方法論記事

精密グリップにおける空間安定性の測定

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DOI：

10.3791/59699

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2020年6月4日

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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

この記事について

サマリー

このプロトコルの目的は、精度グリップで空間安定性を反映するために、高い空間分解能センサー シートを使用して圧力の中心(COP)の交換を測定することです。このプロトコルを使用すると、把握の生理学と病態生理学の理解を深める可能性があります。

要約

このプロトコルの目的は、圧力の中心(COP)の置換を引き起こす生体力学的関係に基づいて、ハンドヘルドオブジェクトの操作中に指力の方向を間接的に評価することです。これを評価するために、薄く、柔軟で、高い空間分解能の圧力センサーシートが使用されます。システムは力の振幅および時間調節に加えてCOP軌道の測定を可能にする。一連の実験では、軌道の長さの増加は脳卒中患者の感覚運動障害を反映し、COP軌道の減少は、高齢者の手のグリップから物体が滑り落ちるのを避けるための補償戦略を反映していることがわかった。さらに、COP軌道は、二重タスク干渉によって減少する可能性もあります。この記事では、実験手順について説明し、フィンガーCOPが把握の生理学と病態生理学の理解にどのように寄与するかを説明します。

概要

力制御は精密グリップの基本です。パワーグリップと比較して、精密グリップは、オブジェクトを操作する能力を反映して、最小力出力を評価します。複数のセンサモータシステムが精密グリップに貢献します。たとえば、グリップとリフトのタスク中に、視覚情報を使用すると、オブジェクトのサイズと形状を認識できます。指先が物体に触れた後、触覚信号が体性感覚皮質に送達され、精密なグリップ力を調整する。グリップ力(GF)は指先が物体と接触したときに発生し、持ち上げフェーズ1の間に増加する。物体が空気中のゴールの高さに近づくと、健康な若年成人は、指のパルプからの皮入りの入力を最適化し、エネルギーを節約するために最小限のGFを産生する。一方、高齢者は、オブジェクトがグリップ2から滑り落ちるのを避けるために大きなグリップ力を使用します。脳卒中患者では、グリップ力の発症が遅れ、感覚や運動不足により安全マージンを調整する能力が損なわれる。誇張されたグリップ力は、感覚とモーターの欠損を補うための戦略的な対応であると考えられる3.

高精度グリップでGF制御を測定するための標準的なプロトコルは、1980年代4にヨハンソンとウェストリングによって提案されました。彼らは、負荷とグリップ力の両方を同時に監視する装置を開発しました。それ以来、GF振幅とその時間的調節は、精密グリップに関する数多くの研究において典型的な運動パラメータとして使用されてきました。もう 1 つの運動パラメータは、力方向5 です。力の方向は、グリップ力と揚力の組み合わせから生じます。安定した精度のグリップを維持するためには、親指と人差し指の間に適切に指示されたグリップ力とリフト力を生成する必要があり、偏った力の方向が空間的な不安定性を引き起こす可能性があります。様々なロードセル型力方向計器が把握研究に使用されていますが、これらの機器は、日常生活で使用される異なるサイズや形状の物体を操作する際にグリップ力制御を監視するという点で限界があります。したがって、グリップ力制御と日常機能の関係を調べるには、柔軟で装着可能なセンサが不可欠です。

このプロトコルの目的は、圧力の中心(COP)の置換を引き起こす生体力関係に基づいて、物体の操作中に指力方向を間接的に評価することです。COPはすべての力の中心であり、センサー シート上の力がどのようにバランスを取されているかを表します。グリップ力制御を評価するCOPの使用は、最初にAugurelleら.6によって示唆された。彼らは、女性のフィードバックの役割を調査するためにCOP変位を監視し、逸脱したCOPがデジタル麻酔後に起こったことを発見した。しかし、COPの変位は、研究において垂直にのみ監視された。したがって、三次元空間におけるCOP変位は十分に評価されていない。この制限を解決するために、薄くて柔軟で高い空間分解能センサーシートを使用してCOPを測定しました。グリップフォース制御を測定するための比較的高い空間分解能センサー(cm2あたり60〜100ポイント)は7,8を用いてきましたが、最近の空間分解能(cm2当たり248点)の進歩により、空間安定性を定量化するパラメータとしてCOP軌道の測定が可能になりました。本論文では、実験手順について述べ、フィンガーCOPが把握の生理学と病態生理学の理解にどのように寄与するかを論じる。

