Summary
Målet med detta protokoll är att mäta centrum för tryck (COP) ersättning med hjälp av en hög rumslig upplösning sensor ark för att återspegla den rumsliga stabiliteten i en precision grepp. Användningen av detta protokoll skulle kunna bidra till större förståelse av fysiologi och patofysiologi av gripa.
Abstract
Syftet med protokollet är att indirekt utvärdera riktningen av fingerkraften under manipulering av ett handhållet objekt baserat på de biomekaniska relationer där avvikit kraft riktning orsaker centrum för tryck (COP) ersättning. För att utvärdera detta används en tunn, flexibel och hög rumslig upplösning trycksensor plåt. Systemet möjliggör mätning av COP-banan utöver kraftamplituden och dess tidsmässiga reglering. En serie experiment fann att ökad bana längd återspeglas en sensorimotor underskott i stroke patienter, och att minskade COP bana återspeglar en kompensatorisk strategi för att undvika ett objekt glider från handgrepp hos äldre. Dessutom skulle COP-banan också kunna minskas genom dubbel aktivitetsstörning. Denna artikel beskriver det experimentella förfarandet och diskuterar hur finger COP bidrar till en förståelse av fysiologi och patofysiologi av gripa.
Introduction
Force control är den grundläggande grunden för precisionsgrepp. Jämfört med effektgrepp utvärderar precisionsgrepp den minimala kraftutgång som återspeglar förmågan att manipulera ett objekt. Flera sensorimotoriska system bidrar till precisionsgrepp. Till exempel, under ett grepp och lyft uppgift, visuell information möjliggör uppfattningen av objektets storlek och form. Efter fingertopparna röra objektet, taktila signaler levereras till somatosensory cortex att justera precision grepp kraft. Gripkraft (GF) genereras när fingertopparna får kontakt med objektet, och den ökar under lyftfasen1. När ett objekt närmar sig målhöjden i luften, producerar friska unga vuxna den minimala GF för att optimera testning ingång från finger massa och spara energi. Å andra sidan använder äldre vuxna en stor greppkraft för att undvika att låta föremålet glida från sitt grepp2. Hos strokepatienter fördröjs inst inst i gripkraften och förmågan att justera säkerhetsmarginalen försämras på grund av sensoriska och motoriska underskott. Överdriven greppkraft anses vara ett strategiskt svar för att kompensera för sensoriska och motoriska underskott3.
Standardprotokollet för att mäta GF-kontroll i precisionsgrepp föreslogs av Johansson och Westling på 1980-talet4. De utvecklade en anordning för att övervaka både last- och greppkrafter samtidigt. Sedan dess har GF amplitud och dess tidsmässiga reglering använts som typiska kinetiska parametrar i ett flertal studier om precisionsgrepp. En annan kinetisk parameter ärkraftriktningen 5. Kraftriktningen är en följd av en kombination av grepp- och lyftkrafter. För att bibehålla stabilt precisionsgrepp måste korrekt riktat grepp och lyftkrafter genereras mellan tummen och pekfingret, och den avvikna kraftriktningen kan orsaka rumslig instabilitet. Även om olika last cell-typ kraft riktningsinstrument används i gripa studier, dessa instrument har en begränsning när det gäller att övervaka greppkraften kontroll i manipulera objekt av olika storlekar och former som används i det dagliga livet. Således är en flexibel och fästbar sensor väsentlig för att undersöka sambanden mellan greppkraftsstyrning och dagliga funktioner.
Syftet med detta protokoll är att indirekt utvärdera finger kraft riktning under manipulering av ett objekt baserat på biomekaniska förhållandet där avvikit kraft riktning orsaker Center of Pressure (COP) ersättning. COP är centrum för alla krafter, och representerar hur krafterna balanseras på sensorn arket. Användning av COP för att utvärdera greppkraften kontroll föreslogs först av Augurelle et al.6. De övervakade COP förskjutning för att undersöka rollen av testning feedback och fann att avvikit COP inträffade efter digital anestesi. COP förskjutning övervakades dock endast vertikalt i sin studie; därför har COP-förskjutningen i ett tredimensionellt utrymme inte utvärderats på ett tillfredsställande sätt. För att lösa denna begränsning en tunn, flexibel, och hög rumslig upplösning trycksensor ark användes för att mäta COP. Relativt hög spatial upplösning sensorer (~ 60–100 poäng per cm2) för att mäta grepp kraft kontroll har använts7,8, men de senaste framstegen i rumslig upplösning (248 poäng per cm2) tillåta mätning av COP banan som en parameter för att kvantifiera rumslig stabilitet. Denna uppsats beskriver det experimentella förfarandet och diskuterar hur finger COP bidrar till förståelsen av fysiologi och patofysiologi av gripa.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Serien av studier i den föreliggande uppsatsen godkändes av Gunma University Ethical Review Board for Medical Research Involving Human Subjects.
