Funktionel MRI i forbindelse med en roman MRI-kompatibel hånd-induceret robot enhed til at evaluere rehabilitering af enkeltpersoner inddrive fra håndgreb underskud
Summary
Vi udførte funktionelle MRI ved hjælp af en roman MRI-kompatibel hånd-induceret robot enhed til at evaluere dens anvendelighed til overvågning hånd motorisk funktion i individer inddrive fra neurologiske underskud.
Abstract
Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er en ikke-invasiv magnetisk resonansbilledingsteknik, der giver et billede af hjernens aktivering in vivo, idet endogene deoxyhæmoglobin som et endogene kontrastmiddel detekterer ændringer i blod-niveau-afhængige iltning (fed effekt). Vi kombinerede fMRI med en ny robot enhed (MR-kompatibel hånd-induceret robot enhed [MR_CHIROD]), således at en person i scanneren kan udføre en kontrolleret motor opgave, hånd klemning, som er en meget vigtig håndbevægelse til at studere i neurologiske motoriske sygdomme . Vi beskæftigede parallel Imaging (generaliseret Auto-kalibrere delvist parallel opkøb [GRAPPA]), som tillod højere rumlig opløsning resulterer i øget følsomhed over for fed. Kombinationen af fMRI med den hånd inducerede robot enhed tillod præcis kontrol og overvågning af den opgave, der blev udført, mens en deltager var i scanneren. Dette kan vise sig at være af nytte i rehabilitering af hånd motorisk funktion hos patienter, der er i bedring fra neurologiske underskud (f. eks. slagtilfælde). Her skitserer vi protokollen for at bruge den aktuelle prototype af MR_CHIROD under en fMRI-scanning.
Introduction
Passende Imaging Metrics kan overvåge og forudsige sandsynligheden for terapi succes i individer bedre end kliniske vurderinger og give oplysninger til at forbedre og individualisere terapi planlægning. Vi har udviklet erfaring med patienter inddrive fra kronisk slagtilfælde1,2,3,4,5,6,7,8. Udvikling af optimale individualiserede strategier, der fokuserer på, hvordan motor uddannelse kan påvirke trinvis forbedring enten i reorganisering af neurale aktivitet og/eller motorisk funktion er stadig udfordrende. Indsigt i de underliggende strukturelle remodeling og re-organisation processer for funktionel genopretning i hjernen efter neurologiske sygdom kan give os mulighed for at evaluere forholdet mellem distribuerede topografiske mønstre af neurale aktivitet og funktionel genopretning via funktionelle Neuro Imaging metoder og hjerne kortlægning. Succes vil lette udviklingen af personlige behandlingsstrategier optimeret til at give forbedringer i Grip styrke i bred population med neurologiske tilstande baseret på magnetisk resonans imaging (MRI) Metrics9.
Her præsenterer vi en protokol, der beskæftiger en nyligt re-designede robot hånd anordning, der giver en kontrollerbar modstandskraft, mod hvilken et emne greb og frigiver et håndtag i synkry med en oscerende visuel stimulus. Den MR_CHIROD v3 (MR-kompatibel hånd-induceret robot enhed) er et system til præsentation af justerbare kræfter, som gribende og frigive bevægelser udføres, mens måling og registrering af anvendt kraft, greb forskydning og tidsstempler for hvert datapunkt (figur 1). Enheden blev udviklet til at give pålidelige vurderinger af hjernens aktiverings billeder under fMRI (funktionel magnetisk resonansbilleddannelse), som kan bruges til at evaluere blod-oxygen-Niveauafhængige (DRISTIGE) ændringer i hjernens respons hos patienter, der er i bedring fra neurologiske lidelser. MR-kompatibilitet opnås ved brug af helt ikke-jernholdige/ikke-magnetiske komponenter til strukturen og pneumatiske aktuatorelementer og afskærmede sensor/elektroniske komponenter, der er placeret på scannerens seng. Figur 2 viser den enhed, der er tilsluttet en MR scanner seng, og med et motiv i magneten bar greb grebet af MR_CHIROD v3 (figur 3). Interface og kontrol komponenter er placeret uden for MR scanner Room (figur 4).
Enheden bruges samtidig med hjerne billedbehandlings metoder til at vurdere relevante hjerne aktiveringer. Den primære brug af systemet er at give en motorisk opgave, der genererer aktiveringer af hjernens motoriske områder, som detekteres ved hjælp af fMRI. Hjerneaktivering under brug af MR_CHIROD under billeddannelse kan vurdere neuroplasticitet i neurologiske sygdomme. Ved at spore ændringer i aktiveringer i løbet af og efter motor træning ved hjælp af MR_CHIROD, kan fremskridt af motorisk rehabilitering efter enhver neurologisk sygdom, der fører til motoriske underskud (f. eks. slagtilfælde) observeres.
