Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is one of the most widely used and versatile modalities in clinical and basic neural research. Among the emerging biomedical engineering areas of the current development in fMRI, the main areas that have been under the spotlight are the use of fMRI in the mapping of brain activity in neuroscience studies and the monitoring of the progress of rehabilitation procedures.
The human hand function is a dominant aspect that can determine the quality of everyday life, and as a result, a great deal of attention was focused on the fMRI research on functional activation tasks of the hand, including make a fist, finger tapping, wrist flexion-extension, finger flexion-extension, sequential finger tapping with opposition, and tracking a sine wave with the finger. However, as human subjects solely performed these tasks, repeatability and normalization of each task in terms of joint angle, angular velocity and force were difficult to accomplish over the time of repeated tasks and subjects. Additionally, there were no pronounced ways to quantitatively monitor or record the behavioral outcomes of the finger movement during each task.
A recurring theme that accounts these shortcomings of previous fMRI research is the development of robotic and mechatronic interfaces capable of producing computer controlled dynamics during movement and which are capable of sensing kinematic and dynamic data of each tasks. By doing so, the devices will allow the standardization of study conditions, the quantification of behavioral outcomes, and the simulation of movements and setups used in specific clinical rehabilitation therapies.
Despite, the demand and efforts in developing dedicated robotic and mechatronic interfaces for fMRI research, there are inherent challenges and complications introduced due to the nature of the modality which uses strong magnetic fields and radio frequency pulses, as well as being extremely sensitive to external noise. Therefore, conventional robotic and mechatronic technologies, in general, could not be utilized in MR-applications.
Several successes in the development of MR-compatible robotic and mechatronic systems have been reported. However, most of the MR-compatible devices were developed as sensing systems, such as those that were used to either measure the angle and angular velocity of the finger or that quantify forces exerted by a subject’s hand.
These systems are not capable of applying active forces to the hand. Accurately quantifying and recording the forces and position of the hand is critical, but being able to control the dynamics and to apply assistive or resistive forces to the hand could extend the understanding of the process of rehabilitation therapies, because, in general, assistive or resistive forces are applied to the hand of impaired subjects during rehabilitation. Therefore, this research proposes the development of a 2 DOF MR-compatible hand exoskeleton that can be used to record and quantify the joint angles, angular velocities and forces of the MCP and PIP joint of the hand and that can apply active assistive or resistive force to the hand to achieve the full grasping motion.
탁월한 공간적 해상도를 지닌 자기공명영상장치 (functional magnetic resonance imaging)는 뇌 안의 3차원 공간상의 전 영역에서 직접 신호를 얻을 수 있어서 해당 뇌 기능 관련 신호를 매우 국지적으로 측정할 수 있다는 장점이 있다. 이를 기반으로, 뇌의 피질상의 정교한 신경 활동을 구별하여 사람의 인지과정 및 운동과정을 뇌의 각 담당 영역에 대응하여 (mapping) 해석하는 연구및 재활훈련의 과정이나 효과를 모니터링 하는 연구가 많이 진행되고 있다.
사람의 손이 삶의 질에 많은 부분 기여하고 있기 때문에, 기존부터 자기공명영상장치를 이용한 연구 사례가 많이 보고 되었다. 그러나 fMRI를 통해 사람의 운동을 뇌의 각각 담당 영역에 대응하여 해석하는 연구들은 현재 한계점에 도달한 실점이다. 협소하고 닫혀있는 작은 공간에서 기계적 도움 없이 인체의 동작을 측정하기 어려우며, 더구나 fMRI환경에서는 강자성체 (ferromagnetic) 및 상자성체 (paramagnetic)인 금속을 포함하는 일반적인 기계 장치는 fMRI 내부 및 주변에서 사용할 수 없다. 따라서, MR 환경에 적합한 (MR-compatible)한 기계의 계발은 필요성에 비해서 개발이 매우 더디다. 이러한 이유로, fMRI 환경에서 사용가능한 인체 동작을 발생, 측정하는 기계적 장치 또는 로봇의 개발이 뇌 과학적으로 정밀한 해석을 위해서 절실히 필요하다.
MR환경에 적합한 기계적 장치를 개발한 몇가지 성공사례들이 있지만, 기존 장치들은 인체의 동작을 측정하는데에 그쳤다. 본 연구에서는, MR환경에 적합한 착용형 손 외골격 장치를 개발하여 착용자의 MCP관절 및 PIP관절의 움직임 속도 및 자세를 정량적으로 측정 가능하게 하고, 착용자 손의 MCP관절 및 PIP관절의 움직임 속도 및 자세를 반복적으로 재현할 수 있게 유도하는 장치 이다. 또한 착용자의 손에 가변적인 저항력 및 착용자의 의도를 파악해서 보조력을 제공할 수 있는 장치를 개발하였다.
