El Kavrama Açıklarından Kurtulan Bireylerin Rehabilitasyonunun Değerlendirilmesinde Yeni MRI Uyumlu El Kaynaklı Robotik Cihazla Birlikte Fonksiyonel MRG
Summary
Nörolojik açıklardan kurtulan bireylerde el motor fonksiyonunu izlemek için yardımcı lığını değerlendirmek için mri uyumlu yeni bir el yapımı robotik cihaz kullanarak fonksiyonel MRG uyguladık.
Abstract
Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), kan seviyesine bağlı değişiklikleri tespit etmek için endojen bir kontrast ajan olarak endojen deoksihemoglobin kullanarak, beyin aktivasyonunu in vivo olarak gösteren non-invaziv manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir. oksijenasyon (BOLD etkisi). FMRI’yi yeni bir robotik cihazla (MR uyumlu el yapımı robotik cihaz [MR_CHIROD]) birleştirdik, böylece tarayıcıdaki bir kişi kontrollü bir motor görevi yerine getirebilsin, el sıkma, ki bu nörolojik motor hastalıkta çalışmak için çok önemli bir el hareketidir. . Biz paralel görüntüleme (genelleştirilmiş otomatik kalibrasyon kısmen paralel satın almalar [GRAPPA]), daha yüksek mekansal çözünürlük kalın duyarlılık sonuçlanan izin istihdam. FMRI’nin elle indüklenen robotik cihazla birleşimi, bir katılımcı tarayıcıdayken yürütülen görevin hassas bir şekilde kontrol edilmesine ve izlenmesine olanak sağladı; nörolojik açıklardan (örn. inme) iyileşen hastalarda el motor fonksiyonunun rehabilitasyonunda yararlı olduğu kanıtlanabilir. Burada bir fMRI taraması sırasında MR_CHIROD mevcut prototip kullanmak için protokol anahat.
Introduction
Uygun görüntüleme ölçümleri, klinik değerlendirmelerden daha iyi bireylerde tedavi başarısı olasılığını izleyebilir ve tahmin edebilir ve tedavi planlamasını geliştirmek ve bireyselleştirmek için bilgi sağlayabilir. Biz kronik inme1,2,3,4,5,6,7,8kurtarma hastaları ile deneyim geliştirdik. Motor eğitiminin nöral aktivitenin ve/veya motor fonksiyonunun yeniden düzenlenmesinde artımlı gelişimi nasıl etkileyebileceğine odaklanan optimal bireyselleştirilmiş stratejiler geliştirmek hala zordur. Nörolojik hastalık sonrası beyinde fonksiyonel iyileşme için altta yatan yapısal remodeling ve yeniden organizasyon süreçleri içine Insights bize fonksiyonel nörogörüntüleme yöntemleri ve beyin haritalama yoluyla nöral aktivite ve fonksiyonel kurtarma dağıtılmış topografik desenler arasındaki ilişkiyi değerlendirmek için izin verebilir. Başarı manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ölçümleri 9 dayalı nörolojik koşullar ile geniş popülasyonkavrama gücü iyileştirmelerverim için optimize kişiselleştirilmiş tedavi stratejileri geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.
Burada, bir deneğin salınımlı bir görsel uyaranla senkronize olarak sapladığı ve serbest kaldığı kontrol edilebilir bir direnç kuvveti sağlayan yeni tasarlanmış robotik el cihazını kullanan bir protokol salıyoruz. v3 MR_CHIROD (MR uyumlu El Kaynaklı RObotic Device), her veri noktası için uygulanan kuvvet, kavrama deplasmanı ve zaman damgalarını ölçerken ve kaydederken, kavrama ve serbest bırakma hareketlerinin yapıldığı ayarlanabilir kuvvetlerin sunulması için kullanılan bir sistemdir(Şekil 1). Cihaz fMRI sırasında beyin aktivasyon görüntüleri güvenilir değerlendirmeler sağlamak için tasarlanmış (fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme), hangi nörolojik bozukluklar dan kurtarma hastaların beyin yanıtlarında kan oksijen düzeyine bağımlı (BOLD) değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir. MR-uyumluluk yapısı ve pnömatik aktüatör elemanları ve tarayıcının yatağına konumlandırılmış korumalı sensör / elektronik bileşenler için tamamen demir olmayan / manyetik olmayan bileşenlerin kullanımı ile elde edilir. Şekil 2, MR tarayıcı yatağına bağlı olan cihazı gösterir ve mıknatıstaki bir nesne ile MR_CHIROD v3’ün sapını kavrar (Şekil 3). Arayüz ve kontrol bileşenleri MR tarayıcı odasının dışına konumlandırılır (Şekil 4).
Cihaz, ilgili beyin aktivasyonlarını değerlendirmek için beyin görüntüleme yöntemleri ile eş zamanlı olarak kullanılır. Sistemin birincil kullanımı fMRI kullanılarak tespit edilen beynin motor bölgelerinin aktivasyonları üreten bir motor görev sağlamaktır. Görüntüleme sırasında MR_CHIROD kullanırken beyin aktivasyonu nörolojik hastalıklarda nöroplastisiteyi değerlendirebilir. MR_CHIROD kullanarak motor eğitimi sırasında ve sonrasında aktivasyonlarda yapılan değişiklikleri izleyerek, motor açıklarına (örn. inme) yol açan herhangi bir nörolojik hastalığı takiben motor rehabilitasyonunun ilerlemesi gözlemlenebilir.
v3 MR_CHIROD de masaya monte edilebilir, intra-scan eğitim egzersizleri kullanmak için, hangi konu kavramaları ve çalışma sırasında haftada üç kez, 45 dakika dönemleri için uygun görsel uyaranlara yanıt olarak bültenleri. Görüntüleme ile izlenen robotik olarak verilen eğitim deneyimimiz, örneğin inme hastaları için iyileşme penceresininasla kapanamayacağınıgöstermektedir 1.
