功能 MRI 与新型 MRI 兼容手感应机器人设备结合，以评估从手柄缺陷中恢复的个人的康复情况

摘要

我们使用新型MRI兼容手感应机器人设备进行功能性MRI，以评估其用于监测从神经缺陷中恢复的个人的手势机功能的效用。

摘要

功能磁共振成像 （fMRI） 是一种非侵入性磁共振成像技术，利用内源性脱氧血红蛋白作为内源造影剂来检测血液水平依赖性的变化，对体内的大脑激活进行成像氧合（BOLD效应）。我们将fMRI与新型机器人装置（MR兼容手感应机器人装置[MR_CHIROD]相结合，使扫描仪中的一个人能够执行控制电机任务，即手挤压，这是研究神经运动疾病的非常重要的手部运动。.我们采用了并行成像（广义自动校准部分并行采集 [GRAPPA]），从而实现了更高的空间分辨率，从而提高了对 BOLD 的敏感度。fMRI 与手动诱导的机器人设备相结合，可以精确控制和监控参与者在扫描仪中时执行的任务;这可能证明对从神经缺陷（如中风）康复的患者的手势运动功能的康复是有用的。在这里，我们概述了在fMRI扫描期间使用MR_CHIROD的当前原型的协议。

引言

适当的成像指标可以比临床评估更好地监控和预测个人治疗成功的可能性，并提供信息，以改善和个性化治疗规划。我们已有经验与从慢性^{中风1，2，3，4，5，6，7，8}的慢性中风患者恢复的经验。制定最佳的个性化策略，专注于运动训练如何影响神经活动和/或运动功能重组的增量改进，这仍然是一项挑战。通过功能神经成像方法和大脑映射，了解神经疾病后大脑功能恢复的基本结构重塑和重组过程，可以让我们评估神经活动的分布式地形模式与功能恢复之间的关系。成功将有助于开发个性化治疗策略，优化，根据磁共振成像（MRI）^指标9，在神经病的广大人群中提高抓地力。

在这里，我们提出了一个协议，它采用新重新设计的机器人手装置，提供可控的阻力力，主体可以抓住并释放手柄与振荡视觉刺激同步。MR_CHIROD v3（兼容 MR 的手动感应 RObotic 设备）是一种系统，用于显示可调节力，用于执行抓握和释放运动，同时测量和记录每个数据点施加的力、抓地力位移和时间戳（图 1）。该设备被设计为在fMRI（功能磁共振成像）期间提供大脑激活图像的可靠评估，可用于评估从神经系统疾病中恢复的患者的大脑反应的血氧水平依赖性（BOLD）变化。MR 兼容性是通过使用完全有色/非磁性部件来实现的，用于结构和气动执行器元件以及位于扫描仪床上的屏蔽传感器/电子元件。图2显示了连接到MR扫描仪床的装置，磁孔中一个主体抓住MR_CHIRODv3的手柄（图3）。接口和控制组件位于 MR 扫描仪室外（图4）。

该设备与大脑成像方法同时使用，以评估相关的大脑激活。该系统的主要用途是提供一个运动任务，用于生成大脑运动区域的激活，这些激活使用 fMRI 进行检测。在成像过程中使用MR_CHIROD时的大脑激活可以评估神经系统疾病的神经可塑性。通过使用MR_CHIROD跟踪运动训练过程中和之后的激活变化，可以观察到任何导致运动缺陷（例如中风）的神经疾病后的运动康复进展。

MR_CHIROD v3 也可以安装在桌面上，用于扫描内训练练习，其中受试者根据适当的视觉刺激进行 45 分钟的抓地力和释放，在研究期间每周三次。我们在机器人交付培训方面的经验，通过成像进行监测，表明中风患者的恢复窗口可能永远不会^关闭1。

我们构建和使用 MR 兼容的手柄机器人的理由是，机器人恢复具有对损伤产生巨大影响的潜力，因为机器人易于部署、适用于各种电机损伤、高测量可靠性以及提供高强度训练协议¹⁰的能力。我们的MR兼容机器人可以:（a） 设置针对特定主题的运动范围，并以编程方式进行调整，以应用特定主题的力级别;（2） 设置特定运动范围;（a） 设置特定运动范围。（b） 通过主机控制、测量和记录力和位移参数;（c） 远程调整控制参数，无需中断扫描以进入MR扫描仪室或重新定位受试者;（d） 通过长期训练练习精确和持续地提供治疗。

我们知道，没有商用回收机器人设备，可用于与MR扫描仪，以测量受试者的握力和位移，同时应用计算机控制的时间变化力。Tsekos^等人11日审查了各种主要基于研究、MR兼容的机器人和康复设备，包括早期MR_CHIROD系列设备的迭代。其他设备设计用于研究手腕运动、手指运动、等轴测握力和多关节运动。对于主动提供电阻或其他力的器件，采用了各种 MR 兼容技术，包括液压、气动、机械连杆和电热流体阻尼器。有些器件包括多个自由度，包括早期MR_CHIROD版本的另一个扩展增加了旋转自由度和液压力应用，但它不适合MR^{兼容性12。}

