Article de méthode

Mesure de la stabilité spatiale dans l’adhérence de précision

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DOI :

10.3791/59699

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4 juin 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

Dans cet article

Résumé

L’objectif de ce protocole est de mesurer le remplacement du centre de pression (COP) à l’aide d’une feuille de capteur à haute résolution spatiale pour refléter la stabilité spatiale dans une poignée de précision. L’utilisation de ce protocole pourrait contribuer à une meilleure compréhension de la physiologie et de la pathophysiologie de la saisie.

Résumé

Le but du protocole est d’évaluer indirectement la direction de la force du doigt lors de la manipulation d’un objet portatif en fonction des relations biomécaniques dans lesquelles la direction de la force déviée provoque le remplacement du centre de pression (COP). Pour évaluer cela, une feuille de capteur de pression à résolution spatiale mince, flexible et haute est utilisée. Le système permet de mesurer la trajectoire de la COP en plus de l’amplitude des forces et de sa régulation temporelle. Une série d’expériences a révélé que l’augmentation de la longueur de la trajectoire reflétait un déficit sensorimoteur chez les patients victimes d’un AVC, et que la diminution de la trajectoire de la MPA reflète une stratégie compensatoire pour éviter qu’un objet ne glisse de l’adhérence des mains chez les personnes âgées. En outre, la trajectoire de la COP pourrait également être réduite par une double interférence de tâche. Cet article décrit la procédure expérimentale et discute de la façon dont le doigt COP contribue à une compréhension de la physiologie et de la pathophysiologie de la saisie.

Introduction

Le contrôle de la force est la base fondamentale de l’adhérence de précision. Par rapport à l’adhérence de puissance, la poignée de précision évalue la puissance minimale de sortie reflétant la capacité de manipuler un objet. Plusieurs systèmes sensorimotor contribuent à l’adhérence de précision. Par exemple, lors d’une tâche d’adhérence et de levage, l’information visuelle permet de visualiser la taille et la forme de l’objet. Après que les doigts touchent l’objet, des signaux tactiles sont livrés au cortex somatosensory pour ajuster la force d’adhérence de précision. La force d’adhérence (GF) est générée lorsque les doigts entrent en contact avec l’objet, et elle augmente pendant la phasede levage 1. Lorsqu’un objet s’approche de la hauteur de l’objectif dans l’air, les jeunes adultes en bonne santé produisent le GF minimal afin d’optimiser l’entrée cutanée des pulpes des doigts et de conserver l’énergie. D’autre part, les personnes âgées utilisent une grande force d’adhérence pour éviter de laisser l’objet glisser de leuradhérence 2. Chez les patients victimes d’un AVC, l’apparition de la force d’adhérence est retardée et la capacité d’ajuster la marge de sécurité est altérée en raison de déficits sensoriels et moteurs. La force d’adhérence exagérée est considérée comme une réponse stratégique pour compenser les déficits sensoriels etmoteurs 3.

Le protocole standard pour mesurer le contrôle GF dans l’adhérence de précision a été suggéré par Johansson et Westling dans les années 19804. Ils ont développé un dispositif pour surveiller simultanément les forces de charge et d’adhérence. Depuis lors, l’amplitude de GF et sa régulation temporelle ont été employées comme paramètres cinétiques typiques dans de nombreuses études sur l’adhérence de précision. Un autre paramètre cinétique est la direction de force5. La direction de la force résulte d’une combinaison de forces d’adhérence et de levage. Afin de maintenir une adhérence de précision stable, des forces d’adhérence et de levage correctement dirigées doivent être générées entre le pouce et l’index, et la direction de la force déviée peut causer une instabilité spatiale. Bien que divers instruments de direction de la force de type cellule de charge soient utilisés dans les études de saisie, ces instruments ont une limitation en termes de surveillance du contrôle de la force d’adhérence dans la manipulation d’objets de différentes tailles et formes utilisées dans la vie quotidienne. Ainsi, un capteur flexible et attachable est essentiel pour étudier les relations entre le contrôle de la force d’adhérence et les fonctions quotidiennes.