MR_CHIROD v3 kan også være bord monteret, til brug i intra-Scan træningsøvelser, hvor motivet greb og udgivelser som reaktion på passende visuelle stimuli for perioder på 45 min, tre gange om ugen i løbet af studiet. Vores erfaring med robotisk leveret uddannelse, overvåget med Imaging, tyder på, at Recovery vinduet for slagtilfælde patienter for eksempel kan aldrig lukke1.
Vores rationale for at bygge og bruge en MR-kompatibel håndgreb robot er, at robot opsving har potentiale til at producere en stor indvirkning på værdiforringelse på grund af sin nemme udrulning, anvendelighed på tværs af forskellige motoriske funktionsnedsættelser, høj måling pålidelighed, og kapacitet til at levere høj intensitet uddannelse protokoller10. Vores MR-kompatible robot kan: (a) være indstillet til emnespecifikke bevægelses områder og blive programmatisk justeret til at anvende emnespecifikke styrke niveauer; b) kontrollere, måle og registrere kraft-og forskydnings parametre gennem en værtscomputer (c) eksternt justere kontrolparametre uden at kræve afbrydelse af scanning for adgang til MR-scanner rummet eller omplacering af emnet; og (d) give terapi via træningsøvelser præcist og konsekvent i længere perioder.
Vi er opmærksomme på ingen kommercielt tilgængelige opsving robot enhed, der kan bruges med en MR scanner til at måleemnet håndgreb kraft og forskydning, mens du anvender computer-kontrollerede tidsvariable kraft. Tsekos et al.11 har gennemgået en række primært forskningsbaserede, Mr-kompatible robot og rehabilitering enheder, herunder tidligere iterationer af MR_CHIROD serie af enheder. Andre enheder er designet til at studere håndled bevægelse, fingerbevægelse, isometrisk Grip styrke, og multi-fælles bevægelser. For enheder, der aktivt leverer resistive eller andre kræfter, er der blevet anvendt en række MR-kompatible teknologier, herunder hydraulik, pneumatik, mekaniske forbindelser og elektrorheologiske væske spjæld. Nogle enheder omfatter flere frihedsgrader, herunder en anden udvidelse af den tidligere MR_CHIROD versioner tilføjet en rotationsgrad af frihed og hydraulisk kraft ansøgning, men det var ikke tilpasset MR-kompatibilitet12.
Vores hånd-Grip-specifikke enhed har fordelene ved bærbarhed (det er regelmæssigt transporteres mellem hr. Facility og kontor-baserede uddannelsessteder), og evne til at producere store, computer-kontrollerede, tidsvariable resistive kræfter. Aktuel brug af pneumatisk teknologi i MR_CHIROD undgår behovet for højspændings kilder, som er nødvendige for elektro-rheologiske væskebaserede systemer, potentialet for lækage af hydraulisk væske og komplekse kabel/forbindelser, som forbinder grænseflade mekanismen med eksterne strøm-og kontrol komponenter.
MR_CHIROD var den første enhed, der blev påvist at fungere sammen med fMRI til hjerne kortlægning i slagtilfælde patienter1. Det er vigtigt, at MR_CHIROD V3 er særligt nyttig til hjemme-eller kontor baseret træning, da systemet og dets software er designet til brug uden ekspert klinisk support og med motivations elementer (“gamification”). I forhold til fysioterapeut-faciliteret uddannelse på et hospital, kontor-eller hjemme-baseret uddannelse er billigere og mere bekvemt, hvilket gør det lettere for patienter at overholde den daglige behandling. Enheden, der allerede er relativt billig i forhold til nogle af de andre forskningsbaserede enheder, kan genmanipulerede for at forbedre cost-to-benefit-forholdet. Virtual Reality og gamification af uddannelse, som begge er forenelige med MR_CHIROD v3, kan engagere patienter, øge deres opmærksomhed under opgaven, og forbedre motivation, dermed øge effektiviteten af inddrivelse13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi præsenterer fMRI af en motor opgave ved hjælp af den nyeste version af en roman robot enhed, MR_CHIROD1,2,8. Den MR_CHIROD er designet til at udføre en hånd-klemme Grip opgave, som har kan udføres af kronisk slagtilfælde patienter og er blevet undersøgt tidligere1,2,3,4,<sup class=…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af et tilskud fra National Institute of neurologiske lidelser og slagtilfælde (Grant nummer 1R01NS105875-01A1) af National Institutes of Health til A. ARIA Tzika. Dette arbejde blev udført på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Vi vil gerne takke direktøren Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. og medlemmer af Martinos Center personale for deres støtte. Vi vil gerne takke hr. Christian Pusatere og hr. Michael Armanini for deres hjælp til at køre eksperimenter. Endelig takker vi Dr. Michael A. Moskowitz og Dr. Rosen for deres vejledning i udformningen og udviklingen af den MR_CHIROD serie af anordninger og de tilhørende slagtilfælde undersøgelser.
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).
