Summary
We voerden functionele MRI uit met behulp van een nieuw, met MRI compatibel, hand-geïnduceerde robot apparaat om zijn nut te evalueren voor het bewaken van de hand motorische functie bij individuen die zich herstellen van neurologische tekorten.
Abstract
Functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) is een niet-invasieve magnetische resonantie beeldvormings techniek die hersenactivatie in vivo beelden, met behulp van endogene deoxyhemoglobine als een endogene contrast agent om veranderingen in bloed-niveau-afhankelijke te detecteren oxygenatie (vet effect). We combineerden fMRI met een nieuw robotachtig apparaat (MR-compatibel hand-geïnduceerde robot apparaat [MR_CHIROD]) zodat een persoon in de scanner een gecontroleerde motorische taak kan uitvoeren, hand-knijpen, wat een zeer belangrijke handbeweging is om te studeren bij neurologische motorische aandoeningen . We werkten parallel Imaging (gegeneraliseerde automatisch kalibreren van gedeeltelijk parallelle overnames [GRAPPA]), waardoor een hogere ruimtelijke resolutie mogelijk werd, wat resulteerde in een verhoogde gevoeligheid voor vet. De combinatie van fMRI met het hand-geïnduceerde robot apparaat zorgde voor nauwkeurige controle en bewaking van de taak die werd uitgevoerd terwijl een deelnemer in de scanner was; Dit kan blijken te zijn van nut in de revalidatie van de hand motorische functie bij patiënten herstellen van neurologische tekorten (bv., beroerte). Hier schetsen we het protocol voor het gebruik van het huidige prototype van de MR_CHIROD tijdens een fMRI-scan.
Introduction
Geschikte Imaging Metrics kunnen bewaken en voorspellen van de kans op therapie succes in individuen beter dan klinische evaluaties en informatie te verbeteren en individualiseren therapie planning. We hebben ervaring opgedaan met patiënten die herstellen van chronische beroerte1,2,3,4,5,6,7,8. Het ontwikkelen van optimale geïndividualiseerde strategieën die zich richten op hoe motorische training kan beïnvloeden incrementele verbetering hetzij in reorganisatie van de neurale activiteit en/of motorische functie is nog steeds uitdagend. Inzicht in de onderliggende structurele remodellering en re-organisatie processen voor functioneel herstel in de hersenen na neurologische aandoeningen kunnen ons toelaten om de relatie tussen gedistribueerde topografische patronen van neurale activiteit en functioneel herstel via functionele neuroimaging methoden en hersenen mapping te evalueren. Succes zal het ontwikkelen van gepersonaliseerde behandelingsstrategieën geoptimaliseerd voor het opleveren van verbeteringen in de gripsterkte in een brede populatie met neurologische aandoeningen op basis van magnetische resonantie imaging (MRI) Metrics9vergemakkelijken.
Hier presenteren we een protocol dat een nieuw ontworpen robot handapparaat gebruikt dat een bestuurbare weerstand biedt waartegen een onderwerp grip geeft en een handvat in Synchrony uitbrengt met een oscillerende visuele stimulans. De MR_CHIROD v3 (MR-compatibele hand-geïnduceerde robot apparaat) is een systeem voor de presentatie van instelbare krachten waartegen aangrijpende en vrijkomende bewegingen worden uitgevoerd, tijdens het meten en opnemen van toegepaste kracht, grip verplaatsing en tijdstempels voor elk gegevenspunt (Figuur 1). Het apparaat is ontworpen om betrouwbare evaluaties van hersenactivatie beelden te bieden tijdens fMRI (functionele magnetische resonantie beeldvorming), die kan worden gebruikt om bloed-zuurstofniveau afhankelijke (VETGEDRUKTE) veranderingen in hersenreacties van patiënten die herstellen van neurologische aandoeningen te evalueren. De heer-compatibiliteit wordt bereikt door het gebruik van volledig non-ferro/niet-magnetische componenten voor de structuur en pneumatische actuator-elementen en afgeschermde sensor/elektronische componenten die op het bed van de scanner zijn geplaatst. Figuur 2 toont het apparaat dat is aangesloten op een Mr scanner bed, en met een onderwerp in de magneet boring grijpen de hendel van de MR_CHIROD v3 (Figuur 3). Interface-en regelcomponenten bevinden zich buiten de MR scanner room (Figuur 4).
