Risonanza magnetica funzionale in congiunzione con un nuovo dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la risonanza magnetica per valutare la riabilitazione di individui che recuperano dai deficit di grip della mano
Summary
Abbiamo eseguito la risonanza magnetica funzionale utilizzando un nuovo dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la risonanza magnetica per valutare la sua utilità per il monitoraggio della funzione motoria della mano negli individui che si riprendono da deficit neurologici.
Abstract
La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di imaging a risonanza magnetica non invasiva che immagina l’attivazione cerebrale in vivo, utilizzando l’endogena deosssiemoglobina come agente di contrasto endogeno per rilevare cambiamenti nel ossigenazione (effetto BOLD). Abbiamo combinato la fMRI con un nuovo dispositivo robotico (dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la MR [MR_CHIROD]) in modo che una persona nello scanner possa eseguire un compito motorio controllato, la spremitura a mano, che è un movimento molto importante della mano per studiare nella malattia motoria neurologica . Abbiamo impiegato l’imaging parallelo (generalizzati auto-calibrazione delle acquisizioni parzialmente parallele [GRAPPA]), che ha permesso una maggiore risoluzione spaziale con conseguente maggiore sensibilità a BOLD. La combinazione di fMRI con il dispositivo robotico indotto a mano ha permesso un controllo preciso e il monitoraggio del compito che è stato eseguito mentre un partecipante era nello scanner; questo può rivelarsi utile nella riabilitazione della funzione motoria della mano nei pazienti che si riprendono da deficit neurologici (ad esempio, ictus). Qui descriviamo il protocollo per l’utilizzo dell’attuale prototipo del MR_CHIROD durante una scansione fMRI.
Introduction
Metriche di imaging appropriate possono monitorare e prevedere la probabilità di successo della terapia negli individui meglio delle valutazioni cliniche e fornire informazioni per migliorare e individualizzare la pianificazione della terapia. Abbiamo sviluppato esperienza con pazienti che si riprendono da ictus cronico1,2,3,4,5,6,7,8. Lo sviluppo di strategie individualizzate ottimali che si concentrano su come l’allenamento motorio può influenzare il miglioramento incrementale sia nella riorganizzazione dell’attività neurale e/o della funzione motoria è ancora difficile. Approfondimenti sui processi di rimodellamento strutturale e riorganizzazione sottostanti per il recupero funzionale nel cervello dopo che la malattia neurologica può permetterci di valutare la relazione tra i modelli topografici distribuiti di attività neurale e il recupero funzionale tramite metodi di neuroimaging funzionale e mappatura del cervello. Il successo faciliterà lo sviluppo di strategie di trattamento personalizzate ottimizzate per produrre miglioramenti nella forza di presa in una popolazione ampia con condizioni neurologiche basate sulle metriche di risonanza magnetica (RMI)9.
Qui presentiamo un protocollo che impiega un dispositivo a mano robotico di nuova riprogettazione che fornisce una forza di resistenza controllabile rispetto alla quale un soggetto si aggrappa e rilascia una maniglia in sincronia con uno stimolo visivo oscillante. L’MR_CHIROD v3 (MR-compatible Hand-Induced RObotic Device) è un sistema per la presentazione di forze regolabili rispetto alle quali vengono eseguite le azioni di gripping e rilascio, durante la misurazione e la registrazione della forza applicata, dello spostamento della presa e dei timestamp per ogni punto dati (Figura 1). Il dispositivo è stato progettato per fornire valutazioni affidabili delle immagini di attivazione cerebrale durante la fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che possono essere utilizzate per valutare i cambiamenti dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) nelle risposte cerebrali dei pazienti che si riprendono da disturbi neurologici. La compatibilità MR si ottiene attraverso l’uso di componenti interamente non ferrosi/non magnetici per la struttura e gli elementi dell’attuatore pneumatico e i componenti schermati sensore/elettronico posizionati sul letto dello scanner. Figura 2 Mostra il dispositivo collegato a un letto di scanner MR e con un soggetto nel magnete foro afferrare il manico del MR_CHIROD v3 (Figura 3). I componenti di interfaccia e controllo sono posizionati all’esterno della sala scanner MR (Figura 4).
Il dispositivo viene utilizzato contemporaneamente con i metodi di imaging cerebrale per valutare le attivazioni cerebrali pertinenti. L’uso principale del sistema è quello di fornire un compito motorio che genera attivazioni delle aree motorie del cervello, che vengono rilevate utilizzando fMRI. L’attivazione cerebrale durante l’utilizzo del MR_CHIROD durante l’imaging può valutare la neuroplasticità nella malattia neurologica. Monitorando i cambiamenti nelle attivazioni nel corso e dopo l’allenamento motorio utilizzando il MR_CHIROD, possono essere osservati progressi nella riabilitazione motoria a seguito di qualsiasi malattia neurologica che porta a deficit motori (ad esempio, ictus).