Le but de ce protocole est d’évaluer indirectement la direction de la force du doigt lors de la manipulation d’un objet en fonction de la relation biomécanique dans laquelle la direction de la force déviée provoque le remplacement du Centre de pression (COP). La COP est le centre de toutes les forces, et représente la façon dont les forces sont équilibrées sur la feuille de capteur. L’utilisation de la COP pour évaluer le contrôle de la force d’adhérence a d’abord été suggérée par Augurelle et coll.6. Ils ont surveillé le déplacement de COP pour étudier le rôle de la rétroaction cutanée et ont constaté que la COP déviée s’est produite après anesthésie numérique. Toutefois, le déplacement de la COP n’a été surveillé que verticalement dans son étude; par conséquent, le déplacement de la COP dans un espace tridimensionnel n’a pas été évalué adéquatement. Pour résoudre cette limitation, une feuille de capteur de pression à résolution spatiale mince, flexible et haute a été utilisée pour mesurer cop. Des capteurs à résolution spatiale relativement élevée (~60-100 points par cm2)pour mesurer le contrôle de la force d’adhérenceont été utilisés 7,8, mais les progrès récents de la résolution spatiale (248 points par cm2)permettent de mesurer la trajectoire de la COP comme paramètre pour quantifier la stabilité spatiale. Cet article décrit la procédure expérimentale et discute de la façon dont le DOIGT COP contribue à la compréhension de la physiologie et de la pathophysiologie de la saisie.

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Protocole

La série d’études du présent document a été approuvée par gunma University Ethical Review Board for Medical Research Involving Human Subjects.

REMARQUE : Les critères d’inclusion pour les participants étaient la capacité de comprendre l’utilisation d’une force minimale et la capacité d’exécuter la tâche avec le pouce et l’index. Les critères d’exclusion ont été choisis en fonction de l’objet des expériences.

1. Préparation de l’équipement

  1. Connectez deux câbles de connecteur de capteur aux ports USB d’un ordinateur. Tirez vers le haut du levier attaché au connecteur de capteur et insérez l’onglet du capteur dans la fente d’insertion. Remettre le levier attaché à sa position d’origine.
  2. Ouvrez le logiciel de capteur sur un ordinateur. Assurez-vous que les cartes de distribution de pression en temps réel apparaissent automatiquement sur le moniteur lorsque les feuilles du capteur sont correctement connectées.
  3. Réglage de la pression
    1. Insérez la zone de détection de la feuille de capteur un par un dans une plate-forme de compresseur.
    2. Allumez la soupape d’air du contrôleur du compresseur et commencez à appliquer une pression. Faire fonctionner l’organisme de réglementation et s’adapter à la valeur de charge appropriée (c.-à-d. 172 kPa) pour vérifier l’indicateur sur le contrôleur. Assurez-vous que toute la zone de la feuille de capteur est également pressurisée sur le moniteur.
  4. Tout en appliquant une pression sur les feuilles du capteur, effectuez l’équilibre et l’étalonnage.
    REMARQUE : L’équilibrage est une opération pour ajuster également la réactivité des cellules du capteur. L’étalonnage est une opération pour convertir la pression sur la feuille de capteur (somme brute) en une unité de poids (grammes ou Newtons) et l’afficher. Les deux doivent être faits pour la feuille de capteur avant de commencer la collecte de données pour chaque participant.
    1. Sélectionnez outils | Equilibration sur la fenêtre principale du logiciel. Cliquez sur Equilibrate-1 | Commencez dans la boîte de dialogue d’équilibrage. Vérifiez le résultat d’équilibrage dans la boîte de dialogue et confirmez que la fenêtre d’équilibrage change de couleur en gris.
    2. Enregistrez les paramètres d’équilibrage en cliquant sur Enregistrer le fichier Eq. dans la boîte de dialogue d’équilibrage. Entrez le nom du fichier d’équilibrage et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue Enregistrer comme.
    3. Ensuite, effectuez l’étalonnage en sélectionnant des outils | Étalonnage. Cliquez sur l’ajouter et entrez la valeur de charge (134,33 N) dans la boîte de force appliquée.
    4. Cliquez sur le bouton Démarrer dans la boîte de dialogue. Vérifiez le résultat de l’étalonnage dans la boîte de dialogue d’étalonnage et confirmez que l’étalonnage a été fait correctement; la valeur de Newton est indiquée comme 134,33 et la valeur des cellules chargées correspond à celle des feuilles de capteur utilisées si l’étalonnage a été fait correctement.
    5. Après cela, enregistrer le paramètre d’étalonnage en cliquant sur Enregistrer cal. Fichier. Entrez le nom du fichier d’étalonnage et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue Enregistrer comme. Après l’équilibrage et l’étalonnage, éteignez la soupape d’air du contrôleur et extrayez la feuille de capteur du compresseur.

