Artículo de método

Medición de la estabilidad espacial en el agarre de precisión

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DOI:

10.3791/59699

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4 de junio de 2020

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1Division of Rehabilitation Service, Geriatrics Research Institute and Hospital, 2Faculty of Rehabilitation, Gunma University of Health and Welfare, 3Department of Rehabilitation, Gunma Chuo Hospital, 4Graduate School of Health Sciences, Gunma University

En este artículo

Resumen

El objetivo de este protocolo es medir el reemplazo del centro de presión (COP) utilizando una hoja de sensor de alta resolución espacial para reflejar la estabilidad espacial en un agarre de precisión. El uso de este protocolo podría contribuir a una mayor comprensión de la fisiología y la fisiopatología del agarre.

Resumen

El propósito del protocolo es evaluar indirectamente la dirección de la fuerza del dedo durante la manipulación de un objeto de mano basado en las relaciones biomecánicas en las que la dirección de la fuerza desviada causa el reemplazo del centro de presión (COP). Para evaluar esto, se utiliza una hoja de sensor de presión de resolución espacial delgada, flexible y alta. El sistema permite medir la trayectoria COP además de la amplitud de fuerza y su regulación temporal. Una serie de experimentos encontró que el aumento de la longitud de la trayectoria reflejaba un déficit sensorimotor en pacientes con accidente cerebrovascular, y que la disminución de la trayectoria de la COP refleja una estrategia compensatoria para evitar que un objeto se deslice del agarre de la mano en los ancianos. Además, la trayectoria de la COP también podría reducirse mediante interferencias de doble tarea. Este artículo describe el procedimiento experimental y analiza cómo la COP de los dedos contribuye a una comprensión de la fisiología y la fisiopatología del agarre.

Introducción

El control de fuerza es la base fundamental del agarre de precisión. En comparación con el agarre de potencia, el agarre de precisión evalúa la salida de fuerza mínima que refleja la capacidad de manipular un objeto. Múltiples sistemas sensorimotor contribuyen a la precisión del agarre. Por ejemplo, durante una tarea de pinzamiento y elevación, la información visual permite la percepción del tamaño y la forma del objeto. Después de que las yemas de los dedos toquen el objeto, las señales táctiles se entregan a la corteza somatosensorial para ajustar la fuerza de agarre de precisión. La fuerza de agarre (GF) se genera cuando las yemas de los dedos hacen contacto con el objeto, y aumenta durante la fase de elevación1. Cuando un objeto se acerca a la altura del objetivo en el aire, los adultos jóvenes sanos producen el GF mínimo para optimizar la entrada cutánea de las pulpas de los dedos y conservar la energía. Por otro lado, los adultos mayores utilizan una gran fuerza de agarre para evitar dejar que el objeto se deslice de su agarre2. En pacientes con accidente cerebrovascular, la aparición de la fuerza de agarre se retrasa y la capacidad de ajustar el margen de seguridad se ve afectada debido a los déficits sensoriales y motores. La fuerza de agarre exagerada se considera una respuesta estratégica para compensar los déficits sensoriales y motores3.

El protocolo estándar para medir el control GF en el agarre de precisión fue sugerido por Johansson y Westling en la década de 19804. Desarrollaron un dispositivo para monitorear las fuerzas de carga y agarre simultáneamente. Desde entonces, la amplitud de GF y su regulación temporal se han utilizado como parámetros cinéticos típicos en numerosos estudios sobre agarre de precisión. Otro parámetro cinético es la dirección de fuerza5. La dirección de la fuerza es el resultado de una combinación de fuerzas de agarre y elevación. Para mantener un agarre de precisión estable, se deben generar fuerzas de agarre y elevación correctamente dirigidas entre el pulgar y el dedo índice, y la dirección de fuerza desviada puede causar inestabilidad espacial. Aunque varios instrumentos de dirección de fuerza de tipo célula de carga se utilizan en estudios de captación, estos instrumentos tienen una limitación en términos de monitoreo del control de fuerza de agarre en la manipulación de objetos de diferentes tamaños y formas utilizados en la vida diaria. Por lo tanto, un sensor flexible y acoplable es esencial para investigar las relaciones entre el control de la fuerza de agarre y las funciones diarias.

