Funktionell MRI i samband med en roman MRI-kompatibel hand-inducerad Robotic enhet för att utvärdera rehabilitering av individer återhämta sig från hand grepp underskott
Summary
Vi utförde funktionell MRI med en roman MRI-kompatibel hand-inducerad Robotic enhet för att utvärdera dess verktyg för övervakning hand motorisk funktion hos individer återhämta sig från neurologiska underskott.
Abstract
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är en icke-invasiv magnetisk resonanstomografi teknik som avbildar hjärnaktivering in vivo, med endogent deoxyhemoglobin som ett endogent kontrastmedel för att upptäcka förändringar i blod-nivå-beroende syresättning (fet effekt). Vi kombinerade fMRI med en roman Robotic Device (MR-kompatibel hand-inducerad Robotic Device [MR_CHIROD]) så att en person i skannern kan utföra en kontrollerad motor uppgift, hand-klämma, vilket är en mycket viktig handrörelse för att studera i neurologisk motorisk sjukdom . Vi använde parallell avbildning (generaliserad autokalibrerande delvis parallella förvärv [GRAPPA]), vilket tillät högre rumslig upplösning vilket resulterade i ökad känslighet för fet. Kombinationen av fMRI med den handinducerade robot enheten tillät exakt kontroll och övervakning av den uppgift som utfördes medan en deltagare befann sig i skannern. Detta kan visa sig vara av nytta i rehabilitering av hand motorisk funktion hos patienter som återhämtar sig från neurologiska underskott (t. ex. stroke). Här beskriver vi protokollet för att använda den aktuella prototypen av MR_CHIROD under en fMRI-skanning.
Introduction
Lämpliga Imaging mätvärden kan övervaka och förutsäga sannolikheten för behandling framgång hos individer bättre än kliniska bedömningar och ge information för att förbättra och individualisera terapi planering. Vi har utvecklat erfarenhet av patienter som återhämtar sig från kronisk stroke1,2,3,4,5,6,7,8. Utveckla optimala individualiserade strategier som fokuserar på hur motorisk träning kan påverka inkrementell förbättring antingen i omorganisation av neurala aktivitet och/eller motorisk funktion är fortfarande utmanande. Insikter i den underliggande strukturella remodeling och omorganisering processer för funktionell återhämtning i hjärnan efter neurologisk sjukdom kan tillåta oss att utvärdera sambandet mellan distribuerade topografiska mönster av neurala aktivitet och funktionell återhämtning via funktionella neuroimaging metoder och hjärnavbildning. Framgång kommer att underlätta utveckling av individanpassade behandlingsstrategier optimerade för att ge bättre greppstyrka i bred population med neurologiska tillstånd baserade på magnetisk resonanstomografi (MRI) Metrics9.
Här presenterar vi ett protokoll som sysselsätter en nyligen re-designade Robotic hand enhet som ger en kontrollerbar motståndskraft mot vilken ett ämne grepp och frigör ett handtag i Synchrony med en oscillerande visuell stimulans. Den MR_CHIROD v3 (MR-kompatibel hand-inducerad RObotic Device) är ett system för presentation av justerbara krafter mot vilka gripande och släppa rörelser utförs, medan mätning och inspelning tillämpad kraft, grepp förskjutning och tidsstämplar för varje datapunkt (figur 1). Enheten var konstruerad för att ge tillförlitliga bedömningar av hjärnan aktiverings bilder under fMRI (funktionell magnetisk resonanstomografi), som kan användas för att utvärdera blod-syre-nivå beroende (fet) förändringar i hjärnan svar av patienter som återhämtar sig från neurologiska sjukdomar. MR-kompatibilitet uppnås genom användning av helt icke-järnhaltiga/icke-magnetiska komponenter för struktur och pneumatiska ställdon element och skärmad sensor/elektroniska komponenter som är placerade på skannerns säng. Figur 2 visar den enhet som är ansluten till en Mr-skanner och med ett motiv i magnet hålet som griper tag i handtaget på MR_CHIROD v3 (figur 3). Gränssnitts-och kontroll komponenterna är placerade utanför MR-skannerns rum (figur 4).
Enheten används samtidigt med hjärnavbildningsmetoder för att bedöma relevanta hjärn aktiveringar. Den primära användningen av systemet är att ge en motorisk uppgift som genererar aktiveringar av hjärnans motoriska områden, som upptäcks med hjälp av fMRI. Hjärnaktivering när du använder MR_CHIROD under Imaging kan bedöma neuroplasticitet i neurologisk sjukdom. Genom att spåra förändringar i aktiveringar under loppet av och efter motorisk träning med hjälp av MR_CHIROD, kan utvecklingen av motorisk rehabilitering efter någon neurologisk sjukdom som leder till motoriska underskott (t. ex. stroke) observeras.
