Summary
Vi utførte funksjonell MRI ved hjelp av en ny Mr-kompatibel hånd-indusert robot enhet for å evaluere sitt verktøy for overvåking av hånden motorisk funksjon i individer utvinne fra nevrologiske underskudd.
Abstract
Funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) er en ikke-invasiv magnetisk resonans imaging teknikk som bilder hjernen aktivisering in vivo, ved hjelp av endogene deoxyhemoglobin som en endogene kontrastmiddel til å oppdage endringer i blod-nivå-avhengige oksygenering (fet effekt). Vi kombinerte fMRI med en roman Robotic enhet (MR-kompatibel hånd-indusert robot enhet [MR_CHIROD]), slik at en person i skanneren kan utføre en kontrollert motor oppgave, hånd-klemme, som er en svært viktig hånd bevegelse for å studere i nevrologiske motoriske sykdommer . Vi benyttet parallell avbildning (generalisert automatisk kalibrering av delvis parallelle anskaffelser [GRAPPA]), som tillot høyere romlig oppløsning, noe som resulterte i økt følsomhet for BOLD. Kombinasjonen av fMRI med hånd-indusert robot enheten tillot presis kontroll og overvåking av oppgaven som ble henrettet mens en deltaker var i skanneren; Dette kan vise seg å være av nytte i rehabilitering av hånden motorisk funksjon hos pasienter utvinne fra nevrologiske underskudd (f. eks slag). Her skisserer vi protokollen for å bruke dagens prototype av MR_CHIROD under en fMRI skanning.
Introduction
Hensiktsmessige bilde beregninger kan overvåke og forutsi sannsynligheten for at behandlingen lykkes hos individer som er bedre enn kliniske vurderinger, og gi informasjon for å forbedre og individualisere behandlings planleggingen. Vi har utviklet erfaring med pasienter utvinne fra kronisk Stroke1,2,3,4,5,6,7,8. Utvikling optimal individualisert strategier som fokuserer på hvordan motor trening kan påvirke inkrementell forbedring enten i omorganisering av Neural aktivitet og/eller motorisk funksjon er fortsatt utfordrende. Innsikt i den underliggende strukturelle remodeling og re-organisering prosesser for funksjonell utvinning i hjernen etter nevrologisk sykdom kan tillate oss å evaluere forholdet mellom distribuerte topografiske mønstre av nevrale aktivitet og funksjonell utvinning via funksjonell neuroimaging metoder og hjernen kartlegging. Suksess vil tilrettelegge utvikle personlig behandling strategier optimalisert for å gi forbedringer i grep styrke i bred befolkning med nevrologiske forhold basert på magnetisk resonans imaging (MRI) beregninger9.
Her presenterer vi en protokoll som sysselsetter en nylig re-designet robot hånd enhet som gir en kontrollerbar motstandskraft mot som et motiv grep og frigjør et håndtak i Synchrony med en pendel visuell stimulans. Den MR_CHIROD v3 (MR-kompatibel hånd-indusert RObotic Device) er et system for presentasjon av justerbare krefter mot hvilke gripende og slippe bevegelser utføres, mens måling og opptak anvendt kraft, grep forskyvning og tidsstempler for hvert datapunkt (figur 1). Enheten ble utviklet for å gi pålitelige vurderinger av hjernen aktivisering bilder under fMRI (funksjonell magnetisk resonans imaging), som kan brukes til å evaluere blod-oksygen-nivå avhengige (BOLD) endringer i hjernen svar på pasienter utvinne fra nevrologiske lidelser. MR-kompatibilitet oppnås ved bruk av helt ikke-jernholdige/ikke-magnetiske komponenter for struktur og pneumatiske aktuator elementer og skjermet sensor/elektroniske komponenter som er plassert på skannerens seng. Figur 2 viser enheten som er koblet til en Mr-skanner seng, og med et motiv i magneten bar fatte håndtaket på MR_CHIROD v3 (Figur 3). Grensesnitt og kontrollkomponenter er plassert utenfor MR skanner rommet (Figur 4).