MR uyumlu bir el kavrama robotu oluşturma ve kullanma gerekçemiz, robotik geri kazanımın kolay dağıtım, çeşitli motor bozuklukları arasında uygulanabilirliği, yüksek ölçüm güvenilirliği ve yüksek yoğunluklu eğitim protokolleri10sunma kapasitesi nedeniyle bozulma üzerinde büyük bir etki yaratma potansiyeline sahip olmasıdır. MR uyumlu robotumuz şunları yapabilir: (a) konuya özel hareket aralıkları için ayarlanabilir ve konuya özel kuvvet düzeylerini uygulayacak şekilde programlanabilir; (b) ana bilgisayar aracılığıyla kuvvet ve yer değiştirme parametrelerini kontrol etmek, ölçmek ve kaydetmek; (c) MR tarayıcı odasına erişim veya konunun yeniden konumlandırılması için tarama nın kesintiye uğramasına gerek kalmadan kontrol parametrelerini uzaktan ayarlayın; ve (d) uzun süre ler boyunca tam ve tutarlı bir şekilde eğitim egzersizleri ile terapi sağlar.
Bilgisayar kontrollü zaman değiştirme kuvveti uygularken deneğin el kavrama kuvvetini ve yer değiştirmesini ölçmek için MR tarayıcısı ile kullanılabilecek ticari olarak mevcut kurtarma robotik cihazının farkındayız. Tsekos ve ark.11, MR_CHIROD dizi cihazın önceki yinelemeleri de dahil olmak üzere, öncelikle araştırma tabanlı, MR uyumlu robotik ve rehabilitasyon cihazlarını gözden geçirmektedir. Diğer cihazlar bilek hareketi, parmak hareketi, İzometrik kavrama gücü ve çok eklemli hareketleri incelemek için tasarlanmıştır. Aktif olarak dirençli veya diğer kuvvetler sağlayan cihazlar için hidrolik, pnömatik, mekanik bağlantılar ve elektrotermitif sıvı amortisörleri de dahil olmak üzere mr uyumlu çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Bazı cihazlar özgürlük birden fazla derece içerir, önceki MR_CHIROD sürümleri başka bir uzantısı da dahil olmak üzere özgürlük ve hidrolik kuvvet uygulaması bir rotasyonel derecesi eklendi, ancak MR-uyumluluk için adapte değildi12.
El kavramaya özel cihazımız taşınabilirlik avantajlarına sahiptir (MR tesisi ile ofis tabanlı eğitim sahaları arasında düzenli olarak taşınır) ve büyük, bilgisayar kontrollü, zaman ayarı yapan dirençli güçler üretme yeteneğine sahiptir. MR_CHIROD pnömatik teknolojinin mevcut kullanımı elektro-romatizmal sıvı tabanlı sistemler için gerekli yüksek gerilim kaynaklarına, hidrolik sıvı sızıntısı potansiyeline ve arayüz mekanizmasını dış güç ve kontrol bileşenlerine bağlayan karmaşık kablo/bağlantıihtiyacını önler.
MR_CHIROD inme hastalarında beyin haritalama için fMRI ile birlikte çalışması gösterilmiştir ilk cihaz oldu1. Daha da önemlisi, v3 MR_CHIROD özellikle ev veya ofis tabanlı eğitim için yararlıdır, çünkü sistem ve yazılımı uzman klinik destek olmadan ve motivasyon elleriyle kullanılmak üzere tasarlanmıştır (“gamification”). Bir hastanede, ofis veya ev tabanlı eğitim de fizyoterapist tarafından kolaylaştırılan eğitim göre daha az pahalı ve daha rahat, daha kolay hastaların günlük tedaviye uymak için yapım. Cihaz, zaten nispeten diğer araştırma tabanlı cihazların bazılarına göre ucuz, maliyet-fayda oranını artırmak için yeniden yapılandırılabilir. Sanal gerçeklik ve eğitim gamification, her ikisi de MR_CHIROD v3 ile uyumludur, hastalar meşgul olabilir, görev sırasında dikkatlerini artırmak, ve motivasyonu artırmak, böylece kurtarma etkinliğini artırarak13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz yeni bir robot cihaz, MR_CHIROD1,2,8en son sürümünü kullanarak bir motor görev fMRI saiyoruz. MR_CHIROD kronik inme hastaları tarafından yapılabilir ve daha önce1,2,3,4,5,6,8çalışıl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden A. Aria Tzika’ya Ulusal Nörolojik Bozukluklar ve İnme Enstitüsü’nün (Grant numarası 1R01NS105875-01A1) verdiği hibe ile desteklenmiştir. Bu çalışma Athinoula A. Martinos Biyomedikal Görüntüleme Merkezi’nde gerçekleştirilmiştir. Biz Müdür Dr Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. ve Martinos Merkezi personeli destek için üyelerine teşekkür etmek istiyoruz. Ayrıca Bay Christian Pusatere ve Bay Michael Armanini’ye deneylerin yürütülmesindeki yardımları için teşekkür etmek istiyoruz. Son olarak, Dr Michael A. Moskowitz ve Dr Rosen cihazların MR_CHIROD serisi ve ilgili inme çalışmaları nın döllenme ve geliştirme onların rehberlik için teşekkür ederiz.
Materials
| 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. , (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. , (2010).