2. Mesure

  1. Préparation
    1. Connectez chaque appareil et démarrez le logiciel selon les étapes 1.1. et 1,2. Assurez-vous que deux cartes de distribution de pression en temps réel pour chaque feuille de capteur sont affichées lorsque les feuilles de capteur sont connectées par le câble en même temps.
      REMARQUE : Dans cette expérience, deux feuilles de capteur sont nécessaires pour mesurer le pouce et l’index, respectivement. Il est nécessaire d’effectuer l’équilibre et l’étalonnage pour chacun d’eux selon les procédures décrites à l’article 1.4.
    2. Rappelez-vous les fichiers d’équilibre et d’étalonnage créés dans les étapes 1.4.2. et 1,4,5. Avec la carte de distribution de pression en temps réel active, sélectionnez Outils | Chargez le fichier d’équilibrage. Sélectionnez le fichier d’équilibrage et cliquez sur Ouvrir. Ensuite, sélectionnez Outils | Fichier d’étalonnage de charge. Sélectionnez le fichier d’étalonnage et cliquez sur Ouvrir. Assurez-vous que la carte de distribution de pression en temps réel est affichée dans Newtons après le chargement du fichier d’étalonnage. Effectuez ce qui précède pour chacune des deux cartes.
    3. Fixez les parties sensibles à la pression des deux feuilles de capteur des deux côtés du cube de fer à l’aide de ruban adhésif à double face. Pour éviter que les feuilles du capteur ne soient endommagées, coupez des longueurs de ruban de 3 à 5 mm et placez-les aux quatre coins à l’extérieur du cube de fer. Assurez-vous que la surface de la feuille de capteur est à l’extérieur.
    4. Placez le cube de fer sur un support de réglage sur une table avant la mesure.
    5. Après avoir organisé l’environnement de mesure, fixez les paramètres d’enregistrement pour les images de film, la période et la fréquence. Sélectionnez les options | Commande de paramètres d’acquisition. Dans la boîte de dialogue de paramètres d’acquisition de données, entrez 36000 dans les images de film, 0,01 dans la période, et 100 dans la fréquence. Cliquez sur OK et fermez la boîte de dialogue.
  2. Démarrage de la mesure
    REMARQUE : La figure 1 démontre une tâche d’adhérence et de levage.
    1. Asseyez-vous devant une table et ajustez la hauteur de la table (flexion articulaires de l’épaule du participant 0° et flexion articulaires du coude 90° position). Placez le cube de fer et le support de réglage à 30 cm du participant dans le plan midsagittal sur la table. Essuyer les pulpes des doigts du participant à l’insu de l’alcool ou d’une towelette.
    2. Donnez au participant des instructions verbales comme suit : « Utilisez une force minimale avec votre pouce et votre index pour saisir les deux côtés du cube de fer auquel les feuilles du capteur sont attachées. Après cela, soulevez-le à environ 5 cm au-dessus du support de réglage, maintenez-le pendant 5−7 s, puis placez-le sur le support de réglage.
    3. Si le participant est prêt, donnez-lui un signal pour démarrer la tâche et démarrer un enregistrement en cliquant sur Enregistrer sur la barre d’outils. Cliquez sur Center Of Force Trajectory pour surveiller la COP lors de l’enregistrement. Lorsque la tâche est terminée, cliquez sur Arrêtez-vous sur la barre d’outils. Après l’enregistrement, enregistrez les données du film en sélectionnant File | Enregistrer le film comme. Entrez le nom du fichier de film et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue.
      REMARQUE : Le poids du cube de fer, le nombre d’ascenseurs et l’intervalle entre les tâches doivent être pris en compte en fonction de l’objet de l’expérience et de la difficulté de la tâche.
  3. Modifier les conditions de mesure en fonction du but de l’expérience. Par exemple, pour étudier l’effet de la double interférence de tâche dans une tâche d’adhérence et de levage, ajustez les conditions de mesure comme suit en fonction du type d’interférence.
    1. Pour les interférences posturales, placez le participant devant une table et ajustez la hauteur de la table. Donnez au participant des instructions verbales comme suit : « Tenez-vous debout sur une jambe et utilisez une force minimale avec votre pouce et votre index pour soulever le cube de fer à environ 5 cm au-dessus du support de réglage. Maintenez-le pendant 5−7 s, puis placez-le de nouveau sur le support de réglage.
    2. Pour les interférences visuelles, placez le participant devant une table et ajustez la hauteur de la table. Donnez au participant des instructions verbales comme suit : « Fermez les yeux. Utilisez une force minimale avec votre pouce et votre index pour soulever le cube de fer à environ 5 cm au-dessus du support de réglage. Maintenez-le pendant 5−7 s et placez-le sur le support de réglage. Permettre aux participants de toucher les capteurs sans dépasser 0,5 N avant de fermer les yeux.
    3. Pour les interférences cognitives, placez le participant devant une table et ajustez la hauteur de la table. Donnez au participant des instructions verbales comme suit : « En tant que tâche de calcul, soustrayez continuellement 7 de 100 aussi précisément que possible. Lors de l’exécution du calcul, utilisez une force minimale avec votre pouce et votre index pour soulever le cube de fer à environ 5 cm au-dessus du support de réglage. Maintenez-le pendant 5−7 s et placez-le sur le support de réglage.
    4. Pour les interférences contralatérales du mouvement de la main (figure 2), placez le participant devant une table et ajustez la hauteur de la table. Placez la planche de cheville à 30 cm du participant dans le plan midsagittal à côté du cube de fer et considérez la taille et le nombre de chevilles pour ajuster la difficulté de tâche. Donnez au participant des instructions verbales comme suit : « Manipulez le cube de fer avec un minimum de force à l’aide de votre pouce et de votre index. Soulevez et maintenez le cube de fer à environ 5 cm au-dessus du support de réglage d’une main, et inversez la cheville en utilisant l’autre main. Répétez l’utilisation de la main opposée.