Het apparaat wordt gelijktijdig gebruikt met hersen beeldvormingsmethoden om relevante hersen activeringen te beoordelen. Het primaire gebruik van het systeem is om een motorische taak die activeringen van motorische gebieden van de hersenen genereert, die worden gedetecteerd met behulp van fMRI te bieden. Hersenactivatie tijdens het gebruik van de MR_CHIROD tijdens de beeldvorming kan Neuroplasticiteit in neurologische aandoeningen beoordelen. Door het bijhouden van wijzigingen in activeringen in de loop van en na de motorische training met behulp van de MR_CHIROD, kan de voortgang van de motorische revalidatie na een neurologische aandoening die leidt tot motorische tekorten (bijv. een beroerte) worden waargenomen.
De MR_CHIROD v3 kan ook worden gekoppeld aan de tafel, voor gebruik in intra-scan trainingsoefeningen, waarin het onderwerp handvatten en releases in reactie op geschikte visuele stimuli voor perioden van 45 min, drie keer per week tijdens de studie. Onze ervaring met robotisch geleverde trainingen, bewaakt met Imaging, suggereert dat het herstelvenster voor beroerte-patiënten bijvoorbeeld nooit1kan sluiten.
Onze reden voor het bouwen en gebruiken van een MR-compatibele hand-grip robot is dat Robotic Recovery het potentieel heeft om een grote impact te hebben op de bijzondere waardevermindering vanwege de eenvoudige inzet, toepasbaarheid over verschillende motorische beperkingen, hoge meet betrouwbaarheid en capaciteit om trainings protocollen met hoge intensiteit10te leveren. Onze MR-compatibele robot kan: (a) worden ingesteld voor onderwerpspecifieke bewegings bewegingen en programmatisch worden aangepast om specifieke kracht niveaus toe te passen; b) de parameters voor controle, meting en registratie van kracht en verplaatsing via een hostcomputer; c) de controleparameters op afstand aanpassen zonder onderbreking van het scannen voor toegang tot de heer scanner kamer of herpositionering van het onderwerp; en (d) gedurende langere tijd nauwkeurig en consistent therapie via trainingsoefeningen te verzorgen.
We zijn op de hoogte van geen commercieel beschikbaar herstel robot apparaat dat kan worden gebruikt met een MR scanner om de handgreep kracht en verplaatsing van het onderwerp te meten tijdens het toepassen van computergestuurde tijd-variërende kracht. Tsekos et al.11 hebben een verscheidenheid van voornamelijk op onderzoek gebaseerde, Mr-compatibele Robotic en revalidatie apparaten, met inbegrip van eerdere iteraties van de MR_CHIROD reeks apparaten beoordeeld. Andere apparaten zijn ontworpen voor het bestuderen van pols beweging, vingerbeweging, isometrische gripsterkte en multi-joint bewegingen. Voor apparaten die actief resistieve of andere krachten leveren, is een verscheidenheid aan met de heer compatibele technologieën gebruikt, waaronder hydraulica, pneumatiek, mechanische koppelingen en electrorheologische vloeistof dempers. Sommige apparaten bevatten meerdere vrijheidsgraden, waaronder een andere uitbreiding van de eerdere MR_CHIROD versies een rotatiegraad van vrijheid en hydraulische kracht toepassing toegevoegd, maar het was niet aangepast voor MR-compatibiliteit12.
Onze hand-grip-specifieke apparaat heeft de voordelen van draagbaarheid (het wordt regelmatig vervoerd tussen de heer faciliteit en Office-gebaseerde trainings sites), en het vermogen om grote, computergestuurde, tijd wisselende resistieve krachten te produceren. Het huidige gebruik van pneumatische technologie in de MR_CHIROD vermijdt de noodzaak van hoogspannings bronnen die nodig zijn voor elektro-Rheologische vloeistofsystemen, het potentieel voor lekkage van hydraulische vloeistof, en complexe kabel/koppelingen die het interface mechanisme koppelen aan externe voedings-en regelcomponenten.
