Summary
قمنا بأداء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام جهاز روبوتي مبتكر بالرنين المغناطيسي لتقييم فائدته لمراقبه وظيفة المحرك اليدوي في الافراد الذين يتعافيون من العجز العصبي.
Abstract
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هو تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي غير الغازية التي صور تنشيط الدماغ في الجسم الخارجي ، وذلك باستخدام الهيموغلوبين الذاتية كعامل تباين الذاتية للكشف عن التغيرات في الدم المعتمدة علي مستوي الأوكسجين (تاثير جريئه). جمعنا التصوير بالرنين المغناطيسي مع جهاز الروبوتية رواية (السيد المتوافقة التي يسببها الجهاز الروبوتية [MR_CHIROD]) بحيث يمكن للشخص في الماسح الضوئي تنفيذ مهمة السيارات التي تسيطر عليها ، واليد الضغط ، وهو حركه يد مهمة جدا للدراسة في امراض المحركات العصبية . استخدمنا التصوير المتوازي (العامة معايره السيارات الموازية جزئيا الاستحواذات [غرابا]) ، والتي سمحت القرار المكاني اعلي مما ادي إلى زيادة الحساسية إلى جريئه. الجمع بين التصوير بالرنين المغناطيسي مع الجهاز الروبوتية المستحثة باليد يسمح التحكم الدقيق ورصد المهمة التي تم تنفيذها اثناء وجود مشارك في الماسح الضوئي; هذا قد يثبت ان تكون من فائده في أعاده تاهيل وظيفة المحرك اليدوي في المرضي الذين يتعافى من العجز العصبي (علي سبيل المثال ، السكتة الدماغية). هنا نحن الخطوط العريضة للبروتوكول لاستخدام النموذج الحالي من MR_CHIROD خلال مسح التصوير بالرنين المغناطيسي.
Introduction
قد تقوم مقاييس التصوير المناسبة برصد وتوقع احتمال نجاح العلاج في الافراد بشكل أفضل من التقييمات السريرية وتوفير المعلومات لتحسين تخطيط العلاج وإضفاء الطابع الفردي عليه. لقد طورنا الخبرة مع المرضي الذين يتعافيون من السكتة الدماغية المزمنة1،2،3،4،5،6،7،8. تطوير استراتيجيات فرديه الأمثل التي تركز علي كيفيه التدريب الحركي يمكن ان تؤثر علي التحسين التدريجي اما في أعاده تنظيم النشاط العصبي و/أو وظيفة المحرك لا تزال صعبه. يمكن لرؤى حول عمليات أعاده الهيكلة الهيكلية الاساسيه والعمليات الجديدة للتعافي الوظيفي في الدماغ بعد المرض العصبي ان تسمح لنا بتقييم العلاقة بين الأنماط الطبوغرافية الموزعة للنشاط العصبي والانتعاش الوظيفي عبر أساليب التصوير العصبي الوظيفية وتخطيط الدماغ. النجاح سيسهل تطوير استراتيجيات العلاج الشخصي الأمثل لتحقيق تحسينات في قوه القبضة في السكان واسعه مع الظروف العصبية علي أساس التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المقاييس9.
هنا نقدم البروتوكول الذي يستخدم جديده أعاده تصميم جهاز اليد الروبوتية التي توفر قوه المقاومة التي يمكن السيطرة عليها السيطرة علي الموضوع والنشرات مقبض في التزامن مع التحفيز البصري تتارجح. و MR_CHIROD v3 (السيد المتوافقة مع اليد الروبوتية الجهاز) هو نظام لتقديم القوات القابلة للتعديل ضد التي تجتاح والإفراج عن الحركات التي يتم تنفيذها ، في حين قياس وتسجيل القوه المطبقة ، قبضه النزوح والطوابع الزمنيه لكل نقطه البيانات (الشكل 1). تم تصميم الجهاز لتوفير تقييمات موثوق بها من صور تنشيط الدماغ اثناء التصوير بالرنين المغناطيسي (التصويرية الرنين المغنطيسي الوظيفي) ، والتي يمكن استخدامها لتقييم الدم--مستوي الأكسجين المعتمدة (جريئه) التغيرات في استجابات الدماغ للمرضي الذين يتعافى من الاضطرابات العصبية. ويتحقق التوافق السيد من خلال استخدام المكونات غير الحديدية/غير المغناطيسية تماما للهيكل وعناصر المحرك الهوائية ومحمية الاستشعار/المكونات الكترونيه التي يتم وضعها علي سرير الماسح الضوئي. الشكل 2 يظهر الجهاز المرفقة إلى الماسح الضوئي MR السرير ، ومع موضوع في المغناطيس تتحمل استيعاب مقبض من MR_CHIROD v3 (الشكل 3). يتم وضع مكونات الواجهة والتحكم خارج غرفه الماسح الضوئي MR (الشكل 4).
