Ressonância magnética funcional em conjunto com um novo dispositivo robótico induzido à mão compatível com ressonância magnética para avaliar a reabilitação de indivíduos que se recuperam de déficits de aperto de mão
Summary
Realizamos ressonância magnética funcional usando um novo dispositivo robótico induzido à mão compatível com ressonância magnética para avaliar sua utilidade para monitorar a função motora da mão em indivíduos que se recuperam de déficits neurológicos.
Abstract
A ressonância magnética funcional (fMRI) é uma técnica de ressonância magnética não invasiva que detecta a ativação cerebral in vivo, usando desoxihemoglobina endógena como agente de contraste endógeno para detectar alterações no nível do sangue-dependente oxigenação (efeito BOLD). Combinamos fMRI com um novo dispositivo robótico (dispositivo robótico induzido à mão compatível com RM [MR_CHIROD]) para que uma pessoa no scanner possa executar uma tarefa motora controlada, apertar a mão, que é um movimento de mão muito importante para estudar em doenças motoras neurológicas . Empregamos imagens paralelas (autocalibração generalizada de aquisições parcialmente paralelas [GRAPPA]), o que permitiu uma maior resolução espacial, resultando em maior sensibilidade ao BOLD. A combinação de fMRI com o dispositivo robótico induzido à mão permitiu o controle e o monitoramento precisos da tarefa que foi executada enquanto um participante estava no scanner; isto pode vir a ser de utilidade na reabilitação da função motora da mão em pacientes que se recuperam de déficits neurológicos (por exemplo, acidente vascular cerebral). Aqui nós esboçamos o protocolo para usar o protótipo atual da MR_CHIROD durante uma varredura de fMRI.
Introduction
Métricas de imagem apropriadas podem monitorar e prever a probabilidade de sucesso da terapia em indivíduos melhor do que avaliações clínicas e fornecer informações para melhorar e individualizar o planejamento terapêutico. Desenvolvemos experiência com pacientes emrecuperação de AVC crônico1,2,3,4,5,6,7. Desenvolver estratégias individualizadas ideais que se concentram em como o treinamento motor pode influenciar a melhoria incremental na reorganização da atividade neural e/ou na função motora ainda é um desafio. Insights sobre os processos subjacentes de remodelação estrutural e reorganização para recuperação funcional no cérebro após a doença neurológica podem nos permitir avaliar a relação entre padrões topográficos distribuídos de atividade neural e recuperação funcional através de métodos de neuroimagem funcional e mapeamento cerebral. O sucesso facilitará o desenvolvimento de estratégias de tratamento personalizadas otimizadas para produzir melhorias na força de aderência em ampla população com condições neurológicas baseadas em métricas de ressonância magnética (RM)9.
Aqui apresentamos um protocolo que emprega um dispositivo robótico de mão recém-redesenhado que fornece uma força de resistência controlável contra a qual um sujeito se aperto e libera uma alça em sincronia com um estímulo visual oscilante. O MR_CHIROD v3 (dispositivo robotic induzido à mão compatível com RM) é um sistema de apresentação de forças ajustáveis contra as quais movimentos emocionantes e liberadores são realizados, enquanto medem e registram força aplicada, deslocamento de aderência e carimbos de tempo para cada ponto de dados(Figura 1). O dispositivo foi projetado para fornecer avaliações confiáveis de imagens de ativação cerebral durante a fMRI (ressonância magnética funcional), que pode ser usada para avaliar as alterações dependentes do nível de oxigênio sanguíneo (BOLD) nas respostas cerebrais de pacientes que se recuperam de distúrbios neurológicos. A compatibilidade com MR é alcançada através do uso de componentes totalmente não ferrosos/não magnéticos para os elementos estruturaeatuador pneumático e componentes sensor/eletrônicos blindados que estão posicionados na cama do scanner. Figura 2 mostra o dispositivo ligado a uma cama de scanner MR, e com um assunto no ímã furo segurando a alça do MR_CHIROD v3 (Figura 3). Os componentes de interface e controle estão posicionados fora da sala do scanner de ressonância magnética(Figura 4).
O dispositivo é usado simultaneamente com métodos de imagem cerebral para avaliar as ativações cerebrais relevantes. O uso primário do sistema é fornecer uma tarefa motora que gera ativações das áreas motoras do cérebro, que são detectadas usando fMRI. A ativação cerebral durante o uso do MR_CHIROD durante a imagem pode avaliar a neuroplasticidade na doença neurológica. Ao rastrear mudanças nas ativações no decorrer e após o treinamento motor usando o MR_CHIROD, o progresso da reabilitação motora após qualquer doença neurológica que leve a déficits motores (por exemplo, acidente vascular cerebral) pode ser observado.