El propósito de este protocolo es evaluar indirectamente la dirección de la fuerza del dedo durante la manipulación de un objeto basado en la relación biomecánica en la que la dirección de la fuerza desviada causa el reemplazo del Centro de Presión (COP). La COP es el centro de todas las fuerzas, y representa cómo se equilibran las fuerzas en la hoja de sensores. El uso de la COP para evaluar el control de la fuerza de agarre fue sugerido primero por Augurelle et al.6. Monitorearon el desplazamiento de la COP para investigar el papel de la retroalimentación cutánea y encontraron que la COP desviada ocurrió después de la anestesia digital. Sin embargo, el desplazamiento de la COP sólo se monitorizó verticalmente en su estudio; por lo tanto, el desplazamiento de la COP en un espacio tridimensional no se ha evaluado adecuadamente. Para resolver esta limitación se utilizó una lámina de sensor de presión de resolución espacial delgada, flexible y de alta resolución para medir la COP. Se han utilizado sensores de resolución espacial relativamente altas (60-100 puntos por cm2)para medir el control de la fuerza de agarre7,8, pero los avances recientes en resolución espacial (248 puntos por cm2) permiten la medición de la trayectoria COP como parámetro para cuantificar la estabilidad espacial. Este documento describe el procedimiento experimental y analiza cómo la COP de los dedos contribuye a la comprensión de la fisiología y la fisiopatología del agarre.

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Protocolo

La serie de estudios en el presente documento fueron aprobados por la Junta de Revisión Etica de la Universidad de Gunma para la investigación médica que involucra a sujetos humanos.

NOTA: Los criterios de inclusión para los participantes fueron la capacidad de entender el uso de la fuerza mínima y la capacidad de realizar la tarea con el pulgar y el dedo índice. Los criterios de exclusión se seleccionaron en función del propósito de los experimentos.

1. Preparación del equipo

  1. Conecte dos cables de conector de sensor a los puertos USB de un ordenador. Tire hacia arriba de la palanca conectada al conector del sensor e inserte la pestaña del sensor en la ranura de inserción. Vuelva a colocar la palanca conectada en su posición original.
  2. Abra el software del sensor en un ordenador. Asegúrese de que los mapas de distribución de presión en tiempo real aparezcan automáticamente en el monitor cuando las hojas del sensor estén conectadas correctamente.
  3. Ajuste de presión
    1. Inserte el área de detección de la hoja del sensor una por una en una plataforma de compresor.
    2. Encienda la válvula de aire del controlador del compresor y comience a aplicar presión. Utilice el regulador y ajuste al valor de carga adecuado (es decir, 172 kPa) para comprobar el indicador en el controlador. Asegúrese de que toda el área de la hoja del sensor esté igualmente presurizada en el monitor.
  4. Mientras se aplica presión a las hojas del sensor, realice el equilibrio y la calibración.
    NOTA: El equilibrio es una operación para ajustar la reactividad de las celdas del sensor por igual. La calibración es una operación para convertir la presión sobre la hoja del sensor (suma cruda) en una unidad de peso (gramos o Newtons) y mostrarla. Ambos deben hacerse para la hoja de sensores antes de iniciar la recopilación de datos para cada participante.
    1. Seleccione Herramientas ?? Equilibrio en la ventana principal del software. Haga clic en Equilibradote-1 ? Comience en el cuadro de diálogo de equilibrio. Compruebe el resultado del equilibrio en el cuadro de diálogo y confirme que la ventana de equilibrio cambia de color a gris.
    2. Guarde la configuración de equilibrio haciendo clic en Guardar archivo eq. en el cuadro de diálogo de equilibrio. Introduzca el nombre del archivo de equilibrio y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo Guardar como.
    3. A continuación, realice la calibración seleccionando Herramientas ? Calibración. Haga clic en Agregar e introduzca el valor de carga (134.33 N) en el cuadro Fuerza aplicada.
    4. Haga clic en el botón Inicio del cuadro de diálogo. Compruebe el resultado de la calibración en el cuadro de diálogo de calibración y confirme que la calibración se ha realizado correctamente; el valor de Newton se muestra como 134.33 y el valor de las celdas cargadas coincide con el de las hojas del sensor que se utilizan si la calibración se realizó correctamente.
    5. Después de eso, guarde la configuración de calibración haciendo clic en Guardar archivo Cal. Introduzca el nombre del archivo de calibración y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo Guardar como. Después del equilibrio y la calibración, apague la válvula de aire del controlador y extraiga la hoja del sensor del compresor.

