Articolo metodologico

Misurazione della stabilità spaziale nell'impugnatura di precisione

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DOI:

10.3791/59699

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4 giugno 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

In questo articolo

Sommario

L'obiettivo di questo protocollo è misurare la sostituzione del centro di pressione (COP) utilizzando un foglio di sensori ad alta risoluzione spaziale per riflettere la stabilità spaziale in una presa di precisione. L'uso di questo protocollo potrebbe contribuire a una maggiore comprensione della fisiologia e della fisiopatologia della presa.

Abstract

Lo scopo del protocollo è quello di valutare indirettamente la direzione della forza delle dita durante la manipolazione di un oggetto portatile in base alle relazioni biomeccaniche in cui la direzione della forza deviata causa la sostituzione del centro di pressione (COP). Per valutare questo problema, viene utilizzato un foglio sensore di pressione a bassa, flessibile e ad alta risoluzione spaziale. Il sistema consente di misurare la traiettoria COP oltre all'ampiezza della forza e alla sua regolazione temporale. Una serie di esperimenti ha scoperto che l'aumento della lunghezza della traiettoria rifletteva un deficit sensorimotorio nei pazienti con ictus, e che la diminuzione della traiettoria COP riflette una strategia compensativa per evitare che un oggetto scivolasse dall'impugnatura delle mani negli anziani. Inoltre, la traiettoria COP potrebbe anche essere ridotta da una doppia interferenza del compito. Questo articolo descrive la procedura sperimentale e discute come la COP delle dita contribuisca alla comprensione della fisiologia e della fisiopatologia della presa.

Introduzione

Il controllo della forza è la base fondamentale dell'impugnatura di precisione. Rispetto all'impugnatura di potenza, l'impugnatura di precisione valuta l'uscita di forza minima che riflette la capacità di manipolare un oggetto. Più sistemi sensorimotori contribuiscono all'aderenza di precisione. Ad esempio, durante un'attività di presa e sollevamento, le informazioni visive consentono la percezione delle dimensioni e della forma dell'oggetto. Dopo che le dita toccano l'oggetto, i segnali tattili vengono consegnati alla corteccia somatosensoriale per regolare la forza di presa di precisione. La forza di presa (GF) viene generata quando la punta delle dita entra in contatto con l'oggetto e aumenta durante la fase disollevamento 1. Quando un oggetto si avvicina all'altezza obiettivo nell'aria, i giovani adulti sani producono il GF minimo per ottimizzare l'input cutaneo dalle polpe delle dita e risparmiare energia. D'altra parte, gli adulti più anziani usano una grande forza di presa per evitare di lasciare scivolare l'oggetto dalla loropresa 2. Nei pazienti con ictus, l'insorgenza della forza di presa è ritardata e la capacità di regolare il margine di sicurezza è compromessa a causa di deficit sensoriali e motori. La forza di presa esagerata è considerata una risposta strategica per compensare i deficit sensoriali e motori3.

Il protocollo standard per misurare il controllo GF nell'impugnatura di precisione è stato suggerito da Johansson e Westling negli anni '804. Hanno sviluppato un dispositivo per monitorare simultaneamente sia le forze di carico che di presa. Da allora, l'ampiezza gf e la sua regolazione temporale sono state utilizzate come parametri cinetici tipici in numerosi studi sull'impugnatura di precisione. Un altro parametro cinetico è la direzione di forza5. La direzione della forza deriva da una combinazione di forze di presa e sollevamento. Al fine di mantenere una presa di precisione stabile, è necessario generare forze di presa e sollevamento correttamente dirette tra il pollice e l'indice e la direzione della forza deviata può causare instabilità spaziale. Sebbene vari strumenti di direzione della forza di tipo cella di carico siano utilizzati negli studi di presa, questi strumenti hanno una limitazione in termini di monitoraggio del controllo della forza di presa nella manipolazione di oggetti di diverse dimensioni e forme utilizzati nella vita quotidiana. Pertanto, un sensore flessibile e collegabile è essenziale per indagare le relazioni tra il controllo della forza di presa e le funzioni quotidiane.

