Функциональная МРТ в сочетании с новым МРТ-совместимым ручным роботизированным устройством для оценки реабилитации лиц, восстанавливающихся после дефицита рукоятки
Summary
Мы выполнили функциональную МРТ с помощью нового МРТ-совместимого ручного роботизированного устройства для оценки его полезности для мониторинга функции ручного двигателя у людей, восстанавливающихся после неврологического дефицита.
Abstract
Функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) является неинвазивной магнитно-резонансной томографией, которая изображения активации мозга в vivo, используя эндогенный дезоксигемоглобин в качестве эндогенного контрастного агента для обнаружения изменений в крови-зависимых оксигенации (эффект BOLD). Мы объединили МРТ с новым роботизированным устройством (Mr-совместимым ручным роботизированным устройством (MR_CHIROD) так, чтобы человек в сканере мог выполнять управляемую двигательную задачу, сжимая руки, что является очень важным движением рук для изучения неврологических двигательных заболеваний . Мы использовали параллельную визуализацию (обобщенную автоматическую калибровку частично параллельных приобретений «ГРАППА»), что позволило повысить пространственное разрешение, что привело к повышенной чувствительности к BOLD. Сочетание МРТ с роботизированным устройством, индуцированным вручную, позволило точно контролировать и контролировать задачу, которая была выполнена во время внеработания участника сканера; это может оказаться полезным в реабилитации двигательной функции рук у пациентов, восстанавливающихся после неврологического дефицита (например, инсульта). Здесь мы намечаем протокол для использования текущего прототипа MR_CHIROD во время МРТ.
Introduction
Соответствующие метрики изображений могут контролировать и прогнозировать вероятность успеха терапии у людей лучше, чем клинические оценки и предоставлять информацию для улучшения и индивидуализации планирования терапии. Мы накопили опыт с пациентами, восстанавливающимися после хронического инсульта1,2,3,4,5,6,7,8. Разработка оптимальных индивидуализированных стратегий, которые сосредоточены на том, как двигательные тренировки могут влиять на постепенное улучшение либо в реорганизации нейронной активности и / или двигательной функции по-прежнему сложной задачей. Исследования в основных структурных ремоделирования и реорганизации процессов для функционального восстановления в головном мозге после неврологических заболеваний может позволить нам оценить связь между распределенными топографическими моделями нейронной активности и функционального восстановления с помощью функциональных методов нейровизуализации и отображения мозга. Успех будет способствовать разработке персонализированных стратегий лечения, оптимизированных для повышения прочности сцепления в широком населении с неврологическими состояниями, основанными на магнитно-резонансной томографии (МРТ) метрик9.
Здесь мы представляем протокол, который использует недавно переработанный роботизированный ручной устройство, которое обеспечивает управляемую силу сопротивления, против которой субъект захватывает и выпускает ручку синхронно с колеблющийся визуальный стимул. MR_CHIROD v3 (MR-совместимый Ручной RObotic Device) представляет собой систему для представления регулируемых сил, против которых выполняются захват и высвобождение движений, при измерении и записи прикладной силы, смещения сцепления и меток времени для каждой точки данных(рисунок 1). Устройство было разработано для обеспечения надежной оценки изображений активации мозга во время МРТ (функциональная магнитно-резонансная томография), которая может быть использована для оценки кровосомового уровня зависимых (BOLD) изменений в реакциях мозга пациентов, восстанавливающихся после неврологических расстройств. МР-совместимость достигается за счет использования полностью цветных/немагнитных компонентов для элементов структуры и пневматического актуатора, а также экранированных датчиков/электронных компонентов, которые расположены на кровати сканера. На рисунке 2 показано устройство, прикрепленное к кровати сканера MR, и с предметом в магните родила захвата ручку MR_CHIROD v3 (Рисунок 3). Компоненты интерфейса и управления расположены за пределами комнаты сканера MR(рисунок 4).
Устройство используется одновременно с методами визуализации мозга для оценки соответствующих активаций мозга. Основное использование системы заключается в обеспечении двигательной задачи, которая генерирует активации двигательных областей мозга, которые обнаруживаются с помощью МРТ. Активация мозга при использовании MR_CHIROD во время визуализации может оценить нейропластичность при неврологических заболеваниях. Отслеживая изменения в активациях в ходе и после двигательных тренировок с использованием MR_CHIROD, можно наблюдать прогресс двигательной реабилитации после любого неврологического заболевания, привехивающего к дефициту мотора (например, инсульт).
