Summary
Vi utförde funktionell MRI med en roman MRI-kompatibel hand-inducerad Robotic enhet för att utvärdera dess verktyg för övervakning hand motorisk funktion hos individer återhämta sig från neurologiska underskott.
Abstract
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är en icke-invasiv magnetisk resonanstomografi teknik som avbildar hjärnaktivering in vivo, med endogent deoxyhemoglobin som ett endogent kontrastmedel för att upptäcka förändringar i blod-nivå-beroende syresättning (fet effekt). Vi kombinerade fMRI med en roman Robotic Device (MR-kompatibel hand-inducerad Robotic Device [MR_CHIROD]) så att en person i skannern kan utföra en kontrollerad motor uppgift, hand-klämma, vilket är en mycket viktig handrörelse för att studera i neurologisk motorisk sjukdom . Vi använde parallell avbildning (generaliserad autokalibrerande delvis parallella förvärv [GRAPPA]), vilket tillät högre rumslig upplösning vilket resulterade i ökad känslighet för fet. Kombinationen av fMRI med den handinducerade robot enheten tillät exakt kontroll och övervakning av den uppgift som utfördes medan en deltagare befann sig i skannern. Detta kan visa sig vara av nytta i rehabilitering av hand motorisk funktion hos patienter som återhämtar sig från neurologiska underskott (t. ex. stroke). Här beskriver vi protokollet för att använda den aktuella prototypen av MR_CHIROD under en fMRI-skanning.
Introduction
Lämpliga Imaging mätvärden kan övervaka och förutsäga sannolikheten för behandling framgång hos individer bättre än kliniska bedömningar och ge information för att förbättra och individualisera terapi planering. Vi har utvecklat erfarenhet av patienter som återhämtar sig från kronisk stroke1,2,3,4,5,6,7,8. Utveckla optimala individualiserade strategier som fokuserar på hur motorisk träning kan påverka inkrementell förbättring antingen i omorganisation av neurala aktivitet och/eller motorisk funktion är fortfarande utmanande. Insikter i den underliggande strukturella remodeling och omorganisering processer för funktionell återhämtning i hjärnan efter neurologisk sjukdom kan tillåta oss att utvärdera sambandet mellan distribuerade topografiska mönster av neurala aktivitet och funktionell återhämtning via funktionella neuroimaging metoder och hjärnavbildning. Framgång kommer att underlätta utveckling av individanpassade behandlingsstrategier optimerade för att ge bättre greppstyrka i bred population med neurologiska tillstånd baserade på magnetisk resonanstomografi (MRI) Metrics9.
Här presenterar vi ett protokoll som sysselsätter en nyligen re-designade Robotic hand enhet som ger en kontrollerbar motståndskraft mot vilken ett ämne grepp och frigör ett handtag i Synchrony med en oscillerande visuell stimulans. Den MR_CHIROD v3 (MR-kompatibel hand-inducerad RObotic Device) är ett system för presentation av justerbara krafter mot vilka gripande och släppa rörelser utförs, medan mätning och inspelning tillämpad kraft, grepp förskjutning och tidsstämplar för varje datapunkt (figur 1). Enheten var konstruerad för att ge tillförlitliga bedömningar av hjärnan aktiverings bilder under fMRI (funktionell magnetisk resonanstomografi), som kan användas för att utvärdera blod-syre-nivå beroende (fet) förändringar i hjärnan svar av patienter som återhämtar sig från neurologiska sjukdomar. MR-kompatibilitet uppnås genom användning av helt icke-järnhaltiga/icke-magnetiska komponenter för struktur och pneumatiska ställdon element och skärmad sensor/elektroniska komponenter som är placerade på skannerns säng. Figur 2 visar den enhet som är ansluten till en Mr-skanner och med ett motiv i magnet hålet som griper tag i handtaget på MR_CHIROD v3 (figur 3). Gränssnitts-och kontroll komponenterna är placerade utanför MR-skannerns rum (figur 4).
Enheten används samtidigt med hjärnavbildningsmetoder för att bedöma relevanta hjärn aktiveringar. Den primära användningen av systemet är att ge en motorisk uppgift som genererar aktiveringar av hjärnans motoriska områden, som upptäcks med hjälp av fMRI. Hjärnaktivering när du använder MR_CHIROD under Imaging kan bedöma neuroplasticitet i neurologisk sjukdom. Genom att spåra förändringar i aktiveringar under loppet av och efter motorisk träning med hjälp av MR_CHIROD, kan utvecklingen av motorisk rehabilitering efter någon neurologisk sjukdom som leder till motoriska underskott (t. ex. stroke) observeras.