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プロトコル

本稿の一連の研究は、群馬大学のヒトを対象とする医学研究倫理審査委員会によって承認された。

注:参加者の包含基準は、最小限の力の使用と親指と人差し指でタスクを実行する能力を理解する能力でした。除外基準は実験の目的に基づいて選択した。

1. 設備準備

  1. 2 本のセンサー コネクタ ケーブルをコンピュータの USB ポートに接続します。センサーコネクタに接続されているレバーを引き上げ、センサーのタブを挿入スロットに挿入します。付属のレバーを元の位置に戻します。
  2. コンピュータでセンサーソフトウェアを開きます。センサー シートが正しく接続されている場合は、リアルタイムの圧力分布マップがモニターに自動的に表示されることを確認します。
  3. 圧力調整
    1. センサシートのセンシング領域を1つずつコンプレッサーリグに挿入します。
    2. コンプレッサーのコントローラのエアバルブをオンにして、圧力をかけ始めます。レギュレータを操作し、適切な負荷値(172 kPa)に調整して、コントローラのインジケータを確認します。センサーシートの全領域がモニタ上で均等に加圧されていることを確認します。
  4. センサーシートに圧力をかけながら、平衡とキャリブレーションを行います。
    メモ:平衡はセンサーセルの反応性を均等に調整する操作です。キャリブレーションとは、センサーシートの圧力(生合計)を重量単位(グラムまたはニュートン)に変換して表示する操作です。各参加者のデータ収集を開始する前に、センサー シートに対して両方を行う必要があります。
    1. ツールの選択 |ソフトウェアのメイン ウィンドウでの平衡化。[均衡-1]をクリックします。[平衡]ダイアログ ボックスで開始します。ダイアログボックスで平衡の結果を確認し、均衡のウィンドウの色がグレーに変わるかどうかを確認します。
    2. 平衡表示ダイアログボックスで [Eq. ファイルを保存 ]をクリックして、平衡設定を保存します。平衡ファイル名を入力し、[名前を 付けて保存 ]ダイアログ ボックスで[保存]をクリックします。
    3. 次に、[ツール] を選択して調整を実行します。キャリブレーション.[追加]をクリックし、[適用力]ボックスに荷重値(134.33 N)を入力します。
    4. ダイアログ ボックスの [ 開始 ] ボタンをクリックします。キャリブレーションダイアログボックスでキャリブレーション結果を確認し、キャリブレーションが正しく行われたことを確認します。 ニュートン の値は 134.33 と表示され、キャリブレーションが正しく行われた場合、 ロードされたセル の値は使用されているセンサー シートの値と一致します。
    5. その後 、[Cal. ファイルの保存] をクリックして、キャリブレーション設定を保存します。キャリブレーションファイル名を入力し、[ 名前を付けて保存 ]ダイアログボックスで[保存]をクリックします。平衡とキャリブレーションが完了したら、コントローラのエアバルブをオフにして、コンプレッサからセンサーシートを取り出します。

