Summary
Nörolojik açıklardan kurtulan bireylerde el motor fonksiyonunu izlemek için yardımcı lığını değerlendirmek için mri uyumlu yeni bir el yapımı robotik cihaz kullanarak fonksiyonel MRG uyguladık.
Abstract
Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), kan seviyesine bağlı değişiklikleri tespit etmek için endojen bir kontrast ajan olarak endojen deoksihemoglobin kullanarak, beyin aktivasyonunu in vivo olarak gösteren non-invaziv manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir. oksijenasyon (BOLD etkisi). FMRI'yi yeni bir robotik cihazla (MR uyumlu el yapımı robotik cihaz [MR_CHIROD]) birleştirdik, böylece tarayıcıdaki bir kişi kontrollü bir motor görevi yerine getirebilsin, el sıkma, ki bu nörolojik motor hastalıkta çalışmak için çok önemli bir el hareketidir. . Biz paralel görüntüleme (genelleştirilmiş otomatik kalibrasyon kısmen paralel satın almalar [GRAPPA]), daha yüksek mekansal çözünürlük kalın duyarlılık sonuçlanan izin istihdam. FMRI'nin elle indüklenen robotik cihazla birleşimi, bir katılımcı tarayıcıdayken yürütülen görevin hassas bir şekilde kontrol edilmesine ve izlenmesine olanak sağladı; nörolojik açıklardan (örn. inme) iyileşen hastalarda el motor fonksiyonunun rehabilitasyonunda yararlı olduğu kanıtlanabilir. Burada bir fMRI taraması sırasında MR_CHIROD mevcut prototip kullanmak için protokol anahat.
Introduction
Uygun görüntüleme ölçümleri, klinik değerlendirmelerden daha iyi bireylerde tedavi başarısı olasılığını izleyebilir ve tahmin edebilir ve tedavi planlamasını geliştirmek ve bireyselleştirmek için bilgi sağlayabilir. Biz kronik inme1,2,3,4,5,6,7,8kurtarma hastaları ile deneyim geliştirdik. Motor eğitiminin nöral aktivitenin ve/veya motor fonksiyonunun yeniden düzenlenmesinde artımlı gelişimi nasıl etkileyebileceğine odaklanan optimal bireyselleştirilmiş stratejiler geliştirmek hala zordur. Nörolojik hastalık sonrası beyinde fonksiyonel iyileşme için altta yatan yapısal remodeling ve yeniden organizasyon süreçleri içine Insights bize fonksiyonel nörogörüntüleme yöntemleri ve beyin haritalama yoluyla nöral aktivite ve fonksiyonel kurtarma dağıtılmış topografik desenler arasındaki ilişkiyi değerlendirmek için izin verebilir. Başarı manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ölçümleri 9 dayalı nörolojik koşullar ile geniş popülasyonkavrama gücü iyileştirmelerverim için optimize kişiselleştirilmiş tedavi stratejileri geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.
Burada, bir deneğin salınımlı bir görsel uyaranla senkronize olarak sapladığı ve serbest kaldığı kontrol edilebilir bir direnç kuvveti sağlayan yeni tasarlanmış robotik el cihazını kullanan bir protokol salıyoruz. v3 MR_CHIROD (MR uyumlu El Kaynaklı RObotic Device), her veri noktası için uygulanan kuvvet, kavrama deplasmanı ve zaman damgalarını ölçerken ve kaydederken, kavrama ve serbest bırakma hareketlerinin yapıldığı ayarlanabilir kuvvetlerin sunulması için kullanılan bir sistemdir(Şekil 1). Cihaz fMRI sırasında beyin aktivasyon görüntüleri güvenilir değerlendirmeler sağlamak için tasarlanmış (fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme), hangi nörolojik bozukluklar dan kurtarma hastaların beyin yanıtlarında kan oksijen düzeyine bağımlı (BOLD) değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir. MR-uyumluluk yapısı ve pnömatik aktüatör elemanları ve tarayıcının yatağına konumlandırılmış korumalı sensör / elektronik bileşenler için tamamen demir olmayan / manyetik olmayan bileşenlerin kullanımı ile elde edilir. Şekil 2, MR tarayıcı yatağına bağlı olan cihazı gösterir ve mıknatıstaki bir nesne ile MR_CHIROD v3'ün sapını kavrar (Şekil 3). Arayüz ve kontrol bileşenleri MR tarayıcı odasının dışına konumlandırılır (Şekil 4).
