El Kavrama Açıklarından Kurtulan Bireylerin Rehabilitasyonunun Değerlendirilmesinde Yeni MRI Uyumlu El Kaynaklı Robotik Cihazla Birlikte Fonksiyonel MRG

Özet

Nörolojik açıklardan kurtulan bireylerde el motor fonksiyonunu izlemek için yardımcı lığını değerlendirmek için mri uyumlu yeni bir el yapımı robotik cihaz kullanarak fonksiyonel MRG uyguladık.

Özet

Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), kan seviyesine bağlı değişiklikleri tespit etmek için endojen bir kontrast ajan olarak endojen deoksihemoglobin kullanarak, beyin aktivasyonunu in vivo olarak gösteren non-invaziv manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir. oksijenasyon (BOLD etkisi). FMRI'yi yeni bir robotik cihazla (MR uyumlu el yapımı robotik cihaz [MR_CHIROD]) birleştirdik, böylece tarayıcıdaki bir kişi kontrollü bir motor görevi yerine getirebilsin, el sıkma, ki bu nörolojik motor hastalıkta çalışmak için çok önemli bir el hareketidir. . Biz paralel görüntüleme (genelleştirilmiş otomatik kalibrasyon kısmen paralel satın almalar [GRAPPA]), daha yüksek mekansal çözünürlük kalın duyarlılık sonuçlanan izin istihdam. FMRI'nin elle indüklenen robotik cihazla birleşimi, bir katılımcı tarayıcıdayken yürütülen görevin hassas bir şekilde kontrol edilmesine ve izlenmesine olanak sağladı; nörolojik açıklardan (örn. inme) iyileşen hastalarda el motor fonksiyonunun rehabilitasyonunda yararlı olduğu kanıtlanabilir. Burada bir fMRI taraması sırasında MR_CHIROD mevcut prototip kullanmak için protokol anahat.

Giriş

Uygun görüntüleme ölçümleri, klinik değerlendirmelerden daha iyi bireylerde tedavi başarısı olasılığını izleyebilir ve tahmin edebilir ve tedavi planlamasını geliştirmek ve bireyselleştirmek için bilgi sağlayabilir. Biz kronik inme¹,²,³,^4,5,6,7,8kurtarma hastaları ile deneyim geliştirdik. Motor eğitiminin nöral aktivitenin ve/veya motor fonksiyonunun yeniden düzenlenmesinde artımlı gelişimi nasıl etkileyebileceğine odaklanan optimal bireyselleştirilmiş stratejiler geliştirmek hala zordur. Nörolojik hastalık sonrası beyinde fonksiyonel iyileşme için altta yatan yapısal remodeling ve yeniden organizasyon süreçleri içine Insights bize fonksiyonel nörogörüntüleme yöntemleri ve beyin haritalama yoluyla nöral aktivite ve fonksiyonel kurtarma dağıtılmış topografik desenler arasındaki ilişkiyi değerlendirmek için izin verebilir. Başarı manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ölçümleri 9 dayalı nörolojik koşullar ile geniş popülasyonkavrama gücü iyileştirmelerverim için optimize kişiselleştirilmiş tedavi stratejileri geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.

