Summary
يوصف التكيف واستخدام الروبوت لمسي في 3T الرنين المغناطيسي الوظيفي.
Abstract
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) على تصوير الدماغ وظيفية ممتازة عن طريق إشارة BOLD 1 مع المزايا بما في ذلك الإشعاع غير المؤين ، والدقة المكانية للبيانات ملليمتر التشريحية والوظيفية 2 ، وتقريبا في الوقت الحقيقي والتحليلات 3. الروبوتات اللمسية تقديم قياس دقيق والسيطرة على الموقف وقوة المؤشر في مكان ضيق إلى حد معقول. هنا جمعنا بين هذه التقنيات اثنين للسماح التجارب التي تنطوي على الدقة والتحكم الحركي مع لمسي / اللمس تفاعل البيئة مثل التوصل أو استيعاب. الفكرة الأساسية هي أن إرفاق effecter نهاية 8 القدم معتمدة في مركز للروبوت 4 موضوع السماح لاستخدام الروبوت ، ولكن ذلك التدريع وابقائها خارج الجزء الأكثر تطرفا من الحقل المغناطيسي من جهاز الرنين المغناطيسي الوظيفي (الشكل 1 ).
قسط فانتوم 3.0 ، 6DoF ، وارتفاع قوة الروبوت (SensAble تكنولوجيز ، وشركة) هو خيار ممتاز لتوفير قوة التغذية المرتدة في تجارب الواقع الافتراضي 5 ، 6 ، ولكنها بطبيعتها غير آمنة السيد ، ويدخل ضوضاء كبيرة للحساسية الرنين المغناطيسي الوظيفي يمكن أن تتأثر المعدات ، والمحركات الكهربائية والخمسين من الرنين المغناطيسي الوظيفي وبقوة متفاوتة المجال المغناطيسي. لقد وضعنا جدولا ونظام التدريع الذي يسمح للروبوت قدم بأمان في البيئة الرنين المغناطيسي الوظيفي وحدود كل من تدهور للإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي من المحركات الصاخبة كهربائيا وتدهور أداء المحركات الكهربائية بواسطة الحقل المغناطيسي بقوة متفاوتة من الرنين المغناطيسي الوظيفي. مع الدرع ، وإشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR : تعني إشارة / ضجيج الانحراف المعياري) من يذهب الرنين المغناطيسي الوظيفي من خط الأساس من ~ ~ 380 إلى 330 ، 250 و ~ دون التدريع. الضجيج ويبدو أن ما تبقى غير مترابطة والتحف لا يضيف إلى الرنين المغناطيسي الوظيفي لكرة الاختبار (الشكل 2). منذ فترة طويلة ، والتعامل مع تيبس يسمح وضع الروبوت خارج النطاق من أكثر الأجزاء بقوة متفاوتة من المجال المغناطيسي لذلك ليس هناك تأثير كبير من الرنين المغناطيسي الوظيفي على الروبوت. تأثير التعامل مع الحركيات الروبوت هو الحد الأدنى لأنها خفيفة الوزن (~ 2،6 £) ولكن للغاية قاسية 3 / 4 "الغرافيت ومتوازن على المفصل 3DoF في الوسط ، والنتيجة النهائية هي الرنين المغناطيسي الوظيفي متوافق نظام لمسي ، مع حوالي 1 قدم مكعب من مساحة العمل ، وعندما يقترن الواقع الافتراضي ، فإنه يسمح لمجموعة من التجارب الجديدة التي سيتم تنفيذها في البيئة الطبيعية بما في ذلك الرنين المغناطيسي الوظيفي التشرد ، والتوصل إلى سلبية من طرف والادراك لمسي ، وتعلم التكيف في مجالات متفاوتة القوة ، أو تحديد الملمس 5 ، 6.
Protocol
1. خارج غرفة الماسح الضوئي
- وضع الجدول المتداول مع نهاية حرة وانتهاء بدعم خارجي من مقبض طويل منفصلة.
- الاختيار التي يتم فيها تشغيل الروبوت قبالة.
- وضع الروبوت في المقبس الطاولة وتأمين السلامة لوحة الألومنيوم على الروبوت مع 2 البراغي.
- إرفاق effecter نهاية للتعامل مع الروبوت مع محول الألومنيوم والتحقق من انه يتحرك بحرية.
- نعلق كابل 10 'بالتوازي مع الالومنيوم التدريع مع الروبوت وتأكد من أن التدريع سليمة. إضافة احباط اضافية اذا لزم الامر.
- مكان مربع الألومنيوم التدريع على الروبوت الحرص على وضع مواز وكابلات الكهرباء في أخدود على ظهره.
- المسمار بعناية في مربع التدريع.
