Summary
Wir führten funktionelle MRT mit einem neuartigen MRT-kompatiblen handinduzierten Robotergerät durch, um seinen Nutzen für die Überwachung der Handmotorfunktion bei Personen zu bewerten, die sich von neurologischen Defiziten erholen.
Abstract
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) ist eine nicht-invasive Magnetresonanztomographie-Technik, die die Aktivierung des Gehirns in vivo abbildt und endogenes Desoxyhämoglobin als endogenes Kontrastmittel verwendet, um Veränderungen in blutniveauabhängigen Sauerstoffversorgung (BOLD-Effekt). Wir kombinierten fMRI mit einem neuartigen Robotergerät (MR-kompatibles handinduziertes Robotergerät [MR_CHIROD]), so dass eine Person im Scanner eine kontrollierte Motoraufgabe ausführen kann, das Handdrücken, eine sehr wichtige Handbewegung, um bei neurologischen motorischen Erkrankungen zu studieren. . Wir verwendeten parallele Bildgebung (generalisierte automatische Kalibrierung teilweise parallele Erfassungen [GRAPPA]), die eine höhere räumliche Auflösung ermöglichten, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber BOLD führte. Die Kombination von fMRI mit dem handinduzierten Robotergerät ermöglichte eine präzise Steuerung und Überwachung der Aufgabe, die ausgeführt wurde, während sich ein Teilnehmer im Scanner befand; Dies kann sich bei der Rehabilitation der handmotorischen Funktion bei Patienten, die sich von neurologischen Defiziten (z. B. Schlaganfall) erholen, als nützlich erweisen. Hier beschreiben wir das Protokoll zur Verwendung des aktuellen Prototyps der MR_CHIROD während eines fMRI-Scans.
Introduction
Geeignete bildgebende Metriken können die Wahrscheinlichkeit eines Therapieerfolgs bei Personen besser überwachen und vorhersagen als klinische Bewertungen und Informationen liefern, um die Therapieplanung zu verbessern und zu individualisieren. Wir haben Erfahrungen mit Patienten entwickelt, die sich von chronischem Schlaganfallerholen 1,2,3,4,5,6,7,8. Die Entwicklung optimaler individualisierter Strategien, die sich darauf konzentrieren, wie motorische Training die inkrementelle Verbesserung beeinflussen kann, entweder bei der Reorganisation der neuronalen Aktivität und/oder der motorischen Funktion, ist immer noch eine Herausforderung. Einblicke in die zugrunde liegenden strukturellen Umbau- und Reorganisationsprozesse für die funktionelle Erholung im Gehirn nach neurologischen Erkrankungen können es uns ermöglichen, die Beziehung zwischen verteilten topografischen Mustern neuronaler Aktivität und funktioneller Erholung über funktionelle Neuroimaging-Methoden und Gehirnkartierung zu bewerten. Der Erfolg wird die Entwicklung personalisierter Behandlungsstrategien erleichtern, die optimiert sind, um Verbesserungen der Grifffestigkeit in einer breiten Bevölkerung mit neurologischen Bedingungen basierend auf Magnetresonanztomographie-Metriken (MRT) zu erzielen9.
Hier stellen wir ein Protokoll vor, das ein neu gestaltetes Roboterhandgerät verwendet, das eine steuerbare Widerstandskraft bietet, gegen die ein Subjekt einen Griff und einen Griff synchron mit einem oszillierenden visuellen Stimulus löst. Die MR_CHIROD v3 (MR-kompatibles Hand-Induced RObotic Device) ist ein System zur Darstellung einstellbarer Kräfte, gegen die Greif- und Löstbewegungen durchgeführt werden, während die Messung und Aufzeichnung der angewendeten Kraft, Griffverschiebung und Zeitstempel für jeden Datenpunkt (Abbildung 1) durchgeführt werden. Das Gerät wurde entwickelt, um zuverlässige Bewertungen von Gehirnaktivierungsbildern während der fMRI (funktionelle Magnetresonanztomographie) zu liefern, die verwendet werden kann, um blutsauerstoffabhängige (BOLD) Veränderungen in den Hirnreaktionen von Patienten zu bewerten, die sich von neurologischen Störungen erholen. Die MR-Kompatibilität wird durch den Einsatz von vollständig nichteisen-nichtmagnetischen Komponenten für die Struktur- und pneumatischen Aktuatorelemente sowie abgeschirmte Sensor-/Elektronikkomponenten erreicht, die auf dem Scannerbett positioniert sind. Abbildung 2 zeigt das Gerät, das an einem MR-Scannerbett befestigt ist und mit einem Motiv in der Magnetbohrung den Griff des MR_CHIROD v3 greift (Abbildung 3). Schnittstellen- und Steuerungskomponenten befinden sich außerhalb des MR-Scannerraums (Abbildung 4).
