Configuración de múltiples funciones para el estudio de control de motores Humano Usando estimulación magnética transcraneal, electromiografía, Captura de movimiento, y Realidad Virtual

Summary

La estimulación magnética transcraneal, la electromiografía y la captura de movimiento en 3D son técnicas no invasivas comúnmente utilizadas para investigar la función neuromuscular en humanos. En este artículo, describimos un protocolo que muestrea sincrónicamente los datos generados por estas tres herramientas junto con la adición única de la presentación y retroalimentación de estímulos de realidad virtual.

Abstract

El estudio del control neuromuscular de movimiento en los seres humanos se lleva a cabo con numerosas tecnologías. Los métodos no invasivos para la investigación de la función neuromuscular incluyen la estimulación transcraneal magnética, electromiografía, y la captura de movimiento tridimensional. La llegada de soluciones de realidad virtual fácilmente disponibles y rentables ha ampliado las capacidades de los investigadores en la recreación de ambientes y movimientos "mundo real" en un laboratorio. Análisis del movimiento naturalista no sólo va a obtener una mayor comprensión del control motor en individuos sanos, sino también permitir el diseño de experimentos y estrategias de rehabilitación que se dirigen a las deficiencias motoras específicas (por ejemplo, derrame cerebral). El uso combinado de estas herramientas conducirá a la comprensión cada vez más profunda de los mecanismos neuronales de control del motor. Un requisito fundamental al combinar estos sistemas de adquisición de datos es la correspondencia temporal fina entre los diversos flujos de datos. Tsu protocolo describe la conectividad de un sistema multifuncional general, la señalización entre sistemas, y la sincronización temporal de los datos grabados. La sincronización de los sistemas de componentes se logra principalmente a través del uso de un circuito personalizable, fácilmente hecho con apagar los componentes de la plataforma y de la electrónica un mínimo de habilidades de montaje.

Introduction

La realidad virtual (VR) se está convirtiendo rápidamente en una herramienta de investigación de acceso para su uso en una serie de campos, incluyendo el estudio del movimiento humano. El estudio del movimiento de las extremidades superiores se benefició especialmente mediante la incorporación de VR. La realidad virtual permite la rápida adaptación de los parámetros experimentales diseñados para investigar características cinemáticas y dinámicas específicas de control de movimiento del brazo. Estos parámetros se pueden ajustar individualmente para cada sujeto. Por ejemplo, la ubicación de objetivos virtuales se pueden escalar para garantizar idéntica postura brazo inicial a través de temas. La realidad virtual también permite la manipulación de la información visual durante los experimentos, que es una herramienta muy valiosa en la investigación visuomotor ^1-5.

El uso de entornos de realidad virtual realistas con otras herramientas biomecánicas también permitirá escenarios movimiento naturalista en el que poner a prueba los patrones de movimiento. Esta disposición se está convirtiendo cada vez más valioso a laestudio y la práctica de la rehabilitación después de las enfermedades y lesiones ^6,7. Imitando los movimientos y entornos naturalistas (por ejemplo, la realización de movimientos en una cocina virtual) en un entorno clínico permitirán a los especialistas en rehabilitación para describir con mayor precisión las deficiencias de un individuo en un contexto del mundo real. Descripciones deterioro altamente individualizados permitirán estrategias de tratamiento más focalizados, que podría aumentar la eficacia y reducir la duración de la rehabilitación.

Combinando VR con otras herramientas tales como la estimulación magnética transcraneal (TMS), electromiografía de superficie (EMG), y el cuerpo lleno de captura de movimiento, crea una plataforma muy potente y flexible para el estudio del control neuromuscular de movimiento en los seres humanos. La estimulación magnética transcraneal es un método no invasivo de gran alcance de la medición de la excitabilidad y la integridad funcional de las vías descendentes de motor (por ejemplo tracto corticoespinal) a través de EMG responses como el motor de potenciales evocados ^(MEPs) 8. Sistemas de captura de movimiento tridimensional modernos también permiten a los investigadores para estudiar la actividad neuromuscular junto resultantes cinemática del movimiento y la dinámica. Esto permite la creación de modelos extremadamente detallados del sistema musculoesquelético, así como la verificación de hipótesis con respecto a la estructura y función de los controladores neuronales. Estos estudios se ampliarán nuestro conocimiento científico del sistema sensoriomotor humana y conducir a mejoras en el tratamiento de los trastornos musculoesqueléticos y neurológicos.