Enheten brukes samtidig med hjernen Imaging metoder for å vurdere relevante hjerne aktiveringer. Den primære bruken av systemet er å gi en motor oppgave som genererer aktiveringer av hjernens motor områder, som er oppdaget ved hjelp av fMRI. Brain aktivisering mens du bruker MR_CHIROD under Imaging kan vurdere neuroplasticity i nevrologisk sykdom. Ved å spore endringer i aktiveringer i løpet av og etter motor trening ved hjelp av MR_CHIROD, fremdrift av motor rehabilitering etter noen nevrologiske sykdommer som fører til motoriske underskudd (f. eks, slag) kan observeres.
Den MR_CHIROD v3 kan også monteres på bordet, for bruk i intra-Scan trening øvelser, der faget grep og utgivelser som svar på egnede visuelle stimuli for perioder på 45 min, tre ganger per uke i løpet av studien. Vår erfaring med robotically levert opplæring, overvåkes med Imaging, tyder på at utvinning vinduet for slagpasienter for eksempel kan aldri lukke1.
Vår begrunnelse for å bygge og bruke en MR-kompatibel håndgrep robot er at Robotic utvinning har potensial til å produsere en stor innvirkning på verdifall på grunn av sin enkle distribusjon, anvendelse på tvers av ulike motoriske hemninger, høy måle pålitelighet, og kapasitet til å levere høy intensitet trening protokoller10. Vår MR-kompatible robot kan: (a) stilles inn for fagspesifikke bevegelses områder og justeres programmatisk for å bruke fagspesifikke styrke nivåer; (b) kontrollere, måle og registrere styrke-og Forskyvnings parametre gjennom en vertsdatamaskin; (c) justere kontrollparametere eksternt uten at det kreves avbrudd i skanningen for å få tilgang til MR Scanner-rommet eller omplassering av motivet; og (d) gi behandling via treningsøvelser presist og konsekvent i lengre perioder.
Vi er klar over ingen kommersielt tilgjengelig utvinning Robotic enhet som kan brukes med en MR-skanner for å måle motivet håndgrep kraft og forskyvning mens du bruker datastyrt tid varierende kraft. Tsekos et al.11 har gjennomgått en rekke primært forsknings-baserte, Mr-kompatible Robotic og rehabilitering enheter, inkludert tidligere gjentakelser av MR_CHIROD-serien av enheter. Andre enheter ble designet for å studere håndleddet bevegelse, fingerbevegelse, Isometrisk grep styrke, og multi-joint bevegelser. For enheter som aktivt gir styrke eller andre krefter, har en rekke MR-kompatible teknologier vært ansatt, inkludert hydraulikk, pneumatikk, mekaniske forbindelser og electrorheological væske dempere. Noen enheter inkluderer flere grader av frihet, inkludert en annen utvidelse av tidligere MR_CHIROD versjoner lagt til en rotasjonsgrad av frihet og hydraulisk kraft søknad, men det var ikke tilrettelagt for MR-kompatibilitet12.
Vår håndgrep spesifikke enhet har fordelene ved portabilitet (det er regelmessig transporteres mellom MR-anlegget og kontor-baserte opplærings steder), og evnen til å produsere store, datastyrte, tid-varierende styrker. Nåværende bruk av pneumatisk teknologi i MR_CHIROD unngår behovet for høyspent kilder som er nødvendige for elektro-reologiske væske-baserte systemer, potensialet for lekkasje av hydraulisk væske, og komplekse kabel/koblinger som forbinder grensesnitt mekanismen med eksterne strøm-og kontrollkomponenter.
