MRI פונקציונלי בשילוב עם ה-MRI הרומן תואם יד המכשיר הרובוטי כדי להעריך שיקום של אנשים התאוששות מאחוז אחיזת ידיים
Summary
אנו ביצעו MRI פונקציונלי באמצעות התקן MRI המושרה ביד המכשיר רובוטית להעריך את השירות שלה עבור ניטור מנוע יד פונקציה אצל אנשים שמתחלים מפני חסרונות נוירולוגיים.
Abstract
תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה (fMRI) היא טכניקה לא פולשנית תהודה מגנטית הדמיה כי תמונות המוח הפעלה vivo, באמצעות deoxyhemoglobin המוגלובין כסוכן ניגודיות אנדוגניים לזהות שינויים ברמת הדם תלוי חמצן (אפקט מודגש). אנו משולבים fMRI עם מכשיר רובוטי הרומן (MR-תואם יד המושרה המכשיר הרובוטי [MR_CHIROD]) כך אדם בסורק יכול לבצע משימה מוטורית מבוקרת, יד לסחוט, שהיא תנועת יד חשובה מאוד ללמוד במחלות נוירולוגיות מנוע . אנו מועסקים הדמיה מקבילה (כיול אוטומטי מוכללת רכישות מקבילות חלקית [גראפה]), אשר אפשרה רזולוציה מרחבית גבוהה יותר וכתוצאה מכך רגישות מוגברת למודגש. השילוב של fMRI עם המכשיר הרובוטי המושרה בעבודת יד איפשר שליטה וניטור מדויקים של המשימה שבוצעה בזמן שמשתתף היה בסורק; זה עשוי להוכיח להיות השירות בשיקום של תפקוד מנוע יד בחולים התאוששות מפני כמות נוירולוגית (g., שבץ). כאן אנו מתווה את הפרוטוקול לשימוש באבטיפוס הנוכחי של הMR_CHIROD במהלך סריקת fMRI.
Introduction
מדדי הדמיה מתאימים עשויים לפקח ולנבא את הסבירות של הצלחה טיפולית אצל אנשים טובים יותר מאשר הערכות קליניות ולספק מידע כדי לשפר ולממש את תכנון הטיפול. פיתחנו ניסיון עם מטופלים מתאושש משבץ כרוני1,2,3,4,5,6,7,8. פיתוח אסטרטגיות מיטביות מיטבית המתמקדים באופן ההכשרה של הרכב יכול להשפיע על שיפור מצטבר או בארגון מחדש של פעילות עצבית ו/או פונקציה מוטורית עדיין מאתגרת. תובנות לגבי שיפוץ מבניים בבסיס ותהליכים ארגוניים מחדש להתאוששות תפקודית במוח לאחר מחלה נוירולוגית יכולה לאפשר לנו להעריך את הקשר בין דפוסים טופוגרפיים מבוזרים של פעילות עצבית ושחזור פונקציונלי באמצעות שיטות נוירודימות פונקציונלי מיפוי המוח. הצלחה תסייע בפיתוח אסטרטגיות טיפול מותאמות אישית הממוטבות להניב שיפורים בחוזק האחיזה באוכלוסיה נרחבת עם מצבים נוירולוגיים המבוססים על דימות תהודה מגנטית (MRI) מדדים9.
כאן אנו מציגים פרוטוקול המעסיק החדש מתוכנן מכשיר יד רובוטית המספקת כוח התנגדות בשליטה כנגד אשר נושא אוחז ומשחרר ידית בסנכרון עם גירוי חזותי מנדנוד. ה-MR_CHIROD v3 (המכשיר הרובוטי המושרה על ידי MR) הוא מערכת להצגת כוחות מתכווננים שעליהם מתבצעות התנועות המתכווננות ומשחררים, תוך כדי מדידת והקלטת כוח שהוחל, הזחה וחותמות זמן עבור כל נקודת נתונים (איור 1). המכשיר תוכנן לספק הערכות אמינות של תמונות הפעלת המוח במהלך fMRI (תהודה מגנטית פונקציונלית הדמיה), אשר ניתן להשתמש בהם כדי להעריך את התלות בדם-חמצן ברמת (מודגש) שינויים בתגובות המוח של חולים התאוששות מהפרעות נוירולוגיות. MR-תאימות מושגת באמצעות שימוש של רכיבים לא ברזלי/לא מגנטיים לחלוטין עבור מבנה ואלמנטים מפעיל פנאומטי וחיישנים מוגנים/רכיבים אלקטרוניים הממוקמים על המיטה של הסורק. איור 2 מראה את המכשיר המצורף למיטת הסורק של MR, ועם נושא במגנט נשא את ידית האחיזה של הMR_CHIROD V3 (איור 3). רכיבי ממשק ובקרה ממוקמים מחוץ לחדר הסורק של MR (איור 4).
המכשיר משמש במקביל עם שיטות דימות מוחי להערכת הפעלות המוח הרלוונטיות. השימוש העיקרי במערכת הוא לספק משימה מוטורית שיוצרת הפעלות של אזורי המנוע של המוח, אשר מזוהים באמצעות fMRI. הפעלת המוח תוך שימוש בMR_CHIROD במהלך ההדמיה יכול להעריך נוירופלסטיות במחלות נוירולוגיות. על-ידי מעקב אחר שינויים בהפעלות במהלך ואחרי האימון המוטורי באמצעות הMR_CHIROD, התקדמות שיקום מוטורי לאחר כל מחלה נוירולוגית המובילה להגרמות המוטורית (למשל, שבץ) ניתן לצפות.