OBS: Inklusionskriterier för deltagare var förmågan att förstå användningen av minimal kraft och förmågan att utföra uppgiften med tummen och pekfingret. Uteslutningskriterier valdes ut baserat på syftet med experimenten.
1. Utrustningsberedning
- Anslut två sensorkontaktkablar till USB-portarna på en dator. Dra upp spaken som sitter fast i sensorkontakten och sätt in sensorns flik i infogningsplatsen. För tillbaka den bifogade spaken till sitt ursprungliga läge.
- Öppna sensorprogramvaran på en dator. Kontrollera att kartor för tryckfördelning i realtid visas automatiskt på bildskärmen när sensorarkerna är korrekt anslutna.
- Tryckjustering
- Sätt in sensorbladets avkänningsområde en efter en i en kompressorrigg.
- Sätt på luftventilen på kompressorns regulator och börja att applicera tryck. Manövrera regulatorn och justera till lämpligt belastningsvärde (dvs. 172 kPa) för att kontrollera indikatorn på regulatorn. Se till att hela området av sensorn arket är lika trycksatta på bildskärmen.
- Medan du applicerar tryck på sensorarkarna, utför jämvikt och kalibrering.
OBS: Jämvikt är en operation för att justera reaktiviteten hos sensorcellerna lika. Kalibrering är en operation för att omvandla trycket på sensorn arket (råsumma) till en viktenhet (gram eller Newtons) och visa den. Båda måste göras för sensorbladet innan datainsamlingen påbörjas för varje deltagare.- Välj Verktyg | Jämvikt på programvarans huvudfönster. Klicka på Equilibrate-1 | Börja i dialogrutan jämvikt. Kontrollera jämviktsresultatet i dialogrutan och bekräfta fönstret med jämvikt ändrar färg till grått.
- Spara inställningarna för jämvikt genom att klicka på Spara Eq. Fil i dialogrutan jämvikt. Ange namn på jämviktsfilen och klicka på Spara i dialogrutan Spara som.
- Därefter utför kalibrering genom att välja Verktyg | Kalibrering. Klicka på den Lägg till och ange belastningsvärdet (134,33 N) i rutan Tillämpad kraft.
- Klicka på knappen Start i dialogrutan. Kontrollera kalibreringsresultatet i kalibreringsdialogrutan och bekräfta att kalibreringen gjordes korrekt; värdet på Newton visas som 134,33 och värdet på laddade Cells matchar med värdet av de sensorark som används om kalibreringen gjordes på rätt sätt.
- Efter det sparar du kalibreringsinställningen genom att klicka på Spara Cal. File. Ange kalibreringsfilnamnet och klicka på Spara i dialogrutan Spara som. Efter jämvikten och kalibreringen stänger du av luftventilen på regulatorn och extraherar sensorarket från kompressorn.
2. Mätning
- Förberedelser
- Anslut varje enhet och starta upp programvaran enligt steg 1.1. och 1,2. Se till att två tryckfördelningskartor i realtid för varje sensorark visas när sensorarkerna ansluts via kabeln samtidigt.
OBS: I detta experiment behövs två sensorark för att mäta tummen respektive pekfingret. Det är nödvändigt att utföra jämvikt och kalibrering för var och en av dem enligt de förfaranden som beskrivs i avsnitt 1.4. - Återkalla de jämvikts- och kalibreringsfiler som skapats i steg 1.4.2. och 1.4.5. Med den realtidstrycksfördelningskartan aktiv väljer du Verktyg | Ladda Equilibration File. Välj jämviktsfilen och klicka på Öppna. Välj sedan Verktyg | Ladda Kalibreringsfil. Välj kalibreringsfilen och klicka på Öppna. Kontrollera att realtidstryckfördelningskartan visas i Newtons efter inläsning av kalibreringsfil. Utför ovanstående för var och en av de två kartorna.