يتم استخدام الجهاز في وقت واحد مع أساليب تصوير الدماغ لتقييم التنشيط الدماغ ذات الصلة. الاستخدام الرئيسي للنظام هو توفير مهمة الحركية التي تولد التنشيط من المناطق الحركية في الدماغ ، والتي يتم الكشف عنها باستخدام fMRI. تنشيط الدماغ اثناء استخدام MR_CHIROD اثناء التصوير يمكن تقييم اللدونة العصبية في الامراض العصبية. من خلال تتبع التغييرات في التنشيط في سياق وبعد التدريب الحركي باستخدام MR_CHIROD ، يمكن ملاحظه تقدم أعاده التاهيل الحركي بعد اي مرض عصبي يؤدي إلى العجز الحركي (علي سبيل المثال ، السكتة الدماغية).
ويمكن أيضا ان تكون الMR_CHIROD v3 محموله علي الطاولة ، لاستخدامها في تمارين التدريب داخل المسح الضوئي ، حيث السيطرة علي الموضوع والنشرات استجابه لمحفزات بصريه مناسبه لفترات 45 دقيقه ، ثلاث مرات في الأسبوع اثناء الدراسة. تجربتنا مع التدريب تسليمها آليا ، ورصدها مع التصوير ، ويشير إلى ان نافذه الانتعاش للمرضي السكتة الدماغية علي سبيل المثال قد لا يغلق1.
لدينا الأساس المنطقي لبناء واستخدام الروبوت قبضه اليد المتوافق مع السيد هو ان الانتعاش الروبوتية لديه القدرة علي احداث تاثير كبير علي الاضمحلال بسبب سهوله النشر ، وقابليتها للتطبيق عبر مختلف العاات الحركية ، وموثوقيه القياس العالية ، والقدرة علي تقديم بروتوكولات تدريب عاليه الكثافة10. يمكن للروبوت المتوافق مع السيد: (ا) ان يحدد لنطاقات الحركة الخاصة بالموضوع وان يعدل برمجيا لتطبيق مستويات القوه الخاصة بالموضوع ؛ (ب) التحكم في بارامترات القوه والنزوح وقياسها وتسجيلها من خلال حاسوب مضيف ؛ (ج) ضبط بارامترات التحكم عن بعد دون الحاجة إلى انقطاع المسح الضوئي للوصول إلى غرفه الماسح الضوئي MR أو أعاده تموضع الموضوع ؛ و (د) توفير العلاج عن طريق تمارين التدريب بدقه وباستمرار لفترات طويلة.
ونحن علي بينه من اي جهاز الاسترداد المتاحة تجاريا الروبوتية التي يمكن استخدامها مع الماسح الضوئي MR لقياس قوه قبضه اليد الموضوع والنزوح في حين تطبيق الكمبيوتر التي تسيطر عليها الوقت متفاوتة القوه. وقد استعرضت tsekos et al.11 مجموعه متنوعة من الاجهزه الروبوتية وأعاده التاهيل التي تستند أساسا إلى البحوث ، بما في ذلك التكرارات السابقة لسلسله MR_CHIROD من الاجهزه. تم تصميم أجهزه أخرى لدراسة حركه المعصم ، وحركه الأصابع ، وقوه القبضة المتساوية ، والحركات متعددة المفاصل. النسبة للاجهزه التي توفر بنشاط مقاومات أو غيرها من القوي ، تم استخدام مجموعه متنوعة من التقنيات المتوافقة مع السيد بما في ذلك الهيدروليكية والهوائية والروابط الميكانيكية ومخمدات السوائل الكهربائية. وتشمل بعض الاجهزه درجات متعددة من الحرية ، بما في ذلك تمديد آخر من الإصدارات السابقة MR_CHIROD وأضاف درجه التناوب من الحرية وتطبيق القوه الهيدروليكية ، ولكن لم يتم تكييفها للسيد التوافق12.
