IRM fonctionnelle en conjonction avec un nouveau dispositif robotique induit par l'IRM pour évaluer la réadaptation des personnes qui se remettent d'un déficit de poignée de main

Résumé

Nous avons exécuté l'IRM fonctionnelle utilisant un dispositif robotique MRI-compatible nouveau pour évaluer son utilité pour surveiller la fonction de moteur de main dans les individus remettant des déficits neurologiques.

Résumé

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique d'imagerie par résonance magnétique non invasive qui image l'activation cérébrale in vivo, à l'aide de la désoxyhemoglobine endogène comme agent de contraste endogène pour détecter les changements dans le niveau sanguin dépendant l'oxygénation (effet BOLD). Nous avons combiné l'IRMf avec un nouveau dispositif robotique (dispositif robotique induit par la main compatible MR [MR_CHIROD]) afin qu'une personne dans le scanner puisse exécuter une tâche motrice contrôlée, la compression des mains, qui est un mouvement très important de la main à étudier dans les maladies motrices neurologiques . Nous avons utilisé l'imagerie parallèle (acquisitions auto-calibrantes généralisées partiellement parallèles [GRAPPA]), qui a permis une résolution spatiale plus élevée résultant en une sensibilité accrue à BOLD. La combinaison de l'IRMf avec l'appareil robotique induit par la main a permis un contrôle et une surveillance précis de la tâche qui a été exécutée pendant qu'un participant était dans le scanner; cela peut s'avérer utile dans la réadaptation de la fonction motrice de la main chez les patients qui se remettent d'un déficit neurologique (p. ex., un AVC). Ici, nous exposons le protocole pour l'utilisation du prototype actuel de la MR_CHIROD lors d'une irm fMR.

Introduction

Des mesures d'imagerie appropriées peuvent surveiller et prédire la probabilité de succès de la thérapie chez les individus mieux que les évaluations cliniques et fournir de l'information pour améliorer et individualiser la planification thérapeutique. Nous avons développé l'expérience avec des patients récupérant de l'AVC chronique^{1,2,3,4,5,6,7,8}. L'élaboration de stratégies individualisées optimales qui mettent l'accent sur la façon dont la formation motrice peut influencer l'amélioration progressive, que ce soit dans la réorganisation de l'activité neuronale et/ ou de la fonction motrice, demeure difficile. Les aperçus dans les processus structurels sous-jacents de remodelage et de réorganisation pour le rétablissement fonctionnel dans le cerveau après la maladie neurologique peuvent nous permettre d'évaluer la relation entre les modèles topographiques distribués de l'activité neurale et la récupération fonctionnelle par l'intermédiaire des méthodes fonctionnelles de neuroimaging et de la cartographie de cerveau. Le succès facilitera l'élaboration de stratégies de traitement personnalisées optimisées pour améliorer la force d'adhérence dans une large population avec des conditions neurologiques basées sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM)^{métriques 9}.

Ici, nous présentons un protocole qui utilise un dispositif robotique à main nouvellement redessiné qui fournit une force de résistance contrôlable contre laquelle un sujet saisit et libère une poignée en synchronie avec un stimulus visuel oscillant. Le MR_CHIROD v3 (appareil RObotic induit par la main compatible MR) est un système de présentation de forces réglables contre lesquels des mouvements de préhension et de libération sont exécutés, tout en mesurant et enregistrant la force appliquée, le déplacement de l'adhérence et les horodateurs pour chaque point de données (figure 1). Le dispositif a été conçu pour fournir des évaluations fiables des images d'activation de cerveau pendant l'IRMf (imagerie fonctionnelle de résonance magnétique), qui peut être employée pour évaluer des changements dépendants de sang-oxygène-niveau (BOLD) dans des réponses de cerveau des patients récupérant des désordres neurologiques. La compatibilité MR est obtenue grâce à l'utilisation de composants entièrement non ferreux/non magnétiques pour la structure et les éléments de l'actionneur pneumatique et les composants protégés du capteur/électronique qui sont positionnés sur le lit du scanner. La figure 2 montre l'appareil fixé à un lit de scanner MR, et avec un sujet dans l'aimant apergé saisissant la poignée du MR_CHIROD v3 (Figure 3). Les composants d'interface et de contrôle sont positionnés à l'extérieur de la salle du scanner MR (figure 4).

