Configuration multifonctions pour l'étude de contrôle du moteur humain utilisant la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, Motion Capture, et Réalité Virtuelle

Summary

La stimulation magnétique transcrânienne, l’électromyographie et la capture de mouvement 3D sont des techniques non invasives couramment utilisées pour étudier la fonction neuromusculaire chez l’homme. Dans cet article, nous décrivons un protocole qui échantillonne de manière synchrone les données générées par ces trois outils, ainsi que l’ajout unique de la présentation et de la rétroaction des stimuli en réalité virtuelle.

Abstract

L'étude de contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme est accompli avec de nombreuses technologies. Les méthodes non invasives pour enquêter sur la fonction neuromusculaire incluent la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, et la capture de mouvement en trois dimensions. L'avènement des solutions de réalité virtuelle facilement disponibles et rentables a élargi les capacités des chercheurs à recréer des environnements et des mouvements "monde réel" dans un environnement de laboratoire. Analyse du mouvement naturaliste ne sera pas seulement recueillir une plus grande compréhension du contrôle moteur chez les individus sains, mais aussi permettre la conception des expériences et des stratégies de réadaptation qui ciblent des déficiences motrices spécifiques (par exemple, accident vasculaire cérébral). L'utilisation combinée de ces outils va conduire à la compréhension plus profonde des mécanismes neuronaux de contrôle moteur. Une exigence clé lorsque l'on combine ces systèmes d'acquisition de données est la correspondance temporelle fine entre les différents flux de données. Tson protocole décrit globale connectivité d'un système multifonctionnel, signalisation inter-, et la synchronisation temporelle des données enregistrées. Synchronisation des systèmes de composants est principalement réalisé par l'utilisation d'un circuit personnalisable, facilement fait avec les composants hors du plateau et électronique minimale compétences d'assemblage.

Introduction

La réalité virtuelle (VR) est rapidement devenu un outil de recherche accessible pour une utilisation dans un certain nombre de domaines, y compris l'étude du mouvement humain. L'étude du mouvement du membre supérieur est particulièrement bénéficié en incorporant VR. La réalité virtuelle permet la personnalisation rapide des paramètres expérimentaux conçus pour étudier les caractéristiques spécifiques cinématiques et dynamiques de contrôle de mouvement du bras. Ces paramètres peuvent être ajustés individuellement pour chaque sujet. Par exemple, les emplacements des cibles virtuelles peuvent être redimensionnées pour assurer identiques posture initial des bras dans toutes les disciplines. La réalité virtuelle permet également la manipulation de rétroaction visuelle au cours d'expériences, qui est un outil précieux dans la recherche visuomoteur ^1-5.

L'utilisation des environnements réalistes VR avec d'autres outils biomécaniques permettra également scénarios de mouvement naturel dans lequel de tester les habitudes de déplacement. Cet arrangement est de plus en plus précieux pour leétude et la pratique de la réadaptation après maladies et des blessures ^6,7. Mimant les mouvements et les environnements naturalistes (par exemple la réalisation des mouvements dans une cuisine virtuelle) dans un contexte clinique permettront spécialistes de la réadaptation pour décrire plus précisément les déficiences d'un individu dans un contexte réel. Descriptions de valeur fortement individualisée permettront de stratégies de traitement plus ciblés, augmentant potentiellement l'efficacité et en réduisant la durée de la réadaptation.

Combinant VR avec d'autres outils tels que la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), électromyographie de surface (EMG), et plein de capture de mouvement du corps, crée une plate-forme extrêmement puissante et flexible pour l'étude du contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme. La stimulation magnétique transcrânienne est une méthode non-invasive puissante de mesurer l'excitabilité et l'intégrité fonctionnelle des voies descendantes à moteur (par exemple faisceau cortico-spinal) à travers responsab EMGes tels que potentiels évoqués moteurs (MPE) ^8. Systèmes de capture de mouvement moderne en trois dimensions permettent également aux chercheurs d'étudier l'activité neuromusculaire avec résultant cinématique du mouvement et de la dynamique. Cela permet la création de modèles extrêmement détaillés de l'appareil locomoteur ainsi que de tester des hypothèses concernant la structure et la fonction des contrôleurs neuronaux. Ces études permettront d'élargir notre connaissance scientifique du système sensori-moteur humain et conduire à des améliorations dans le traitement de l'appareil locomoteur et des troubles neurologiques.

