経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ

Summary

経頭蓋磁気刺激、筋電図、および3Dモーションキャプチャは、人間の神経筋機能を調査するために一般的に使用される非侵襲的技術です。このホワイトペーパーでは、これら3つのツールすべてによって生成されたデータを同期的にサンプリングするプロトコルと、仮想現実刺激のプレゼンテーションとフィードバックの独自の追加について説明します。

Abstract

人間の動きの神経筋制御の研究では、多数の技術を用いて達成されます。神経筋機能を研究するための非侵襲的な方法は、経頭蓋磁気刺激、筋電図、3次元モーションキャプチャが含まれています。容易に入手可能であり、費用対効果の高いバーチャルリアリティ・ソリューションの登場は、実験室の設定で「現実世界」の環境や動きを再現するには、研究者の能力を拡大してきました。自然主義運動解析は、健康な個体におけるモータ制御のより深い理解を集めるだけでなく、実験や特定の運動障害（例えば脳卒中）を標的リハビリテーション戦略の設計が可能になるだけではなく。これらのツールを組み合わせて使用​​するには、モータ制御の神経機構のますますより深い理解につながります。これらのデータ収集システムを組み合わせた重要な要件は、様々なデータストリームとの間の微細な時間的な対応です。 T彼のプロトコルは、多機能なシステムの全体的な接続性、システム間のシグナリング、および記録されたデータの時間同期を説明しています。コンポーネントシステムの同期化は、主として容易に棚コンポー​​ネントと最小限の電子アセンブリのスキルをオフにして作られた、カスタマイズ可能な回路を使用することにより達成されます。

Introduction

バーチャルリアリティ（VR）は、急速に人間の動きの研究を含め、多数のフィールドで使用するためのアクセス可能な研究ツールになってきています。上肢運動の研究では、特にVRを組み込むことによって恩恵を受けています。バーチャルリアリティは、腕の動きの制御の具体的な運動学的特徴と動的特徴を調査するために設計された実験パラメータの迅速なカスタマイズが可能になります。これらのパラメータは、個々に各被験者のために調整することができます。例えば、仮想ターゲットの位置が被写体で同じ初期アーム姿勢を確実にするためにスケーリングすることができます。 ^{5 -仮想}現実はまた、視覚運動研究¹で非常に貴重なツールである、実験中の視覚的なフィードバックの操作を可能にします。

他の生体力学的ツールと現実的なVR環境の使用はまた、動きのパターンをテストするには自然な動きのシナリオを可能にします。この配置はますます貴重になってきています病気やけが^6,7後のリハビリの研究と実践。臨床の場で自然な動きや環境（ 例えば仮想キッチンでの動きを実行する）を模倣することは、より正確には、実世界のコンテキストで個々の障害を記述するためにリハビリの専門家を有効にします。高度に個別減損の説明は、潜在的に有効性を増加し、リハビリの期間を減少させる、より集中治療戦略が可能になります。

そのような経頭蓋磁気刺激（TMS）、表面筋電図（EMG）、および全身モーションキャプチャなどの他のツールと​​のVRを組み合わせることで、人間の動きの神経筋制御を研究するための非常に強力で柔軟なプラットフォームを作成します。経頭蓋磁気刺激は、筋電図RESPONSを通じて（例えば皮質脊髄路）のモータ経路を降順の興奮性と機能的完全性を測定する強力な非侵襲的方法であり、モータなどのESは、電位（MEPを^）8を誘発しました。現代の3次元モーションキャプチャシステムは、得られる運動運動学とダイナミクスと一緒に神経筋活動を研究する研究者を可能にします。これは、筋骨格系の非常に詳細なモデルを作成するだけでなく、神経のコントローラの構造と機能に関する仮説をテストすることを可能にします。これらの研究は、人間の感覚システムの私達の科学的知識を拡大し、筋骨格系および神経学的障害の治療の改善につながります。

しかしながら、多機能システムに一つの大きな問題は、別々に記録されたデータストリーム（例えば、モーションキャプチャ、EMG など ）の同期です。このプロトコルの目的は、同時に移動中に生体力学的および生理学的測定を記録するために一般的な商業的に利用可能なシステムの一般化配置を記述することです。からの装置を使用して、他の研究者異なるメーカーは、彼らの特定のニーズに合うように、このプロトコルの要素を変更する必要があります。しかし、このプロトコルからの一般的な原則はまだ適用可能であるべきです。

