Summary
Vi udførte funktionelle MRI ved hjælp af en roman MRI-kompatibel hånd-induceret robot enhed til at evaluere dens anvendelighed til overvågning hånd motorisk funktion i individer inddrive fra neurologiske underskud.
Abstract
Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er en ikke-invasiv magnetisk resonansbilledingsteknik, der giver et billede af hjernens aktivering in vivo, idet endogene deoxyhæmoglobin som et endogene kontrastmiddel detekterer ændringer i blod-niveau-afhængige iltning (fed effekt). Vi kombinerede fMRI med en ny robot enhed (MR-kompatibel hånd-induceret robot enhed [MR_CHIROD]), således at en person i scanneren kan udføre en kontrolleret motor opgave, hånd klemning, som er en meget vigtig håndbevægelse til at studere i neurologiske motoriske sygdomme . Vi beskæftigede parallel Imaging (generaliseret Auto-kalibrere delvist parallel opkøb [GRAPPA]), som tillod højere rumlig opløsning resulterer i øget følsomhed over for fed. Kombinationen af fMRI med den hånd inducerede robot enhed tillod præcis kontrol og overvågning af den opgave, der blev udført, mens en deltager var i scanneren. Dette kan vise sig at være af nytte i rehabilitering af hånd motorisk funktion hos patienter, der er i bedring fra neurologiske underskud (f. eks. slagtilfælde). Her skitserer vi protokollen for at bruge den aktuelle prototype af MR_CHIROD under en fMRI-scanning.
Introduction
Passende Imaging Metrics kan overvåge og forudsige sandsynligheden for terapi succes i individer bedre end kliniske vurderinger og give oplysninger til at forbedre og individualisere terapi planlægning. Vi har udviklet erfaring med patienter inddrive fra kronisk slagtilfælde1,2,3,4,5,6,7,8. Udvikling af optimale individualiserede strategier, der fokuserer på, hvordan motor uddannelse kan påvirke trinvis forbedring enten i reorganisering af neurale aktivitet og/eller motorisk funktion er stadig udfordrende. Indsigt i de underliggende strukturelle remodeling og re-organisation processer for funktionel genopretning i hjernen efter neurologiske sygdom kan give os mulighed for at evaluere forholdet mellem distribuerede topografiske mønstre af neurale aktivitet og funktionel genopretning via funktionelle Neuro Imaging metoder og hjerne kortlægning. Succes vil lette udviklingen af personlige behandlingsstrategier optimeret til at give forbedringer i Grip styrke i bred population med neurologiske tilstande baseret på magnetisk resonans imaging (MRI) Metrics9.
Her præsenterer vi en protokol, der beskæftiger en nyligt re-designede robot hånd anordning, der giver en kontrollerbar modstandskraft, mod hvilken et emne greb og frigiver et håndtag i synkry med en oscerende visuel stimulus. Den MR_CHIROD v3 (MR-kompatibel hånd-induceret robot enhed) er et system til præsentation af justerbare kræfter, som gribende og frigive bevægelser udføres, mens måling og registrering af anvendt kraft, greb forskydning og tidsstempler for hvert datapunkt (figur 1). Enheden blev udviklet til at give pålidelige vurderinger af hjernens aktiverings billeder under fMRI (funktionel magnetisk resonansbilleddannelse), som kan bruges til at evaluere blod-oxygen-Niveauafhængige (DRISTIGE) ændringer i hjernens respons hos patienter, der er i bedring fra neurologiske lidelser. MR-kompatibilitet opnås ved brug af helt ikke-jernholdige/ikke-magnetiske komponenter til strukturen og pneumatiske aktuatorelementer og afskærmede sensor/elektroniske komponenter, der er placeret på scannerens seng. Figur 2 viser den enhed, der er tilsluttet en MR scanner seng, og med et motiv i magneten bar greb grebet af MR_CHIROD v3 (figur 3). Interface og kontrol komponenter er placeret uden for MR scanner Room (figur 4).
