテクスチャ識別5,6。
Protocol
1。スキャナ室の外
- サポートされて自由端と切り離さ長いハンドルの外側の端でローリングテーブルに置きます。
- ロボットがオフになっていることを確認してください。
- テーブルのソケットにロボットを置き、2本のネジでロボットを介してアルミニウムの安全性のプレートを固定します。
- アルミアダプター付きロボットハンドルにエンドエフェクタを取り付け、それが自由に動くことを確認してください。
- アルミロボットにシールドと10'のパラレルケーブルを接続し、シールドが損なわれていないことを確認してください。必要に応じて余分な箔を追加。
- 背面の溝に平行ケーブルと電源ケーブルを配置するように注意してロボットを介しアルミシールドボックスを置きます。
- シールドボックスに慎重にねじ込みます。
- シールドボックスのケーブル溝にアルミホイルを梱包し、箔がパラレルケーブルにシールドに接触することを確認してください。
2。二人、AとBとスキャナの部屋に移動する
- あらゆる非鉄もの、例えば、携帯電話、鍵、硬貨等を含むすべての金属物を除去することにより、高磁場環境を入力するための準備..
- 人とロボットまで、最初に、ロボットのテーブルやボックスの端を安定させる人物Bの自由端をロール保持自由端は、ちょうど部屋のドアに入る。
- ユーザーBのクリップは、セキュリティのロープは、もう一方の端がしっかりと壁のアンカーに接続されているシールドケースと小切手の裏面にアンカー穴につなが。
- 一緒に働いて、部屋にテーブルをロールバックし、fMRIのテーブルの足にマジックテープのストラップで、それを添付。テーブルのロボットの終わりには、可能な限り、スキャナから滞在する必要があります。
- ロボットでのカスタムコントロールルームに至るまでのパスでフィルタ、およびプラグにロボットのパラレルケーブルを接続します。パラレルケーブルのシールド箔は、フィルターとの接触を確認する必要があります。
- 長いハンドルの外側の部分（エンドエフェクタ）を添付し、それが正常に機能的MRIのボアを入力することを確認してください。
3。制御室で
- 制御用コンピュータを起動して、ロボットに6'パラレルケーブルを取り付けます。パススルーのインテリアの一部になる可能性のある追加のフィルタを削除してください。
- ロボットのモータがオフになっていることを確認する、ファントムキャリブレーションルーチンを起動して、ロボットのキャリブレーションルーチンからモータの位置の読み出しが安定していることを確認してください。
- パラレルケーブル接続をチェックし、キャリブレーションルーチンがロボットを見ることができないまたはモーターの読み出しに大きな変動がある場合にのみ、大規模なカスタムフィルタが接続されていることをダブルクリック。
- シールドボックスの背面のポートを開くことで、ロボットの電源を入れ、棒でスイッチを押してください。
- 略円錐導波路の端を中心とするエンドエフェクタを持つキャリブレーションルーチンを再起動します。キャリブレーションをステップ実行し、ボックスのキャリブレーションボックスが適切なハプティックインタラクションを持っていることを確認してください。
- 制御用コンピュータで機能的MRI（BNCコネクタ）からLabjack ADCへのTTL出力を取り付けます。
4。対象と
- 標準的なfMRIのプロトコルと高磁場環境のための主題を準備します。
- 実験、例えば、視覚的な表示システムのための余分な機器をセットアップします。我々は、視覚的なディスプレイのステレオ表示、仮想環境を提示するときに特に便利です機能を提供するNordicNeuroラボ、（株）ビジョンシステムを使用してください。
- 被写体がテーブルの上に横になると、ヘッドのコイルが位置された後、手のネジを緩め、被験者が快適に移動できるようになるまでテーブルの上をスライドさせて、ロボットの距離を調整する。
- fMRIの表は、ウォブリングからキャスターを防ぐために、ボアのうちに動いている間にロボットの端に保持することによって手動でテーブルをご案内。エンドエフェクタは、穴に入ると外でキャッチしていないことを確認してください。
- 実験を実行します。
5。二人とBとのセットアップを打破する
- 患者が終了した後、長いハンドルの外側の端を削除し、ベルクロストラップを元に戻すことによってfMRIのテーブルからロボットのテーブルを切り離します。
- ロボットから、シールドパラレルケーブルを元に戻すと電源ケーブルを抜いてください。
- 人とロボットのテーブルとロボットの終了を導く人物Bの自由端を持って、ドアにテーブルを移動する。玄関で、テザーを取り消し、そしてホールにロボットのテーブルをロールアウト。
- すべてのシールドボックスからネジと安全性のプレートから2本のネジを元に戻すとロボットを取り外します。
6。代表的な結果：
