IRM fonctionnelle en conjonction avec un nouveau dispositif robotique induit par l'IRM pour évaluer la réadaptation des personnes qui se remettent d'un déficit de poignée de main
Summary
Nous avons exécuté l’IRM fonctionnelle utilisant un dispositif robotique MRI-compatible nouveau pour évaluer son utilité pour surveiller la fonction de moteur de main dans les individus remettant des déficits neurologiques.
Abstract
L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique d’imagerie par résonance magnétique non invasive qui image l’activation cérébrale in vivo, à l’aide de la désoxyhemoglobine endogène comme agent de contraste endogène pour détecter les changements dans le niveau sanguin dépendant l’oxygénation (effet BOLD). Nous avons combiné l’IRMf avec un nouveau dispositif robotique (dispositif robotique induit par la main compatible MR [MR_CHIROD]) afin qu’une personne dans le scanner puisse exécuter une tâche motrice contrôlée, la compression des mains, qui est un mouvement très important de la main à étudier dans les maladies motrices neurologiques . Nous avons utilisé l’imagerie parallèle (acquisitions auto-calibrantes généralisées partiellement parallèles [GRAPPA]), qui a permis une résolution spatiale plus élevée résultant en une sensibilité accrue à BOLD. La combinaison de l’IRMf avec l’appareil robotique induit par la main a permis un contrôle et une surveillance précis de la tâche qui a été exécutée pendant qu’un participant était dans le scanner; cela peut s’avérer utile dans la réadaptation de la fonction motrice de la main chez les patients qui se remettent d’un déficit neurologique (p. ex., un AVC). Ici, nous exposons le protocole pour l’utilisation du prototype actuel de la MR_CHIROD lors d’une irm fMR.
Introduction
Des mesures d’imagerie appropriées peuvent surveiller et prédire la probabilité de succès de la thérapie chez les individus mieux que les évaluations cliniques et fournir de l’information pour améliorer et individualiser la planification thérapeutique. Nous avons développé l’expérience avec des patients récupérant de l’AVC chronique1,2,3,4,5,6,7,8. L’élaboration de stratégies individualisées optimales qui mettent l’accent sur la façon dont la formation motrice peut influencer l’amélioration progressive, que ce soit dans la réorganisation de l’activité neuronale et/ ou de la fonction motrice, demeure difficile. Les aperçus dans les processus structurels sous-jacents de remodelage et de réorganisation pour le rétablissement fonctionnel dans le cerveau après la maladie neurologique peuvent nous permettre d’évaluer la relation entre les modèles topographiques distribués de l’activité neurale et la récupération fonctionnelle par l’intermédiaire des méthodes fonctionnelles de neuroimaging et de la cartographie de cerveau. Le succès facilitera l’élaboration de stratégies de traitement personnalisées optimisées pour améliorer la force d’adhérence dans une large population avec des conditions neurologiques basées sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM)métriques 9.
Ici, nous présentons un protocole qui utilise un dispositif robotique à main nouvellement redessiné qui fournit une force de résistance contrôlable contre laquelle un sujet saisit et libère une poignée en synchronie avec un stimulus visuel oscillant. Le MR_CHIROD v3 (appareil RObotic induit par la main compatible MR) est un système de présentation de forces réglables contre lesquels des mouvements de préhension et de libération sont exécutés, tout en mesurant et enregistrant la force appliquée, le déplacement de l’adhérence et les horodateurs pour chaque point de données (figure 1). Le dispositif a été conçu pour fournir des évaluations fiables des images d’activation de cerveau pendant l’IRMf (imagerie fonctionnelle de résonance magnétique), qui peut être employée pour évaluer des changements dépendants de sang-oxygène-niveau (BOLD) dans des réponses de cerveau des patients récupérant des désordres neurologiques. La compatibilité MR est obtenue grâce à l’utilisation de composants entièrement non ferreux/non magnétiques pour la structure et les éléments de l’actionneur pneumatique et les composants protégés du capteur/électronique qui sont positionnés sur le lit du scanner. La figure 2 montre l’appareil fixé à un lit de scanner MR, et avec un sujet dans l’aimant apergé saisissant la poignée du MR_CHIROD v3 (Figure 3). Les composants d’interface et de contrôle sont positionnés à l’extérieur de la salle du scanner MR (figure 4).
L’appareil est utilisé simultanément avec des méthodes d’imagerie cérébrale pour évaluer les activations cérébrales pertinentes. L’utilisation principale du système est de fournir une tâche motrice qui génère des activations des zones motrices du cerveau, qui sont détectés à l’aide de l’IRMf. L’activation de cerveau tout en utilisant le MR_CHIROD pendant la formation image peut évaluer la neuroplasticité dans la maladie neurologique. En suivant les changements dans les activations au cours et après la formation motrice à l’aide de la MR_CHIROD, on peut observer les progrès de la réadaptation motrice à la suite de toute maladie neurologique qui entraîne des déficits moteurs (p. ex., un AVC).