- حزمة رقائق الألومنيوم في الأخدود كابل في مربع التدريع والتأكد من احباط يجعل الاتصال مع التدريع على الكابل المتوازي.
2. الانتقال الى غرفة الماسح الضوئي مع شخصين ، A و B
- الاستعداد للدخول في بيئة عالية المجال المغناطيسي عن طريق إزالة أي وجميع الأجسام المعدنية غير الحديدية بما في ذلك منها ، على سبيل المثال ، الهواتف المحمولة ، ومفاتيح ، والنقود المعدنية ، الخ...
- مع نهاية عقد ألف شخص في نهاية الجدول خالية من وباء الروبوت الشخص استقرار نهاية مربع ، ولفة انها الحرة الأولى حتى يدخل الروبوت مجرد باب الغرفة.
- مقاطع B الشخص مربوط الحبل الأمن إلى ثقب مرساة على خلفية قضية التدريع والشيكات التي ترتبط بقوة الطرف الآخر مرتكزا الجدار.
- العمل معا ، ولفة على طاولة في غرفة وإرفاقه مع الأشرطة فيلكرو إلى سفح الجدول الرنين المغناطيسي الوظيفي. يجب على الروبوت نهاية الجدول البقاء بعيدة عن الماسح الضوئي ممكن.
- نعلق كابل الروبوت موازية لتصفية مخصص على بالمرور إلى غرفة التحكم ، والمكونات في الروبوت. ينبغي للاحباط التدريع على كبل متوازي اجراء اتصالات مع المرشح.
- نعلق الجزء الخارجي من مقبض طويل (effecter النهاية) والتحقق من أنها سوف تدخل تحمل من الرنين المغناطيسي الوظيفي نظيفة.
3. في غرفة التحكم
- بدء تشغيل جهاز الكمبيوتر مراقبة ونعلق كابل 6 'بالتوازي مع الروبوت. تأكد من إزالة أية عوامل تصفية الإضافية التي قد تكون على الجزء الداخلي من بالمرور.
- تحقق من أن يتم تشغيل المحركات الروبوت إيقاف ، بدء روتين فانتوم المعايرة والتحقق من أن قراءات موقف المحركات من الروتين المعايرة الروبوت مستقرة.
- المزدوج تحقق من اتصال كبل متوازي وهذا هو تعلق فقط تصفية واسعة مخصصة إذا روتين المعايرة لا تستطيع رؤية الروبوت أو هناك اختلافات كبيرة في قراءات السيارات.
- تشغيل الروبوت عن طريق فتح منفذ على الجزء الخلفي من المربع التدريع واضغط على مفاتيح بعصا.
- إعادة معايرة روتينية مع نهاية effecter تركزت تقريبا في نهاية الدليل الموجي المخروطية. الخطوة من خلال معايرة والتحقق من أن مربع مربع المعايرة والتفاعل لمسي المناسبة.
- نعلق الإخراج TTL من الرنين المغناطيسي الوظيفي (موصل BNC) إلى ADC Labjack السيطرة على جهاز الكمبيوتر.
4. الموضوع
- يعد هذا الموضوع من أجل بيئة الحقل المغناطيسي عالية مع البروتوكولات القياسية الرنين المغناطيسي الوظيفي.
- إعداد أي معدات اضافية للتجربة ، على سبيل المثال ، نظام العرض المرئي. نستخدم مختبر NordicNeuro الرؤية المحدودة ، التي تنص على نظام ستيريو عرض من العروض البصرية ، وهي الميزة التي هي مفيدة بشكل خاص عند تقديم البيئات الافتراضية.
- بعد هذا الموضوع يستلقي على الطاولة ، ويقع لفائف الرأس ، وضبط المسافة من الروبوت من خلال تخفيف الخناق جهة وانزلاق الجزء العلوي من الجدول حتى يمكن نقل هذا الموضوع بشكل مريح.
- دليل الجدول يدويا عن طريق التمسك نهاية الروبوت في حين أن الجدول الرنين المغناطيسي الوظيفي يتحرك داخل وخارج الفتحة لمنع العجلات من متذبذب. تأكد من effecter يذهب الى نهاية تتحمل ولا يصاب في الخارج.
- تشغيل التجربة.
5. كسر الإعداد مع شخصين A و B
- بعد خروج المريض ، وإزالة نهاية الخارجي للمعالجة طويلة وفصل الجدول الروبوت من الجدول بواسطة الرنين المغناطيسي الوظيفي فك رباط الفيلكرو.
- من الروبوت ، والتراجع عن محمية الكابل المتوازي وافصل كابل الطاقة.