Das Gerät wird gleichzeitig mit Bildgebungsmethoden des Gehirns verwendet, um relevante Gehirnaktivierungen zu bewerten. Die primäre Verwendung des Systems ist es, eine motorische Aufgabe bereitzustellen, die Aktivierungen der Motorbereiche des Gehirns erzeugt, die mit fMRI erkannt werden. Die Aktivierung des Gehirns während der Verwendung der MR_CHIROD während der Bildgebung kann die Neuroplastizität bei neurologischen Erkrankungen beurteilen. Durch die Verfolgung von Veränderungen der Aktivierungen im Laufe und nach dem motorischen Training mit dem MR_CHIROD können Fortschritte bei der motorischen Rehabilitation nach neurologischen Erkrankungen beobachtet werden, die zu motorischen Defiziten (z. B. Schlaganfall) führen.
Die MR_CHIROD v3 kann auch tischmontiert werden, für den Einsatz in Intra-Scan-Trainingsübungen, bei denen das Subjekt in Reaktion auf geeignete sehische Reize für Zeiträume von 45 min, dreimal pro Woche während des Studiums greift und freisetzt. Unsere Erfahrungen mit robotisch geliefertem Training, das mit Bildgebung überwacht wird, legen nahe, dass das Erholungsfenster für Schlaganfallpatienten beispielsweise nie schließen kann1.
Unsere Begründung für den Bau und Einsatz eines MR-kompatiblen Handgriffroboters ist, dass die Roboter-Recovery das Potenzial hat, aufgrund seiner einfachen Bereitstellung, Anwendbarkeit über verschiedene Motorbeeinträchtigungen, hohe Messzuverlässigkeit und die Fähigkeit, hochintensive Trainingsprotokolle zu liefern, einen großen Einfluss auf Beeinträchtigungen zu erzeugen10. Unser MR-kompatibler Roboter kann: (a) auf fachspezifische Bewegungsbereiche eingestellt und programmgesteuert an die Anwendung fachspezifischer Kraftstufen angepasst werden; b) Kontroll-, Mess- und Aufzeichnungskraft- und Verschiebungsparameter über einen Hostcomputer; c) die Steuerungsparameter aus der Ferne anzupassen, ohne dass das Scannen unterbrochen werden muss, um zugang zum MR-Scannerraum zu erhalten oder das Motiv neu zu positionieren; und (d) über Trainingsübungen präzise und konsequent über längere Zeiträume zu therapeutischen.
Uns ist kein kommerziell erhältliches Wiederherstellungsrobotergerät bekannt, das mit einem MR-Scanner verwendet werden kann, um die Handgriffkraft und -verschiebung des Motivs zu messen und dabei computergesteuerte zeitabhängige Kraft anzuwenden. Tsekos et al.11 haben eine Vielzahl von forschungsbasierten, MR-kompatiblen Roboter- und Rehabilitationsgeräten überprüft, einschließlich früherer Iterationen der MR_CHIROD Geräteserie. Andere Geräte wurden für die Untersuchung von Handgelenkbewegung, Fingerbewegung, isometrischer Grifffestigkeit und Mehrgelenkbewegungen entwickelt. Für Geräte, die aktiv Widerstands- oder andere Kräfte bereitstellen, wurden eine Vielzahl von MR-kompatiblen Technologien eingesetzt, darunter Hydraulik, Pneumatik, mechanische Verbindungen und elektrorheologische Flüssigkeitsdämpfer. Einige Geräte enthalten mehrere Freiheitsgrade, einschließlich einer weiteren Erweiterung der früheren MR_CHIROD Versionen einen Rotationsgrad der Freiheit und hydraulische KraftAnwendung hinzugefügt, aber es wurde nicht für MR-Kompatibilität12angepasst.