2. Medición

  1. Preparación
    1. Conecte cada dispositivo e inicie el software de acuerdo con los pasos 1.1. y 1.2. Asegúrese de que se muestren dos mapas de distribución de presión en tiempo real para cada hoja de sensores cuando las hojas del sensor estén conectadas a través del cable al mismo tiempo.
      NOTA: En este experimento, se necesitan dos hojas de sensores para medir el pulgar y el dedo índice, respectivamente. Es necesario realizar el equilibrio y la calibración de cada uno de ellos de acuerdo con los procedimientos descritos en la sección 1.4.
    2. Recuerde los archivos de equilibrio y calibración creados en los pasos 1.4.2. y 1.4.5. Con el mapa de distribución de presión en tiempo real activo, seleccione Herramientas ? Cargar archivo de equilibrio. Seleccione el archivo de equilibrio y haga clic en Abrir. A continuación, seleccione Herramientas ? Cargar archivo de calibración. Seleccione el archivo de calibración y haga clic en Abrir. Asegúrese de que el mapa de distribución de presión en tiempo real se muestra en Newtons después de cargar el archivo de calibración. Realice lo anterior para cada uno de los dos mapas.
    3. Fije las partes sensibles a la presión de las dos hojas del sensor a ambos lados del cubo de hierro con cinta adhesiva de doble cara. Para evitar que las hojas del sensor se dañen, corte las longitudes de cinta de 3 x 5 mm y colóquelas en las cuatro esquinas en el exterior del cubo de hierro. Asegúrese de que la superficie de la hoja del sensor esté en el exterior.
    4. Coloque el cubo de hierro encima de un soporte de ajuste sobre una mesa antes de la medición.
    5. Después de organizar el entorno de medición, corrija los ajustes de grabación de los fotogramas de película, el punto y la frecuencia. Seleccione las opciones de la unidad de selección de opciones . Comando Parámetro de adquisición. En el cuadro de diálogo Parámetro de adquisición de datos, escriba 36000 en los fotogramas de película, 0,01 en el período y 100 en la frecuencia. Haga clic en Aceptar y cierre el cuadro de diálogo.
  2. Inicio de la medición
    NOTA: La Figura 1 muestra una tarea de agarre y elevación.
    1. Pida al participante que se siente delante de una mesa y ajuste la altura de la mesa (flexión de la articulación del hombro del participante 0o y flexión de la articulación del codo 90o). Ponga el cubo de hierro y el soporte de ajuste a 30 cm del participante en el plano midsagittal en la mesa. Limpie las pulpas de los dedos del participante con un hisopo de alcohol o una toallita.
    2. Dé al participante instrucciones verbales de la siguiente manera: "Utilice una fuerza mínima con el pulgar y el dedo índice para agarrar ambos lados del cubo de hierro al que están conectadas las hojas del sensor. Después de eso, levántelo aproximadamente 5 cm por encima del soporte de ajuste, sostén lo sostenga durante 5 x 7 s, y luego colóquelo de nuevo en el soporte de ajuste."
    3. Si el participante está listo, déle una indicación para iniciar la tarea e inicie una grabación haciendo clic en Grabar en la barra de herramientas. Haga clic en Trayectoria del centro de fuerza para supervisar la COP durante la grabación. Cuando la tarea haya terminado, haga clic en Detener en la barra de herramientas. Después de la grabación, guarde los datos de la película seleccionando Archivo . Guardar película como. Introduzca el nombre del archivo de película y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo.
      NOTA: El peso del cubo de hierro, el número de ascensores y el intervalo entre tareas deben tenerse en cuenta de acuerdo con el propósito del experimento y la dificultad de la tarea.
  3. Cambiar las condiciones de medición de acuerdo con el propósito del experimento. Por ejemplo, para investigar el efecto de la interferencia de doble tarea en una tarea de agarre y elevación, ajuste las condiciones de medición de la siguiente manera en función del tipo de interferencia.
    1. Para interferencia postural, haga que el participante se ponga delante de una mesa y ajuste la altura de la mesa. Dé al participante instrucciones verbales de la siguiente manera: "Ponte de pie en una pierna y usa una fuerza mínima con el pulgar y el dedo índice para levantar el cubo de hierro aproximadamente 5 cm por encima del soporte de ajuste. Sostén lo sostenga durante 5 a 7 s y luego colóquelo de nuevo en el soporte de ajuste."
    2. Para interferencias visuales, pida al participante que se siente delante de una mesa y ajuste la altura de la mesa. Dé instrucciones verbales al participante de la siguiente manera: "Cierre los ojos. Utilice una fuerza mínima con el pulgar y el dedo índice con para levantar el cubo de hierro aproximadamente 5 cm por encima del soporte de ajuste. Sostén lo sostenga durante 5 a 7 s y colóquelo de nuevo en el soporte de ajuste." Permita que los participantes toquen los sensores sin exceder 0,5 N antes de cerrar los ojos.
    3. Para interferencia cognitiva, pida al participante que se siente delante de una mesa y ajuste la altura de la mesa. Dé al participante instrucciones verbales de la siguiente manera: "Como tarea de cálculo, resta continuamente 7 de 100 con la mayor precisión posible. Mientras realiza el cálculo, utilice una fuerza mínima con el pulgar y el dedo índice para levantar el cubo de hierro aproximadamente 5 cm por encima del soporte de ajuste. Sostén lo sostenga durante 5 a 7 s y colóquelo de nuevo en el soporte de ajuste."
    4. Para interferencias contralaterales del movimiento de la mano (Figura 2), haga que el participante se siente delante de una mesa y ajuste la altura de la mesa. Coloque la clavija a 30 cm del participante en el plano midsagittal junto al cubo de hierro y tenga en cuenta el tamaño y el número de clavijas para ajustar la dificultad de la tarea. Dé instrucciones verbales al participante de la siguiente manera: "Manipular el cubo de hierro con una fuerza mínima con el pulgar y el dedo índice. Levante y sostenga el cubo de hierro aproximadamente 5 cm por encima del soporte de ajuste con una mano, e invierta la clavija con la otra mano. Repita con la mano opuesta."

