Risonanza magnetica funzionale in congiunzione con un nuovo dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la risonanza magnetica per valutare la riabilitazione di individui che recuperano dai deficit di grip della mano

Riepilogo

Abbiamo eseguito la risonanza magnetica funzionale utilizzando un nuovo dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la risonanza magnetica per valutare la sua utilità per il monitoraggio della funzione motoria della mano negli individui che si riprendono da deficit neurologici.

Abstract

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di imaging a risonanza magnetica non invasiva che immagina l'attivazione cerebrale in vivo, utilizzando l'endogena deosssiemoglobina come agente di contrasto endogeno per rilevare cambiamenti nel ossigenazione (effetto BOLD). Abbiamo combinato la fMRI con un nuovo dispositivo robotico (dispositivo robotico indotto dalle mani compatibile con la MR [MR_CHIROD]) in modo che una persona nello scanner possa eseguire un compito motorio controllato, la spremitura a mano, che è un movimento molto importante della mano per studiare nella malattia motoria neurologica . Abbiamo impiegato l'imaging parallelo (generalizzati auto-calibrazione delle acquisizioni parzialmente parallele [GRAPPA]), che ha permesso una maggiore risoluzione spaziale con conseguente maggiore sensibilità a BOLD. La combinazione di fMRI con il dispositivo robotico indotto a mano ha permesso un controllo preciso e il monitoraggio del compito che è stato eseguito mentre un partecipante era nello scanner; questo può rivelarsi utile nella riabilitazione della funzione motoria della mano nei pazienti che si riprendono da deficit neurologici (ad esempio, ictus). Qui descriviamo il protocollo per l'utilizzo dell'attuale prototipo del MR_CHIROD durante una scansione fMRI.

Introduzione

Metriche di imaging appropriate possono monitorare e prevedere la probabilità di successo della terapia negli individui meglio delle valutazioni cliniche e fornire informazioni per migliorare e individualizzare la pianificazione della terapia. Abbiamo sviluppato esperienza con pazienti che si riprendono da ictus cronico^{1,2,3,4,5,6,7,8}. Lo sviluppo di strategie individualizzate ottimali che si concentrano su come l'allenamento motorio può influenzare il miglioramento incrementale sia nella riorganizzazione dell'attività neurale e/o della funzione motoria è ancora difficile. Approfondimenti sui processi di rimodellamento strutturale e riorganizzazione sottostanti per il recupero funzionale nel cervello dopo che la malattia neurologica può permetterci di valutare la relazione tra i modelli topografici distribuiti di attività neurale e il recupero funzionale tramite metodi di neuroimaging funzionale e mappatura del cervello. Il successo faciliterà lo sviluppo di strategie di trattamento personalizzate ottimizzate per produrre miglioramenti nella forza di presa in una popolazione ampia con condizioni neurologiche basate sulle metriche di risonanza magnetica (RMI)⁹.

Qui presentiamo un protocollo che impiega un dispositivo a mano robotico di nuova riprogettazione che fornisce una forza di resistenza controllabile rispetto alla quale un soggetto si aggrappa e rilascia una maniglia in sincronia con uno stimolo visivo oscillante. L'MR_CHIROD v3 (MR-compatible Hand-Induced RObotic Device) è un sistema per la presentazione di forze regolabili rispetto alle quali vengono eseguite le azioni di gripping e rilascio, durante la misurazione e la registrazione della forza applicata, dello spostamento della presa e dei timestamp per ogni punto dati (Figura 1). Il dispositivo è stato progettato per fornire valutazioni affidabili delle immagini di attivazione cerebrale durante la fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che possono essere utilizzate per valutare i cambiamenti dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) nelle risposte cerebrali dei pazienti che si riprendono da disturbi neurologici. La compatibilità MR si ottiene attraverso l'uso di componenti interamente non ferrosi/non magnetici per la struttura e gli elementi dell'attuatore pneumatico e i componenti schermati sensore/elettronico posizionati sul letto dello scanner. Figura 2 Mostra il dispositivo collegato a un letto di scanner MR e con un soggetto nel magnete foro afferrare il manico del MR_CHIROD v3 (Figura 3). I componenti di interfaccia e controllo sono posizionati all'esterno della sala scanner MR (Figura 4).

