Summary
Целью этого протокола является измерение центра замены давления (COP) с помощью листа датчика высокого пространственного разрешения для отражения пространственной стабильности в точном захвате. Использование этого протокола могло бы способствовать более широкому пониманию физиологии и патофизиологии цепляния.
Abstract
Цель протокола состоит в том, чтобы косвенно оценить направление силы пальца во время манипуляции портативным объектом на основе биомеханических отношений, в которых отклоняемое направление силы вызывает центр давления (КС) замены. Для оценки этого используется тонкий, гибкий и высокое пространственное разрешение датчика давления листа. Система позволяет измерять траекторию КС в дополнение к амплитуде силы и ее временной регуляции. Серия экспериментов обнаружила, что увеличение длины траектории отражает дефицит сенсоримотора у пациентов с инсультом, и что снижение траектории КС отражает компенсационной стратегии, чтобы избежать объекта скольжения от руки сцепление у пожилых людей. Кроме того, траектория КС также может быть уменьшена за счет двойного вмешательства задач. В этой статье описывается экспериментальная процедура и обсуждается, как палец КС способствует пониманию физиологии и патофизиологии захвата.
Introduction
Силовое управление является фундаментальной основой точного сцепления. По сравнению с сцеплением с мощностью, точное сцепление оценивает минимальный выход силы, отражающий способность манипулировать объектом. Несколько сенсорных систем способствуют точному захвату. Например, во время выполнения задачи захвата и подъема визуальная информация позволяет получить представление о размере и форме объекта. После того, как кончики пальцев касаются объекта, тактильные сигналы доставляются в соматосенсорную кору для регулировки силы точного захвата. Сила захвата (GF) генерируется, когда кончики пальцев в контакте с объектом, и она увеличивается во время подъема фазы1. Когда объект приближается к цели высоты в воздухе, здоровые молодые люди производят минимальный GF для оптимизации кленового ввода из пульпы пальцев и сохранения энергии. С другой стороны, пожилые люди используют большую силу сцепления, чтобы избежать позволяя объекту выскользнуть из ихзахвата 2. У пациентов с инсультом, начало силы захвата задерживается и способность регулировать запас прочности нарушается из-за сенсорного и двигательного дефицита. Преувеличенная сила сцепления считается стратегическим ответом на компенсацию сенсорного и двигательного дефицита3.
Стандартный протокол для измерения контроля GF в точном захвате был предложен Johansson и Westling в 1980-хгодах 4. Они разработали устройство для одновременного мониторинга как нагрузок, так и сил захвата. С тех пор амплитуда GF и ее височная регуляции используются в качестве типичных кинетических параметров в многочисленных исследованиях по точному захвату. Другим кинетическим параметром является направление силы5. Направление силы является результатом сочетания сил захвата и подъема. Для поддержания стабильной точности сцепления между большим и указательным пальцами должны быть сформированы правильно направленное сцепление и силы подъема, а отклоняемое направление силы может вызвать пространственную нестабильность. Хотя различные инструменты направления силы типа нагрузок используются в исследованиях захвата, эти инструменты имеют ограничение с точки зрения мониторинга контроля силы захвата в манипулировании объектами различных размеров и форм, используемых в повседневной жизни. Таким образом, гибкий и прикрепляемый датчик имеет важное значение для изучения взаимосвязи между управлением силой захвата и ежедневными функциями.
Цель этого протокола состоит в том, чтобы косвенно оценить направление силы пальца во время манипуляции объектом на основе биомеханических отношений, в которых отклоняемое направление силы вызывает замену Центра Давления (COP). КС является центром всех сил и представляет, как силы сбалансированы на сенсорном листе. Использование КС для оценки контроля силы захвата было впервые предложено Augurelle и др.6. Они следили за перемещением КС для изучения роли к cutaneous обратной связи и обнаружили, что отклонился КС произошло после цифровой анестезии. Однако в ходе своего исследования контроль за перемещением КС проводился только вертикально; поэтому перемещение КС в трехмерном пространстве не было должным образом оценено. Для решения этого ограничения для измерения COP использовался тонкий, гибкий и высокочастинный сенсорный лист датчика давления пространственного разрешения (60-100точек на см 2)для измерения контроля силы захвата7,8, но последние достижения в пространственном разрешении (248 точек насм 2) позволяют измерятьтраекторию КС в качестве параметра для количественной оценки пространственной стабильности. В настоящем документе описывается экспериментальная процедура и обсуждается, как ПАЛЕЦ КС способствует пониманию физиологии и патофизиологии захвата.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Серия исследований в настоящей работе были одобрены Гумма университета этических Обзор Совета по медицинским исследованиям с участием человека субъектов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Критериями включения для участников были способность понимать использование минимальной силы и способность выполнять задачу большим и указательным пальцами. Критерии исключения были выбраны на основе целей экспериментов.