O MR_CHIROD v3 também pode ser montado em mesa, para uso em exercícios de treinamento intra-varredura, em que o sujeito apertos e libera em resposta a estímulos visuais adequados para períodos de 45 min, três vezes por semana durante o estudo. Nossa experiência com treinamento em forma robótica, monitorada com imagens, sugere que a janela de recuperação para pacientes com AVC, por exemplo, pode nunca fechar1.
Nossa justificativa para a construção e utilização de um robô compatível com MR mão-grip é que a recuperação robótica tem o potencial de produzir um grande impacto sobre o prejuízo devido à sua implantação fácil, aplicabilidade em várias deficiências motoras, alta confiabilidade de medição, e capacidade de entregar protocolos de treinamento de alta intensidade10. Nosso robô compatível com MR pode: (a) ser definido para faixas de movimento específicas do assunto e ser ajustada programaticamente para aplicar níveis de força específicos do assunto; (b) controle, medida e força de registro e parâmetros de deslocamento através de um computador hospedeiro; (c) ajustar remotamente os parâmetros de controle sem exigir interrupção da digitalização para acesso à sala do scanner de rassou o reposicionamento do sujeito; e (d) fornecer terapia através de exercícios de treinamento com precisão e consistente por longos períodos.
Estamos cientes de nenhum dispositivo robótico de recuperação disponível comercialmente que possa ser usado com um scanner de rasspara muspor a força de aderência e deslocamento da mão do sujeito enquanto aplica a força de variação de tempo controlada por computador. Tsekos et al.11 revisaram uma variedade de dispositivos robóticos e de reabilitação baseados principalmente em pesquisa, compatíveis com MR, incluindo iterações anteriores da série de dispositivos MR_CHIROD. Outros dispositivos foram projetados para estudar o movimento do pulso, o movimento do dedo, a força isométrica do aperto, e os movimentos multi-joint. Para dispositivos que fornecem ativamente forças resistivas ou outras, uma variedade de tecnologias compatíveis com RM foram empregadas, incluindo hidráulica, pneumática, ligações mecânicas e amortecedores de fluidoeletrorilógico. Alguns dispositivos incluem vários graus de liberdade, incluindo outra extensão das versões anteriores MR_CHIROD adicionou um grau rotacional de aplicação de liberdade e força hidráulica, no entanto, não foi adaptado para mr-compatibilidade12.
Nosso dispositivo específico de mão-grip tem as vantagens da portabilidade (é transportado regularmente entre a facilidade do MR e os locais de treinamento escritório-baseados), e a capacidade de produzir forças resistivas grandes, computador-controladas, tempo-variando. O uso atual da tecnologia pneumática no MR_CHIROD evita a necessidade de fontes de alta tensão necessárias para sistemas baseados em fluido eletrorológico, o potencial de vazamento de fluido hidráulico e cabos/ligações complexas ligando o mecanismo de interface com componentes externos de energia e controle.
O MR_CHIROD foi o primeiro dispositivo que foi demonstrado para funcionar em conjunto com fMRI para mapeamento cerebral em pacientes com AVC1. É importante ressaltar que o MR_CHIROD v3 é particularmente útil para treinamento em casa ou de escritório, já que o sistema e seu software foram projetados para uso sem suporte clínico especializado e com elementos motivacionais (“gamificação”). Em relação ao treinamento facilitado pelo fisioterapeuta em um hospital, o treinamento de escritório ou domiciliar é menos caro e mais conveniente, tornando mais fácil para os pacientes aderirem à terapia diária. O dispositivo, já relativamente barato em relação a alguns dos outros dispositivos baseados em pesquisa, pode ser reprojetado para melhorar a relação custo-benefício. A realidade virtual e a gamificação do treinamento, ambos compatíveis com o MR_CHIROD v3, podem envolver os pacientes, aumentar sua atenção durante a tarefa e melhorar a motivação, aumentando assim a eficácia da recuperação13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Apresentamos fMRI de uma tarefa motora usando a versão mais recente de um novo dispositivo robótico, o MR_CHIROD1,2,8. O MR_CHIROD foi projetado executar uma tarefa de aderência de apertar a mão que tem pode ser realizada por pacientes com AVC crônico e tem sido estudada anteriormente1,2,3,4,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado por uma subvenção do Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Acidente Vascular Cerebral (Grant número 1R01NS105875-01A1) dos Institutos Nacionais de Saúde para A. Aria Tzika. Este trabalho foi realizado no Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Queremos agradecer ao diretor Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. e membros da equipe do Martinos Center por seu apoio. Queremos agradecer ainda ao Sr. Christian Pusatere e ao Sr. Michael Armanini por sua ajuda na execução de experimentos. Por fim, agradecemos ao Dr. Michael A. Moskowitz e ao Dr. Rosen por sua orientação na concepção e desenvolvimento da série MR_CHIROD de dispositivos e dos estudos de AVC associados.
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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