Il dispositivo viene utilizzato contemporaneamente con i metodi di imaging cerebrale per valutare le attivazioni cerebrali pertinenti. L'uso principale del sistema è quello di fornire un compito motorio che genera attivazioni delle aree motorie del cervello, che vengono rilevate utilizzando fMRI. L'attivazione cerebrale durante l'utilizzo del MR_CHIROD durante l'imaging può valutare la neuroplasticità nella malattia neurologica. Monitorando i cambiamenti nelle attivazioni nel corso e dopo l'allenamento motorio utilizzando il MR_CHIROD, possono essere osservati progressi nella riabilitazione motoria a seguito di qualsiasi malattia neurologica che porta a deficit motori (ad esempio, ictus).

Il MR_CHIROD v3 può anche essere montato su tavolo, per l'uso in esercizi di allenamento intra-scansione, in cui il soggetto afferra e rilascia in risposta a stimoli visivi adatti per periodi di 45 min, tre volte a settimana durante lo studio. La nostra esperienza nell'allenamento roboticamente fornito, monitorato con l'imaging, suggerisce che la finestra di recupero per i pazienti colpiti da ictus, ad esempio, potrebbe non chiudere mai¹.

La nostra logica per la costruzione e l'utilizzo di un robot a presa a mano compatibile con MR è che il recupero robotico ha il potenziale per produrre un grande impatto sulla compromissione grazie alla sua facile distribuzione, all'applicabilità attraverso varie disabilità motorie, all'elevata affidabilità di misurazione e alla capacità di fornire protocolli di allenamento ad alta intensità¹⁰. Il nostro robot compatibile con MR può: (a) essere impostato per intervalli di movimento specifici del soggetto ed essere regolato a livello di programmazione per applicare livelli di forza specifici del soggetto; b) controllare, misurare e registrare la forza e i parametri di spostamento attraverso un computer host; c) regolare a distanza i parametri di controllo senza richiedere l'interruzione della scansione per l'accesso alla sala scanner MR o il riposizionamento del soggetto; e (d) fornire la terapia mediante esercizi di allenamento in modo preciso e coerente per lunghi periodi.

Siamo a conoscenza di nessun dispositivo robotico di recupero disponibile in commercio che possa essere utilizzato con uno scanner MR per misurare la forza di presa della mano e lo spostamento del soggetto durante l'applicazione di forza variabile nel tempo controllata dal computer. Tsekos et al.¹¹ hanno esaminato una varietà di dispositivi robotici e di riabilitazione principalmente basati sulla ricerca, compatibili con la MR, incluse le precedenti iterazioni della MR_CHIROD serie di dispositivi. Altri dispositivi sono stati progettati per studiare il movimento del polso, il movimento delle dita, la forza di presa isometrica e i movimenti multi-joint. Per i dispositivi che forniscono attivamente forze resistive o di altro tipo, sono state impiegate diverse tecnologie compatibili con MR, tra cui idraulica, pneumatica, collegamenti meccanici e smorzatori di fluido elettroreologico. Alcuni dispositivi includono più gradi di libertà, tra cui un'altra estensione delle versioni precedenti MR_CHIROD aggiunto un grado di libertà rotazionale e l'applicazione di forza idraulica, tuttavia non è stato adattato per la compatibilità RM¹².

Il nostro dispositivo specifico per la presa a mano ha i vantaggi della portabilità (viene regolarmente trasportato tra la struttura MR e i siti di formazione per uffici), e la capacità di produrre forze resistenti grandi, controllate dal computer e che variano nel tempo. L'uso attuale della tecnologia pneumatica nel MR_CHIROD evita la necessità di fonti ad alta tensione necessarie per i sistemi elettro-reologici basati su fluidi, il potenziale di perdita di liquido idraulico e complessi cavi/collegamenti che collegano il meccanismo di interfaccia con componenti esterni di alimentazione e controllo.