Lo scopo di questo protocollo è quello di valutare indirettamente la direzione della forza delle dita durante la manipolazione di un oggetto in base alla relazione biomeccanica in cui la direzione della forza deviata causa la sostituzione del Centro di Pressione (COP). Il COP è il centro di tutte le forze e rappresenta il modo in cui le forze sono bilanciate sul foglio del sensore. L'uso della COP per valutare il controllo della forza di presa è stato suggerito per la prima volta da Augurelle etal. Hanno monitorato lo spostamento della COP per indagare sul ruolo del feedback cutaneo e hanno scoperto che la COP deviata si è verificata dopo l'anestesia digitale. Tuttavia, lo spostamento della COP è stato monitorato solo verticalmente nel loro studio; pertanto, lo spostamento cop in uno spazio tridimensionale non è stato adeguatamente valutato. Per risolvere questa limitazione è stato utilizzato un foglio sensore di pressione a pressione spaziale sottile, flessibile e adaltarisoluzione spaziale per misurareil COP. Questo documento descrive la procedura sperimentale e discute come la COP delle dita contribuisca alla comprensione della fisiologia e della fisiopatologia della presa.

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Protocollo

La serie di studi nel presente documento è stata approvata dal Gunma University Ethical Review Board for Medical Research Involving Human Subjects.

NOTA: I criteri di inclusione per i partecipanti erano la capacità di comprendere l'uso della forza minima e la capacità di eseguire l'attività con il pollice e l'indice. I criteri di esclusione sono stati selezionati in base allo scopo degli esperimenti.

1. Preparazione delle attrezzature

  1. Collegare due cavi del connettore del sensore alle porte USB di un computer. Tirare su la leva collegata al connettore del sensore e inserire la linguetta del sensore nello slot di inserimento. Riportare la leva attaccata nella posizione originale.
  2. Aprire il software del sensore su un computer. Assicurarsi che le mappe di distribuzione della pressione in tempo reale appaiano automaticamente sul monitor quando i fogli del sensore sono collegati correttamente.
  3. Regolazione della pressione
    1. Inserire l'area di rilevamento del foglio del sensore una per una in un carro compressore.
    2. Accendere la valvola dell'aria del controller del compressore e iniziare ad applicare pressione. Azionare il regolatore e adattarsi al valore di carico appropriato (cioè 172 kPa) per controllare l'indicatore sul controller. Assicurarsi che l'intera area del foglio del sensore sia ugualmente pressurizzata sul monitor.
  4. Durante l'applicazione della pressione sui fogli del sensore, eseguire l'equilibrazione e la calibrazione.
    NOTA: L'equilibrazione è un'operazione per regolare equamente la reattività delle celle del sensore. La calibrazione è un'operazione per convertire la pressione sul foglio del sensore (somma grezza) in un'unità di peso (grammi o Newton) e visualizzarla. Entrambi devono essere eseguiti per il foglio del sensore prima di iniziare la raccolta dei dati per ogni partecipante.
    1. Metodo Select Tools | Equilibrazione sulla finestra principale del software. Fare clic su Equilibrate-1 | Iniziare nella finestra di dialogo di equilibrazione. Controllare il risultato dell'equilibrazione nella finestra di dialogo e verificare che la finestra di equilibrazione cambi colore in grigio.
    2. Salvare le impostazioni di equilibrazione facendo clic su Salva file Eq. Immettere il nome del file di equilibrazione e fare clic su Salva nella finestra di dialogo Salva con nome.
    3. Eseguire quindi la calibrazione selezionando Strumenti | Calibrazione. Fare clic sul pulsante Aggiungi e immettere il valore di carico (134.33 N) nella casella Forza applicata.
    4. Fare clic sul pulsante Start nella finestra di dialogo. Controllare il risultato della calibrazione nella finestra di dialogo di calibrazione e verificare che la calibrazione sia stata eseguita correttamente; il valore di Newton è mostrato come 134.33 e il valore delle celle caricate corrisponde a quello dei fogli del sensore utilizzati se la calibrazione è stata eseguita correttamente.
    5. Successivamente, salvare l'impostazione di calibrazione facendo clic su Salva file cal. Immettere il nome del file di calibrazione e fare clic su Salva nella finestra di dialogo Salva con nome. Dopo l'equilibrazione e la calibrazione, spegnere la valvola dell'aria sul controller ed estrarre il foglio del sensore dal compressore.