Burada, bir deneğin salınımlı bir görsel uyaranla senkronize olarak sapladığı ve serbest kaldığı kontrol edilebilir bir direnç kuvveti sağlayan yeni tasarlanmış robotik el cihazını kullanan bir protokol salıyoruz. v3 MR_CHIROD (MR uyumlu El Kaynaklı RObotic Device), her veri noktası için uygulanan kuvvet, kavrama deplasmanı ve zaman damgalarını ölçerken ve kaydederken, kavrama ve serbest bırakma hareketlerinin yapıldığı ayarlanabilir kuvvetlerin sunulması için kullanılan bir sistemdir(Şekil 1). Cihaz fMRI sırasında beyin aktivasyon görüntüleri güvenilir değerlendirmeler sağlamak için tasarlanmış (fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme), hangi nörolojik bozukluklar dan kurtarma hastaların beyin yanıtlarında kan oksijen düzeyine bağımlı (BOLD) değişiklikleri değerlendirmek için kullanılabilir. MR-uyumluluk yapısı ve pnömatik aktüatör elemanları ve tarayıcının yatağına konumlandırılmış korumalı sensör / elektronik bileşenler için tamamen demir olmayan / manyetik olmayan bileşenlerin kullanımı ile elde edilir. Şekil 2, MR tarayıcı yatağına bağlı olan cihazı gösterir ve mıknatıstaki bir nesne ile MR_CHIROD v3'ün sapını kavrar (Şekil 3). Arayüz ve kontrol bileşenleri MR tarayıcı odasının dışına konumlandırılır (Şekil 4).

Cihaz, ilgili beyin aktivasyonlarını değerlendirmek için beyin görüntüleme yöntemleri ile eş zamanlı olarak kullanılır. Sistemin birincil kullanımı fMRI kullanılarak tespit edilen beynin motor bölgelerinin aktivasyonları üreten bir motor görev sağlamaktır. Görüntüleme sırasında MR_CHIROD kullanırken beyin aktivasyonu nörolojik hastalıklarda nöroplastisiteyi değerlendirebilir. MR_CHIROD kullanarak motor eğitimi sırasında ve sonrasında aktivasyonlarda yapılan değişiklikleri izleyerek, motor açıklarına (örn. inme) yol açan herhangi bir nörolojik hastalığı takiben motor rehabilitasyonunun ilerlemesi gözlemlenebilir.

v3 MR_CHIROD de masaya monte edilebilir, intra-scan eğitim egzersizleri kullanmak için, hangi konu kavramaları ve çalışma sırasında haftada üç kez, 45 dakika dönemleri için uygun görsel uyaranlara yanıt olarak bültenleri. Görüntüleme ile izlenen robotik olarak verilen eğitim deneyimimiz, örneğin inme hastaları için iyileşme penceresinin^{asla kapanamayacağını}göstermektedir 1.

MR uyumlu bir el kavrama robotu oluşturma ve kullanma gerekçemiz, robotik geri kazanımın kolay dağıtım, çeşitli motor bozuklukları arasında uygulanabilirliği, yüksek ölçüm güvenilirliği ve yüksek yoğunluklu eğitim protokolleri¹⁰sunma kapasitesi nedeniyle bozulma üzerinde büyük bir etki yaratma potansiyeline sahip olmasıdır. MR uyumlu robotumuz şunları yapabilir: (a) konuya özel hareket aralıkları için ayarlanabilir ve konuya özel kuvvet düzeylerini uygulayacak şekilde programlanabilir; (b) ana bilgisayar aracılığıyla kuvvet ve yer değiştirme parametrelerini kontrol etmek, ölçmek ve kaydetmek; (c) MR tarayıcı odasına erişim veya konunun yeniden konumlandırılması için tarama nın kesintiye uğramasına gerek kalmadan kontrol parametrelerini uzaktan ayarlayın; ve (d) uzun süre ler boyunca tam ve tutarlı bir şekilde eğitim egzersizleri ile terapi sağlar.

Bilgisayar kontrollü zaman değiştirme kuvveti uygularken deneğin el kavrama kuvvetini ve yer değiştirmesini ölçmek için MR tarayıcısı ile kullanılabilecek ticari olarak mevcut kurtarma robotik cihazının farkındayız. Tsekos ve ark.^11, MR_CHIROD dizi cihazın önceki yinelemeleri de dahil olmak üzere, öncelikle araştırma tabanlı, MR uyumlu robotik ve rehabilitasyon cihazlarını gözden geçirmektedir. Diğer cihazlar bilek hareketi, parmak hareketi, İzometrik kavrama gücü ve çok eklemli hareketleri incelemek için tasarlanmıştır. Aktif olarak dirençli veya diğer kuvvetler sağlayan cihazlar için hidrolik, pnömatik, mekanik bağlantılar ve elektrotermitif sıvı amortisörleri de dahil olmak üzere mr uyumlu çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Bazı cihazlar özgürlük birden fazla derece içerir, önceki MR_CHIROD sürümleri başka bir uzantısı da dahil olmak üzere özgürlük ve hidrolik kuvvet uygulaması bir rotasyonel derecesi eklendi, ancak MR-uyumluluk için adapte değildi¹².