Cependant, un problème majeur avec les systèmes multifonctionnels est la synchronisation des flux de données enregistrées séparément (par exemple de capture de mouvement, EMG, etc.). L'objectif de ce protocole est de décrire un arrangement généralisable des systèmes disponibles dans le commerce communes d'enregistrer simultanément des mesures biomécaniques et physiologiques pendant le mouvement. D'autres chercheurs utilisant des équipements dedifférents fabricants peuvent avoir à modifier des éléments de ce protocole pour répondre à leurs besoins spécifiques. Cependant, les principes généraux de ce protocole doivent encore être applicable.

Protocol

Tous les participants impliqués dans l'expérimentation subissent des procédures de consentement éclairé approuvés par le Conseil West Virginia University Institutional Review (CISR).

1. Caractéristiques de système global, la conception et générale tâche expérimentale

Remarque: La configuration complète comprend les principaux composants suivants: équipement EMG et d'acquisition (DAQ) équipement numérique associée; un système de capture de mouvement (ce protocole intègre un système LED actif); une unité de TMS avec une bobine et de l'équipement de localisation stéréotaxique figure-de-huit; un casque VR et l'ordinateur et le logiciel associé; et un circuit personnalisé synchronisation. La figure 1 présente de façon schématique la connectivité entre les composants de protocole.

1. Raccordement des composants du système
   1. Connectez EMG pré-amplificateur à amplificateur principal.
   2. Connectez sortie de l'amplificateur EMG à DAQ enregistrement bloc d'entrée de l'équipement en utilisant BNC ou Connec similairetions.
   3. Connectez matériel d'enregistrement DAQ à un ordinateur dédié qui va exécuter un script d'acquisition de données (fichier supplémentaire).
   4. Connectez sortie parallèle de l'ordinateur de commande VR à l'unité de circuit de mesure (voir la section suivante pour plus de détails).
   5. Connectez synchronisation et la capture de mouvement déclenchant sorties de circuit personnalisé à DAQ bloc d'enregistrement aux côtés de connexions de signaux EMG.
   6. De Split capture de mouvement déclencheur et le connecter au port "entrée analogique Démarrer" sur l'équipement EMG DAQ ainsi que la connexion de déclenchement sur l'ordinateur qui contrôle l'équipement de capture de mouvement.
      Remarque: La différence temporelle entre les débuts des flux d'acquisition de données respectives pour l'équipement décrit (de capture de mouvement et EMG) peut varier de 160 à 190 ms. Cette différence temporelle motivé la conception du circuit de synchronisation décrit dans le présent protocole et est probablement causée par les différences logicielles et matérielles entre ces deux systèmes.
   7. Connect TMS déclencher port sur l'unité de circuit de mesure pour entrée BNC déclenchement de l'unité de contrôle de la TMS.
2. Établir la connectivité réseau entre les ordinateurs de VR et capture de mouvement en utilisant un logiciel fourni par le vendeur de connexions réseau et physiques.
3. Connectez VR casque à l'ordinateur VR et d'assurer l'opérabilité avec les scripts / programmes qui affichent des environnements virtuels pour les participants.

Figure 1:. Connectivité de configuration entière Cette disposition décrit la connectivité générale entre les éléments de notre système. Le circuit de synchronisation est décrit ailleurs dans le texte de façon plus détaillée. La trace bleue correspond au signal qui commence à la fois la capture de mouvement et de flux de données EMG. Cet événement est la source du retard temporel de jusqu'à 190 ms en utilisant l'équipement décrit dans ce protocole. La trace rouge correspond à la synchronizat de VR-initiésévénement ions qui est concomitante enregistré par la capture de mouvement et systèmes EMG et par la suite utilisé pour l'alignement temporel des flux de données respectifs. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Détails générales de l'intégration du système et synchronisation