Unser handgriffspezifisches Gerät hat die Vorteile der Portabilität (es wird regelmäßig zwischen der MR-Einrichtung und bürobasierten Trainingsstandorten transportiert) und der Fähigkeit, große, computergesteuerte, zeitverändernde Widerstandskräfte zu erzeugen. Der aktuelle Einsatz der pneumatischen Technologie in der MR_CHIROD vermeidet die Notwendigkeit von Hochspannungsquellen, die für elektrorheologische Flüssigkeitssysteme erforderlich sind, das Potenzial für Leckagen von Hydraulikflüssigkeit und komplexe Kabel/Verbindungen, die den Schnittstellenmechanismus mit externen Strom- und Steuerkomponenten verbinden.
Die MR_CHIROD war das erste Gerät, das in Verbindung mit fMRI für die Gehirnkartierung beiSchlaganfallpatienten1 funktionierte. Wichtig ist, dass die MR_CHIROD v3 besonders für home- oder office-basierte Schulungen nützlich ist, da das System und seine Software für den Einsatz ohne fachkundige klinische Unterstützung und mit motivierenden Elementen ("Gamification") konzipiert wurden. Im Vergleich zum Physiotherapeuten-erleichterten Training in einem Krankenhaus ist büro- oder häusliches Training kostengünstiger und bequemer, was es den Patienten erleichtert, sich an die tägliche Therapie zu halten. Das Gerät, das im Vergleich zu einigen anderen forschungsbasierten Geräten bereits relativ kostengünstig ist, kann überarbeitet werden, um das Kosten-Nutzen-Verhältnis zu verbessern. Virtuelle Realität und Gamification von Schulungen, die beide mit dem MR_CHIROD v3 kompatibel sind, können Patienten ansprechen, ihre Aufmerksamkeit während der Aufgabe erhöhen und die Motivation verbessern, wodurch die Wirksamkeit der Genesung erhöht wird13.
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Protocol
Alle Experimente wurden vom Institutional Review Board am Massachusetts General Hospital genehmigt und am Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging genehmigt.
1. Themenvorbereitung
HINWEIS: Aufnahmekriterien sind: (i) Rechtsbeherrschung, (ii) Die Fähigkeit, schriftlich einzuräumen, ist schriftlich einzuräumen. Der Ausschluss wurde auf der Grundlage eines Screenings auf Kontraindikatoren in der Magnetresonanzumgebung wie die folgenden umgesetzt: a) Routine-MRT-Ausschlusskriterien, wie das Vorhandensein eines Herzschrittmachers oder eines zerebralen Aneurysmclips und Metallimplantate oder Metallgehalt im Körper; b) Geschichte der Anfälle (c) Klaustrophobie; d) Schwangerschaft.
- Um eine informierte Zustimmung einzuholen, lesen Sie das Zustimmungsformular für den Freiwilligen. Sowohl der Freiwillige als auch der Ermittler unterschreiben die entsprechenden Orte auf dem Zustimmungsformular in zweifacher Ausfertigung. Lassen Sie eine signierte Kopie des Zustimmungsformulars an einem geeigneten Ort für die Hintersucherdatensätze. Bewahren Sie die zweite Kopie des Zustimmungsformulars für die Aufzeichnungen des Teilnehmers auf.
- Überprüfen Sie den Freiwilligen auf MRT (Magnetresonanztomographie) Kontraindikationen. Füllen Sie die LISTE der MRT-Kontraindikationen aus und erkundigen Sie sich nach jedem Element in der Liste, wobei Sie die Kontrollkästchen entsprechend auschecken.
- Gehen Sie nicht mit dem Scan fort, wenn die Teilnehmer Kontraindikationen haben (oder möglicherweise haben), einschließlich chirurgischer Aneurysmusclips, Herzschrittmacher, Prothesenherzklappe, Neurostimulator, implantierte Pumpen, Cochlea-Implantate, Metallstäbe, Platten, Schrauben, Hörgerät oder transdermales Pflaster.
2. Setup
- Führen Sie die Ersteinrichtung im Scannerraum durch.