Protocol

実験に関わるすべての参加者は、ウェストバージニア大学施設内倫理委員会（IRB）により承認インフォームドコンセントの手続きを経ます。

1.システム全体の特性、設計、および一般的実験タスク

注：完全なセットアップは、次の主要コンポーネントで構成されていますEMG機器や関連するデジタル集録（DAQ）機器;モーションキャプチャシステム（このプロトコルは、アクティブLEDシステムを組み込みました）。 8の字コイルと定位ローカライズ機器とのTMS部と、 VRヘッドセットと関連するコンピュータとソフトウェア;カスタム同期回路。 図1は、プロトコルコンポーネント間の接続の概要を説明します。

1. システムコンポーネントの接続
   1. メインアンプにEMGプリアンプを接続します。
   2. DAQ記録装置入力BNCを使用してブロックまたは類似の接続にEMGアンプの出力を接続しますション。
   3. データ収集スクリプト（補足ファイル）を実行します専用のコンピュータにDAQの録音機器を接続します。
   4. （詳細については、次のセクションを参照）、カスタム回路部にVR制御コンピュータのパラレル出力を接続します。
   5. EMG信号の接続と一緒にDAQの記録ブロックにカスタム回路からの出力をトリガ同期とモーションキャプチャを接続します。
   6. スプリットモーションキャプチャ・トリガとEMG DAQ機器の「アナログ入力スタート」ポートだけでなく、モーションキャプチャ装置を制御するコンピュータ上のトリガ接続に接続します。
      注：記載された装置（モーションキャプチャとEMG）に対するそれぞれのデータ収集の流れの始まりの間の時間差は160〜190ミリ秒の範囲であることができます。この時間差は、このプロトコルに記載された同期回路の設計を動機付け、おそらくこれらの2つのシステム間でソフトウェアとハ​​ードウェアの違いによって引き起こされます。
   カスタム回路部に接続TMSトリガーポート。
2. ベンダー提供のソフトウェアおよび物理的なネットワーク接続を使用してVRとモーションキャプチャコンピュータ間のネットワーク接続を確立します。
3. VRコンピュータにVRヘッドセットを接続し、参加者に仮想環境を表示するスクリプト/プログラムと操作性を確保します。

図1：全体のセットアップの接続このレイアウトは、我々のシステムの構成要素間の一般的な接続を示しています。同期回路は、より詳細には、テキストの他の箇所に記載されています。青色のトレースは、モーションキャプチャおよびEMGデータストリームの両方を起動信号に対応します。このイベントは、このプロトコルで説明した装置を使用して、最大190ミリ秒の時間遅延の原因です。赤のトレースは、VR-開始synchronizatに対応同時にモーションキャプチャとEMGシステムによって記録され、その後、各データストリームの時間的な位置合わせに使用されるイオンイベント。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2.システム統合と同期の一般的な詳細

注意：このプロトコルにおける別個のデータ収集システム（モーションキャプチャ及びEMG）の同期は、全ての記録ストリームに共通のイベント信号を使用することにより達成されます。一般的なイベントを使用して、すべての信号は、時間的に（上向きにこのプロトコルで装置を使用して190ミリ秒の）実時間記録の不一致を最小限にするために、データ収集後に再調整することができます。このプロトコルでは、一般的な信号は、パラレルポート信号としてVRシステムに由来します。コモン信号は、別のデータの同期を可能とする回路にルーティングされますEMG信号を、同時にLEDモーションキャプチャをオフにすることで、直接記録を介してストリーミングします。回路は、他の場所⁹記載の回路と同様の電子部品を構築するための基本的なツールや技術を用いて構築されます。

1. デザイン、レイアウト、および同期回路の構成
   1. 機器制御ユニットの任意のアナログのTTLベースのトリガーメカニズム（例えば、TMS、モーションキャプチャ）を特定し、そのようなTTLパルス方向（正/負）と振幅などの要件をトリガーに精通。アナログトリガメカニズムは、多くの場合、接続コンポーネントを簡単に共通の「BNC」の同軸コネクタを有します。
   2. 信号同期のために使用するモーションキャプチャシステムに追加のLEDを追加します。ルート同期回路を介してLEDのワイヤ（ 図3）。
   3. （ すなわち 、抵抗、静電容量）TURするために必要な電気部品のパラメータを決定しますnは特定の時間のLED同期をオフにします。 T = 1.1 * R1 * C1：回路の同期LEDは、式ではオフになっていた時間の量を表示して下さい。この時間は、実験的な運動の平均持続時間未満であることが示唆されます。例えば、現在の実験は、それぞれ、約1メガオーム一マイクロファラッド定格抵抗とコンデンサを必要としました。
   4. 図3に示した概略以下の印刷」protoyping」または「プロジェクト」回路基板に電気部品を接着するために、はんだごてを使用して、一般に入手可能なプラスチック製の「プロジェクト」ボックスに、この回路を囲みます。それはおそらく、BNCコネクタは、このボックスに穴を掘削する必要があります。回路は容易にデスクトップコンピュータから5VのUSB電源で駆動することができます。それは、電源線および接地線を分離するためにUSBケーブルを分解する必要があります。バイパスコンデンサは、また、555への電力を調節するために必要とされるかもしれませんチップ（図3には示されていません）。
   5. 電気部品間の意図しない半田ブリッジ用の回路基板を検査します。見つかった場合、吸着ツー​​ルではんだを削除するか、はんだを加熱し、機械的にブリッジ接続を削除します。