MR_CHIROD v3 также может быть набивана на стол, для использования во внутрисканных учебных упражнениях, в которых предмет захватывает и высвобождает в ответ на подходящие визуальные стимулы в течение 45 мин, три раза в неделю во время исследования. Наш опыт работы с роботизированной подготовки, мониторинг с помощью изображений, предполагает, что окно восстановления для пациентов с инсультом, например, никогда не может закрыть1.
Наше обоснование для создания и использования MR-совместимых ручной захват робота является то, что робот восстановления имеет потенциал, чтобы произвести большое влияние на ухудшение из-за его легкого развертывания, применимость через различные нарушения двигателя, высокая надежность измерения измерений, и способность доставить высокой интенсивности протоколов обучения10. Наш робот, совместимый с MR, может: a) устанавливаться для тематических диапазонов движения и быть программно скорректированы с учетом конкретных уровней силы; b) контроль, измерение и регистрация параметров силы и перемещения через компьютер-хозяин; c) дистанционную регулировку параметров управления, не требуя прерывания сканирования для доступа в комнату сканера Mr или перепозиционирования объекта; и d) проводить терапию с помощью учебных упражнений точно и последовательно в течение продолжительных периодов времени.
Нам известно об отсутствии коммерчески доступных рекуперативных роботизированных устройств, которые могут быть использованы с помощью сканера MR для измерения силы и смещения рук субъекта при применении управляемой компьютером силы, изменяющей время. Tsekos et al.11 рассмотрели различные в первую очередь научно-исследовательские, СОВМЕСТИМЫе с МР роботизированные и реабилитационные устройства, включая более ранние итерации MR_CHIROD серии устройств. Другие устройства были разработаны для изучения движения запястья, движения пальцев, изометрической силы захвата и многосуставных движений. Для устройств, которые активно обеспечивают резистивные или другие силы, были использованы различные технологии, совместимые с МР, включая гидравлику, пневматику, механические связи и электрорелогические жидкие амортизаторы. Некоторые устройства включают в себя несколько степеней свободы, в том числе еще одно расширение предыдущих версий MR_CHIROD добавил вращательную степень свободы и применения гидравлической силы, однако она не была адаптирована для MR-совместимости12.
Наше устройство для рук-захвата имеет преимущества портативности (он регулярно транспортируется между объектом MR и офисными учебными площадками), а также возможность производить большие, управляемые компьютером, изменяющие время резистивные силы. Нынешнее использование пневматической технологии в MR_CHIROD позволяет избежать необходимости в источниках высокого напряжения, необходимых для электрорелогических жидкостных систем, потенциале утечки гидравлической жидкости и сложных кабельных/связей, связывающих механизм интерфейса с внешними компонентами питания и управления.
MR_CHIROD было первым устройством, которое было продемонстрировано функционировать в сочетании с МРТ для отображения мозга у пациентов с инсультом1. Важно отметить, что MR_CHIROD v3 особенно полезен для обучения на дому или в офисе, поскольку система и ее программное обеспечение были разработаны для использования без экспертной клинической поддержки и с мотивационными элементами (“геймификация”). По сравнению с физиотерапевтом обучение в больнице, офисное или домашнее обучение является менее дорогостоящим и более удобным, что делает его легче для пациентов придерживаться ежедневной терапии. Устройство, и без того относительно недорогое по сравнению с некоторыми другими научно-исследовательскими устройствами, может быть переработано для улучшения соотношения затрат и выгод. Виртуальная реальность и геймификация обучения, оба из которых совместимы с MR_CHIROD v3, могут привлекать пациентов, увеличивать их внимание во время выполнения задачи, а также повышать мотивацию, тем самым повышая эффективность восстановления13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы представляем МРТ двигательной задачи с использованием последней версии нового роботизированного устройства, MR_CHIROD1,2,8. MR_CHIROD была разработана для выполнения ручной сжатия задача, которая может быть выполнена хронических пациентов ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом Национального института неврологических расстройств и инсульта (Грант No 1R01NS105875-01A1) Национальных институтов здравоохранения А. Арии Цике. Эта работа была выполнена в Центре биомедицинской визуализации Athinoula A. Martinos. Мы хотели бы поблагодарить директора д-ра Брюса Р. Розена, доктора медицинских наук, доктора философии и сотрудников Центра Мартинос за их поддержку. Мы также хотели бы поблагодарить г-на Кристиана Пусатере и г-на Майкла Армани за их помощь в проведении экспериментов. Наконец, мы благодарим д-ра Майкла А. Московица и д-ра Розена за их руководство в разработке MR_CHIROD серии устройств и связанных с ними исследований инсульта.
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).