- ألف شخص مع نهاية عقد خالية من الجدول الروبوت وباء شخص توجيه الروبوت نهاية ، نقل الجدول إلى الباب. عند الباب ، والتراجع عن الحبل ، ولفة الجدول الروبوت إلى القاعة.
- التراجع عن كل المسامير من مربع التدريع ومسامير اثنين من لوحة السلامة وإزالة الروبوت.
6. ممثل النتائج :
من الناحية المثالية ، ينبغي أن الروبوت والرنين المغناطيسي الوظيفي لمسي لا تؤثر على بعضها البعض. يمكن أن نقول إذا كان يتم عبر الإنترنت أثرت على الروبوت من الرنين المغناطيسي الوظيفي. عموما ، إذا لم يتم كابل الروبوت موازية محمية بشكل صحيح وتصفيتها ، ثم قراءات من المحركات oscilبسرعة في وقت متأخر. هذا يمكن ان تكون ثابتة عن طريق فحص مضاعفة الألومنيوم التدريع في كابل ، التي يتم وضعها بشكل صحيح الأساسية حديدية على كبل متوازي بالقرب من الروبوت ، وأنه مرشح فقط على الروبوت هو تصفية مخصص على الماسح الضوئي غرفة من الجانب بالمرور . اكتشاف أخطاء في الرنين المغناطيسي الوظيفي هو حقا ممكن فقط بعد أن تم تقليص البيانات وتحليلها ، ولكن ينبغي أن تؤخذ تفحص التشريحية في وقت مبكر من دراسة وفحص للتأثيرات سستة أو غيرها من الأعمال الفنية يدل على الضوضاء ارتباطا (على سبيل المثال ارتفاع الضوضاء) 7. بشكل متكرر ، مثل الضوضاء يأتي من المعادن المعدنية على الاتصال ، ويمكن تنظيف من خلال تشديد الخناق على كل طاولة الروبوت ، وبخاصة مسامير التكيف اليد على جانب من طاولة المفاوضات. من تجاربنا إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي الأساس إلى نسبة الضوضاء (SNR) هو ~ 380 و مع الروبوت محمية تماما في الغرفة التي تنخفض إلى معقولة لا يزال ~ 330. إذا كان الدرع ليس في مكان على الروبوت ، ثم تراجع لمزيد من SNR ~ 250 ، وآثار الضجيج تصبح كبيرة جدا.
كما هو مبين في 4 و 3 من درجة مشتركة الحرية في وسط مقبض له تأثير يذكر على ديناميات التفاعل الروبوت / ومن ناحية باستثناء التحول بعيدا عن الروبوت. المشترك في وسط مقبض يتصرف مثل نقطة ارتكاز ويعكس هذا الاقتراح واضح في اثنين من الاتجاهات (اليسار واليمين وحتى أسفل) ولكن لا ثالث (إلى الأمام والخلف) منذ فانتوم واليد هي على طرفي نقيض من ذراع التعامل مع مثل نقطة ارتكاز في الوسط ، وتطبق المكاسب في مجال البرمجيات في كل من الاتجاهات الثلاثة الإقليدية : المكاسب السلبية في الاتجاهين التي يسيطر عليها قطب المشتركة ، وكسب إيجابي في اتجاه مشترك المنزلق. الأثر الصافي للمقبض دوار ويستنسخ كامل 3 درجات الحرية للروبوت فانتوم ، فقط 9 'بعيدا.
الشكل 1 استخدام جهاز لتركيب الروبوت لمسي للاستخدام في بيئة الرنين المغناطيسي الوظيفي. يظهر أعلى الروبوت منصة لمسي في حالة قبل الضميمة (أعلى ، يسار) وgimbal / المنزلق مشتركة في منتصف المقبض (أعلى ، يمين). أسفل ، يسار يظهر الموضوع في الماسح الضوئي التلاعب في التعامل معها. القاع ، هو حق لرسم كاريكاتوري للeffecter التدريع ونهاية.