يتميز جهازنا الخاص بقبضه اليد بمزايا قابليه الحمل (يتم نقلها بانتظام بين مواقع التدريب التابعة للسيد MR والمكاتب) ، والقدرة علي إنتاج قوي مقاومه ذات وقت متفاوت ومتحكم فيها بالحاسوب. الاستخدام الحالي للتكنولوجيا الهوائية في MR_CHIROD يتجنب الحاجة إلى مصادر الجهد العالي اللازمة للانظمه القائمة علي السوائل الكهربائية الريولوجيه ، وامكانيه تسرب السوائل الهيدروليكية ، والكابلات/الروابط المعقدة التي تربط اليه الواجهة بمكونات الطاقة والتحكم الخارجية.
كانت الMR_CHIROD الجهاز الأول الذي ثبت للعمل بالتزامن مع fMRI لرسم الدماغ في مرضي السكتة الدماغية1. والاهم من ذلك ، فان الMR_CHIROD v3 مفيد بشكل خاص في التدريب القائم علي المنزل أو المكتب ، حيث ان النظام وبرمجياته مصممه للاستخدام دون دعم الخبراء السريري ومع العناصر التحفيزية ("التحنيط"). النسبة للتدريب الذي ييسره المعالج الفيزيائي في المستشفى ، فان التدريب المكتبي أو المنزلي اقل تكلفه وأكثر ملاءمة ، مما يسهل علي المرضي التزام بالعلاج اليومي. ويمكن أعاده تصميم الجهاز ، الذي كان بالفعل غير مكلف نسبيا بالنسبة لبعض الاجهزه الأخرى القائمة علي البحوث ، لتحسين نسبه التكلفة إلى الفائدة. الواقع الافتراضي والتاهيل للتدريب ، وكلاهما متوافق مع MR_CHIROD v3 ، ويمكن اشراك المرضي ، وزيادة اهتمامهم اثناء المهمة ، وتحسين الدافع ، التالي زيادة فعاليه الانتعاش13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة علي جميع التجارب من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في مستشفي ماساتشوستس العام وتمت الموافقة عليها في مركز اثينولا ا. مارتينوس للتصوير الطبي الحيوي.
1. اعداد الموضوع
ملاحظه: ومعايير الادراج هي: ' 1 ' السيطرة علي اليد اليمني ، ' 2 ' القدرة علي إعطاء موافقه خطيه مستنيرة. وقد نفذ الاستبعاد علي أساس فحص المؤشرات المضادة في بيئة الرنين المغناطيسي مثل ما يلي: (ا) معايير استبعاد التصوير بالرنين المغنطيسي الروتينية ، مثل وجود جهاز تنظيم ضربات القلب أو الاوعيه الدموية الدماغية والحشوات المعدنية أو المحتوي المعدني في الجسم ؛ (ب) تاريخ المضبوطات (ج) رهاب ؛ (د) الحمل.
- للحصول علي موافقه مستنيرة ، أقرا استمارة الموافقة للمتطوع. ويوقع كل من المتطوع والمحقق في المواقع المناسبة علي استمارة الموافقة في نسخه مكرره. اترك نسخه موقعه من نموذج الموافقة في موقع مناسب لسجلات المحقق. الاحتفاظ بالنسخة الثانية من نموذج الموافقة لسجلات المشارك.
- شاشه المتطوع للتصوير بالرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغنطيسي) كونترا-المؤشرات. أملا قائمه المؤشرات المضادة للتصوير بالرنين المغناطيسي واستفسر عن كل عنصر في القائمة ، وتحقق من المربعات حسب الاقتضاء.
- لا المضي قدما في المسح الضوئي إذا كان المشاركون (أو يحتمل ان يكون) اي المؤشرات كونترا ، بما في ذلك لقطات تمدد الاوعيه الدموية الجراحية ، وتنظيم ضربات القلب القلب ، والأطراف الاصطناعية صمام ، محفز عصبي ، مضخات مزروعة ، غرسات القوقعة ، قضبان معدنيه ، لوحات ، مسامير ، السمع أو التصحيح عبر الجلد.
2. الاعداد
- تنفيذ الاعداد الاولي في غرفه الماسح الضوئي.
