손 그립 적자에서 회복하는 개인의 재활을 평가하기 위해 새로운 MRI 호환 손 유도 로봇 장치와 함께 기능MRI

요약

우리는 신경학적 적자에서 회복하는 개인의 손 운동 기능을 모니터링하기 위한 유틸리티를 평가하기 위해 새로운 MRI 호환 핸드 유도 로봇 장치를 사용하여 기능적 MRI를 수행했습니다.

초록

기능성 자기 공명 영상(fMRI)은 생체 내에서 뇌 활성화를 이미지화하는 비침습적 자기 공명 영상 기술로, 내인성 데옥시헤모글로빈을 내인성 조영제로 사용하여 혈액 수준의 변화를 감지합니다. 산소화 (굵은 효과). 우리는 fMRI를 새로운 로봇 장치 (MR 호환 손으로 유도 한 로봇 장치 [MR_CHIROD])와 결합하여 스캐너의 사람이 신경 학적 운동 질환을 연구하는 매우 중요한 손 운동인 제어 된 모터 작업, 손으로 짜내는 작업을 실행할 수 있습니다. . 우리는 병렬 이미징(부분적으로 병렬 획득을 일반화하는 일반화 된 자동 교정 [GRAPPA])을 채택하여 더 높은 공간 해상도를 허용하여 BOLD에 대한 감도를 높였습니다. fMRI와 손으로 유도된 로봇 장치의 조합은 참가자가 스캐너에 있는 동안 실행된 작업의 정밀한 제어 및 모니터링을 허용; 이것은 신경학상 적자 (예를 들면, 치기)에서 복구하는 환자에 있는 손 운동 기능의 재활에 있는 유용성의 증명할 수 있습니다. 여기서 우리는 fMRI 검사 중에 MR_CHIROD 현재 프로토타입을 사용하기 위한 프로토콜을 간략하게 설명합니다.

서문

적절한 이미징 메트릭은 임상 평가보다 개인의 치료 성공 가능성을 모니터링하고 예측하고 치료 계획을 개선하고 개별화하는 정보를 제공할 수 있습니다. 우리는 만성 뇌졸중^1,2,3,4,5,6, 7 ,^8에서회복하는 환자와 경험을 개발했습니다. 운동 훈련이 신경 활동 및/또는 운동 기능의 재구성에서 점진적 개선에 영향을 미칠 수 있는 방법에 초점을 맞춘 최적의 개별화된 전략을 개발하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 신경 질환 후 뇌의 기능 적 회복을위한 기본 구조 리모델링 및 재구성 프로세스에 대한 통찰력은 기능적 신경 이미징 방법과 뇌 매핑을 통해 신경 활동의 분산 지형 패턴과 기능 적 회복 사이의 관계를 평가 할 수 있습니다. 성공은 자기 공명 영상 (MRI) 메트릭에 기초한 신경학적 조건으로 광범위한 인구에서 그립 강도의 향상을 산출하기 위하여 최적화된 개인화한 처리 전략 개발을 촉진할 것입니다^9.

여기서 우리는 피사체가 진동하는 시각적 자극과 동기화된 핸들을 잡고 해제하는 제어 가능한 저항력을 제공하는 새롭게 설계된 로봇 손 장치를 사용하는 프로토콜을 제시합니다. MR_CHIROD v3(MR 호환 핸드-유도 RObotic Device)는 각 데이터 포인트에 대해 적용된 힘, 그립 변위 및 타임스탬프를 측정및 기록하는 동안 그립 및 해제 모션이 수행되는 조정 가능한 힘을 나타내는 시스템입니다(그림1). 이 장치는 fMRI (기능적 자기 공명 영상) 동안 뇌 활성화 이미지의 신뢰할 수있는 평가를 제공하도록 설계되었으며, 이는 신경 장애에서 회복되는 환자의 뇌 반응에서 혈액 산소 수준 의존성 (BOLD) 변화를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. MR 호환성은 구조 및 공압 액추에이터 요소및 스캐너 침대에 배치된 차폐 센서/전자 부품에 대해 완전히 비철/비자기 부품을 사용하여 달성됩니다. 도 2는 MR 스캐너 베드에 부착된 디바이스를 도시하고, MR_CHIROD v3의 핸들을 잡는 자석 구멍에 피사체가 있는 것을나타낸다(도 3). 인터페이스 및 제어 구성 요소는 MR 스캐너 룸 외부에 배치됩니다(그림4).