MR_CHIROD var den første enheten som ble demonstrert for å fungere sammen med fMRI for hjerne kartlegging i slagpasienter1. Det viktigste er at MR_CHIROD v3 er spesielt nyttig for hjemme-eller kontor BAS ert opplæring, ettersom systemet og programvaren ble utformet for bruk uten ekspert klinisk støtte og med motiverende elementer ("gamification"). I forhold til fysioterapeut-tilrettelagt opplæring i et sykehus, kontor-eller hjemme-basert trening er rimeligere og mer praktisk, noe som gjør det enklere for pasientene å følge daglig terapi. Enheten, som allerede er relativt billig i forhold til noen av de andre forsknings-baserte enheter, kan bli omarbeidede å forbedre pris-til-nytte-forhold. Virtual Reality og gamification av trening, som begge er kompatible med MR_CHIROD v3, kan engasjere pasienter, øke sin oppmerksomhet under oppgaven, og forbedre motivasjonen, og dermed øke effektiviteten av utvinning13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle eksperimenter ble godkjent av den institusjonelle Review styret ved Massachusetts General Hospital og utført som godkjent på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.
1. motiv forberedelse
Merk: Inkludering kriterier er: (i) høyre hånd dominans, (II) evne til å gi skriftlig informert samtykke. Utelukkelse ble gjennomført på grunnlag av screening for kontra indikatorer i magnetisk resonans miljø som følgende: (a) rutinemessig Mr utelukkelse kriterier, for eksempel tilstedeværelsen av en pacemaker eller hjerneblødning klipp og metallimplantater eller metall innhold i kroppen; (b) historie anfall (c) klaustrofobi; (d) graviditet.
- For å innhente informert samtykke, Les samtykke skjemaet til den frivillige. Både den frivillige og etterforsker logge på de aktuelle stedene på samtykke skjema i duplikat. La en signert kopi av samtykke skjema på et passende sted for etterforsker postene. Behold den andre kopien av samtykke skjemaet for deltakerens oppføringer.
- Screen den frivillige for MRI (magnetisk resonans imaging) kontraindikasjoner. Fyll ut listen over MRI-indikasjoner, og spør om hvert element på listen, og Merk av i boksene etter behov.
- Ikke Fortsett med skanningen hvis deltakerne har (eller potensielt har) noen kontraindikasjoner, inkludert kirurgiske blødning, hjerte pacemaker, protese hjerte ventil, neurostimulator, implantert pumper, cochlea-implantater, metallstenger, plater, skruer, høreapparat eller depotplaster.
2. oppsett
- Utfør første gangs oppsett i skanner rommet.
Merk: all nødvendig opplæring må innhentes av etterforsker i forkant av prosedyren. Forholdsregler som er relevante for MR anlegget må tas til enhver tid.- Ta med MR_CHIROD (magnetisk resonans-kompatibel hånd indusert Robotic enhet) i MRI skanneren rommet og plassere den i nærheten av penetrasjon panelet. Sett inn det 3/8-tommers pneumatiske røret i pass-through-røret i panelet i det tilstøtende Mr-støtte rommet.
- Koble Mr Scanner Room Force sensing og koder kablene til den 9-pinners D-formede (sub) kontakten på skannerens rom side av panelet.
- Oppsett av Mr støtte rom.
- Koble luftkompressoren til en 110VAC veggkontakt. Med kompressor interne regulator vendt til av/minimum trykk posisjon og kuleventilen i off-posisjon, slå på kompressor og la den komme til full internt trykk (~ 4 min).
- Koble støtte rom Force sensing og koder kabler til sub-kontakten på den eksterne siden av penetrasjon panelet.
- Koble 3/8-tommers pneumatisk rør montering, dukker opp fra gjennomtrenging panel pass-through til utløpet av grensesnittet/strøm enhet trykk regulator utløp. Koble 4 mm pneumatisk rør til utløpet av kompressoren og inntaket av luftfilteret på grensesnittet/strøm/regulator enhet.