Remarque: la synchronisation des systèmes d'acquisition de données distinctes dans ce protocole (de capture de mouvement et EMG) est accompli grâce à l'utilisation d'un signal d'événement qui est commun à tous les flux d'enregistrement. Utilisation d'un événement commun, tous les signaux peuvent être temporellement réaligné après la collecte de données afin de minimiser les écarts d'enregistrement en temps réel (plus de 190 ms en utilisant le matériel dans ce protocole). Dans ce protocole, le signal commun provient du système VR comme un signal du port parallèle. Le signal commun est acheminé vers un circuit qui permet la synchronisation des données séparéruisseaux grâce à l'enregistrement direct avec des signaux d'EMG et en tournant simultanément hors une capture de mouvement LED. Le circuit est construit en utilisant les outils et les techniques de base pour la construction de composants électroniques, semblable à circuits décrits ailleurs ^9.

1. Conception, mise en page, et la construction de synchronisation Circuit
   1. Identifier tous les mécanismes basés sur TTL-déclenchement analogiques sur les unités de contrôle de l'équipement (par exemple TMS, capture de mouvement) et se familiariser avec les exigences de déclenchement telles que la direction d'impulsion TTL (positif / négatif) et d'amplitude. Mécanismes de déclenchement analogique possèdent souvent des connecteurs coaxiaux «BNC» communes qui font de composants de connexion simple.
   2. Ajouter une LED supplémentaire au système de capture de mouvement pour être utilisé pour la synchronisation de signal; Les parcours les fils de la conduisit à travers le circuit de synchronisation (Figure 3).
   3. Déterminer les paramètres des composants électriques (à savoir résistance, capacité) nécessaire pour turn large de la synchronisation LED pour une période de temps spécifique. Trouvez la quantité de temps que la synchronisation LED du circuit est éteint par l'équation: T = 1,1 * R1 * C1. Ce temps est suggéré d'être inférieure à la durée moyenne d'un mouvement expérimental. Par exemple, l'expérience décrite actuellement requise d'une résistance et d'un condensateur évalué à environ un mégohm et une microfarad, respectivement.
   4. Utilisez un fer à souder à adhérer composants électriques à une "prototypage" imprimée ou "projet" carte de circuit suivant le schéma de la figure 3 Placez ce circuit dans un plastique couramment disponibles de la boîte de «projet». il sera probablement nécessaire de percer des trous dans cette boîte pour les connecteurs BNC. Le circuit peut être facilement alimenté par 5 V alimentation USB à partir d'un ordinateur de bureau; il sera nécessaire de déconstruire un câble USB pour isoler les fils électriques et de terre. Condensateurs de découplage peuvent également être nécessaires pour réguler la puissance à la 555puce (non représentée sur la figure 3).
   5. Inspectez la carte de circuit pour des ponts de soudure involontaires entre les composants électriques. Si trouvé, retirez soudure avec un outil d'aspiration ou chauffer la soudure et enlever mécaniquement la connexion de pontage.

Figure 2:. Organigramme de première instance Cet organigramme décrit les relance et de signaux événements qui se produisent au cours d'un essai expérimental typique qui comprend TMS stimulation. Codes du port parallèle qui se produisent tout au long d'un procès sont montrés par les symboles schématiques DB25 (bleu clair).

2. Synchronisation Détails
   1. L'utilisation d'un organigramme similaire à la figure 2, de déterminer quand des équipements individuels doivent être déclenchées au cours d'un mouvement expérimental. Par exemple, certains équipements peut être déclenchée individuellement, tandis que d'autres peuvent être déclenchés simultanément.
   A des moments qui nécessitent de déclenchement ou de signalisation (par exemple des symboles du port parallèle bleu dans la figure 2), déterminent quel signal ports parallèles lignes à utiliser et les intégrer dans le système VR. Ceci est accompli en envoyant des valeurs numériques au port parallèle dans les délais indiqués lors de mouvements, chaque ligne représentant un chiffre binaire. Pour plus de détails sur la signalisation basée sur le port parallèle, s'il vous plaît se référer à la discussion.