Sin embargo, un problema importante con los sistemas multifuncionales es la sincronización de flujos de datos registrados por separado (por ejemplo, de captura de movimiento, EMG, etc.). El objetivo de este protocolo es describir un arreglo generalizable de los sistemas disponibles en el mercado común para grabar simultáneamente mediciones biomecánicas y fisiológicas durante el movimiento. Otros investigadores que utilizan equipos dediferentes fabricantes pueden tener que alterar los elementos de este protocolo para adaptarse a sus necesidades específicas. Sin embargo, los principios generales de este protocolo todavía deben ser aplicables.

Protocol

Todos los participantes en la experimentación se someten a procedimientos de consentimiento informado aprobado por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Virginia Occidental (IRB).

1. Características generales del sistema, diseño, y el General Experimental de tareas

Nota: La instalación completa se compone de los siguientes componentes principales: equipo EMG y equipos digitales de adquisición (DAQ) asociado; un sistema de captura de movimiento (este protocolo incorpora un sistema LED activo); una unidad de la EMT con una bobina de la figura en forma de ocho y equipo de localización estereotáxica; un auricular VR y el ordenador y software asociado; y una costumbre sincronización de circuito. La Figura 1 describe esquemáticamente la conectividad entre los componentes de protocolo.

1. Conexión de los componentes del sistema
   1. Conecte EMG pre-amplificador a un amplificador principal.
   2. Conecte la salida del amplificador EMG para DAQ grabación bloque de entrada del equipo usando BNC o conexiones similaresciones.
   3. Conecte equipo de grabación DAQ al dedicado equipo que ejecutará un script de adquisición de datos (archivo complementario).
   4. Conecte la salida paralela ordenador de control VR a la unidad de circuito de medida (véase la siguiente sección para más detalles).
   5. Conecte la sincronización y la captura de movimiento provocando salidas de circuito a medida para bloquear la grabación DAQ junto conexiones de señal EMG.
   6. Dividir gatillo de captura de movimiento y conéctelo al puerto "Entrada analógica Inicio" en el equipo EMG DAQ, así como la conexión de disparo en el equipo que controla el equipo de captura de movimiento.
      Nota: La diferencia temporal entre el inicio de las corrientes de adquisición de datos respectivos para los equipos descritos (captura de movimiento y EMG) puede oscilar desde 160 hasta 190 ms. Esta diferencia temporal motivó el diseño del circuito de sincronización descrito en este protocolo y es probablemente causado por el software y hardware de las diferencias entre estos dos sistemas.
   7. Conectar TMS desencadenar puerto en unidad de circuito de encargo a BNC disparo de entrada en la unidad de control de la EMT.
2. Establecer la conectividad de red entre los equipos de realidad virtual y de captura de movimiento utilizando el software proporcionado por el proveedor y las conexiones de red físicas.
3. Conecte los auriculares a la computadora VR VR y garantizar la operatividad con los scripts / programas que muestran los entornos virtuales a los participantes.