Il MR_CHIROD è stato il primo dispositivo che è stato dimostrato di funzionare in combinazione con la fMRI per la mappatura del cervello nei pazienti colpiti da ictus¹. È importante sottolineare che la MR_CHIROD v3 è particolarmente utile per la formazione a domicilio o in ufficio, in quanto il sistema e il suo software sono stati progettati per l'uso senza supporto clinico esperto e con elementi motivazionali ("gamification"). Rispetto alla formazione agevolata dal fisioterapista in un ospedale, l'allenamento a domicilio o a casa è meno costosa e più conveniente, rendendo più facile per i pazienti aderire alla terapia quotidiana. Il dispositivo, già relativamente poco costoso rispetto ad alcuni degli altri dispositivi basati sulla ricerca, può essere riprogettato per migliorare il rapporto costo-beneficio. La realtà virtuale e la gamificazione della formazione, entrambe compatibili con la MR_CHIROD v3, possono coinvolgere i pazienti, aumentare la loro attenzione durante il compito e migliorare la motivazione, aumentando così l'efficacia del recupero¹³.

Protocollo

Tutti gli esperimenti sono stati approvati dall'Institutional Review Board del Massachusetts General Hospital e sono stati eseguiti come approvato presso l'Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging.

1. Preparazione del soggetto

NOT: I criteri di inclusione sono: (i) dominanza della mano destra, (ii) capacità di dare il consenso scritto informato. L'esclusione è stata attuata sulla base dello screening per i controindicatori nell'ambiente di risonanza magnetica come i seguenti: (a) criteri di esclusione della risonanza magnetica di routine, come la presenza di una clip di pacemaker o di aneurisma cerebrale e impianti metallici o contenuto metallico nel corpo; b) storia delle crisi epilettiche (c) claustrofobia; d) gravidanza.

1. Per ottenere il consenso informato, leggere il modulo di consenso al volontario. Sia il volontario che l'investigatore firmano nelle posizioni appropriate su forma di consenso in duplicato. Lasciare una copia firmata del modulo di consenso in un luogo appropriato per i registri degli investigatori. Conservare la seconda copia del modulo di consenso per i record del partecipante.
2. Scherma il volontario per le controindicazioni della risonanza magnetica (RM). Compilare l'elenco delle controindicazioni della risonanza magnetica e informarsi su ogni elemento dell'elenco, saltellando le caselle in base alle esigenze.
3. Non procedere con la scansione se i partecipanti hanno (o potenzialmente hanno) controindicazioni, tra cui clip di aneurisma chirurgico, pacemaker cardiaco, valvola cardiaca, neurostimolatore, pompe impiantate, impianti cocleari, aste metalliche, piastre, viti, apparecchi acustici o cerotto transdermico.

