手のグリップの欠陥から回復する個人のリハビリテーションを評価する新しいMRI互換手誘導ロボット装置と連動した機能MRI
Summary
新しいMRI対応の手によるロボット装置を用いて機能MRIを行い、神経学的欠損から回復する個人の手運動機能をモニタリングする有用性を評価した。
Abstract
機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、内因性デオキシヘモグロビンを内因性造影剤として使用して血中濃度依存性の変化を検出する、生体内で脳活性化を画像化する非侵襲的磁気共鳴画像技術である。酸素化(太字効果)。fMRIと新規ロボット装置(MR互換手誘導ロボット装置(MR_CHIROD))を組み合わせることで、スキャナーの人が制御された運動タスク、手絞りを実行できるように、神経運動疾患を研究する非常に重要な手の動きである.並列イメージング(部分的に並列集録[GRAPPA])を一般化し、より高い空間分解能を実現し、BOLDに対する感度を高めました。手で誘導されたロボット装置とfMRIの組み合わせにより、参加者がスキャナーにいる間に実行されたタスクを正確に制御し、監視することができました。これは、神経学的欠損(例えば、脳卒中)から回復する患者における手運動機能のリハビリテーションにおいて有用であることが証明され得る。ここでは、fMRI スキャン中にMR_CHIRODの現在のプロトタイプを使用するためのプロトコルの概要を説明します。
Introduction
適切なイメージングメトリックは、臨床評価よりも優れた個人における治療の成功の可能性を監視および予測し、治療計画を改善し、個別化するための情報を提供することができます。慢性脳卒中1、2、3、4、5、6、7、8から回復した患者の経験を開発しました。運動トレーニングが神経活動の再編成や運動機能の段階的改善にどのように影響するかに焦点を当てた最適な個別化戦略の開発は、依然として困難です。神経疾患後の脳の機能回復のための基礎的な構造改造と組織の再編成プロセスに関する洞察は、機能的神経イメージング法と脳マッピングを介して神経活動の分散地形パターンと機能回復との関係を評価することを可能にする。成功は、磁気共鳴画像法(MRI)メトリック9に基づく神経学的条件を有する広範な集団におけるグリップ強度の改善を生み出すために最適化されたパーソナライズされた治療戦略の開発を容易にする。
ここでは、被験者が振動する視覚刺激と同期してハンドルを握り、解放する制御可能な抵抗力を提供する、新しく再設計されたロボットハンドデバイスを採用するプロトコルを紹介します。MR_CHIROD v3(MR互換手誘導ROboticデバイス)は、各データポイントの適用力、グリップ変位、タイムスタンプを測定および記録しながら、グリップとリリースモーションを実行する調整可能な力を提示するためのシステムです(図1)。この装置は、神経疾患から回復した患者の脳反応における血液酸素レベル依存性(BOLD)変化を評価するために使用することができるfMRI(機能的磁気共鳴イメージング)の間に脳活性化画像の信頼性の高い評価を提供するように設計された。MR適合性は、スキャナーのベッドに配置された構造および空気アクチュエータ要素およびシールドセンサー/電子部品に対して、完全に非鉄/非磁性部品を使用して実現します。図2は、MRスキャナベッドに取り付けられた装置と、MR_CHIRODv3のハンドルを握る磁石ボアの被写体を示す(図3)。インターフェイスコンポーネントとコントロールコンポーネントはMRスキャナルームの外側に配置されます(図4)。
このデバイスは、関連する脳の活性化を評価するために脳イメージング方法と同時に使用されます。システムの主な用途は、fMRIを使用して検出される脳の運動領域の活性化を生成する運動タスクを提供することです。イメージング中にMR_CHIRODを使用しながら脳の活性化は、神経疾患における神経可塑性を評価することができる。MR_CHIRODを用いた運動訓練の過程および運動訓練後の活性化の変化を追跡することによって、運動障害(例えば、脳卒中)につながる任意の神経疾患に続く運動リハビリテーションの進行が観察され得る。
MR_CHIROD v3はまた、スキャン中のトレーニング演習で使用するために、被験者が45分の期間、研究中に週に3回、適切な視覚刺激に応答してグリップし、放出するテーブルマウントすることができます。イメージングで監視されたロボットで提供されたトレーニングの経験は、例えば脳卒中患者の回復ウィンドウが決して1を閉じないことを示唆しています。