De MR_CHIROD was het eerste apparaat dat werd gedemonstreerd om te functioneren in combinatie met fMRI voor hersen toewijzing bij beroerte-patiënten1. Belangrijk is dat de MR_CHIROD v3 vooral handig is voor thuis-of kantoor training, omdat het systeem en de software zijn ontworpen voor gebruik zonder deskundige klinische ondersteuning en met motiverende elementen ("gamification"). Ten opzichte van fysiotherapeut-gefaciliteerde training in een ziekenhuis, Office-of Home-based training is minder duur en handiger, waardoor het makkelijker voor patiënten om zich te houden aan de dagelijkse therapie. Het apparaat, dat al relatief goedkoop is ten opzichte van sommige andere op onderzoek gebaseerde apparaten, kan opnieuw worden ontworpen om de kosten-batenverhouding te verbeteren. Virtual Reality en gamification van training, die beide compatibel zijn met de MR_CHIROD v3, kunnen patiënten betrekken, hun aandacht vergroten tijdens de taak, en de motivatie verbeteren, waardoor de effectiviteit van herstel13toeneemt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle experimenten werden goedgekeurd door de institutioneel Review Board in het Massachusetts General Hospital en uitgevoerd als goedgekeurd in het Athinoula A. Martinos Center voor biomedische beeldvorming.
1. voorbereiding van het onderwerp
Opmerking: Inclusiecriteria zijn: (i) rechterhand dominantie, (II) bekwaamheid om schriftelijke geïnformeerde toestemming te geven. De uitsluiting werd uitgevoerd op basis van screening op contra-indicatoren in de magnetische resonantie omgeving, zoals de volgende: (a) routine matige MRI-uitsluitingscriteria, zoals de aanwezigheid van een pacemaker of cerebrale aneurysma clip en metalen implantaten of metalen inhoud in het lichaam; (b) geschiedenis van epileptische aanvallen (c) claustrofobie; (d) zwangerschap.
- Lees het toestemmingsformulier voor de vrijwilliger om geïnformeerde toestemming te verkrijgen. Zowel de vrijwilliger als de onderzoeker ondertekenen op de juiste locaties op toestemming formulier in tweevoud. Laat één ondertekend exemplaar van het toestemmingsformulier achter op een geschikte locatie voor de gegevens van de onderzoeker. Bewaar het tweede exemplaar van het toestemmingsformulier voor de records van de deelnemer.
- Zeef de Vrijwilliger voor MRI (Magnetic Resonance Imaging) contra-indicaties. Vul de lijst met MRI-contra-indicaties in en Informeer bij elk item in de lijst naar de gewenste selectievakjes.
- Ga niet verder met de scan als deelnemers (of potentieel) contra-indicaties hebben, waaronder chirurgische aneurysma clips, cardiale pacemaker, prothetische hartklep, neuro stimulator, geïmplanteerde pompen, cochleaire implantaten, metalen staven, platen, schroeven, gehoorapparaat of pleister voor transdermaal gebruik.
2. Stel
- Voer de eerste installatie uit in de scanner ruimte.
Opmerking: alle noodzakelijke opleidingen moeten door de onderzoeker worden verkregen voordat de procedure wordt gevolgd. De voor de heer faciliteit relevante voorzorgsmaatregelen moeten te allen tijde worden genomen.- Breng de MR_CHIROD (magnetische resonantie-compatibele hand geïnduceerde robot apparaat) in de MRI-scanner kamer en plaats deze in de buurt van het penetratie paneel. Plaats de pneumatische buis van 3/8 inch in de doorgang in het paneel in de aangrenzende MRI-ondersteunings kamer.
- Verbind de MRI-scanner kamer kracht sensing en encoder kabels met de 9-pins D-vormige (DSUB) connector op de scanner kamer zijde van het paneel.
- Stel de MRI-ondersteunings ruimte in.
- Steek de luchtcompressor in een 110VAC stopcontact. Met de interne regulator van de compressor wendde zich tot de uit/minimale druk positie en de kogelkraan in de buiten positie, zet de compressor aan en laat deze tot volledige interne druk komen (~ 4 min).
- Verbind de support room Force Sensing en encoder kabels met de DSUB-connector aan de buitenzijde van het penetratie paneel.
- Sluit de 3/8-inch pneumatische buis fitting, komend van de penetratie paneel Pass-Through aan de uitlaat van de interface/Power Unit drukregelaar uitlaat. Sluit de 4 mm pneumatische buis aan op de uitlaat van de compressor en de inlaat van het luchtfilter op de interface/Power/regulator-eenheid.