Den MR_CHIROD v3 kan också vara bordmonterad, för användning i intra-Scan övningar, där motivet grepp och utsläpp som svar på lämpliga visuella stimuli för perioder av 45 min, tre gånger per vecka under studien. Vår erfarenhet med robotically levererade utbildning, övervakas med Imaging, tyder på att återhämtnings fönstret för strokepatienter till exempel kan aldrig stänga1.
Vår motivering för att bygga och använda en MR-kompatibel hand-Grip robot är att Robotic återhämtning har potential att producera en stor inverkan på försämring på grund av dess enkla driftsättning, tillämplighet över olika motoriska funktionsnedsättningar, hög mätning tillförlitlighet, och kapacitet att leverera hög intensitet utbildning protokoll10. Vår MR-kompatibla robot kan: (a) ställas in för ämnesspecifika rörelseomfång och programmässigt anpassas för att tillämpa ämnesspecifika kraftnivåer; b) kontrollera, mäta och registrera kraft-och förskjutnings parametrar via en värddator. (c) fjärrjustera styrparametrar utan att kräva avbrott i skanning för åtkomst till MR-skannerns rum eller ompositionering av motivet; och (d) ge behandling via träningsövningar exakt och konsekvent under längre perioder.
Vi är medvetna om ingen kommersiellt tillgänglig återvinning Robotic enhet som kan användas med en MR scanner för att mäta motivet hand greppkraft och förskjutning samtidigt som datorstyrda tidsvarierande kraft. Tsekos et al.11 har granskat en rad främst FORSKNINGSBASERADE, Mr-kompatibla robot-och rehabiliterings enheter, inklusive tidigare iterationer av MR_CHIROD serien av enheter. Andra enheter har utformats för att studera handled rörelse, fingerrörelse, isometrisk greppstyrka, och flera gemensamma rörelser. För enheter som aktivt tillhandahåller resistiva eller andra krafter har en mängd MR-kompatibla teknologier använts, inklusive hydraulik, pneumatik, mekaniska länkage och elektromagnetiska vätske dämpare. Vissa enheter har flera frihetsgrader, inklusive en annan förlängning av tidigare MR_CHIROD versioner lagt till en rotations grad av frihet och hydraulisk kraft ansökan, men det var inte anpassad för MR-kompatibilitet12.
Vår hand-Grip-specifik enhet har fördelarna med portabilitet (det är regelbundet transporteras mellan MR anläggning och kontor-baserade utbildningsplatser), och förmåga att producera stora, datorstyrda, tidsvarierande resistiva styrkor. Nuvarande användning av pneumatisk teknik i MR_CHIROD undviker behovet av högspännings källor som behövs för Elektro-reologiska vätskebaserade system, potentialen för läckage av hydraulvätska, och komplexa kabel/kopplingar som förbinder gränssnittsmekanismen med externa kraft-och kontrollkomponenter.
MR_CHIROD var den första enheten som demonstrerades för att fungera tillsammans med fMRI för hjärnavbildning hos strokepatienter1. Viktigt är att MR_CHIROD v3 är särskilt användbart för hem-eller Office-baserad utbildning, eftersom systemet och dess programvara har utformats för användning utan expert kliniskt stöd och med motiverande element ("gamification"). I förhållande till sjukgymnast-underlättade utbildning i ett sjukhus, Office-eller hembaserad utbildning är billigare och bekvämare, vilket gör det lättare för patienter att följa daglig behandling. Enheten, redan relativt billigt i förhållande till några av de andra forskningsbaserade enheter, kan omarbetas för att förbättra förhållandet mellan kostnad och nytta. Virtuell verklighet och gamification av utbildning, som båda är förenliga med MR_CHIROD v3, kan engagera patienter, öka deras uppmärksamhet under uppgiften, och förbättra motivationen, vilket ökar effektiviteten av återhämtning13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla experiment godkändes av den institutionella Granskningsnämnden vid Massachusetts General Hospital och utfördes som godkänd vid Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.
1. förberedelse av ämne
Anmärkning: Inklusionskriterier är: (i) högerdominans, (II) förmåga att ge skriftligt informerat samtycke. Uteslutningen genomfördes på grundval av screening för kontraindikationer i magnetresonans miljön, såsom följande: a) rutin kriterier för MRT av MRI, såsom förekomst av pacemaker eller cerebralt aneurysm och metallimplantat eller metallinnehåll i kroppen. b) anamnes på krampanfall (c) klaustrofobi. d) graviditet.