1. Подготовка оборудования
- Подключите два кабеля разъема датчика к портам USB компьютера. Поднимите рычаг, прикрепленный к разъему датчика, и вставьте вкладку датчика в слот для вставки. Верните прикрепленный рычаг в исходное положение.
- Откройте сенсорное программное обеспечение на компьютере. Убедитесь, что карты распределения давления в режиме реального времени автоматически отображаются на мониторе при правильном подключении сенсорных листов.
- Корректировка давления
- Вставьте зону зондирования сенсорного листа один за другим в компрессорную установку.
- Включите воздушный клапан контроллера компрессора и начните оказывать давление. Оперировать регулятор и приспособиться к соответствующему значению нагрузки (т.е. 172 кПа), чтобы проверить индикатор на контроллере. Убедитесь, что вся область сенсорного листа одинаково давит на монитор.
- При давлении на сенсорные листы выполняйте эквилибровку и калибровку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Equilibration является операция по регулировке реактивности клеток датчика в равной степени. Калибровка — это операция по преобразованию давления на сенсорный лист (сырая сумма) в единицу веса (граммы или ньютоны) и отображение его. И то, и другое должно быть сделано для сенсорного листа перед началом сбора данных для каждого участника.- Выбрать инструменты (ru) Эквилибрация на главном окне программного обеспечения. Нажмите Эквилибррат-1 Начните с диалогового окна эквилибрации. Проверьте результат эквилибрации в диалоговом поле и подтвердите, что окно равноденствия меняет цвет на серый.
- Сохраните настройки эквилибрации, нажав файл Save Eq. в диалоговом поле equilibration. Введите имя файла equilibration и нажмите Сохранить в диалоговом поле Save As.
- Далее выполните калибровку, выбрав инструменты Калибровка. Нажмите Добавить и введите значение нагрузки (134.33 N) в поле прикладной силы.
- Нажмите кнопку «Пуск» в диалоговом поле. Проверьте результат калибровки в диалоговом поле калибровки и подтвердите, что калибровка была выполнена правильно; значение Ньютона отображается как 134.33, а значение загруженных ячеек совпадает с значением сенсорных листов, используемых, если калибровка была выполнена правильно.
- После этого сохраните настройку калибровки, нажав на файл Save Cal. Введите имя файла калибровки и нажмите Сохранить в диалоговом поле Save As. После эквилибрации и калибровки выключите воздушный клапан на контроллере и извлекайте сенсорный лист из компрессора.
2. Измерение
- Подготовка
- Подключите каждое устройство и запустите программное обеспечение в соответствии с шагами 1.1. и 1.2. Убедитесь, что две карты распределения давления в режиме реального времени для каждого сенсорного листа отображаются, когда сенсорные листы подключены через кабель в то же время.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте, два листа датчика необходимы для измерения большого и указательного пальцев, соответственно. Необходимо выполнить эквилибровку и калибровку для каждого из них в соответствии с процедурами, описанными в разделе 1.4. - Напомним, файлы эквилибрации и калибровки, созданные шагами 1.4.2. и 1.4.5. Активная карта распределения давления в режиме реального времени, выберите Инструменты Загрузите файл эквилибрации. Выберите файл эквилибрации и нажмите Open. Затем выберите Инструменты Файл калибровки нагрузки. Выберите файл калибровки и нажмите Open. Убедитесь, что карта распределения давления в режиме реального времени отображается в Ньютонах после загрузки файла калибровки. Выполните выше для каждой из двух карт.
- Прикрепите чувствительные к давлению части двух сенсорных листов к обеим сторонам железного куба с помощью двухсторонней ленты. Чтобы предотвратить повреждения сенсорных листов, вырежьте ленту длиной 3-5 мм и поместите их на четыре угла снаружи железного куба. Убедитесь, что поверхность сенсорного листа находится снаружи.
- Поместите железный куб поверх установки стоять на столе перед измерением.