図2：試用フローチャートこのフローチャートは、TMS刺激を含む典型的な実験の試行中に発生した刺激と信号イベントの概要を説明します。裁判を通じて発生するパラレル・ポート・コードは、DB25回路図シンボル（水色）に示されています。

2. 同期の詳細
   1. 同様のフローチャートを使用して、 図2の装置の個々の部分は、実験の移動の過程でトリガされるべきときを決定します。他の人が同時にトリガすることができるが、例えば、いくつかの機器は、個別に、トリガすることができます。
   トリガーまたは（ 図2に例えば青色のパラレルポートシンボルを）シグナリングを必要とする時点で、パラレルポートを使用し、VRシステムに組み込むための信号ラインを決定します。これは、運動中に指定された時間に、パラレルポート、二進数字を表す各ラインに数値を送信することによって達成されます。パラレルポートベースのシグナリングの詳細については、議論を参照してください。

図3：同期回路この回路図は、当社の独自の同期回路のレイアウトが表示されます。 NANDゲートのデフォルト出力は、高電圧状態です。この電圧出力は、同期LEDの回路は、ルーティングされるトランジスタのゲートに送られます。このデフォルトの状態が点灯状態でLEDを維持する、回路が閉じてレンダリングします。同期triggeを受信しますRパラレルポート信号（挿入図中赤線）、555デバイスの内部状態は、LED（青色のトレース）を遮断、ハイ状態に出力をレンダリング反転さ。これが発生すると、C1（緑のトレース）の電圧は、LEDを再活性化、555の内部状態をリセット電圧まで構築します。パラレルポート同期トリガ信号を直接TMS入力トリガポートに接続されたBNCコネクタにルーティングされます。注：このトリガ信号の方向は、研究者の特定の機器の要件に応じて（ポジから行く陰性またはその逆に）反転しなければならないことがあります。このトリガ出力の「インバータ」チップの追加が簡単にこのタスクを実行することになる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