Den MR_CHIROD v3 kan också vara bordmonterad, för användning i intra-Scan övningar, där motivet grepp och utsläpp som svar på lämpliga visuella stimuli för perioder av 45 min, tre gånger per vecka under studien. Vår erfarenhet med robotically levererade utbildning, övervakas med Imaging, tyder på att återhämtnings fönstret för strokepatienter till exempel kan aldrig stänga1.
Vår motivering för att bygga och använda en MR-kompatibel hand-Grip robot är att Robotic återhämtning har potential att producera en stor inverkan på försämring på grund av dess enkla driftsättning, tillämplighet över olika motoriska funktionsnedsättningar, hög mätning tillförlitlighet, och kapacitet att leverera hög intensitet utbildning protokoll10. Vår MR-kompatibla robot kan: (a) ställas in för ämnesspecifika rörelseomfång och programmässigt anpassas för att tillämpa ämnesspecifika kraftnivåer; b) kontrollera, mäta och registrera kraft-och förskjutnings parametrar via en värddator. (c) fjärrjustera styrparametrar utan att kräva avbrott i skanning för åtkomst till MR-skannerns rum eller ompositionering av motivet; och (d) ge behandling via träningsövningar exakt och konsekvent under längre perioder.
Vi är medvetna om ingen kommersiellt tillgänglig återvinning Robotic enhet som kan användas med en MR scanner för att mäta motivet hand greppkraft och förskjutning samtidigt som datorstyrda tidsvarierande kraft. Tsekos et al.11 har granskat en rad främst FORSKNINGSBASERADE, Mr-kompatibla robot-och rehabiliterings enheter, inklusive tidigare iterationer av MR_CHIROD serien av enheter. Andra enheter har utformats för att studera handled rörelse, fingerrörelse, isometrisk greppstyrka, och flera gemensamma rörelser. För enheter som aktivt tillhandahåller resistiva eller andra krafter har en mängd MR-kompatibla teknologier använts, inklusive hydraulik, pneumatik, mekaniska länkage och elektromagnetiska vätske dämpare. Vissa enheter har flera frihetsgrader, inklusive en annan förlängning av tidigare MR_CHIROD versioner lagt till en rotations grad av frihet och hydraulisk kraft ansökan, men det var inte anpassad för MR-kompatibilitet12.
Vår hand-Grip-specifik enhet har fördelarna med portabilitet (det är regelbundet transporteras mellan MR anläggning och kontor-baserade utbildningsplatser), och förmåga att producera stora, datorstyrda, tidsvarierande resistiva styrkor. Nuvarande användning av pneumatisk teknik i MR_CHIROD undviker behovet av högspännings källor som behövs för Elektro-reologiska vätskebaserade system, potentialen för läckage av hydraulvätska, och komplexa kabel/kopplingar som förbinder gränssnittsmekanismen med externa kraft-och kontrollkomponenter.
MR_CHIROD var den första enheten som demonstrerades för att fungera tillsammans med fMRI för hjärnavbildning hos strokepatienter1. Viktigt är att MR_CHIROD v3 är särskilt användbart för hem-eller Office-baserad utbildning, eftersom systemet och dess programvara har utformats för användning utan expert kliniskt stöd och med motiverande element (“gamification”). I förhållande till sjukgymnast-underlättade utbildning i ett sjukhus, Office-eller hembaserad utbildning är billigare och bekvämare, vilket gör det lättare för patienter att följa daglig behandling. Enheten, redan relativt billigt i förhållande till några av de andra forskningsbaserade enheter, kan omarbetas för att förbättra förhållandet mellan kostnad och nytta. Virtuell verklighet och gamification av utbildning, som båda är förenliga med MR_CHIROD v3, kan engagera patienter, öka deras uppmärksamhet under uppgiften, och förbättra motivationen, vilket ökar effektiviteten av återhämtning13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterar fMRI av en motor uppgift med den senaste versionen av en roman Robotic Device, MR_CHIROD1,2,8. MR_CHIROD har utformats för att utföra en hand-klämma grepp uppgift som kan utföras av kroniska stroke patienter och har studerats tidigare1,2,3,4,5,…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av ett bidrag från det nationella institutet för neurologiska sjukdomar och stroke (Grant Number 1R01NS105875-01A1) av National Institutes of Health till A. aria Tzika. Detta arbete utfördes på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging. Vi vill tacka regissören Dr Bruce R. Rosen, MD, Ph.D. och medlemmar av Martinos Center personal för deras stöd. Vi vill också tacka Christian Pusatere och Michael Armanini för deras hjälp med att driva experiment. Slutligen tackar vi Dr Michael A. Moskowitz och Dr. Rosen för deras vägledning i utformningen och utvecklingen av MR_CHIROD serie av enheter och tillhörande stroke studier.
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
- 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).