- Sluit de interface/Power/regulator-eenheid aan op de micro-USB-connector van de USB-kabel/repeater-assemblage en leg de repeater-kabel uit op de host-PC/laptop in de MRI-controlekamer. Steek de interface/Power/regulator-eenheid in een 110VAC-wand stekker in de ondersteunings ruimte en schakel vervolgens aan/uit-schakelaar.
- Positie MR_CHIROD V3 met de patiënt.
- De MR scanner bed volledig uit te breiden en te verlagen. Bevestig de onderste helft van de Head Coil en leid de vrijwilliger om te bepalen, ervoor te zorgen dat de vrijwilliger rust comfortabel en heeft hun armen comfortabel verlengd.
- Bied oordopjes aan de Vrijwilliger voor akoestische ruisonderdrukking.
- Bevestig de Head Coil en kleine Foam pads om het hoofd te immobiliseren.
- Bevestig kussens rond de grijpende arm van de vrijwilliger op het niveau van de arm en de elleboog, om de trillingskoppeling te minimaliseren voor het eigen lichaam van vrijwilligers en de muren van de MR-scanner.
- Bevestig de communicatiebal op de borst van de vrijwilliger, Instrueer ze over het gebruik ervan en bevestig dat de communicatiebal goed werkt voordat de scans worden gestart.
- Installeer losjes de MR_CHIROD aan de zijkant van de patiënt tegenover die van hun hersen laesie met behulp van de bijbehorende bedgleuf. Met de elleboog van de vrijwilliger die op de tafel rust om het gewicht van hun arm te ondersteunen, verplaats je de MR_CHIROD hendel naar de singelband tussen duim en wijsvinger en leid je de vrijwilliger om de handvatten van de MR_CHIROD te grijpen.
- Als de MR_CHIROD zich aan de andere kant van de tafel van het penetratie paneel bevindt, Positioneer dan de kabels en de pneumatische buis zodat ze onder de tafel passeren in plaats van over de patiënt.
- Zorg ervoor dat de grip positie correct is voor knijpen. Instrueer de vrijwilliger om te knijpen en duwen of trek de MR_CHIROD totdat ze de meest comfortabele positie voor knijpen hebben.
- Bevestig de MR_CHIROD stevig op zijn plaats door de plastic moeren aan te spannen met een MR-compatibele moersleutel.
Opmerking: Er wordt op dat moment geen scan uitgevoerd. Bij het positioneren van de MR_CHIROD rust de vrijwilliger comfortabel op het MR-scanner-bed buiten de magneet. De deur naar de magneet kamer kan open zijn.
- Stel de Control laptop in de MR controlekamer (grenzend aan scanner en ondersteunende kamers), bevestig de verbinding en instellen voor de patiënt kracht niveau.
- Schakel de laptop in en start de software voor gegevensverzameling/-analyse. Sluit de USB-kabel/repeater-eenheid aan op de laptop. Schakel de MR scanner room-projector in. Sluit de laptop video-uitgangspoort aan op de projector connector en stel monitor in om het scherm uit te breiden naar de projector. Sluit de USB HID-trigger kabel van de scanner aan op de laptop om trigger signalen van de scanner te ontvangen.
- Voer de aangepaste gebruikersinterface (UI)/Control/stimulus-programma voor de MR_CHIROD. Stel MR_CHIROD druk automatisch in op het (minimale) "Setup"-niveau om de hendel naar de Eindstop te duwen, waarbij de weergave van bewegingen en Force-golfvormen wordt gecontroleerd.
- Instrueer de vrijwilliger dat de volgende paar knijpt zal zijn om te kalibreren voor maximale sterkte van knijpen en dus zal moeilijk zijn.
- Stel Force level, bijvoorbeeld, tot 30 N en instrueer de vrijwilliger om 2-3 keer volledig te knijpen met een periode van ongeveer 2 s. Kijk of de vrijwilliger een Knijp op dat kracht niveau kan voltooien.
- Verhoog geleidelijk het kracht niveau en herhaal knijp pogingen totdat de vrijwilliger een squeeze niet kan voltooien. Deze meting dient als een maximum van de grip kracht van de vrijwilliger. De GEBRUIKERSINTERFACE berekent automatisch 60%, 40% en 20% van de maximale kracht niveaus voor gebruik tijdens het testen.
