التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي بالتزامن مع الجهاز الروبوتي الجديد المتوافق بالرنين المغناطيسي لتقييم أعاده تاهيل الافراد المتعافيين من العجز في قبضه اليد
Summary
قمنا بأداء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام جهاز روبوتي مبتكر بالرنين المغناطيسي لتقييم فائدته لمراقبه وظيفة المحرك اليدوي في الافراد الذين يتعافيون من العجز العصبي.
Abstract
التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هو تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي غير الغازية التي صور تنشيط الدماغ في الجسم الخارجي ، وذلك باستخدام الهيموغلوبين الذاتية كعامل تباين الذاتية للكشف عن التغيرات في الدم المعتمدة علي مستوي الأوكسجين (تاثير جريئه). جمعنا التصوير بالرنين المغناطيسي مع جهاز الروبوتية رواية (السيد المتوافقة التي يسببها الجهاز الروبوتية [MR_CHIROD]) بحيث يمكن للشخص في الماسح الضوئي تنفيذ مهمة السيارات التي تسيطر عليها ، واليد الضغط ، وهو حركه يد مهمة جدا للدراسة في امراض المحركات العصبية . استخدمنا التصوير المتوازي (العامة معايره السيارات الموازية جزئيا الاستحواذات [غرابا]) ، والتي سمحت القرار المكاني اعلي مما ادي إلى زيادة الحساسية إلى جريئه. الجمع بين التصوير بالرنين المغناطيسي مع الجهاز الروبوتية المستحثة باليد يسمح التحكم الدقيق ورصد المهمة التي تم تنفيذها اثناء وجود مشارك في الماسح الضوئي; هذا قد يثبت ان تكون من فائده في أعاده تاهيل وظيفة المحرك اليدوي في المرضي الذين يتعافى من العجز العصبي (علي سبيل المثال ، السكتة الدماغية). هنا نحن الخطوط العريضة للبروتوكول لاستخدام النموذج الحالي من MR_CHIROD خلال مسح التصوير بالرنين المغناطيسي.
Introduction
قد تقوم مقاييس التصوير المناسبة برصد وتوقع احتمال نجاح العلاج في الافراد بشكل أفضل من التقييمات السريرية وتوفير المعلومات لتحسين تخطيط العلاج وإضفاء الطابع الفردي عليه. لقد طورنا الخبرة مع المرضي الذين يتعافيون من السكتة الدماغية المزمنة1،2،3،4،5،6،7،8. تطوير استراتيجيات فرديه الأمثل التي تركز علي كيفيه التدريب الحركي يمكن ان تؤثر علي التحسين التدريجي اما في أعاده تنظيم النشاط العصبي و/أو وظيفة المحرك لا تزال صعبه. يمكن لرؤى حول عمليات أعاده الهيكلة الهيكلية الاساسيه والعمليات الجديدة للتعافي الوظيفي في الدماغ بعد المرض العصبي ان تسمح لنا بتقييم العلاقة بين الأنماط الطبوغرافية الموزعة للنشاط العصبي والانتعاش الوظيفي عبر أساليب التصوير العصبي الوظيفية وتخطيط الدماغ. النجاح سيسهل تطوير استراتيجيات العلاج الشخصي الأمثل لتحقيق تحسينات في قوه القبضة في السكان واسعه مع الظروف العصبية علي أساس التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المقاييس9.