- Koble grensesnitt/strøm/regulator-enheten til mikro-USB-kontakten på USB-kabelen/repeater-enheten, og Legg repeater-kabelen ut til verts-PC/laptop i Mr-kontrollrommet. Koble grensesnittet/strøm/regulator enhet til en 110VAC veggkontakt i støtte rommet, og slå på strømbryteren.
- Plasser MR_CHIROD v3 med pasienten.
- Fullt utvide og senke MR skanneren sengen. Fest den nedre halvdelen av hodet coil og veilede den frivillige til å legge ned, og pass på at den frivillige hviler komfortabelt og har utvidet armene komfortabelt.
- Gi øreplugger til den frivillige for akustisk støyreduksjon.
- Fest hode spolen og små skum puter for å nakkens hodet.
- Fest puter rundt den frivillige gripe arm på nivået av armen og albuen, for å minimere vibrasjonsmedisin kopling til frivillig egen kropp og til veggene i MR skanneren.
- Fest kommunikasjonen ballen på den frivillige brystet, instruere dem om hvordan du bruker den og bekrefter at kommunikasjonen ballen fungerer godt før du starter skanninger.
- Løst installere MR_CHIROD på siden av pasienten motsatt av deres hjerne lesjon ved hjelp av tilsvarende seng-slot. Med den frivillige albuen hviler på bordet for å støtte vekten av armen, flytte MR_CHIROD håndtaket til webbing mellom tommel og pekefinger og veilede de frivillige til å ta tak i håndtakene på MR_CHIROD.
- Hvis MR_CHIROD er på motsatt side av bordet fra penetrasjon panel, posisjon kablene og pneumatisk rør slik at de passerer under bordet i stedet for over pasienten.
- Pass på at gripe posisjonen er riktig for klemme. Instruere den frivillige til å presse og dytte eller dra MR_CHIROD til de har den mest behagelige posisjon for å klemme.
- Fest MR_CHIROD godt på plass ved å stramme plast mutrene med en MR-kompatibel nøkkel.
Merk: Ingen skanning utføres på det tidspunktet. Når du plasserer MR_CHIROD, er den frivillige hviler komfortabelt på MR Scanner seng utenfor magnet. Døren til magnet rommet kan være åpen.
- Sett opp kontrollen laptop i MR kontrollrommet (ved siden av skanneren og støtte rom), bekrefte tilkobling og satt for pasient styrke nivå.
- Slå på laptop og starte datainnsamling/analyseprogramvare. Koble USB-kabelen/repeater-enheten til den bærbare datamaskinen. Slå på MR skanneren rom projektoren. Koble den bærbare video utgangsporten til projektorens kontakt og sett skjermen for å utvide skjermen til projektoren. Koble USB HID-kabelen for skanneren til den bærbare datamaskinen for å motta trigger signaler fra skanneren.
- Kjør det egendefinerte brukergrensesnittet (UI)/kontroll/stimulans programmet for MR_CHIROD. Automatisk sette MR_CHIROD trykket til (minimal) "Setup" nivå for å skyve håndtaket til ende-stopp, verifisere visning av bevegelse og kraft bølgeformer.
- Instruere den frivillige at de neste få klemmer vil være å kalibrere for maksimal styrke klemme og dermed vil være vanskelig.
- Sett styrke nivå, for eksempel til 30 N og instruere den frivillige til å klemme helt 2-3 ganger med en periode på ca 2 s. Observer om den frivillige kan fullføre en klemme på at styrke nivå.
- Gradvis øke styrken nivå og gjenta klem forsøk til frivillig ikke kan fullføre en klem. Denne målingen fungerer som en maksimum av den frivillige grep styrke. BRUKERGRENSESNITTET beregner automatisk 60%, 40% og 20% av maksimalt styrke nivå for bruk under testing.
3. gå inn Volunteer data og kalibrering det MR skanner
- Angi de identifiserte dataene for frivillige i henhold til sykehusets retningslinjer i samsvar med HIPAA-forskriftene (USA Health Insurance portabilitet and Accountability Act of 1996) på skanner konsollen.