3. Voer vrijwilligers gegevens in en Kalibreer de MR scanner
- Voer de niet-geïdentificeerde gegevens van de vrijwilliger in volgens het ziekenhuis beleid in overeenstemming met de voorschriften van HIPAA (United States Health Insurance overdraagbaarheid and Accountability Act van 1996) op de scanner console.
- Verplaats de tafel en de deelnemer naar de scanner en plaats de positie bij isocenter.
4. Voer fMRI-sessie uit
- Observeer de vrijwilliger door het raam tussen de controle-en scanner kamers en communiceer met de vrijwilliger om de toestemming van de deelnemer te verkrijgen om het fMRI-protocol te starten. Instrueer ze de MR_CHIROD hendel niet te houden zodat deze op de volledig open positie kan rusten.
- Shim de magneet en voer een localizer scan. Open het fMRI-protocol en stel segmenten in om de hersenen van de vrijwilliger te bedekken.
- Instrueer de vrijwilliger dat de fMRI-sessie begint.
- Stel met behulp van de GEBRUIKERSINTERFACE de MR_CHIROD in om het eerste kracht niveau toe te passen (20% van het maximum). Het UI-programma toont een reeks instructies op de videoprojector voor de vrijwilliger om hen eraan te herinneren hoe ze moeten reageren op de visuele stimulans. De GEBRUIKERSINTERFACE wacht totdat de scanner een triggersignaal geeft om door te gaan.
- Start een echo-Planar-Imaging protocol voor fMRI. Gebruik Imaging Program MR_CHIROD van mapgebruikers. De parameters voor acquisitie en reconstructie zijn al ingesteld in het Imaging-programma en mogen niet worden gewijzigd. De volgende parameters worden gebruikt: in-plane 192 x 192 of 256 x 256 acquisitie matrices; TR (herhalings tijd) in het bereik van 2-3 s; a 30 MS TE (ECHO tijd); 5 mm segment dikte en een ruimtelijke resolutie van ~ 1 mm x 1 mm.
Opmerking: De UI/Data Acquisition/stimulus programma zal wachten om een trigger Pulse van de scanner die overeenkomt met het initiëren van pre-fMRI scans in het scanner programma te ontvangen. De visuele stimulans zal de instructies te verwijderen en Toon een "fixatie kruis" dat de vrijwilliger zal focussen op. Wanneer de fMRI-scan TRs begint, wordt een visuele metronoom weergegeven, in de vorm van een groeiende en krimpende cirkel. De vrijwilliger zal volledig knijpen en laat de hendel synchroon met de stimulus. Rustperioden zullen de stimulerende perioden scheiden, gedurende welke tijd het fixatie kruis opnieuw wordt weergegeven. - Tijdens het uitvoeren van een taak, monitor Force output en of de deelnemer de taak correct uitvoert (d.w.z., volledig voltooien van handvatten en releases en het onderhouden van Synchrony met de visuele metronoom) door het observeren van Live plots van kracht en verplaatsing op de UI .
- Zodra de eerste run voorbij is, bevestigt u voortzetting van het experiment op de GEBRUIKERSINTERFACE, waardoor het niveau van kracht wordt gewijzigd in een tweede van drie niveaus. Herhaal van stap 4,5. Op dezelfde manier, wanneer de tweede uitvoering is voorbij, bevestig voortzetting voor het uitvoeren van de laatste uitvoering op het niveau van de derde kracht.
- Na de derde run zal de UI automatisch MR_CHIROD druk instellen op het lage "Setup" niveau.
5. Voltooi de MRI-sessie
- Instrueer de deelnemer om te ontspannen en het handvat te laten gaan. Verzamel een reeks anatomische scans.
6. Take-Down
- Verwijder de deelnemer uit de MR scanner room, volg de setup stappen achteruit en ga verder met het afsluiten en loskoppelen van de onderdelen van de MR_CHIROD. Breng de heer data over naar de database en naar de schijf en sluit de sessie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De methodologie die in het protocol wordt beschreven, maakt het mogelijk om fMRI-beelden te verzamelen terwijl de vrijwilliger de taak in real-time in de magneet uitvoert. Er werden experimenten uitgevoerd in de Bay 1-faciliteit van het Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, met behulp van een 3T full-body magnetische resonantie scanner. Figuur 2 en Figuur 3 tonen de plaatsing van de MR_CHIROD op de tafel en de patiënt die het in bedrijf heeft. In Figuur 3, een vrijwilliger is in de scanner boring met zijn/haar hoofd geplaatst in het isocenter van de magneet, dat is de juiste positie voorbeeld vorming van de hersenen. Figuur 4 toont een schematische weergave van de systeemonderdelen en-verbindingen die tijdens de beginfase van het proces zijn ingesteld. Tijdens een fMRI-sessie worden niet alleen de beelden verzameld, maar ook een real-time spoor van de werkelijke lijnen van het apparaat als de persoon in de magneet boring is verkregen. Typische resultaten worden weergegeven in afbeelding 5. Het gebruik van gecontroleerde pneumatische druk maakt nauwkeurige controle van de constante reactiekracht geboden door de MR_CHIROD v3.