- Fäst de tryckkänsliga delarna av de två sensorarkerna på båda sidor av järnbiten med hjälp av dubbelsidig tejp. För att förhindra att sensorarkerna skadas, skär 3−5 mm bandlängder och placerar dem på de fyra hörnen på utsidan av järnkuben. Se till att ytan på sensorarket ligger på utsidan.
- Lägg järnkuben ovanpå ett ställstativ på ett bord före mätningen.
- När du har arrangerat mätmiljön, åtgärda inspelningsinställningarna för filmbildrutorna, perioden och frekvensen. Välj alternativen | Kommandot Förvärvsparameter. Ange 36000 i filmbildrutorna, 0,01 i perioden och 100 i frekvensen i dialogrutan datainhämtning. Klicka på OK och stäng dialogrutan.
- Anslut varje enhet och starta upp programvaran enligt steg 1.1. och 1,2. Se till att två tryckfördelningskartor i realtid för varje sensorark visas när sensorarkerna ansluts via kabeln samtidigt.
- Att starta mätningen
OBS: Bild 1 visar ett grepp och lyft uppgift.- Låt deltagaren sitta framför ett bord och justera bordshöjden (deltagarens axelledsflexion 0° och armbågsledsflexion 90° position). Ställ in järnbiten och ställ stativ 30 cm från deltagaren i midsagittalplanet på bordet. Torka av deltagarens fingermassa med en spritsudd eller handdukst.
- Ge deltagaren muntliga instruktioner enligt följande: "Använd minimal kraft med tummen och pekfingret för att greppa båda sidor av järnkuben som sensorarkerna är fästa vid. Därefter lyfter du den ungefär 5 cm ovanför inställningsstället, håller den i 5−7 s och sedan sätter den tillbaka på inställningsstället."
- Om deltagaren är redo ger du dem en kö för att starta uppgiften och starta en inspelning genom att klicka på Spela in i verktygsfältet. Klicka på Centre Of Force Trajectory för att övervaka COP under inspelning. När aktiviteten är över klickar du på Stoppa i verktygsfältet. Efter inspelningen sparar du filmdata genom att välja Arkiv | Spara film som. Ange filmfilnamnet och klicka på Spara i dialogrutan.
OBS: Vikten av järnkuben, antal hissar, och intervallet mellan uppgifter bör beaktas enligt syftet med experimentet och uppgiften svårighet.
- Ändra mätförhållandena enligt försökets syfte. För att undersöka effekten av dubbel aktivitetspåverkan i ett grepp och lyfter uppgiften justerar du till exempel mätförhållandena på följande sätt beroende på typ av störning.
- För postural störning, ha deltagaren stå framför en tabell och justera tabellen höjd. Ge deltagaren verbala instruktioner enligt följande: "Stå på ett ben, och använd minimal kraft med tummen och pekfingret för att lyfta järnkuben cirka 5 cm ovanför inställningsstativet. Håll den i 5−7 s och placera den sedan tillbaka på inställningsstället."
- För visuella störningar, ha deltagaren sitta framför ett bord och justera bordshöjden. Ge deltagaren muntliga instruktioner enligt följande: "Blunda. Använd minimal kraft med tummen och pekfingret med för att lyfta järnbiten cirka 5 cm ovanför inställningsstativet. Håll den i 5−7 s och lägg tillbaka den på inställningsstället." Låt deltagarna röra vid sensorerna utan att överskrida 0,5 N innan de blundar.
- För kognitiva störningar, har deltagaren sitta framför ett bord och justera tabellen höjd. Ge deltagaren muntliga instruktioner enligt följande: "Som en beräkningsuppgift subtraherar du kontinuerligt 7 från 100 så exakt som möjligt. Medan du utför beräkningen, använd minimal kraft med tummen och pekfingret för att lyfta järnbiten cirka 5 cm ovanför inställningsstativ. Håll den i 5−7 s och lägg tillbaka den på inställningsstället."
- För kontralateral handrörelsestörning (Figur 2), har deltagaren sitta framför ett bord och justera bordshöjden. Placera peg board 30 cm från deltagaren i midsagittal planet bredvid järnkuben och överväga storlek och antal pinnar för att justera uppgiften svårighet. Ge deltagaren verbala instruktioner enligt följande: "Manipulera järnbiten med minimal kraft med hjälp av tummen och pekfingret. Lyft och håll järnkuben ungefär 5 cm ovanför inställningsstället med ena handen, och invertera pinnen med hjälp av den andra handen. Upprepa med motsatt hand."