Figure 3:. Synchronisation Circuit Ce schéma affiche la disposition de notre circuit de synchronisation personnalisée. La sortie par défaut de la porte NON-ET est un état de haute tension; cette tension de sortie est envoyée à la grille d'un transistor à travers lequel le circuit de la diode de synchronisation est envoyé. Cet état de défaut rend le circuit fermé, ce qui maintient le voyant dans un état allumé. Dès réception d'une synchronisation Trigger signal parallèle du port (trace rouge dans l'encadré), un état interne de l'appareil 555 est retourné rendre la sortie dans un état haut, coupant la LED (courbe bleue). Lorsque cela se produit, la tension sur C1 (trace verte) construit jusqu'à une tension qui réinitialise l'état interne de la 555, la réactivation de la LED. Le signal de déclenchement de synchronisation parallèle orifice est directement acheminé vers un connecteur BNC qui est relié à l'orifice d'entrée de déclenchement de TMS. Remarque: La direction de ce signal de déclenchement peut être inversée (à partir en positif au négatif en cours ou vice-versa) en fonction des besoins spécifiques de l'équipement de l'enquêteur. L'ajout d'un "inverter" puce sur ce déclencheur sortie pourrait facilement accomplir cette tâche. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

3. Procédures expérimentales

1. Procédures de sécurité et consentement éclairé
   1. Ensure que toutes les procédures expérimentales sont approuvées par un Institutional Review Board (IRB). Expliquez toutes les procédures pour les participants et d'acquérir consentement éclairé avec CISR documentation approuvée.
   2. Après l'acquisition de consentement éclairé, procéder à un examen de sécurité TMS de base avec les participants afin d'assurer qu'ils ne disposent pas des acouphènes, une histoire familiale d'épilepsie ou de convulsions, ou d'autres conditions avec des risques élevés de saisie.
   3. Pendant la stimulation TMS, exiger strictement l'utilisation de protections auditives pour éviter des dommages auditifs.
2. Électromyographie Collection
   1. Selon les objectifs scientifiques de l'étude d'un lecteur, déterminer de quel muscles des bras pour enregistrer des signaux EMG. Pour l'étude décrite dans ce protocole, des couples générés à l'épaule et le coude pendant le mouvement ont été étudiés. Ainsi, les signaux EMG enregistrées étaient des grands muscles superficiels qui agissent sur ces deux articulations, comme le deltoïde, pectoral, biceps, triceps, et brachioradialis.
   2. Faire toutes les connexions électriques nécessaires entre les divers équipements EMG y compris les amplificateurs, préamplificateurs, fils du capteur, et des plaquettes de capteurs selon les spécifications du fabricant de connecteurs de raccordement correspondant.
   3. Préparez chaque site de l'électrode par la légère le nettoyer avec un tampon imbibé d'alcool, en supprimant toute pilosité excessive avec un rasoir, et en appliquant un gel abrasif doux. La préparation du site assurera des valeurs cohérentes et basse électrode-à-peau impédance (<10 kOhms) et haute rapport signal-bruit des signaux EMG enregistrées.
   4. Ont sujets effectuent contractions isométriques conçus pour isoler les muscles individuels d'intérêt basé sur des descriptions anatomiques et biomécaniques acceptées ^10. Par exemple, pour isoler le biceps, demander au participant de résister à une extension imposée du coude.
   5. Après avoir sujets exécutent des contractions musculaires isolation, apposer différentielles électrodes EMG bipolaires plus de la plus épaisse, Porti centralesur, ou "ventre", de chaque muscle à des endroits reconnus ^11. Ceci assure la couverture d'un nombre maximal de fibres musculaires et minimise "diaphonie" entre muscles voisins. Veillez à aligner plus longs axes des électrodes bipolaires long des muscles, parallèlement aux fibres.
   6. Apposer l'électrode de masse EMG selon les spécifications de l'équipement (par exemple, la peau sur la vertèbre C7).
   7. Enregistrez amplifié signaux EMG par du matériel d'acquisition de données contrôlée par un script informatique personnalisé. Le script utilisé dans le protocole actuel est attaché comme un dossier complémentaire.
   8. Réglez gains appliqués aux signaux enregistrés au niveau désiré en déplaçant cadrans sur le préamplificateur EMG. Évitez les valeurs de gain qui causent les signaux enregistrés à dépasser la plage d'entrée de l'équipement d'enregistrement (typiquement 5V). Valeurs de gain EMG communs sont entre 1,000-4,000.
   9. Effectuer contractions isométriques similaires à celles exécutées à l'étape 3.2.4 et inspecter visuellement signa EMGls pour assurer qu'ils sont de haute qualité (rapport-à-dire un rapport signal-sur-bruit). Repositionner électrodes et modifier le gain du signal si nécessaire.
3. Préparation Motion System Capture
   1. Calibrer les caméras de suivi de mouvement à l'aide des instructions et de l'équipement fournies par le fabricant selon les instructions du fabricant.