Cihaz, ilgili beyin aktivasyonlarını değerlendirmek için beyin görüntüleme yöntemleri ile eş zamanlı olarak kullanılır. Sistemin birincil kullanımı fMRI kullanılarak tespit edilen beynin motor bölgelerinin aktivasyonları üreten bir motor görev sağlamaktır. Görüntüleme sırasında MR_CHIROD kullanırken beyin aktivasyonu nörolojik hastalıklarda nöroplastisiteyi değerlendirebilir. MR_CHIROD kullanarak motor eğitimi sırasında ve sonrasında aktivasyonlarda yapılan değişiklikleri izleyerek, motor açıklarına (örn. inme) yol açan herhangi bir nörolojik hastalığı takiben motor rehabilitasyonunun ilerlemesi gözlemlenebilir.
v3 MR_CHIROD de masaya monte edilebilir, intra-scan eğitim egzersizleri kullanmak için, hangi konu kavramaları ve çalışma sırasında haftada üç kez, 45 dakika dönemleri için uygun görsel uyaranlara yanıt olarak bültenleri. Görüntüleme ile izlenen robotik olarak verilen eğitim deneyimimiz, örneğin inme hastaları için iyileşme penceresininasla kapanamayacağınıgöstermektedir 1.
MR uyumlu bir el kavrama robotu oluşturma ve kullanma gerekçemiz, robotik geri kazanımın kolay dağıtım, çeşitli motor bozuklukları arasında uygulanabilirliği, yüksek ölçüm güvenilirliği ve yüksek yoğunluklu eğitim protokolleri10sunma kapasitesi nedeniyle bozulma üzerinde büyük bir etki yaratma potansiyeline sahip olmasıdır. MR uyumlu robotumuz şunları yapabilir: (a) konuya özel hareket aralıkları için ayarlanabilir ve konuya özel kuvvet düzeylerini uygulayacak şekilde programlanabilir; (b) ana bilgisayar aracılığıyla kuvvet ve yer değiştirme parametrelerini kontrol etmek, ölçmek ve kaydetmek; (c) MR tarayıcı odasına erişim veya konunun yeniden konumlandırılması için tarama nın kesintiye uğramasına gerek kalmadan kontrol parametrelerini uzaktan ayarlayın; ve (d) uzun süre ler boyunca tam ve tutarlı bir şekilde eğitim egzersizleri ile terapi sağlar.
Bilgisayar kontrollü zaman değiştirme kuvveti uygularken deneğin el kavrama kuvvetini ve yer değiştirmesini ölçmek için MR tarayıcısı ile kullanılabilecek ticari olarak mevcut kurtarma robotik cihazının farkındayız. Tsekos ve ark.11, MR_CHIROD dizi cihazın önceki yinelemeleri de dahil olmak üzere, öncelikle araştırma tabanlı, MR uyumlu robotik ve rehabilitasyon cihazlarını gözden geçirmektedir. Diğer cihazlar bilek hareketi, parmak hareketi, İzometrik kavrama gücü ve çok eklemli hareketleri incelemek için tasarlanmıştır. Aktif olarak dirençli veya diğer kuvvetler sağlayan cihazlar için hidrolik, pnömatik, mekanik bağlantılar ve elektrotermitif sıvı amortisörleri de dahil olmak üzere mr uyumlu çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Bazı cihazlar özgürlük birden fazla derece içerir, önceki MR_CHIROD sürümleri başka bir uzantısı da dahil olmak üzere özgürlük ve hidrolik kuvvet uygulaması bir rotasyonel derecesi eklendi, ancak MR-uyumluluk için adapte değildi12.