3.実験方法

1. 安全手順とインフォームドコンセント
   1. Ensuそのすべての実験手順再治験審査委員会（IRB）によって承認されています。 IRBは、ドキュメントを承認して、すべての手順は、参加者に説明し、インフォームドコンセントを取得。
   2. インフォームドコンセントを取得した後、彼らは耳鳴り、てんかんや発作、または発作の上昇リスクに他の条件の家族歴を持っていないように参加者との基本的なTMSの安全審査を実施しています。
   3. TMS刺激時には、厳密に聴覚障害を防ぐために保護耳栓を使用する必要があります。
2. 電コレクション
   1. 読者の研究の科学的目標に応じて、腕の筋肉は筋電信号を記録する、そこから決定します。調査したこのプロトコルに記載の研究のために、トルクが移動中に、肩と肘で発生します。このように、記録されたEMG信号は、三角筋、胸筋、上腕二頭筋、三頭筋、およびbrachioradとして、これらの2つの関節に作用する主要な表面的な筋肉、からのものでしたialis。
   2. 一致するコネクタを接続することにより、製造業者の仕様書に従ってアンプ、プリアンプ、センサー線、およびセンサパッドなど、さまざまなEMG機器との間のすべての必要な電気的接続を行ってください。
   3. カミソリであり、軽度の研磨剤ゲルを適用することにより、過剰な毛を取り除く、軽くアルコール綿棒でそれを洗浄することにより、各電極部位を準備します。適切な部位の準備には、一貫性の低い電極 - 皮膚インピーダンス値（<10キロオーム）と記録されたEMG信号の高信号対雑音比を確保します。
   4. 被験者は一般に認められた解剖学的および生体力学的記述¹⁰に基づいて、関心の個々の筋肉を分離するために設計されたアイソメトリック収縮を行うことがあります。たとえば、上腕二頭筋を分離するために、肘の課さ拡張に抵抗するために、参加者に依頼してください。
   5. 被験者は筋肉隔離収縮を行うた後、最も厚い、中央porti以上の差動バイポーラEMG電極を貼ります上、または受け入れられた場所¹¹での各筋の「腹」、。これは、筋線維の最大数のカバレッジを確保し、隣接筋肉間の「クロストーク」を最小限に抑えることができます。 、筋肉に沿って双極電極「最長軸を揃える繊維に平行するようにしてください。
   6. （例えばC7の椎骨上の皮膚）機器の仕様に応じてEMGの接地電極を貼付します。
   7. 録音は、カスタムコンピュータスクリプトによって制御されるDAQ機器を介してEMG信号を増幅しました。現在のプロトコルで使用されるスクリプトは、補助的なファイルとして添付されます。
   8. EMGプリアンプにダイヤルを移動することにより、所望のレベルに記録された信号に適用されるゲインを調整します。記録装置（通常は5V）の入力範囲を超えて信号を記録した原因となるゲイン値を避けてください。共通EMG利得値は1,000〜4,000の間です。
   9. ステップ3.2.4で行われたものと同様の等尺性収縮を行い、視覚的にEMGのSignaを検査LSは、それらが高品質（ すなわち、高い信号対雑音比）であることを保証します。電極を再配置し、必要に応じて信号利得を変更します。
3. モーションキャプチャシステムの準備
   1. 製造元の指示に従って、ベンダーが提供する命令および装置を使用して、モーショントラッキングカメラのキャリブレーションを行います。
   2. テープやその他の包装材を使用して、腕と生体力学モデルの構築に用いられる関心のある他の解剖学的点の関節近くの骨のランドマークにアクティブLEDセンサーを取り付ける：人差し指の末節骨を、半径方向および尺骨茎状突起プロセスが手首で肘、烏口肩峰と肩、胸鎖ノッチ、剣状突起のプロセス、およびC7の棘突起で、肘頭プロセス。仮想環境内のビューポイントを設定したVRヘッドセットに別のLEDを取り付けます。
   3. 無線ドライバユニットに装着され、ワイヤハーネスに各LEDを接続します。ドライバアンをオンにしますそれと全てのLEDの適切な照明を確保します。
   4. 離れた被写体から便利な場所にLEDの同期を置きますが、カメラのクリアな視界内。
4. 経頭蓋磁気刺激定位ローカライゼーション
   1. 正確なコイルの配置を可能にするために、TMS登録¹²用に設計されたハードウェアとソフトウェアを調整します。これは、一般に、ナジオン、耳介前点、鼻の先端のような解剖学的ランドマークとの共同登録TMSコイルを必要とします。参加者と刺激コイル間の定位登録は一貫した刺激ローカリゼーションに不可欠です。
5. MEPホットスポット局在とMEPのしきい値たプロシージャ
   1. 刺激^8,13,14時の最低閾値と最大振幅のMEPを生成皮質のTMSに敏感な領域を見つけるために、いわゆる「ホットスポット」の技法を実行します。一般的に運動系を研究するための経頭蓋磁気刺激特定の身体の部分（ 例えば、腕 、手^）15の移動を制御する皮質領域を刺激することを含みます。
   2. 較正された定位登録機器および関連ソフトウェアを持つ参加者の頭皮上の理想的な刺激部位の位置を記録します。各場所はソフトウェアで記録された後、同様のMEP応答を探して、スポットを再配置して、再刺激することによって、その正確さを保証します。
6. バーチャルリアリティにおける行動タスク
   1. 実験に使用される行動タスク（例えば到達運動）のパラメータを設計します。現在の研究では、タスクは異なる空間場所に順次配置された仮想ターゲットに到達することです。ターゲットの大きさは、参加者が移動する精度を定義します。参加者は目標のために達するように変化する方向と関節トルクの大きさが誘発されるような動きを設計します。
   2. セットアップガイドVR環境製造業者のプロトコルに従って、ヘッドセットとモーショントラッキングシステムと互換性がある商用VRソフトウェアを使用して、行動のタスクを介して被験者。ソフトウェアパッケージの必要な計算リソースおよびプログラミング言語要件に精通。一般的なVRソフトウェアパッケージは、Python、C ++、C＃、およびその他を含む言語でプログラムすることができる能力を持っています。さらに、プログラムのアナログ同期のパラレルポートを介して出力し、興味のある特定のイベントのマーキング（ 図2）。現在の実験では、VRソフトウェアは、タスクの各繰り返しの開始時に、目的のTMS刺激の時間にイベントを出力します。
   3. 同期回路（ 図3）および/ ​​または一致するコネクタ付きのケーブルを使用して同期する他の機器へのVR出力を接続します。
   4. VR行動タスクを実行するために被験者に指示します。現在の研究では、VR環境がありました参加者は、球状のターゲットの配列を見ているヘッドマウントディスプレイを使用して提示。ターゲット（色、 位置など）の外観を変更することによって、VRソフトウェア、プログラムの特定の運動シーケンスを使用し、これらのアクションを持つ参加者を習熟。さらに、他の所望の移動制約の参加者に通知します。例えば、現在の研究の参加者はターゲットに手を伸ばしながら、動きの垂直面内のすべてのアームセグメントを維持するように求めていました。
   5. 参加者は、実験的な動き、レコードEMGとモーションキャプチャデータ、およびカスタムスクリプトやベンダー提供のソフトウェアパッケージを使用して信号を同期させることに慣れたら。所望の値に、各データ収集システムのサンプリングレートを調整します。さらにに慣れると、このようなモーショントラッキングなどの任意のメーカー固有のパラメータを調整する輝度のLED。