Figura 1:. Conectividad de configuración Todo este diseño describe la conectividad general entre los elementos de nuestro sistema. El circuito de sincronización se describe en otra parte en el texto con más detalle. El trazo azul corresponde a la señal que se inicia, tanto de captura de movimiento y de los flujos de datos de EMG. Este evento es la fuente de la demora temporal de hasta 190 ms utilizando el equipo descrito en este protocolo. La línea roja corresponde a la synchronizat VR iniciadoscaso de iones que se graba de forma concomitante con la captura de movimiento y sistemas de EMG y posteriormente utilizado para la alineación temporal de los flujos de datos respectivas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Detalles Generales del Sistema de la Integración y Sincronización

Nota: La sincronización de los sistemas de adquisición de datos separados en este protocolo de captura de movimiento (EMG) y se lleva a cabo mediante el uso de una señal de evento que es común a todas las corrientes de grabación. El uso de un evento común, todas las señales pueden ser temporalmente realineado después de la recogida de datos para minimizar las discrepancias de grabación en tiempo real (más de 190 ms utilizando el equipo en este protocolo). En este protocolo, la señal común se origina en el sistema VR como una señal de puerto paralelo. La señal común se encamina a un circuito que permite la sincronización de los datos separadaarroyos a través de la grabación directa con señales EMG y girando al mismo tiempo de una captura de movimiento LED. El circuito se construye utilizando herramientas y técnicas básicas para la construcción de componentes electrónicos, similar a la descrita en otra parte ⁹ circuitos.

1. Diseño, Diseño y Construcción de sincronización Circuito
   1. Identificar los mecanismos basados ​​en TTL activación analógicas en las unidades de control de equipos (por ejemplo TMS, captura de movimiento) y familiarizarse con los requisitos desencadenantes tales como dirección de pulso TTL (positivo / negativo) y la amplitud. Mecanismos analógicos de disparo a menudo poseen "BNC" conectores coaxiales comunes que hacen que los componentes de conexión simple.
   2. Añadir un LED para el sistema de captura de movimiento adicional para ser utilizado para la sincronización de la señal; ruta cables del LED a través del circuito de sincronización (Figura 3).
   3. Determinar los parámetros de componentes eléctricos (es decir, resistencia, capacitancia) necesarios para turn de la sincronización LED para una cantidad específica de tiempo. Encontrar la cantidad de tiempo que la sincronización de LED del circuito se apaga por la ecuación: t = 1,1 * * R1 C1. Se sugiere Esta vez a ser inferior a la duración media de un movimiento experimental. Por ejemplo, el experimento descrito actualmente requiere una resistencia y un condensador nominal de aproximadamente un megaohmio y uno microfaradios, respectivamente.
   4. Utilice un soldador para adherir componentes eléctricos a una "protoyping" impreso o "proyecto" de placa de circuito siguiendo el esquema mostrado en la figura 3 Adjunte este circuito en una caja "proyecto" de plástico comúnmente disponibles.; es probable que sea necesario perforar agujeros en este cuadro para los conectores BNC. El circuito puede ser fácilmente alimentado por 5 V de corriente USB de una computadora de escritorio; será necesario para deconstruir un cable USB para aislar los cables de alimentación y tierra. También pueden ser necesarios condensadores de desacoplo para regular la potencia a la 555chip (que no se muestra en la Figura 3).
   5. Inspeccione la placa de circuito para cualquier puentes de soldadura no deseados entre los componentes eléctricos. Si lo encuentra, extraer la soldadura con una herramienta de succión o calentar la soldadura y remover mecánicamente la conexión de puente.

Figura 2:. Diagrama de flujo de prueba Este diagrama de flujo describe los eventos de estímulo y de señales que se producen durante un ensayo experimental típica que incluye TMS estimulación. Códigos de puerto paralelo que se producen a lo largo de un ensayo se muestran en los símbolos esquemáticos DB25 (azul claro).

2. Detalles de sincronización
   1. El uso de un diagrama de flujo similar a la figura 2, determinar cuándo piezas individuales del equipo debe activarse durante el curso de un movimiento experimental. Por ejemplo, algunos equipos se puede desencadenar de forma individual, mientras que otros pueden ser activados simultáneamente.
   En los puntos de tiempo que requieren activación o señalización (por ejemplo, azul símbolos de puerto paralelo en la Figura 2), determinan qué puertos paralelos Líneas de señal para utilizar e incorporar en el sistema VR. Esto se logra mediante el envío de valores numéricos al puerto paralelo en los tiempos especificados durante los movimientos, cada línea que representa un dígito binario. Para más detalles sobre la señalización basada puerto paralelo, consulte la discusión.