이 장치는 관련 뇌 활성화를 평가하기 위해 뇌 이미징 방법과 동시에 사용됩니다. 시스템의 주요 사용은 fMRI를 사용하여 검출되는 뇌의 모터 영역의 활성화를 생성하는 모터 작업을 제공하는 것입니다. 화상 진찰 도중 MR_CHIROD 사용하는 동안 두뇌 활성화는 신경질병에 있는 neuroplasticity를 평가할 수 있습니다. MR_CHIROD 이용한 운동 훈련 과정 및 후 활성화의 변화를 추적함으로써, 운동 결핍(예를 들어, 뇌졸중)으로 이어지는 임의의 신경질환에 따른 운동 재활의 진행이 관찰될 수 있다.

MR_CHIROD v3는 또한 테이블 장착 될 수있다, 인트라 스캔 훈련에 사용하기 위해, 있는 피사체그립과 연구의 기간 동안 적절한 시각적 자극에 대한 응답으로 해제 45 분, 연구 기간 동안 일주일에 세 번. 화상 진찰로 감시된 로봇으로 전달한 훈련을 가진 우리의 경험은, 예를 들면 치기 환자를 위한 복구 창이 결코 닫히지 않을 수 있다는 것을^{건의합니다 1}.

MR 호환 핸드 그립 로봇을 구축하고 사용하는 우리의 근거는 로봇 복구가 쉬운 배치, 다양한 모터 장애에 대한 적용 가능성, 높은 측정 신뢰성 및 고강도 교육 프로토콜^10을전달할 수 있기 때문에 손상에 큰 영향을 미칠 가능성이 있다는 것입니다. 우리의 MR 호환 로봇은 할 수 있습니다 : (a) 피사체 별 운동 범위에 대해 설정하고 피사체 별 힘 수준을 적용하도록 프로그래밍 방식으로 조정될 수 있습니다. (b) 호스트 컴퓨터를 통한 힘 및 변위 파라미터를 제어, 측정 및 기록하는 경우; (c) MR 스캐너 룸에 대한 액세스 또는 피사체의 재배치에 대한 스캔의 중단없이 원격으로 제어 매개 변수를 조정; (d) 훈련 훈련을 통해 장시간 동안 정확하고 일관되게 치료를 제공합니다.

MR 스캐너와 함께 컴퓨터 제어 시간 변화력을 적용하면서 피사체의 손 그립력과 변위를 측정하는 데 사용할 수 있는 시판 되는 복구 로봇 장치가 없다는 것을 알고 있습니다. Tsekos 등^11은 MR_CHIROD 일련의 장치의 초기 반복을 포함하여 주로 연구 기반의 MR 호환 로봇 및 재활 장치의 다양한 검토했습니다. 다른 장치는 손목 동작, 손가락 동작, 등각 그립 강도 및 다관절 움직임을 연구하기 위해 설계되었습니다. 저항 력 또는 기타 힘을 적극적으로 제공하는 장치의 경우 유압, 공압, 기계적 연결 및 전기 유체 댐퍼를 포함한 다양한 MR 호환 기술이 사용되었습니다. 일부 장치는 이전 MR_CHIROD 버전의 또 다른 확장을 포함하여 여러 자유도를 포함하지만, MR 호환성^12에적용되지 않은 자유도 및 유압 힘 응용 프로그램을 추가했습니다.

당사의 핸드 그립 전용 장치는 휴대성(MR 시설과 사무실 기반 교육 사이트 간에 정기적으로 이송됨) 및 컴퓨터 제어, 시간 변화 저항력을 생산하는 능력의 장점을 가지고 있습니다. MR_CHIROD 공압 기술을 사용하면 전기 유류 유체 기반 시스템에 필요한 고전압 소스, 유압 유체의 누출 가능성 및 인터페이스 메커니즘을 외부 전력 및 제어 구성 요소와 연결하는 복잡한 케이블/링키지의 필요성을 피할 수 있습니다.