- После организации среды измерения зафиксьте настройки записи для кадров фильма, периода и частоты. Выберите Параметры Команда Параметр приобретения. В диалоговом поле параметра получения данных введите 36000 в кадрах фильма, 0,01 в период и 100 в частоте. Нажмите OK и закройте диалоговое окно.
- Подключите каждое устройство и запустите программное обеспечение в соответствии с шагами 1.1. и 1.2. Убедитесь, что две карты распределения давления в режиме реального времени для каждого сенсорного листа отображаются, когда сенсорные листы подключены через кабель в то же время.
- Начало измерения
ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 1 демонстрирует сцепление и подъем задачи.- У участника сидеть перед столом и регулировать высоту стола (сгибание плечевого сустава участника 0 "и локоть сгибания сустава 90" позиции). Установите железный куб и установив стенд 30 см от участника в midsagittal плоскости на столе. Протрите пульпу пальца участника спиртовым тампоном или полотенцем.
- Дайте участнику устные инструкции следующим образом: "Используйте минимальную силу большим и указательным пальцем, чтобы схватить обе стороны железного куба, к которому прикреплены сенсорные листы. После этого поднимите его примерно на 5 см над стендом, удерживайте его в течение 5-7 с, а затем поместите его обратно на стенде установки ".
- Если участник готов, дайте ему сигнал, чтобы начать задачу и начать запись, нажав запись на панели инструментов. Нажмите Center Of Force Trajectory, чтобы следить за КС во время записи. Когда задача закончена, нажмите Остановитесь на панели инструментов. После записи сохраните данные о фильме, выбрав файл Сохранить фильм, как. Введите имя файла фильма и нажмите Сохранить в диалоговом поле.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вес железного куба, количество подъемников и интервал между задачами следует учитывать в соответствии с целью эксперимента и сложностью задачи.
- Изменение условий измерения в соответствии с целью эксперимента. Например, чтобы исследовать влияние двойного вмешательства задачи в задачу захвата и подъема, корректировать условия измерения следующим образом в зависимости от типа помех.
- Для постурального вмешательства, иметь участника стоять перед столом и настроить высоту стола. Дайте участнику устные инструкции следующим образом: "Стоять на одной ноге, и использовать минимальную силу большим и указательным пальцем, чтобы поднять железный куб примерно на 5 см выше установки стенда. Держите его в течение 5'7 с, а затем поместите его обратно на установку стенда ".
- Для визуального вмешательства, иметь участника сидеть перед столом и настроить высоту стола. Дайте участнику устные инструкции следующим образом: "Закройте глаза. Используйте минимальную силу с большим и указательным пальцем, чтобы поднять железный куб примерно на 5 см выше стенда. Держите его в течение 5'7 с и поместите его обратно на установку стенда ". Позвольте участникам прикоснуться к датчикам, не превышая 0,5 Н, прежде чем закрыть глаза.
- Для когнитивного вмешательства, иметь участника сидеть перед столом и настроить высоту стола. Дайте участнику устные инструкции следующим образом: "Как задача расчета, непрерывно вычесть 7 из 100 как можно точнее. При выполнении расчета используйте минимальную силу большим и указательным пальцами, чтобы поднять железный куб примерно на 5 см выше стенда. Держите его в течение 5'7 с и поместите его обратно на установку стенда ".
- Для контралатерального вмешательства движения рук(рисунок 2),у себя участник сидеть перед столом и настроить высоту стола. Поместите доску колышек в 30 см от участника в плоскости midsagittal рядом с железным кубом и подумайте о размере и количестве колышек, чтобы скорректировать сложность задачи. Дайте участнику устные инструкции следующим образом: "Манипулируйте железным кубом с минимальной силой, используя большой и указательный палец. Поднимите и удерживайте железный куб примерно на 5 см выше установки стенда с одной стороны, и инвертировать колышек с другой стороны. Повторите с помощью противоположной руки ".
3. Анализ данных
- Анализ силы захвата
- Запустите программное обеспечение на компьютере. Нажмите Файл (ru) Открыть фильм, выберите файл фильма для анализа и открыть.
- По мере того как записанная карта распределения давления появляется, щелкните множественный взгляд окна на карте и сослаться окно диаграммы 1. Найдите точку времени, когда нагрузка (сила захвата) начинает применяться в каждом лифте, и обратите внимание на время со ссылкой на этот график.