2. Misurazione

  1. Preparazione
    1. Collegare ogni dispositivo e avviare il software secondo i passaggi 1.1. e 1.2. Assicurarsi che due mappe di distribuzione della pressione in tempo reale per ogni foglio del sensore siano visualizzate quando i fogli del sensore sono collegati tramite il cavo contemporaneamente.
      NOTA: In questo esperimento, sono necessari due fogli di sensori per misurare rispettivamente il pollice e l'indice. È necessario eseguire l'equilibrazione e la taratura per ciascuno di essi secondo le procedure descritte al punto 1.4.
    2. Richiamare i file di equilibrazione e calibrazione creati nei passaggi 1.4.2. e 1.4.5. Con la mappa di distribuzione della pressione in tempo reale attiva, selezionare Strumenti | Caricare il file di equilibrazione. Selezionare il file di equilibrazione e fare clic su Apri. Quindi, selezionare Strumenti | File di calibrazione del carico. Selezionare il file di calibrazione e fare clic su Apri. Assicurarsi che la mappa di distribuzione della pressione in tempo reale sia visualizzata in Newton dopo il caricamento del file di calibrazione. Eseguire quanto sopra per ciascuna delle due mappe.
    3. Collegare le parti sensibili alla pressione dei due fogli del sensore su entrambi i lati del cubo di ferro utilizzando nastro a doppia mano. Per evitare che i fogli del sensore vengano danneggiati, tagliare lunghezze di nastro di 3−5 mm e posizionarli sui quattro angoli all'esterno del cubo di ferro. Assicurarsi che la superficie del foglio del sensore si trova all'esterno.
    4. Posizionare il cubo di ferro sopra un supporto di impostazione su un tavolo prima della misurazione.
    5. Dopo aver disporree l'ambiente di misurazione, correggere le impostazioni di registrazione per i fotogrammi filmato, il periodo e la frequenza. Selezionare le opzioni | Comando Parametro di acquisizione. Nella finestra di dialogo parametro di acquisizione dati immettere 36000 nei fotogrammi filmato, 0,01 nel periodo e 100 nella frequenza. Fare clic su OK e chiudere la finestra di dialogo.
  2. Avvio della misurazione
    NOTA: la figura 1 illustra un'attività di presa e sollevamento.
    1. Far sedere il partecipante davanti a un tavolo e regolare l'altezza del tavolo (flessione dell'articolazione della spalla del partecipante di 0° e flessione dell'articolazione del gomito di 90°). Impostare il cubo di ferro e il supporto di impostazione a 30 cm dal partecipante nel piano mediogittale sul tavolo. Pulire le polpe delle dita del partecipante con un tampone alcolico o una towelette.
    2. Date al partecipante istruzioni verbali come segue: "Usate una forza minima con il pollice e l'indice per afferrare entrambi i lati del cubo di ferro a cui sono attaccati i fogli del sensore. Successivamente, sollevarlo di circa 5 cm sopra il supporto di impostazione, tenerlo premuto per 5−7 s e quindi riposizionare sul supporto di impostazione.
    3. Se il partecipante è pronto, dare loro un segnale per avviare l'attività e avviare una registrazione facendo clic su Registra sulla barra degli strumenti. Fate clic su Centro traiettoria centro forza (Center Of Force Trajectory) per monitorare il COP durante la registrazione. Al termine dell'attività, fare clic su Interrompi sulla barra degli strumenti. Dopo la registrazione, salvare i dati del filmato selezionando File | Salvare filmato con nome. Immettere il nome del file filmato e fare clic su Salva nella finestra di dialogo.
      NOTA: Il peso del cubo di ferro, il numero di ascensori e l'intervallo tra le attività devono essere considerati in base allo scopo dell'esperimento e alla difficoltà del compito.
  3. Modificare le condizioni di misurazione in base allo scopo dell'esperimento. Ad esempio, per analizzare l'effetto della doppia interferenza del compito in un'attività di presa e sollevamento, regolare le condizioni di misurazione come segue a seconda del tipo di interferenza.
    1. Per le interferenze posturali, fare in modo che il partecipante si trovi davanti a un tavolo e regolare l'altezza del tavolo. Date al partecipante istruzioni verbali come segue: "Stare su una gamba e usare una forza minima con il pollice e l'indice per sollevare il cubo di ferro circa 5 cm sopra il supporto di impostazione. Tienilo per 5-7 s e poi riposizionare sul supporto di impostazione.
    2. Per le interferenze visive, fare in modo che il partecipante si sieda davanti a un tavolo e regolare l'altezza del tavolo. Dai al partecipante istruzioni verbali come segue: "Chiudi gli occhi. Usa una forza minima con il pollice e l'indice con per sollevare il cubo di ferro a circa 5 cm sopra il supporto di impostazione. Tienilo per 5-7 s e riposizionare sul supporto di impostazione. Consentire ai partecipanti di toccare i sensori senza superare 0,5 N prima di chiudere gli occhi.
    3. Per le interferenze cognitive, far sedere il partecipante davanti a un tavolo e regolare l'altezza del tavolo. Dai al partecipante istruzioni verbali come segue: "Come attività di calcolo, sottrai continuamente 7 da 100 nel modo più accurato possibile. Durante l'esecuzione del calcolo, utilizzare una forza minima con il pollice e l'indice per sollevare il cubo di ferro circa 5 cm sopra il supporto di impostazione. Tienilo per 5-7 s e riposizionare sul supporto di impostazione.
    4. Per le interferenze del movimento della mano contralto (Figura 2), far sedere il partecipante davanti a un tavolo e regolare l'altezza del tavolo. Posizionare la tavola a pioli a 30 cm dal partecipante nel piano medio-agitato accanto al cubo di ferro e considerare le dimensioni e il numero di pioli per regolare la difficoltà dell'attività. Dai al partecipante istruzioni verbali come segue: "Manipola il cubo di ferro con una forza minima usando il pollice e l'indice. Sollevare e tenere il cubo di ferro circa 5 cm sopra il supporto di impostazione con una mano e invertire il piolo con l'altra mano. Ripeti usando la mano opposta."