- För att få informerat samtycke, Läs samtyckesblanketten till volontären. Både volontär och utredare underteckna på lämpliga platser på samtycke form i två exemplar. Lämna en undertecknad kopia av samtyckesblanketten på lämplig plats för prövarens register. Behåll den andra kopian av samtyckesformuläret för deltagarens poster.
- Screen volontären för MRT (magnetisk resonanstomografi) kontraindikationer. Fyll i MRI-kontraindikationer-listan och fråga om varje objekt i listan, kontrollera av rutorna efter behov.
- Fortsätt inte med skanningen om deltagarna har (eller potentiellt har) några kontraindikationer, inklusive kirurgiska aneurysm klipp, Hjärt pacemaker, protes hjärtklaff, neurostimulator, implanterade pumpar, cochleaimplantat, metallstavar, tallrikar, skruvar, hörapparat eller depotplåster.
2. inställning
- Utför den första installationen i skanner rummet.
Anmärkning: all nödvändig utbildning måste erhållas av prövaren innan förfarandet. Försiktighetsåtgärder som är relevanta för MR-anläggningen måste tas hela tiden.- Ta med MR_CHIROD (magnetisk resonans-kompatibel hand inducerad Robotic Device) i MRI skanner rummet och placera den nära penetrationspanelen. Sätt i 3/8-tums pneumatiska röret i pass-through röret i panelen i angränsande MRI stöd rummet.
- Anslut MRI-skannerns rum Force Sensing-och Encoder-kablar till den 9-stifts D-formade (DSUB) kontakten på skanner rumssidan av panelen.
- Ställ in MRI-stödrummet.
- Anslut luftkompressorn till ett 110 VAC-vägguttag. Med kompressorns interna regulator vände sig till off/minimum tryckposition och kulventilen i off-läge, slå på kompressorn och låt den komma till fullt inre tryck (~ 4 min).
- Anslut stöd rums kraftens Avkännings-och kodarkablar till DSUB-kontakten på den externa sidan av penetrationspanelen.
- Anslut 3/8-tums pneumatisk rörmontering, framväxande från penetrationspanelen pass-through till utloppet av gränssnittet/Power Unit tryckregulator utlopp. Anslut 4 mm pneumatiskt rör till utloppet av kompressorn och inloppet av luftfiltret på gränssnittet/Power/regulator enhet.
- Anslut Interface/Power/regulator enheten till mikro-USB-kontakten på USB-kabel/repeater montering och lägga repeater kabeln ut till värddatorn PC/laptop i MRI kontrollrummet. Anslut Interface/Power/regulator enheten till ett 110VAC-vägguttag i support rummet och slå sedan på strömbrytaren.
- Position MR_CHIROD v3 med patienten.
- Dra ut och sänk MR-skannerns säng helt. Fäst den nedre halvan av huvudet spolen och vägleda volontären att fastställa, att se till att volontären vilar bekvämt och har utökat sina armar bekvämt.
- Ge öronproppar till volontären för akustisk brusreducering.
- Fäst huvudet spole och små skum kuddar att immobilisera huvudet.
- Bifoga kuddar runt volontären griparm på nivån för armen och armbåge, för att minimera vibrations koppling till Volontärs egen kropp och till väggarna i MR scanner.
- Bifoga kommunikation bollen på volontären bröst, instruera dem om hur man använder det och bekräfta att kommunikationen bollen fungerar bra innan skanningar.
- Installera löst MR_CHIROD på sidan av patienten motsatsen till att deras hjärna lesion med hjälp av motsvarande säng-slot. Med volontärens armbåge vilande på bordet för att stödja vikten av sin arm, flytta MR_CHIROD handtaget till vävband mellan tummen och pekfingret och vägleda volontären att greppa handtagen på MR_CHIROD.
- Om MR_CHIROD är på motsatt sida av bordet från penetrationspanelen, placera kablarna och det pneumatiska röret så att de passerar under bordet snarare än över patienten.
- Se till att grepp positionen är korrekt för att klämma. Instruera volontären att pressa och tryck eller dra MR_CHIROD tills de har den mest bekväma positionen för att klämma.
- Säkra MR_CHIROD ordentligt på plats genom att dra åt plastmuttrarna med en MR-kompatibel nyckel.
