Functionele MRI in combinatie met een nieuw, met MRI compatibel, hand-geïnduceerde robot apparaat om revalidatie te evalueren van individuen die herstellen van handgreep tekorten
Summary
We voerden functionele MRI uit met behulp van een nieuw, met MRI compatibel, hand-geïnduceerde robot apparaat om zijn nut te evalueren voor het bewaken van de hand motorische functie bij individuen die zich herstellen van neurologische tekorten.
Abstract
Functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) is een niet-invasieve magnetische resonantie beeldvormings techniek die hersenactivatie in vivo beelden, met behulp van endogene deoxyhemoglobine als een endogene contrast agent om veranderingen in bloed-niveau-afhankelijke te detecteren oxygenatie (vet effect). We combineerden fMRI met een nieuw robotachtig apparaat (MR-compatibel hand-geïnduceerde robot apparaat [MR_CHIROD]) zodat een persoon in de scanner een gecontroleerde motorische taak kan uitvoeren, hand-knijpen, wat een zeer belangrijke handbeweging is om te studeren bij neurologische motorische aandoeningen . We werkten parallel Imaging (gegeneraliseerde automatisch kalibreren van gedeeltelijk parallelle overnames [GRAPPA]), waardoor een hogere ruimtelijke resolutie mogelijk werd, wat resulteerde in een verhoogde gevoeligheid voor vet. De combinatie van fMRI met het hand-geïnduceerde robot apparaat zorgde voor nauwkeurige controle en bewaking van de taak die werd uitgevoerd terwijl een deelnemer in de scanner was; Dit kan blijken te zijn van nut in de revalidatie van de hand motorische functie bij patiënten herstellen van neurologische tekorten (bv., beroerte). Hier schetsen we het protocol voor het gebruik van het huidige prototype van de MR_CHIROD tijdens een fMRI-scan.
Introduction
Geschikte Imaging Metrics kunnen bewaken en voorspellen van de kans op therapie succes in individuen beter dan klinische evaluaties en informatie te verbeteren en individualiseren therapie planning. We hebben ervaring opgedaan met patiënten die herstellen van chronische beroerte1,2,3,4,5,6,7,8. Het ontwikkelen van optimale geïndividualiseerde strategieën die zich richten op hoe motorische training kan beïnvloeden incrementele verbetering hetzij in reorganisatie van de neurale activiteit en/of motorische functie is nog steeds uitdagend. Inzicht in de onderliggende structurele remodellering en re-organisatie processen voor functioneel herstel in de hersenen na neurologische aandoeningen kunnen ons toelaten om de relatie tussen gedistribueerde topografische patronen van neurale activiteit en functioneel herstel via functionele neuroimaging methoden en hersenen mapping te evalueren. Succes zal het ontwikkelen van gepersonaliseerde behandelingsstrategieën geoptimaliseerd voor het opleveren van verbeteringen in de gripsterkte in een brede populatie met neurologische aandoeningen op basis van magnetische resonantie imaging (MRI) Metrics9vergemakkelijken.
Hier presenteren we een protocol dat een nieuw ontworpen robot handapparaat gebruikt dat een bestuurbare weerstand biedt waartegen een onderwerp grip geeft en een handvat in Synchrony uitbrengt met een oscillerende visuele stimulans. De MR_CHIROD v3 (MR-compatibele hand-geïnduceerde robot apparaat) is een systeem voor de presentatie van instelbare krachten waartegen aangrijpende en vrijkomende bewegingen worden uitgevoerd, tijdens het meten en opnemen van toegepaste kracht, grip verplaatsing en tijdstempels voor elk gegevenspunt (Figuur 1). Het apparaat is ontworpen om betrouwbare evaluaties van hersenactivatie beelden te bieden tijdens fMRI (functionele magnetische resonantie beeldvorming), die kan worden gebruikt om bloed-zuurstofniveau afhankelijke (VETGEDRUKTE) veranderingen in hersenreacties van patiënten die herstellen van neurologische aandoeningen te evalueren. De heer-compatibiliteit wordt bereikt door het gebruik van volledig non-ferro/niet-magnetische componenten voor de structuur en pneumatische actuator-elementen en afgeschermde sensor/elektronische componenten die op het bed van de scanner zijn geplaatst. Figuur 2 toont het apparaat dat is aangesloten op een Mr scanner bed, en met een onderwerp in de magneet boring grijpen de hendel van de MR_CHIROD v3 (Figuur 3). Interface-en regelcomponenten bevinden zich buiten de MR scanner room (Figuur 4).
Het apparaat wordt gelijktijdig gebruikt met hersen beeldvormingsmethoden om relevante hersen activeringen te beoordelen. Het primaire gebruik van het systeem is om een motorische taak die activeringen van motorische gebieden van de hersenen genereert, die worden gedetecteerd met behulp van fMRI te bieden. Hersenactivatie tijdens het gebruik van de MR_CHIROD tijdens de beeldvorming kan Neuroplasticiteit in neurologische aandoeningen beoordelen. Door het bijhouden van wijzigingen in activeringen in de loop van en na de motorische training met behulp van de MR_CHIROD, kan de voortgang van de motorische revalidatie na een neurologische aandoening die leidt tot motorische tekorten (bijv. een beroerte) worden waargenomen.