MR_CHIROD 뇌졸중 환자^1에서뇌 매핑을 위한 fMRI와 함께 기능하는 것으로 입증된 최초의 장치였다. 중요한 것은, MR_CHIROD v3는 시스템 및 소프트웨어가 전문적인 임상 지원없이 동기 부여 요소 ("게임화")와 함께 사용하도록 설계되었기 때문에 가정 또는 사무실 기반 교육에 특히 유용합니다. 병원에서 물리 치료사가 촉진 한 교육에 비해, 사무실 - 또는 가정 기반 교육은 환자가 매일 치료를 준수하기 쉽게 만드는 저렴하고 편리합니다. 다른 연구 기반 장치 중 일부에 비해 이미 상대적으로 저렴한 이 장치는 비용 대 이점 비율을 개선하기 위해 재설계 될 수 있습니다. MR_CHIROD v3와 호환되는 가상 현실 및 훈련의 게임화는 환자를 참여시키고, 작업 중에 주의를 증가시키고, 동기 부여를 향상시켜 회복의 효과를 증가시킬 수 있다^13.

프로토콜

모든 실험은 매사추세츠 종합 병원의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었고 생물 의학 이미징을위한 아티놀라 A. Martinos 센터에서 승인된 대로 수행되었습니다.

1. 과목 준비

참고: 포함 기준은 다음과 같습니다 : (i) 오른손 지배, (ii) 서면 동의를 제공하는 능력. 배제는 다음과 같은 자기 공명 환경에서 의반대 지표에 대한 스크리닝에 기초하여 구현되었다: (a) 일상적인 MRI 배제 기준, 예컨대 심박동기 또는 뇌동맥류 클립 및 금속 임플란트 또는 금속 함량의 체내에 존재; (b) 발작의 역사 (c) 밀실 공포증; (d) 임신.

1. 정보에 입각한 동의를 얻으려면 자원봉사자에게 동의서를 읽으십시오. 자원봉사자와 조사관은 모두 동의서에 적정 위치에 로그인합니다. 서명된 동의서 사본 하나를 구도자 기록에 적합한 위치에 남겨 둡니다. 참가자의 기록에 대한 동의서의 두 번째 사본을 보관하십시오.
2. MRI (자기 공명 영상) 금기 표시에 대한 자원 봉사자를 선별합니다. MRI 금기 표시 목록을 작성하고 목록의 각 항목에 대해 문의, 적절한 상자를 선택.
3. 참가자가 외과 동맥류 클립, 심장 박동기, 보철 심장 판막, 신경 자극기, 이식 펌프, 인공와우, 금속 막대, 플레이트, 나사, 보청기 또는 경피 패치.