El kavramaya özel cihazımız taşınabilirlik avantajlarına sahiptir (MR tesisi ile ofis tabanlı eğitim sahaları arasında düzenli olarak taşınır) ve büyük, bilgisayar kontrollü, zaman ayarı yapan dirençli güçler üretme yeteneğine sahiptir. MR_CHIROD pnömatik teknolojinin mevcut kullanımı elektro-romatizmal sıvı tabanlı sistemler için gerekli yüksek gerilim kaynaklarına, hidrolik sıvı sızıntısı potansiyeline ve arayüz mekanizmasını dış güç ve kontrol bileşenlerine bağlayan karmaşık kablo/bağlantıihtiyacını önler.

MR_CHIROD inme hastalarında beyin haritalama için fMRI ile birlikte çalışması gösterilmiştir ilk cihaz oldu¹. Daha da önemlisi, v3 MR_CHIROD özellikle ev veya ofis tabanlı eğitim için yararlıdır, çünkü sistem ve yazılımı uzman klinik destek olmadan ve motivasyon elleriyle kullanılmak üzere tasarlanmıştır ("gamification"). Bir hastanede, ofis veya ev tabanlı eğitim de fizyoterapist tarafından kolaylaştırılan eğitim göre daha az pahalı ve daha rahat, daha kolay hastaların günlük tedaviye uymak için yapım. Cihaz, zaten nispeten diğer araştırma tabanlı cihazların bazılarına göre ucuz, maliyet-fayda oranını artırmak için yeniden yapılandırılabilir. Sanal gerçeklik ve eğitim gamification, her ikisi de MR_CHIROD v3 ile uyumludur, hastalar meşgul olabilir, görev sırasında dikkatlerini artırmak, ve motivasyonu artırmak, böylece kurtarma etkinliğini artırarak¹³.

Protokol

Tüm deneyler Massachusetts Genel Hastanesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı ve Biyomedikal Görüntüleme için Athinoula A. Martinos Merkezi'nde onaylandı.

1. Konu Hazırlığı

NOT: Dahil etme kriterleri şunlardır: (i) sağ el hakimiyeti, (ii) yazılı bilgilendirilmiş onay verme yeteneği. Dışlama, manyetik rezonans ortamında ki kontra-göstergelerin taranması temelinde aşağıdaki ler gibi uygulanmıştır: (a) Kalp pili veya serebral anevrizma klipsi ve metal implantlar veya vücutta metal içeriğin varlığı gibi rutin MRI dışlama kriterleri; (b) nöbet öyküsü (c) klostrofobi; (d) gebelik.

1. Bilgilendirilmiş onay almak için, gönüllünün onay formunu okuyun. Hem gönüllü hem de araştırmacı, mükerrer olarak onay formunda uygun yerleri imzalar. Onay formunun imzalı bir kopyasını araştırmacı kayıtları için uygun bir yere bırakın. Katılımcının kayıtları için izin formunun ikinci kopyasını saklayın.
2. MRG (manyetik rezonans görüntüleme) kontraendikasyonları için gönüllü ekranı. MRI kontraendikasyon listesini doldurun ve listedeki her öğe hakkında bilgi alın, kutuları uygun şekilde işaretleyin.
3. Katılımcıların cerrahi anevrizma klipsleri, kalp kalp pili, protez kalp kapakçığı, nörostimülatör, implante pompalar, koklear implantlar, metal çubuklar, plakalar, vidalar gibi kontraendikasyonları varsa (veya potansiyel olarak varsa) tarama ile devam etmeyin, işitme cihazı veya transdermal yama.