L'appareil est utilisé simultanément avec des méthodes d'imagerie cérébrale pour évaluer les activations cérébrales pertinentes. L'utilisation principale du système est de fournir une tâche motrice qui génère des activations des zones motrices du cerveau, qui sont détectés à l'aide de l'IRMf. L'activation de cerveau tout en utilisant le MR_CHIROD pendant la formation image peut évaluer la neuroplasticité dans la maladie neurologique. En suivant les changements dans les activations au cours et après la formation motrice à l'aide de la MR_CHIROD, on peut observer les progrès de la réadaptation motrice à la suite de toute maladie neurologique qui entraîne des déficits moteurs (p. ex., un AVC).

Le MR_CHIROD v3 peut également être monté sur table, pour une utilisation dans les exercices d'entraînement intra-scan, dans lequel le sujet saisit et libère en réponse à des stimuli visuels appropriés pour des périodes de 45 min, trois fois par semaine au cours de l'étude. Notre expérience avec la formation robotique, surveillée avec l'imagerie, suggère que la fenêtre de récupération pour les patients victimes d'AVC par exemple ne peut jamais fermer¹.

Notre justification pour la construction et l'utilisation d'un robot mMR-compatible main-grip est que la récupération robotique a le potentiel de produire un grand impact sur la déficience en raison de son déploiement facile, l'applicabilité à travers diverses déficiences motrices, haute fiabilité de mesure, et la capacité de fournir des protocoles de formation de haute intensité¹⁰. Notre robot compatible MR peut : a) être réglé pour les gammes de mouvements spécifiques au sujet et être ajusté programmatiquement pour appliquer des niveaux de force spécifiques au sujet; b) contrôler, mesurer et enregistrer les paramètres de force et de déplacement à l'intérieur d'un ordinateur hôte; c) ajuster à distance les paramètres de commande sans nécessiter d'interruption de la numérisation pour l'accès à la salle du scanner MR ou le repositionnement du sujet; et d) d) fournir une thérapie par le biais d'exercices de formation avec précision et constance pendant de longues périodes.

Nous sommes au courant qu'aucun dispositif robotique de récupération disponible dans le commerce ne peut être utilisé avec un scanner MR pour mesurer la force d'adhérence et le déplacement de la main du sujet tout en appliquant une force de variation temporelle contrôlée par ordinateur. Tsekos et coll.¹¹ ont passé en revue une variété de dispositifs robotiques et de réadaptation principalement fondés sur la recherche et compatibles avec la RM, y compris des itérations antérieures de la série MR_CHIROD. D'autres dispositifs ont été conçus pour étudier le mouvement du poignet, le mouvement des doigts, la force d'adhérence isométrique et les mouvements multijoints. Pour les dispositifs qui fournissent activement des forces de résistance ou d'autres forces, une variété de technologies compatibles avec mr ont été employées comprenant l'hydraulique, la pneumatique, les liaisons mécaniques et les amortisseurs électrorhéologiques de fluide. Certains dispositifs comportent plusieurs degrés de liberté, y compris une autre extension des versions MR_CHIROD antérieures a ajouté un degré de rotation de la liberté et l'application de force hydraulique, mais il n'a pas été adapté pour MR-compatibilité¹².

Notre dispositif spécifique à la poignée à la main présente les avantages de la portabilité (il est régulièrement transporté entre l'installation MR et les sites d'entraînement de bureau) et de la capacité de produire de grandes forces de résistance contrôlées par ordinateur et variables dans le temps. L'utilisation actuelle de la technologie pneumatique dans le MR_CHIROD évite le besoin de sources à haute tension nécessaires pour les systèmes à fluide sérocléologique, le potentiel de fuite de fluide hydraulique, et les câbles complexes / liaisons reliant le mécanisme d'interface avec la puissance externe et les composants de contrôle.