Figura 3:. Sincronización Circuito Este esquema muestra el diseño de nuestro circuito de sincronización personalizado. La salida predeterminada de la puerta NAND es un estado de alta tensión; Esta salida de voltaje se envía a la puerta de un transistor a través del cual se encamina el circuito de LED de sincronización. Este estado por defecto hace que el circuito cerrado, que mantiene el LED en un estado iluminado. Al recibir una trigge sincronizaciónr señal de puerto paralelo (traza roja en el recuadro), un estado interno del dispositivo 555 es volteado haciendo que la salida en un estado de alta, apagando el LED (traza azul). Cuando esto ocurre, la tensión en C1 (verde rastro) se acumula a un voltaje que restablece el estado interno de la 555, la reactivación de la LED. La señal de disparo de sincronización puerto paralelo está también directamente enruta a un conector BNC que está conectado al puerto de entrada de disparador TMS. Nota: La dirección de esta señal de disparo puede tener que ser invertido (de positiva a negativa de ir o viceversa) en función de las necesidades de equipo específico de un investigador. La adición de un chip de "inversor" en esta salida de activación lograría fácilmente esta tarea. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Procedimientos Experimentales

1. Procedimientos de Seguridad y Consentimiento Informado
   1. Ensure que los procedimientos de toda experimentales son aprobados por una Junta de Revisión Institucional (IRB). Explicar todos los procedimientos a los participantes y adquirir consentimiento informado con IRB aprobó la documentación.
   2. Después de adquirir el consentimiento informado, realizar un examen básico de seguridad TMS con los participantes para asegurarse de que no tienen tinnitus, antecedentes familiares de epilepsia o convulsiones, u otras condiciones con riesgos elevados de convulsión.
   3. Durante la estimulación TMS, estrictamente requerir el uso de tapones para los oídos de protección para evitar daños en el oído.
2. La electromiografía Colección
   1. Dependiendo de los objetivos científicos del estudio de un lector, determinar desde qué armar a los músculos para grabar señales EMG. Para el estudio se describe en este protocolo, torques generados en el hombro y el codo durante el movimiento se investigaron. Por lo tanto, las señales EMG registran eran de los principales músculos superficiales que actúan sobre estas dos articulaciones, tales como el deltoides, pectoral, bíceps, tríceps, y brachioradialis.
   2. Haga todas las conexiones eléctricas necesarias entre diversos equipos de EMG incluyendo amplificadores, preamplificadores, cables de los sensores y paneles sensores de acuerdo con las especificaciones del fabricante de la conexión de los conectores correspondientes.
   3. Preparar cada sitio electrodo por la ligera limpieza con un algodón con alcohol, la eliminación de cualquier exceso de pelo con una navaja, y mediante la aplicación de un gel abrasivo suave. La preparación adecuada sitio se asegurará de valores consistentes y baja-electrodo a la piel de impedancia (<10 kOhms) y alta relación señal-ruido de las señales EMG grabados.
   4. Haga que los sujetos realizan contracciones isométricas diseñados para aislar músculos individuales de interés sobre la base de las descripciones anatómicas y biomecánicas aceptadas ^10. Por ejemplo, para aislar el bíceps, pida al participante para resistir una extensión impuesto del codo.
   5. Después de tener los sujetos realizan contracciones musculares de aislamiento, colocar diferenciales bipolares electrodos EMG más de la más gruesa, Porti centroen, o "vientre", de cada músculo en lugares aceptados ^11. Esto asegura la cobertura de un número máximo de fibras musculares y reduce al mínimo "crosstalk" entre los músculos vecinos. Asegúrese de alinear los ejes más largos los electrodos bipolares 'a lo largo de los músculos, de forma paralela a las fibras.
   6. Coloque el electrodo de tierra EMG de acuerdo a las especificaciones del equipo (por ejemplo, la piel sobre la vértebra C7).
   7. Grabar amplifica señales EMG través de un equipo de adquisición de datos controlado por un script equipo personalizado. El guión se utiliza en el protocolo actual se adjunta como un archivo suplementario.
   8. Ajuste ganancias aplicadas a las señales registradas a nivel deseado por los diales de pasar el preamplificador EMG. Evite valores de ganancia que causan registran señales exceder el rango de entrada del aparato de control (normalmente 5V). Los valores comunes de ganancia EMG son entre 1.000-4.000.
   9. Realizar contracciones isométricas similares a las realizadas en el paso 3.2.4 e inspeccionar visualmente EMG signals para asegurarse de que son de alta calidad (es decir, alta relación señal-ruido). Vuelva a colocar los electrodos y cambiar la ganancia de la señal si es necesario.
3. Captura de movimiento de preparación del sistema