Enheden bruges samtidig med hjerne billedbehandlings metoder til at vurdere relevante hjerne aktiveringer. Den primære brug af systemet er at give en motorisk opgave, der genererer aktiveringer af hjernens motoriske områder, som detekteres ved hjælp af fMRI. Hjerneaktivering under brug af MR_CHIROD under billeddannelse kan vurdere neuroplasticitet i neurologiske sygdomme. Ved at spore ændringer i aktiveringer i løbet af og efter motor træning ved hjælp af MR_CHIROD, kan fremskridt af motorisk rehabilitering efter enhver neurologisk sygdom, der fører til motoriske underskud (f. eks. slagtilfælde) observeres.
MR_CHIROD v3 kan også være bord monteret, til brug i intra-Scan træningsøvelser, hvor motivet greb og udgivelser som reaktion på passende visuelle stimuli for perioder på 45 min, tre gange om ugen i løbet af studiet. Vores erfaring med robotisk leveret uddannelse, overvåget med Imaging, tyder på, at Recovery vinduet for slagtilfælde patienter for eksempel kan aldrig lukke1.
Vores rationale for at bygge og bruge en MR-kompatibel håndgreb robot er, at robot opsving har potentiale til at producere en stor indvirkning på værdiforringelse på grund af sin nemme udrulning, anvendelighed på tværs af forskellige motoriske funktionsnedsættelser, høj måling pålidelighed, og kapacitet til at levere høj intensitet uddannelse protokoller10. Vores MR-kompatible robot kan: (a) være indstillet til emnespecifikke bevægelses områder og blive programmatisk justeret til at anvende emnespecifikke styrke niveauer; b) kontrollere, måle og registrere kraft-og forskydnings parametre gennem en værtscomputer (c) eksternt justere kontrolparametre uden at kræve afbrydelse af scanning for adgang til MR-scanner rummet eller omplacering af emnet; og (d) give terapi via træningsøvelser præcist og konsekvent i længere perioder.
Vi er opmærksomme på ingen kommercielt tilgængelige opsving robot enhed, der kan bruges med en MR scanner til at måleemnet håndgreb kraft og forskydning, mens du anvender computer-kontrollerede tidsvariable kraft. Tsekos et al.11 har gennemgået en række primært forskningsbaserede, Mr-kompatible robot og rehabilitering enheder, herunder tidligere iterationer af MR_CHIROD serie af enheder. Andre enheder er designet til at studere håndled bevægelse, fingerbevægelse, isometrisk Grip styrke, og multi-fælles bevægelser. For enheder, der aktivt leverer resistive eller andre kræfter, er der blevet anvendt en række MR-kompatible teknologier, herunder hydraulik, pneumatik, mekaniske forbindelser og elektrorheologiske væske spjæld. Nogle enheder omfatter flere frihedsgrader, herunder en anden udvidelse af den tidligere MR_CHIROD versioner tilføjet en rotationsgrad af frihed og hydraulisk kraft ansøgning, men det var ikke tilpasset MR-kompatibilitet12.
Vores hånd-Grip-specifikke enhed har fordelene ved bærbarhed (det er regelmæssigt transporteres mellem hr. Facility og kontor-baserede uddannelsessteder), og evne til at producere store, computer-kontrollerede, tidsvariable resistive kræfter. Aktuel brug af pneumatisk teknologi i MR_CHIROD undgår behovet for højspændings kilder, som er nødvendige for elektro-rheologiske væskebaserede systemer, potentialet for lækage af hydraulisk væske og komplekse kabel/forbindelser, som forbinder grænseflade mekanismen med eksterne strøm-og kontrol komponenter.
MR_CHIROD var den første enhed, der blev påvist at fungere sammen med fMRI til hjerne kortlægning i slagtilfælde patienter1. Det er vigtigt, at MR_CHIROD V3 er særligt nyttig til hjemme-eller kontor baseret træning, da systemet og dets software er designet til brug uden ekspert klinisk support og med motivations elementer ("gamification"). I forhold til fysioterapeut-faciliteret uddannelse på et hospital, kontor-eller hjemme-baseret uddannelse er billigere og mere bekvemt, hvilket gør det lettere for patienter at overholde den daglige behandling. Enheden, der allerede er relativt billig i forhold til nogle af de andre forskningsbaserede enheder, kan genmanipulerede for at forbedre cost-to-benefit-forholdet. Virtual Reality og gamification af uddannelse, som begge er forenelige med MR_CHIROD v3, kan engagere patienter, øge deres opmærksomhed under opgaven, og forbedre motivation, dermed øge effektiviteten af inddrivelse13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle eksperimenter blev godkendt af institutions Review Board på Massachusetts General Hospital og udført som godkendt på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.
