Мы выполнили функциональную МРТ с помощью нового МРТ-совместимого ручного роботизированного устройства для оценки его полезности для мониторинга функции ручного двигателя у людей, восстанавливающихся после неврологического дефицита.
Функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) является неинвазивной магнитно-резонансной томографией, которая изображения активации мозга в vivo, используя эндогенный дезоксигемоглобин в качестве эндогенного контрастного агента для обнаружения изменений в крови-зависимых оксигенации (эффект BOLD). Мы объединили МРТ с новым роботизированным устройством (Mr-совместимым ручным роботизированным устройством (MR_CHIROD) так, чтобы человек в сканере мог выполнять управляемую двигательную задачу, сжимая руки, что является очень важным движением рук для изучения неврологических двигательных заболеваний . Мы использовали параллельную визуализацию (обобщенную автоматическую калибровку частично параллельных приобретений «ГРАППА»), что позволило повысить пространственное разрешение, что привело к повышенной чувствительности к BOLD. Сочетание МРТ с роботизированным устройством, индуцированным вручную, позволило точно контролировать и контролировать задачу, которая была выполнена во время внеработания участника сканера; это может оказаться полезным в реабилитации двигательной функции рук у пациентов, восстанавливающихся после неврологического дефицита (например, инсульта). Здесь мы намечаем протокол для использования текущего прототипа MR_CHIROD во время МРТ.
Соответствующие метрики изображений могут контролировать и прогнозировать вероятность успеха терапии у людей лучше, чем клинические оценки и предоставлять информацию для улучшения и индивидуализации планирования терапии. Мы накопили опыт с пациентами, восстанавливающимися после хронического инсульта1,2,3,4,5,6,7,8. Разработка оптимальных индивидуализированных стратегий, которые сосредоточены на том, как двигательные тренировки могут влиять на постепенное улучшение либо в реорганизации нейронной активности и / или двигательной функции по-прежнему сложной задачей. Исследования в основных структурных ремоделирования и реорганизации процессов для функционального восстановления в головном мозге после неврологических заболеваний может позволить нам оценить связь между распределенными топографическими моделями нейронной активности и функционального восстановления с помощью функциональных методов нейровизуализации и отображения мозга. Успех будет способствовать разработке персонализированных стратегий лечения, оптимизированных для повышения прочности сцепления в широком населении с неврологическими состояниями, основанными на магнитно-резонансной томографии (МРТ) метрик9.
Здесь мы представляем протокол, который использует недавно переработанный роботизированный ручной устройство, которое обеспечивает управляемую силу сопротивления, против которой субъект захватывает и выпускает ручку синхронно с колеблющийся визуальный стимул. MR_CHIROD v3 (MR-совместимый Ручной RObotic Device) представляет собой систему для представления регулируемых сил, против которых выполняются захват и высвобождение движений, при измерении и записи прикладной силы, смещения сцепления и меток времени для каждой точки данных(рисунок 1). Устройство было разработано для обеспечения надежной оценки изображений активации мозга во время МРТ (функциональная магнитно-резонансная томография), которая может быть использована для оценки кровосомового уровня зависимых (BOLD) изменений в реакциях мозга пациентов, восстанавливающихся после неврологических расстройств. МР-совместимость достигается за счет использования полностью цветных/немагнитных компонентов для элементов структуры и пневматического актуатора, а также экранированных датчиков/электронных компонентов, которые расположены на кровати сканера. На рисунке 2 показано устройство, прикрепленное к кровати сканера MR, и с предметом в магните родила захвата ручку MR_CHIROD v3 (Рисунок 3). Компоненты интерфейса и управления расположены за пределами комнаты сканера MR(рисунок 4).
Устройство используется одновременно с методами визуализации мозга для оценки соответствующих активаций мозга. Основное использование системы заключается в обеспечении двигательной задачи, которая генерирует активации двигательных областей мозга, которые обнаруживаются с помощью МРТ. Активация мозга при использовании MR_CHIROD во время визуализации может оценить нейропластичность при неврологических заболеваниях. Отслеживая изменения в активациях в ходе и после двигательных тренировок с использованием MR_CHIROD, можно наблюдать прогресс двигательной реабилитации после любого неврологического заболевания, привехивающего к дефициту мотора (например, инсульт).