HINWEIS: Alle erforderlichen Schulungen müssen vom Prüfer im Vorfeld des Verfahrens eingeholt werden. Für die MR-Einrichtung relevante Vorsichtsmaßnahmen müssen jederzeit getroffen werden.- Bringen Sie die MR_CHIROD (Magnetic Resonance-Compatible Hand Induced Robotic Device) in den MRT-Scannerraum und platzieren Sie sie in der Nähe des Penetrationspanels. Setzen Sie das 3/8-Zoll-Pneumatikrohr in das Durchgangsrohr in der Platte in den angrenzenden MRT-Unterstützungsraum ein.
- Schließen Sie die MRT-Scanner-Raumkrafterfassungs- und Encoderkabel an den 9-poligen D-förmigen (DSUB) Stecker an der Scannerraumseite des Panels an.
- Richten Sie den MRT-Supportraum ein.
- Schließen Sie den Luftkompressor in eine 110VAC-Wandsteckdose ein. Wenn der interne Regler des Kompressors auf die Aus-/Mindestdruckposition und das Kugelventil in Off-Position gedreht ist, schalten Sie den Kompressor ein und lassen Sie ihn auf vollen Innendruck kommen (ca. 4 min).
- Schließen Sie die Stützraumkraft-Sensor- und Encoderkabel an den DSUB-Stecker an der Außenseite des Penetrationspanels an.
- Schließen Sie die 3/8-Zoll-Pneumatikrohrbefestigung an, die sich von der Penetrationsplatte durchdiesam an den Ausgang des Druckreglerauslasses der Schnittstelle/Leistung ergibt. Schließen Sie das 4 mm pneumatische Rohr an den Ausgang des Kompressors und den Einlass des Luftfilters an der Schnittstelle/Leistung/Reglereinheit an.
- Schließen Sie die Schnittstelle/Stromversorgung/Reglereinheit an den Micro-USB-Anschluss der USB-Kabel-/Repeater-Baugruppe an und legen Sie das Repeaterkabel an den Host-PC/Laptop im MRT-Kontrollraum. Schließen Sie die Schnittstelle/Power/Regler einheit an einen 110VAC Wandstecker im Stützraum an, und schalten Sie dann den Netzschalter ein.
- Position MR_CHIROD v3 mit dem Patienten.
- Das MR-Scannerbett vollständig ausstrecken und senken. Befestigen Sie die untere Hälfte der Kopfspule und führen Sie den Freiwilligen zum Ablegen, um sicherzustellen, dass der Freiwillige bequem ruht und seine Arme bequem ausgestreckt hat.
- Stellen Sie dem Freiwilligen Ohrstöpsel zur akustischen Geräuschreduzierung zur Verfügung.
- Befestigen Sie die Kopfspule und kleine Schaumstoffpolster, um den Kopf zu immobilisieren.
- Befestigen Sie Kissen um den Greifarm des Freiwilligen auf Der Ebene des Arms und des Ellenbogens, um die Vibrationskopplung an den eigenen Körper der Freiwilligen und an den Wänden des MR-Scanners zu minimieren.
- Befestigen Sie den Kommunikationsball auf der Brust des Freiwilligen, weisen Sie ihn an, wie er verwendet werden soll, und bestätigen Sie, dass der Kommunikationsball gut funktioniert, bevor Sie mit den Scans beginnen.
- Installieren Sie die MR_CHIROD auf der Seite des Patienten gegenüber der Ihrer Hirnläsion mit dem entsprechenden Bettschlitz. Mit dem Ellenbogen des Freiwilligen auf dem Tisch ruhen, um das Gewicht ihres Armes zu unterstützen, bewegen Sie die MR_CHIROD Griff auf das Gurtband zwischen Daumen und Zeigefinger und führen Sie den Freiwilligen, um die Griffe der MR_CHIROD zu greifen.
- Wenn sich die MR_CHIROD auf der gegenüberliegenden Seite des Tisches von der Penetrationsplatte befindet, positionieren Sie die Kabel und das pneumatische Rohr so, dass sie unter dem Tisch und nicht über den Patienten verlaufen.
- Stellen Sie sicher, dass die Griffposition zum Quetschen richtig ist. Weisen Sie den Freiwilligen an, die MR_CHIROD zu drücken und zu schieben oder zu ziehen, bis sie die bequemste Position zum Quetschen haben.
- Sichern Sie die MR_CHIROD fest an Ort und Stelle, indem Sie die Kunststoffmuttern mit einem MR-kompatiblen Schraubenschlüssel festziehen.
HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt wird kein Scan durchgeführt. Bei der Positionierung der MR_CHIROD ruht sich der Freiwillige bequem auf dem MR-Scannerbett außerhalb des Magneten aus. Die Tür zum Magnetraum kann geöffnet sein.
- Richten Sie den Steuer-Laptop im MR-Kontrollraum (neben Scanner- und Stützräumen) ein, bestätigen Sie den Anschluss und stellen Sie die Patientenkraftstufe ein.
- Schalten Sie den Laptop ein und starten Sie die Datenerfassungs-/Analysesoftware. Schließen Sie die USB-Kabel-/Repeater-Baugruppe an den Laptop an. Schalten Sie den MR-Scannerraumprojektor ein. Schließen Sie den Laptop-Videoausgangsanschluss an den Projektoranschluss an, und stellen Sie den Monitor ein, um den Bildschirm auf den Projektor zu erweitern. Schließen Sie das USB-HID-Triggerkabel des Scanners an den Laptop an, um Triggersignale vom Scanner zu empfangen.
- Führen Sie die benutzerdefinierte Benutzeroberfläche (UI) / Steuerung / Stimulus-Programm für die MR_CHIROD. Stellen Sie automatisch MR_CHIROD Druck auf die (minimale) "Setup"-Ebene ein, um den Griff auf den Endstopp zu drücken, und überprüfen Sie die Anzeige von Bewegungs- und Kraftwellenformen.
- Weisen Sie den Freiwilligen an, dass die nächsten Quetschungen für maximale Druckfestigkeit kalibriert werden und daher schwierig sein wird.
- Stellen Sie z. B. die Kraftstufe auf 30 N ein und weisen Sie den Freiwilligen an, 2-3 Mal mit einem Zeitraum von ca. 2 s vollständig zu quetschen. Beobachten Sie, ob der Freiwillige eine Quetschung auf dieser Kraftebene abschließen kann.
- Erhöhen Sie schrittweise das Kraftniveau und wiederholen Sie die Druckversuche, bis der Freiwillige eine Quetschung nicht abschließen kann. Diese Messung dient als maximale Grifffestigkeit des Freiwilligen. Die Benutzeroberfläche berechnet automatisch 60 %, 40 % und 20 % der maximalen Kraftstufen für die Verwendung während des Tests.
3. Geben Sie Die Freiwilligendaten ein und kalibrieren Sie den MR-Scanner
- Geben Sie die nicht identifizierten Daten des Freiwilligen gemäß der Krankenhausrichtlinie gemäß den HIPAA-Vorschriften (United States Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996) auf der Scannerkonsole ein.
- Verschieben Sie die Tabelle und den Teilnehmer in den Scanner und positionieren Sie ihn im isocenter.
4. FMRI-Sitzung ausführen
- Beobachten Sie den Freiwilligen durch das Fenster zwischen den Kontroll- und Scannerräumen und kommunizieren Sie mit dem Freiwilligen, um die Erlaubnis des Teilnehmers zum Starten des fMRI-Protokolls einzuholen. Weisen Sie sie an, das MR_CHIROD Griff nicht zu halten, damit er an der vollständig geöffneten Position ruhen kann.
- Shim den Magneten und führen Sie einen Lokalisierer-Scan. Öffnen Sie das fMRI-Protokoll und legen Sie Scheiben fest, um das Gehirn des Freiwilligen abzudecken.
- Weisen Sie den Freiwilligen an, dass die fMRI-Sitzung beginnen soll.
- Legen Sie mithilfe der Benutzeroberfläche die MR_CHIROD so fest, dass die erste Kraftebene (20 % des Maximums) angewendet wird. Das UI-Programm zeigt eine Reihe von Anweisungen auf dem Videoprojektor für den Freiwilligen an, um ihn daran zu erinnern, wie er auf den visuellen Reiz reagiert. Die Benutzeroberfläche wartet, bis der Scanner ein Triggersignal eingibt, um fortzufahren.