ملاحظه: يجب الحصول علي جميع التدريب اللازم من قبل المحقق قبل الاجراء. ويجب اتخاذ الاحتياطات ذات الصلة بمرفق MR في جميع الأوقات.- جلب الMR_CHIROD (المغناطيسي الرنين متوافقة مع الجهاز الروبوتية المستحثة) في غرفه الماسح الضوئي MRI ووضعها بالقرب من لوحه الاختراق. ادخل الأنبوب الهوائي 3/8 بوصه في الأنبوب الذي يمر عبر اللوحة في غرفه دعم التصوير بالرنين المغناطيسي المجاورة.
- ربط الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي قوه غرفه الاستشعار والكابلات التشفير إلى 9 دبوس علي شكل D (DSUB) موصل علي جانب غرفه الماسح الضوئي من اللوحة.
- اعداد غرفه دعم التصوير بالرنين المغناطيسي.
- توصيل ضاغط الهواء إلى مقبس الحائط 110VAC. مع المنظم الداخلي لضاغط تحولت إلى موقف إيقاف/الحد الأدنى للضغط وصمام الكره في خارج الموقف ، بدوره علي ضاغط والسماح لها ان تاتي إلى الضغط الداخلي الكامل (~ 4 دقيقه).
- قم بتوصيل الكابلات الاستشعار قوه غرفه الدعم والتشفير إلى موصل DSUB علي الجانب الخارجي من لوحه الاختراق.
- ربط 3/8 بوصه أنبوب الهوائية المناسب ، الناشئة من لوحه الاختراق تمرير من خلال إلى مخرج من واجهه/وحده الطاقة منفذ الضغط المنظم. قم بتوصيل الأنبوب الهوائي بحجم 4 ملم بمخرج الضاغط ومدخل فلتر الهواء علي الواجهة/وحده الطاقة/المنظم.
- قم بتوصيل وحده الواجهة/الطاقة/الجهة التنظيمية بموصل ميكرو يو اس بي من كبل USB/التجميع المكرر ووضع كابل المكرر إلى الكمبيوتر الشخصي المضيف/الكمبيوتر المحمول في غرفه التحكم بالرنين المغناطيسي. قم بتوصيل وحده الواجهة/الطاقة/المنظم بقابس حائط 110VAC في غرفه الدعم ، ثم قم بتشغيل مفتاح الطاقة.
- وضع MR_CHIROD v3 مع المريض.
- توسيع تماما وخفض السرير الماسح الضوئي MR. نعلق النصف السفلي من لفائف الراس وتوجيه المتطوعين لوضع ، والتاكد من ان المتطوع يستريح بشكل مريح ووسعت أسلحتهم بشكل مريح.
- توفير مقابس الاذن للمتطوع للحد من الضوضاء الصوتية.
- نعلق لفائف الراس والرغوة الصغيرة منصات لشل الراس.
- نعلق الوسائد حول ذراع المتطوعين التي تجتاح علي مستوي الذراع والكوع ، للحد من اقتران الذبذبات إلى الجسم المتطوع الخاصة والي جدران الماسح الضوئي MR.
- إرفاق الكره الاتصالات علي صدر المتطوع ، وإرشادهم حول كيفيه استخدامه والتاكد من ان الكره الاتصالات يعمل بشكل جيد قبل البدء في المسح الضوئي.
- تثبيت فضفاض MR_CHIROD علي جانب المريض المعاكس لتلك آلافه الدماغ باستخدام المقابلة السرير فتحه. مع الكوع المتطوع يستريح علي الطاولة لدعم وزن ذراعهم ، ونقل مقبض MR_CHIROD إلى حزام بين الإبهام والسبابة وتوجيه المتطوع للاستيلاء علي مقابض من MR_CHIROD.
- إذا كان MR_CHIROD علي الجانب الآخر من الجدول من لوحه الاختراق ، ووضع الكابلات وأنبوب هوائي بحيث تمر تحت الطاولة بدلا من أكثر من المريض.
- تاكد من ان وضعيه القبضة مناسبه للضغط. إرشاد المتطوع للضغط ودفع أو سحب الMR_CHIROD حتى يكون لديهم الموقف الأكثر راحة للضغط.
- تامين الMR_CHIROD بقوة في مكانها عن طريق تشديد المكسرات البلاستيكية باستخدام وجع السيد متوافق.
ملاحظه: لا يتم اجراء اي فحص في ذلك الوقت. عند وضع MR_CHIROD ، والمتطوع يستريح بشكل مريح علي السرير الماسح الضوئي MR خارج المغناطيس. الباب إلى غرفه المغناطيس قد يكون مفتوحا.