理想的には、触覚ロボットとfMRIはお互いに影響を与えないはずです。ロボットは、fMRIによる影響を受けている場合我々はオンラインで伝えることができます。ロボットのパラレルケーブルが適切に遮蔽され、フィルタリングされていない場合は一般的に、、その後、モーターの読み出しは、発振される後半急速に。これは、鉄のコアが適切にロボットの近くにパラレルケーブル上に配置されていること、二重ケーブルのシールドアルミをチェックすることで固定し、ロボットにのみフィルタすることは、パススルーのスキャナの部屋側のカスタムフィルタですできます。 fMRIの中のエラーを検出すると、データが減少して分析された後に実際には可能ですが、解剖学的スキャンは、初期の研究で採取し、相関ノイズ（例えばスパイクノイズ）7の示すジッパーの効果や他のアーティファクトをチェックする必要があります。頻繁に、このようなノイズは、金属の接点に金属から来ていると、特にロボットのテーブルのすべてのネジ、テーブルの側の手の調整ネジを締めてクリーンアップすることができます。我々のテストから雑音比にベースラインのfMRIの信号（SNR）〜380と完全にはまだ合理的〜330まで下がる部屋にシールドロボットとなります。シールドはロボット上の場所にない場合は、〜250、およびノイズの影響をさらにSNRの低下は非常に重要になります。
4に示すように、ハンドルの中心にある自由のジョイントの3度はロボットから離れてシフトすることを除き、ロボット/ハンド相互作用の動力学にほとんど影響を与えません。ハンドルの中央のジョイントが支点のように動作し、向きは2（左右、上下）が、サードではない（将来のバック）で明らかに動きが逆になります。ファントムと手が途中でその支点とハンドルのようなレバーの反対側の端にあるので、利益は3つのユークリッド方向のそれぞれにソフトウェアで適用されます。スイベルジョイントと正のゲインで制御される二つの方向に負の利益スライダージョイントの方向です。ハンドルとスイベルの正味の効果は、ファントムのロボットの自由度、車でわずか9'の完全な3度を再現。
図1 fMRIの環境で使用するための触覚ロボットをマウントするために使用される装置。トップへ前の筐体（左、上）とハンドルの中間点（右、上）での共同ジンバル/スライダーのケースに実装されている触覚ロボットを示しています。左下には、ハンドルを操作するスキャナの主題を示しています。底には、右のシールドと終了エフェクタの漫画です。
動きと完全にシールドされたロボットのためのBIRN試験の2の結果図 。十字架と3つの画像は、球状の頭部モデルのセクションを示し、そして右下には、3次元のビューを示しています。小さな丸は、静的な頭部モデルにおける気泡であり、常に存在している。大きなストライプやジッパーの欠如は、ロボットからのノイズが相関していることを示します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
fMRIの互換性のあるロボットは、モータ制御の神経科学の実験のための新たな可能性を開きます。セットアップで最も重要なステップは、我々は二つのステップで行う機能的MRI、内のアーティファクトを防ぐために、ロボットのシールドです。最初に、ロボット自体が長く、軽量、自由関節の3度と、その途中でサポートされているハンドルを持つボアから離れて約9'です。第二に、ロボットがプラスチックの円錐形（13"ベースの直径、6"トップ直径× 42"長い）〜100dBをブロックするように計算されたアルミ箔シールドと導波管と1 / 16"-1 / 4"アルミボックスに包み込まれているfMRIの関連する周波数帯域のノイズが、> 100 MHzで。将来的には、銅シールドが円錐上にアルミ箔を置き換えるために使用することができるが、それは現在のような大幅なコストと軽量化にある十分に行い、また、促進する機器の範囲を拡大し、我々は現在のシステムとの同時EEG / fMRIを組み込むことを計画。
実験的なセットアップに関連付けられている主要な安全性については、fMRIマグネットのボア中に大きな力で引っ張られる強磁性体のオブジェクトの可能性があります。このリスクを最小限に抑えるために、シールドおよび圧延テーブルなどのすべての補助機器は、非磁性材料から構成されています。触覚ロボット自体は強磁性材料が含まれているように、特別な注意は、その位置を基準にして行使する必要があります。ロボットは、ローリングテーブルに固定され、アセンブリ全体が磁石の部屋にアセンブリを圧延する前に、壁につながれている。テザーの長さは、ロボットが患者テーブルの終わりを越えて移動できないように設計されています。最後に、安全な動作を確保するため、実験担当者はこの文書のどこかに記載の詳細なプロトコールに従うように特に注意する必要があります。
fMRIの最も重要な特徴の一つは、非電離放射線を使用し、EEGやMEGのような受動的な技術に見られる活性の局在性を損なうことなく、PETのような、より侵襲的な競合技術、、よりしたがって、より安全であるということです。我々は触覚ロボットの適応と克服という機能的MRIの欠点は、その機能を維持しながら、機能的MRIの高磁場とノイズ感度を持つ機器の互換性を確保することです。ヒトの運動挙動を研究する以前の試みは、圧縮空気8または自由の制限された学位を持つスキャナの部屋への外部にある環境やドライブとの現実的な相互作用のため、それらが不適切なこと悪い応答時間を持っている水9デバイスのどちらかに頼ってきた。部屋とシールドで機器を維持、1.5 T fMRIを4に、シールドなしの低力モデルのロボットを使用する以前の研究と同様の解決策は、、、空気圧縮機の動きの完全な範囲を与えるが、高速で電気駆動装置のミリ秒の遅延時間。