3. Análisis de datos

  1. Análisis de la fuerza de agarre
    1. Inicie el software en el equipo. Haga clic en Archivo (File File ) Abrir película, seleccione el archivo de película para análisis y Abrir.
    2. A medida que aparece el mapa de distribución de presión registrado, haga clic en Vista de ventana múltiple en el mapa y consulte la ventana del gráfico 1. Encuentre el punto en el tiempo en el que la carga (fuerza de agarre) comienza a aplicarse en cada elevación, y observe el tiempo con referencia a este gráfico.
    3. Después de eso, guarde los datos de fuerza de agarre en formato ASCII. Seleccione Archivo ?? Guarde ASCII después de activar la ventana del gráfico 1. En el cuadro de diálogo gráfico de objetos 1, seleccione Paneles con el nombre de archivo y haga clic en Guardar ASCII. En el cuadro de diálogo, seleccione Guardar valores de fuerza, presión y área. Especifique Fuerza en el cuadro Eje Y, Tiempo en el cuadro Eje X y Absoluto en el modo Y. Haga clic en Aceptar en el cuadro de diálogo de propiedades. Escriba el nombre del archivo ASCII y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo.
    4. Si se necesita información sobre las áreas de contacto entre las pulpas de los dedos y las hojas de sensores, especifique el área de contacto en el cuadro Eje Y y haga clic en Aceptar. Escriba el nombre del archivo ASCII y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo.
    5. A continuación, abra el archivo de película. Confirme que el archivo se abre en formato de hoja de cálculo y se observan Marcos, Tiempo, Tiempo absoluto, Suma sin procesar y Fuerza. Con referencia al tiempo señalado en el paso 3.1.2., busque una celda que la carga comience a aplicarse; los valores de carga comienzan a aumentar y superar 0,5N en la fila de fuerza.
    6. Calcular la fuerza de pinzamiento total utilizada en un rango, que es la suma de los valores de la celda se aplicó en la línea de fuerza.
  2. Análisis del centro de presión
    1. Inicie el software. Haga clic en Archivo (File File ) Abrir película, seleccione el archivo de película para análisis y haga clic en Abrir.
    2. Con el mapa de distribución de presión activo, haga clic en Reproducir hacia delante para reproducir la película. Asegúrese de que la trayectoria COP aparece en el mapa de distribución de presión. Busque el marco que el COP comienza a aparecer en cada elevación con el fotograma siguiente o el fotograma anterior, que son los comandos para mover hacia adelante o hacia atrás los fotogramas. A continuación, tenga en cuenta que el número de fotograma.
    3. Después de eso, guarde los datos COP en formato ASCII. Seleccione Archivo ?? Guarde ASCII con el mapa de distribución activo. Especifique Centro de fuerza en el cuadro de diálogo Tipo de datos y Película completa en el cuadro de diálogo Intervalo de películas. Haga clic en Aceptar en el cuadro de diálogo de propiedades. Escriba el nombre del archivo ASCII y haga clic en Guardar en el cuadro de diálogo.
    4. A continuación, abra el archivo de película. Confirme que el archivo se abre en formato de hoja de cálculo y se observan COMENTARIOS Frame, Time, Absolute time, Row, Col y Raw Sum. Con referencia a la trama señalada en los pasos 3.2.2., encuentre una celda (1) que el COP comience a aparecer.
    5. Calcule la longitud de la trayectoria COP entre fotogramas. Seleccione una celda (2) después de la fila, incluido el fotograma en el que empieza a aparecer la COP. Inserte la siguiente fórmula de cálculo: (-SQRT((Celda de fila (2) -Celda de fila (1)) -2+(Celda Col (2) -Celda Col (1)) -2). La suma de la longitud de trayectoria COP entre fotogramas en un rango es la trayectoria total de COP dentro de ese rango.
      NOTA: En la ventana del gráfico 1, la línea vertical muestra el valor de carga (N) y la línea horizontal muestra la hora (s). Este valor de carga corresponde a la fuerza de agarre. Los datos guardados en formato ASCII se pueden utilizar en aplicaciones como hojas de cálculo y editores de texto. En este experimento, se instruyó a los participantes a mantener el cubo durante 5 x 7 s en la tarea, por lo que la fuerza de agarre y la trayectoria de la COP se calcularon y registraron para 4 s desde su primera aparición. En la hoja de pliegos de los datos cop, la posición de la COP en las coordenadas de los ejes X e Y se muestra como un valor.