- После этого сохраните данные силы захвата в формате ASCII. Выберите Файл Сохранить ASCII после активации окна графика 1. В диалоговом поле объект-график 1 выберите Panes с именем файла и нажмите Save ASCII. В диалоговом поле выберите значения Save Force, Pressure и Area. Укажите Силу в коробке Y-оси, Время в коробке X-оси и Абсолют в Y-режиме. Нажмите OK в диалоговом поле свойства. Введите имя файла ASCII и нажмите Сохранить в диалоговом поле.
- Если необходима информация о контактах между пульпами пальцев и сенсорными листами, укажите контактную зону в поле Y-оси и нажмите OK. Введите имя файла ASCII и нажмите Сохранить в диалоговом поле.
- Затем откройте файл фильма. Подтвердите, что файл открыт в формате электронной таблицы и отмечены кадры, время, абсолютное время, Raw Sum и Force. Со ссылкой на время, отмеченную в шаге 3.1.2., найдите ячейку, которую начинает применять нагрузка; значения нагрузки начинают увеличиваться и превышать 0,5N в строке силы.
- Рассчитайте общую силу захвата, используемую в диапазоне, то есть сумма значений от ячейки была применена в линии силы.
- Анализ центра давления
- Запустите программное обеспечение. Нажмите Файл (ru) Открыть фильм, выберите файл фильма для анализа и нажмите Открыть.
- С картой распределения давления активно, щелкните воспроизведение вперед для того чтобы сыграть киноего. Убедитесь, что траектория КС отображается на карте распределения давления. Найдите кадр, который КС начинает появляться в каждом лифте с Next Frame или Previous Frame, которые являются командами для перемещения вперед или назад кадров. Затем обратите внимание на этот номер кадра.
- После этого сохраните данные КС в формате ASCII. Выберите Файл Сохранить ASCII с активной картой распределения. Укажите Центр Силы в диалоговом поле типа данных и целый фильм в диалоговом поле диапазона фильмов. Нажмите OK в диалоговом поле свойства. Введите имя файла ASCII и нажмите Сохранить в диалоговом поле.
- Затем откройте файл фильма. Подтвердите, что файл открывается в формате электронной таблицы и отмечены КОММЕНТАРИИ Frame, Time, Absolute time, Row, Col и Raw Sum. Со ссылкой на кадр, отмеченный в шагах 3.2.2., найдите ячейку (1), на которой начинает появляться КС.
- Рассчитайте длину траектории КС между кадрами. Выберите ячейку (2) после строки, включая рамку, на которой начинает появляться КС. Вставьте следующую формулу расчета: (КЗРТ ((Ячейка строки (2) -Ячейка строки (1)) (Col cell (2) -Col cell (1)) Сумма длины траектории КС между кадрами в диапазоне является общей траекторией КС в пределах этого диапазона.
ПРИМЕЧАНИЕ: В окне графика 1 вертикальная линия показывает значение нагрузки (N), а горизонтальная линия показывает время (ы). Это значение нагрузки соответствует силе захвата. Данные, сохраненные в формате ASCII, могут быть использованы в таких приложениях, как электронные таблицы и текстовые редакторы. В этом эксперименте участникам было поручено удерживать куб в течение 5-7 с в задаче, так что сила захвата и траектория КС были рассчитаны и записаны на 4 с от их первого появления. В спред-листе данных КС положение КС по координатам X- и Y-оси отображается как значение.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Несколько исследований ввели экспериментальные протоколы и два кинетических параметра (траектория КС и GF) для измерения силы пальца во время манипуляции объектом. В предыдущих исследованиях, было установлено, что траектория КС увеличилась у пациентов инсульта9. У пациентов с миелопатией шейки матки GF коррелирует с порогом крежного давления и функцией верхнихконечностей 10. У здоровых молодых субъектов, GF увеличилось с когнитивнымвмешательством 11. Аналогичные преувеличенные GF был найден в контралатеральных помех движения рук. На рисунке 3 показаны траектории КС и следы GF доминирующего указательного пальца в одно- и двойных задачах для представительных молодых и пожилых взрослых. GF увеличивается в контралатеральных помех движения рук. В отличие от этого, траектории КС, как правило, уменьшаются (неопубликованные данные).
Kurihara et al.9 исследовали координацию силы захвата схватывания в пациентах хода. Они обнаружили, что траектория КС увеличилась в паретической руке, хотя GFs не были существенно отличаются от непаретической руки. Геморрагические пациенты показали больше траекторий КС большого пальца и указательного пальца по сравнению с теми, у ишемических пациентов. Они также обнаружили, что кинетические параметры коррелируют не только с соматосенсной функцией, но и с когнитивной функцией.
