Адаптация Haptic Робот в 3Т МРТ

Summary

Адаптация и использование тактильной робота в 3Т МРТ описано.

Abstract

Функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) обеспечивает отличную функциональной визуализации мозга через BOLD сигнала ¹ с преимуществами в том числе неионизирующих излучений, миллиметр пространственную точность анатомических и функциональных данных ^2, и практически в режиме реального времени анализирует ^3. Haptic роботы обеспечивают точные измерения и контроля положения и силы курсор в достаточно ограниченном пространстве. Здесь мы объединяем эти две технологии, позволяющие прецизионных экспериментов с участием управления двигателем с тактильной / тактильного взаимодействия окружающей среды, таких как достижение или хватания. Основная идея заключается в придаем 8 футов конце effecter поддерживается в центре, чтобы робот ⁴ позволяет подлежат использованию робота, но его защита и сохранение его из самой крайней части магнитного поля от МРТ машины (рис. 1 ).

Phantom Премиум 3.0, 6DoF, высокая сила робота (SensAble Technologies, Inc) является отличным выбором для обеспечения силовой обратной связи в виртуальной реальности экспериментов ^{5, 6,} но она по сути своей не-MR безопасной, вносит значительный шум чувствительных МРТ оборудования, и его электродвигатели могут быть затронуты МРТ настоятельно переменным магнитным полем. Мы построили таблицу и защиты системы, которая позволяет роботу быть безопасно введен в МРТ окружающей среды и ограничивает как деградация МРТ сигнал электрически шумных моторов и деградации электрические характеристики двигателя при сильно меняющееся магнитное поле МРТ. С щита, отношение сигнала к шуму (SNR: средний сигнал / шум стандартное отклонение) МР-томографию идет от базовой ~ 380 до ~ 330 и ~ 250 без экранирования. Остальные шума, как представляется, некоррелированных и не добавляет артефакты фМРТ из теста шар (рис. 2). Длинная, жесткая ручка позволяет размещение робота из диапазона наиболее сильно различные части магнитного поля, так что нет существенного влияния МРТ на робота. Влияние ручку на кинематику робота является минимальным, так как он легкий (~ 2,6 фунта), но чрезвычайно жесткой 3 / 4 "графит и хорошо сбалансирован по 3DoF сустава в середине. Конечным результатом является МРТ совместимы, тактильной системы с около 1 кубический фут рабочего пространства, и, в сочетании с виртуальной реальностью, она позволяет новый набор экспериментов, которые будут выполнены в МРТ окружающей среды, включая натуралистические достижения, пассивное перемещение конечностей и тактильного восприятия, адаптации обучения в различных силовых полях , или текстуры идентификации ^{5, 6.}

Protocol

1. Вне сканер комнате

1. Место подвижного стола с свободным концом поддерживал и внешний конце длинной ручкой отсоединена.
2. Убедитесь, что робот отключен.
3. Место робота в таблице гнездо и безопасной алюминиевой пластине безопасности над роботом с 2-мя винтами.
4. Приложите конец effecter к роботу ручка с алюминиевой адаптера и убедитесь, что он движется свободно.
5. Прикрепите 10 'параллельный кабель с алюминиевыми экранирование для робота и убедиться, что защита не повреждена. Добавить дополнительные фольгой, если необходимо.
6. Место алюминием поле над роботом стараясь поставить параллельно и силовые кабели в паз на задней части.
7. Тщательно винт на защиту коробки.
8. Обновления алюминиевой фольги в кабель паз на экранирование окна и быть уверенным, фольга вступает в контакт с защитой на параллельный кабель.

2. Переезд в сканер комнате с двумя людьми, и Б

1. Подготовка вводить сильных магнитных полей среды, удаляя любые металлические предметы, в том числе цветных них, например, сотовые телефоны, ключи, монеты и т.д. ..
2. С лица холдинга свободный конец таблицы роботом и человеком B стабилизирующее поле конца, свернуть его свободный конец первой до робота просто входит дверь в комнату.
3. Клипы пользователь Б безопасности веревки привязал к якорю отверстие на задней экранирование корпуса и проверяет, что другой конец прочно прикреплены к стене якорь.
4. Работая вместе, рулон стол в комнате и прикрепить его с ремешками на липучке к подножию МРТ таблице. Робот конце таблицы должны оставаться как можно дальше от сканера как это возможно.
5. Прикрепите кабель параллельного робота для пользовательского фильтра на перевале до диспетчерской, и подключить робота. Экранирование фольгой на параллельный кабель, должны связаться с фильтром.
6. Прикрепите внешнюю часть длинной ручкой (конец effecter) и убедитесь, что он вступит отверстие МРТ чисто.