2. Configurazione

1. Eseguire la configurazione iniziale nella sala scanner.
   NOTA: Tutta la formazione necessaria deve essere ottenuta dall'investigatore prima della procedura. Precauzioni rilevanti per l'impianto MR devono essere prese in ogni momento.
   1. Portare il MR_CHIROD (Dispositivo robotico indotto dalla mano compatibile con la risonanza magnetica) nella stanza degli scanner MRI e posizionarlo vicino al pannello di penetrazione. Inserire il tubo pneumatico da 3/8 pollici nel tubo pass-through nel pannello nella sala di supporto RM adiacente.
   2. Collegare la stanza dello scanner MRI forzare i cavi e i cavi dell'encoder al connettore a forma di D a 9 pin (DSUB) sul lato della stanza dello scanner del pannello.
2. Impostare la sala di supporto RM.
   1. Collegare il compressore d'aria a una presa a parete 110VAC. Con il regolatore interno del compressore ritornato alla posizione di pressione off/minimum e la valvola a sfera in posizione spenta, accendere il compressore e lasciarlo arrivare a piena pressione interna (4 min).
   2. Collegare i cavi di rilevamento della forza della forza della sala di supporto e encoder al connettore DSUB sul lato esterno del pannello di penetrazione.
   3. Collegare il raccordo a tubi pneumatici da 3/8 pollici, emergendo dal pass-through del pannello di penetrazione alla presa della presa del regolatore di pressione dell'unità di interfaccia/potenza. Collegare il tubo pneumatico da 4 mm alla presa del compressore e all'ingresso del filtro dell'aria sull'unità di interfaccia/potenza/regolatore.
   4. Collegare l'unità di interfaccia/alimentazione/regolatore al connettore micro-USB dell'assieme cavo/ripetitore USB e appoggiare il cavo del ripetitore sul PC/laptop host nella sala di controllo MRI. Collegare l'unità di interfaccia/alimentazione/regolatore in una spina a parete 110VAC nella sala di supporto, quindi attivare l'interruttore di alimentazione.
3. Posizionare MR_CHIROD v3 con il paziente.
   1. Estendere e abbassare completamente il letto dello scanner MR. Attaccare la metà inferiore della bobina di testa e guidare il volontario a sdraiarsi, assicurandosi che il volontario stia riposando comodamente e abbia esteso le braccia comodamente.
   2. Fornire tappi per le orecchie al volontario per una riduzione acustica del rumore.
   3. Fissare la bobina della testa e piccole pastiglie di schiuma per immobilizzare la testa.
   4. Fissare cuscini intorno al braccio avvincente del volontario a livello del braccio e del gomito, per ridurre al minimo l'accoppiamento vibrazionale al corpo del volontario e alle pareti dello scanner MR.
   5. Fissare la palla di comunicazione sul petto del volontario, istruirli su come usarla e confermare che la palla di comunicazione funziona bene prima di iniziare le scansioni.
   6. Installare liberamente il MR_CHIROD sul lato del paziente opposto a quello della lesione cerebrale utilizzando il corrispondente bed-slot. Con il gomito del volontario appoggiato sul tavolo per sostenere il peso del braccio, spostare la maniglia MR_CHIROD sulla fettuccia tra pollice e indice e guidare il volontario a prendere le maniglie del MR_CHIROD.
   7. Se il MR_CHIROD si trova sul lato opposto del tavolo dal pannello di penetrazione, posizionare i cavi e il tubo pneumatico in modo che passino sotto il tavolo piuttosto che sopra il paziente.
   8. Assicurarsi che la posizione di presa sia corretta per la compressione. Istruire il volontario a spremere e spingere o tirare il MR_CHIROD fino ad avere la posizione più comoda per la spremitura.
   9. Fissare il MR_CHIROD saldamente in posizione stringendo i dadi di plastica utilizzando una chiave inglese compatibile con MR.
      NOT: Non viene eseguita alcuna scansione in quel momento. Quando si posiziona l'MR_CHIROD, il volontario si appoggia comodamente sul letto dello scanner MR all'esterno del magnete. La porta della stanza dei magneti potrebbe essere aperta.
4. Impostare il portatile di controllo nella sala di controllo MR (adiacente a scanner e sale di supporto), confermare la connessione e impostare per il livello di forza del paziente .
   1. Accendere il portatile e avviare il software di acquisizione/analisi dei dati. Collegare l'assieme del cavo USB/ripetitore al computer portatile. Accendere il proiettore sala scanner MR. Collegare la porta di uscita video del computer portatile al connettore del proiettore e impostare il monitor per estendere lo schermo sul proiettore. Collegare il cavo di attivazione HID USB dello scanner al portatile per ricevere segnali di innesco dallo scanner.
   2. Eseguire l'interfaccia utente personalizzata (UI) / controllo / programma di stimolo per il MR_CHIROD. Impostare automaticamente MR_CHIROD pressione sul livello (minimo) di "impostazione" per spingere la maniglia fino alla fine dell'arresto, verificando la visualizzazione del movimento e forzando le forme d'onda.
   3. Istruire il volontario che le prossime spremere sarà quello di calibrare per la massima forza di spremitura e quindi sarà difficile.
   4. Impostare il livello di forza, ad esempio, a 30 N e indicare al volontario di spremere completamente 2-3 volte con un periodo di circa 2 s. Osservare se il volontario può completare una stretta a quel livello di forza.
   5. Aumentare gradualmente il livello di forza e ripetere i tentativi di compressione fino a quando il volontario non può completare una stretta. Questa misura serve come un massimo della forza di presa del volontario. L'interfaccia utente calcola automaticamente il 60%, il 40% e il 20% dei livelli di forza massimi da utilizzare durante il test.

3. Inserire i dati di volontariato e calibrare lo scanner MR

1. Inserire i dati de-identificati del volontario secondo la polizza ospedaliera in conformità con le normative HIPAA (United States Health Insurance Portability and Accountability Act of 1996) sulla console dello scanner.
2. Spostare il tavolo e il partecipante nello scanner e posizionarlo in corrispondenza dell'isocentro.