- اعداد جهاز الكمبيوتر المحمول التحكم في غرفه التحكم MR (بجوار الماسح الضوئي وغرف الدعم) ، وتاكيد الاتصال وتعيين لمستوي قوه المريض.
- تشغيل الكمبيوتر المحمول وبدء تشغيل البيانات الحصول علي/تحليل البرمجيات. توصيل كابل USB/مكرر التجمع إلى الكمبيوتر المحمول. قم بتشغيل البروجيكتور الخاص بغرفه الماسح الضوئي MR. قم بتوصيل منفذ إخراج فيديو الكمبيوتر المحمول بموصل جهاز العرض واضبط جهاز العرض لتوسيع الشاشة علي جهاز العرض. توصيل الماسح الضوئي USB HID الزناد كابل إلى الكمبيوتر المحمول لتلقي إشارات الزناد من الماسح الضوئي.
- تشغيل واجهه المستخدم المخصصة (UI)/برنامج التحكم/التحفيز لMR_CHIROD. تعيين تلقائيا ضغط MR_CHIROD إلى مستوي "الاعداد" (الحد الأدنى) لدفع المقبض إلى نهاية التوقف ، والتحقق من عرض الحركة وقوه الموجي.
- إرشاد المتطوعين ان اليضغط القليلة المقبلة ستكون لمعايره لاقصي قدر من الضغط ، التالي سيكون من الصعب.
- تعيين مستوي القوه ، علي سبيل المثال ، إلى 30 N وإرشاد المتطوع للضغط تماما 2-3 مرات مع فتره من حوالي 2 ثانيه. لاحظ ما إذا كان المتطوع يستطيع إكمال الضغط علي مستوي القوه.
- تدريجيا زيادة مستوي القوه وتكرار محاولات الضغط حتى المتطوع لا يمكن إكمال الضغط. هذا القياس يخدم كحد اقصي من قوه قبضه المتطوعين. يقوم UI تلقائيا بحساب 60% ، 40% ، و 20% من الحد الأقصى لمستويات القوه للاستخدام اثناء الاختبار.
3. ادخل بيانات التطوع ومعايره الماسح الضوئي MR
- ادخل البيانات الخاصة بالمتطوعين التي تم تحديدها حسب سياسة المستشفى وفقا للوائح (HIPAA) (الولايات المتحدة الامريكيه لقابليه التامين الصحي والمساءلة 1996) اللوائح الخاصة بوحدة الماسحة الضوئية.
- نقل الجدول والمشارك في الماسح الضوئي والموضع في isocenter.
4. تشغيل fMRI الدورة
- مراقبه المتطوع من خلال النافذة بين غرف المراقبة والماسح الضوئي والتواصل مع المتطوعين للحصول علي اذن المشارك للبدء في بروتوكول fMRI. اطلب منهم عدم الاحتفاظ بمقبض MR_CHIROD للسماح له بالراحة عند الموضع المفتوح بالبالكامل.
- Shim المغناطيس وتشغيل المسح المكاني. فتح البروتوكول fMRI وتعيين شرائح لتغطيه الدماغ المتطوع.
- إرشاد المتطوعين ان جلسة الرنين المغناطيسي علي وشك ان تبدا.
- باستخدام واجهه المستخدم ، قم بتعيين MR_CHIROD لتطبيق مستوي القوه الاولي (20% من الحد الأقصى). سيقوم برنامج واجهه المستخدم بعرض مجموعه من الإرشادات علي جهاز عرض الفيديو للمتطوع لتذكيرهم بكيفية الاستجابة للتحفيز البصري. سينتظر واجهه المستخدم الماسح الضوئي لتوفير اشاره مشغل للمتابعة.
- بدء تشغيل بروتوكول التصوير بالصدى المستو ل fMRI. استخدام برنامج التصوير MR_CHIROD من المستخدمين المجلد. تم تعيين معلمات الاستحواذ والتعمير بالفعل في برنامج التصوير ولا ينبغي تغييرها. وتستخدم المعلمات التالية: في الطائرة 192 x 192 أو 256 x 256 مصفوفات الاستحواذ ؛ TR (وقت التكرار) في نطاق 2-3 s; 30 مللي ثانيه TE (صدي الوقت) ؛ سماكه شريحة 5 مم ، ودقه مكانيه من ~ 1 مم × 1 مم.