稼働している機器で、我々は今ハプティックインタラクションを提供するロボットによる完全没入型バーチャルリアリティに関連する新しい実験を開発するだけでなく、ペナルティ5または学習シーケンス10を指すように再検査古典的なモータ制御実験に求めています。現在のプロトコルの使用の相対的な容易さは、リアルタイムにインタラクティブな動きの実験をfMRIを開く予定。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
利害の衝突は宣言されません。
Acknowledgments
我々は技術支援のためにくん呂とロナルドクルツに感謝します。この作品は、ONRのMURI賞号によってサポートされていました：N00014 - 10 - 1から0072まで、NSFの助成＃SBE - 0542013学習センター、学習センターのNSFの科学、およびNIHの助成第2位R01 NS036449 - 11の空間ダイナミクスに。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Phantom premium 1.5/6dof, high force model | SensAble, Geomagic |
References
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 9868-9872 (1990).
- Heeger, D. J., Ress, D. What does fMRI tell us about neuronal activity. Nat. Rev. Neurosci. 3, 142-151 (2002).
- deCharms, R. C.
- Hribar, A., Koritnik, B., Munih, M. Phantom haptic device upgrade for use in fMRI. Medical and Biological Engineering and Computing. 47, 677-684 (2009).
- Trommershauser, J., Gepshtein, S., Maloney, L. T., Landy, M. S., Banks, M. S. Optimal compensation for changes in task-relevant movement variability. J. Neurosci. 25, 7169-7178 (2005).
- Konczak, J., Li, K. Y., Tuite, P. J., Poizner, H. Haptic perception of object curvature in Parkinson's disease. PLoS ONE. 3, e2625-e2625 (2008).
- Lipton, M. L., Lipton, M. L. Artifacts: When things go wrong, it's not necessarily all bad. Totally Accessible MRI. , Springer. New York. 139-153 (2008).
- Rajh, M., Glodez, S., Flasker, J., Gotlih, K., Kostanjevec, T. Design and analysis of an fMRI compatible haptic robot. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 27, 267-275 (2011).
- Burdet, E., Gassert, R., Gowrishankar, G., Chapuis, D., Bleuler, H. fMRI compatible haptic interfaces to investigate human motor control. Experimental Robotics IX, of Springer Tracts in Advanced Robotics. Ang, M., Khatib, O. 21, Springer. Berlin. 25-34 (2006).
- Nakamura, T. Functional networks in motor sequence learning: abnormal topographies in Parkinson's disease. Hum Brain Mapp. 12, 42-60 (2001).