Anmärkning: Ingen genomsökning utförs vid den tidpunkten. När du placerar MR_CHIROD, är volontären vilar bekvämt på MR Scanner sängen utanför magneten. Dörren till magnet rummet kan vara öppen.
- Ställ in styr datorn i MR Control-rummet (intill skanner-och stödrum), bekräfta anslutningen och Ställ in den för patient styrkenivå.
- Slå på den bärbara datorn och starta datainsamling/analysprogramvara. Anslut USB-kabeln/repeater montering till laptop. Slå på MR-skannerns rums projektor. Anslut den bärbara videoutgången till projektor kontakten och Ställ in monitorn så att skärmen utökas till projektorn. Anslut skanner USB HID trigger kabel till den bärbara datorn för att ta emot trigger signaler från skannern.
- Kör det anpassade användargränssnittet (UI)/kontroll/stimulansprogram för MR_CHIROD. Ställ automatiskt in MR_CHIROD trycket på den (minimala) Setup-nivån för att driva handtaget till stoppet, kontrollera visningen av rörelse och tvinga vågformer.
- Instruera volontären att de närmaste kramar kommer att vara att kalibrera för maximal styrka att klämma och därmed kommer att bli svårt.
- Ställ in kraft nivå, till exempel, till 30 N och instruera volontären att helt klämma 2-3 gånger med en period av cirka 2 s. Observera om volontären kan slutföra en klämma på den kraft nivån.
- Gradvis öka kraft nivån och upprepa pressa försök tills volontären inte kan slutföra en klämma. Denna mätning fungerar som ett maximum av volontärens greppstyrka. ANVÄNDARGRÄNSSNITTET beräknar automatiskt 60%, 40% och 20% av högsta kraftnivåer för användning under testning.
3. Ange frivilliga data och kalibrera MR-skannern
- Ange volontärens avidentifierade data enligt sjukhusets policy i enlighet med HIPAA (Förenta staternas sjukförsäkrings-och ansvarsskyldighet Act of 1996) förordningar på skanner konsolen.
- Flytta bordet och deltagaren till skannern och positionen på isocenter.
4. kör fMRI-sessionen
- Observera volontären genom fönstret mellan kontroll-och skanner rummen och kommunicera med volontären för att få deltagarens tillåtelse att starta fMRI-protokollet. Instruera dem att inte hålla MR_CHIROD handtaget så att det kan vila i fullt öppet läge.
- Shimsa magneten och kör en Localizer Scan. Öppna fMRI-protokollet och Ställ in skivor för att täcka volontärens hjärna.
- Instruera volontären att fMRI-sessionen är på väg att börja.
- Använd ANVÄNDARGRÄNSSNITTET för att ställa in MR_CHIROD att tillämpa den första kraft nivån (20% av maximum). UI-programmet kommer att visa en uppsättning instruktioner på videoprojektor för volontär att påminna dem om hur man ska reagera på visuell stimulans. ANVÄNDARGRÄNSSNITTET väntar på att skannern ska tillhandahålla en utlösarsignal för att fortsätta.
- Starta ett ECHO-planar-Imaging-protokoll för fMRI. Använd Imaging program MR_CHIROD från mappanvändare. Parametrarna för anskaffning och rekonstruktion har redan angetts i avbildningsprogrammet och bör inte ändras. Följande parametrar används: in-plane 192 x 192 eller 256 x 256 förvärvs matriserna; TR (repetitionstid) i intervallet 2-3 s; en 30 MS TE (ECHO-tid). tjocklek på 5 mm och en rumslig upplösning på ~ 1 mm x 1 mm.
Anmärkning: UI/datainsamling/stimulansprogram kommer att vänta på att få en trigger puls från skannern som motsvarar initiering av pre-fMRI-skanningar i skannerprogrammet. Den visuella stimulansen kommer att ta bort instruktionerna och visa en "fixering Cross" som volontären kommer att fokusera på. När fMRI Scan TRs börja, en visuell metronomen display, i form av en växande och krympande cirkel kommer att visas. Volontären kommer att helt pressa och släppa handtaget synkront med stimulans. Viloperioderna kommer att separera stimulans perioder, under vilken tid fixering korset kommer att redisplayed. - Under körning av en uppgift, övervaka kraftproduktion och om deltagaren utför uppgiften korrekt (dvs helt slutföra grepp och utsläpp och bibehålla synkronisering med Visual Metronome) genom att observera levande tomter av kraft och förskjutning på UI .