El kavramaya özel cihazımız taşınabilirlik avantajlarına sahiptir (MR tesisi ile ofis tabanlı eğitim sahaları arasında düzenli olarak taşınır) ve büyük, bilgisayar kontrollü, zaman ayarı yapan dirençli güçler üretme yeteneğine sahiptir. MR_CHIROD pnömatik teknolojinin mevcut kullanımı elektro-romatizmal sıvı tabanlı sistemler için gerekli yüksek gerilim kaynaklarına, hidrolik sıvı sızıntısı potansiyeline ve arayüz mekanizmasını dış güç ve kontrol bileşenlerine bağlayan karmaşık kablo/bağlantıihtiyacını önler.
MR_CHIROD inme hastalarında beyin haritalama için fMRI ile birlikte çalışması gösterilmiştir ilk cihaz oldu1. Daha da önemlisi, v3 MR_CHIROD özellikle ev veya ofis tabanlı eğitim için yararlıdır, çünkü sistem ve yazılımı uzman klinik destek olmadan ve motivasyon elleriyle kullanılmak üzere tasarlanmıştır ("gamification"). Bir hastanede, ofis veya ev tabanlı eğitim de fizyoterapist tarafından kolaylaştırılan eğitim göre daha az pahalı ve daha rahat, daha kolay hastaların günlük tedaviye uymak için yapım. Cihaz, zaten nispeten diğer araştırma tabanlı cihazların bazılarına göre ucuz, maliyet-fayda oranını artırmak için yeniden yapılandırılabilir. Sanal gerçeklik ve eğitim gamification, her ikisi de MR_CHIROD v3 ile uyumludur, hastalar meşgul olabilir, görev sırasında dikkatlerini artırmak, ve motivasyonu artırmak, böylece kurtarma etkinliğini artırarak13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tüm deneyler Massachusetts Genel Hastanesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı ve Biyomedikal Görüntüleme için Athinoula A. Martinos Merkezi'nde onaylandı.
1. Konu Hazırlığı
NOT: Dahil etme kriterleri şunlardır: (i) sağ el hakimiyeti, (ii) yazılı bilgilendirilmiş onay verme yeteneği. Dışlama, manyetik rezonans ortamında ki kontra-göstergelerin taranması temelinde aşağıdaki ler gibi uygulanmıştır: (a) Kalp pili veya serebral anevrizma klipsi ve metal implantlar veya vücutta metal içeriğin varlığı gibi rutin MRI dışlama kriterleri; (b) nöbet öyküsü (c) klostrofobi; (d) gebelik.
- Bilgilendirilmiş onay almak için, gönüllünün onay formunu okuyun. Hem gönüllü hem de araştırmacı, mükerrer olarak onay formunda uygun yerleri imzalar. Onay formunun imzalı bir kopyasını araştırmacı kayıtları için uygun bir yere bırakın. Katılımcının kayıtları için izin formunun ikinci kopyasını saklayın.
- MRG (manyetik rezonans görüntüleme) kontraendikasyonları için gönüllü ekranı. MRI kontraendikasyon listesini doldurun ve listedeki her öğe hakkında bilgi alın, kutuları uygun şekilde işaretleyin.
- Katılımcıların cerrahi anevrizma klipsleri, kalp kalp pili, protez kalp kapakçığı, nörostimülatör, implante pompalar, koklear implantlar, metal çubuklar, plakalar, vidalar gibi kontraendikasyonları varsa (veya potansiyel olarak varsa) tarama ile devam etmeyin, işitme cihazı veya transdermal yama.
2. Kurulum
- İlk kurulumu tarayıcı odasında gerçekleştirin.
NOT: Gerekli tüm eğitimler prosedürden önce araştırmacı tarafından alınmalıdır. MR tesisi ile ilgili önlemler her zaman alınmalıdır.- MR_CHIROD (Manyetik Rezonans Uyumlu El Kaynaklı Robotik Cihaz) MRTarayıcı odasına getirin ve penetrasyon panelinin yakınına yerleştirin. 3/8 inç pnömatik tüpü paneldeki geçiş tüpüne bitişik MRI destek odasına takın.
