हाथ पकड़ घाटे से उबरने वाले व्यक्तियों के पुनर्वास का मूल्यांकन करने के लिए एक उपन्यास एमआरआई संगत हाथ से प्रेरित रोबोट डिवाइस के साथ संयोजन के रूप में कार्यात्मक एमआरआई
Summary
हमने न्यूरोलॉजिकल घाटे से उबरने वाले व्यक्तियों में हाथ मोटर फ़ंक्शन की निगरानी के लिए अपनी उपयोगिता का मूल्यांकन करने के लिए एक उपन्यास एमआरआई-संगत हाथ से प्रेरित रोबोटिक डिवाइस का उपयोग करके कार्यात्मक एमआरआई किया।
Abstract
कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) एक गैर-इनवेसिव चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तकनीक है जो वीवो में मस्तिष्क सक्रियण की छवियां, रक्त-स्तर-निर्भर में परिवर्तन का पता लगाने के लिए एक एंडोजेनस विपरीत एजेंट के रूप में एंडोजेनस डिऑक्सीहेमोग्लोबिन का उपयोग करती है ऑक्सीजनेशन (बोल्ड प्रभाव)। हमने एफएमआरआई को एक उपन्यास रोबोटिक डिवाइस (एमआर-संगत हाथ से प्रेरित रोबोटिक डिवाइस [MR_CHIROD]) के साथ संयुक्त किया ताकि स्कैनर में एक व्यक्ति नियंत्रित मोटर कार्य, हाथ फैलाएंगे, जो न्यूरोलॉजिकल मोटर रोग में अध्ययन करने के लिए एक बहुत महत्वपूर्ण हाथ आंदोलन है, पर अमल कर सके . हमने समानांतर इमेजिंग (सामान्यीकृत ऑटो-कैलिब्रेटिंग आंशिक रूप से समानांतर अधिग्रहण [GRAPPA]) कार्यरत किया, जिसने उच्च स्थानिक संकल्प की अनुमति दी जिसके परिणामस्वरूप बोल्ड के प्रति संवेदनशीलता बढ़ गई। हाथ से प्रेरित रोबोट डिवाइस के साथ एफएमआरआई के संयोजन ने सटीक नियंत्रण और कार्य की निगरानी की अनुमति दी जिसे निष्पादित किया गया था जबकि एक प्रतिभागी स्कैनर में था; यह न्यूरोलॉजिकल घाटे (जैसे, स्ट्रोक) से उबरने वाले रोगियों में हाथ मोटर समारोह के पुनर्वास में उपयोगिता साबित हो सकता है। यहां हम एक fMRI स्कैन के दौरान MR_CHIROD के वर्तमान प्रोटोटाइप का उपयोग करने के लिए प्रोटोकॉल की रूपरेखा ।
Introduction
उपयुक्त इमेजिंग मैट्रिक्स की निगरानी और नैदानिक आकलन से बेहतर व्यक्तियों में चिकित्सा सफलता की संभावना की भविष्यवाणी और चिकित्सा योजना में सुधार और व्यक्तिगत करने के लिए जानकारी प्रदान कर सकते हैं । हमने क्रोनिक स्ट्रोक1,2,3,4,5,6,7,8से उबरने वाले रोगियों के साथ अनुभव विकसित किया है . इष्टतम व्यक्तिगत रणनीतियों का विकास करना जो इस बात पर ध्यान केंद्रित करते हैं कि मोटर प्रशिक्षण तंत्रिका गतिविधि के पुनर्गठन में वृद्धिशील सुधार को कैसे प्रभावित कर सकता है और/या मोटर फ़ंक्शन अभी भी चुनौतीपूर्ण है । न्यूरोलॉजिकल रोग के बाद मस्तिष्क में कार्यात्मक वसूली के लिए अंतर्निहित संरचनात्मक पुनर्मॉडलिंग और फिर से संगठन प्रक्रियाओं में अंतर्दृष्टि हमें कार्यात्मक न्यूरोइमेजिंग विधियों और मस्तिष्क मानचित्रण के माध्यम से तंत्रिका गतिविधि और कार्यात्मक वसूली के वितरित स्थलाकृतिक पैटर्न के बीच संबंधों का मूल्यांकन करने की अनुमति दे सकती है। सफलता चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) मैट्रिक्स9के आधार पर न्यूरोलॉजिकल स्थितियों के साथ व्यापक आबादी में पकड़ शक्ति में सुधार करने के लिए अनुकूलित व्यक्तिगत उपचार रणनीतियों को विकसित करने की सुविधा प्रदान करेगी।
