Anpassning av en haptisk robot i en 3T fMRI

Summary

Den anpassning och användning av en haptisk robot i en 3T fMRI beskrivs.

Abstract

Funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) ger utmärkt funktionell hjärnavbildning via BOLD signal ¹ med fördelar, inklusive icke-joniserande strålning, millimeter spatiala noggrannhet på anatomiska och funktionella uppgifter ^2, och nästan i realtid analyserar ^3. Haptiska robotar ge exakt mätning och kontroll av läge och kraft en markör i ett någorlunda slutet utrymme. Här kan vi kombinera dessa två tekniker för att möjliggöra precision försök med motorstyrning med haptisk / taktil miljö interaktion såsom nå eller förstå. Grundtanken är att bifoga en 8 fotändan effecter stöd i mitten för att roboten ⁴ låta motivet för att använda roboten, men skyddar den och håller den borta från de mest extrema delen av magnetfältet från fMRI-maskinen (Figur 1 ).

Fantomen Premium 3,0, 6DoF, hög kraft robot (sensibelt Technologies, Inc.) är ett utmärkt val för att ge kraft-återkoppling i virtuell verklighet experiment ^{5, 6,} men det är inte till sin natur MR säker, innebär betydande brus till den känsliga fMRI utrustning, och elmotorer kan påverkas av fMRI är starkt varierande magnetfält. Vi har konstruerat ett bord och avskärmning system som tillåter roboten att på ett säkert sätt förs in i fMRI miljön och begränsar både nedbrytning av fMRI-signalen av elektriskt störande motorer och nedbrytningen av elmotorn prestanda genom den starkt varierande magnetfält i fMRI. Med sköld, signal-brus-förhållande (SNR: medelvärde signal / brus standardavvikelse) går av fMRI från ett utgångsvärde på ~ 380 till ~ 330 och ~ 250 utan skärmning. Den återstående brus verkar vara okorrelerade och inte lägga artefakter till fMRI av ett test sfär (figur 2). Den långa, styva handtag tillåter placering av roboten utom räckhåll för de mest starkt varierande delar av det magnetiska fältet så det finns ingen signifikant effekt av fMRI på roboten. Effekten av handtaget på robotens kinematik är minimal eftersom det är lätt (~ £ 2,6) men extremt styvt 3 / 4 "grafit och väl balanserad på 3DoF gemensamma i mitten. Slutresultatet är en fMRI-kompatibel, haptiska system med ca 1 kubikfot arbetsutrymme, och i kombination med virtuell verklighet, möjliggör det en ny uppsättning av experiment som ska utföras i fMRI-miljö, inklusive naturalistiska nå, passiv förskjutning av lem och haptisk perception, anpassning lärande i olika kraftfält , eller konsistens identifiering ^{5, 6.}

Protocol

1. Utanför skannern rummet

1. Placera den rullande bordet med stöd fria änden och utsidan slutet av fristående långt skaft.
2. Kontrollera att roboten är avstängd.
3. Placera roboten i tabellen sockeln och fäst plattan aluminium säkerhet under roboten med två skruvar.
4. Fäst änden effecter till roboten handtaget med aluminium-adaptern och kontrollera att den går fritt.
5. Fäst 10 'parallell kabel med aluminiumskärmning till roboten och kontrollera att skärmning är intakt. Lägg till extra folie om det behövs.
6. Placera aluminiumskärmning rutan under roboten var noga med att placera parallella och kraftkablar i skåran på baksidan.
7. Skruva försiktigt på skärmboxen.
8. Packa aluminiumfolie i kabeln spåret på avskärmning låda och vara säker på folien kommer i kontakt med avskärmning på parallellkabeln.

2. Flytta in i skannern rum med två personer, A och B

1. Förbered dig på att skriva en högt magnetfält miljö genom att ta bort någon och alla metalliska föremål, inklusive icke-järnmetaller sådana, t.ex. mobiltelefoner, nycklar, mynt, etc. ..
2. Med person A att hålla den fria änden av roboten bordet och person B stabilisera lådan slutet, rulla den fria änden först tills roboten går bara dörren till rummet.
3. Person B klipp säkerhetslinan bundna till ett ankare hål på baksidan av avskärmning fallet och kontrollerar att den andra änden sitter ordentligt fast på en vägg ankare.
4. Att arbeta tillsammans, rulla bordet i rummet och fäst den med kardborreband till foten av fMRI-tabellen. Roboten slutet av tabellen måste hålla sig så långt från skannern som möjligt.
5. Fäst robotens parallellkabeln till eget filter på passera till kontrollrummet, och koppla in roboten. Skärmen folie på parallellkabeln ska ta kontakt med filtret.
6. Fäst den yttre delen av den långa handtag (slutet effecter) och kontrollera att den kommer in i hålet i fMRI rent.