3. Dataanalys
- Analys av greppkraft
- Starta programvaran på datorn. Klicka på Arkiv | Öppna Film, välj filmfil för analys och Öppna.
- När kartan över den registrerade tryckfördelningen visas klickar du på Flera fönstervy på kartan och hänvisar till fönstret med graf 1. Hitta den tidpunkt då lasten (gripkraft) börjar appliceras i varje lyft, och notera tiden med hänvisning till denna graf.
- Efter det sparar du greppkraftsdata i ASCII-format. Välj Arkiv | Spara ASCII efter att grafen 1 fönstret aktiveras. I dialogrutan objekt-graf 1 markerar du Fönsterrutor med filnamnet och klickar på Spara ASCII. Välj Spara kraft, Tryck och Områdesvärden i dialogrutan. Ange Kraft i rutan Y-axel, Tid i rutan X-axel och Absolut i Y-läget. Klicka på OK i egenskapsdialogrutan. Ange ASCII-filnamnet och klicka på Spara i dialogrutan.
- Om information om kontaktytorna mellan fingermassa och sensorark behövs anger du Kontaktområde i rutan Y-axel och klickar på OK. Ange ASCII-filnamnet och klicka på Spara i dialogrutan.
- Därefter öppnar du filmfilen. Bekräfta att filen öppnas i kalkylbladsformat och Ramar, Tid, Absolut tid, Raw Sum och Force noteras. Med hänvisning till den tid som noteras i steg 3.1.2., hitta en cell som belastningen börjar tillämpas; belastningsvärdena börjar öka och överskrida 0,5N i kraftraden.
- Beräkna den totala gripkraften som används i ett område, vilket är summan av värdena från cellen applicerades i kraftlinjen.
- Analys av tryckcentrum
- Starta programvaran. Klicka på Arkiv | Öppna Film, markera filmfilen för analys och klicka på Öppna.
- Med tryckfördelningskartan aktiv klickar du på Spela framåt för att spela upp filmen. Kontrollera att COP-banan visas på tryckfördelningskartan. Hitta den ram som COP börjar visas i varje lyft med Nästa ram eller Föregående ram, som är kommandona för att flytta framåt eller bakåt ramarna. Observera sedan att ramnummer.
- Därefter sparar du COP-data i ASCII-format. Välj Arkiv | Spara ASCII med distributionskartan aktiv. Ange Mitten av kraften i dialogrutan datatyp och Hela filmen i dialogrutan för filmintervall. Klicka på OK i egenskapsdialogrutan. Ange ASCII-filnamnet och klicka på Spara i dialogrutan.
- Därefter öppnar du filmfilen. Bekräfta att filen öppnas i kalkylbladsformat och KOMMENTARER Frame, Tid, Absolut tid, Rad, Col och Råsumma noteras. Med hänvisning till ramen noteras i steg 3.2.2., hitta en cell (1) som COP börjar visas.
- Beräkna COP-banlängden mellan bildrutorna. Markera en cell (2) efter raden inklusive den ram som COP börjar visas. Infoga följande beräkningsformel: (=SQRT((Radcell (2) -Radcell (1))^2+(Col cell (2) -Col cell (1))^2). Summan av COP-banlängden mellan bildrutor i ett intervall är den totala COP-banan inom det intervallet.
OBS: I fönstret graf 1 visar den vertikala linjen belastningsvärdet (N), och den horisontella linjen visar tiden (s). Detta belastningsvärde motsvarar gripkraften. Data som sparas i ASCII-format kan användas i program som kalkylblad och textredigerare. I detta experiment fick deltagarna i uppdrag att hålla kuben för 5−7 s i uppgiften, så greppkraften och COP-banan beräknades och registrerades för 4 s från deras första framträdande. I COP-datans spridningsark visas COP-koordinaternas position på X- och Y-axel-koordinaterna som ett värde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Flera studier har infört experimentella protokoll och två kinetiska parametrar (COP-banan och GF) för att mäta fingerkraft under manipulering av ett objekt. I tidigare studier, Det konstaterades att COP banan ökade hos strokepatienter9. Hos cervikala myelopatipatienter korrelerade GF med den testninga trycktröskeln och övre ändens funktion10. Hos friska unga försökspersoner ökade GF med kognitiv interferens11. Liknande överdrivna GF hittades i kontralateral hand rörelse inblandning. Figur 3 visar COP-banorna och GF-spåren av det dominerande pekfingret i enkla och dubbla uppgifter för representativa unga och äldre vuxna. GF ökade i den kontralaterala hand rörelseinterferens. Cop-banorna tenderade däremot att minska (opublicerade data).
