Функциональная МРТ в сочетании с новым МРТ-совместимым ручным роботизированным устройством для оценки реабилитации лиц, восстанавливающихся после дефицита рукоятки

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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 инсульта^{1,2,3,4,5,6,7,8}. 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.

протокол

Все эксперименты были одобрены Институциональным наблюдательным советом в Массачусетской больнице общего профиля и выполнены в том, что одобрено в Центре биомедицинской визуализации Athinoula A. Martinos.

1. Подготовка темы

ПРИМЕЧАНИЕ: Критерии включения: i) доминирование правой руки, ii) способность давать письменное информированное согласие. Исключение осуществлялось на основе скрининга на противопоказания в магнитно-резонансной среде, таких как: a) критерии исключения МРТ, такие как наличие кардиостимулятора или зажима аневризмы головного мозга и металлических имплантатов или содержания металла в организме; b) история судорог (с) клаустрофобии; d) беременность.

1. Чтобы получить информированное согласие, прочитайте форму согласия добровольцу. И волонтер, и следователь подписывают в соответствующих местах по форме согласия в дубликате. Оставьте одну подписанную копию формы согласия в соответствующем месте для записей следователя. Храните вторую копию формы согласия для записей участника.
2. Экран добровольцев для МРТ (магнитно-резонансная томография) противопоказаний. Заполните список противопирок МРТ и узнайте о каждом пункте в списке, проверяя коробки по мере необходимости.
3. Не применяйте сканирование, если у участников есть (или потенциально есть) какие-либо противопоказания, включая хирургические зажимы аневризмы, кардиостимулятор, протезный клапан сердца, нейростимулятор, имплантированные насосы, кохлеарные импланты, металлические стержни, пластины, винты, слуховой аппарат или трансдермальный пластырь.

2. Настройка

1. Выполните начальную установку в комнате сканера.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Все необходимые обучение должны быть получены следователем до начала процедуры. Меры предосторожности, имеющие отношение к объекту MR должны быть приняты в любое время.
   1. Принесите MR_CHIROD (Магнитный резонанс-совместимый ручной индуцированной роботизированного устройства) в комнату магнитно-резонансного томографа и поместите его рядом с панелью проникновения. Вставьте пневматическую трубку 3/8 дюйма в проходную трубку в панели в соседнюю комнату поддержки МРТ.
   2. Подключите комнату МРТ сканера силы зондирования и кодера кабели 9-контактный D-образный (DSUB) разъем на стороне комнаты сканера панели.
2. Настройка комнаты поддержки МРТ.
   1. Подключите воздушный компрессор к розетке 110VAC. С внутренним регулятором компрессора повернул к положению давления off/minimum и клапана шарика в off-position, поверните дальше компрессор и дайте ему прийти к полному внутреннему давлению (4 мин).
   2. Подключите службу поддержки силы зондирования и кодера кабели к разъему DSUB на внешней стороне панели проникновения.
   3. Подключите 3/8-дюймовую пневматическую установку трубки, выходящую из панели проникновения сквозной к розетке от розетки регулятора давления интерфейса/блока питания. Подключите пневматическую трубку размером 4 мм к розетке компрессора и входе воздушного фильтра на интерфейсе/блоке питания/регуляторе.
   4. Подключите блок интерфейса/питания/регулятора к разъему микро-USB сборки кабеля/ретранслятора USB и заложите кабель-ретранслятор к компьютеру-хозяину/ноутбуку в комнате управления МРТ. Подключите блок интерфейса/питания/регулятора к настенной вилке 110VAC в комнате поддержки, а затем включите выключатель питания.
3. Позиция MR_CHIROD v3 с пациентом.
   1. Полностью расширить и опустить кровать сканера MR. Прикрепите нижнюю половину головной катушки и направь волонтера сложиться, убедившись, что доброволец удобно отдыхает и удобно вытягивает руки.
   2. Предоставьте затычки для ушей добровольцу для снижения акустического шума.
   3. Прикрепите головную катушки и небольшие пенные прокладки, чтобы обездвижить голову.
   4. Прикрепите подушки вокруг сжимая руки добровольца на уровне руки и локтя, чтобы свести к минимуму вибрационные соединения с собственным телом добровольца и к стенам сканера MR.
   5. Прикрепите коммуникационный шар на грудь добровольца, проинструктируйте их о том, как его использовать, и подтвердите, что коммуникационный шар работает задолго до начала сканирования.
   6. Свободно установить MR_CHIROD на стороне пациента напротив, что их поражения мозга с помощью соответствующего кровати-слот. С локтем добровольца, опираясь на стол, чтобы поддержать вес их руки, переместить MR_CHIROD ручку для webbing между большим и указательным пальцами и руководство добровольцев, чтобы захватить ручки MR_CHIROD.
   7. Если MR_CHIROD находится на противоположной стороне стола от панели проникновения, расположите кабели и пневматическую трубку так, чтобы они проходили под столом, а не над пациентом.
   8. Убедитесь, что сцепление положение подходит для сжатия. Проинструктируйте добровольца сжать и нажать или потяните MR_CHIROD до тех пор, пока они имеют наиболее удобное положение для сжатия.
   9. Закрепите MR_CHIROD прочно на месте, затягивая пластиковые гайки с помощью гектора, совместимого с MR.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В это время сканирование не выполняется. При расположении MR_CHIROD, доброволец удобно отдыхает на кровати сканера MR за пределами магнита. Дверь в магнитную комнату может быть открыта.
4. Настройка ноутбука управления в комнате управления MR (примыкающая к сканеру и вспомогательным комнатам), подтвердите соединение и установите для уровня силы пациента.
   1. Включите ноутбук и запустите программное обеспечение для сбора/анализа данных. Подключите сборку usb-кабеля/ретранслятора к ноутбуку. Включите проектор комнаты сканера MR. Подключите порт вывода видео ноутбука к разъему проектора и установите монитор для расширения экрана на проектор. Подключите сканер USB HID триггерный кабель к ноутбуку для приема триггерных сигналов от сканера.
   2. Выполнить пользовательский пользовательский интерфейс (UI) / контроль / программа стимулирования для MR_CHIROD. Автоматически устанавливайте MR_CHIROD давление на (минимальный) уровень "установки", чтобы подтолкнуть ручку к конечной остановке, проверяя отображение движения и силовых волн.
   3. Проинструктируйте добровольца, что следующие несколько сжимает будет калибровать для максимальной силы сжимая и, следовательно, будет трудно.
   4. Установите уровень силы, например, до 30 N и поручите добровольцу полностью сжать 2-3 раза с периодом примерно 2 с. Обратите внимание, может ли доброволец завершить сжатие на этом уровне силы.
   5. Постепенно увеличивайте уровень силы и повторяйте попытки сжатия до тех пор, пока доброволец не сможет завершить сжатие. Это измерение служит максимумом силы захвата добровольца. UI автоматически вычисляет 60%, 40% и 20% от максимального уровня силы для использования во время тестирования.