Figuur 5A – C toont typische activerings gebieden tijdens het vastgrijpen/loslaten van het apparaat, met behulp van de resultaten van de vetgedrukte techniek tijdens fMRI-scanning. Rode pijlen tonen activering in de M1 regio (primaire motor cortex) en groene gebieden tonen de SMA (aanvullende motorische cortex). Figuur 5d toont de gemeten verplaatsing tijdens het aangrijpend/loslaten, die werd uitgevoerd tegen de weerstand van de MR_CHIROD. Figuur 5e toont activering na verloop van tijd op één Voxel, gekozen uit het somato-sensorische gebied. Het antwoord komt overeen met de activiteit van het onderwerp, verhoogde activering tijdens het aangrijpend/vrijgeven en verminderde activering wanneer het onderwerp rust.
Afbeelding 1: de onderdelen van het MR_CHIROD v3-apparaat. (1) vaste handgreep; (2) Schuif hendel; (3) krachtsensor; (4) positie encoder; (5) glas-grafiet cilinder-zuiger eenheid; (6) afgeschermde load Cell-versterker; (7) MR-tabel montage sleuf (mockup); (8) kogellagers met acetyl races en glazen ballen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: weergave van de MR_CHIROD v3 stevig bevestigd op de scanner bed. Deze configuratie stelt de persoon in staat om de MR_CHIROD te bedienen zonder zijn gewicht te ondersteunen. Het apparaat kan voor de linker-of rechterhand worden geplaatst. Afgeschermde kabels zijn geaard op penetratie paneel, pneumatische buis uitgangen via een doorloop van de buis in het penetratie paneel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: weergave van de MR_CHIROD v3 ten opzichte van een patiënt. Een vrijwilliger rust met zijn hand in positie in de buurt van de handvatten van het apparaat. De vrijwilliger wordt in de juiste positie geplaatst bij Magnet isocenter for Brain Imaging. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Schematisch diagram van MR_CHIROD ingesteld voor gebruik in een Mr scanner room. De afgeschermde kabels die de signalen voor de positie-en snelheidsgegevens en voor de krachtsensor dragen, evenals de pneumatische slang, passeren het penetratie paneel dat fungeert als het referentieniveau van de aarding. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: typische resultaten van het uitvoeren van een motorische taak (knijpen in de handvatten van een MR_CHIROD). Getoond zijn (a) de fMRI hersen activeringen, bovenop als blobs op een omtrek van de hersenen, (B) als pseudo-kleur op een driedimensionale transversale weergave van de anatomische hersenscan van de vrijwilliger, en (C) als pseudo-kleur gerenderd op een hersen sjabloon. M1 = primaire motor cortex. SMA = aanvullend motor gebied. D) werkelijke kracht output, gemeten in eenheden van kracht (Newton, N) als functie van de tijd. De Force output is het eigenlijke record van het knijpen van de vrijwilliger en wordt in real-time opgenomen door de MR_CHIROD. (E) de tijdsduur van de enkelvoudige Voxel wordt getoond, gekozen uit een Voxel in het somatosensorisch gebied op de plaats van de Kruisje in (B). Zwarte balken in (D) en (E) corresponderen met een stimulus/rustperiode van 60 s. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We presenteren fMRI van een motorische taak met behulp van de nieuwste versie van een roman Robotic Device, de MR_CHIROD1,2,8. De MR_CHIROD is ontworpen om een hand-knijpende grip taak uit te voeren die kan worden uitgevoerd door chronische beroerte-patiënten en is eerder onderzocht1,2,3,4,5,6,8. Het apparaat wordt verder gebruikt als een dynamometer, waarbij de maximale grip kracht van de patiënt wordt gemeten, waartegen de experimentele kracht niveaus genormaliseerd zijn. Activering van de motorische cortex wordt opgewekt in relatie tot het ingestelde kracht niveau tijdens experimenten. Verder wordt de maximale kracht in de loop van het onderzoek bijgehouden om een verbeterde gripsterkte te tonen. Onze eerdere iteraties van de MR_CHIROD hebben al bewezen nuttig te zijn in studies tonen bewijs voor Neuroplasticiteit en revalidatie van chronische beroerte patiënten1,6. Momenteel combineren we het gebruik van de MR_CHIROD met een beeldvormings protocol dat hoge gevoeligheid voor fMRI van motor taken7mogelijk maakt. Onze aanpak combineert functionele MRI met een nieuw, met MRI compatibel, hand-geïnduceerde robot apparaat voor de functie revalidatie van de hand motor.