هنا نقدم البروتوكول الذي يستخدم جديده أعاده تصميم جهاز اليد الروبوتية التي توفر قوه المقاومة التي يمكن السيطرة عليها السيطرة علي الموضوع والنشرات مقبض في التزامن مع التحفيز البصري تتارجح. و MR_CHIROD v3 (السيد المتوافقة مع اليد الروبوتية الجهاز) هو نظام لتقديم القوات القابلة للتعديل ضد التي تجتاح والإفراج عن الحركات التي يتم تنفيذها ، في حين قياس وتسجيل القوه المطبقة ، قبضه النزوح والطوابع الزمنيه لكل نقطه البيانات (الشكل 1). تم تصميم الجهاز لتوفير تقييمات موثوق بها من صور تنشيط الدماغ اثناء التصوير بالرنين المغناطيسي (التصويرية الرنين المغنطيسي الوظيفي) ، والتي يمكن استخدامها لتقييم الدم–مستوي الأكسجين المعتمدة (جريئه) التغيرات في استجابات الدماغ للمرضي الذين يتعافى من الاضطرابات العصبية. ويتحقق التوافق السيد من خلال استخدام المكونات غير الحديدية/غير المغناطيسية تماما للهيكل وعناصر المحرك الهوائية ومحمية الاستشعار/المكونات الكترونيه التي يتم وضعها علي سرير الماسح الضوئي. الشكل 2 يظهر الجهاز المرفقة إلى الماسح الضوئي MR السرير ، ومع موضوع في المغناطيس تتحمل استيعاب مقبض من MR_CHIROD v3 (الشكل 3). يتم وضع مكونات الواجهة والتحكم خارج غرفه الماسح الضوئي MR (الشكل 4).
يتم استخدام الجهاز في وقت واحد مع أساليب تصوير الدماغ لتقييم التنشيط الدماغ ذات الصلة. الاستخدام الرئيسي للنظام هو توفير مهمة الحركية التي تولد التنشيط من المناطق الحركية في الدماغ ، والتي يتم الكشف عنها باستخدام fMRI. تنشيط الدماغ اثناء استخدام MR_CHIROD اثناء التصوير يمكن تقييم اللدونة العصبية في الامراض العصبية. من خلال تتبع التغييرات في التنشيط في سياق وبعد التدريب الحركي باستخدام MR_CHIROD ، يمكن ملاحظه تقدم أعاده التاهيل الحركي بعد اي مرض عصبي يؤدي إلى العجز الحركي (علي سبيل المثال ، السكتة الدماغية).
ويمكن أيضا ان تكون الMR_CHIROD v3 محموله علي الطاولة ، لاستخدامها في تمارين التدريب داخل المسح الضوئي ، حيث السيطرة علي الموضوع والنشرات استجابه لمحفزات بصريه مناسبه لفترات 45 دقيقه ، ثلاث مرات في الأسبوع اثناء الدراسة. تجربتنا مع التدريب تسليمها آليا ، ورصدها مع التصوير ، ويشير إلى ان نافذه الانتعاش للمرضي السكتة الدماغية علي سبيل المثال قد لا يغلق1.
لدينا الأساس المنطقي لبناء واستخدام الروبوت قبضه اليد المتوافق مع السيد هو ان الانتعاش الروبوتية لديه القدرة علي احداث تاثير كبير علي الاضمحلال بسبب سهوله النشر ، وقابليتها للتطبيق عبر مختلف العاات الحركية ، وموثوقيه القياس العالية ، والقدرة علي تقديم بروتوكولات تدريب عاليه الكثافة10. يمكن للروبوت المتوافق مع السيد: (ا) ان يحدد لنطاقات الحركة الخاصة بالموضوع وان يعدل برمجيا لتطبيق مستويات القوه الخاصة بالموضوع ؛ (ب) التحكم في بارامترات القوه والنزوح وقياسها وتسجيلها من خلال حاسوب مضيف ؛ (ج) ضبط بارامترات التحكم عن بعد دون الحاجة إلى انقطاع المسح الضوئي للوصول إلى غرفه الماسح الضوئي MR أو أعاده تموضع الموضوع ؛ و (د) توفير العلاج عن طريق تمارين التدريب بدقه وباستمرار لفترات طويلة.