- Starten Sie ein Echo-Planar-Imaging-Protokoll für fMRI. Verwenden Sie das Bildgebungsprogramm MR_CHIROD aus dem Ordner USERS. Erfassungs- und Rekonstruktionsparameter sind bereits im Bildgebungsprogramm festgelegt und sollten nicht geändert werden. Folgende Parameter werden verwendet: in-ebene 192 x 192 oder 256 x 256 Erfassungsmatrizen; TR (Wiederholungszeit) im Bereich von 2-3 s; a 30 ms TE (Echozeit); 5 mm Scheibendicke und eine räumliche Auflösung von 1 mm x 1 mm.
HINWEIS: Das UI/Datenerfassungs-/Stimulusprogramm wartet darauf, einen Triggerimpuls vom Scanner zu erhalten, der mit der Einleitung von Pre-fMRI-Scans im Scannerprogramm korrespondiert. Der visuelle Reiz wird die Anweisungen entfernen und zeigt ein "Fixierungskreuz", auf das sich der Freiwillige konzentrieren wird. Wenn die fMRI-Scan-TRs beginnen, wird ein visuelles Metronom-Display in Form eines wachsenden und schrumpfenden Kreises angezeigt. Der Freiwillige wird den Griff vollständig zusammendrücken und mit dem Stimulus freisetzen. Ruhezeiten trennen Stimulusperioden, in denen das Fixierungskreuz erneut angezeigt wird. - Überwachen Sie während der Ausführung einer Aufgabe die Ausgabe der Arbeitskräfte und ob der Teilnehmer die Aufgabe korrekt ausführt (d. h. Griffe und Freigaben vollständig abschließen und synchron mit dem visuellen Metronom beibehalten), indem Live-Plots von Kraft und Verschiebung auf der Benutzeroberfläche beobachtet werden. .
- Sobald der erste Durchlauf beendet ist, bestätigen Sie die Fortsetzung des Experiments auf der Benutzeroberfläche, wodurch die Kraftebene in die zweite von drei Ebenen geändert wird. Wiederholen Sie dies aus Schritt 4.5. Wenn der zweite Durchlauf beendet ist, bestätigen Sie auch die Fortsetzung, um den letzten Lauf auf der dritten Kraftebene auszuführen.
- Nach dem dritten Durchlauf setzt die Benutzeroberfläche automatisch MR_CHIROD Druck auf die niedrige Setup-Stufe.
5. Beenden Sie die MRT-Sitzung
- Weisen Sie den Teilnehmer an, sich zu entspannen und den Griff loszulassen. Sammeln Sie eine Reihe von anatomischen Scans.
6. Take-down
- Entfernen Sie den Teilnehmer aus dem MR-Scannerraum, befolgen Sie die Setup-Schritte umgekehrt, und fahren Sie mit dem Herunterfahren und Trennen der Teile des MR_CHIROD fort. Übertragen Sie MR-Daten in die Datenbank und auf die Festplatte, und schließen Sie die Sitzung.
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Representative Results
Die im Protokoll beschriebene Methodik ermöglicht die Sammlung von fMRI-Bildern, während der Freiwillige die Aufgabe in Echtzeit im Magneten ausführt. Die Experimente wurden in der Bay 1-Anlage des Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging mit einem 3T-Vollkörper-Magnetresonanzscanner durchgeführt. Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen die Platzierung der MR_CHIROD auf dem Tisch und des Patienten an Ort und Stelle, der sie bedient. In Abbildung 3befindet sich ein Freiwilliger in der Scannerbohrung mit dem Kopf, der am Isozentrum des Magneten platziert ist, was die richtige Position für die Bildgebung des Gehirns ist. Abbildung 4 zeigt einen Schaltplan der Systemkomponenten und -verbindungen, die in den Anfangsphasen des Prozesses eingerichtet werden. Während einer fMRI-Sitzung werden nicht nur die Bilder gesammelt, sondern auch eine Echtzeit-Ablaufverfolgung der tatsächlichen Striche des Geräts, während die Person in der Magnetbohrung sie bedient. Typische Ergebnisse sind in Abbildung 5dargestellt. Der Einsatz eines kontrollierten pneumatischen Drucks ermöglicht eine präzise Steuerung der konstanten Eingreifkraft des MR_CHIROD v3.