我们的手动手柄专用设备具有便携性（定期在 MR 设施和基于办公室的培训站点之间传输），以及产生大型计算机控制、时变电阻力的能力。目前在MR_CHIROD中使用气动技术，避免了电流流液系统所需的高电压源、液压油泄漏的可能性以及连接接口机构与外部电源和控制部件的复杂电缆/连接。

MR_CHIROD是首个与fMRI结合使用，用于脑图的脑图仪。重要的是，MR_CHIROD v3 对于家庭或办公室培训特别有用，因为该系统及其软件专为在没有专家临床支持和激励元素（"游戏化"）的情况下使用而设计。相对于在医院由物理治疗师辅助的培训，办公室或家庭培训更便宜，更方便，使患者更容易坚持日常治疗。与其他一些基于研究的设备相比，该器件已经相对便宜，可以重新设计以提高成本效益比。虚拟现实和游戏化训练，两者都符合MR_CHIRODv3，可以吸引患者，增加他们在任务期间的注意力，提高动机，从而提高恢复^{的有效性13。}

研究方案

所有实验均获得马萨诸塞州总医院机构审查委员会的批准，并在阿蒂努拉·马蒂诺斯生物医学成像中心进行。

1. 主题准备

注:纳入标准是:（一） 右手支配地位，（二） 书面知情同意的能力。排除是在对磁共振环境中的禁忌指标进行筛查的基础上实施的，例如:（a） 常规MRI排除标准，如存在心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（2） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内的金属含量;（d） 常规MRI排除标准，如心脏起搏器或脑动脉瘤夹和金属植入物或体内金属含量;（2） 常规核磁共振检查标准;（d） 常规核磁共振检查排除标准，（b） 癫痫发作史（c） 幽闭症;（d） 怀孕。

1. 要获得知情同意，请阅读志愿者的同意书。志愿者和调查员在适当的地点重复签署同意书。在适当的位置留下一份已签名的同意书副本，以便调查人员记录。保留参与者记录的同意书的第二份副本。
2. 筛查 MRI（磁共振成像）禁忌症的志愿者。填写 MRI 禁忌指示列表并查询清单上的每一项，并酌情勾选中框。
3. 如果参与者有任何禁忌症（包括手术动脉瘤夹、心脏起搏器、假心瓣膜、神经刺激器、植入泵、人工耳蜗、金属棒、板、螺钉），助听器或透皮贴片。

2. 设置

1. 在扫描仪室中执行初始设置。
   注:所有必要的培训必须在程序办理前由调查员进行。必须始终采取与 MR 设施相关的预防措施。
   1. 将MR_CHIROD（磁共振兼容手感应机器人设备）带入 MRI 扫描仪室，并将其放置在穿透面板附近。将 3/8 英寸气动管插入面板中的直通管，插入相邻的 MRI 支撑室。
   2. 将 MRI 扫描仪室力感应和编码器电缆连接到面板扫描仪室侧的 9 针 D 形 （DSUB） 连接器。
2. 设置 MRI 支持室。
   1. 将空气压缩机插入 110VAC 壁出口。当压缩机的内部调节器转向关闭/最小压力位置且球阀处于关闭位置时，打开压缩机并使其达到完全内部压力（±4 分钟）。
   2. 将支撑室力感应和编码器电缆连接到穿透面板外部侧的 DSUB 连接器。
   3. 将 3/8 英寸气动管接头从穿透面板直通式接头连接到接口/电源单元压力调节器出口的插座。将 4 mm 气动管连接到压缩机出口和接口/电源/调节器单元上的空气滤清器进气口。
   4. 将接口/电源/稳压器单元连接到 USB 电缆/中继器组件的微型 USB 接口，并将中继器电缆铺设到 MRI 控制室中的主机 PC/笔记本电脑上。将接口/电源/调节器单元插入支撑室的 110VAC 壁插头，然后打开电源开关。
3. 与患者一起定位MR_CHIROD v3。
   1. 完全延长和降低 MR 扫描仪床。连接头部线圈的下半部分，引导志愿者躺下，确保志愿者舒适地休息，并舒适地伸展手臂。
   2. 向志愿者提供耳塞，以降低声学噪音。
   3. 连接头线圈和小泡沫垫以固定头部。
   4. 在志愿者的抓握臂周围，在手臂和肘部的水平上安装枕头，以尽量减少志愿者自身身体和MR扫描仪墙壁的振动耦合。
   5. 将通信球固定在志愿者的胸前，指导他们如何使用，并在开始扫描前确认通信球工作正常。
   6. 使用相应的床槽将MR_CHIROD松散地安装在患者与脑损伤相反的一侧。志愿者的肘部放在桌子上，以支撑手臂的重量，将MR_CHIROD手柄移到拇指和食指之间的织网上，并引导志愿者抓住MR_CHIROD把手。
   7. 如果MR_CHIROD与渗透面板位于桌子的另一侧，则放置电缆和气动管，以便它们通过桌子下方，而不是通过患者。
   8. 确保夹持位置适合挤压。指示志愿者挤压和推推或拉MR_CHIROD，直到他们有最舒适的挤压位置。
   9. 使用兼容 MR 的扳手拧紧塑料螺母，将MR_CHIROD牢固地固定到位。
      注:此时未执行扫描。在定位MR_CHIROD时，志愿者舒适地躺在磁体外的 MR 扫描仪床上。磁体室的门可能是开着的。
4. 在MR控制室（靠近扫描仪和支持室）设置控制笔记本电脑，确认连接并设置为患者力水平。
   1. 打开笔记本电脑并启动数据采集/分析软件。将 USB 电缆/中继器组件连接到笔记本电脑。打开 MR 扫描仪室投影仪。将笔记本电脑视频输出端口连接到投影仪连接器，并将监视器设置为将屏幕扩展到投影仪上。将扫描仪 USB HID 触发电缆连接到笔记本电脑，以接收来自扫描仪的触发信号。
   2. 为MR_CHIROD运行自定义用户界面 （UI） / 控件/刺激程序。自动将MR_CHIROD压力设置为（最小）"设置"级别，以将手柄推到端挡，以验证运动和力波形的显示。
   3. 告诉志愿者，接下来的几次挤压将是校准的最大强度挤压，因此将是困难的。
   4. 例如，将力级设置为 30 N，并指示志愿者在大约 2 s 的时间段内完全挤压 2-3 次。
   5. 逐渐增加力水平并重复挤压尝试，直到志愿者无法完成挤压。此测量值是志愿者握持力的最大值。UI 会自动计算测试期间使用的最大力级别的 60%、40% 和 20%。