Le MR_CHIROD v3 peut également être monté sur table, pour une utilisation dans les exercices d’entraînement intra-scan, dans lequel le sujet saisit et libère en réponse à des stimuli visuels appropriés pour des périodes de 45 min, trois fois par semaine au cours de l’étude. Notre expérience avec la formation robotique, surveillée avec l’imagerie, suggère que la fenêtre de récupération pour les patients victimes d’AVC par exemple ne peut jamais fermer1.
Notre justification pour la construction et l’utilisation d’un robot mMR-compatible main-grip est que la récupération robotique a le potentiel de produire un grand impact sur la déficience en raison de son déploiement facile, l’applicabilité à travers diverses déficiences motrices, haute fiabilité de mesure, et la capacité de fournir des protocoles de formation de haute intensité10. Notre robot compatible MR peut : a) être réglé pour les gammes de mouvements spécifiques au sujet et être ajusté programmatiquement pour appliquer des niveaux de force spécifiques au sujet; b) contrôler, mesurer et enregistrer les paramètres de force et de déplacement à l’intérieur d’un ordinateur hôte; c) ajuster à distance les paramètres de commande sans nécessiter d’interruption de la numérisation pour l’accès à la salle du scanner MR ou le repositionnement du sujet; et d) d) fournir une thérapie par le biais d’exercices de formation avec précision et constance pendant de longues périodes.
Nous sommes au courant qu’aucun dispositif robotique de récupération disponible dans le commerce ne peut être utilisé avec un scanner MR pour mesurer la force d’adhérence et le déplacement de la main du sujet tout en appliquant une force de variation temporelle contrôlée par ordinateur. Tsekos et coll.11 ont passé en revue une variété de dispositifs robotiques et de réadaptation principalement fondés sur la recherche et compatibles avec la RM, y compris des itérations antérieures de la série MR_CHIROD. D’autres dispositifs ont été conçus pour étudier le mouvement du poignet, le mouvement des doigts, la force d’adhérence isométrique et les mouvements multijoints. Pour les dispositifs qui fournissent activement des forces de résistance ou d’autres forces, une variété de technologies compatibles avec mr ont été employées comprenant l’hydraulique, la pneumatique, les liaisons mécaniques et les amortisseurs électrorhéologiques de fluide. Certains dispositifs comportent plusieurs degrés de liberté, y compris une autre extension des versions MR_CHIROD antérieures a ajouté un degré de rotation de la liberté et l’application de force hydraulique, mais il n’a pas été adapté pour MR-compatibilité12.
Notre dispositif spécifique à la poignée à la main présente les avantages de la portabilité (il est régulièrement transporté entre l’installation MR et les sites d’entraînement de bureau) et de la capacité de produire de grandes forces de résistance contrôlées par ordinateur et variables dans le temps. L’utilisation actuelle de la technologie pneumatique dans le MR_CHIROD évite le besoin de sources à haute tension nécessaires pour les systèmes à fluide sérocléologique, le potentiel de fuite de fluide hydraulique, et les câbles complexes / liaisons reliant le mécanisme d’interface avec la puissance externe et les composants de contrôle.
Le MR_CHIROD a été le premier dispositif qui a été démontré pour fonctionner en conjonction avec l’IRMf pour la cartographie du cerveau chez les patients victimes d’AVC1. Fait important, le MR_CHIROD v3 est particulièrement utile pour la formation à domicile ou au bureau, car le système et son logiciel ont été conçus pour être utilisés sans soutien clinique expert et avec des éléments de motivation («gamification»). Par rapport à la formation facilitée par le physiothérapeute dans un hôpital, la formation à domicile ou à domicile est moins coûteuse et plus pratique, ce qui rend plus facile pour les patients d’adhérer à la thérapie quotidienne. L’appareil, déjà relativement peu coûteux par rapport à certains autres appareils basés sur la recherche, peut être repensé pour améliorer le rapport coût-bénéfice. La réalité virtuelle et la gamification de la formation, qui sont toutes deux compatibles avec le MR_CHIROD v3, peuvent engager les patients, augmenter leur attention au cours de la tâche, et d’améliorer la motivation, augmentant ainsi l’efficacité de la récupération13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous présentons l’IRMf d’une tâche motrice en utilisant la dernière version d’un nouveau dispositif robotique, le MR_CHIROD1,2,8. Le MR_CHIROD a été conçu pour exécuter une tâche d’adhérence à la main qui a peut être effectuée par des patients atteints d’AVC chronique et a été étudié précédemment1,2,3,<sup class="xref"…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par une subvention de l’Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux (Grant numéro 1R01NS105875-01A1) des National Institutes of Health à A. Aria Tzika. Ce travail a été réalisé au Centre d’imagerie biomédicale Athinoula A. Martinos. Nous tenons à remercier le directeur, le Dr Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D., et les membres du personnel du Martinos Center pour leur soutien. Nous tenons également à remercier M. Christian Pusatere et M. Michael Armanini pour leur aide dans la gestion d’expériences. Enfin, nous remercions le Dr Michael A. Moskowitz et le Dr Rosen pour leurs conseils dans la conception et le développement de la série MR_CHIROD d’appareils et des études sur les accidents vasculaires cérébraux connexes.
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
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