3. Введите данные добровольцев и калибруйте MR сканер

1. Введите деидентифицированные данные добровольца в соответствии с больничной политикой в соответствии с правилами HIPAA (Закон сша о переносимости медицинского страхования и подотчетности 1996 года) на консоли сканера.
2. Переместите таблицу и участника в сканер и положение в изоцентре.

4. Выполнить сессии МРТ

1. Наблюдайте за волонтером через окно между диспетчерскими и сканерными помещениями и общайтесь с волонтером, чтобы получить разрешение участника на запуск протокола МРТ. Поручить им не держать MR_CHIROD ручку, чтобы позволить ему отдохнуть на полностью открытой позиции.
2. Shim магнит и запустить сканирование локализатора. Откройте протокол МРТ и установите кусочки, чтобы покрыть мозг добровольца.
3. Проинструктируйте добровольца, что сеанс МРТ вот-вот начнется.
4. Используя uI, установите MR_CHIROD применять первый уровень силы (20% от максимума). Программа uI будет отображать набор инструкций по видео-проектору для добровольцев, чтобы напомнить им, как реагировать на визуальный стимул. UI будет ждать сканера, чтобы обеспечить триггерный сигнал, чтобы продолжить.
5. Запустите протокол эхо-планар-изображения для МРТ. Используйте программу визуализации MR_CHIROD из папки USERS. Параметры приобретения и реконструкции уже установлены в программе визуализации и не должны быть изменены. Используются следующие параметры: в самолете 192 x 192 или 256 x 256 матрицы приобретения; TR (время повторения) в диапазоне 2-3 с; 30 мс TE (эхо-время); Толщина 5 мм, а пространственное разрешение - 1 мм х 1 мм.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Программа uI/data acquisition/incentive будет ждать получения триггерного импульса от сканера, соответствующего инициации предварительного МРТ-сканирования в программе сканирования. Визуальный стимул будет удалить инструкции и показать "фиксации крест", что доброволец будет сосредоточена на. Когда МРТ ТР начинаются, визуальный дисплей метронома, в виде растущего и сжимающегося круга будет отображаться. Волонтер будет полностью сжать и освободить ручку синхронно с стимулом. Периоды отдыха будут отделять периоды стимулирования, в течение которых крест фиксации будет повторно отображаться.
6. Во время выполнения задачи, контролировать выход силы и является ли участник выполняет задачу правильно (т.е., полностью завершения ручки и релизы и поддержания синхронизации с визуальным метрономом), наблюдая живые участки силы и перемещения на uI .
7. Как только первый запуск закончится, подтвердите продолжение эксперимента на uI, который изменит уровень силы на второй из трех уровней. Повторите со шага 4.5. Аналогичным образом, когда второй запуск закончен, подтвердите продолжение выполнения финального запуска на третьем уровне силы.
8. После третьего запуска uI автоматически установит MR_CHIROD давление до низкого уровня «установки».

5. Завершите сессию МРТ

1. Проинструктируйте участника расслабиться и отпустить ручку. Соберите серию анатомических сканирований.

6. Взлет

1. Удалите участника из комнаты сканера MR, следуйте шагам установки в обратном направлении, и приступай к закрытию и отключению частей MR_CHIROD. Перенесите данные MR в базу данных, диск и закройте сеанс.

Результаты

Методология, изложенная в протоколе, позволяет получать мгновенные изображения, в то время как волонтер выполняет задачу в режиме реального времени в магните. Эксперименты проводились в заливе 1 объекта Массачусетской больницы Athinoula A. Martinos Центр биомедицинской визуализации, с использ?...

Обсуждение

Мы представляем МРТ двигательной задачи с использованием последней версии нового роботизированного устройства, MR_CHIROD^1,2,8. MR_CHIROD была разработана для выполнения ручной сжатия задача, которая может быть выполнена хронических пациентов ?...

Материалы

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