3. Analisi dei dati

  1. Analisi della forza di presa
    1. Avviare il software sul computer. Proprietà Click File | Apri filmato, selezionare il file filmato per l'analisi e Apri.
    2. Quando viene visualizzata la mappa di distribuzione della pressione registrata, fate clic su Vista finestra multipla (Multiple Window View) sulla mappa e fate riferimento alla finestra del grafico 1. Trovare il momento in cui il carico (forza di presa) inizia ad essere applicato in ogni sollevamento e notare il tempo con riferimento a questo grafico.
    3. Successivamente, salvare i dati della forza di presa in formato ASCII. Proprietà Select File | Salvare ASCII dopo aver attivato la finestra del grafico 1. Nella finestra di dialogo oggetto-grafico 1 selezionare Riquadri con il nome del file e fare clic su Salva ASCII. Nella finestra di dialogo selezionare Salva valori forza, pressione e area. Specificate Forza (Force) nella casella Asse Y (Y-axis), Tempo (Time) nella casella Asse X (X-axis) e Assoluto (Absolute) in modalità Y. Fare clic su OK nella finestra di dialogo delle proprietà. Immettere il nome del file ASCII e fare clic su Salva nella finestra di dialogo.
    4. Se sono necessarie informazioni sulle aree di contatto tra le polpe delle dita e i fogli dei sensori, specificare l'area di contatto nella casella Asse Y e fare clic su OK. Immettere il nome del file ASCII e fare clic su Salva nella finestra di dialogo.
    5. Aprire quindi il file filmato. Verificare che il file sia aperto in formato foglio di calcolo e che siano annotate cornici, tempo, tempo assoluto, somma grezza e forza. Con riferimento al tempo indicato al passaggio 3.1.2., trovare una cella che il carico inizia ad essere applicato; i valori di carico iniziano ad aumentare e superano 0,5N nella riga di forza.
    6. Calcolare la forza di presa totale utilizzata in un intervallo, o che è la somma dei valori della cella applicata nella linea di forza.
  2. Analisi del centro di pressione
    1. Avviare il software. Proprietà Click File | Apri filmato, selezionare il file filmato per l'analisi e fare clic su Apri.
    2. Con la mappa di distribuzione della pressione attiva, fate clic su Riproduci in avanti (Play Forward) per riprodurre il filmato. Assicurarsi che la traiettoria COP venga visualizzata sulla mappa di distribuzione della pressione. Trova il fotogramma che il COP inizia a visualizzare in ogni ascensore con Fotogramma successivo o Fotogramma precedente, che sono i comandi per spostarsi in avanti o all'indietro dei fotogrammi. Quindi, nota quel numero di fotogramma.
    3. Successivamente, salvare i dati COP in formato ASCII. Proprietà Select File | Salvare ASCII con la mappa di distribuzione attiva. Specificate Centro di forza (Center of Force) nella finestra di dialogo Tipo di dati (Data Type) e Intero filmato (Whole movie) nella finestra di dialogo Intervallo filmato (Movie Range). Fare clic su OK nella finestra di dialogo delle proprietà. Immettere il nome del file ASCII e fare clic su Salva nella finestra di dialogo.
    4. Aprire quindi il file filmato. Verificare che il file si apra in formato foglio di calcolo e che siano annotate COMMENTS Frame, Time, Absolute time, Row, Col e Raw Sum. Con riferimento al fotogramma indicato nei passaggi 3.2.2., trovare una cella (1) che il COP inizia a visualizzare.
    5. Calcolate la lunghezza della traiettoria COP tra i fotogrammi. Selezionare una cella (2) dopo la riga, incluso il fotogramma che inizia a visualizzare il COP. Inserire la formula di calcolo seguente: (=SQRT((Cella riga (2) -Cella riga (1))^2+(cella Col (2) -Col cella (1))^2). La somma della lunghezza della traiettoria COP tra i fotogrammi di un intervallo è la traiettoria COP totale all'interno di tale intervallo.
      NOTA: nella finestra del grafico 1, la linea verticale mostra il valore di carico (N) e la linea orizzontale mostra il tempo o le ore. Questo valore di carico corrisponde alla forza di presa. I dati salvati in formato ASCII possono essere utilizzati in applicazioni quali fogli di calcolo ed editor di testo. In questo esperimento, ai partecipanti fu ordinato di tenere il cubo per 5−7 s nel compito, quindi la forza di presa e la traiettoria COP furono calcolate e registrate per 4 s dalla loro prima comparsa. Nel foglio di diffusione dei dati COP, la posizione del COP sulle coordinate dell'asse X e Y viene visualizzata come valore.