   2. Avec du ruban et d'autres matériaux d'emballage, lier des capteurs LED actifs à des repères osseux près des articulations du bras et d'autres points anatomiques d'intérêt utilisé dans la construction de modèles biomécaniques: la phalange distale des processus index, radiaux et ulnaire styloïdes au poignet , olécrâne les processus coude, coracoïdes acromion et de l'épaule, encoche sterno-claviculaire, pointe du sternum, et apophyse épineuse de C7. Joindre un autre LED pour le casque VR pour définir le point de vue dans l'environnement virtuel.
   3. Connecter LED à un faisceau de câbles qui est attaché à l'unité de commande sans fil chacun d'eux. Allumez l'ONU du piloteet assurer un bon éclairage de toutes les DEL.
   4. Placez la synchronisation LED dans un emplacement idéal loin du sujet, mais à la vue claire des caméras.
4. Stimulation magnétique transcrânienne localisation stéréotaxique
   1. Calibrer le matériel et les logiciels conçus pour l'enregistrement de TMS ^12, pour permettre la mise en place de la bobine précis. Ceci implique généralement TMS bobines co-inscrire avec repères anatomiques comme le nasion, les points préauriculaires, et pointe du nez. Enregistrement stéréotaxique entre un participant et la bobine de stimulation fait partie intégrante de localisation cohérente stimulation.
5. MEP Hot-spot localisation et MEP Pprocedures de seuil
   1. Exécuter les techniques dites "hot-spot" pour localiser les régions TMS-sensibles du cortex qui produisent les plus grands députés d'amplitude avec le seuil le plus bas lors de la stimulation ^8,13,14. La stimulation magnétique transcrânienne pour étudier les systèmes de moteur généralementconsiste à stimuler une zone corticale qui contrôle les mouvements dans une partie spécifique du corps (par exemple, le bras et la main) ^15.
   2. Notez l'emplacement de tous les sites de stimulation idéales sur le cuir chevelu avec des participants de l'équipement d'enregistrement stéréotaxique calibré et logiciels associés. Après chaque emplacement est enregistré avec le logiciel, assurer l'exactitude en relocalisant l'endroit et de stimuler à nouveau, à la recherche de réponses MEP similaires.
6. Tâche comportementale en réalité virtuelle
   1. Concevoir les paramètres de la tâche comportementale (mouvements par exemple) atteignant être utilisés dans l'expérience. Dans l'étude actuelle, la tâche est d'atteindre des cibles virtuelles placées séquentiellement dans différents emplacements spatiaux. La taille des cibles définit la précision avec laquelle les participants se déplacent. Concevoir les mouvements tels que les différentes directions et amplitudes des couples articulaires sont évoqués comme les participants à atteindre des objectifs.
   2. Installer l'environnement VR qui guidematières à travers la tâche comportementale en utilisant un logiciel commercial VR qui est compatible avec le système de casque d'écoute et de suivi de mouvement selon le protocole du fabricant. Se familiariser avec les ressources de calcul nécessaires paquet du logiciel et les exigences linguistiques de programmation. Progiciels de VR commune ont la capacité d'être programmé avec les langues, y compris Python, C ++, C #, et d'autres. En outre, des sorties analogiques programme via le port parallèle pour la synchronisation et le marquage des événements spécifiques d'intérêt (Figure 2). Dans l'expérience actuelle, le logiciel VR émet un événement dans le début de chaque répétition de la tâche et à des moments de stimulation TMS souhaitée.
   3. Connectez la sortie VR au circuit de synchronisation (Figure 3) et / ou les autres équipements doivent être synchronisées en utilisant des câbles avec des connecteurs assortis.
   4. Demandez sujets pour effectuer la tâche comportementale VR. Dans l'étude actuelle, l'environnement était VRprésenté en utilisant un visiocasque dans laquelle les participants ont perçu des tableaux de cibles sphériques. Utilisation du logiciel VR, programme spécifique mouvement séquences de modifier l'apparence de cibles (couleur, emplacement, etc.) et familiariser les participants avec ces actions. En outre informer les participants de toutes les autres contraintes de mouvement souhaité. Par exemple, les participants à l'étude ont été invités à garder tous les segments de bras dans un plan vertical de mouvement tout en atteignant des cibles.
   5. Une fois que les participants sont habitués à les données expérimentales mouvements, fiche EMG et de capture de mouvement, et des signaux de synchronisation à l'aide de scripts personnalisés ou progiciels fournies par le fabricant. Régler le taux de chaque système d'acquisition de données à des valeurs de consigne d'échantillonnage; deviennent plus familiers avec et ajuster tous les paramètres spécifiques au fabricant, tels que de suivi de mouvement intensité des LED.

