触觉机器人适应在3T功能磁共振成像

Summary

在一个3T功能磁共振成像的触觉机器人的适应和使用说明。

Abstract

功能磁共振成像（fMRI）提供优秀的脑功能成像，通过大胆的信号，包括非电离辐射，毫米的解剖和^功能数据的空间精度2， ^和近^实时分析3优势1。触觉的机器人提供了精确的测量和控制光标在一个合理的密闭空间的位置和力。下面我们结合这两项技术，让精密的实验，涉及电机与触觉/触觉环境的相互作用，如达到或抓控制。其基本思路是附加一个8英尺的最终效应器中心允许主体使用的机器人， ^机器人 4的支持，但它屏蔽和最极端的部分磁场从功能磁共振成像机（图1 ）。

幻影高级3.0 6DOF，高力机器人（SensAble技术公司）是一个很好的选择提供在虚拟现实实验^5，6的力反馈，但它本质上非议员的安全，引入了显著的噪音敏感功能磁共振成像设备，其电动机可能会受到强烈变磁场的fMRI。我们已经建立了一个表，并屏蔽系统，使机器人安全地引入到功能磁共振成像环境，并限制电气噪声电机的fMRI信号的退化和电动机性能退化的强烈不同的磁场FMRI。盾的fMRI信号的信噪比（SNR：平均信号/噪声标准差）变为〜380〜330的基准，并没有屏蔽250。余下的噪音似乎是不相关的，不添加文物测试领域的功能磁共振成像（图2）。长，僵硬的处理允许安置机器人磁场的最强烈的不同部分的范围，所以不存在的fMRI机器人的显著效果。因为它是轻量级的，手柄的效果机器人的运动是最小的（〜2.6磅），但非常僵硬的3 / 4“石墨和良好的中间3DOF联合平衡。最终的结果是一个功能磁共振成像兼容，触觉系统与约1立方英尺的工作空间，并且，当与虚拟现实相结合，它允许一个功能磁共振成像的环境，包括自然深远的，被动的位移肢体和触觉感知，适应不同力场的学习进行新的实验或纹理识别^5，6。

Protocol

1。扫描仪室外面

1. 将免费支持结束长期分离处理的外部结束滚动表。
2. 检查机器人被关闭。
3. 表中插座的机器人及安全机器人用2个螺丝，铝的安全板。
4. 将最终效应器与机器人处理的铝适配器和检查，它可自由移动。
5. 附加的10个“并行电缆与铝屏蔽的机器人和检查，是完整的屏蔽。如果需要添加额外的箔。
6. 将铝屏蔽盒，在小心地放置到背面的凹槽平行和电力电缆的机器人。
7. 仔细拧上屏蔽盒。
8. 进入电缆沟包铝箔屏蔽盒，可以肯定的陪衬使得并行电缆的屏蔽接触。

2。两个人，一个和B移动到扫描仪室

1. 准备进入一个高磁场环境中删除任何和所有的金属物体，包括有色金属，例如，手机，钥匙，硬币等..
2. 直到机器人的第一控股机器人表和某乙稳定底框，滚它的自由端与人刚刚进入房间的门。
3. 某乙剪辑的安全绳拴到背面屏蔽的情况下，检查，另一端是牢固地附着在墙上的锚锚孔。
4. 一起工作，滚进了房间表和附加魔术贴绑带脚下的fMRI表。表的机器人末端必须保持尽可能的扫描仪。
5. 机器人的并行电缆连接到控制室，通过自定义过滤器，并在机器人插件。并行电缆的屏蔽箔应与过滤器的接触。
6. 将长手柄的外观部分（最终效应器）和验证，将进入功能磁共振成像孔干净。

3。在中控室

1. 启动控制计算机和6“平行线连接到机器人。一定要消除任何额外的过滤器，可通过内部通过。
2. 验证机器人电机关闭，启动幻影校准程序和验证电机从机器人的校准例程的位置读数稳定。
3. 仔细检查并行电缆连接和连接，只有大的自定义过滤器校准例程，如果不能看到机器人或电机读数有大的变化。
4. 打开机器人开放的端口屏蔽盒的背面，并用棍子按开关。
5. 锥形波导年底大约为中心的最终效应器，重新启动校准程序。通过校准步骤和检查框校准中有适当的触觉交互。
6. 从功能磁共振成像（BNC接头）Labjack ADC的控制计算机上附加的TTL输出。

4。主体

1. 准备一个高磁场环境与标准的fMRI协议的主体。
2. 设置任何额外设备的实验，例如，视觉显示系统。我们使用NordicNeuro实验室，视觉系统提供可视化显示的立体视觉，提出虚拟环境时特别有用的一个特点，就是。
3. 主体后躺在表头线圈是位于手螺丝松动，滑动表的顶部，直到这个问题可以舒适地移动，调整机器人的距离。
4. 手动到机器人末端的控股，而fMRI的表孔，以防止摇晃脚轮指南表。确保年底效应器进入孔和不赶在外面。
5. 运行实验。