Kurihara et al.9 undersökte gripkraften samordning av gripa i stroke patienter. De fann att COP banan ökade i paretic hand, även om GFs inte skiljer sig nämnvärdt från den nonparetic handen. Hemorragisk patienter visade längre COP banor av tummen och pekfingret jämfört med dem i skandinaviska patienter. De fann också att de kinetiska parametrarna var korrelerade med inte bara somatosensory funktion, men också kognitiv funktion.
I massundersökning myelopathy patienter utvärderade Noguchi et al.10 de kinetiska egenskaperna hos enskilda finger grepp kraft och undersökt förhållandet mellan greppkraften och övre änden funktion. De fann att GF var associerad med svårighetsgraden av hand dysfunktion. Även om det inte fanns någon signifikant korrelation i nypa makt eller grepp makt, det fanns en positiv korrelation mellan GF och testning tryck tröskeln.
Lee et al.11 undersökte dubbla uppgiftsstörningar i ett grepp och lyft uppgift. De rapporterade att GF ökade i båda händerna främst på grund av den dubbla kognitiva uppgiften. De fann också ett samband mellan den upplevda svårigheten och maximal greppkraft i den dominerande handen.
Bild 1: Grepp och lyftuppgift. Deltagarna grep kuben med tummen och pekfingret, lyfte den cirka 5 cm och höll den i 5−7 s. Klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 2: Dubbeluppgiftsinterferens med kontralateral handrörelse. Deltagarna utförde ett grepp och lyft uppgift med ena handen och samtidigt genomfört en peg test med den andra. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 3: COP-banor och GF-spåren av det dominerande pekfingret i enkla och dubbla uppgifter för representativa unga och äldre vuxna. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna experimentella förfarande ger belägg för att en flexibel trycksensor ark skulle kunna vara användbart för att utvärdera rumsliga stabilitet under precision grepp. Ändrad greppkraftsriktning representerar att gripa rumslig instabilitet som en fingersnedsteg. Befintliga instrument för force force-direction av lastcelltyp har dock en begränsning när det gäller att säkerställa en naturlig räckvidd-till-grepp-rörelse. För att lösa detta tekniska problem övervakades COP-banan för området mellan fingermassaerna och kontaktytan baserat på ett biomekaniskt samband. Resultaten tyder på att COP förskjutningen orsakas av avvikit kraft riktning. Studien fann således att COP-banlängden är en användbar kinetisk parameter för att utvärdera den rumsliga stabiliteten i ett precisionsgrepp.
En kritisk faktor som påverkade resultatet av experimentet var varje deltagares förståelse av experimentprotokollet. Om deltagarna inte förstod syftet med experimentet, tenderade de att använda en relativt stor AKF för att undvika rumslig instabilitet. Avsiktligt överdrivna GF stör utvärderingen av precisionsgrepp. En annan faktor som påverkar utfallet kan vara området mellan fingertoppen och kontaktytan på objektet. Om fingertoppen inte är ordentligt i kontakt med objektets yta uppskattas INTE COP på lämpligt sätt. Under praktiska försök måste examinator justera kubens placering och orientering. När kuben inte placeras på rätt sätt sticker fingertoppen ut från kubens kant, eller deltagarna tenderar att öka bålen och axelrörelser för att kompensera för handorientering för att gripa.
En begränsning av protokollet är copens oklara biomekanik. En slip, rulle, eller twist mellan finger massa och kontaktområde kan stå för COP förskjutning, vilket resulterar i rumslig instabilitet. Detta beror på att COP beräknas i X- och Y- axlar. Dessutom är det tekniskt svårt att koppla ihop de två COPs av tummen och pekfingrarna. Även om det finns begränsningar, är det tydligt att det finns fördelar med att utvärdera den rumsliga stabiliteten att gripa med hjälp av COP banan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Vi tackar Mr T. Nishida (Tekniker, Inst för försäljning, Avdelningen för enhetsprestanda material, Nitta Co, Ltd, Osaka, Japan.) för teknisk support.
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).
