多功能设置研究人类电机控制用经颅磁刺激，肌电图，运动捕捉和虚拟现实

Summary

经颅磁刺激、肌电图和 3D 动作捕捉是研究人类神经肌肉功能的常用非侵入性技术。在本文中，我们描述了一种协议，该协议对所有这三种工具生成的数据进行同步采样，并独特地添加了虚拟现实刺激呈现和反馈。

Abstract

运动在人类神经肌肉控制的研究与实现的众多技术。非侵入性的方法考察神经肌肉功能包括经颅磁刺激，肌电图，和三维运动捕捉。的现成的和具有成本效益的虚拟现实的解决方案的出现在再现"现实世界"的环境和动作在实验室设置扩大研究人员的能力。自然主义运动的分析，不仅争取电机控制在健康人更深入的了解，而且还允许实验和针对特定运动障碍（ 如中风）康复战略。这些工具的组合使用会导致电机控制的神经机制越来越深入的了解。当组合这些数据采集系统的一个关键要求是各个数据流之间的精细时间的对应关系。 Ť他的协议描述了一个多功能系统的总体连通性，系统间的信令，以及记录的数据的时间同步。组件系统的同步是通过使用一个可定制电路，与现成的部件和最少的电子组装技能容易地做出的，主要完成。

Introduction

虚拟现实（VR）正迅速成为一个可访问研究工具用于许多领域，包括人体运动的研究。上肢运动的研究，特别是通过将VR受益。虚拟现实允许旨在探讨手臂运动控制的具体运动学和动力学特性实验参数的快速定制。这些参数可以单独调整每个主题。例如，虚拟目标的位置可以进行调整以确保在受试者相同的初始臂姿势。虚拟现实也让视觉反馈过程中的实验操作，这在visuomotor研究¹的宝贵工具^{- 5。}

利用逼真的虚拟现实环境中与其他生物力学工具也将允许自然的运动场景中，以测试运动模式。这种布置变得越来越有价值的学习和以后的疾病和伤害^6,7康复练习。模仿自然的动作和环境 （例如执行在虚拟厨房运动）在临床环境将使康复专家能够更精确地描述个体的损伤在现实世界环境。高度个性化的障碍的描述将允许更集中的治疗策略，潜在地增加的功效和减少重建的持续时间。

结合虚拟现实与其他工具，如经颅磁刺激（TMS），表面肌电图（EMG）和全身动作捕捉，创建了一个非常强大和灵活的平台，学习运动在人类神经肌肉控制。经颅磁刺激是测量降电机途径的兴奋性和功能完整性的一个功能强大的非侵入性方法（例如皮质脊髓束）通过肌电responsES如运动诱发电位^{（MEPS）8。}现代三维运动捕捉系统还使研究人员一起研究神经肌肉活性，产生的运动运动学和动力学。这允许创建的肌肉骨骼系统....

Protocol

参与实验的所有参与者都经过批准的西弗吉尼亚大学的机构审查委员会（IRB）知情同意程序。

1.整体系统性能，设计，和一般的实验任务

注意:完整的安装是由以下几部分组成:EMG设备和相关的数字采集（DAQ）设备;运动捕捉系统（该协议包含了一个积极的LED系统）;与图-的八个线圈和立体定位设备TMS单元;一个虚拟现实的耳机和相关的电脑和软件;和一个自定义同步电路。 图1示意性概述了协议组件之间的连接性。

1. 系统组件的连接
   1. 连接肌电图前置放大器主放大器。
   2. 肌电图连接放大器的输出到数据采集记录使用BNC或类似的CONNEC设备输入块系统蒸发散。
   3. 数据采集​​录音设备连接到专用电脑，将执行一个数据采集脚本（补充文件）。
   4. VR控制计算机的并行输出连接到定制电路单元（见下节）。
   5. 连接同步和动作捕捉触发的定制电路输出沿着肌电信号连接数据采集记录块。
   6. 拆分动作捕捉触发，并将其连接到肌电图数据采集设备的"模拟输入启动"端口，以及控制动作捕捉设备计算机上的触发连接。
      注:所描述的设备（动作捕捉和EMG）各自的数据采集流的开始之间的时间差的范围可以从160〜190毫秒。这个时间差动机在这个协议中所描述的同步电路的设计和可能是由这两个系统之间的软件和硬件差异而引起的。