الشكل 2 نتائج اختبار الروبوت بيورن لمحمية تماما مع الحركة. الصور الثلاث مع الصلبان تظهر أجزاء من نموذج الرأس الكروية ، والجزء السفلي يبين حق عرض ثلاثي الأبعاد. النقاط الصغيرة هي فقاعات في نموذج الرأس ثابت ودائما ما تكون موجودة. عدم وجود خطوط كبيرة أو السوستة يشير إلى أن الضجيج غير مترابطة من الروبوت.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الرنين المغناطيسي الوظيفي للروبوت متوافق يفتح آفاقا جديدة لإجراء التجارب في علم الأعصاب من التحكم في المحركات. الخطوة الأكثر أهمية في الإعداد هو التدريع للروبوت لمنع القطع الأثرية في الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وهو ما كنا نفعله في خطوتين. الأول ، هو الروبوت ذاته حوالي 9 'بعيدا عن تحمل مع طويلة ، مقبض ، وخفيفة الوزن المعتمدة في منتصفه مع درجة 3 مشتركة الحرية. الثانية ، والروبوت هو المغطى في 1 / 16 "-1 / 4" مربع الألومنيوم مع المخروطية البلاستيك (13 "قطر القاعدة ، 6" × 42 قطرها العلوي "طويلة) الدليل الموجي مع رقائق الالومنيوم التدريع التي تم حسابها لمنع ~ 100dB الضوضاء في نطاق الترددات الرنين المغناطيسي الوظيفي ،> 100 ميغاهيرتز. وفي المستقبل ، يمكن أن تستخدم النحاس التدريع لاستبدال رقائق الألومنيوم على مخروط ، لكنه ينفذ حاليا بصورة مرضية كما هو بتكلفة كبيرة ، وإنقاذ الوزن ، وأيضا لمزيد من توسيع نطاق المعدات ، ونحن نخطط لدمج المتزامنة EEG / الرنين المغناطيسي الوظيفي مع النظام الحالي.
قلق السلامة الرئيسية المرتبطة يصل تعيين التجريبية هو محتمل لكائنات المغناطيسية ليتم سحبها بقوة كبيرة في تحمل من المغناطيس الرنين المغناطيسي الوظيفي. هي التي شيدت لتقليل هذه المخاطر ، وجميع المعدات الملحقة ، مثل الدرع والجدول المتداول ، من غير المواد المغناطيسية. كما الروبوت لمسي نفسه يحتوي على مواد المغناطيسية ، يجب أن تمارس عناية خاصة فيما يتعلق موقعها. يتم تأمين الروبوت إلى طاولة المتداول والمربوطة التجميع بأكمله إلى الحائط قبل المتداول التجمع في غرفة المغناطيس. صمم طول الحبل بحيث لا يمكن للروبوت التحرك بعد نهاية الجدول المريض. أخيرا ، لضمان التشغيل الآمن ، ويجب على موظفي التجريبية عناية خاصة لمتابعة بروتوكول مفصلة وصف مكان آخر في هذه الوثيقة.
واحدة من أهم سمات والرنين المغناطيسي الوظيفي هو أنه يستخدم الإشعاع غير المؤين ، وبالتالي أكثر أمانا من التكنولوجيات المتنافسة أكثر الغازية ، مثل الدائرة ، من دون فقدان توطين النشاط السلبي ينظر في تكنولوجيات مثل EEG أو MEG. العيب الرنين المغناطيسي الوظيفي لأننا التغلب على التكيف مع لمسي الروبوت هو جعل أجهزة متوافقة مع الحقل المغناطيسي وحساسية عالية من الضوضاء الرنين المغناطيسي الوظيفي مع الحفاظ على وظائفه. وقد اعتمدت المحاولات السابقة لدراسة السلوك البشري المحرك على الهواء المضغوط إما 8 أو 9 الماء الأجهزة التي لها أوقات الاستجابة الفقراء مما يجعلها غير مناسبة للتفاعل واقعية مع البيئة الخارجية أو محركات الأقراص الموجودة في غرفة الماسح الضوئي مع درجة محدودة من الحرية. الحل هنا ، على غرار الدراسة السابقة التي استخدم نموذج الروبوت دون رادع أقل قوة ، في الرنين المغناطيسي الوظيفي T 1.5 4 ، والحفاظ على المعدات في غرفة والتدريع ، ويعطي مجموعة كاملة من الحركة من ضواغط الهواء ، ولكن مع الصوم ، الإختفاء ميلي ثانية واحدة من المحركات الكهربائية.
مع المعدات وتشغيلها ، ونحن نتطلع الآن إلى إعادة النظر في التجارب الكلاسيكية مثل التحكم في المحركات لافتا مع عقوبة 5 أو 10 تسلسل التعلم وكذلك تطوير واقع التجارب الجديدة التي تشمل كامل الظاهري غامرة مع الروبوت توفير التفاعل لمسي. والسهولة النسبية لاستخدام بروتوكول الحالي فتح الرنين المغناطيسي الوظيفي لفي الوقت الحقيقي ، وتجارب الحركة التفاعلية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
نود أن نشكر كون لو وكورتس رونالد لتقديم المساعدة التقنية. وأيد هذا العمل من قبل موري ONR جائزة رقم : N00014 - 10 - 1-0072 NSF ، منح # SBE - 0542013 لديناميات الزمنية من مركز التعلم ، وهي علوم NSF مركز التعلم ، ومنحة المعاهد الوطنية للصحة # 2 NS036449 R01 - 11.
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).