- Flytt bordet og deltakeren til skanneren og plasser den på isocenter.
4. løpe fMRI samling
- Observer den frivillige gjennom vinduet mellom kontroll og skanner rom og kommunisere med den frivillige for å få deltakerens tillatelse til å starte fMRI protokollen. Be dem om ikke å holde MR_CHIROD-håndtaket for å la det hvile på den helt åpne posisjonen.
- SHIM magneten og kjøre en localizer skanning. Åpne fMRI-protokollen og sett skiver for å dekke den frivillige hjernen.
- Instruere den frivillige at fMRI økten er i ferd med å begynne.
- Bruk BRUKERGRENSESNITTET til å angi MR_CHIROD for å bruke det første Styrkenivået (20% av maksimum). UI-programmet vil vise et sett med instruksjoner på video projektoren for de frivillige til å minne dem på hvordan de skal reagere på den visuelle stimulans. BRUKERGRENSESNITTET vil vente på at skanneren skal gi et utløser signal for å fortsette.
- Starte en ekko-Planar-tenkelig protokollen for fMRI. Bruk bildebehandlingsprogram MR_CHIROD fra mappen brukere. Anskaffelses-og gjenoppbyggings parametere er allerede angitt i bildebehandlingsprogrammet og bør ikke endres. Følgende parametere er ansatt: in-plane 192 x 192 eller 256 x 256 oppkjøp matriser; TR (repetisjons tid) i området 2-3 s; en 30 MS TE (ekko tid); 5 mm skive tykkelse, og en romlig oppløsning på ~ 1 mm x 1 mm.
Merk: Det UI/data oppkjøp/stimulans programmet vil vente med å få en utløser puls fra skanneren tilsvarende med initiering av pre-fMRI skanner i skanneren programmet. Den visuelle stimulans vil fjerne instruksjonene og viser en "fiksering Cross" som den frivillige vil fokusere på. Når fMRI skanne TRs begynner, en visuell metronom display, i form av en voksende og krympende sirkelen vil bli vist. Den frivillige vil helt klemme og slipp håndtaket synkront med stimulans. Hvileperioder vil skille stimulans perioder, der tiden fiksering korset vil bli vises nytt. - Under utføring av en oppgave, overvåke Force output og om deltakeren utfører oppgaven på riktig måte (dvs. full fullfører grep og utgivelser og opprettholde Synchrony med den visuelle metronom) ved å observere levende plott av makt og forskyvning på UI .
- Når det første løpe er over, bekrefter videreføring av eksperimentet på UI, som vil endre Styrkenivået til andre av tre nivåer. Gjenta fra trinn 4,5. På samme måte, når den andre kjøringen er over, bekrefter fortsettelse for å kjøre den endelige kjøringen på tredje styrke nivå.
- Etter det tredje løpe, det UI ville automatisk sette MR_CHIROD trykk å det lav "Setup" plan flate.
5. Fullfør Mr-økten
- Instruere deltakeren til å slappe av og å gi slipp på håndtaket. Samle en rekke anatomiske skanninger.
6. ta ned
- Fjern deltakeren fra skanner rommet hos MR, følg oppsetts trinnene i revers, og Fortsett å slå av og koble fra delene av MR_CHIROD. Overfør MR-data til databasen og til disken og Lukk økten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Metodikken skissert i protokollen gjør det mulig samling av fMRI bilder mens den frivillige utfører oppgaven i sanntid i magnet. Eksperimenter ble utført i Bay 1-anlegget i Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, ved hjelp av en 3T hele kroppen magnetisk resonans scanner. Figur 2 og Figur 3 viser plasseringen av MR_CHIROD på bordet og pasienten på plass ved å betjene den. I Figur 3, en frivillig er i skanneren bar med hans/hennes hode plassert på isocenter av magneten, som er den riktige posisjonen for hjernen Imaging. Figur 4 viser en skjematisk fremstilling av systemkomponenter og tilkoblinger, som er satt opp i de innledende fasene av prosessen. Under en fMRI økt, ikke bare er bildene samlet inn, men også en sanntids spor av den faktiske slag av enheten som den personen i magnet bore opererer det er innhentet. Typiske resultater er vist i figur 5. Bruk av kontrollert pneumatisk trykk gir presis kontroll over den konstante reaksjons kraften som tilbys av MR_CHIROD v3.