Results

在这个设置中，众多的数据流的同步允许一个记录上肢的移动过程中发生的运动学，连续肌肉活动（肌电图），和瞬时神经肌肉活动（MEPS）。一个给定的动作重复试验，需要在整个运动重建MEP响应曲线图从一个采集的4显示数据为准。 图4A显示了相应的同步信号和事件审单过程中的这些数据流的一个例子。相对于所述同步事件的信号的时间对准是用信号分析软件（信号使用的是同步事件作为共同颞锚"移"在时间上）的简单事后过程。然后信号可以是时间归由每个运动试验的持续时间。如果不同步，肌电图和动作捕捉数据流可以有时间出入克吃160-190毫秒。然而，通过利用除同步到广泛使用的TTL信号，用户应该期望以最小化数据流之间的时间误差，以它们的信号（在该例子大约一毫秒）的采样频率的极限。 图4B示出平均角速度运动学和动力学在24个试验为单一的运动，从试验而不TMS二头肌肌电轮廓的长头中同样的动作，以及从与单脉冲TMS的试验运动期间，相应的重构的MEP型材到相同的目标。

Discussion

本文的目的是描述了一种用于掺入VR到人体运动的研究和用于同步各个数据流的方法。虚拟现实将扩大研究人员试图再现真实世界的运动的场景在实验室环境的能力。结合VR与其他神经肌肉记录和刺激方法，形成一套强大的工具，为全面研究人类运动控制机制。在精心设计的实验中获得由此产生的多维数据集可以加深我们运动的神经控制的理解。

之一的本系统的更重要的特征是，与普通的VR生成的事件进行同步的电生理和运动捕捉数据流的能力。在本协议中所描述的定制电路作为一个灵活的，具有成本效益的基础，可以被改变，以满足其他EXP的独特需求erimental范式和设备，在其他领域的⁹类似的解决方案。公共同步事件是源自，经营我们的虚拟现实软件的计算机的并行输出命令。一个标准的并行接口的优点是它的简单，速度和灵活性。内并行接口有八个独立的数据线，每一个代表从2 ⁰的二进制数到2 ^7;这些数字的总和可以等于数字范围从0到255的每个相应的数据线的可以用作单独的和同时的触发信号与众多系统接口。这些触发信号通常是简单的方波电压信号，通常被称为TTL信号或脉冲。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
经颅磁刺激器	Magstim	N/A	TMS 刺激器和线圈
脉冲 X2	PhaseSpace	N/A	动作捕捉系统
MA300 高级多通道肌电图系统	运动实验室系统	MA300-28	肌电图前置放大器和放大器
诺罗特罗德 肌电图电极	肌电学 肌电学	N/A	肌电图电极
BNC-2111 单端屏蔽 BNC 连接器块	National Instruments	779347-01	BNC 连接器块
NI PXI-1033 5 插槽 PXI 机箱，带集成 MXI-Express 控制器	National Instruments	779757-01	DAQ 机箱
NI PXI-6254 16 位，1 MS/s（多通道），1.25 MS/s（1 通道），32 个模拟输入	National Instruments	779118-01	DAQ 卡
SHC68-68-EPM 电缆 （2m）	National Instruments	192061-02	屏蔽电缆
DK1 或 DK2	Oculus VR	N/A	Ocuclus Rift 耳机
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	虚拟现实软件
C1 和 C2 电容器	变化	N/A	值以适应
R1 和 R2 电阻的变化		N/A	调整值以适应
CD4011 NAND 门	不同	N/A	NAND 门
2N2222 晶体管		不同 N/A	晶体管
NE555 定时器电路	不同	N/A	定时器电路
DB25 和 USB 连接器	各种	N/A	并联和 USB 连接器