- MRI tarayıcı oda kuvvetalgılama ve kodlayıcı kabloları panelin tarayıcı odası tarafındaki 9 iğneli D şeklinde (DSUB) konektöre bağlayın.
- MRI destek odasını kur.
- Hava kompresörü 110VAC duvar prizine takın. Kompresör iç regülatörü kapalı/minimum basınç pozisyonuna ve top valfinin kapalı pozisyonda olması yla kompresörü açın ve tam iç basınca (~4 dk) gelmesini bekleyin.
- Destek odası kuvvetalgılama ve kodlayıcı kablolarını penetrasyon panelinin dış tarafındaki DSUB konektörüne bağlayın.
- Penetrasyon panelinden geçişten arayüz/güç ünitesi basınç regülatörü çıkışına çıkan 3/8 inç pnömatik tüp montajını bağlayın. 4 mm'lik pnömatik tüpü kompresör çıkışına ve arayüz/güç/regülatör ünitesindeki hava filtresi girişine bağlayın.
- Arayüz/güç/regülatör ünitesini USB kablosu/tekrarlayıcı tertibatının mikro-USB konektörüne bağlayın ve tekrarlayıcı kablosunu MRI kontrol odasındaki ana bilgisayara/dizüstü bilgisayara töyorum. Arayüz/güç/regülatör ünitesini destek odasındaki 110VAC duvar fişe takın ve ardından güç düğmesini açın.
- Hastaya MR_CHIROD v3 pozisyonu.
- MR tarayıcı yatağını tamamen genişletin ve indirin. Baş bobinin alt yarısını takın ve gönüllünün rahat bir şekilde dinlendiğinden ve kollarını rahatça uzattığından emin olarak, gönüllüye uzanması için rehberlik edin.
- Akustik gürültü azaltma için gönüllü kulak tıkacı sağlayın.
- Baş ımobildirmek için baş bobini ve küçük köpük pedleri takın.
- Gönüllünün kendi vücuduna ve MR tarayıcısının duvarlarına titreşimsel bağlantıyı en aza indirmek için gönüllünün kol ve kol hizasına yastıklar takın.
- Gönüllünün göğsüne iletişim topını takın, nasıl kullanacakları konusunda talimat ver ve taramalara başlamadan önce iletişim topunun iyi çalıştığını onaylayın.
- Gevşek ilgili yatak yuvası kullanarak beyin lezyonu karşısında hastanın tarafında MR_CHIROD yükleyin. Gönüllünün dirseği, kollarının ağırlığını desteklemek için masaya yaslanıp, MR_CHIROD sapını başparmak ve işaret parmağı arasındaki dokumaya taşıyın ve gönüllüye MR_CHIROD kulplarını kapmaları için rehberlik edin.
- MR_CHIROD penetrasyon panelinden masanın karşı tarafındaysa, kabloları ve pnömatik tüpü hastanın üzerinden değil de masanın altına geçecek şekilde yerleştirin.
- Kavrama konumunun sıkma için uygun olduğundan emin olun. Gönüllüye, sıkma için en rahat konuma sahip olana kadar MR_CHIROD sıkmalarını ve itmelerini veya çekmelerini emredin.
- MR uyumlu bir anahtar kullanarak plastik somunları sıkarak MR_CHIROD sıkıca sabitle.
NOT: O anda hiçbir tama yapılmıyor. MR_CHIROD konumlandırırken, gönüllü mıknatısın dışındaki MR tarayıcı yatağında rahatça dinleniyor. Mıknatıs odasının kapısı açık olabilir.
- KONTROL dizüstü bilgisayarını MR kontrol odasında (tarayıcı ve destek odalarına bitişik) ayarlayın, bağlantıyı onaylayın ve hasta gücü seviyesi için ayarlayın.