Le MR_CHIROD a été le premier dispositif qui a été démontré pour fonctionner en conjonction avec l'IRMf pour la cartographie du cerveau chez les patients victimes d'AVC¹. Fait important, le MR_CHIROD v3 est particulièrement utile pour la formation à domicile ou au bureau, car le système et son logiciel ont été conçus pour être utilisés sans soutien clinique expert et avec des éléments de motivation («gamification»). Par rapport à la formation facilitée par le physiothérapeute dans un hôpital, la formation à domicile ou à domicile est moins coûteuse et plus pratique, ce qui rend plus facile pour les patients d'adhérer à la thérapie quotidienne. L'appareil, déjà relativement peu coûteux par rapport à certains autres appareils basés sur la recherche, peut être repensé pour améliorer le rapport coût-bénéfice. La réalité virtuelle et la gamification de la formation, qui sont toutes deux compatibles avec le MR_CHIROD v3, peuvent engager les patients, augmenter leur attention au cours de la tâche, et d'améliorer la motivation, augmentant ainsi l'efficacité de la récupération¹³.

Protocole

Toutes les expériences ont été approuvées par le Comité d'examen institutionnel du Massachusetts General Hospital et exécutées comme approuvées au Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.

1. Préparation du sujet

REMARQUE: Les critères d'inclusion sont les suivants : (i) la domination de la main droite, (ii) la capacité de donner un consentement éclairé écrit. L'exclusion a été mise en œuvre sur la base du dépistage des contre-indicateurs dans l'environnement de résonance magnétique tels que les critères suivants : a) Critères d'exclusion IRM de routine, tels que la présence d'un stimulateur cardiaque ou d'un clip d'anévrisme cérébral et d'implants métalliques ou de contenu métallique dans le corps; b) antécédents de convulsions c) claustrophobie; d) grossesse.

1. Pour obtenir un consentement éclairé, lisez le formulaire de consentement au bénévole. Le bénévole et l'enquêteur signent tous les deux les endroits appropriés sur le formulaire de consentement en double. Laissez une copie signée du formulaire de consentement dans un endroit approprié pour les dossiers de l'enquêteur. Conservez le deuxième formulaire de consentement pour les dossiers du participant.
2. Filtrer le volontaire pour l'IRM (imagerie par résonance magnétique) contre-indications. Remplissez la liste des contre-indications IRM et renseignez-vous sur chaque élément de la liste, cochant les cases au besoin.
3. Ne pas procéder à l'analyse si les participants ont (ou ont potentiellement) des contre-indications, y compris des clips d'anévrisme chirurgical, stimulateur cardiaque, valve cardiaque prothétique, neurostimulateur, pompes implantées, implants cochléaires, tiges métalliques, plaques, vis, l'aide auditive ou le patch transdermique.