Abbildung 5A–C zeigt typische Aktivierungsbereiche beim Greifen/Freigeben des Geräts unter Verwendung der Ergebnisse der BOLD-Technik während des fMRI-Scannens. Rote Pfeile zeigen die Aktivierung im M1-Bereich (Primärmotorkortex) und grüne Bereiche zeigen den SMA (ergänzender Motorkortex). Abbildung 5D zeigt die gemessene Verschiebung beim Greifen/Lösen, die gegen die Widerstandskraft der MR_CHIROD durchgeführt wurde. Abbildung 5E zeigt die Aktivierung im Zeitverlauf an einem einzelnen Voxel, der aus dem somato-sensorischen Bereich ausgewählt wurde. Die Antwort entspricht der Aktivität des Subjekts, der erhöhten Aktivierung während des Greifens/Loslassens und der reduzierten Aktivierung, wenn der Betreffende ruht.
Abbildung 1: Die Teile des MR_CHIROD v3-Geräts. (1) Fester Griff; (2) Schiebegriff; (3) Kraftsensor; (4) Positionsgeber; (5) Glasgraphit-Zylinderkolbeneinheit; (6) Abgeschirmter Wägezellenverstärker; (7) MR-Tischmontageschlitz (Mockup); (8) Kugellager mit Acetylrassen und Glaskugeln. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Ansicht des MR_CHIROD v3, der sicher am Scannerbett befestigt ist. Diese Konfiguration ermöglicht es der Person, die MR_CHIROD zu bedienen, ohne ihr Gewicht zu unterstützen. Das Gerät kann für die linke oder rechte Hand positioniert werden. Abgeschirmte Kabel werden an der Penetrationsplatte geerdet, pneumatische Rohraustritte über ein Durchgangsrohr in der Penetrationsplatte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Ansicht der MR_CHIROD v3 relativ zu einem Patienten. Ein Freiwilliger ruht mit seiner Hand in Position in der Nähe der Griffe des Geräts. Der Freiwillige wird in der richtigen Position am Magnetisozentrum für die Bildgebung des Gehirns platziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Schematische Darstellung der MR_CHIROD für den Betrieb in einem MR-Scannerraum eingerichtet. Die abgeschirmten Kabel, die die Signale für die Positions- und Geschwindigkeitsdaten und für den Kraftsensor transportieren, sowie die pneumatischen Schläuche passieren die Penetrationsplatte, die als Erdungsreferenzdient dient. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Typische Ergebnisse aus der Ausführung einer Motoraufgabe (Drücken der Griffe eines MR_CHIROD). Gezeigt werden (A) die fMRI-Gehirnaktivierungen, die als Blobs auf einem Umriss des Gehirns überlagert sind, (B) als Pseudofarbe auf einer dreidimensionalen Querschnittsansicht des anatomischen Gehirnscans des Freiwilligen und (C) als Pseudofarbe, die auf einer Gehirnvorlage gerendert wird. M1 = Primärer Motorkortex. SMA = Ergänzender Motorbereich. (D) Tatsächliche Kraftleistung, gemessen in Krafteinheiten (Newton, N) als Funktion der Zeit. Die Kraftausgabe ist die tatsächliche Aufzeichnung des Quetschens des Freiwilligen und wird vom MR_CHIROD in Echtzeit aufgezeichnet. (E) Der Single-Voxel-Zeitverlauf der Aktivierung wird aus einem Voxel am somatosensorischen Bereich an der Stelle der Fadenkreuze in (B) ausgewählt. Schwarze Balken in (D) und (E) entsprechen einer Stimulus-/Ruhezeit von 60 s. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Wir präsentieren fMRI einer Motoraufgabe mit der neuesten Version eines neuartigen Robotergeräts, dem MR_CHIROD1,2,8. Die MR_CHIROD wurde entwickelt, um eine handdrückende Griffaufgabe auszuführen, die von chronischen Schlaganfallpatienten durchgeführt werden kann und wurde zuvor1,2,3,4,5,6,8" untersucht. Das Gerät wird weiter als Dynamometer eingesetzt und misst die maximale Griffkraft des Patienten, gegen die die experimentellen Kraftniveaus normalisiert werden. Die Aktivierung des Motorkortex wird in Relation zum während der Experimente eingestellten Kraftstand ausgelöst. Darüber hinaus wird im Laufe der Studie maximale Kraft verfolgt, um eine verbesserte Grifffestigkeit zu zeigen. Unsere früheren Iterationen der MR_CHIROD haben sich bereits in Studien als nützlich erwiesen, die Beweise für Neuroplastizität und Rehabilitation von chronischen Schlaganfallpatienten1,6zeigen. Wir kombinieren derzeit die Verwendung der MR_CHIROD mit einem Bildgebungsprotokoll, das eine hohe Empfindlichkeit für fMRI von Motoraufgaben7ermöglicht. Unser Ansatz kombiniert funktionelle MRT mit einem neuartigen MRT-kompatiblen handinduzierten Robotergerät für die Handmotorfunktionsrehabilitation.
