Resonancia magnética funcional en conjunto con un nuevo dispositivo robótico inducido por RMN para evaluar la rehabilitación de las personas que se recuperan de los déficits de agarre de manos
Summary
Realizamos una resonancia magnética funcional utilizando un nuevo dispositivo robótico inducido a mano compatible con RMN para evaluar su utilidad para monitorear la función motora de la mano en individuos que se recuperan de déficits neurológicos.
Abstract
La resonancia magnética funcional (fMRI) es una técnica de resonancia magnética no invasiva que toma imágenes de la activación cerebral in vivo, utilizando la desoxihemoglobina endógena como agente de contraste endógeno para detectar cambios en el nivel de sangre dependiente oxigenación (efecto BOLD). Combinamos fMRI con un novedoso dispositivo robótico (dispositivo robótico inducido a mano compatible con RM [MR_CHIROD]) para que una persona en el escáner pueda ejecutar una tarea motora controlada, apretar a mano, que es un movimiento de mano muy importante para estudiar en enfermedades motoras neurológicas . Empleamos imágenes paralelas (calibración automática generalizada de adquisiciones parcialmente paralelas [GRAPPA]), lo que permitió una mayor resolución espacial, lo que permitió una mayor sensibilidad a BOLD. La combinación de fMRI con el dispositivo robótico inducido a mano permitió un control preciso y monitoreo de la tarea que se ejecutó mientras un participante estaba en el escáner; esto puede resultar ser útil en la rehabilitación de la función motora de la mano en pacientes que se recuperan de déficits neurológicos (por ejemplo, accidente cerebrovascular). Aquí delineamos el protocolo para utilizar el prototipo actual del MR_CHIROD durante un escaneo fMRI.
Introduction
Las métricas de diagnóstico por imágenes adecuadas pueden monitorear y predecir la probabilidad de éxito de la terapia en individuos mejor que las evaluaciones clínicas y proporcionar información para mejorar e individualizar la planificación de la terapia. Hemos desarrollado experiencia con pacientes recuperándose de accidente cerebrovascular crónico1,2,3,4,5,6,7,8. Desarrollar estrategias individualizadas óptimas que se centren en cómo el entrenamiento motor puede influir en la mejora incremental, ya sea en la reorganización de la actividad neuronal y / o la función motora sigue siendo un desafío. La información sobre los procesos subyacentes de remodelación estructural y reorganización para la recuperación funcional en el cerebro después de una enfermedad neurológica puede permitirnos evaluar la relación entre los patrones topográficos distribuidos de actividad neuronal y la recuperación funcional a través de métodos de neuroimagen funcional y mapeo cerebral. El éxito facilitará el desarrollo de estrategias de tratamiento personalizadas optimizadas para producir mejoras en la fuerza del agarre en una amplia población con condiciones neurológicas basadas en las métricas de resonancia magnética (RM)9.
Aquí presentamos un protocolo que emplea un dispositivo de mano robótico de nuevo diseño que proporciona una fuerza de resistencia controlable contra la cual un sujeto se agarra y libera un mango en sincronía con un estímulo visual oscilante. El MR_CHIROD v3 (dispositivo rólogo inducido a mano compatible con MR) es un sistema para la presentación de fuerzas ajustables contra las que se realizan movimientos de agarre y liberación, mientras que la medición y grabación de la fuerza aplicada, el desplazamiento de agarre y las marcas de tiempo para cada punto de datos (Figura 1). El dispositivo fue diseñado para proporcionar evaluaciones confiables de las imágenes de activación cerebral durante la fMRI (imágenes de resonancia magnética funcional), que se puede utilizar para evaluar los cambios dependientes del nivel de oxígeno en la sangre (BOLD) en las respuestas cerebrales de los pacientes que se recuperan de trastornos neurológicos. La compatibilidad con RM se logra mediante el uso de componentes totalmente no ferrosos/no magnéticos para la estructura y elementos del actuador neumático y componentes electrónicos/sensores blindados que se colocan en la cama del escáner. La Figura 2 muestra el dispositivo conectado a una cama del escáner MR, y con un sujeto en el orificio del imán agarrando el mango del MR_CHIROD v3(Figura 3). Los componentes de interfaz y control se colocan fuera de la sala del escáner MR(Figura 4).
El dispositivo se utiliza simultáneamente con métodos de imágenes cerebrales para evaluar las activaciones cerebrales relevantes. El uso principal del sistema es proporcionar una tarea motora que genera activaciones de las áreas motoras del cerebro, que se detectan mediante fMRI. La activación cerebral durante el uso de la MR_CHIROD durante la toma de imágenes puede evaluar la neuroplasticidad en enfermedades neurológicas. Mediante el seguimiento de los cambios en las activaciones en el curso y después del entrenamiento motor utilizando el MR_CHIROD, se puede observar el progreso de la rehabilitación motora después de cualquier enfermedad neurológica que conduzca a déficits motores (por ejemplo, accidente cerebrovascular).