   1. Cámaras de seguimiento de movimiento usando las instrucciones proporcionadas por los proveedores y equipos de acuerdo a las instrucciones del fabricante Calibrar.
   2. El uso de cinta y otros materiales de embalaje, coloque sensores LED activas para marcas óseas cerca de las articulaciones del brazo y otros puntos anatómicos de interés utilizado en la construcción de modelos biomecánicos: la falange distal de los procesos de los dedos índice, radiales y estiloides cubital en la muñeca , olécranon en los procesos de codo, coracoides y acromion del hombro, muesca esternoclavicular, apéndice xifoides y apófisis espinosa de C7. Añada otra LED al auricular VR para establecer el punto de vista en el entorno virtual.
   3. Conectar cada LED a un arnés de cableado que se adjunta a la unidad de controlador inalámbrico. Encienda la ONU controladory garantizar una iluminación adecuada de todos los LEDs.
   4. Coloque la sincronización de LED y una buena ubicación lejos del tema, pero a la vista clara de las cámaras.
4. Estimulación Magnética Transcraneal localización estereotáxica
   1. Calibrar hardware y software diseñado para el registro de TMS ^12, para permitir la colocación precisa de la bobina. Esto implica generalmente co-registrarse bobinas TMS con referencias anatómicas como el nasión, puntos preauricular, y la punta de la nariz. Registro estereotáxica entre un participante y la bobina de estimulación es parte integral de la localización estimulación constante.
5. MEP Localización Hot-spot y Pprocedures umbral MEP
   1. Realizar llamadas técnicas de "hot-spot" para localizar regiones TMS-sensibles de la corteza que producen los mayores eurodiputados amplitud con el umbral más bajo a la estimulación ^8,13,14. La estimulación magnética transcraneal para el estudio de los sistemas de motor normalmenteimplica estimular un área cortical que controla el movimiento en una parte específica del cuerpo (por ejemplo, el brazo y la mano) ^15.
   2. Anote la ubicación de sitios de estimulación ideales en el cuero cabelludo participantes con el equipo de registro estereotáxica calibrado y el software asociado. Después de cada lugar se registra con el software, asegurar su exactitud mediante la reubicación de la mancha y estimular de nuevo, en busca de respuestas MEP similares.
6. Tarea de Comportamiento en Realidad Virtual
   1. Diseñar los parámetros de la tarea de comportamiento (por ejemplo, movimientos de empuje) para ser utilizados en el experimento. En el estudio actual, la tarea es llegar a los objetivos virtuales colocados secuencialmente en diferentes localizaciones espaciales. El tamaño de los objetivos define la precisión con la que los participantes se mueven. Diseñar los movimientos tales que las direcciones y magnitudes de pares de conjuntos diferentes son evocados como participantes alcanzan para blancos.
   2. Configuración del entorno de realidad virtual que guíalos sujetos a través de la tarea de comportamiento utilizando el software VR comercial que es compatible con el sistema de auriculares y el seguimiento de movimiento de acuerdo con el protocolo del fabricante. Familiarizarse con recursos computacionales requeridos del paquete de software y los requisitos de lenguaje de programación. Paquetes de software de realidad virtual común tienen la capacidad de ser programado con idiomas, incluyendo Python, C ++, C #, y otros. Además, las salidas analógicas del programa a través del puerto paralelo para la sincronización y señalización de eventos específicos de interés (Figura 2). En el experimento actual, el software VR salidas de eventos en el inicio de cada repetición de la tarea y, a veces de estimulación TMS deseado.
   3. Conecte la salida VR al circuito de sincronización (Figura 3) y / o del otro equipo para sincronizarse mediante cables con conectores coincidentes.
   4. Instruya a los sujetos para realizar la tarea conductual VR. En el estudio actual, el medio ambiente VR erapresentado usando una pantalla montada en la cabeza en el que los participantes vieron conjuntos de objetivos esféricos. Utilizando el software de realidad virtual, programa específico de movimiento secuencias de alterar la apariencia de blancos (color, ubicación, etc.) y familiarizar a los participantes con estas acciones. Además informar a los participantes de cualquier otra limitación de movimientos deseados. Por ejemplo, se pidió a los participantes en el estudio actual de mantener todos los segmentos de brazo en un plano vertical de movimiento, mientras que para llegar a los objetivos.
   5. Una vez que los participantes están acostumbrados a los datos de movimientos experimentales, EMG registro y captura de movimiento, y la sincronización de las señales utilizando scripts personalizados o paquetes de software suministrados por el proveedor. Ajustar la velocidad de muestreo de cada sistema de adquisición de datos a los valores deseados; además, se familiaricen con y ajustar los parámetros específicos del fabricante, tales como el movimiento de seguimiento de LED de intensidad.