3. Analyse des données

  1. Analyse de la force d’adhérence
    1. Démarrez le logiciel sur l’ordinateur. Cliquez sur Fichier | Open Movie, sélectionnez le fichier de film pour l’analyse et ouvrez.
    2. Au fur et à mesure que la carte de distribution de pression enregistrée apparaît, cliquez sur Afficher plusieurs fenêtres sur la carte et référez la fenêtre graphique 1. Trouvez le moment où la charge (force d’adhérence) commence à être appliquée dans chaque ascenseur, et notez l’heure en référence à ce graphique.
    3. Après cela, enregistrer les données de force d’adhérence dans le format ASCII. Sélectionnez Fichier | Enregistrez ASCII après avoir activé la fenêtre graphique 1. Dans la boîte de dialogue object-graph 1, sélectionnez Panes avec le nom du fichier et cliquez sur Enregistrer ASCII. Dans la boîte de dialogue, sélectionnez Enregistrer les valeurs Force, Pression et Zone. Spécifiez La Force dans la boîte de l’axe Y, temps dans la boîte de l’axe X et Absolu en mode Y. Cliquez SUR OK dans la boîte de dialogue de propriété. Entrez le nom du fichier ASCII et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue.
    4. Si des informations sur les zones de contact entre les pulpes des doigts et les feuilles de capteur sont nécessaires, spécifiez la zone de contact dans la boîte de l’axe Y et cliquez sur OK. Entrez le nom du fichier ASCII et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue.
    5. Ensuite, ouvrez le fichier film. Confirmez que le fichier est ouvert en format feuille de calcul et cadres, temps, temps absolu, somme brute et force sont notés. En ce qui concerne le temps indiqué à l’étape 3.1.2., trouvez une cellule que la charge commence à être appliquée; les valeurs de charge commencent à augmenter et à dépasser 0,5 N dans la ligne de force.
    6. Calculer la force d’adhérence totale utilisée dans une plage, qui est la somme des valeurs de la cellule a été appliquée dans la ligne de force.
  2. Analyse du centre de pression
    1. Démarrez le logiciel. Cliquez sur Fichier | Open Movie, sélectionnez le fichier de film pour l’analyse et cliquez sur Ouvrir.
    2. Avec la carte de distribution de pression active, cliquez sur Play Forward pour lire le film. Assurez-vous que la trajectoire cop apparaît sur la carte de distribution de pression. Trouvez le cadre que le COP commence à apparaître dans chaque ascenseur avec Next Frame ou Previous Frame, qui sont les commandes pour avancer ou faire reculer les cadres. Ensuite, notez ce numéro d’image.
    3. Après cela, enregistrez les données COP au format ASCII. Sélectionnez Fichier | Enregistrez ASCII avec la carte de distribution active. Spécifiez Centre de force dans la boîte de dialogue de type données et film entier dans la boîte de dialogue de plage de film. Cliquez SUR OK dans la boîte de dialogue de propriété. Entrez le nom du fichier ASCII et cliquez sur Enregistrer dans la boîte de dialogue.
    4. Ensuite, ouvrez le fichier film. Confirmez que le fichier s’ouvre en format feuille de calcul et que le calendrier des commentaires, le temps, le temps absolu, la ligne, le col et la somme brute sont notés. En ce qui concerne le cadre noté dans les étapes 3.2.2., trouver une cellule (1) que la COP commence à apparaître.
    5. Calculer la longueur de trajectoire cop entre les images. Sélectionnez une cellule (2) après la ligne, y compris le cadre que le COP commence à apparaître. Insérez la formule de calcul suivante : (=SQRT((Cellule de ligne (2) -Cellule de ligne (1))^2+(cellule col (2) -Cellule Col (1))^2). La somme de la longueur de trajectoire cop entre les images dans une plage est la trajectoire totale cop dans cette plage.
      REMARQUE : Dans la fenêtre graphique 1, la ligne verticale affiche la valeur de charge (N), et la ligne horizontale indique l’heure (s). Cette valeur de charge correspond à la force d’adhérence. Les données enregistrées au format ASCII peuvent être utilisées dans des applications telles que les feuilles de calcul et les éditeurs de texte. Dans cette expérience, les participants ont reçu l’ordre de tenir le cube pendant 5−7 s dans la tâche, de sorte que la force d’adhérence et la trajectoire cop ont été calculées et enregistrées pendant 4 s dès leur première apparition. Dans la feuille de diffusion des données de la COP, la position de la COP sur les coordonnées de l’axe X et Y est présentée comme une valeur.