1. forberedelse af emnet
Bemærk: Inklusionskriterier er: (i) højre hånd dominans, (II) evne til at give skriftlig informeret samtykke. Udelukkelsen blev gennemført på grundlag af screening for kontra indikatorer i magnetisk resonans miljøet, såsom følgende: (a) rutinemæssige MRI udelukkelseskriterier, såsom tilstedeværelsen af en pacemaker eller cerebral aneurisme klip og metalimplantater eller metalindhold i kroppen; b) anamnese med krampeanfald (c) klaustrofobi; d) graviditet.
- For at indhente informeret samtykke skal du læse samtykke blanketten til volontøren. Både volontøren og investigator tegn på de relevante steder på samtykkeformular i duplikat. Efterlad en signeret kopi af samtykkeformularen på et passende sted for investigator Records. Opbevar den anden kopi af samtykkeformularen for deltagerens optegnelser.
- Screen den frivillige for MRI (magnetisk resonans imaging) kontraindikationer. Udfyld MRI kontraindikationer listen og forespørg om hvert element på listen, afkrydse kasser efter behov.
- Fortsæt ikke med scanningen, hvis deltagerne har (eller potentielt har) nogen kontraindikationer, herunder kirurgiske aneurisme-clips, pacemaker, hjerteklap, proteser, Neuro stimulator, implanterede pumper, cochlear implantater, metalstænger, plader, skruer, høreapparatet eller depotplastret.
2. opsætning
- Udfør den indledende opsætning i scanner rummet.
Bemærk: investigator skal have den nødvendige oplæring forud for proceduren. Sikkerhedsforanstaltninger, der er relevante for MR-faciliteten, skal træffes til enhver tid.- Bring MR_CHIROD (magnetisk resonans-kompatibel hånd induceret robot enhed) ind i MRI-scanner rummet og Placer den i nærheden af indtrængnings panelet. Sæt det 3/8-tommer pneumatiske rør i pass-through-røret i panelet ind i det tilstødende MRI-support lokale.
- Tilslut MRI-scanner rummet Force sensing-og encoder-kabler til det 9-bens D-formede (DSUB)-stik på scannerens side af panelet.
- Opsætning af MRI-support rummet.
- Sæt luftkompressoren i en 110VAC-stikkontakt. Med kompressoren interne regulator vendt til off/minimum tryk position og bolden ventil i off-position, tænde kompressor og lade det til at komme til fuld intern tryk (~ 4 min).
- Tilslut støtte rummet Force sensing og encoder kabler til DSUB-stikket på den udvendige side af indtrængnings panelet.
- Tilslut 3/8-tommer pneumatisk rørmontering, som dukker op fra indtrængnings panelets pass-through til stikkontakten i grænsefladen/strøm enhedens trykregulator udtag. Forbind det 4 mm pneumatiske rør til kompressorens udløb og luft filterens indløb på grænsefladen/strøm/regulator enheden.
- Tilslut Interface/strøm/regulator enheden til mikro-USB-stikket på USB-kablet/repeater-samlingen, og læg repeater-kablet ud til værts-pc'en/den bærbare computer i MRI-kontrolrummet. Sæt interface/Power/regulator enheden i et 110VAC-vægstik i støtte rummet, og tænd derefter for afbryderen.
- Position MR_CHIROD v3 med patienten.
- Helt udvide og sænke MR scanner sengen. Fastgør den nederste halvdel af hoved spolen og guide den frivillige til at lægge ned, at sikre, at volontøren hviler komfortabelt og har udvidet deres arme komfortabelt.