2. Configuration

1. Effectuer la configuration initiale dans la salle de scanner.
   REMARQUE : Toute la formation nécessaire doit être obtenue par l'enquêteur avant la procédure. Les précautions relatives à l'installation de MR doivent être prises en tout temps.
   1. Apportez le MR_CHIROD (Magnetic Resonance-Compatible Hand Induced Robotic Device) dans la salle de scanner IRM et placez-le près du panneau de pénétration. Insérer le tube pneumatique de 3/8 pouces dans le tube de passage dans le panneau dans la salle de support IRM adjacente.
   2. Connectez les câbles de détection de la force et d'encodeur de la salle de scanner D'IRM au connecteur en forme de D à 9 broches (DSUB) du côté de la salle du scanner du panneau.
2. Configuration de la salle de support IRM.
   1. Branchez le compresseur d'air dans une prise murale 110VAC. Avec le régulateur interne du compresseur tourné vers la position de pression hors/minimum et la soupape de balle en position de sortie, allumez le compresseur et laissez-le venir à la pression interne complète (4 min).
   2. Connectez les câbles de détection de la force et d'encodeur de la salle de support au connecteur DSUB sur le côté externe du panneau de pénétration.
   3. Connectez le raccord pneumatique de tube de 3/8 pouces, émergeant du panneau de pénétration passant à la sortie de la prise de régulateur de pression d'interface/unité d'alimentation. Connectez le tube pneumatique de 4 mm à la sortie du compresseur et à l'encoche du filtre à air de l'unité interface/puissance/régulateur.
   4. Connectez l'interface/puissance/régulateur au connecteur micro-USB de l'assemblage câble/répéteur USB et déposez le câble répéteur sur le PC/ordinateur portable de l'hôte dans la salle de contrôle de l'IRM. Branchez l'interface/puissance/régulateur dans un bouchon mural 110VAC dans la salle de support, puis allumez le commutateur d'alimentation.
3. Position MR_CHIROD v3 avec le patient.
   1. Étendre et abaisser complètement le lit du scanner MR. Fixez la moitié inférieure de la bobine de tête et guidez le bénévole à se poser, en s'assurant que le volontaire se repose confortablement et a tendu les bras confortablement.
   2. Fournir des bouchons d'oreille au bénévole pour la réduction du bruit acoustique.
   3. Fixer la bobine de tête et les petits coussinets de mousse pour immobiliser la tête.
   4. Attachez les oreillers autour du bras de préhension du volontaire au niveau du bras et du coude, afin de minimiser l'accouplement vibratoire avec le corps du bénévole et sur les parois du scanner MR.
   5. Fixez la balle de communication sur la poitrine du volontaire, instruisez-le sur la façon de l'utiliser et confirmez que la balle de communication fonctionne bien avant de commencer les scans.
   6. Installez librement le MR_CHIROD sur le côté du patient en face de celui de leur lésion cérébrale en utilisant la fente de lit correspondante. Avec le coude du volontaire reposant sur la table pour soutenir le poids de son bras, déplacez la poignée MR_CHIROD à la sangle entre le pouce et l'index et guidez le volontaire à saisir les poignées du MR_CHIROD.
   7. Si le MR_CHIROD est de l'autre côté de la table à partir du panneau de pénétration, placez les câbles et le tube pneumatique de sorte qu'ils passent sous la table plutôt que sur le patient.
   8. Assurez-vous que la position d'adhérence est appropriée pour presser. Demandez au bénévole de presser et de pousser ou de tirer sur les MR_CHIROD jusqu'à ce qu'ils aient la position la plus confortable pour presser.
   9. Fixez le MR_CHIROD fermement en place en resserrant les noix en plastique à l'aide d'une clé compatible MR.
      REMARQUE: Aucun scan n'est effectué à ce moment-là. Lors du positionnement de la MR_CHIROD, le volontaire se repose confortablement sur le lit du scanner MR à l'extérieur de l'aimant. La porte de la salle d'aimant peut être ouverte.
4. Configurez l'ordinateur portable de contrôle dans la salle de contrôle MR (à côté des salles de scanner et de soutien), confirmez la connexion et fixez pour le niveau de force du patient.
   1. Allumez l'ordinateur portable et démarrez le logiciel d'acquisition/analyse de données. Connectez le câble USB/répéteur à l'ordinateur portable. Allumez le projecteur de la salle du scanner MR. Connectez le port de sortie vidéo de l'ordinateur portable au connecteur du projecteur et configurez le moniteur pour étendre l'écran sur le projecteur. Connectez le scanner USB HID câble de déclenchement à l'ordinateur portable pour recevoir les signaux de déclenchement du scanner.
   2. Exécutez l'interface utilisateur personnalisée (interface utilisateur) / programme de contrôle / stimulus pour le MR_CHIROD. Définir automatiquement MR_CHIROD pression au niveau de « configuration minimale » (minimum) pour pousser la poignée jusqu'à l'arrêt final, en vérifiant l'affichage des formes d'onde de mouvement et de force.
   3. Instruisez le bénévole que les prochaines compressions seront de calibrer pour une force maximale de compression et donc sera difficile.
   4. Fixez le niveau de force, par exemple, à 30 N et demandez au volontaire de presser complètement 2-3 fois avec une période d'environ 2 s. Observez si le volontaire peut effectuer une compression à ce niveau de force.
   5. Augmentez graduellement le niveau de force et répétez les tentatives de compression jusqu'à ce que le volontaire ne puisse pas effectuer une compression. Cette mesure sert de maximum de la force d'adhérence du volontaire. L'interface du travail calcule automatiquement 60 %, 40 % et 20 % des niveaux de force maximum pour l'utilisation pendant les tests.

3. Entrez les données des volontaires et calibrez le scanner MR

1. Entrez les données dé-identifiées du bénévole conformément à la politique de l'hôpital conformément aux règlements de la HIPAA (United States Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996) sur la console de scanner.
2. Déplacez la table et le participant dans le scanner et position à l'isocentre.