- Dizüstü bilgisayarı açın ve veri toplama/analiz yazılımını başlatın. USB kablosu/tekrarlayıcı tertibatını dizüstü bilgisayara bağlayın. MR tarayıcı odası projektörüne açın. Dizüstü video çıkış bağlantı noktasını projektör konektörüne bağlayın ve ekranı projektöre genişletecek şekilde monitörü ayarlayın. Tarayıcıdan tetik sinyalleri almak için tarayıcı USB HID tetik kablosunu dizüstü bilgisayara bağlayın.
- MR_CHIROD için özel kullanıcı arabirimi (UI) / kontrol / uyarıcı programı çalıştırın. Otomatik olarak hareket ve kuvvet dalga formları ekran doğrulayan, son-stop için kolu itmek için (minimal) "kurulum" düzeyine MR_CHIROD basıncı ayarlayın.
- Gönüllüye, önümüzdeki birkaç sıkmanın maksimum sıkma kuvveti için kalibre edilmesi gerektiğini ve bu nedenle zor olacağını öğretin.
- Kuvvet düzeyini, örneğin, 30 N'ye ayarlayın ve gönüllüye yaklaşık 2 s' lik bir süre yle 2-3 kez tamamen sıkıştırmasını emretin.
- Gönüllü bir sıkışmayı tamamlayamayana kadar kuvvet seviyesini kademeli olarak artırın ve sıkma girişimlerini tekrarlayın. Bu ölçüm, gönüllünün kavrama gücünün maksimumu olarak hizmet vermektedir. UI, test sırasında kullanılmak üzere maksimum kuvvet seviyelerinin %60, %40 ve %20'sini otomatik olarak hesaplar.
3. Gönüllü Veri girin ve MR Tarayıcı kalibre
- Tarayıcı konsolundaki HIPAA (1996 Amerika Birleşik Devletleri Sağlık Sigortası Taşınabilirlik ve Sorumluluk Yasası) yönetmeliklerine uygun olarak, gönüllünün hastane politikasına göre tanımlanmamış verilerini girin.
- Tabloyu ve katılımcıyı tarayıcıya taşıyın ve isocenter'da konumlandırın.
4. FMRI Oturumunu Çalıştır
- Kontrol ve tarayıcı odaları arasındaki pencereden gönüllü gözlemleyin ve fMRI protokolünü başlatmak için katılımcının iznini almak için gönüllü ile iletişim kurun. Tamamen açık pozisyonda dinlenmesine izin vermek için MR_CHIROD tutamacını tutmamalarını söyle.
- Mıknatısı shim ve lokalize bir tarayıp çalıştırın. FMRI protokolünü açın ve gönüllünün beynini kapsayacak şekilde dilimler ayarlayın.
- Gönüllüye fMRI oturumunun başlamak üzere olduğunu öğretin.
- UI kullanarak, ilk kuvvet seviyesini (maksimum% 20) uygulamak için MR_CHIROD ayarlayın. UI programı, gönüllünün görsel uyarıcıya nasıl tepki vereceklerini hatırlatması için video projektörde bir dizi yönerge görüntüler. UI, tarayıcının tetikleyici sinyalin devam etmesini bekler.
- fMRI için bir eko-düzlemsel görüntüleme protokolü başlatın. Kullanıcılar klasöründen görüntüleme programı MR_CHIROD kullanın. Edinme ve yeniden yapılandırma parametreleri görüntüleme programında zaten ayarlanmış olup değiştirilmemelidir. Aşağıdaki parametreler kullanılır: uçak içi 192 x 192 veya 256 x 256 alım matrisleri; TR (tekrarlama süresi) 2-3 s aralığında; 30 ms TE (yankı süresi); 5 mm dilim kalınlığı ve ~1 mm x 1 mm uzamsal çözünürlük.