5。打破两个人一个和B的设置

1. 病人退出后，取出长手柄的外观端和脱离功能磁共振成像表，撤消的魔术贴带机器人表。
2. 从机器人，撤消屏蔽的平行线，并拔掉电源线。
3. 与人的控股机器人表和某乙指导机器人末端的自由端，移动表的大门。在门口，撤消的系绳，并滚动机器人表到大厅。
4. 撤消屏蔽盒中的所有螺丝和安全板的两个螺丝，取出机器人。

6。代表性的成果：

理想的情况下，机器人的触觉和fMRI不应相互影响。我们可以告诉在线的，如果机器人是由功能磁共振成像的影响。一般来说，如果机器人的并行电缆是不正确的屏蔽和过滤，然后电机的读数将振荡后期迅速。这可以是固定的双重检查铝电缆的屏蔽，铁芯是放在附近的机器人并行电缆，唯一的过滤器，机器人上的通扫描仪室一边通过自定义过滤器。检测功能磁共振成像中的错误真的是唯一可能已经减少和分析后的数据，但应尽早采取解剖扫描，在研究和检查拉链效应或其他文物表明相关噪声（如^尖峰噪声）7。通常情况下，这种噪声来自金属对金属接触，可清洗拧紧所有螺丝机器人表上，特别是表一侧的手调节螺钉。从我们的测试基准fMRI信号信噪比（SNR）是完全屏蔽在房间的机器人仍然合理〜330滴〜380。如果屏蔽不到位的机器人，那么的信噪比进一步下降到〜250，和噪声的影响变得非常显著。

如图⁴所示，自由联合处理中心3度机器人/手互动的动态影响不大，除了转向机器人。联合处理中心的作用就像一个支点，反转视运动的方向（左，右和上下），但不是三分之一（前瞻性）。由于幻影手像处理与它的支点在中间的杠杆两端，收益是应用软件中的三个欧几里德方向：旋转接头控制两个方向的负收益和正增益在滑块联合的方向。处理和旋转的净效应再现了整整3度的自由的幽灵机器人，只有9“之遥。

图1所使用的器具，将其安装在功能磁共振成像环境使用的触觉机器人。上方显示的触觉机器人安装的情况下，前外壳（顶部，左）和万向节/滑块在处理的中点（上，右）联合。底部，左侧显示在扫描仪的操纵手柄问题。底部，右侧是一个卡通的屏蔽和结束的效应器。

图2的结果完全屏蔽的机器人与运动BIRN测试。跨越三个图像显示球形的头部模型，并在右下角显示一个三维视图。小圆点是泡在静态头部模型，并始终存在。缺乏大型的条纹或拉链表明，从机器人的噪声是不相关的的。

Discussion

fMRI的兼容机器人开辟了新的可能性，在电机控制神经系统的实验。最关键的一步是在设置屏蔽机器人，以防止文物在功能磁共振成像，这是我们在两个步骤做。首先，机器人本身是约9'从孔距离长，重量轻，在它的中间支持与3度的自由联合处理。二，机器人被装在1 / 16“-1 / 4”用塑料锥形（13“底部直径6”顶端直径x 42“长）铝箔屏蔽波导计算块〜100分贝铝框在功能磁共振成像的有关频带的噪音，> 100 MHz的铜屏蔽在未来，可以用来取代锥体上的铝箔，但目前执行圆满大幅节约成本和重量。此外，为进一步扩大范围的设备，我们计划纳入同步的脑电图/当前系统的功能磁共振成像。

与实验设置相关的主要安全问题是潜在的伟大力量拉进的功能磁共振成像磁体的孔的铁磁​​性物体。为了尽量减少这种风险，所有的辅助设备，如屏蔽和滚动表，是从非磁性物料建造。由于触觉机器人本身包含铁磁材料，必须特别注意​​行使其定位。该机器人是安全的滚动表，整个大会是拴在墙上之前滚动到磁铁室大会。系绳的长度设计，使机器人不能移动病人表结束过去。最后，实验人员，以确保安全运行，必须采取特别的照顾，按照详细的协议，在这个文件描述。

功能磁共振成像的最重要的特点之一是，它使用非电离辐射，因此比更具侵入性的竞争性技术，如宠物，更安全，没有看到在被动的技术，如EEG或MEG的活动本地化的损失，。我们克服与触觉机器人适应功能磁共振成像的缺点，同时保持其功能，使设备兼容与高磁场和功能磁共振成像的噪声敏感度。以前曾试图研究人类的运动行为依赖或者压缩空气或^水 9设备的响应时间差，使得他们对现实与环境的互动不适当或驱动器上的外部与有限度的自由扫描仪室的。这里的解决方案，类似先前的研究中，使用非屏蔽下力模型的机器人，在1.5 T磁共振成像^4，保持设备室和屏蔽，提供全方位空气压缩机的运动，但与快速，电力驱动的毫秒延迟。

随着设备运转起来，我们现在正在重新审视经典的电机控制实验，如^罚 5或序列^学习 10的指向，以及开发新的实验，涉及完全沉浸式虚拟现实的机器人提供触觉交互。当前协议的使用相对缓和，将开放的fMRI实时，互动的运动实验。

Materials

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