Figur 5A-C viser typiske aktiverings områder under gripende/frigjøring av enheten, ved bruk av resultatene av den dristige teknikken under fMRI skanning. Røde piler viser aktivering i M1-regionen (Primær motor cortex) og grønne områder viser SMA (supplerende motor cortex). Figur 5D viser målt forskyvning under gripe/slippe, som ble utført mot MR_CHIROD ' s motstandskraft. Figur 5e viser aktivisering over tid på en enkelt Voxel, valgt fra innenfor somato-sensorisk området. Responsen korresponderer med aktivitetens aktivitet, forhøyet aktivering under gripende/frigjørende og redusert aktivering når motivet hviler.
Figur 1: delene av MR_CHIROD v3-enheten. (1) fast håndtak; (2) Sliding håndtak; (3) kraftsensor; (4) posisjons koder; (5) glass-grafitt sylinder-stempel enhet; (6) skjermet lastcelle forsterker; (7) MR bord monterings spor (forhåndsvisning); (8) kulelager med acetyl løp og glass baller. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Bilde 2: visning av MR_CHIROD v3 sikkert festet på skannerens seng. Denne konfigurasjonen gjør det mulig for personen å operere MR_CHIROD uten å støtte noen av dens vekt. Enheten kan være plassert for venstre eller høyre hånd. Skjermede kabler er jordet på penetrasjon panel, pneumatiske rør utganger via en passerer gjennom røret i penetrasjon panelet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: visning av MR_CHIROD v3 i forhold til en pasient. En frivillig hviler med hånden i posisjon i nærheten av håndtakene på enheten. Den frivillige er plassert i riktig posisjon på magnet isocenter for hjernen Imaging. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: skjematisk diagram av MR_CHIROD satt opp for drift i et Mr skanner rom. De skjermede kablene som bærer signalene for posisjons-og hastighetsdata og for kraft sensoren, i tillegg til den pneumatiske slangen passerer gjennom gjennomtrenging panel som fungerer som jording referanse nivå. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: typiske resultater fra å utføre en motor oppgave (klemme håndtakene på en MR_CHIROD). Vist er (A) fMRI hjerne aktiveringer, lagt som boblene på en skisse av hjernen, (B) som pseudo-farge på en tredimensjonal tverrsnitt visning av den frivillige anatomiske hjerneskanning, og (C) som pseudo-farge gjengitt på en hjerne mal. M1 = primær motor cortex. SMA = supplerende motor området. (D) faktisk Force output, målt i kraft enheter (Newton, N) som en funksjon av tid. Kraften produksjonen er den faktiske posten av den frivillige er klemme og er registrert i sanntid av MR_CHIROD. (E) den single-Voxel gang løpet av aktiveringen vises, valgt fra en Voxel på somatosensory området på plasseringen av trådkorset i (B). Svarte striper i (D) og (E) korresponderer med en 60 s stimulans/hvileperiode. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi presenterer fMRI av en motor oppgave å bruke den nyeste versjonen av en roman Robotic enhet, den MR_CHIROD1,2,8. MR_CHIROD har blitt designet for å utføre en hånd-klemme grep oppgave som har kan utføres av kroniske hjerneslag pasienter og har blitt studert tidligere1,2,3,4,5,6,8. Enheten er videre brukt som en dynamometer, måle pasientens maksimale grep kraft, mot hvilke eksperimentelle styrke nivåer er normalisert. Aktivering av motor barken er elicited i forhold til Styrkenivået som er angitt under eksperimenter. Videre er maksimal kraft spores i løpet av studiet for å vise bedre grep styrke. Våre tidligere gjentakelser av MR_CHIROD har allerede vist seg å være nyttige i studier som viser bevis for neuroplasticity og rehabilitering av kroniske slagpasienter1,6. Vi kombinerer for tiden bruken av MR_CHIROD med en bilde protokoll som tillater høy følsomhet for fMRI av motor oppgaver7. Vår tilnærming kombinerer funksjonell MRI med en ny Mr-kompatibel hånd-indusert robot enhet for hånd motorisk funksjon rehabilitering.