ملاحظه: وسوف الانتظار/الحصول علي البيانات/برنامج التحفيز لتلقي نبض الزناد من الماسح الضوئي المقابلة مع البدء في المسح قبل fMRI في برنامج الماسح الضوئي. سيقوم المحفز البصري بازاله التعليمات وإظهار "تقاطع التثبيت" الذي سيركز عليه المتطوع. عندما يبدا الفحص بالرنين المغناطيسي الضوئي TRs ، سيتم عرض عرض مسرع بصري ، في شكل دائره متنامية ومتناقصة. سوف المتطوع الضغط تماما والإفراج عن مقبض بشكل متزامن مع التحفيز. فترات الراحة سوف تفصل فترات التحفيز ، وخلال ذلك الوقت سيتم أعاده عرض الصليب التثبيت. - اثناء تنفيذ مهمة ، مراقبه إخراج القوه وما إذا كان المشارك هو تنفيذ المهمة بشكل صحيح (علي سبيل المثال ، إكمال القبضات والإطلاقات والحفاظ علي التزامن مع المسرع البصرية) من خلال مراقبه القطع الحية من القوه والنزوح علي واجهه المستخدم .
- مره واحده في الشوط الأول هو أكثر من ذلك ، تاكيد استمرار التجربة علي واجهه المستخدم ، والتي سوف تغير مستوي القوه إلى الثاني من ثلاثه مستويات. كرر من الخطوة 4.5. المثل ، عندما ينتهي الشوط الثاني ، تاكد من استمرار تشغيل التشغيل النهائي عند مستوي القوه الثالث.
- بعد الشوط الثالث ، ستقوم واجهه المستخدم تلقائيا بتعيين ضغط الMR_CHIROD إلى مستوي "الاعداد" المنخفض.
5. أكمل جلسة التصوير بالرنين المغناطيسي
- تعليمات المشارك للاسترخاء والسماح للذهاب من المقبض. جمع سلسله من الفحوصات التشريحية.
6. النزول
- أزاله المشارك من غرفه الماسح الضوئي MR ، اتبع خطوات الاعداد في الاتجاه المعاكس ، والمضي قدما لإيقاف وقطع أجزاء من MR_CHIROD. نقل بيانات MR إلى قاعده البيانات والي القرص وإغلاق جلسة العمل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
المنهجية المبينة في البروتوكول تسمح بجمع صور التصوير بالرنين المغناطيسي بينما يقوم المتطوع بأداء المهمة في الوقت الحقيقي في المغناطيس. أجريت التجارب في مرفق خليج 1 من مستشفي ماساتشوستس العام اثينولا ا. مارتينوس مركز للتصوير الطبي الحيوي ، وذلك باستخدام 3T كامل الجسم الماسح الضوئي الرنين المغناطيسي. ويبين الشكل 2 والشكل 3 وضع الMR_CHIROD علي الطاولة والمريض في مكان تشغيله. في الشكل 3، المتطوع هو في الماسح الضوئي تتحمل مع راسه/لها وضعت في الايزوسينتر من المغناطيس ، وهو الموقف الصحيح للتصوير الدماغ. ويبين الشكل 4 مخططا لمكونات النظام ووصلاته ، التي تم اعدادها اثناء المراحل الاوليه للعملية. خلال جلسة التصوير بالرنين المغناطيسي ، وليس فقط هي الصور التي تم جمعها ، ولكن أيضا في الوقت الحقيقي تتبع السكتات الدماغية الفعلية للجهاز كما الشخص في تجويف المغناطيس هو التشغيل يتم الحصول عليها. وتظهر النتائج النموذجية في الشكل 5. يسمح استخدام الضغط الهوائي المتحكم فيه بالتحكم الدقيق في قوه الرد الثابتة التي يوفرها MR_CHIROD v3.
يظهر الشكل 5ا – ج المناطق النموذجية للتنشيط اثناء الإمساك/الإفراج عن الجهاز ، وذلك باستخدام نتائج التقنية الجريءه اثناء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي. تظهر الأسهم الحمراء التنشيط في منطقه M1 (القشرة المحرك الاولي) والمناطق الخضراء تظهر SMA (القشرة المحرك التكميلية). يظهر الشكل 5 د الازاحه المقاسه اثناء الإمساك/الإطلاق ، والذي تم تنفيذه ضد قوه المقاومة التابعة لMR_CHIROD. الشكل 5E يظهر التنشيط مع مرور الوقت في voxel واحده ، التي تم اختيارها من داخل منطقه somato الحسية. يتوافق الرد مع نشاط الموضوع ، والتنشيط المرتفع الذي يحدث اثناء الإمساك/الإطلاق ، وتقليل التنشيط عندما يكون الموضوع يستريح.