- När den första körningen är över, bekräfta fortsättning av experimentet på ANVÄNDARGRÄNSSNITTET, vilket kommer att ändra kraft nivån till den andra av tre nivåer. Upprepa från steg 4,5. På samma sätt, när den andra körningen är över, bekräfta fortsättning att köra den sista körningen på den tredje kraft nivån.
- Efter den tredje körningen kommer ANVÄNDARGRÄNSSNITTET automatiskt att ställa MR_CHIROD trycket till den låga "Setup"-nivån.
5. Slutför MRI-sessionen
- Instruera deltagaren att slappna av och att släppa handtaget. Samla en serie av anatomiska skanningar.
6. ta ned
- Ta bort deltagaren från MR-skannerns rum, följ installationsstegen i omvänd ordning och fortsätt att stänga av och koppla från de delar av MR_CHIROD. Överför MR-data till databasen och till disk och Stäng sessionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den metod som beskrivs i protokollet tillåter insamling av fMRI-bilder medan volontären utför uppgiften i realtid i magneten. Experiment utfördes i Bay 1 anläggning av Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center för biomedicinsk avbildning, med hjälp av en 3T full body magnetisk resonans scanner. Figur 2 och figur 3 visar placeringen av MR_CHIROD på bordet och patienten på plats som opererar den. I figur 3, är en volontär i skannern Bore med hans/hennes huvud placeras på isocenter av magneten, som är den korrekta positionen för hjärnavbildning. Figur 4 visar en schematisk del av de system komponenter och anslutningar som ställs in under processens inledande faser. Under en fMRI-session, inte bara är de bilder som samlats in, men också en realtid spår av de faktiska slag av enheten som den person i magnet Bore är i drift det erhålls. Typiska resultat visas i figur 5. Användningen av kontrollerat pneumatiskt tryck möjliggör exakt kontroll av den konstanta reaktionskraft som MR_CHIROD v3.
Figur 5A – C visar typiska aktiverings områden under gripande/frisättande av anordningen, med hjälp av resultaten från fet teknik under fMRI-skanning. Röda pilar visar aktivering i M1-regionen (primär motorisk cortex) och grönområden visar SMA (kompletterande motoriska cortex). Figur 5D visar den uppmätta förskjutningen under gripande/frisättande, som utfördes mot MR_CHIROD motståndskraft. Figur 5E visar aktivering över tid vid en enda Voxel, vald inifrån det somato-sensoriska området. Responsen motsvarar motivet aktivitet, förhöjd aktivering inträffar under gripande/frigöra, och minskad aktivering när motivet vilar.
Bild 1: de delar av MR_CHIROD v3-enheten. (1) fast handtag; (2) Skjuthandtag; (3) kraftsensor; (4) Positionsgivare; (5) cylinder-kolvenhet med glas grafit. (6) skärmad Last cells förstärkare; (7) bord monteringsplats (mockup). (8) kullager med acetyl-lopp och glas bollar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 2: vy över MR_CHIROD v3 säkert fastsatt vid skanner bädden. Denna konfiguration gör det möjligt för personen att driva MR_CHIROD utan att stödja någon av dess vikt. Enheten kan vara placerad för vänster eller höger hand. Skärmade kablar är jordade på penetrationspanelen, pneumatiskt rör utgångar via ett pass genom röret i penetrationspanelen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 3: vy över MR_CHIROD v3 i förhållande till en patient. En volontär vilar med handen i läge nära handtagen på enheten. Volontären placeras i rätt position vid magnet isocenter för hjärnavbildning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Schematiskt diagram över MR_CHIROD som ställts in för drift i ett Mr-skannerrum. De avskärmade kablarna som bär signalerna för positions-och hastighetsdata samt för kraft sensorn, samt de pneumatiska slangarna passerar genom penetrationspanelen som fungerar som grundreferens nivå. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: typiska resultat från att utföra en motor uppgift (klämma handtagen på en MR_CHIROD). Visas är (a) fMRI hjärnan aktiveringar, överlagras som blobbar på en kontur av hjärnan, (B) som pseudo-färg på en tredimensionell tvärsnitts bild av volontärens anatomiska hjärnskanning, och (C) som pseudo-färg återges på en hjärna mall. M1 = primär motorisk cortex. SMA = tilläggs motor område. D) faktisk kraftproduktion, mätt i kraftenheter (Newton, N) som en funktion av tiden. Kraftproduktionen är det faktiska rekordet av volontärens klämma och registreras i realtid av MR_CHIROD. E) den enda Voxel-tidskursen för aktivering visas, utvald från en Voxel vid det somatosensoriska området på platsen för hårkorset i (B). Svarta streck i (D) och (E) motsvarar en 60 s stimulus/viloperiod. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi presenterar fMRI av en motor uppgift med den senaste versionen av en roman Robotic Device, MR_CHIROD1,2,8. MR_CHIROD har utformats för att utföra en hand-klämma grepp uppgift som kan utföras av kroniska stroke patienter och har studerats tidigare1,2,3,4,5,6,8. Enheten används vidare som en dynamometer, som mäter patientens maximala greppkraft, mot vilken experimentella kraftnivåer är normaliserade. Aktivering av motoriska cortex eliciteras i förhållande till den kraft nivå som i experiment. Vidare, maximal kraft spåras under loppet av studien för att Visa förbättrad greppstyrka. Våra tidigare iterationer av MR_CHIROD har redan visat sig vara användbara i studier som visar bevis för neuroplasticitet och rehabilitering av kroniska stroke patienter1,6. Vi kombinerar för närvarande användningen av MR_CHIROD med en avbildning protokoll som möjliggör hög känslighet för fMRI av motoriska uppgifter7. Vår metod kombinerar funktionell MRI med en roman MRI-kompatibel hand-inducerad Robotic enhet för hand motorisk funktion rehabilitering.
Enheten kan enkelt användas eller anpassas för användning i andra MR-anläggningar. Fysiskt, makt/gränssnitt/reglering enhet och luftkompressor måste placeras i ett stöd/mekaniskt rum med penetration panel tillgång till MR Scanner rummet, med en lämplig data passera och en fysisk passera för tryckluftsslangen. Anslutning mellan enheten och värddatorn görs för närvarande med hjälp av en USB-kabel med en driven repeater för att rymma en cirka 10 m separation mellan de två elementen. Slutligen måste skannern ha en tillhörande projektor eller liknande visualiseringssystem för att presentera instruktionerna, fixering Cross och Visual metronomen till ämnet, samt ett sätt att ge TR trigger information till ANVÄNDARGRÄNSSNITTET.
Denna version av MR_-CHIROD utvecklades speciellt för att stödja vårt experimentella protokoll i MR scanner och bekvämlighet för användning av forskare och ämnen i en icke-MR Suite miljö. I båda platserna, ämnet grepp och frigör handtaget på enheten mot en konstant återställa kraft, som kan ändras mellan experimentella körningar. Som sådan, det pneumatiska systemet antogs, vilket möjliggör presentation av kontinuerlig resistiv kraft till ämnet (jämfört med tidigare och alternativa trögflytande bromsar system med Elektro-reologiska vätskor som utgör noll kraft när motivet inte aktivt gripande eller släppa och inte ger en återställande kraft). De tidigare MR_CHIROD iterationer och andra system är särskilt utformade för att möjliggöra snabba kraft förändringar som svar på användarnas interaktion och förlita sig på er vätskor för att möjliggöra snabb respons2,14, men kostnaden och komplexiteten i sådana system bestämdes vara oönskade för denna ansökan.
Det protokoll som presenteras representerar den nu stabila versionen i vår forskning. Resultat som samlats in hittills har inte visat några oväntade resultat som kommer att kräva ändring av protokollet. Framtida förbättringar kan krävas vid behov och kan innefatta snabbare avbildning och anpassning av vår motor paradigm. Dessutom har den maskinvara som valts stöder inte bara justera kontrollparametrar via seriell USB-anslutning utan att kräva avbrott av MR scanning, men också göra det för fjärruppdateringar av hem-baserade utbildning inställningar med hjälp av mikroprocessorn WiFi Modul.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen av författarna har en konflikt att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av ett bidrag från det nationella institutet för neurologiska sjukdomar och stroke (Grant Number 1R01NS105875-01A1) av National Institutes of Health till A. aria Tzika. Detta arbete utfördes på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Vi vill tacka regissören Dr Bruce R. Rosen, MD, Ph.D. och medlemmar av Martinos Center personal för deras stöd. Vi vill också tacka Christian Pusatere och Michael Armanini för deras hjälp med att driva experiment. Slutligen tackar vi Dr Michael A. Moskowitz och Dr. Rosen för deras vägledning i utformningen och utvecklingen av MR_CHIROD serie av enheter och tillhörande stroke 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).