3. В диспетчерской

1. Начало управляющего компьютера и прикрепить параллельный кабель 6 ', чтобы робот. Не забудьте удалить любые дополнительные фильтры, которые могут быть на внутренней части пройти.
2. Убедитесь, что робот двигатели выключены, запуска Phantom рутинной калибровки и убедиться, что позиция считывания из двигателей мощностью от рутинной калибровки робота являются стабильными.
3. Дважды проверьте параллельное соединение кабеля и что только большой пользовательский фильтр крепится при калибровке рутина не может увидеть робота или Есть большие различия в считывания двигателя.
4. Включите робота, открыв порт на задней экранирование поле и нажмите выключатели с палкой.
5. Перезагрузка калибровки рутины с конца effecter примерно с центром в конце конический волновод. Шаг через калибровку и проверьте, что окно окно калибровки соответствующего взаимодействия тактильной.
6. Прикрепить выход TTL с МР-томографию (BNC разъем) к Labjack АЦП на управляющий компьютер.

4. Тема

1. Подготовка предметом высокой магнитной среде поле стандартных протоколов МРТ.
2. Настройка дополнительного оборудования для эксперимента, например, визуальная система отображения. Мы используем NordicNeuro Лаборатории, Inc Vision System, которая обеспечивает стерео просмотра визуального отображения, функция, которая особенно полезна при представлении виртуальных средах.
3. После предмет ложится на стол и голову катушки находится, регулировки расстояния робот, ослабив стороны винта и скольжение верхней части таблицы, пока субъект может комфортно двигаться.
4. Руководство таблицу вручную, держась робота конца в то время как МРТ стол движется в и из отверстия, чтобы предотвратить ролики от биения. Убедитесь, что в конце effecter входит в отверстие и не ловить на улице.
5. Запуск эксперимента.

5. Ломайте установки с двумя людьми и Б

1. После того как пациент выходит, удалить внешнюю конце длинной ручкой и отделить робот таблицу из таблицы МР-томографию, ослабив ремень Velcro.
2. От робота, отменить экранированный параллельный кабель и отключите кабель питания.
3. С лица холдинга свободный конец таблицы роботом и человеком B руководящих робота конца, перемещать стол к двери. На двери, отменить троса-н-ролл робот стол в коридор.
4. Отменить все винты с защитой ящика и два винта с безопасностью тарелку и удалите робота.

6. Представитель результаты:

В идеале, робот тактильной и МРТ не должны влиять друг на друга. Мы можем сказать, в Интернете, если робот под воздействием МРТ. Как правило, если кабель параллельного робота не экранирован и не фильтруется, то считывание моторы будут колебанийпоздно быстро. Это может быть исправлено путем двойной проверки алюминием на кабеле, что черные ядро ​​правильно размещены на параллельный кабель возле робота, и что единственный фильтр, чтобы робот настраиваемый фильтр на стороне сканера комнате проходят через . Обнаружение ошибки в МРТ действительно возможен только после данных были сокращены и проанализированы, но анатомическое сканирование должно быть принято в начале исследования и проверяется на эффект молнии или другие артефакты свидетельствуют о коррелированных шумов (например, шип шума) ^7. Часто такой шум исходит от металла о металл контакта и могут быть очищены, затянув все винты на стол робот, особенно ручная корректировка винта на стороне стола. В наших тестах сигнала базовой МРТ-шум (SNR) составляет ~ 380 и с роботом полный экран в комнате, которая падает до все еще разумные ~ 330. Если щит не в месте на роботу, то падение SNR далее ~ 250, и шумовые эффекты становятся очень значительными.

Как показано в ^4, 3 степени свободы сустава в центре ручки мало влияет на динамику робота / стороны взаимодействия, кроме как для сдвига его от робота. Сустава в центре ручки действует как точка опоры и меняет видимое движение в двух направлениях (влево-вправо и вверх-вниз), но не третий (вперед-назад). Так как Phantom и стороны находятся на противоположных концах рычага, как обращаться с его опорой в центре, прибыли применяются в программное обеспечение в каждом из трех направлений евклидовой: отрицательная прибыль в двух направлениях контролируется шарнирным соединением и положительный прирост в направлении слайдер сустава. Чистый эффект поворотной ручкой и воспроизводит полный 3-мя степенями свободы робота Phantom, только 9 езды.