Das Gerät kann einfach verwendet oder für den Einsatz in anderen MR-Einrichtungen angepasst werden. Physikalisch müssen die Leistungs-/Schnittstellen-/Regelungseinheit und der Luftkompressor in einen Stütz-/mechanischen Raum mit Penetrationspanel-Zugang zum MR-Scannerraum mit einem geeigneten Datendurchgang und einem physikalischen Durchgang für die Druckluftschläuche platziert werden. Die Verbindung zwischen dem Gerät und dem Hostcomputer erfolgt derzeit über ein USB-Kabel mit eingeschaltetem Repeater, um eine ca. 10 m Trennung zwischen den beiden Elementen aufzunehmen. Schließlich muss der Scanner über einen zugehörigen Projektor oder ein ähnliches Visualisierungssystem verfügen, um dem Motiv die Anweisungen, das Fixierungskreuz und das visuelle Metronom sowie die Möglichkeit zur Bereitstellung von TR-Triggerinformationen für die Benutzeroberfläche zu präsentieren.
Diese Version des MR_-CHIROD wurde speziell entwickelt, um unser experimentelles Protokoll im MR-Scanner und den Gebrauchskomfort durch Forscher und Probanden in einer Nicht-MR-Suite-Umgebung zu unterstützen. An beiden Standorten greift und löst das Subjekt den Griff des Geräts gegen eine konstante Wiederherstellungskraft, die zwischen experimentellen Durchläufen gewechselt werden kann. Als solches wurde das pneumatische System eingeführt, das die Darstellung kontinuierlicher Widerstandskraft für das Subjekt ermöglicht (im Vergleich zu früheren und alternativen viskosen Bremssystemen mit elektrorheologischen Flüssigkeiten, die Nullkraft darstellen, wenn das Subjekt nicht aktiv packt oder loslässt und keine Wiederherstellungskraft liefert). Die früheren MR_CHIROD Iterationen und anderen Systemen wurden speziell entwickelt, um schnelle Kraftänderungen als Reaktion auf Benutzerinteraktion zu ermöglichen und sich auf ER-Flüssigkeiten zu verlassen, um die schnelle Reaktion2,14zu ermöglichen, jedoch wurden die Kosten und die Komplexität solcher Systeme für diese Anwendung als unerwünscht ermittelt.
Das vorgestellte Protokoll stellt die jetzt stabile Version unserer Forschung dar. Die bisher gesammelten Ergebnisse haben keine unerwarteten Ergebnisse gezeigt, die eine Änderung des Protokolls erfordern. Zukünftige Verbesserungen können bei Bedarf erforderlich sein und könnten eine schnellere Bildgebung und Anpassung unseres motorischen Paradigmas umfassen. Darüber hinaus unterstützt die ausgewählte Hardware nicht nur die Anpassung der Steuerparameter über die serielle USB-Verbindung ohne Unterbrechung des MR-Scans, sondern auch für Remote-Updates von heimbasierten Trainingseinstellungen mit dem Wlan des Mikroprozessors. Modul.
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Disclosures
Keiner der Autoren hat Konflikte zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Grant-Nummer 1R01NS105875-01A1) der National Institutes of Health an A. Aria Tzika unterstützt. Diese Arbeit wurde am Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging durchgeführt. Wir danken Direktor Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. und Mitarbeitern des Martinos Centers für ihre Unterstützung. Ferner möchten wir Herrn Christian Pusatere und Herrn Michael Armanini für ihre Unterstützung bei der Durchführung von Experimenten danken. Abschließend danken wir Dr. Michael A. Moskowitz und Dr. Rosen für ihre Anleitung bei der Konzeption und Entwicklung der MR_CHIROD Geräteserie und der damit verbundenen Schlaganfallstudien.
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
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