MR_CHIROD v3 также может быть набивана на стол, для использования во внутрисканных учебных упражнениях, в которых предмет захватывает и высвобождает в ответ на подходящие визуальные стимулы в течение 45 мин, три раза в неделю во время исследования. Наш опыт работы с роботизированной подготовки, мониторинг с помощью изображений, предполагает, что окно восстановления для пациентов с инсультом, например, никогда не может закрыть1.
Наше обоснование для создания и использования MR-совместимых ручной захват робота является то, что робот восстановления имеет потенциал, чтобы произвести большое влияние на ухудшение из-за его легкого развертывания, применимость через различные нарушения двигателя, высокая надежность измерения измерений, и способность доставить высокой интенсивности протоколов обучения10. Наш робот, совместимый с MR, может: a) устанавливаться для тематических диапазонов движения и быть программно скорректированы с учетом конкретных уровней силы; b) контроль, измерение и регистрация параметров силы и перемещения через компьютер-хозяин; c) дистанционную регулировку параметров управления, не требуя прерывания сканирования для доступа в комнату сканера Mr или перепозиционирования объекта; и d) проводить терапию с помощью учебных упражнений точно и последовательно в течение продолжительных периодов времени.
Нам известно об отсутствии коммерчески доступных рекуперативных роботизированных устройств, которые могут быть использованы с помощью сканера MR для измерения силы и смещения рук субъекта при применении управляемой компьютером силы, изменяющей время. Tsekos et al.11 рассмотрели различные в первую очередь научно-исследовательские, СОВМЕСТИМЫе с МР роботизированные и реабилитационные устройства, включая более ранние итерации MR_CHIROD серии устройств. Другие устройства были разработаны для изучения движения запястья, движения пальцев, изометрической силы захвата и многосуставных движений. Для устройств, которые активно обеспечивают резистивные или другие силы, были использованы различные технологии, совместимые с МР, включая гидравлику, пневматику, механические связи и электрорелогические жидкие амортизаторы. Некоторые устройства включают в себя несколько степеней свободы, в том числе еще одно расширение предыдущих версий MR_CHIROD добавил вращательную степень свободы и применения гидравлической силы, однако она не была адаптирована для MR-совместимости12.
Наше устройство для рук-захвата имеет преимущества портативности (он регулярно транспортируется между объектом MR и офисными учебными площадками), а также возможность производить большие, управляемые компьютером, изменяющие время резистивные силы. Нынешнее использование пневматической технологии в MR_CHIROD позволяет избежать необходимости в источниках высокого напряжения, необходимых для электрорелогических жидкостных систем, потенциале утечки гидравлической жидкости и сложных кабельных/связей, связывающих механизм интерфейса с внешними компонентами питания и управления.
MR_CHIROD было первым устройством, которое было продемонстрировано функционировать в сочетании с МРТ для отображения мозга у пациентов с инсультом1. Важно отметить, что MR_CHIROD v3 особенно полезен для обучения на дому или в офисе, поскольку система и ее программное обеспечение были разработаны для использования без экспертной клинической поддержки и с мотивационными элементами (“геймификация”). По сравнению с физиотерапевтом обучение в больнице, офисное или домашнее обучение является менее дорогостоящим и более удобным, что делает его легче для пациентов придерживаться ежедневной терапии. Устройство, и без того относительно недорогое по сравнению с некоторыми другими научно-исследовательскими устройствами, может быть переработано для улучшения соотношения затрат и выгод. Виртуальная реальность и геймификация обучения, оба из которых совместимы с MR_CHIROD v3, могут привлекать пациентов, увеличивать их внимание во время выполнения задачи, а также повышать мотивацию, тем самым повышая эффективность восстановления13.
Мы представляем МРТ двигательной задачи с использованием последней версии нового роботизированного устройства, MR_CHIROD1,2,8. MR_CHIROD была разработана для выполнения ручной сжатия задача, которая может быть выполнена хронических пациентов ?…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана грантом Национального института неврологических расстройств и инсульта (Грант No 1R01NS105875-01A1) Национальных институтов здравоохранения А. Арии Цике. Эта работа была выполнена в Центре биомедицинской визуализации Athinoula A. Martinos. Мы хотели бы поблагодарить директора д-ра Брюса Р. Розена, доктора медицинских наук, доктора философии и сотрудников Центра Мартинос за их поддержку. Мы также хотели бы поблагодарить г-на Кристиана Пусатере и г-на Майкла Армани за их помощь в проведении экспериментов. Наконец, мы благодарим д-ра Майкла А. Московица и д-ра Розена за их руководство в разработке MR_CHIROD серии устройств и связанных с ними исследований инсульта.
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 |