यहां हम एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं जो एक नए फिर से डिज़ाइन किए गए रोबोटिक हैंड डिवाइस को नियोजित करता है जो एक नियंत्रणीय प्रतिरोध बल प्रदान करता है जिसके खिलाफ एक विषय पकड़ता है और एक दोलन दृश्य उत्तेजना के साथ सिंक्रोनी में एक हैंडल जारी करता है। MR_CHIROD v3 (एमआर-संगत हाथ से प्रेरित RObotic डिवाइस) समायोज्य बलों की प्रस्तुति के लिए एक प्रणाली है जिसके खिलाफ मनोरंजक और गति जारी की जाती है, जबकि प्रत्येक डेटा बिंदु के लिए लागू बल, पकड़ विस्थापन और टाइमस्टैंप को मापने और रिकॉर्ड करते हैं(चित्रा 1)। डिवाइस को एफएमआरआई (कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग) के दौरान मस्तिष्क सक्रियण छवियों का विश्वसनीय आकलन प्रदान करने के लिए इंजीनियर किया गया था, जिसका उपयोग न्यूरोलॉजिकल विकारों से उबरने वाले रोगियों के मस्तिष्क प्रतिक्रियाओं में रक्त-ऑक्सीजन स्तर के निर्भर (बोल्ड) परिवर्तनों का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है। एमआर-अनुकूलता संरचना और वायवीय एक्ट्यूएटर तत्वों और स्कैनर के बिस्तर पर तैनात सेंसर/इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए पूरी तरह से गैर-लौह/गैर-चुंबकीय घटकों के उपयोग के माध्यम से प्राप्त की जाती है । चित्रा 2 एक एमआर स्कैनर बिस्तर से जुड़ी डिवाइस से पता चलता है, और चुंबक बोर में एक विषय के साथ MR_CHIROD v3(चित्रा 3)के संभाल लोभी । इंटरफेस और नियंत्रण घटक एमआर स्कैनर रूम(चित्रा 4)के बाहर तैनात हैं।
डिवाइस प्रासंगिक मस्तिष्क सक्रियणों का आकलन करने के लिए मस्तिष्क इमेजिंग विधियों के साथ एक साथ प्रयोग किया जाता है। सिस्टम का प्राथमिक उपयोग एक मोटर कार्य प्रदान करना है जो मस्तिष्क के मोटर क्षेत्रों की सक्रियण उत्पन्न करता है, जो एफएमआरआई का उपयोग करके पता लगाया जाता है। इमेजिंग के दौरान MR_CHIROD का उपयोग करते समय मस्तिष्क सक्रियण न्यूरोलॉजिकल रोग में न्यूरोप्लास्टिसिटी का आकलन कर सकता है। MR_CHIROD का उपयोग करके मोटर प्रशिक्षण के दौरान और बाद में सक्रियणों में परिवर्तन ों पर नज़र रखकर, किसी भी न्यूरोलॉजिकल बीमारी के बाद मोटर पुनर्वास की प्रगति देखी जा सकती है जो मोटर घाटे (जैसे, स्ट्रोक) की ओर जाता है।
MR_CHIROD v3 भी मेज पर चढ़कर किया जा सकता है, अंतर स्कैन प्रशिक्षण अभ्यास में उपयोग के लिए, जिसमें विषय पकड़ती है और ४५ मिन की अवधि के लिए उपयुक्त दृश्य उत्तेजनाओं के जवाब में विज्ञप्ति, अध्ययन के दौरान प्रति सप्ताह तीन बार । रोबोटिक रूप से दिया प्रशिक्षण के साथ हमारे अनुभव, इमेजिंग के साथ निगरानी की, पता चलता है कि उदाहरण के लिए स्ट्रोक रोगियों के लिए वसूली खिड़की1बंद कभी नहीं हो सकता है ।
एमआर-संगत हाथ से पकड़ रोबोट के निर्माण और उपयोग के लिए हमारा तर्क यह है कि रोबोटिक रिकवरी में अपनी आसान तैनाती, विभिन्न मोटर हानि, उच्च माप विश्वसनीयता और उच्च तीव्रता प्रशिक्षण प्रोटोकॉल10देने की क्षमता के कारण हानि पर एक बड़ा प्रभाव पैदा करने की क्षमता है। हमारे एमआर-संगत रोबोट कर सकते हैं: (क) गति की विषय-विशिष्ट श्रेणियों के लिए सेट किया जा सकता है और विषय-विशिष्ट बल स्तरों को लागू करने के लिए प्रोग्रामेटिक रूप से समायोजित किया जा सकता है; (ख) मेजबान कंप्यूटर के माध्यम से नियंत्रण, माप और रिकॉर्ड बल और विस्थापन मापदंड; (ग) एमआर स्कैनर कक्ष तक पहुंच या विषय की पुन: स्थान ा्यता के लिए स्कैनिंग में रुकावट की आवश्यकता के बिना नियंत्रण मापदंडों को दूरस्थ रूप से समायोजित करें; और (डी) विस्तारित अवधि के लिए ठीक और लगातार प्रशिक्षण अभ्यास के माध्यम से चिकित्सा प्रदान करते हैं ।
हम कोई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध वसूली रोबोट डिवाइस है कि एक एमआर स्कैनर के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है विषय के हाथ पकड़ बल और विस्थापन को मापने के लिए जबकि कंप्यूटर नियंत्रित समय अलग बल लागू करने के बारे में पता कर रहे हैं । Tsekos एट अल11 मुख्य रूप से अनुसंधान आधारित, एमआर संगत रोबोट और पुनर्वास उपकरणों की एक किस्म की समीक्षा की है, उपकरणों की MR_CHIROD श्रृंखला के पहले पुनरावृत्तियों सहित । अन्य उपकरणों को कलाई गति, उंगली गति, आइसोमेट्रिक ग्रिप