Adaptação de um robô Haptic em um fMRI 3T

Summary

A adaptação e utilização de um robô haptic em um fMRI 3T é descrito.

Abstract

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 "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.}

Protocol

1. Fora da sala de scanner

1. Colocar a tabela de rolamento com a extremidade livre suportada eo fim exterior do punho longo destacados.
2. Verifique se o robô está desligado.
3. Coloque o robô no soquete de mesa e segura a placa de segurança de alumínio sobre o robô com dois parafusos.
4. Anexar o effecter fim ao lidar com robô com o adaptador de alumínio e verifique se ela se move livremente.
5. Anexar o 10 'cabo paralelo com blindagem em alumínio para o robô e verifique se a proteção está intacta. Adicionar folha extra se necessário.
6. 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.
7. Apertar novamente com cuidado na caixa de blindagem.
8. 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.

2. Movendo para a sala de scanner com duas pessoas, A e B

1. 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 ..
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Anexar a parte exterior da alça longa (effecter final) e verificar se ele vai entrar no furo do fMRI limpa.

3. Na sala de controle

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Ligar o robô, abrindo a porta na parte traseira da caixa de blindagem e pressione as chaves com um pau.
5. 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.
6. Anexar a saída TTL da fMRI (conector BNC) para o ADC LABJACK no computador controle.

4. O assunto

1. Preparar o tema para um ambiente de alto campo magnético com os protocolos fMRI padrão.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Executar o experimento.

5. Quebrar a configuração com duas pessoas A e B

1. 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.
2. Do robô, desfazer o cabo blindado em paralelo e desconecte o cabo de alimentação.
3. 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.
4. Desfazer todos os parafusos da caixa de blindagem e os dois parafusos da placa de segurança e remover o robô.

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.

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.

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.

Discussion

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 "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 "-1 / 4" com um cone de plástico (13 "de diâmetro de base, 6" de diâmetro superior x 42 "de comprimento) de guia de onda com blindagem de alumínio que foi calculado para bloquear ~ 100dB de ruído na banda de frequência fMRI relevantes,> 100 MHz. No futuro, cobre blindagem pode ser usado para substituir a folha de alumínio no cone, mas atualmente realiza satisfatoriamente como é, a um custo substancial e redução de peso. Além disso, para continuar a ampliar o alcance do equipamento, pretendemos incorporar simultânea EEG / RMf com o sistema atual.

A preocupação principal de segurança associados com o set-up experimental é o potencial de objectos ferromagnéticos a ser puxado com muita força dentro do furo do ímã fMRI. Para minimizar este risco, todos os equipamentos auxiliares, como o escudo e mesa de rolamento, são construídos a partir de materiais não magnéticos. Como o robô haptic em si contém materiais ferromagnéticos, cuidados especiais devem ser tomados com relação ao seu posicionamento. O robô está garantido para a mesa de rolamento e todo o conjunto é preso à parede antes de lançar o conjunto dentro da sala de ímã. O comprimento do cabo é projetado para que o robô não consegue mover além do fim da tabela paciente. Finalmente, para garantir uma operação segura, o pessoal experimental deve tomar cuidado especial para seguir o protocolo detalhado descrito em outras partes deste documento.

Uma das características mais importantes do fMRI é que ele usa radiação não-ionizante e é, portanto, mais seguros do que as tecnologias concorrentes mais invasivos, como PET, sem a perda da localização da atividade observada em tecnologias passivas como EEG ou MEG. A desvantagem de fMRI que vençamos com a adaptação robô háptica é fazer com que equipamentos compatíveis com o campo magnético de alta sensibilidade e ruído do fMRI, mantendo a sua funcionalidade. Tentativas anteriores para estudar o comportamento motor humano têm contado com ar comprimido ou ⁸ ou ⁹ água dispositivos que têm tempos de resposta pobres tornando-os inadequados para a interação realista com o ambiente ou drives externos localizados à sala de scanner com limitado nível de liberdade. A solução aqui, semelhante a um estudo anterior que utilizou um robô modelo blindado menor força, em um 1.5 T fMRI ^4, mantendo o equipamento na sala e blindagem, dá a gama completa de movimento de compressores de ar, mas com o jejum, latências milissegundo de motores elétricos.

Com o equipamento instalado e funcionando, nós estamos olhando agora para reexaminar clássicos experimentos de controle do motor como apontar com pena de ⁵ ou ¹⁰ seqüência de aprendizagem, bem como desenvolver novos experimentos envolvendo totalmente a realidade virtual imersiva com o robô oferecendo interação háptica. A relativa facilidade de utilização do protocolo atual vai abrir o fMRI em tempo real, as experiências de movimento interativo.

Materials

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