The MR_CHIROD v3 יכול להיות גם רכוב על השולחן, לשימוש בתרגילי הכשרה פנים, שבו הנושא אוחז ומשחרר בתגובה גירויים חזותיים מתאימים לתקופות של 45 דקות, שלוש פעמים בשבוע במהלך המחקר. הניסיון שלנו עם הכשרה מועברת באופן מוחי, במעקב עם הדמיה, מצביע על כך שחלון ההתאוששות עבור חולי שבץ למשל עלול לעולם לא להיסגר1.
הרציונל שלנו עבור בניית ושימוש MR-אחיזת ידיים רובוט הוא התאוששות רובוטית יש את הפוטנציאל לייצר השפעה גדולה על הפגיעה בשל הפריסה הקל שלה, הישימות באמצעות ליקויים מוטוריים שונים, אמינות מדידה גבוהה, ויכולת לספק בעוצמה גבוהה הכשרה פרוטוקולים10. הרובוט התואם MR שלנו יכול: (א) להיות מוגדר עבור טווחים ספציפיים לנושא של תנועה ולהיות מותאם באופן תוכניתי כדי להחיל רמות הכוח ספציפי לנושא; (ב) שליטה, מדידה והקלטה של הפרמטרים וההזחה באמצעות מחשב מארח; (ג) התאמה מרחוק של פרמטרי בקרה מבלי לדרוש הפרעה בסריקה לצורך גישה לחדר הסורק של MR או מיקום מחדש של הנושא; ו-(ד) לספק טיפול באמצעות תרגילי אימון בדיוק ובעקביות לתקופות ממושכות.
אנחנו מודעים לא מסחרית התאוששות התקן רובוטי שניתן להשתמש עם סורק MR כדי למדוד את הכוח של הנושא ידית העקירה תוך החלת מחשב נשלט זמן שונים כוח. סקוס ואח ‘11 סקרו מגוון של מכשירי מחקר ושיקום בעלי תאימות MR, התואמים בעיקר למחקר, כולל חזרות קודמות של סדרת MR_CHIROD התקנים. התקנים אחרים תוכננו ללימוד תנועה בפרק כף היד, תנועת אצבע, כוח אחיזה איזומטרי ותנועות רב מפרקים. עבור התקנים המספקים באופן פעיל התנגדות או כוחות אחרים, מגוון של טכנולוגיות מתאימות MR כבר המועסקים כולל הידראוליקה, פנאומטיקה, קישורים מכניים והרטבה נוזלים אלקטולוגית. התקנים מסוימים כוללים דרגות חופש מרובות, כולל הארכה נוספת של גירסאות הMR_CHIROD הקודמות שנוספו מידה של חופש ויישום כוח הידראולי, אולם היא לא הותאמה ל-MR-תאימות12.
שלנו אחיזה ביד המכשיר הספציפי יש את היתרונות של ניידות (הוא מועבר באופן סדיר בין מתקן MR לבין אתרי הדרכה מבוססי משרד), ואת היכולת של ייצור גדול, בקרת מחשב, שונים בזמן כוחות התנגדות. השימוש הנוכחי של הטכנולוגיה הפניאומטית בMR_CHIROD מונע את הצורך מקורות מתח גבוה הדרושים עבור מערכות אלקטרו-מבוססות-מגנטי של נוזלים, הפוטנציאל לדליפת נוזל הידראולי, וכבלים/קשרים מורכבים המקשרים את מנגנון הממשק עם מרכיבי חשמל ובקרה חיצוניים.
הMR_CHIROD היה המכשיר הראשון שהדגים לתפקד בשילוב עם fMRI עבור מיפוי המוח בחולי שבץ1. חשוב מכך, the MR_CHIROD v3 שימושי במיוחד עבור הבית-או מבוסס משרד הדרכה, כמו המערכת ואת התוכנה שלה עוצבו לשימוש ללא תמיכה קלינית מומחה עם אלמנטים מוטיבציה (“gamification”). ביחס האימון הפיזי-הכשרה בבית החולים, משרד או הכשרה מבוססת הבית הוא פחות יקר ונוח יותר, מה שהופך את זה קל יותר לחולים לדבוק טיפול יומיומי. ההתקן, שכבר יחסית זול יחסית לכמה מההתקנים האחרים המבוססים על מחקר, ניתן לתכנן מחדש כדי לשפר את היחס של עלות לתועלת. מציאות וירטואלית האימון, שניהם תואמים את MR_CHIROD v3, יכול לעסוק בחולים, להגביר את תשומת לבם במהלך המשימה, ולשפר את המוטיבציה, ובכך להגדיל את האפקטיביות של התאוששות13.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנו מציגים fMRI של משימה מוטורית באמצעות הגירסה העדכנית ביותר של מכשיר רובוטי הרומן, MR_CHIROD1,2,8. הMR_CHIROD תוכנן כדי לבצע משימה לסחוט יד למשימה אשר ניתן לבצע על ידי חולי שבץ כרונית כבר למדו בעבר1,2,3</s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי מענק מהמכון הלאומי של הפרעות נוירולוגיות שבץ (גרנט מספר 1R01NS105875-01A1) של המוסדות הלאומיים לבריאות לא. אריה ציקא. העבודה הזאת בוצעה במרכז אתיולה א. מרטינוס להדמיה ביו-רפואית. אנו רוצים להודות למנהל ד ר ברוס ר. רוזן, md, Ph.D. וחברי צוות מרטינוס לתמיכתם. אנו מבקשים להודות למר כריסטיאן Pusatere ומר מייקל ארמנני על עזרתם בניהול ניסויים. לבסוף, אנו מודים לד ר מיכאל א. מוסקוביץ וד ר רוזן על הדרכתו בתפיסה ובפיתוח של סדרת MR_CHIROD התקנים ומחקרי שבץ משויכים.
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).