3. 输入志愿者数据并校准 MR 扫描仪

1. 根据 HIPAA（1996 年美国健康保险托运行和问责法案）法规，根据医院政策输入志愿者的取消识别数据。
2. 将表格和参与者移到扫描仪和等中心的位置。

4. 运行 fMRI 会话

1. 通过控制室和扫描仪室之间的窗口观察志愿者，并与志愿者沟通，以获得参与者启动 fMRI 协议的许可。指示他们不要握住MR_CHIROD手柄，使其在完全打开的位置休息。
2. 将磁铁粉碎并运行本地化扫描。打开fMRI协议，设置切片以覆盖志愿者的大脑。
3. 告诉志愿者 fMRI 会话即将开始。
4. 使用 UI，设置MR_CHIROD以应用第一力级（最大值的 20%）。UI 程序将在视频投影仪上显示一组说明，供志愿者提醒他们如何响应视觉刺激。UI 将等待扫描程序提供触发信号以继续。
5. 启动 fMRI 的回声平面成像协议。使用从文件夹用户MR_CHIROD的映像程序。采集和重建参数已在成像程序中设置，不应更改。采用以下参数:平面内 192 x 192 或 256 x 256 采集矩阵;TR（重复时间）在2-3s范围内;a 30 ms TE（回波时间）;5 mm 切片厚度，空间分辨率为 ±1 mm x 1 mm。
   注:UI/数据采集/刺激程序将等待从扫描仪接收触发脉冲，与扫描仪程序中启动 fMRI 前扫描相对应。视觉刺激将删除说明，并显示志愿者将关注的"固定十字"。当 fMRI 扫描 TRs 开始时，将显示一个视觉节拍器显示，其形式为不断增大和缩小的圆圈。志愿者将完全挤压和释放手柄与刺激同步。休息期间将分开刺激期，在此期间将重新显示固定十字。
6. 在执行任务期间，通过观察 UI 上的实时力图和位移，监视力输出以及参与者是否正确执行任务（即完全完成夹持和释放，并保持与可视节拍器的同步）.
7. 第一次运行结束后，确认 UI 上实验的延续，这将将力级别更改为三个级别中的第二个级别。从步骤 4.5 重复上述步骤。同样，当第二次运行结束时，请确认继续以在第三个力级别运行最终运行。
8. 第三次运行后，UI 将自动将MR_CHIROD压力设置为低"设置"级别。

5. 完成 MRI 会话

1. 指示学员放松并放开手柄。收集一系列解剖扫描。

6. 取下

1. 从 MR 扫描仪室中取出参与者，反向执行设置步骤，然后继续关闭并断开MR_CHIROD部件。将 MR 数据传输到数据库和磁盘并关闭会话。

结果

协议中概述的方法允许在志愿者在磁体中实时执行任务时收集 fMRI 图像。实验在马萨诸塞州总医院Athinoula A. Martinos生物医学成像中心的Bay 1设施进行，使用3T全身磁共振扫描仪进行。图 2和图 3显示了MR_CHIROD放在桌子上的位置和患者就位进行操作。在图3中，一名志愿者在扫描仪孔中，头部被放置在磁体的等中心，这是大脑成像的正?...

讨论

我们使用最新版的新型机器人装置fMRI，MR_CHIROD1，2，8。MR_CHIROD设计用于执行一项手挤压握把任务，该任务可由慢性中风患者执行，并曾研究^{过1、2、3、4、5、6、8。}

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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