Het apparaat kan gemakkelijk worden gebruikt of aangepast voor gebruik in andere MR-faciliteiten. Fysiek, de macht/interface/regulatie Unit en luchtcompressor moeten worden geplaatst in een ondersteunende/mechanische ruimte met penetratie panel toegang tot de MR scanner room, met een geschikte data Pass-Through en een fysieke doorgang voor de perslucht slang. De verbinding tussen het apparaat en de hostcomputer wordt momenteel gemaakt met behulp van een USB-kabel met een aangedreven repeater voor een scheiding van ongeveer 10 m tussen de twee elementen. Ten slotte moet de scanner een bijbehorende projector of een soortgelijk visualisatie systeem hebben om de instructies, fixatie Kruis en visuele metronoom aan het onderwerp te presenteren, evenals een manier om TR-trigger informatie aan de GEBRUIKERSINTERFACE te verstrekken.
Deze versie van de MR_-CHIROD is speciaal ontwikkeld ter ondersteuning van ons experimentele protocol in de heer scanner en gebruiksgemak door onderzoekers en onderwerpen in een niet-MR Suite-omgeving. In beide sites geeft het onderwerp de handgreep en geeft het de hendel van het apparaat vrij tegen een constante herstelkracht, die kan worden gewijzigd tussen experimentele runs. Als zodanig werd het pneumatische systeem aangenomen, dat de presentatie van continue resistieve kracht aan het onderwerp mogelijk maakt (vergeleken met eerdere en alternatieve visceuze remsystemen die elektro-Rheologische vloeistoffen gebruiken die nul kracht hebben wanneer het onderwerp niet actief aangrijpend of loskomt en geen herstelkracht levert). De eerdere MR_CHIROD iteraties en andere systemen zijn speciaal ontworpen om snelle kracht veranderingen in reactie op gebruikersinteractie mogelijk te maken en vertrouwen op er-vloeistoffen om de snelle respons2,14mogelijk te maken, maar de kosten en complexiteit van dergelijke systemen werden bepaald ongewenst voor deze toepassing.
Het gepresenteerde protocol vertegenwoordigt de nu stabiele versie in ons onderzoek. Resultaten die tot nu toe zijn verzameld, hebben geen onverwachte bevindingen opgeleverd die wijziging van het protocol vereisen. Toekomstige verbeteringen kunnen nodig zijn indien nodig en kunnen een snellere beeldvorming en aanpassing van ons motor paradigma omvatten. Bovendien ondersteunt de geselecteerde hardware niet alleen het aanpassen van de bedieningsparameters via de seriële USB-verbinding zonder onderbreking van de heer Scanning, maar ook voor externe updates van Home-based trainingsinstellingen met behulp van de WiFi van de microprocessor Module.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen van de auteurs heeft een conflict om openbaar te maken.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door een subsidie van het National Institute of neurologische aandoeningen en beroerte (grantnummer 1R01NS105875-01A1) van de National Institutes of Health aan A. Aria Tzika. Dit werk werd uitgevoerd in het Athinoula A. Martinos Center voor biomedische beeldvorming. We willen de directeur Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. en leden van het centrum van Martinos bedanken voor hun steun. Verder willen we de heer Christian Pusatere en de heer Michael Armanini bedanken voor hun hulp bij het uitvoeren van experimenten. Tot slot danken we Dr. Michael A. Moskowitz en Dr. Rosen voor hun begeleiding bij de conceptie en ontwikkeling van de MR_CHIROD serie apparaten en de bijbehorende beroerte studies.
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).