2. 설정

1. 스캐너 룸에서 초기 설정을 수행합니다.
   참고 : 필요한 모든 훈련은 절차에 앞서 조사관이 받아야합니다. MR 시설과 관련된 예방 조치는 항상 주의해야 합니다.
   1. MR_CHIROD(자기 공명 호환 손 유도 로봇 장치)를 MRI 스캐너 룸에 넣고 관통 패널 근처에 놓습니다. 3/8인치 공압 튜브를 패널의 통과 튜브에 인접한 MRI 지지실에 삽입합니다.
   2. MRI 스캐너 룸 포스 감지 및 인코더 케이블을 패널의 스캐너 룸 쪽의 9핀 D자형(DSUB) 커넥터에 연결합니다.
2. MRI 지원실을 설치합니다.
   1. 공기 압축기는 110VAC 벽 콘센트에 연결합니다. 압축기의 내부 레귤레이터가 오프/최소 압력 위치로 바뀌고 볼 밸브가 오프 포지션에 있으므로 압축기를 켜고 전체 내부 압력(~4분)에 도달하도록 합니다.
   2. 지지실 힘 감지 및 인코더 케이블을 관통 패널의 외부 측의 DSUB 커넥터에 연결합니다.
   3. 침투 패널통과 통과하여 인터페이스/전원 장치 압력 조절기 출구로 나오는 3/8인치 공압 튜브 피팅을 연결합니다. 4mm 공압 튜브를 컴프레서의 출구와 인터페이스/전원/레귤레이터 장치의 에어 필터 입구에 연결합니다.
   4. 인터페이스/전원/레귤레이터 장치를 USB 케이블/리피터 어셈블리의 마이크로 USB 커넥터에 연결하고 중계기 케이블을 MRI 제어실의 호스트 PC/노트북에 놓습니다. 인터페이스/전원/레귤레이터 장치를 지원실의 110VAC 벽 플러그에 연결한 다음 전원 스위치를 켭니다.
3. 환자와 MR_CHIROD v3를 배치합니다.
   1. MR 스캐너 침대를 완전히 확장하고 내립니다. 머리 코일의 아래쪽 절반을 부착하고 자원 봉사자가 편안하게 휴식을 취하도록 하고 편안하게 팔을 뻗어 있는지 확인하십시오.
   2. 음향 소음 감소를 위해 자원봉사자에게 귀마개를 제공합니다.
   3. 헤드 코일과 작은 폼 패드를 부착하여 머리를 고정시하십시오.
   4. 팔과 팔꿈치 의 수준에서 자원 봉사자의 그립 팔 주위에 베개를 부착하여 자원 봉사자의 몸과 MR 스캐너의 벽에 진동 커플링을 최소화하십시오.
   5. 자원 봉사자의 가슴에 통신 공을 부착하고, 그것을 사용하는 방법을 지시하고 스캔을 시작하기 전에 통신 공이 잘 작동하는지 확인하십시오.
   6. 환자의 측면에 MR_CHIROD 느슨하게 해당 침대 슬롯을 사용하여 뇌 병변의 반대쪽에 설치하십시오. 자원봉사자의 팔꿈치가 팔에 무게를 지탱하기 위해 테이블에 놓여있는 가운데, MR_CHIROD 손잡이를 엄지와 집게 손가락 사이의 가죽 끈으로 옮기고 자원봉사자가 MR_CHIROD 손잡이를 잡도록 안내합니다.
   7. MR_CHIROD 관통 패널에서 테이블의 반대편에 있는 경우 케이블과 공압 튜브를 배치하여 환자 보다 테이블 아래를 통과합니다.
   8. 그립 위치가 압착에 적합한지 확인합니다. 자원봉사자에게 압착을 위한 가장 편안한 자세가 될 때까지 MR_CHIROD 쥐거나 당기라고 지시한다.
   9. MR 호환 렌치를 사용하여 플라스틱 너트를 조여 MR_CHIROD 단단히 고정하십시오.
      참고: 그 때 검사가 수행되지 않습니다. MR_CHIROD 배치할 때 자원봉사자는 자석 바깥의 MR 스캐너 침대에서 편안하게 휴식을 취합니다. 자석실의 문이 열려 있을 수 있습니다.
4. MR 제어실(스캐너 및 지원실 에 인접한)에 제어 랩톱을 설치하고 연결을 확인하고 환자의 힘 수준을 설정합니다.
   1. 랩톱을 켜고 데이터 수집/분석 소프트웨어를 시작합니다. USB 케이블/중계기 어셈블리를 랩톱에 연결합니다. MR 스캐너 룸 프로젝터를 켭니다. 노트북 비디오 출력 포트를 프로젝터 커넥터에 연결하고 모니터를 설정하여 프로젝터에 화면을 확장합니다. 스캐너 USB HID 트리거 케이블을 랩톱에 연결하여 스캐너에서 트리거 신호를 수신합니다.
   2. MR_CHIROD 대한 사용자 정의 인터페이스(UI) / 제어/자극 프로그램을 실행합니다. 핸들을 엔드 스톱으로 밀어 모션 및 힘 파형의 표시를 확인하기 위해 MR_CHIROD 압력을 (최소) "설정" 수준으로 자동으로 설정합니다.
   3. 다음 몇 가지 짜기 는 압박의 최대 강도 대 한 보정 될 것입니다 따라서 어려울 것 이라고 자원 봉사자를 지시.
   4. 예를 들어, 힘 수준을 30 N으로 설정하고 자원 봉사자가 약 2 s의 기간으로 2-3 회 완전히 짜내도록 지시합니다.
   5. 점차적으로 힘 수준을 높이고 자원 봉사자가 짜낼 수 없을 때까지 짜내기 시도를 반복합니다. 이 측정은 자원 봉사자의 그립 강도의 최대 역할을합니다. UI는 테스트 중에 사용할 최대 힘 레벨의 60%, 40%, 20%를 자동으로 계산합니다.

3. 자원봉사자 데이터를 입력하고 MR 스캐너를 보정합니다.

1. 스캐너 콘솔에서 HIPAA(1996년 미국 건강 보험 이식 및 책임법) 규정에 따라 병원 정책에 따라 자원봉사자의 식별되지 않은 데이터를 입력합니다.
2. 테이블과 참가자를 스캐너로 옮기고 isocenter의 위치를 지정합니다.