NOT: Kullanıcı GOrta/veri toplama/uyarma programı, tarayıcı programında ki ön fMRI taramalarının başlatılmasıyla karşılık gelen tarayıcıdan tetikleyici bir darbe almak için beklenir. Görsel uyarıcı talimatları kaldıracak ve gönüllü üzerinde durulacak bir "fiksasyon çapraz" gösterecektir. FMRI taraması TR'leri başladığında, büyüyen ve küçülen bir daire şeklinde görsel bir metronom ekranı görüntülenir. Gönüllü tamamen sıkmak ve uyarıcı ile senkronize kolu serbest bırakacaktır. Dinlenme süreleri, fiksasyon çaprazı yeniden görüntüleneceği uyarıcı dönemleri ayrıştıracaktır. - Bir görevin yürütülmesi sırasında, kuvvet çıktısını ve katılımcının görevi doğru şekilde yapıp yapmadığını (örneğin, kavramaları ve serbest bırakmaları ve görsel metronom ile senkronizasyonu sürdürme) UI'deki canlı güç ve yer değiştirme planlarını gözlemleyerek izleyin .
- İlk çalıştırma sona erdiğinde, kuvvet düzeyini üç seviyenin ikincisine çevirecek olan UI'deki denemenin devamını onaylayın. Adım 4.5'ten tekrarlayın. Benzer şekilde, ikinci çalıştırma sona erdiğinde, üçüncü kuvvet düzeyinde son çalıştırmayı devamlayın.
- Üçüncü çalıştırmadan sonra, UI otomatik olarak düşük "kurulum" düzeyine MR_CHIROD basınç ayarlar.
5. MR Oturumunu Tamamlayın
- Katılımcıya dinlenmesini ve sapını bırakmasını emret. Bir dizi anatomik tarama topla.
6. Take-down
- Katılımcıyı MR tarayıcı odasından çıkarın, kurulum adımlarını tersten izleyin ve MR_CHIROD parçalarını kapatıp bağlantıyı kesmeye devam edin. MR verilerini veritabanına aktarın ve oturumu diske ve kapatın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Protokolde özetlenen metodoloji, gönüllü mıknatısta görevi gerçek zamanlı olarak yerine getirirken fMRI görüntülerinin toplanmasına olanak sağlar. Deneyler Massachusetts Genel Hastanesi Athinoula A. Martinos Merkezi Biyomedikal Görüntüleme için Bay 1 tesisinde, bir 3T tam vücut manyetik rezonans tarayıcı kullanılarak yapıldı. Şekil 2 ve Şekil 3, MR_CHIROD masaya yerleştirimi ve hastanın onu ameliyat etme yerini gösterir. Şekil 3'tebir gönüllü, beyin görüntülemesi için doğru konum olan mıknatısın izocenter'ına yerleştirilen kafasıyla tarayıcıda dır. Şekil 4, sürecin ilk aşamalarında kurulan sistem bileşenlerinin ve bağlantılarının şemasını gösterir. Bir fMRI oturumu sırasında, sadece toplanan görüntüler değil, aynı zamanda mıknatıs delik kişi olarak cihazın gerçek vuruş gerçek zamanlı bir iz elde edilir. Tipik sonuçlar Şekil 5'tegösterilmiştir. Kontrollü pnömatik basınç kullanımı, v3 MR_CHIROD tarafından sağlanan sabit reaksiyon kuvvetinin hassas kontrolünü sağlar.
Şekil 5A-C, fMRI taraması sırasında BOLD tekniğinin sonuçlarını kullanarak cihazın kavrama/serbest bırakılması sırasında tipik aktivasyon alanlarını gösterir. Kırmızı oklar M1 bölgesinde aktivasyonu gösterir (primer motor korteks) ve yeşil alanlar SMA (tamamlayıcı motor korteks) gösterir. Şekil 5D, MR_CHIROD direnç kuvvetine karşı gerçekleştirilen kavrama/serbest bırakma sırasında ölçülen yer değiştirmeyi gösterir. Şekil 5E, somato-duyusal alan içinden seçilen tek bir vokselde zaman içinde aktivasyonu gösterir. Yanıt, öznenin aktivitesine, kavrama/bırakma sırasında oluşan yüksek etkinleştirme ve konu dinlenirken etkinleştirme azaltılır.
