功能 MRI 与新型 MRI 兼容手感应机器人设备结合，以评估从手柄缺陷中恢复的个人的康复情况
Summary
我们使用新型MRI兼容手感应机器人设备进行功能性MRI，以评估其用于监测从神经缺陷中恢复的个人的手势机功能的效用。
Abstract
功能磁共振成像 （fMRI） 是一种非侵入性磁共振成像技术，利用内源性脱氧血红蛋白作为内源造影剂来检测血液水平依赖性的变化，对体内的大脑激活进行成像氧合（BOLD效应）。我们将fMRI与新型机器人装置（MR兼容手感应机器人装置[MR_CHIROD]相结合，使扫描仪中的一个人能够执行控制电机任务，即手挤压，这是研究神经运动疾病的非常重要的手部运动。.我们采用了并行成像（广义自动校准部分并行采集 [GRAPPA]），从而实现了更高的空间分辨率，从而提高了对 BOLD 的敏感度。fMRI 与手动诱导的机器人设备相结合，可以精确控制和监控参与者在扫描仪中时执行的任务;这可能证明对从神经缺陷（如中风）康复的患者的手势运动功能的康复是有用的。在这里，我们概述了在fMRI扫描期间使用MR_CHIROD的当前原型的协议。
Introduction
适当的成像指标可以比临床评估更好地监控和预测个人治疗成功的可能性，并提供信息，以改善和个性化治疗规划。我们已有经验与从慢性中风1，2，3，4，5，6，7，8的慢性中风患者恢复的经验。制定最佳的个性化策略，专注于运动训练如何影响神经活动和/或运动功能重组的增量改进，这仍然是一项挑战。通过功能神经成像方法和大脑映射，了解神经疾病后大脑功能恢复的基本结构重塑和重组过程，可以让我们评估神经活动的分布式地形模式与功能恢复之间的关系。成功将有助于开发个性化治疗策略，优化，根据磁共振成像（MRI）指标9，在神经病的广大人群中提高抓地力。
在这里，我们提出了一个协议，它采用新重新设计的机器人手装置，提供可控的阻力力，主体可以抓住并释放手柄与振荡视觉刺激同步。MR_CHIROD v3（兼容 MR 的手动感应 RObotic 设备）是一种系统，用于显示可调节力，用于执行抓握和释放运动，同时测量和记录每个数据点施加的力、抓地力位移和时间戳（图 1）。该设备被设计为在fMRI（功能磁共振成像）期间提供大脑激活图像的可靠评估，可用于评估从神经系统疾病中恢复的患者的大脑反应的血氧水平依赖性（BOLD）变化。MR 兼容性是通过使用完全有色/非磁性部件来实现的，用于结构和气动执行器元件以及位于扫描仪床上的屏蔽传感器/电子元件。图2显示了连接到MR扫描仪床的装置，磁孔中一个主体抓住MR_CHIRODv3的手柄（图3）。接口和控制组件位于 MR 扫描仪室外（图4）。
该设备与大脑成像方法同时使用，以评估相关的大脑激活。该系统的主要用途是提供一个运动任务，用于生成大脑运动区域的激活，这些激活使用 fMRI 进行检测。在成像过程中使用MR_CHIROD时的大脑激活可以评估神经系统疾病的神经可塑性。通过使用MR_CHIROD跟踪运动训练过程中和之后的激活变化，可以观察到任何导致运动缺陷（例如中风）的神经疾病后的运动康复进展。
MR_CHIROD v3 也可以安装在桌面上，用于扫描内训练练习，其中受试者根据适当的视觉刺激进行 45 分钟的抓地力和释放，在研究期间每周三次。我们在机器人交付培训方面的经验，通过成像进行监测，表明中风患者的恢复窗口可能永远不会关闭1。
我们构建和使用 MR 兼容的手柄机器人的理由是，机器人恢复具有对损伤产生巨大影响的潜力，因为机器人易于部署、适用于各种电机损伤、高测量可靠性以及提供高强度训练协议10的能力。我们的MR兼容机器人可以：（a） 设置针对特定主题的运动范围，并以编程方式进行调整，以应用特定主题的力级别;（2） 设置特定运动范围;（a） 设置特定运动范围。（b） 通过主机控制、测量和记录力和位移参数;（c） 远程调整控制参数，无需中断扫描以进入MR扫描仪室或重新定位受试者;（d） 通过长期训练练习精确和持续地提供治疗。
我们知道，没有商用回收机器人设备，可用于与MR扫描仪，以测量受试者的握力和位移，同时应用计算机控制的时间变化力。Tsekos等人11日审查了各种主要基于研究、MR兼容的机器人和康复设备，包括早期MR_CHIROD系列设备的迭代。其他设备设计用于研究手腕运动、手指运动、等轴测握力和多关节运动。对于主动提供电阻或其他力的器件，采用了各种 MR 兼容技术，包括液压、气动、机械连杆和电热流体阻尼器。有些器件包括多个自由度，包括早期MR_CHIROD版本的另一个扩展增加了旋转自由度和液压力应用，但它不适合MR兼容性12。
我们的手动手柄专用设备具有便携性（定期在 MR 设施和基于办公室的培训站点之间传输），以及产生大型计算机控制、时变电阻力的能力。目前在MR_CHIROD中使用气动技术，避免了电流流液系统所需的高电压源、液压油泄漏的可能性以及连接接口机构与外部电源和控制部件的复杂电缆/连接。
MR_CHIROD是首个与fMRI结合使用，用于脑图的脑图仪。重要的是，MR_CHIROD v3 对于家庭或办公室培训特别有用，因为该系统及其软件专为在没有专家临床支持和激励元素（”游戏化”）的情况下使用而设计。相对于在医院由物理治疗师辅助的培训，办公室或家庭培训更便宜，更方便，使患者更容易坚持日常治疗。与其他一些基于研究的设备相比，该器件已经相对便宜，可以重新设计以提高成本效益比。虚拟现实和游戏化训练，两者都符合MR_CHIRODv3，可以吸引患者，增加他们在任务期间的注意力，提高动机，从而提高恢复的有效性13。
Protocol
Representative Results
Discussion
我们使用最新版的新型机器人装置fMRI，MR_CHIROD1，2，8。MR_CHIROD设计用于执行一项手挤压握把任务，该任务可由慢性中风患者执行，并曾研究过1、2、3、4、5、6、8。<sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国家卫生研究院神经疾病和中风研究所（赠款号1R01NS105875-01A1）对A.Aria Tzika的资助。这项工作是在阿蒂努拉·马蒂诺斯生物医学成像中心进行的。 我们要感谢布鲁斯·罗森博士、博士、博士和马丁诺斯中心工作人员的支持。 我们还要感谢克里斯蒂安·普萨特先生和迈克尔·阿尔马尼尼先生协助进行实验。 最后，我们感谢Michael A. Moskowitz博士和罗森博士在MR_CHIROD系列设备的概念和开发以及相关的中风研究方面的指导。
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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