الشكل 1: أجزاء جهاز MR_CHIROD v3. (1) مقبض ثابت ؛ (2) مقبض منزلق ؛ (3) قوه الاستشعار ؛ (4) التشفير الموقف ؛ (5) الزجاج والجرافيت اسطوانه مكبس وحده ؛ (6) مكبر للصوت خليه تحميل محمية ؛ (7) السيد الجدول تصاعد فتحه (نموذج) ؛ (8) محامل الكره مع سباقات اسيتيل والكرات الزجاجية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: عرض الMR_CHIROD v3 المرفقة باحكام في سرير الماسح الضوئي. يسمح هذا التكوين للشخص بتشغيل MR_CHIROD دون دعم اي من وزنه. قد يتم وضع الجهاز لليسار أو اليد اليمني. وترتكز الكابلات محمية في لوحه الاختراق ، ومخارج أنبوب هوائي عن طريق تمرير من خلال أنبوب في لوحه الاختراق. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: عرض MR_CHIROD v3 بالنسبة للمريض. المتطوع يستريح بيده في الموقع بالقرب من مقابض الجهاز. يتم وضع المتطوع في الموضع الصحيح في الايزوسينتر المغناطيس للتصوير الدماغ. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: رسم تخطيطي لMR_CHIROD التي تم اعدادها للتشغيل في غرفه الماسح الضوئي MR. والكابلات المحمية التي تحمل إشارات لبيانات الموقع والسرعة ولمستشعر القوه ، فضلا عن الأنابيب الهوائية تمر عبر لوحه الاختراق التي تعمل كمستوي مرجعي التاريض. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: النتائج النموذجية من أداء مهمة حركيه (الضغط علي مقابض MR_CHIROD). يظهر (ا) تنشيط الدماغ بالرنين المغناطيسي ، وفرضه كنقط علي الخطوط العريضة للدماغ ، (ب) كلون زائف علي منظر ثلاثي الابعاد لفحص الدماغ التشريحي للمتطوع ، و (ج) كلون زائف مقدم علي قالب المخ. M1 = القشرة المحرك الاوليه. SMA = منطقه المحركات التكميلية. (د) الناتج الفعلي للقوه ، مقيسا بوحدات القوه (نيوتن ، نون) كداله للوقت. إنتاج القوه هو السجل الفعلي لضغط المتطوعين ويتم تسجيله في الوقت الحقيقي من قبل الMR_CHIROD. (ه) يتم عرض الدورة الزمنيه واحده-فوكسل الوقت من التنشيط ، التي تم اختيارها من فوكسل في المنطقة الحسية الجسدية في موقع الشعر المتقاطع في (B). القضبان السوداء في (D) و (E) تتوافق مع فتره التحفيز/الراحة 60 s. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
نقدم التصوير بالرنين المغناطيسي للمهمة الحركية باستخدام أحدث إصدار من الجهاز الروبوتي الجديد ، الMR_CHIROD1،2،8. وقد تم تصميم الMR_CHIROD لتنفيذ مهمة قبضه الضغط اليد التي يمكن ان يؤديها مرضي السكتة الدماغية المزمنة ، وقد درست سابقا1,2,3,4,5,6,8. ويستخدم الجهاز أيضا بمثابه دينامميتر ، وقياس قوه قبضه المريض القصوى ، والتي يتم تطبيع مستويات القوه التجريبية. يتم التحفيز علي تنشيط القشرة الحركية فيما يتعلق بمستوي القوه الذي تم تعيينه اثناء التجارب. وعلاوة علي ذلك ، يتم تعقب القوه القصوى علي مدار الدراسة لإظهار قوه قبضه محسنه. لدينا التكرارات السابقة لMR_CHIROD أثبتت بالفعل ان تكون مفيده في الدراسات التي تبين الادله للأعصاب وأعاده تاهيل مرضي السكتة الدماغية المزمنة1,6. ونحن حاليا الجمع بين استخدام MR_CHIROD مع بروتوكول التصوير التي تسمح حساسية عاليه لل fMRI من المهام الحركية7. يجمع نهجنا بين التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي والجهاز الروبوتي الجديد المتوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي لأعاده تاهيل وظيفة الموتور اليدوية.