Results

Synchronisation des nombreux flux de données dans cette configuration permet d'enregistrer la cinématique, l'activité musculaire continue (EMG), et instantanées activité neuromusculaire (MPE) qui se produisent lors des mouvements du membre supérieur. Essais répétés d'un mouvement donné sont nécessaires pour reconstruire des profils de réponse MEP sur un mouvement complet. La figure 4 présente les données recueillies à partir d'un sujet. La figure 4A montre un exemple de ces flux de donn...

Discussion

L'objectif de cet article est de décrire un procédé d'incorporation VR dans l'étude du mouvement humain et un procédé de synchronisation différents flux de données. Réalité virtuelle va étendre les capacités de chercheurs qui tentent de recréer des scénarios de mouvement du monde réel dans un environnement de laboratoire. Combinant VR avec d'autres méthodes d'enregistrement et de stimulation neuromusculaire forme une puissante suite d'outils pour étudier en détail les mécanismes de contrôle moteu...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stimulateur magnétique transcrânien	Magstim	N/A	Stimulateur et bobines TMS
Impulse X2	PhaseSpace	N/A	Système de capture de mouvement
MA300 Advanced Multi-Channel EMG System	Motion Lab Systems	MA300-28	Préamplificateur et amplificateur EMG
Norotrode Électrodes EMG	Myotronics	N/A	Électrodes
EMGBNC-2111 Bloc de connexion BNC blindé asymétrique	National Instruments	779347-01	Bloc de connecteur BNC
NI PXI-1033 Châssis PXI 5 emplacements avec contrôleur MXI-Express intégré	National Instruments	779757-01	Châssis DAQ
NI PXI-6254 16 bits, 1 Méch./s (multivoie), 1,25 Méch./s (1 voie), 32 entrées analogiques	National Instruments	779118-01	Carte
DAQCâble SHC68-68-EPM (2m)	National Instruments	192061-02	Câble blindé
DK1 ou DK2	Oculus VR	N/A	Casque Ocuclus Rift
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	Logiciel de réalité virtuelle Condensateurs
C1 et C2	variés	N/A	Ajuster les valeurs en fonction
des résistances R1 et R2 variées		N/A	Ajuster les valeurs en fonction
CD4011 Porte NAND	variée	N/A	Porte NAND
2N2222 Transistor	varié	N/A	Transistor
NE555 Circuit de temporisation	varié	N/A	Circuit de minuterie
Connecteurs DB25 et USB	variés	Connecteurs parallèles et USB	/A