Results

La sincronización de los numerosos flujos de datos en esta configuración permite grabar la cinemática, la actividad muscular continua (EMG), y la actividad neuromuscular instantáneos (los diputados) que se producen durante los movimientos de la extremidad superior. Se requieren ensayos repetidos de un movimiento dado para reconstruir perfiles de respuesta MEP sobre todo un movimiento. La Figura 4 muestra los datos recogidos de un sujeto. La Figura 4A muestra un ejemplo de estos flujos d...

Discussion

El objetivo de este artículo es describir un método para incorporar VR en el estudio del movimiento humano y un método para sincronizar varios flujos de datos. Realidad virtual ampliará las capacidades de los investigadores que intentan recrear escenarios de movimiento del mundo real en un entorno de laboratorio. Combinando VR con otras metodologías de grabación neuromuscular y de estímulo constituye un poderoso conjunto de herramientas para el estudio integral de mecanismos de control de motores humanos. Los conjuntos ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Estimulador magnético transcraneal	Magstim	N/A	Estimulador TMS y bobinas
Impulse X2	PhaseSpace	N/A	Sistema de captura
de movimiento MA300 Sistema EMG multicanal avanzado	movimiento	MA300-28	Preamplificador y amplificador EMG
Norotrodo Electrodos EMG	Myotronics	N/A	Electrodos
EMGBNC-2111 Bloque de Conector BNC Blindado de Un Extremo	National Instruments	779347-01	Bloque de Conector BNC
NI PXI-1033 Chasis PXI de 5 Ranuras con Controlador MXI-Express Integrado Chasis DAQ	779757-01	de	National Instruments
NI PXI-6254 16 Bits, 1 MS/s (Multicanal), 1.25 MS/s (1 Canal), 32 Entradas Analógicas	Tarjeta
DAQ 779118-01 de National InstrumentsCable SHC68-68-EPM (2 m)	National Instruments	192061-02	Cable blindado
DK1 o DK2	Oculus VR	N/A	Auriculares Ocuclus Rift
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	Software de realidad virtual
Condensadores C1 y C2	variados	N/A	Ajustar los valores para adaptarse a
las resistencias R1 y R2	variados	N/A	Ajustar los valores a medida
CD4011 Puerta NAND	variada	N/	A Puerta NAND
2N2222 transistor	variado	N/A	Transistor
NE555	circuito temporizador variado	N/A	Circuito
DB25 y conectores USB	variados	N/A	paralelo y conectores USB