Рисунок 1 аппарат, используемый для монтирования тактильной робота для использования в среде МРТ. Top показывает тактильной робота установлены в случае, до корпуса (сверху, слева) и карданном / слайдер совместных в середине ручки (сверху, справа). Снизу, слева показывает предмет в сканер манипулирования ручкой. Bottom, право карикатуру effecter экранирование и конец.

Рисунок 2 Результаты BIRN тест на полный экран робота с движением. Три изображения с крестами показывают участки сферической модели головы, и в правом нижнем углу показывает трехмерное представление. Маленькие точки являются пузырьки в статической модели головы и всегда присутствуют. Отсутствие крупных полос или молнии указывает, что шум от робота некоррелированными.

Discussion

МРТ совместимый робот открывает новые возможности для экспериментов в неврологии моторного контроля. Важнейшим шагом при установке является экранирование робота, чтобы предотвратить артефакты в МРТ, которые мы делаем в два этапа. Во-первых, робот сам составляет около 9 езды из канала ствола с длинным, легким, ручки поддерживается в ее среднем с 3 степени свободы сустава. Во-вторых, робот заключен в 1 / 16 "-1 / 4" алюминиевый бокс с пластиковой конической (13 "диаметр основания, 6" сверху диаметр х 42 "в длину) волновод с алюминиевой фольгой экранирование, что было рассчитано, чтобы блокировать ~ 100 дБ шума в МРТ соответствующей полосе частот,> 100 МГц. В будущем, медь экранирование может быть использован для замены алюминиевой фольги на конусе, но в настоящее время выполняет удовлетворительно как на существенную экономию и снижение веса. Кроме того, для дальнейшего расширить сферу оборудования, мы планируем включить одновременное ЭЭГ / МРТ с существующей системой.

Главной заботой безопасности связаны с экспериментальной установки является возможность ферромагнитных объектов вырваться с большой силой в отверстие МРТ магнита. Чтобы минимизировать этот риск, все вспомогательное оборудование, такое как щит и подвижного стола, изготовлены из немагнитных материалов. Как тактильной робот сам содержит ферромагнитных материалов, особое внимание должно быть осуществлено в связи с ее позиционированием. Робота крепится к рольганга и весь узел привязан к стене перед прокаткой сборки в магнит комнате. Длина троса устроен так, что робот не может двигаться мимо конца пациента таблице. Наконец, для обеспечения безопасной работы, экспериментальные персонал должен проявлять особую осторожность, чтобы следовать подробным протокол, описанный в этом документе.

Одним из наиболее важных особенностей МР-томографию, что он использует неионизирующих излучений и, следовательно, более безопасным, чем более агрессивные конкурирующие технологии, такие как ПЭТ, без потери локализации деятельности рассматривается в пассивных технологий, таких как ЭЭГ или МЭГ. Недостатком фМРТ, что мы преодолеем с адаптацией робот тактильной, чтобы сделать оборудование, совместимое с сильным магнитным полем и шум чувствительность МРТ при сохранении его функциональности. Предыдущие попытки изучения человеческого поведения двигателя опирались либо на сжатом воздухе или воде ^{8 9} устройств, которые имеют плохой время отклика делает их неподходящими для реалистичного взаимодействия с окружающей средой или диски расположены внешние по отношению к сканеру комната с ограниченными степенями свободы. Решение здесь, как и предыдущие исследования, которые использовались неэкранированные нижнем силу модель робота, в 1,5 Тл МРТ ^4, хранение оборудования в помещении и экранирование, дает полный диапазон движения воздушных компрессоров, но с быстрым, миллисекунд задержки электроприводов.

С оборудованием и работает, мы сейчас ищем пересмотреть классические эксперименты управления двигателем, как указывает со штрафом ⁵ или последовательность обучения ^10, а также разрабатывать новые эксперименты полностью погрузиться в виртуальную реальность с роботом обеспечения тактильного взаимодействия. Относительная простота использования текущего протокола откроет МРТ в режиме реального времени, интерактивные эксперименты движения.

Materials

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