- Giv den frivillige ørepropper til akustisk støjreduktion.
- Fastgør hoved spole og små skumpuder til at immobilisere hovedet.
- Fastgør puder omkring den frivillige gribe arm på niveau med armen og albuen, for at minimere vibrationelle kobling til frivilliges egen krop og til væggene i MR scanner.
- Vedhæft kommunikations kuglen på den frivillige kiste, Instruer dem i, hvordan de skal bruges, og Bekræft, at kommunikations kuglen fungerer godt, før scanningerne startes.
- Installer løst MR_CHIROD på siden af patienten modsat den af deres hjerne læsion ved hjælp af den tilsvarende seng-slot. Når volontørens albue hviler på bordet for at understøtte vægten af deres arm, skal du flytte MR_CHIROD håndtaget til gjorden mellem tommel-og pegefinger og vejlede volontøren til at få fat i håndtagene på MR_CHIROD.
- Hvis MR_CHIROD er på den modsatte side af bordet fra indtrængnings panelet, skal du placere kablerne og pneumatisk røret, så de passerer under bordet i stedet for over patienten.
- Sørg for, at grebet position er korrekt for at klemme. Instruer volontøren om at klemme og skubbe eller trække MR_CHIROD, indtil de har den mest behagelige position til at klemme.
- Fastgør MR_CHIROD fast på plads ved at stramme plastik møtrikkerne med en MR-kompatibel skruenøgle.
Bemærk: Der udføres ingen scanning på det pågældende tidspunkt. Når du placerer MR_CHIROD, er volontøren hviler komfortabelt på MR scanner sengen uden for magneten. Døren til magnet rummet kan være åben.
- Indstil Control laptop i MR Control Room (støder op til scanner og support rum), Bekræft forbindelse og sæt til patient styrkeniveau.
- Tænd for den bærbare computer og start dataindsamling/analyse software. Tilslut USB-kablet/repeater-modulet til laptop. Tænd for MR scanner Room-projektoren. den bærbare videoudgangsport til projektor stikket, og Indstil skærm til at udvide skærmen til projektor. Tilslut scanner USB HID-udløser kablet til den bærbare computer for at modtage udløser signaler fra scanneren.
- Kør brugergrænsefladen/kontrol/stimulus-programmet for MR_CHIROD. Indstil automatisk MR_CHIROD tryk til (minimal) "Setup" niveau for at skubbe håndtaget til slut-stop, kontrollere visning af bevægelse og kraft bølgeformer.
- Instruer volontøren, at de næste par klemmer vil være at kalibrere for maksimal styrke af klemme og dermed vil være vanskeligt.
- Indstil Force level, for eksempel til 30 N og Instruer volontøren til helt at klemme 2-3 gange med en periode på ca. 2 s. Vær opmærksom på, om volontøren kan gennemføre et pres på det pågældende styrkeniveau.
- Gradvist øge styrken niveau og gentage squeeze forsøg, indtil volontøren ikke kan fuldføre en klemme. Denne måling tjener som maksimum for den frivilliges Grip styrke. Brugergrænsefladen beregner automatisk 60%, 40% og 20% af de maksimale kraft niveauer til brug under testen.
3. Indtast frivillige data og Kalibrer MR scanner
- Indtast volontørens de identificerede data som pr. hospitals politik i overensstemmelse med HIPAA (den amerikanske lov om portabilitet for sygeforsikring og ansvarligheds loven af 1996) på scanner konsollen.
- Flyt tabellen og deltageren ind i scanneren og Placer den på isocenter.
4. Kør fMRI-session
- Overhold volontøren gennem vinduet mellem kontrol-og scanner rummene, og kommuniker med volontøren for at få deltagerens tilladelse til at starte fMRI-protokollen. Instruer dem i ikke at holde MR_CHIROD håndtaget, så det kan hvile på den helt åbne position.
- Shim magneten og køre en Localizer scanning. Åbn fMRI-protokollen, og Indstil udsnit til at dække volontørens hjerne.
- Instruer volontøren om, at fMRI-sessionen skal til at begynde.