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Risultati

Diversi studi hanno introdotto protocolli sperimentali e due parametri cinetici (la traiettoria COP e il GF) per misurare la forza delle dita durante la manipolazione di un oggetto. In studi precedenti, è stato scoperto che la traiettoria COP è aumentata nei pazienti con ictus9. Nei pazienti con mielopatia cervicale, il GF è correlato con la soglia di pressione cutanea e la funzione degli arti superiori10. Nei soggetti giovani sani, il GF è aumentato con interferenze cognit...

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Discussione

Questa procedura sperimentale fornisce la prova che un foglio flessibile del sensore di pressione potrebbe essere utile per valutare la stabilità spaziale durante l'impugnatura di precisione. La direzione della forza di presa alterata rappresenta l'instabilità spaziale, ad esempio uno slittamento delle dita. Tuttavia, gli strumenti di direzione della forza di tipo cella di carico esistenti hanno una limitazione in termini di garanzia di un movimento naturale di portata-presa. Per risolvere questo problema tecnico, è stat...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Ringraziamo il Sig. T. Nishida (Tecnico, Dipartimento vendite, Divisione materiali per le prestazioni dei dispositivi, Nitta Co., Ltd, Osaka, Giappone.) per il supporto tecnico.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
imbevuto di alcolSalvietta partecipante' s polpe da dito
CompressoreNitta CorporationApplicare pressione alle sedi del sensore
Computer
Controller del compressoreNitta CorporationUtilizzare per manupiare il compressore
NastriUtilizzare per fissare le sedi del sensore al cubo di ferro
Cubo150-250 g, 30&volte; 30&volte; 30 mm
ConnettoreCollegare le sedi del sensore al computer.
Scheda del sensoreMappatura della pressione Sensore 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
SupportoPosizionare il cubo di ferro su di esso durante la misurazione
Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51Nitta Corporation
TabellaUtilizzo per la misurazione
Tampone biadesivi di ferro del sensore di impostazione

Riferimenti

  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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