MR互換ハンドグリップロボットを構築して使用するための当社の根拠は、ロボットの回復が、その容易な展開、様々な運動障害、高い測定信頼性、および高強度トレーニングプロトコル10を提供する能力に起因する障害に大きな影響を与える可能性を有することです。当社のMR互換ロボットは、(a)被験者固有の運動範囲に設定し、被験者固有の力レベルを適用するようにプログラムで調整することができます。(b) ホストコンピュータを介した力と変位パラメータの制御、測定、記録(c) MRスキャナールームへのアクセスのためのスキャンを中断したり、被験者の再配置を必要とせずに、制御パラメータをリモートで調整すること。(d) トレーニング演習を通じて、長期間にわたり正確かつ一貫して治療を提供します。
MRスキャナで被験者の手の握力や変位を測定し、コンピュータ制御の時間変動力を加えながら測定できる市販の回収ロボット装置は提供されていません。Tsekos et al.11は、MR_CHIRODシリーズのデバイスの以前の反復を含む、主に研究ベースのMR互換ロボットおよびリハビリテーションデバイスの様々なMR_CHIROD見直しを行いました。その他のデバイスは、手首の動き、指の動き、等角グリップの強さ、および多関節の動きを研究するために設計されました。抵抗やその他の力を積極的に提供する装置には、油圧、空気圧、機械的結合、電気流体ダンパーなど、さまざまなMR互換技術が採用されています。一部のデバイスには、以前のMR_CHIRODバージョンの別の拡張を含む複数の自由度が含まれており、回転自由度と水力アプリケーションが追加されましたが、MR適合性12には適合されていませんでした。
当社のハンドグリップ固有のデバイスには、携帯性(MR施設とオフィスベースのトレーニングサイトの間で定期的に輸送されます)の利点があり、大型のコンピュータ制御の時間変動抵抗力を生み出す機能があります。MR_CHIRODの空気圧技術の現在の使用は、電気レオロジー流体ベースのシステムに必要な高電圧源、油圧流体の漏洩の可能性、および外部電源および制御コンポーネントとインターフェース機構をリンクする複雑なケーブル/リンケージの必要性を回避します。
MR_CHIRODは、脳卒中患者1における脳マッピングのためのfMRIと共に機能することが実証された最初の装置であった。重要なことに、MR_CHIROD v3は、システムとそのソフトウェアが専門的な臨床サポートなしで、動機付け要素(「ゲーミフィケーション」)で使用するように設計されていたので、ホームベースまたはオフィスベースのトレーニングに特に役立ちます。病院での理学療法によるトレーニングに比べて、オフィスまたは家庭でのトレーニングは、より安価で便利で、患者が日常療法に従いやすくなります。このデバイスは、他の研究ベースのデバイスの一部に比べてすでに比較的安価で、コスト対利益率を向上させるために再設計することができる。MR_CHIRODv3と互換性のあるトレーニングのバーチャルリアリティとゲーミフィケーションは、患者を従事させ、タスク中に注意を高め、モチベーションを向上させることができ、したがって、回復13の有効性を高める。
Protocol
Representative Results
Discussion
私たちは、新しいロボットデバイスの最新バージョン、MR_CHIROD1、2、8を使用してモータタスクのfMRIを提示します。MR_CHIRODは、慢性脳卒中患者が行うことができる手絞りグリップタスクを実行するように設計されており、以前に研究されている1、2、3、4、5、6、8 。<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立衛生研究所の国立神経疾患・脳卒中研究所(助成金番号1R01NS105875-01A1)からA.アリア・ジカへの助成金によって支援されました。この作品は、アティヌーラ・A・マルティノス生物医学イメージングセンターで行われました。 ブルース・R・ローゼン博士、博士号、マルティノス・センターのスタッフの皆様のご支援に感謝申し上げます。 クリスチャン・プサテア氏とマイケル・アルマーニ氏の実験への支援に感謝します。 最後に、マイケル・A・モスコヴィッツ博士とローゼン博士が、MR_CHIROD一連のデバイスとそれに関連する脳卒中研究の構想と開発に関する指導を行ってくれたことに感謝します。
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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