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Resultados

Varios estudios han introducido protocolos experimentales y dos parámetros cinéticos (la trayectoria COP y la GF) para medir la fuerza de los dedos durante la manipulación de un objeto. En estudios anteriores, se encontró que la trayectoria de la COP aumentó en pacientes con accidente cerebrovascular9. En pacientes con mielopatía cervical, el GF se correlacionó con el umbral de presión cutánea y la función de extremidad superior10. En sujetos jóvenes sanos, el GF aumentó co...

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Discusión

Este procedimiento experimental proporciona evidencia de que una hoja de sensor de presión flexible podría ser útil para evaluar la estabilidad espacial durante el agarre de precisión. La dirección de fuerza de agarre alterada representa la inestabilidad espacial de agarre, como un deslizamiento de dedo. Sin embargo, los instrumentos de dirección de fuerza de tipo célula de carga existentes tienen una limitación en términos de garantizar un movimiento natural de alcance a agarre. Para resolver este problema técnico, se m...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros competidores.

Agradecimientos

Agradecemos al Sr. T. Nishida (Técnico, Departamento de Ventas, División de Materiales de Rendimiento de Dispositivos, Nitta Co., Ltd, Osaka, Japón)) por el soporte técnico.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
HisopoToallita para el participante' Pulpas de los dedos Compresor
Nitta CorporationAplique presión a los asientos del sensor
Controlador de computadora
del compresorNitta CorporationÚselo para fabricar el compresor
CintasÚselo para sujetar los asientos del sensor al cubo de
hierro Cubode hierro 150-250g, 30× 30 veces; Conector
delConecte los asientos del sensor al ordenador.
HojaSensor de mapeo de presión 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 EE. UU
. SoporteColoque el cubo de hierro sobre él durante la medición
Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51Mesa
Uso para la medición
con alcohol de doble cara sensor de 30 mm de sensor de ajuste de Nitta Corporation

Referencias

  1. Johansson, R. S., Flanagan, J. R. Coding and use of tactile signals from the fingertips in object manipulation tasks. Nature Reviews Neuroscience. 10 (5), 345-359 (2009).
  2. Cole, K. J. Grasp force control in older adults. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 251-258 (1991).
  3. Lang, C. E., Schieber, M. H. Stroke. Sensorimotor control of grasping. Nowak, D. A., Hermsdörfer, J. , Cambridge University Press. New York, NY. 296-310 (2009).
  4. Johansson, R. S., Westling, G. Roles of glabrous skin receptors and sensorimotor memory in automatic control of precision grip when lifting rougher or more slippery objects. Experimental Brain Research. 56 (3), 550-564 (1984).
  5. Parikh, P. J., Cole, K. J. Handling objects in old age: forces and moments acting on the object. Journal of Applied Physiology. 112 (7), 1095-1104 (2012).
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  9. Kurihara, J., Lee, B., Hara, D., Noguchi, N., Yamazaki, T. Increased center of pressure trajectory of the finger during precision grip task in stroke patients. Experimental Brain Research. 237 (2), 327-333 (2018).
  10. Noguchi, N., et al. Grip force control during object manipulation in cervical myelopathy. Spinal Cord. , (2020).
  11. Lee, B., Miyanjo, R., Tozato, F., Shiihara, Y. Dual-task interference in a grip and lift task. The Kitakanto Medical Journal. 64 (4), 309-312 (2014).

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