- Brug brugergrænsefladen til at indstille MR_CHIROD til at anvende det første kraft niveau (20% af maksimum). Den UI program vil vise et sæt af instruktioner på videoprojektor for volontøren at minde dem om, hvordan man reagerer på den visuelle stimulus. BRUGERGRÆNSEFLADEN venter på, at scanneren sender et udløser signal for at fortsætte.
- Start en ECHO-planar-Imaging-protokol til fMRI. Brug billedbehandlingsprogram MR_CHIROD fra mappebrugere. Anskaffelses-og genopbygnings parametrene er allerede indstillet i billedbehandlingsprogrammet og bør ikke ændres. Følgende parametre anvendes: in-plane 192 x 192 eller 256 x 256 anskaffelses matricer; TR (gentagelses tidspunkt) i intervallet 2-3 s; en 30 MS TE (ekko tid); 5 mm skive tykkelse og en rumlig opløsning på ~ 1 mm x 1 mm.
Bemærk: UI/data Acquisition/stimulus-programmet vil vente med at modtage en udløser puls fra scanneren, der svarer til initiering af præ-fMRI-scanninger i scanner programmet. Den visuelle stimulus vil fjerne instruktionerne og vise en "fiksering Kors", at volontøren vil fokusere på. Når fMRI Scan TRS begynder, vises en visuel metronom-skærm i form af en voksende og faldende cirkel. Den frivillige vil helt klemme og frigive håndtaget synkront med stimulus. Hvileperioder vil adskille stimulus perioder, i hvilket tidsrum fikserings korset vil blive vist igen. - Under udførelsen af en opgave, overvåge kraft output og om deltageren udfører opgaven korrekt (dvs. fuldt ud at fuldføre greb og udgivelser og opretholde synkry med den visuelle Metronome) ved at observere Live plots af kraft og forskydning på UI .
- Når den første kørsel er overstået, Bekræft fortsættelsen af eksperimentet på UI, som vil ændre kraft niveau til andet af tre niveauer. Gentag fra trin 4,5. På samme måde, når den anden løber er overstået, bekræfte fortsættelsen til at køre den endelige køre på tredje kraft niveau.
- Efter det tredje løb vil BRUGERGRÆNSEFLADEN automatisk indstille MR_CHIROD tryk til det lave "Setup" niveau.
5. Fuldfør MRI-sessionen
- Instruer deltageren til at slappe af og give slip på håndtaget. Saml en række anatomiske scanninger.
6. take-down
- Fjern deltageren fra MR scanner Room, Følg opsætnings trinnene i omvendt rækkefølge, og Fortsæt med at lukke og frakoble delene af MR_CHIROD. Overfør data til databasen og til disken, og luk sessionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den metode, der er skitseret i protokollen, gør det muligt at indsamle fMRI-billeder, mens volontøren udfører opgaven i realtid i magneten. Eksperimenter blev udført i Bay 1 facilitet i Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, ved hjælp af en 3T fuld-Body magnetisk resonans scanner. Figur 2 og figur 3 viser placeringen af MR_CHIROD på bordet og patienten på plads, der betjener den. I figur 3, er en frivillig i scanneren boring med hans/hendes hoved placeret på isocenter af magneten, som er den korrekte position for hjernen Imaging. Figur 4 viser en skematisk af de systemkomponenter og tilslutninger, der er oprettet i de indledende faser af processen. Under en fMRI session, ikke kun er de indsamlede billeder, men også en real-time spor af de faktiske strøg af enheden, som den person i magnet boring opererer det er opnået. Typiske resultater er vist i figur 5. Brugen af kontrolleret pneumatisk tryk muliggør præcis styring af den konstante reaktionskraft, der leveres af MR_CHIROD v3.
Figur 5A – C viser typiske aktiverings områder under gribende/frigivelse af enheden, ved hjælp af resultaterne af fed teknik under fMRI scanning. Røde pile viser aktivering i M1-området (primær motorisk cortex) og grønne områder viser SMA (supplerende motorisk cortex). Figur 5D viser den målte forskydning under gribende/frigivelse, som blev udført mod MR_CHIROD modstandskraft. Figur 5E viser aktivering over tid på en enkelt voxel, valgt fra i somato-sensorisk område. Responset svarer til motivet aktivitet, forhøjet Aktivering sker under gribende/frigivelse, og reduceret aktivering, når motivet hviler.