ताकत और बहु-संयुक्त आंदोलनों का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। सक्रिय रूप से प्रतिरोधक या अन्य बलों को प्रदान करने वाले उपकरणों के लिए, हाइड्रोलिक्स, वायवीय, यांत्रिक लिंकेज और इलेक्ट्रोरेओलॉजिकल फ्लूइड स्पंज सहित विभिन्न प्रकार की एमआर-संगत प्रौद्योगिकियों को नियोजित किया गया है। कुछ उपकरणों में स्वतंत्रता की कई डिग्री शामिल हैं, जिनमें पहले के MR_CHIROD संस्करणों का एक और विस्तार शामिल है, जिसमें स्वतंत्रता और हाइड्रोलिक बल आवेदन की एक घूर्णन डिग्री जोड़ी गई थी, हालांकि इसे एमआर-अनुकूलता12के लिए अनुकूलित नहीं किया गया था।
हमारे हाथ पकड़ विशिष्ट डिवाइस पोर्टेबिलिटी के फायदे है (यह नियमित रूप से एमआर सुविधा और कार्यालय आधारित प्रशिक्षण साइटों के बीच ले जाया जाता है), और बड़े, कंप्यूटर नियंत्रित, समय अलग प्रतिरोधी बलों के उत्पादन की क्षमता । MR_CHIROD में वायवीय प्रौद्योगिकी का वर्तमान उपयोग इलेक्ट्रो-रिओलॉजिकल फ्लूइड-आधारित प्रणालियों के लिए आवश्यक उच्च वोल्टेज स्रोतों की आवश्यकता, हाइड्रोलिक द्रव के रिसाव की क्षमता, और इंटरफ़ेस तंत्र को बाहरी शक्ति और नियंत्रण घटकों से जोड़ने वाले जटिल केबल/लिंकेज की आवश्यकता से बचा जाता है ।
MR_CHIROD पहला उपकरण था जिसे स्ट्रोक रोगियों में ब्रेन मैपिंग के लिए एफएमआरआई के साथ मिलकर कार्य करने के लिए प्रदर्शित किया गया था1. महत्वपूर्ण बात, MR_CHIROD v3 घर या कार्यालय आधारित प्रशिक्षण के लिए विशेष रूप से उपयोगी है, क्योंकि सिस्टम और उसके सॉफ्टवेयर को विशेषज्ञ नैदानिक समर्थन के बिना और प्रेरक तत्वों (“गेमिफिकेशन”) के साथ उपयोग के लिए डिज़ाइन किया गया था। एक अस्पताल, कार्यालय या घर आधारित प्रशिक्षण में शारीरिक चिकित्सक की सुविधा प्रशिक्षण के सापेक्ष कम महंगा और अधिक सुविधाजनक है, यह आसान रोगियों के लिए दैनिक चिकित्सा का पालन करने के लिए बना रही है । डिवाइस, पहले से ही अन्य अनुसंधान आधारित उपकरणों में से कुछ के सापेक्ष अपेक्षाकृत सस्ती, लागत से लाभ अनुपात में सुधार करने के लिए फिर से इंजीनियर किया जा सकता है । आभासी वास्तविकता और प्रशिक्षण का गेमिफिकेशन, दोनों MR_CHIROD v3 के साथ संगत हैं, रोगियों को शामिल कर सकते हैं, कार्य के दौरान उनका ध्यान बढ़ा सकते हैं, और प्रेरणा में सुधार कर सकते हैं, इस प्रकार वसूली13की प्रभावशीलता में वृद्धि कर सकते हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
हम एक उपन्यास रोबोट डिवाइस, MR_CHIROD1,2,8 के नवीनतम संस्करण का उपयोग कर एक मोटर कार्य के fMRI पेश करतेहैं। MR_CHIROD को हाथ से निचोड़ने वाले ग्रिप टास्क को निष्पादित करने के लिए डिजाइ…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को राष्ट्रीय न्यूरोलॉजिकल डिसऑर्डर एंड स्ट्रोक संस्थान (अनुदान संख्या 1R01NS105875-01A1) से ए एरिया Tzika को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान ों के अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था । यह काम एथिनोला ए मार्टिनोस सेंटर फॉर बायोमेडिकल इमेजिंग में किया गया था। हम निदेशक डॉ ब्रूस आर रोसेन, एमडी, पीएचडी और मार्टिनोस सेंटर स्टाफ के सदस्यों को उनके समर्थन के लिए धन्यवाद देना चाहते हैं । हम आगे श्री क्रिश्चियन पुसेट्रे और श्री माइकल अरमानिनी को प्रयोग चलाने में सहायता के लिए धन्यवाद देना चाहते हैं । अंत में, हम डॉ माइकल ए Moskowitz और डॉ रोसेन को उपकरणों की MR_CHIROD श्रृंखला और संबद्ध स्ट्रोक अध्ययन की अवधारणा और विकास में उनके मार्गदर्शन के लिए धन्यवाद देते हैं ।
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 |
Referências
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