El MR_CHIROD v3 también se puede montar en la mesa, para su uso en ejercicios de entrenamiento intra-scan, en los que el sujeto se agarra y libera en respuesta a estímulos visuales adecuados durante períodos de 45 min, tres veces por semana durante el estudio. Nuestra experiencia con entrenamiento robóticamente entregado, monitoreado con imágenes, sugiere que la ventana de recuperación para pacientes con accidente cerebrovascular, por ejemplo, nunca puede cerrar1.
Nuestra razón para construir y utilizar un robot de agarre manual compatible con MR es que la recuperación robótica tiene el potencial de producir un gran impacto en el deterioro debido a su fácil despliegue, aplicabilidad en diversas deficiencias motoras, alta fiabilidad de medición y capacidad para ofrecer protocolos de entrenamiento de alta intensidad10. Nuestro robot compatible con MR puede: (a) ajustarse para rangos de movimiento específicos del sujeto y ajustarse mediante programación para aplicar niveles de fuerza específicos del sujeto; (b) controlar, medir y registrar los parámetros de fuerza y desplazamiento a través de un ordenador host; (c) ajustar remotamente los parámetros de control sin requerir la interrupción del escaneo para el acceso a la sala del escáner MR o el reposicionamiento del sujeto; y (d) proporcionar terapia a través de ejercicios de entrenamiento de manera precisa y consistente durante períodos prolongados.
Somos conscientes de que no hay ningún dispositivo robótico de recuperación disponible comercialmente que pueda utilizarse con un escáner MR para medir la fuerza y el desplazamiento de agarre de la mano del sujeto mientras aplicamos la fuerza de variación de tiempo controlada por computadora. Tsekos et al.11 han revisado una variedad de dispositivos robóticos y de rehabilitación basados principalmente en investigación, compatibles con MR, incluyendo iteraciones anteriores de la serie de dispositivos MR_CHIROD. Otros dispositivos fueron diseñados para estudiar el movimiento de la muñeca, el movimiento de los dedos, la fuerza de agarre isométrica y los movimientos multiarticulares. Para los dispositivos que proporcionan activamente fuerzas resistivas u otras, se han empleado una variedad de tecnologías compatibles con MR, incluyendo hidráulica, neumática, varillajes mecánicos y amortiguadores de fluidos electrorheológicos. Algunos dispositivos incluyen múltiples grados de libertad, incluyendo otra extensión de las versiones anteriores MR_CHIROD añadió un grado de libertad rotacional y aplicación de fuerza hidráulica, sin embargo no fue adaptado para la compatibilidad mr12.
Nuestro dispositivo específico para agarre de mano tiene las ventajas de la portabilidad (se transporta regularmente entre las instalaciones de RM y los sitios de entrenamiento basados en oficinas), y la capacidad de producir grandes fuerzas resistivas controladas por computadora y que varían en el tiempo. El uso actual de la tecnología neumática en el MR_CHIROD evita la necesidad de fuentes de alto voltaje necesarias para los sistemas electroreológicos basados en fluidos, el potencial de fuga de fluido hidráulico y cables/enlaces complejos que unen el mecanismo de interfaz con componentes externos de alimentación y control.
El MR_CHIROD fue el primer dispositivo que se demostró que funcionaba junto con la fMRI para el mapeo cerebral en pacientes con accidente cerebrovascular1. Es importante destacar que el MR_CHIROD v3 es particularmente útil para la formación en el hogar u oficina, ya que el sistema y su software fueron diseñados para su uso sin apoyo clínico experto y con elementos motivacionales (“gamificación”). En relación con el entrenamiento facilitado por fisioterapeutas en un hospital, la oficina o el entrenamiento en el hogar es menos costoso y más conveniente, lo que facilita que los pacientes se adhieran a la terapia diaria. El dispositivo, que ya es relativamente económico en relación con algunos de los otros dispositivos basados en la investigación, se puede rediseñar para mejorar la relación costo-beneficio. La realidad virtual y la gamificación de la formación, ambas compatibles con la MR_CHIROD v3, pueden captar a los pacientes, aumentar su atención durante la tarea, y mejorar la motivación, aumentando así la eficacia de la recuperación13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Presentamos fMRI de una tarea motora utilizando la última versión de un nuevo dispositivo robótico, el MR_CHIROD1,2,8. El MR_CHIROD ha sido diseñado para ejecutar una tarea de agarre de compás que ha podido ser realizada por pacientes con accidente cerebrovascular crónico y que se ha estudiado previamente1,2,3,<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por una subvención del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (Número de Subvención 1R01NS105875-01A1) de los Institutos Nacionales de Salud a A. Aria Tzika. Este trabajo se realizó en el Centro Athinoula A. Martinos para imágenes biomédicas. Deseamos agradecer al Director Dr. Bruce R. Rosen, M.D., Ph.D. y a los miembros del personal del Centro Martinos por su apoyo. Además, deseamos dar las gracias al Sr. Christian Pusatere y al Sr. Michael Armanini por su asistencia en la ejecución de experimentos. Por último, agradecemos al Dr. Michael A. Moskowitz y al Dr. Rosen su orientación en la concepción y desarrollo de la MR_CHIROD serie de dispositivos y los estudios de accidente cerebrovascular asociados.
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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