У пациентов с миелопатией шейки матки Noguchi et al.10 оценивали кинетические характеристики индивидуальной силы захвата пальцев и исследовали взаимосвязь между силой захвата и функцией верхних конечностей. Они обнаружили, что GF был связан с тяжестью дисфункции рук. Несмотря на отсутствие существенной корреляции в мощности щепотки или мощности захвата, существует положительная корреляция между GF и кожного порога давления.
Ли et al.11 расследовало двойное вмешательство задачи в задачу захвата и подъема. Они сообщили, что GF увеличилось в обеих руках в основном из-за двойной когнитивной задачи. Они также обнаружили корреляцию между воспринимаемой сложностью и максимальной силой захвата в доминирующей руке.
Рисунок 1: Захват и подъем задачи. Участники схватили куб, используя большой и указательный пальцы, подняли его примерно на 5 см и держали его в течение 5-7 с. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Двойное вмешательство задачи в контралатеральное движение рук. Участники одной рукой выполнили задачу захвата и подъема и одновременно провели тест колышек с другой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: ТРАЕКТОРИИ КС и следы GF доминирующего указательного пальца в одно- и двойных задачах для представительных молодых и пожилых взрослых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта экспериментальная процедура предоставляет доказательства того, что гибкий лист датчика давления может быть полезен для оценки пространственной стабильности во время точного захвата. Измененное направление силы захвата представляет собой захват пространственной нестабильности, такой как скольжение пальца. Тем не менее, существующие инструменты направления силы типа нагрузок имеют ограничение с точки зрения обеспечения естественного движения от доступа к захвату. Для решения этой технической проблемы была проверена траектория КС области между пульпами пальцев и контактной поверхностью на основе биомеханических отношений. Результаты свидетельствуют о том, что перемещение КС вызвано отклонился направление силы. Таким образом, исследование показало, что длина траектории КС является полезным кинетическим параметром для оценки пространственной стабильности в точном захвате.
Критическим фактором, влияющим на результаты эксперимента, было понимание каждым участником экспериментального протокола. Если участники не понимают цель эксперимента, они, как правило, используют относительно большой ГФ, с тем чтобы избежать пространственной нестабильности. Намеренно преувеличенные GF мешает оценке точности захвата. Другим фактором, влияющим на результат, может быть область между кончиком пальца и контактной поверхностью объекта. Если кончик пальца не находится должным образом в контакте с поверхностью объекта, КС не оценивается надлежащим образом. Во время практических испытаний экзаменатор должен отрегулировать расположение и ориентацию куба. Когда куб не помещается должным образом, кончик пальца выступает от края куба, или участники, как правило, увеличивают движения туловища и плеча, чтобы компенсировать ориентацию руки для захвата.
Одним из ограничений протокола является неясная биомеханика КС. Скольжение, рулон или поворот между пульпами пальцев и областью контакта может объяснить смещение КС, что приводит к пространственной нестабильности. Это потому, что КС рассчитывается в X- и Y-осей. Кроме того, технически трудно связать два КОП большого и указательного пальцев. Хотя существуют ограничения, очевидно, что есть преимущества для оценки пространственной стабильности захвата с помощью траектории КС.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Мы благодарим г-на Т. Нисиду (техник, отдел продаж, Отдел материалов для производительности устройств, Nitta Co., Ltd, Осака, Япония) за техническую поддержку.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alcohol swab | Wipe participant’s finger pulps | ||
| Compressor | Nitta Corporation | Apply pressure to the sensor seats | |
| Computer | |||
| Controller of compressor | Nitta Corporation | Use to manupirate the compressor | |
| Double-sides tapes | Use to attach the sensorseats to the iron cube | ||
| Iron cube | 150-250g, 30×30×30 mm | ||
| Sensor connector | Connect the sensorseats to computer. | ||
| Sensor sheet | Pressure Mapping Sensor 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA | ||
| Setting stand | Set the iron cube on it during the measurement | ||
| Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51 | Nitta Corporation | ||
| Table | Use for the measurement |
References
- 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).
- Cole, K. J. Grasp force control in older adults. Journal of Motor Behavior. 23 (4), 251-258 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Noguchi, N., et al. Grip force control during object manipulation in cervical myelopathy. Spinal Cord. , (2020).
- 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).