4. Eseguire la sessione fMRI

1. Osservare il volontario attraverso la finestra tra le sale di controllo e scanner e comunicare con il volontario per ottenere il permesso del partecipante per avviare il protocollo fMRI. Istruire loro di non tenere la maniglia MR_CHIROD per consentirgli di riposare in posizione completamente aperta.
2. Shim il magnete ed eseguire una scansione del localizzatore. Aprire il protocollo fMRI e impostare le fette per coprire il cervello del volontario.
3. Istruisci il volontario che la sessione fMRI sta per iniziare.
4. Usando l'interfaccia utente, imposta l'MR_CHIROD per applicare il primo livello di forza (20% del massimo). Il programma dell'interfaccia utente visualizzerà una serie di istruzioni sul proiettore video per il volontario per ricordare loro come rispondere allo stimolo visivo. L'interfaccia utente attenderà che lo scanner fornisca un segnale di trigger per continuare.
5. Avviare un protocollo echo-planar-imaging per fMRI. Utilizzare il programma di imaging MR_CHIROD dalla cartella USERS. I parametri di acquisizione e ricostruzione sono già impostati nel programma di imaging e non devono essere modificati. Vengono utilizzati i seguenti parametri: in piano 192 x 192 o 256 x 256 matrici di acquisizione; TR (tempo di ripetizione) nell'intervallo di 2-3 s; un TE di 30 ms (tempo di eco); Spessore della sezione di 5 mm e una risoluzione spaziale di 1 mm x 1 mm.
   NOT: Il programma di acquisizione/stimolo dell'interfaccia utente/dati attenderà di ricevere un impulso di innesco dallo scanner corrispondente all'avvio di scansioni pre-fMRI nel programma scanner. Lo stimolo visivo rimuoverà le istruzioni e mostrerà una "croce di fissaggio" su cui il volontario si concentrerà. Quando inizia la scansione fMRI, verrà visualizzato un metronomo visivo, sotto forma di un cerchio in crescita e contrazione. Il volontario spremere completamente e rilasciare la maniglia in modo sincrono con lo stimolo. I periodi di riposo separeranno i periodi di stimolo, durante i quali verrà visualizzata nuovamente la croce di fissaggio.
6. Durante l'esecuzione di un'attività, monitorare l'output della forza e se il partecipante sta eseguendo correttamente l'attività (ad esempio, completando completamente grip e rilasci e mantenendo la sincronia con il metronomo visivo) osservando i grafici in tempo reale di forza e spostamento sull'interfaccia utente .
7. Al termine della prima esecuzione, confermare la continuazione dell'esperimento nell'interfaccia utente, che cambierà il livello di forza al secondo di tre livelli. Ripetere dal passaggio 4.5. Analogamente, al termine della seconda corsa, confermare la continuazione per eseguire la corsa finale al terzo livello di forza.
8. Dopo la terza esecuzione, l'interfaccia utente imposterà automaticamente MR_CHIROD pressione sul livello di "configurazione" basso.

5. Completare la sessione RM

1. Istruire il partecipante a rilassarsi e a lasciar andare la maniglia. Raccogli una serie di scansioni anatomiche.

6. Take-down

1. Rimuovere il partecipante dalla sala scanner MR, seguire i passaggi di configurazione in senso inverso e procedere all'arresto e alla scollegata delle parti del MR_CHIROD. Trasferire i dati MR nel database e su disco e chiudere la sessione.

Risultati

La metodologia delineata nel protocollo consente la raccolta di immagini fMRI mentre il volontario sta eseguendo il compito in tempo reale nel magnete. Sono stati effettuati esperimenti nello stabilimento della baia 1 del Massachusetts General Hospital Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, utilizzando uno scanner a risonanza magnetica completa 3T. Figura 2 e Figura 3 Mostrano il posizionamento del MR_CHIROD sul tavolo e il paziente sul posto in us...

Discussione

Presentiamo fMRI di un compito motorio utilizzando l'ultima versione di un nuovo dispositivo robotico, la MR_CHIROD^1,2,8. Il MR_CHIROD è stato progettato per eseguire un compito di presa a mano che ha può essere eseguito da pazienti colpiti da ictus cronico ed è stato studiato in precedenza^1,2,3,4

Materiali

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