2. Kurulum

1. İlk kurulumu tarayıcı odasında gerçekleştirin.
   NOT: Gerekli tüm eğitimler prosedürden önce araştırmacı tarafından alınmalıdır. MR tesisi ile ilgili önlemler her zaman alınmalıdır.
   1. MR_CHIROD (Manyetik Rezonans Uyumlu El Kaynaklı Robotik Cihaz) MRTarayıcı odasına getirin ve penetrasyon panelinin yakınına yerleştirin. 3/8 inç pnömatik tüpü paneldeki geçiş tüpüne bitişik MRI destek odasına takın.
   2. MRI tarayıcı oda kuvvetalgılama ve kodlayıcı kabloları panelin tarayıcı odası tarafındaki 9 iğneli D şeklinde (DSUB) konektöre bağlayın.
2. MRI destek odasını kur.
   1. Hava kompresörü 110VAC duvar prizine takın. Kompresör iç regülatörü kapalı/minimum basınç pozisyonuna ve top valfinin kapalı pozisyonda olması yla kompresörü açın ve tam iç basınca (~4 dk) gelmesini bekleyin.
   2. Destek odası kuvvetalgılama ve kodlayıcı kablolarını penetrasyon panelinin dış tarafındaki DSUB konektörüne bağlayın.
   3. Penetrasyon panelinden geçişten arayüz/güç ünitesi basınç regülatörü çıkışına çıkan 3/8 inç pnömatik tüp montajını bağlayın. 4 mm'lik pnömatik tüpü kompresör çıkışına ve arayüz/güç/regülatör ünitesindeki hava filtresi girişine bağlayın.
   4. Arayüz/güç/regülatör ünitesini USB kablosu/tekrarlayıcı tertibatının mikro-USB konektörüne bağlayın ve tekrarlayıcı kablosunu MRI kontrol odasındaki ana bilgisayara/dizüstü bilgisayara töyorum. Arayüz/güç/regülatör ünitesini destek odasındaki 110VAC duvar fişe takın ve ardından güç düğmesini açın.
3. Hastaya MR_CHIROD v3 pozisyonu.
   1. MR tarayıcı yatağını tamamen genişletin ve indirin. Baş bobinin alt yarısını takın ve gönüllünün rahat bir şekilde dinlendiğinden ve kollarını rahatça uzattığından emin olarak, gönüllüye uzanması için rehberlik edin.
   2. Akustik gürültü azaltma için gönüllü kulak tıkacı sağlayın.
   3. Baş ımobildirmek için baş bobini ve küçük köpük pedleri takın.
   4. Gönüllünün kendi vücuduna ve MR tarayıcısının duvarlarına titreşimsel bağlantıyı en aza indirmek için gönüllünün kol ve kol hizasına yastıklar takın.
   5. Gönüllünün göğsüne iletişim topını takın, nasıl kullanacakları konusunda talimat ver ve taramalara başlamadan önce iletişim topunun iyi çalıştığını onaylayın.