Results

このセットアップでは、多数のデータストリームの同期は1つが上肢の運動中に発生する運動、連続筋活動（EMG）、および瞬時神経筋活動（欧州議会議員）を記録することができます。指定された動きの繰り返し試験は全体の動きを介してのMEP応答プロファイルを再構築する必要があります。一人の被験者から収集した4データが表示されます図。 図4（a）は、対応する同期信号やイベントを持つ単一の試験中、これらのデータ・ストリームの例を示しています。同期イベントについての信号の時間的位置合わせは、（信号は、共通の一時的なアンカーとして同期イベントを使用して、時間に「シフト」された）信号解析ソフトウェアを使用して、簡単な事後処置です。信号は、時間正規化し、各移動試験の継続時間によって行うことができます。同期なしでは、EMGとモーションキャプチャデータストリームは、GRとして、時間的矛盾を持つことができます160〜190ミリ秒のように食べます。しかし、広く使用されているTTLシグナルに加えて、同期化を利用することにより、ユーザーは、データがそれらの信号のサンプリング...

Discussion

この記事の目的は、人間の動きの研究と様々なデータストリームを同期させる方法にVRを組み込むための方法を記述することです。バーチャルリアリティは、実験室の設定で、実世界の動きのシナリオを再作成しようとする研究者の能力を拡大していきます。他の神経筋記録と刺激の方法論でVRを組み合わせることにより、総合的に人間の運動制御メカニズムを研究するための強力なツールスイートを形成しています。細心の注意を払って設計された実験中に得られた結果の多次元データセットは、運動の神経制御の理解を深めることができます。

このシステムのより重要な特徴の一つは、一般的なVR生成イベントで電気生理学的およびモーションキャプチャデータストリームを同期させる能力です。このプロトコールに記載されたカスタム回路は、他のexpの固有の要件を満たすように変更することができる柔軟な、費用対効果の基礎として機能します他の分野で⁹ソリューションに似erimentalパラダイムおよび装置、。一般的な同期イベントは、私たちのVRソフトウェアを動作するコンピュータから発信パラレル出力コマンドです。標準パラレルインター...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
経頭蓋磁気刺激装置	マグスティム	N/A	TMS 刺激装置とコイル
インパルス X2	PhaseSpace	N/A	モーションキャプチャシステム
MA300 アドバンスドマルチチャンネル筋電計システム	モーションラボシステム	MA300-28	筋電図プリアンプとアンプ
ノロトロード筋電図電極	Myotronics	N/A	筋電図電極
BNC-2111シングルエンド、シールドBNC端子台	National Instruments	779347-01	BNC端子台
NI PXI-1033 5スロットPXIシャーシ、MXI-Expressコントローラ内蔵	National Instruments	779757-01	DAQシャーシ
NI PXI-6254 16ビット、1 MS/秒(マルチチャンネル)、1.25 MS/秒(1チャンネル)、32アナログ入力	National Instruments	779118-01	DAQカード
SHC68-68-EPM ケーブル (2m)	National Instruments	192061-02	シールドケーブル
DK1 または DK2	Oculus VR	N/A	Ocuclus Rift ヘッドセット
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	バーチャルリアリティソフトウェア
C1 および C2 コンデンサ		N/A	に合うように値を調整
		N/A	に合うように値を調整
CD4011 NANDゲート		N/A	NANDゲート
2N2222 トランジスタ		N/A	トランジスタ
NE555 タイマー回路		N/A	タイマー回路
DB25およびUSBコネクタ		N/A	パラレルおよびUSBコネクタ