Figur 1: delene af MR_CHIROD v3-enheden. (1) fast håndtag; (2) glidende håndtag; (3) Force sensor; (4) position encoder; 5) cylinder stempel enhed af glas grafit (6) skærmet belastningscelle forstærker; (7) Hr. bord monteringsplads (mockup); (8) kuglelejer med acetyl racer og glaskugler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: visning af MR_CHIROD v3 sidder forsvarligt fast på scanner sengen. Denne konfiguration gør det muligt for personen at betjene MR_CHIROD uden at understøtte nogen af dens vægt. Enheden kan placeres til venstre eller højre hånd. Afskærmede kabler er jordet på penetration panel, pneumatiske rør udgange via et pass gennem røret i penetration panel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: visning af MR_CHIROD v3 i forhold til en patient. En frivillig hviler med sin hånd i position nær håndtag af enheden. Den frivillige er placeret i den korrekte position på magnet isocenter for hjernen Imaging. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: skematisk diagram over MR_CHIROD, der er oprettet til brug i et MR-scanner lokale. De afskærmede kabler med signalerne for positions-og hastighedsdata og for kraft sensoren samt pneumatisk slange passerer gennem indtrængnings panelet, der fungerer som Jordforbindelses referenceniveauet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: typiske resultater fra udførelse af en motorisk opgave (klemme håndtagene på en MR_CHIROD). Vist er (A) fMRI hjernen aktiveringer, overlejret som blobs på en skitse af hjernen, (B) som pseudo-farve på en tredimensionel tværsnitsvisning af volontørens anatomiske hjernescanning, og (C) som pseudo-farve gengives på en hjerne skabelon. M1 = primær motorisk cortex. SMA = supplerende motor område. D) faktisk kraftproduktion målt i kraftenheder (Newton, N) som funktion af tiden. Kraften output er den faktiske rekord af volontørens klemme og registreres i realtid af MR_CHIROD. (E) enkelt-voxel-tidsforløbet for aktivering vises, valgt fra en voxel på det somatosensoriske område på placeringen af kryds hårs i (B). Sorte bjælker i (D) og (E) svarer til en 60 s stimulus/hvileperiode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi præsenterer fMRI af en motor opgave ved hjælp af den nyeste version af en roman robot enhed, MR_CHIROD1,2,8. Den MR_CHIROD er designet til at udføre en hånd-klemme Grip opgave, som har kan udføres af kronisk slagtilfælde patienter og er blevet undersøgt tidligere1,2,3,4,5,6,8. Anordningen anvendes yderligere som et dynamometer, der måler patientens maksimale greb kraft, mod hvilke eksperimentelle kraft niveauer er normaliseret. Aktivering af motor cortex er fremkaldt i forhold til det kraft niveau, der er indstillet under forsøgene. Desuden spores maksimal kraft i løbet af studiet for at vise forbedret Grip styrke. Vores tidligere iterationer af MR_CHIROD har allerede vist sig at være nyttige i undersøgelser, der viser tegn på neuroplasticitet og rehabilitering af kronisk slagtilfælde patienter1,6. Vi kombinerer i øjeblikket brugen af MR_CHIROD med en billedbehandlings protokol, der giver høj følsomhed for fMRI af motoriske opgaver7. Vores tilgang kombinerer funktionel MRI med en ny MRI-kompatibel, hånd induceret robot anordning til rehabilitering af hånd motoriske funktioner.