4. Exécuter la session de l'IRMf

1. Observez le bénévole par la fenêtre entre les salles de contrôle et de scanner et communiquez avec le bénévole pour obtenir la permission du participant de commencer le protocole d'IRMf. Demandez-leur de ne pas tenir la poignée MR_CHIROD pour lui permettre de se reposer à la position entièrement ouverte.
2. Shim l'aimant et exécuter un balayage localisateur. Ouvrez le protocole d'IRMf et fixez des tranches pour couvrir le cerveau du volontaire.
3. Instruisez le bénévole que la séance de l'IRMf est sur le point de commencer.
4. À l'aide de l'interface chômage, définir le MR_CHIROD d'appliquer le premier niveau de force (20 % du maximum). Le programme d'interface volontaire affichera un ensemble d'instructions sur le projecteur vidéo pour le bénévole afin de lui rappeler comment réagir au stimulus visuel. L'interface uI attendra que le scanner fournisse un signal de déclenchement pour continuer.
5. Démarrer un protocole d'imagerie écho-planaire pour l'IRMf. Utilisez le programme d'imagerie MR_CHIROD du dossier USERS. Les paramètres d'acquisition et de reconstruction sont déjà fixés dans le programme d'imagerie et ne devraient pas être modifiés. Les paramètres suivants sont utilisés : dans le plan 192 x 192 ou 256 x 256 matrices d'acquisition ; TR (temps de répétition) dans la gamme de 2-3 s; a 30 ms TE (temps d'écho); 5 mm d'épaisseur de tranche, et une résolution spatiale de 1 mm x 1 mm.
   REMARQUE: Le programme d'acquisition/stimulus d'interface uI/données attendra de recevoir une impulsion de déclenchement du scanner correspondant au lancement des balayages pré-IRM dans le programme de scanner. Le stimulus visuel supprimera les instructions et montrera une « croix de fixation » sur laquelle le bénévole se concentrera. Lorsque les TR de balayage de fMRI commencent, un affichage visuel de métronome, sous la forme d'un cercle croissant et rétrécissant sera affiché. Le volontaire serrera complètement et relâchera la poignée de façon synchrone avec le stimulus. Les périodes de repos sépareront les périodes de stimulus, pendant lesquelles la croix de fixation sera rediffusée.
6. Pendant l'exécution d'une tâche, surveillez la sortie de la force et si le participant exécute la tâche correctement (c.-à-d. remplir complètement les poignées et les dégagements et maintenir la synchronisation avec le métronome visuel) en observant des parcelles en direct de force et de déplacement sur l'interface uI .
7. Une fois la première exécution terminée, confirmer la poursuite de l'expérience sur l'interface uI, qui va changer le niveau de force à la deuxième de trois niveaux. Répétez l'opération à partir de l'étape 4.5. De même, lorsque la deuxième manche est terminée, confirmer la suite pour exécuter la course finale au niveau de la troisième force.
8. Après la troisième manche, l'interface du jour définira automatiquement MR_CHIROD pression au niveau de la « configuration » basse.

5. Terminer la session d'IRM

1. Instruisez le participant à se détendre et à lâcher la poignée. Recueillir une série de scans anatomiques.

6. Décollage

1. Retirez le participant de la salle de scanner MR, suivez les étapes d'configuration en marche arrière, et procédez à l'arrêt et déconnecter les parties de la MR_CHIROD. Transférez les données MR à la base de données et au disque et fermez la session.

Résultats

La méthodologie décrite dans le protocole permet la collecte d'images IRMf pendant que le volontaire exécute la tâche en temps réel dans l'aimant. Des expériences ont été effectuées dans l'établissement bay 1 du Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, à l'aide d'un scanner de résonance magnétique 3T. La figure 2 et la figure 3 montrent le placement de la MR_CHIROD sur la table et du patient en place qui l'...

Discussion

Nous présentons l'IRMf d'une tâche motrice en utilisant la dernière version d'un nouveau dispositif robotique, le MR_CHIROD^1,2,8. Le MR_CHIROD a été conçu pour exécuter une tâche d'adhérence à la main qui a peut être effectuée par des patients atteints d'AVC chronique et a été étudié précédemment^1,2,3,

matériels

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