3. I kontrollrummet

1. Starta kontroll datorn och fäst 6 "parallellkabeln till roboten. Var noga med att ta bort alla extra filter som kan vara på inre delen av passera.
2. Kontrollera att roboten motorerna är avstängda, starta Phantom kalibrering rutin och kontrollera att positionen avläsning av motorer från robotens kalibrering rutin är stabila.
3. Dubbelkolla parallell kabelanslutning och att endast de stora anpassat filter är fäst vid kalibreringen rutin inte kan se roboten eller det finns stora variationer i motorn avläsning.
4. Slå på roboten genom att öppna porten på baksidan av avskärmning rutan och tryck på växlar med en pinne.
5. Starta kalibreringen rutin med slutet effecter ungefär centrerad i slutet av den koniska vågledare. Steg genom kalibreringen och kontrollera att rutan kalibreringen rutan har rätt haptiska interaktion.
6. Anslut TTL-utgång från fMRI (BNC-kontakten) till Labjack ADC på kontrollpanelen dator.

4. Ämnet

1. Förbered ämne för ett högt magnetfält miljö med standarden fMRI-protokoll.
2. Ställ in någon extra utrustning för experimentet, t ex visuell display system. Vi använder NordicNeuro Lab, Inc. Vision System som ger stereovisning av visuella displayer, en egenskap som är särskilt användbart när man presenterar virtuella miljöer.
3. Efter att ämnet ligger på bordet och huvudet spolen ligger, justera avståndet mellan roboten genom att lossa handen skruvarna och skjuta överst i tabellen tills motivet kan röra sig bekvämt.
4. Guide tabellen manuellt genom att hålla roboten slutet medan fMRI-bordet rör sig in och ut ur hålet för att förhindra att hjulen från vinglar. Se till i slutet effecter går in i hålet och som inte fångar på utsidan.
5. Kör experimentet.

5. Bryt ner setup med två personer A och B

1. Efter att patienten utgångar, ta bort den yttre änden av den långa handtaget och lossa roboten tabellen från fMRI-tabellen genom att lossa kardborreband.
2. Från roboten, ångra skärmad parallellkabel och dra ur nätsladden.
3. Med person A att hålla den fria änden av roboten bordet och person B som styr roboten slut, flytta bordet till dörren. Vid dörren, lossa tjuder, och rulla roboten tabellen ut till hallen.
4. Lossa alla skruvar från skärmning rutan och de två skruvarna från säkerhets-plattan och ta bort roboten.

6. Representativa resultat:

Helst ska haptiska roboten och fMRI påverkar inte varandra. Vi kan tala om på nätet om roboten påverkas av fMRI. Generellt, om robotens parallellkabeln inte är ordentligt avskärmad och filtreras, då avläsningen av motorerna kommer oscilloskopsen snabbt. Detta kan åtgärdas genom att dubbelklicka kontrollera aluminiumskärmning på kabeln, att det slags järn kärna är korrekt placerad på parallellkabeln nära roboten, och att det enda filter på roboten är anpassat filter på skannern rummet sidan av passera . Upptäcka fel i fMRI är egentligen bara möjligt efter det att uppgifterna har minskat och analyseras, men en anatomisk skanning bör tas tidigt i studien och kontrolleras för dragkedja effekter eller andra artefakter indikerar korrelerade ljud (t.ex. spik buller) ^7. Ofta kommer ett sådant buller från metall mot metall kontakt och kan saneras genom att dra åt alla skruvar på roboten bordet, speciellt handen justerskruvarna på sidan av bordet. Från våra tester baslinjen fMRI signal-brus-förhållande (SNR) är ~ 380 och med roboten helt avskärmade i rummet som sjunker till en fortfarande rimligt ~ 330. Om skärmen inte är på plats på roboten, då SNR sjunka ytterligare till ~ 250 och effekter buller bli mycket betydande.