يمكن استخدام الجهاز بسهوله أو تكييفه للاستخدام في مرافق MR الأخرى. جسديا ، والسلطة/واجهه/وحده التنظيم وضاغط الهواء تحتاج إلى ان توضع في غرفه الدعم/الميكانيكية مع الوصول لوحه الاختراق إلى غرفه الماسح الضوئي MR ، مع مرور بيانات مناسبه وممر المادية من خلال لأنابيب الهواء المضغوط. يتم حاليا الاتصال بين الوحدة والكمبيوتر المضيف باستخدام كبل USB مع مكرر بالطاقة لاستيعاب حوالي 10 م فصل بين العنصرين. وأخيرا ، يجب ان يكون الماسح الضوئي المرتبطة العارض أو نظام التصور مماثله لتقديم التعليمات ، والتثبيت عبر والمسرع البصرية لهذا الموضوع ، فضلا عن وسيله لتوفير TR المعلومات الزناد إلى واجهه المستخدم.
تم تطوير هذا الإصدار من MR_-CHIROD خصيصا لدعم البروتوكول التجريبي لدينا في الماسح الضوئي MR والراحة للاستخدام من قبل الباحثين والمواضيع في بيئة غير السيد الجناح. في كلا الموقعين ، والسيطرة علي الموضوع والإفراج عن مقبض الجهاز ضد قوه استعاده ثابته ، والتي يمكن تغييرها بين أشواط التجريبية. علي هذا النحو ، تم اعتماد نظام هوائي ، والذي يسمح لعرض قوه مقاومه مستمرة لهذا الموضوع (مقارنه مع أنظمه الكبح اللزج السابقة والبديلة باستخدام السوائل الكهربائية الريولوجيه التي تقدم قوه صفر عندما يكون الموضوع لا تجتاح بنشاط أو الإفراج عن ولا توفر قوه استعاده). تم تصميم التكرارات السابقة لMR_CHIROD والانظمه الأخرى خصيصا للسماح بالتغييرات السريعة في القوه استجابه لتفاعل المستخدم والاعتماد علي سوائل الاجهزه الكترونيه للسماح بالاستجابة السريعة2،14، ولكن تم تحديد تكلفه وتعقيد هذه الانظمه غير مرغوب فيه لهذا التطبيق.
يمثل البروتوكول المعروض النسخة المستقرة الآن في أبحاثنا. ولم تظهر النتائج التي جمعت حتى الآن اي نتائج غير متوقعه ستتطلب تغييرا في البروتوكول. قد يتطلب الأمر تحسينات مستقبليه حسب الحاجة ، وقد تشمل التصوير الأسرع والتكيف لنموذج المحرك لدينا. الاضافه إلى ذلك ، فان الجهاز المحدد يدعم ليس فقط ضبط معلمات التحكم عن طريق اتصال USB التسلسلي دون الحاجة إلى انقطاع المسح الضوئي MR ، ولكن أيضا القيام بذلك للتحديثات عن بعد من إعدادات التدريب القائم علي المنزل باستخدام وأي فاي المعالج الوحده النمطيه.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ولم يكشف اي من أصحاب البلاغ عن اي نزاع.
Acknowledgments
وكان هذا العمل مدعوما بمنحه من المعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (منحه رقم 1R01NS105875-01A1) من المعاهد الوطنية للصحة إلى ا. أريا تسيزيكا. وقد تم القيام بهذا العمل في مركز اثينولا ا. مارتينوس للتصوير الطبي الحيوي. ونود ان نشكر المدير الدكتور بروس ر. روزن ، دكتوراه في الطب ، وأعضاء فريق مركز مارتينوس لدعمهم. ونود كذلك ان نشكر السيد كريستيان Pusatere والسيد مايكل ارريني علي مساعدتهما في اجراء التجارب. وأخيرا ، نشكر الدكتور مايكل ا. موسكوفيتس والدكتور روزن علي توجيهاتهما في تصميم وتطوير سلسله الاجهزه الMR_CHIRODه ودراسات السكتة الدماغية المرتبطة بها.
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).