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Résultats

Plusieurs études ont introduit des protocoles expérimentaux et deux paramètres cinétiques (la trajectoire cop et le GF) pour mesurer la force du doigt lors de la manipulation d’un objet. Dans des études précédentes, il a été constaté que la trajectoire cop a augmenté chez les patients victimes d’AVC9. Dans les patients de myélopathie cervicale, le GF s’est corrélé avec le seuil cutané de pression et la fonction supérieured’extrémité 10. Dans les jeunes sujets en bonne santé...

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Discussion

Cette procédure expérimentale fournit la preuve qu’une feuille flexible de capteur de pression pourrait être utile pour évaluer la stabilité spatiale pendant l’adhérence de précision. La direction altérée de force d’adhérence représente saisir l’instabilité spatiale telle qu’un glissement de doigt. Toutefois, les instruments existants de direction de la force de type cellule de charge ont une limitation en termes d’assurer un mouvement naturel de portée à l’adhérence. Pour résoudre ce problème technique, la trajectoire c...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Nous remercions M. T. Nishida (technicien, département des ventes, Division des matériaux de performance des appareils, Nitta Co., Ltd, Osaka, Japon.) pour son soutien technique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
imbibéd’alcool Essuyer le participant s pulpes de doigts
CompresseurNitta CorporationAppliquez une pression sur les sièges du capteur
Contrôleur informatique
BandesUtilisation pour fixer les sièges du capteur au cube de fer
; 30&fois ; Connecteur de capteur de 30 mm
Connectez les sièges du capteur à l’ordinateur.
Feuille deCartographie de la pression Capteur 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
Support de réglagePlacez le cube de fer dessus pendant la mesure
Logiciel ; I-SCAN 5027, Ver. 7.51Table
Utilisation pour la mesure
Tampon du compresseur Nitta Corporation Utilisation pour fabriquer le compresseur double face Cube de fer 150-250g, 30&fois capteur Nitta Corporation

Références

  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).
  6. Augurelle, A. S., Smith, A. M., Lejeune, T., Thonnard, J. L. Importance of cutaneous feedback in maintaining a secure grip during manipulation of hand-held objects. Journal of Neurophysiology. 89 (2), 665-671 (2003).
  7. Monzée, J., Lamarre, Y., Smith, A. M. The effects of digital anesthesia on force control using a precision grip. Journal of Neurophysiology. 89 (2), 672-683 (2003).
  8. Fortier-Poisson, P., Langlais, J. S., Smith, A. M. Correlation of fingertip shear force direction with somatosensory cortical activity in monkey. Journal of Neurophysiology. 115 (1), 100-111 (2016).
  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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Mots-clés

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