Şekil 1: v3 cihazının MR_CHIROD parçaları. (1) Sabit kulp; (2) Sürgülü tutamak; (3) Kuvvet sensörü; (4) Pozisyon kodlayıcısı; (5) Cam-grafit silindir-piston ünitesi; (6) Korumalı yük hücresi amplifikatör; (7) MR masa montaj yuvası (mockup); (8) Asetil yarışları ve cam topları ile bilyalı rulmanlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Tarayıcı yatağına güvenli bir şekilde bağlı olan MR_CHIROD v3'ün görünümü. Bu yapılandırma, kişinin ağırlığını niçin desteklemeden MR_CHIROD çalıştırmasını sağlar. Cihaz sol veya sağ el için konumlandırılabilir. Korumalı kablolar penetrasyon panelinde topraklanır, pennömatik tüp çıkışları penetrasyon panelindeki bir tüpten geçer. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Hastaya göre v3 MR_CHIROD görünümü. Bir gönüllü elini cihazın kollarına yakın pozisyonda dinleniyor. Gönüllü beyin görüntüleme için mıknatıs izocenter doğru pozisyonda yerleştirilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: MR tarayıcı odasında kullanım için ayarlanmış MR_CHIROD şematik diyagramı. Konum ve hız verileri ve kuvvet sensörü için sinyalleri taşıyan korumalı kablolar ve topraklama referans seviyesi olarak hizmet veren penetrasyon panelinden pnömatik boru lar geçer. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Bir motor görevinin yerine getirilmesinden elde edilen tipik sonuçlar (bir MR_CHIROD tutamaçlarının sıkıştırışlanması). Gösterilen (A) fMRI beyin aktivasyonları, beynin bir anahat üzerinde blobs olarak üst üste, (B) gönüllü anatomik beyin taraması üç boyutlu kesitgörünümü üzerinde sözde renk olarak, ve (C) bir beyin şablonu üzerinde işlenmiş sözde renk olarak. M1 = Primer motor korteks. SMA = Tamamlayıcı motor alanı. (D) Gerçek kuvvet çıkışı, zamanın bir fonksiyonu olarak kuvvet birimleri (Newton, N) cinsinden ölçülür. Kuvvet çıktısı gönüllünün sıkma gerçek kaydıdır ve MR_CHIROD tarafından gerçek zamanlı olarak kaydedilir. (E) Aktivasyonun tek voxel zaman kursu gösterilir, (B) içinde cross-hairs yerinde somatosensory alanda bir voxel seçilir. (D) ve (E) deki siyah çubuklar 60 s uyarıcı/dinlenme süresine karşılık gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Biz yeni bir robot cihaz, MR_CHIROD1,2,8en son sürümünü kullanarak bir motor görev fMRI saiyoruz. MR_CHIROD kronik inme hastaları tarafından yapılabilir ve daha önce1,2,3,4,5,6,8çalışılmıştır bir el sıkma kavrama görevi yürütmek için tasarlanmıştır . Cihaz daha da bir dinamometre olarak kullanılır, hastanın maksimum kavrama kuvveti ölçme, hangi deneysel kuvvet düzeyleri normalize edilir. Motor korteksin aktivasyonu deneyler sırasında belirlenen kuvvet düzeyi ile ilgili olarak ortaya çıkar. Ayrıca, maksimum kuvvet geliştirilmiş kavrama gücü göstermek için çalışma boyunca izlenir. MR_CHIROD bizim önceki yinelemeler zaten kronik inme hastalarının nöroplastisite ve rehabilitasyon uyruşu için kanıt gösteren çalışmalarda yararlı olduğu kanıtlanmıştır1,6. Şu anda motor görevlerin fMRI için yüksek duyarlılık sağlayan bir görüntüleme protokolü ile MR_CHIROD kullanımını birleştiriyoruz7. Yaklaşımımız, el motoru fonksiyon rehabilitasyonu için fonksiyonel MRG'yi yeni mr-uyumlu el yapımı robotik cihazla birleştirir.