Enheden kan let bruges eller tilpasses til brug i andre MR-faciliteter. Fysisk, magt/interface/regulering enhed og luftkompressor skal placeres i en støtte/mekanisk rum med penetration panel adgang til MR scanner Room, med en passende data pass-through og en fysisk passere igennem for trykluft slangen. Forbindelsen mellem enheden og værtscomputeren er i øjeblikket lavet ved hjælp af et USB-kabel med en drevet repeater til at rumme en ca 10 m adskillelse mellem de to elementer. Endelig skal scanneren have en tilknyttet projektor eller lignende visualisering system til at præsentere instruktionerne, fiksering Kors og visuel metronom til emnet, samt et middel til at give TR Trigger oplysninger til UI.
Denne version af MR_-CHIROD blev specielt udviklet til at støtte vores eksperimentelle protokol i MR scanner og bekvemmelighed for brug af forskere og i en ikke-MR Suite miljø. I begge steder, emnet greb og frigiver håndtaget af enheden mod en konstant genoprette kraft, som kan ændres mellem eksperimentelle kørsler. Som sådan, pneumatisk system blev vedtaget, som giver mulighed for præsentation af kontinuerlig resistive kraft til emnet (sammenlignet med tidligere og alternative viskøs-bremsning systemer ved hjælp af elektro-rheologiske væsker, der udgør nul kraft, når motivet ikke aktivt griber eller frigive og ikke giver en genoprette kraft). De tidligere MR_CHIROD iterationer og andre systemer er specielt designet til at give mulighed for hurtige kraft ændringer som reaktion på brugerinteraktion og stole på er væsker til at give mulighed for den hurtige respons2,14, men omkostningerne og kompleksiteten af sådanne systemer var fast besluttet på at være uønsket for denne ansøgning.
Den præsenterede protokol repræsenterer den nu stabile version i vores forskning. Resultater indsamlet til dato har vist ingen uventede resultater, der vil kræve ændring af protokollen. Fremtidige forbedringer kan være nødvendige efter behov og kan omfatte hurtigere billeddannelse og tilpasning af vores motor paradigme. Desuden understøtter den valgte hardware ikke kun at justere kontrol parametrene via den serielle USB-forbindelse uden at kræve afbrydelse af MR-scanning, men også gøre det for fjern opdateringer af hjemmebaserede træningsindstillinger ved hjælp af mikroprocessorens WiFi Modul.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen af forfatterne har konflikt at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af et tilskud fra National Institute of neurologiske lidelser og slagtilfælde (Grant nummer 1R01NS105875-01A1) af National Institutes of Health til A. ARIA Tzika. Dette arbejde blev udført på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Vi vil gerne takke direktøren Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. og medlemmer af Martinos Center personale for deres støtte. Vi vil gerne takke hr. Christian Pusatere og hr. Michael Armanini for deres hjælp til at køre eksperimenter. Endelig takker vi Dr. Michael A. Moskowitz og Dr. Rosen for deres vejledning i udformningen og udviklingen af den MR_CHIROD serie af anordninger og de tilhørende slagtilfælde undersøgelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ball bearings, plastic with glass balls (8) | McMaster-Carr | 6455K97 | |
| Bi-directional logic level converter | Adafruit | 395 | |
| Dual LS7366R Quadrature Encoder Buffer | SuperDroid Robots | TE-183-002 | |
| Feather M0 WiFi w/ATWINC1500 | Adafruit | Adafruit 3010 | |
| Flanged nuts, fiberglass, 3/8”-16 (8) | McMaster-Carr | 98945A041 | |
| Garolite rod, ¾” dia, 4’ long | McMaster-Carr | 8467K84 | |
| Laptop | Various | Any laptop with USB2.0 port(s) and MATLAB | |
| Load Cell (20kg) | Robotshop | RB-PHI-119 | |
| Load Cell Amplifier- HX711 | Mouser | 474-SEN-13879 | |
| MATLAB | MathWorks | 2008 version or later with Psychophysics Toolbox | |
| Magnetic resonance imaging scanner | Siemens | Skyra 3T | 3T full body scanner with BOLD and GRAPPA capabilities |
| MR_CHIRODv3 | fabricated in-house | Bespoke plastic & 3D printed structure | |
| Op amp development board | Schmartboard | 710-0011-01 | |
| Panel Mount Power Supply | Delta | PMT-D2V100W1AA | |
| Plastic tubing & tube fittings | McMaster-Carr | various | |
| Pyrex/graphite piston/cylinder module | Airpot | 2KS240-3 | |
| Screws, ¼”-20, nylon | McMaster-Carr | various | |
| Shaft Collars for ¾” dia shaft, nylon (2) | McMaster-Carr | 9410T6 | Stock metal clamping screws replaced with plastic screws |
| Shielded cables (2) | US Digital | CA-C5-SH-C5-25 | |
| Threaded rod, fiberglass, 3/8”-16 | McMaster-Carr | 91315A010 | |
| Transmissive optical encoder code strip | US Digital | LIN-2000-3.5-0.5 | |
| Transmissive Optical Encoder Module | US Digital | EM2-0-2000-I | |
| PTFE sleeve bearings | McMaster-Carr | 2639T32 |
References
- Mintzopoulos, D., et al. Functional MRI of Rehabilitation in Chronic Stroke Patients Using Novel MR-Compatible Hand Robots. The Open Neuroimaging Journal. 2, 94-101 (2008).