ونحن علي بينه من اي جهاز الاسترداد المتاحة تجاريا الروبوتية التي يمكن استخدامها مع الماسح الضوئي MR لقياس قوه قبضه اليد الموضوع والنزوح في حين تطبيق الكمبيوتر التي تسيطر عليها الوقت متفاوتة القوه. وقد استعرضت tsekos et al.11 مجموعه متنوعة من الاجهزه الروبوتية وأعاده التاهيل التي تستند أساسا إلى البحوث ، بما في ذلك التكرارات السابقة لسلسله MR_CHIROD من الاجهزه. تم تصميم أجهزه أخرى لدراسة حركه المعصم ، وحركه الأصابع ، وقوه القبضة المتساوية ، والحركات متعددة المفاصل. النسبة للاجهزه التي توفر بنشاط مقاومات أو غيرها من القوي ، تم استخدام مجموعه متنوعة من التقنيات المتوافقة مع السيد بما في ذلك الهيدروليكية والهوائية والروابط الميكانيكية ومخمدات السوائل الكهربائية. وتشمل بعض الاجهزه درجات متعددة من الحرية ، بما في ذلك تمديد آخر من الإصدارات السابقة MR_CHIROD وأضاف درجه التناوب من الحرية وتطبيق القوه الهيدروليكية ، ولكن لم يتم تكييفها للسيد التوافق12.
يتميز جهازنا الخاص بقبضه اليد بمزايا قابليه الحمل (يتم نقلها بانتظام بين مواقع التدريب التابعة للسيد MR والمكاتب) ، والقدرة علي إنتاج قوي مقاومه ذات وقت متفاوت ومتحكم فيها بالحاسوب. الاستخدام الحالي للتكنولوجيا الهوائية في MR_CHIROD يتجنب الحاجة إلى مصادر الجهد العالي اللازمة للانظمه القائمة علي السوائل الكهربائية الريولوجيه ، وامكانيه تسرب السوائل الهيدروليكية ، والكابلات/الروابط المعقدة التي تربط اليه الواجهة بمكونات الطاقة والتحكم الخارجية.
كانت الMR_CHIROD الجهاز الأول الذي ثبت للعمل بالتزامن مع fMRI لرسم الدماغ في مرضي السكتة الدماغية1. والاهم من ذلك ، فان الMR_CHIROD v3 مفيد بشكل خاص في التدريب القائم علي المنزل أو المكتب ، حيث ان النظام وبرمجياته مصممه للاستخدام دون دعم الخبراء السريري ومع العناصر التحفيزية (“التحنيط”). النسبة للتدريب الذي ييسره المعالج الفيزيائي في المستشفى ، فان التدريب المكتبي أو المنزلي اقل تكلفه وأكثر ملاءمة ، مما يسهل علي المرضي التزام بالعلاج اليومي. ويمكن أعاده تصميم الجهاز ، الذي كان بالفعل غير مكلف نسبيا بالنسبة لبعض الاجهزه الأخرى القائمة علي البحوث ، لتحسين نسبه التكلفة إلى الفائدة. الواقع الافتراضي والتاهيل للتدريب ، وكلاهما متوافق مع MR_CHIROD v3 ، ويمكن اشراك المرضي ، وزيادة اهتمامهم اثناء المهمة ، وتحسين الدافع ، التالي زيادة فعاليه الانتعاش13.
Protocol
Representative Results
Discussion
نقدم التصوير بالرنين المغناطيسي للمهمة الحركية باستخدام أحدث إصدار من الجهاز الروبوتي الجديد ، الMR_CHIROD1،2،8. وقد تم تصميم الMR_CHIROD لتنفيذ مهمة قبضه الضغط اليد التي يمكن ان يؤديها مرضي السكتة الدماغية المزمنة ، وقد درست سابقا1<s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وكان هذا العمل مدعوما بمنحه من المعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية (منحه رقم 1R01NS105875-01A1) من المعاهد الوطنية للصحة إلى ا. أريا تسيزيكا. وقد تم القيام بهذا العمل في مركز اثينولا ا. مارتينوس للتصوير الطبي الحيوي. ونود ان نشكر المدير الدكتور بروس ر. روزن ، دكتوراه في الطب ، وأعضاء فريق مركز مارتينوس لدعمهم. ونود كذلك ان نشكر السيد كريستيان Pusatere والسيد مايكل ارريني علي مساعدتهما في اجراء التجارب. وأخيرا ، نشكر الدكتور مايكل ا. موسكوفيتس والدكتور روزن علي توجيهاتهما في تصميم وتطوير سلسله الاجهزه الMR_CHIRODه ودراسات السكتة الدماغية المرتبطة بها.
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).