Cihaz kolayca kullanılabilir veya diğer MR tesislerinde kullanılmak üzere uyarlanabilir. Fiziksel olarak, güç/arayüz/regülasyon ünitesi ve hava kompresörü, MR tarayıcı odasına giriş paneli erişimi olan bir destek/mekanik odaya yerleştirilmelidir, uygun bir veri geçişi ve basınçlı hava tüpü için fiziksel bir geçiş ile. Ünite ile ana bilgisayar arasındaki bağlantı şu anda iki unsur arasında yaklaşık 10 m'lik bir ayrım alabilmek için güçlü yineleyicili bir USB kablosu kullanılarak yapılır. Son olarak, tarayıcı talimatları sunmak için ilişkili bir projektör veya benzer görselleştirme sistemi olmalıdır, fiksasyon çapraz ve görsel metronom konuya, hem de UI TR tetik bilgi sağlamak için bir araç.
MR_-CHIROD'un bu sürümü, MR tarayıcısındaki deneysel protokolümüzü ve araştırmacılar ve denekler tarafından MR olmayan bir paket ortamında kullanım kolaylığı sağlamak için özel olarak geliştirilmiştir. Her iki sitede de, konu, deneysel çalıştırmalar arasında değiştirilebilen sabit bir geri yükleme kuvvetine karşı cihazın tutamacını kavrar ve serbest bırakır. Bu nedenle, konuya sürekli dirençli kuvvet sunulmasını sağlayan pnömatik sistem benimsenmiştir (denek aktif olarak kavramaveya serbest bırakmadığında ve geri alma kuvveti sağlamadığında sıfır kuvvet oluşturan elektro-reolojik sıvılar kullanılarak daha önceki ve alternatif viskoz frenleme sistemleri ile karşılaştırıldığında). Önceki MR_CHIROD yinelemeler ve diğer sistemler özellikle kullanıcı etkileşimine yanıt olarak hızlı kuvvet değişiklikleri için izin vermek ve hızlı tepki2,14için izin ER sıvıları güvenmek için tasarlanmıştır , ancak maliyet ve bu sistemlerin karmaşıklığı bu uygulama için istenmeyen olarak belirlenmiştir.
Sunulan protokol araştırmamızda ki kararlı versiyonu temsil ediyor. Bugüne kadar toplanan sonuçlar, protokolün değiştirilmesini gerektirecek beklenmeyen bir bulgu göstermedi. Gelecekte iyileştirmeler gerektiğinde gerekli olabilir ve daha hızlı görüntüleme ve motor paradigmaadaptasyon içerebilir. Buna ek olarak, seçilen donanım, mr taraması nın kesintiye uğramasını gerektirmeden sadece seri USB bağlantısı üzerinden kontrol parametrelerini ayarlamayı değil, aynı zamanda mikroişlemcinin WiFi'ını kullanarak ev tabanlı eğitim ayarlarının uzaktan güncellemeleri için de bunu destekler Modülü.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların hiçbirinin açıklama zıveti yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri'nden A. Aria Tzika'ya Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü'nün (Grant numarası 1R01NS105875-01A1) verdiği hibe ile desteklenmiştir. Bu çalışma Athinoula A. Martinos Biyomedikal Görüntüleme Merkezi'nde gerçekleştirilmiştir. Biz Müdür Dr Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. ve Martinos Merkezi personeli destek için üyelerine teşekkür etmek istiyoruz. Ayrıca Bay Christian Pusatere ve Bay Michael Armanini'ye deneylerin yürütülmesindeki yardımları için teşekkür etmek istiyoruz. Son olarak, Dr Michael A. Moskowitz ve Dr Rosen cihazların MR_CHIROD serisi ve ilgili inme çalışmaları nın döllenme ve geliştirme onların rehberlik için teşekkür ederiz.
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).