De MR_CHIROD v3 kan ook worden gekoppeld aan de tafel, voor gebruik in intra-scan trainingsoefeningen, waarin het onderwerp handvatten en releases in reactie op geschikte visuele stimuli voor perioden van 45 min, drie keer per week tijdens de studie. Onze ervaring met robotisch geleverde trainingen, bewaakt met Imaging, suggereert dat het herstelvenster voor beroerte-patiënten bijvoorbeeld nooit1kan sluiten.
Onze reden voor het bouwen en gebruiken van een MR-compatibele hand-grip robot is dat Robotic Recovery het potentieel heeft om een grote impact te hebben op de bijzondere waardevermindering vanwege de eenvoudige inzet, toepasbaarheid over verschillende motorische beperkingen, hoge meet betrouwbaarheid en capaciteit om trainings protocollen met hoge intensiteit10te leveren. Onze MR-compatibele robot kan: (a) worden ingesteld voor onderwerpspecifieke bewegings bewegingen en programmatisch worden aangepast om specifieke kracht niveaus toe te passen; b) de parameters voor controle, meting en registratie van kracht en verplaatsing via een hostcomputer; c) de controleparameters op afstand aanpassen zonder onderbreking van het scannen voor toegang tot de heer scanner kamer of herpositionering van het onderwerp; en (d) gedurende langere tijd nauwkeurig en consistent therapie via trainingsoefeningen te verzorgen.
We zijn op de hoogte van geen commercieel beschikbaar herstel robot apparaat dat kan worden gebruikt met een MR scanner om de handgreep kracht en verplaatsing van het onderwerp te meten tijdens het toepassen van computergestuurde tijd-variërende kracht. Tsekos et al.11 hebben een verscheidenheid van voornamelijk op onderzoek gebaseerde, Mr-compatibele Robotic en revalidatie apparaten, met inbegrip van eerdere iteraties van de MR_CHIROD reeks apparaten beoordeeld. Andere apparaten zijn ontworpen voor het bestuderen van pols beweging, vingerbeweging, isometrische gripsterkte en multi-joint bewegingen. Voor apparaten die actief resistieve of andere krachten leveren, is een verscheidenheid aan met de heer compatibele technologieën gebruikt, waaronder hydraulica, pneumatiek, mechanische koppelingen en electrorheologische vloeistof dempers. Sommige apparaten bevatten meerdere vrijheidsgraden, waaronder een andere uitbreiding van de eerdere MR_CHIROD versies een rotatiegraad van vrijheid en hydraulische kracht toepassing toegevoegd, maar het was niet aangepast voor MR-compatibiliteit12.
Onze hand-grip-specifieke apparaat heeft de voordelen van draagbaarheid (het wordt regelmatig vervoerd tussen de heer faciliteit en Office-gebaseerde trainings sites), en het vermogen om grote, computergestuurde, tijd wisselende resistieve krachten te produceren. Het huidige gebruik van pneumatische technologie in de MR_CHIROD vermijdt de noodzaak van hoogspannings bronnen die nodig zijn voor elektro-Rheologische vloeistofsystemen, het potentieel voor lekkage van hydraulische vloeistof, en complexe kabel/koppelingen die het interface mechanisme koppelen aan externe voedings-en regelcomponenten.
De MR_CHIROD was het eerste apparaat dat werd gedemonstreerd om te functioneren in combinatie met fMRI voor hersen toewijzing bij beroerte-patiënten1. Belangrijk is dat de MR_CHIROD v3 vooral handig is voor thuis-of kantoor training, omdat het systeem en de software zijn ontworpen voor gebruik zonder deskundige klinische ondersteuning en met motiverende elementen (“gamification”). Ten opzichte van fysiotherapeut-gefaciliteerde training in een ziekenhuis, Office-of Home-based training is minder duur en handiger, waardoor het makkelijker voor patiënten om zich te houden aan de dagelijkse therapie. Het apparaat, dat al relatief goedkoop is ten opzichte van sommige andere op onderzoek gebaseerde apparaten, kan opnieuw worden ontworpen om de kosten-batenverhouding te verbeteren. Virtual Reality en gamification van training, die beide compatibel zijn met de MR_CHIROD v3, kunnen patiënten betrekken, hun aandacht vergroten tijdens de taak, en de motivatie verbeteren, waardoor de effectiviteit van herstel13toeneemt.
Protocol
Representative Results
Discussion
We presenteren fMRI van een motorische taak met behulp van de nieuwste versie van een roman Robotic Device, de MR_CHIROD1,2,8. De MR_CHIROD is ontworpen om een hand-knijpende grip taak uit te voeren die kan worden uitgevoerd door chronische beroerte-patiënten en is eerder onderzocht1,2,3,4,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door een subsidie van het National Institute of neurologische aandoeningen en beroerte (grantnummer 1R01NS105875-01A1) van de National Institutes of Health aan A. Aria Tzika. Dit werk werd uitgevoerd in het Athinoula A. Martinos Center voor biomedische beeldvorming. We willen de directeur Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. en leden van het centrum van Martinos bedanken voor hun steun. Verder willen we de heer Christian Pusatere en de heer Michael Armanini bedanken voor hun hulp bij het uitvoeren van experimenten. Tot slot danken we Dr. Michael A. Moskowitz en Dr. Rosen voor hun begeleiding bij de conceptie en ontwikkeling van de MR_CHIROD serie apparaten en de bijbehorende beroerte studies.
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).