- Khanicheh, A., Mintzopoulos, D., Weinberg, B., Tzika, A. A., Mavroidis, C. MR_CHIROD v.2: Magnetic resonance compatible smart hand rehabilitation device for brain imaging. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 16 (1), 91-98 (2008).
- Astrakas, L. G., Nagyi, S. H., Kateb, B., Tzika, A. Functional MRI using robotic MRI compatible devices for monitoring rehabilitation from chronic stroke in the molecular medicine era (Review). IEEE International Journal of Molecular Medicine. 29 (6), 963-973 (2012).
- Lazaridou, A., et al. fMRI as a molecular imaging procedure for the functional reorganization of motor systems in chronic stroke. Molecular Medicine Reports. 8 (3), 775-779 (2013).
- Lazaridou, A., et al. Diffusion tensor and volumetric magnetic resonance imaging using an MR-compatible hand-induced robotic device suggests training-induced neuroplasticity in patients with chronic stroke. International Journal of Molecular Medicine. 32 (5), 995-1000 (2013).
- Mintzopoulos, D., et al. Connectivity alterations assessed by combining fMRI and MR-compatible hand robots in chronic stroke. NeuroImage. 47, T90-T97 (2009).
- Mintzopoulos, D., et al. fMRI Using GRAPPA EPI with High Spatial Resolution Improves BOLD Signal Detection at 3T. The Open Magnetic Resonance Journal. 2, 57-70 (2009).
- Khanicheh, A., Mintzopoulos, D., Weinberg, B., Tzika, A. A., Mavroidis, C. Evaluation of Electrorheological Fluid Dampers for Applications at 3-Tesla MRI Environment. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 13 (3), 286-294 (2008).
- Babaiasl, M., Mahdioun, S. H., Jaryani, P., Yazdani, M. A review of technological and clinical aspects of robot-aided rehabilitation of upper-extremity after stroke. Disability and Rehabilitation Assistive Technology. 11 (4), 263-280 (2016).
- Huang, V. S., Krakauer, J. W. Robotic neurorehabilitation: a computational motor learning perspective. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 6, 5 (2009).
- Tsekos, N., Khanicheh, A., Christoforou, E., Mavroidis, C. Magnetic Resonance-Compatible Robotic and Mechatronics Systems for Image-Guided Interventions and Rehabilitation: A Review Study. Annual Review of Biomedical Engineering. 9, 351-387 (2007).
- Sivak, M., Unluhisarcikli, O., Weinberg, B., Mirelman-Harari, A., Bonato, P., Mavroidis, C. Haptic system for hand rehabilitation integrating an interactive game with an advanced robotic device. Proceedings of IEEE Haptics Symposium. , Waltham, MA. (2010).
- Colombo, R., et al. Design strategies to improve patient motivation during robot-aided rehabilitation. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 4 (1), 3 (2007).
- Unluhisarcikli, O., et al. A Robotic Hand Rehabilitation System with Interactive Gaming Using Novel Electro-Rheological Fluid Based Actuators. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , Anchorage, AK. (2010).