   6. Gevşek ilgili yatak yuvası kullanarak beyin lezyonu karşısında hastanın tarafında MR_CHIROD yükleyin. Gönüllünün dirseği, kollarının ağırlığını desteklemek için masaya yaslanıp, MR_CHIROD sapını başparmak ve işaret parmağı arasındaki dokumaya taşıyın ve gönüllüye MR_CHIROD kulplarını kapmaları için rehberlik edin.
   7. MR_CHIROD penetrasyon panelinden masanın karşı tarafındaysa, kabloları ve pnömatik tüpü hastanın üzerinden değil de masanın altına geçecek şekilde yerleştirin.
   8. Kavrama konumunun sıkma için uygun olduğundan emin olun. Gönüllüye, sıkma için en rahat konuma sahip olana kadar MR_CHIROD sıkmalarını ve itmelerini veya çekmelerini emredin.
   9. MR uyumlu bir anahtar kullanarak plastik somunları sıkarak MR_CHIROD sıkıca sabitle.
      NOT: O anda hiçbir tama yapılmıyor. MR_CHIROD konumlandırırken, gönüllü mıknatısın dışındaki MR tarayıcı yatağında rahatça dinleniyor. Mıknatıs odasının kapısı açık olabilir.
4. KONTROL dizüstü bilgisayarını MR kontrol odasında (tarayıcı ve destek odalarına bitişik) ayarlayın, bağlantıyı onaylayın ve hasta gücü seviyesi için ayarlayın.
   1. Dizüstü bilgisayarı açın ve veri toplama/analiz yazılımını başlatın. USB kablosu/tekrarlayıcı tertibatını dizüstü bilgisayara bağlayın. MR tarayıcı odası projektörüne açın. Dizüstü video çıkış bağlantı noktasını projektör konektörüne bağlayın ve ekranı projektöre genişletecek şekilde monitörü ayarlayın. Tarayıcıdan tetik sinyalleri almak için tarayıcı USB HID tetik kablosunu dizüstü bilgisayara bağlayın.
   2. MR_CHIROD için özel kullanıcı arabirimi (UI) / kontrol / uyarıcı programı çalıştırın. Otomatik olarak hareket ve kuvvet dalga formları ekran doğrulayan, son-stop için kolu itmek için (minimal) "kurulum" düzeyine MR_CHIROD basıncı ayarlayın.
   3. Gönüllüye, önümüzdeki birkaç sıkmanın maksimum sıkma kuvveti için kalibre edilmesi gerektiğini ve bu nedenle zor olacağını öğretin.
   4. Kuvvet düzeyini, örneğin, 30 N'ye ayarlayın ve gönüllüye yaklaşık 2 s' lik bir süre yle 2-3 kez tamamen sıkıştırmasını emretin.
   5. Gönüllü bir sıkışmayı tamamlayamayana kadar kuvvet seviyesini kademeli olarak artırın ve sıkma girişimlerini tekrarlayın. Bu ölçüm, gönüllünün kavrama gücünün maksimumu olarak hizmet vermektedir. UI, test sırasında kullanılmak üzere maksimum kuvvet seviyelerinin %60, %40 ve %20'sini otomatik olarak hesaplar.