Enheten kan enkelt brukes eller tilpasses for bruk i andre MR fasiliteter. Fysisk, strøm/grensesnitt/regulering enhet og luftkompressor må plasseres i en støtte/mekanisk rom med penetrasjon panel tilgang til MR Scanner Room, med en passende data pass-through og en fysisk passere gjennom for trykkluftslangen. Tilkobling mellom enheten og vertsdatamaskinen er for øyeblikket laget ved hjelp av en USB-kabel med en strøm repeater for å imøtekomme en ca 10 m separasjon mellom de to elementene. Til slutt må skanneren ha en tilknyttet projektor eller lignende visualiserings system for å presentere instruksjonene, fiksering kryss og visuelle metronom til faget, samt et middel for å gi TR utløse informasjon til UI.
Denne versjonen av MR_-CHIROD ble spesielt utviklet for å støtte vår eksperimentelle protokollen i MR skanneren og bekvemmeligheten av bruk av forskere og i en ikke-MR Suite miljø. I begge områder, emnet grep og frigjør håndtaket på enheten mot en konstant gjenopprette kraft, som kan endres mellom eksperimentelle går. Som sådan ble det pneumatiske systemet vedtatt, noe som gjør det mulig for presentasjon av kontinuerlig styrke til faget (sammenlignet med tidligere og alternative flytende bremsesystemer ved hjelp av elektro-reologiske væsker som presenterer null kraft når motivet ikke er aktivt gripende eller slippe ut og ikke gir en gjenopprette kraft). Den tidligere MR_CHIROD-gjentakelser og andre systemer er spesielt utformet for å tillate raske kraft endringer som svar på brukermedvirkning og stole på er væsker for å muliggjøre den raske responsen2,14, men kostnaden og kompleksiteten av slike systemer var fast bestemt på å være uønsket for dette programmet.
Protokollen som presenteres representerer den nå stabile versjonen i vår forskning. Resultater innsamlet hittil har ikke vist uventede funn som vil kreve endring av protokollen. Fremtidige forbedringer kan være nødvendig etter behov og kan omfatte raskere Imaging og tilpasning av våre motor paradigmet. I tillegg støtter maskinvaren valgt ikke bare å justere kontrollparametere via seriell USB-tilkobling uten å kreve avbrudd av MR skanning, men også gjøre det for eksterne oppdateringer av hjemme-baserte Treningsinnstillinger ved hjelp av mikroprosessor ' s WiFi Modul.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen av forfatterne har konflikt å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av en bevilgning fra National Institute of nevrologiske lidelser og Stroke (Grant nummer 1R01NS105875-01A1) av National Institutes of Health til A. ARIA Tzika. Dette arbeidet ble utført ved Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Vi ønsker å takke direktør Dr. Bruce R. Rosen, MD, Ph.D. og medlemmer av Martinos Center ansatte for deres støtte. Vi ønsker videre å takke Mr. Christian Pusatere og Mr. Michael Armanini for deres hjelp i å kjøre eksperimenter. Til slutt, vi takker Dr. Michael A. Moskowitz og Dr. rosen for deres veiledning i unnfangelsen og utviklingen av MR_CHIROD-serien av enheter og tilhørende slag studier.
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).