4. fMRI 세션 실행

1. 제어실과 스캐너 실 사이의 창을 통해 자원봉사자를 관찰하고 자원봉사자와 통신하여 참가자의 허가를 받아 fMRI 프로토콜을 시작합니다. MR_CHIROD 손잡이를 완전히 열린 자세로 놓지 말라고 지시한다.
2. 자석을 심하고 지역화 스캔을 실행합니다. fMRI 프로토콜을 열고 자원봉사자의 뇌를 덮도록 슬라이스를 설정합니다.
3. 자원봉사자에게 fMRI 세션이 시작되도록 지시합니다.
4. UI를 사용하여 첫 번째 힘 수준(최대값의 20%)을 적용하도록 MR_CHIROD 설정합니다. UI 프로그램은 비디오 프로젝터에 일련의 지침을 표시하여 자원봉사자가 시각적 자극에 반응하는 방법을 알려주는 것입니다. UI는 스캐너가 트리거 신호를 계속 제공할 때까지 기다립니다.
5. fMRI에 대한 에코 평면 이미징 프로토콜을 시작합니다. 폴더 사용자로부터 이미징 프로그램 MR_CHIROD 사용합니다. 획득 및 재구성 매개 변수는 이미징 프로그램에서 이미 설정되어 있으며 변경해서는 안 됩니다. 다음 매개변수가 사용됩니다: 평면 192 x 192 또는 256 x 256 수집 행렬; 2-3s의 범위에서 TR(반복 시간); 30 ms TE (에코 시간); 5mm 슬라이스 두께, ~ 1mm x 1mm의 공간 해상도.
   참고: UI/데이터 수집/자극 프로그램은 스캐너 프로그램에서 사전 fMRI 스캔을 시작한 스캐너에서 트리거 펄스를 수신할 때까지 기다립니다. 시각적 자극은 지침을 제거하고 자원 봉사자가 집중할 "고정 십자가"를 보여줍니다. fMRI 스캔 TR이 시작되면 커지고 축소되는 원의 형태로 시각적 메트로놈 디스플레이가 표시됩니다. 자원 봉사자는 완전히 짜내고 자극과 동기적으로 핸들을 놓습니다. 휴식 기간은 자극 기간을 분리하며, 이 기간 동안 고정 십자가가 다시 표시됩니다.
6. 작업을 수행하는 동안 강제 출력을 모니터링하고 참가자가 UI에서 힘 및 변위의 라이브 플롯을 관찰하여 작업을 올바르게 수행하고 있는지 여부(즉, 그립 및 릴리스를 완전히 완료하고 시각적 메트로놈과 동기화를 유지)합니다. .
7. 첫 번째 실행이 끝나면 UI에서 실험의 지속을 확인하여 힘 수준을 세 단계의 두 번째 수준으로 변경합니다. 4.5단계에서 반복합니다. 마찬가지로 두 번째 실행이 끝나면 세 번째 힘 수준에서 최종 실행을 계속 확인합니다.
8. 세 번째 실행 후 UI는 MR_CHIROD 압력을 낮은 "설정" 수준으로 자동으로 설정합니다.

5. MRI 세션 완료

1. 참가자에게 긴장을 풀고 손잡이를 놓아 보라고 지시한다. 일련의 해부학 적 스캔을 수집합니다.

6. 테이크다운

1. MR 스캐너 룸에서 참가자를 제거하고 설정 단계를 따라 역으로 진행한 다음 MR_CHIROD 부분을 종료하고 분리합니다. MR 데이터를 데이터베이스와 디스크로 전송하고 세션을 닫습니다.

결과

프로토콜에 설명된 방법론을 통해 자원 봉사자가 자석에서 실시간으로 작업을 수행하는 동안 fMRI 이미지를 수집할 수 있습니다. 실험은 3T 전신 자기 공명 스캐너를 사용하여, 생물 의학 화상 진찰을 위한 매사추세츠 종합 병원 Athinoula A. Martinos 센터의 베이 1 시설에서 수행되었습니다. 도 2 및 도 3은 테이블 상에 MR_CHIROD 배치하고 이를 작동시키고 있는 ...

토론

우리는 새로운 로봇 장치의 최신 버전을 사용하여 모터 작업의 fMRI를 제시, MR_CHIROD^1,2,8. MR_CHIROD 만성 뇌졸중 환자에 의해 수행 될 수있는 손으로 압착 그립 작업을 실행하도록 설계되었으며 이전에 연구된^1,2,3,4,

자료

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