3. Gönüllü Veri girin ve MR Tarayıcı kalibre

1. Tarayıcı konsolundaki HIPAA (1996 Amerika Birleşik Devletleri Sağlık Sigortası Taşınabilirlik ve Sorumluluk Yasası) yönetmeliklerine uygun olarak, gönüllünün hastane politikasına göre tanımlanmamış verilerini girin.
2. Tabloyu ve katılımcıyı tarayıcıya taşıyın ve isocenter'da konumlandırın.

4. FMRI Oturumunu Çalıştır

1. Kontrol ve tarayıcı odaları arasındaki pencereden gönüllü gözlemleyin ve fMRI protokolünü başlatmak için katılımcının iznini almak için gönüllü ile iletişim kurun. Tamamen açık pozisyonda dinlenmesine izin vermek için MR_CHIROD tutamacını tutmamalarını söyle.
2. Mıknatısı shim ve lokalize bir tarayıp çalıştırın. FMRI protokolünü açın ve gönüllünün beynini kapsayacak şekilde dilimler ayarlayın.
3. Gönüllüye fMRI oturumunun başlamak üzere olduğunu öğretin.
4. UI kullanarak, ilk kuvvet seviyesini (maksimum% 20) uygulamak için MR_CHIROD ayarlayın. UI programı, gönüllünün görsel uyarıcıya nasıl tepki vereceklerini hatırlatması için video projektörde bir dizi yönerge görüntüler. UI, tarayıcının tetikleyici sinyalin devam etmesini bekler.
5. fMRI için bir eko-düzlemsel görüntüleme protokolü başlatın. Kullanıcılar klasöründen görüntüleme programı MR_CHIROD kullanın. Edinme ve yeniden yapılandırma parametreleri görüntüleme programında zaten ayarlanmış olup değiştirilmemelidir. Aşağıdaki parametreler kullanılır: uçak içi 192 x 192 veya 256 x 256 alım matrisleri; TR (tekrarlama süresi) 2-3 s aralığında; 30 ms TE (yankı süresi); 5 mm dilim kalınlığı ve ~1 mm x 1 mm uzamsal çözünürlük.
   NOT: Kullanıcı GOrta/veri toplama/uyarma programı, tarayıcı programında ki ön fMRI taramalarının başlatılmasıyla karşılık gelen tarayıcıdan tetikleyici bir darbe almak için beklenir. Görsel uyarıcı talimatları kaldıracak ve gönüllü üzerinde durulacak bir "fiksasyon çapraz" gösterecektir. FMRI taraması TR'leri başladığında, büyüyen ve küçülen bir daire şeklinde görsel bir metronom ekranı görüntülenir. Gönüllü tamamen sıkmak ve uyarıcı ile senkronize kolu serbest bırakacaktır. Dinlenme süreleri, fiksasyon çaprazı yeniden görüntüleneceği uyarıcı dönemleri ayrıştıracaktır.
6. Bir görevin yürütülmesi sırasında, kuvvet çıktısını ve katılımcının görevi doğru şekilde yapıp yapmadığını (örneğin, kavramaları ve serbest bırakmaları ve görsel metronom ile senkronizasyonu sürdürme) UI'deki canlı güç ve yer değiştirme planlarını gözlemleyerek izleyin .
7. İlk çalıştırma sona erdiğinde, kuvvet düzeyini üç seviyenin ikincisine çevirecek olan UI'deki denemenin devamını onaylayın. Adım 4.5'ten tekrarlayın. Benzer şekilde, ikinci çalıştırma sona erdiğinde, üçüncü kuvvet düzeyinde son çalıştırmayı devamlayın.
8. Üçüncü çalıştırmadan sonra, UI otomatik olarak düşük "kurulum" düzeyine MR_CHIROD basınç ayarlar.

5. MR Oturumunu Tamamlayın

1. Katılımcıya dinlenmesini ve sapını bırakmasını emret. Bir dizi anatomik tarama topla.

6. Take-down

1. Katılımcıyı MR tarayıcı odasından çıkarın, kurulum adımlarını tersten izleyin ve MR_CHIROD parçalarını kapatıp bağlantıyı kesmeye devam edin. MR verilerini veritabanına aktarın ve oturumu diske ve kapatın.

Sonuçlar

Protokolde özetlenen metodoloji, gönüllü mıknatısta görevi gerçek zamanlı olarak yerine getirirken fMRI görüntülerinin toplanmasına olanak sağlar. Deneyler Massachusetts Genel Hastanesi Athinoula A. Martinos Merkezi Biyomedikal Görüntüleme için Bay 1 tesisinde, bir 3T tam vücut manyetik rezonans tarayıcı kullanılarak yapıldı. Şekil 2 ve Şekil 3, MR_CHIROD masaya yerleştirimi ve hastanın onu ameliyat etme yerini gösterir.

Tartışmalar

Biz yeni bir robot cihaz, MR_CHIROD^1,2,8en son sürümünü kullanarak bir motor görev fMRI saiyoruz. MR_CHIROD kronik inme hastaları tarafından yapılabilir ve daha önce^1,2,^3,4,5,^6,8çalışıl...

Malzemeler

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