Il MR_CHIROD v3 può anche essere montato su tavolo, per l’uso in esercizi di allenamento intra-scansione, in cui il soggetto afferra e rilascia in risposta a stimoli visivi adatti per periodi di 45 min, tre volte a settimana durante lo studio. La nostra esperienza nell’allenamento roboticamente fornito, monitorato con l’imaging, suggerisce che la finestra di recupero per i pazienti colpiti da ictus, ad esempio, potrebbe non chiudere mai1.
La nostra logica per la costruzione e l’utilizzo di un robot a presa a mano compatibile con MR è che il recupero robotico ha il potenziale per produrre un grande impatto sulla compromissione grazie alla sua facile distribuzione, all’applicabilità attraverso varie disabilità motorie, all’elevata affidabilità di misurazione e alla capacità di fornire protocolli di allenamento ad alta intensità10. Il nostro robot compatibile con MR può: (a) essere impostato per intervalli di movimento specifici del soggetto ed essere regolato a livello di programmazione per applicare livelli di forza specifici del soggetto; b) controllare, misurare e registrare la forza e i parametri di spostamento attraverso un computer host; c) regolare a distanza i parametri di controllo senza richiedere l’interruzione della scansione per l’accesso alla sala scanner MR o il riposizionamento del soggetto; e (d) fornire la terapia mediante esercizi di allenamento in modo preciso e coerente per lunghi periodi.
Siamo a conoscenza di nessun dispositivo robotico di recupero disponibile in commercio che possa essere utilizzato con uno scanner MR per misurare la forza di presa della mano e lo spostamento del soggetto durante l’applicazione di forza variabile nel tempo controllata dal computer. Tsekos et al.11 hanno esaminato una varietà di dispositivi robotici e di riabilitazione principalmente basati sulla ricerca, compatibili con la MR, incluse le precedenti iterazioni della MR_CHIROD serie di dispositivi. Altri dispositivi sono stati progettati per studiare il movimento del polso, il movimento delle dita, la forza di presa isometrica e i movimenti multi-joint. Per i dispositivi che forniscono attivamente forze resistive o di altro tipo, sono state impiegate diverse tecnologie compatibili con MR, tra cui idraulica, pneumatica, collegamenti meccanici e smorzatori di fluido elettroreologico. Alcuni dispositivi includono più gradi di libertà, tra cui un’altra estensione delle versioni precedenti MR_CHIROD aggiunto un grado di libertà rotazionale e l’applicazione di forza idraulica, tuttavia non è stato adattato per la compatibilità RM12.
Il nostro dispositivo specifico per la presa a mano ha i vantaggi della portabilità (viene regolarmente trasportato tra la struttura MR e i siti di formazione per uffici), e la capacità di produrre forze resistenti grandi, controllate dal computer e che variano nel tempo. L’uso attuale della tecnologia pneumatica nel MR_CHIROD evita la necessità di fonti ad alta tensione necessarie per i sistemi elettro-reologici basati su fluidi, il potenziale di perdita di liquido idraulico e complessi cavi/collegamenti che collegano il meccanismo di interfaccia con componenti esterni di alimentazione e controllo.
Il MR_CHIROD è stato il primo dispositivo che è stato dimostrato di funzionare in combinazione con la fMRI per la mappatura del cervello nei pazienti colpiti da ictus1. È importante sottolineare che la MR_CHIROD v3 è particolarmente utile per la formazione a domicilio o in ufficio, in quanto il sistema e il suo software sono stati progettati per l’uso senza supporto clinico esperto e con elementi motivazionali (“gamification”). Rispetto alla formazione agevolata dal fisioterapista in un ospedale, l’allenamento a domicilio o a casa è meno costosa e più conveniente, rendendo più facile per i pazienti aderire alla terapia quotidiana. Il dispositivo, già relativamente poco costoso rispetto ad alcuni degli altri dispositivi basati sulla ricerca, può essere riprogettato per migliorare il rapporto costo-beneficio. La realtà virtuale e la gamificazione della formazione, entrambe compatibili con la MR_CHIROD v3, possono coinvolgere i pazienti, aumentare la loro attenzione durante il compito e migliorare la motivazione, aumentando così l’efficacia del recupero13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Presentiamo fMRI di un compito motorio utilizzando l’ultima versione di un nuovo dispositivo robotico, la MR_CHIROD1,2,8. Il MR_CHIROD è stato progettato per eseguire un compito di presa a mano che ha può essere eseguito da pazienti colpiti da ictus cronico ed è stato studiato in precedenza1,2,3,4<s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione dell’Istituto Nazionale di Disturbi Neurologici e Ictus (numero di sovvenzione 1R01NS105875-01A1) dei National Institutes of Health ad A. Aria Tzika. Questo lavoro è stato eseguito presso l’Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Ringraziamo il Direttore Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. e i membri dello staff del Martinos Center per il loro sostegno. Ringraziamo inoltre Christian Pusatere e Michael Armanini per la loro assistenza nell’esecuzione di esperimenti. Infine, ringraziamo il Dr. Michael A. Moskowitz e il Dr. Rosen per la loro guida nella concezione e nello sviluppo della serie MR_CHIROD di dispositivi e degli studi relativi all’ictus.
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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