Som framgår av ⁴ har 3 frihetsgrader gemensamt i mitten av handtaget liten inverkan på dynamiken i roboten / handen interaktion än att flytta den bort från roboten. Det gemensamma i mitten av handtaget fungerar som en stödpunkt och vänder den skenbara rörelse i två riktningar (vänster-höger och upp-ner), men inte den tredje (framåt-bakåt). Eftersom Phantom och handen är på motsatta sidor av spaken som handtag med sin balanspunkt i mitten, finns vinster tillämpas i program i de tre euklidiska riktningar: negativ vinster i två riktningar kontrolleras av svivelled och positiv förstärkning i riktning mot reglaget gemensamma. Nettoeffekten av handtaget och vrid återger hela 3 grader av frihet i Phantom roboten, bara 9 "bort.

Figur 1 Den apparat som används för att montera haptisk robot för användning i fMRI miljö. Top visar haptisk robot monterad i fallet innan kapsling (överst, vänster) och gimbal / reglaget gemensamt vid mittpunkten av handtaget (överst till höger). Botten, vänster visar ett ämne i skannern manipulera handtaget. Botten, rätt är en tecknad serie av avskärmning och slut effecter.

Figur 2 Resultat av Birn test för fullt skärmade robot med rörelse. De tre bilder med kors visar delar av det sfäriska huvudet modellen, och längst ner till höger visar en tredimensionell vy. De små prickarna är bubblor i statiska modellen och är alltid närvarande. Bristen på stora ränder eller dragkedjor anger att buller från roboten är okorrelerade.

Discussion

Den fMRI kompatibel Roboten öppnar nya möjligheter för experiment i neurovetenskap för motorstyrning. Det mest kritiska steget i installationen är avskärmning av roboten för att förhindra artefakter i fMRI, som vi gör i två steg. För det första är roboten ca 9 "bort från hålet med en lång, lätt, handtag stödjas i sina mitten med en 3 frihet gemensamt. För det andra är roboten innesluten i en 1 / 16 "-1 / 4" aluminium låda med en plast konisk (13 "bas diameter, 6" top diameter x 42 "lång) vågledare med aluminiumfolie avskärmning som beräknades att blockera ~ 100dB av buller i fMRI aktuella frekvensbandet,> 100 MHz. I framtiden kan koppar användas för att ersätta aluminiumfolie på konen, men för närvarande fungerar tillfredsställande som är en betydande kostnad och lägre vikt. Dessutom, för att ytterligare utvidga omfattningen av den utrustning, planerar vi att införliva samtidig EEG / fMRI med det nuvarande systemet.

Det viktigaste säkerhetsproblem i samband med den experimentella set-up är potentialen för magnetiska föremål att dras med stor kraft in i hålet i fMRI-magnet. För att minimera denna risk, alla tillhörande utrustning, såsom skölden och rullande bord, är tillverkade av icke-magnetiskt material. Som haptisk roboten själv innehåller ferromagnetiska material, måste särskild försiktighet iakttas med avseende på dess positionering. Roboten är fastsatt i rullning bordet och hela församlingen är tjudrad i väggen innan rullande församlingen in i magneten rummet. Längden på tjuder är utformad så att roboten inte kan gå förbi i slutet av patienten bordet. Slutligen, för att garantera säker drift måste experimentell personalen vara extra noga med att följa de detaljerade protokoll som beskrivs på annan plats i detta dokument.

En av de viktigaste egenskaperna hos fMRI är att den använder icke-joniserande strålning och är därmed säkrare än mer invasiva konkurrerande tekniker, såsom PET, utan förlust av lokalisering av verksamheten ses i passiv teknik som EEG eller MEG. Nackdelen med fMRI att vi övervinna med haptisk robot anpassning är att göra utrustning som är kompatibel med den höga magnetfält och buller känslighet fMRI med bibehållen funktionalitet. Tidigare försök att studera människans motorik har förlitat sig på antingen tryckluft ⁸ eller vatten ⁹ enheter som har dåliga svarstider vilket gör dem olämpliga för realistisk interaktion med miljön eller enheter belägna utanför scannern rummet med begränsade frihetsgrader. Lösningen här, som liknar en tidigare studie som använde en oskärmad lägre kraft modell robot, i en 1,5 T fMRI ^4, hålla utrustningen i rummet och skärmning ger full rörlighet av kompressorer, men med snabba, millisekund latenser av elektriska drivsystem.

Med utrustningen igång, söker vi nu att se över klassiska motorstyrning experiment som pekar med påföljd ⁵ eller sekvens lärandet ¹⁰ samt utveckla nya experiment med helt omslutande virtuell verklighet med roboten ger haptiska interaktion. Den relativa användarvänlighet av det nuvarande protokollet kommer att öppna upp fMRI till realtid, interaktiva rörelse experiment.

Materials

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