2. 測定

  1. 準備
    1. 各デバイスを接続し、手順1.1に従ってソフトウェアを起動します。および 1.2.センサー シートをケーブルで同時に接続する場合は、各センサー シートの 2 つのリアルタイム圧力分布マップが表示されていることを確認します。
      注: この実験では、親指と人差し指をそれぞれ測定するために 2 枚のセンサー シートが必要です。セクション1.4で説明した手順に従って、それぞれの平衡とキャリブレーションを行う必要があります。
    2. 手順 1.4.2 で作成した平衡ファイルとキャリブレーション ファイルを思い出してください。および 1.4.5.リアルタイム圧力分布マップがアクティブな状態で、[ ツール ] を選択します。 [平衡ファイルを読み込む]平衡ファイルを選択し、[ 開く] をクリックします。次に、[ ツール] を選択します。 読み込み調整ファイル。キャリブレーションファイルを選択し、[開く]をクリックします。キャリブレーションファイルをロードした後、ニュートンにリアルタイム圧力分布マップが表示されていることを確認します。2 つのマップのそれぞれについて、上記を実行します。
    3. 両面テープを使用して、2つのセンサーシートの感圧部分を鉄キューブの両側に取り付けます。センサーシートが破損しないようにするには、テープの長さ3~5mmをカットし、鉄キューブの外側の四隅に置きます。センサー シートの表面が外側に表示されていることを確認します。
    4. 測定前に、鉄の立方体をテーブルの上の設定スタンドの上に置きます。
    5. 測定環境を整えた後、動画のフレーム、期間、および周波数の記録設定を修正します。 オプション を選択する | 取得パラメータ コマンド。データ取得パラメータダイアログボックスで、ムービーフレームに 36000、 期間に 0.01、 周波数に 100 と入力します。 [OK] を クリックして、ダイアログ ボックスを閉じます。
  2. 測定を開始する
    注: 図 1 は、グリップとリフトの作業を示しています。
    1. 参加者をテーブルの前に座り、テーブルの高さを調整します(参加者の肩関節屈曲0°と肘関節屈曲90°位置)。テーブル上の中座頭面の参加者から30cmの鉄の立方体と設定スタンドをセットします。参加者の指パルプをアルコール綿棒またはタオルで拭きます。
    2. 参加者に口頭での指示を与える:「親指と人差し指で最小限の力を使って、センサーシートが取り付けられている鉄の立方体の両側をつかみます。その後、設定台の約5cm上に持ち上げ、5-7sの間持ち、設定スタンドに戻します。
    3. 参加者の準備ができたら、タスクを開始し、ツールバーの[記録] をクリックして、タスクを開始する手掛かりを与えます。[フォース軌道の中心]をクリックして、記録中にCOPを監視します。タスクが終了したら、ツールバーの (停止) をクリックします。記録後、[ファイル] メニューの [ファイル] メニューの [ビデオ データ] を選択して、ムービー データを保存します。ムービーを 保存します。ムービー ファイル名を入力し、ダイアログ ボックスで[保存] をクリックします。
      注: 鉄の立方体の重量、リフトの数、タスク間の間隔は、実験の目的とタスクの難易度に応じて考慮する必要があります。
  3. 実験の目的に応じて測定条件を変更します。たとえば、グリップタスクとリフトタスクにおける二重タスク干渉の影響を調べるには、干渉のタイプに応じて、次のように測定条件を調整します。
    1. 姿勢干渉の場合は、参加者をテーブルの前に立たせ、テーブルの高さを調整します。参加者に口頭での指示を与える:「片足で立ち、親指と人差し指で最小限の力を使って、設定台の約5cm上の鉄の立方体を持ち上げます。5-7 sの間持って、設定スタンドに戻してください。
    2. 視覚的な干渉の場合は、参加者にテーブルの前に座ってテーブルの高さを調整します。参加者に口頭での指示を次のように与えます:「 目を閉じてください。設定台から約5cm上の鉄の立方体を持ち上げるために親指と人差し指で最小限の力を使用してください。5-7の間持ち、設定スタンドに戻してください。目を閉じる前に、0.5 Nを超えずにセンサーに触れることができるようにします。
    3. 認知障害の場合は、参加者にテーブルの前に座ってテーブルの高さを調整します。参加者に口頭での指示を次のように与える:「計算タスクとして、可能な限り正確に100から7を連続的に差し引く。計算を行う際は、親指と人差し指で最小限の力で鉄の立方体を約5cm上に持ち上げます。5-7の間持ち、設定スタンドに戻してください。
    4. 逆手の動きの干渉(図2)については、参加者にテーブルの前に座ってテーブルの高さを調整してもらいます。鉄キューブの隣の中頭座面の参加者からペグボードを30cm置き、ペグのサイズと数を考慮してタスクの難易度を調整します。参加者に口頭での指示を与える:「親指と人差し指を使って最小限の力で鉄の立方体を操作します。アイロンキューブを片手で設定スタンドの約5cm上に持ち上げて持ち上げ、もう一方の手でペグを反転します。反対の手で繰り返します。

3. データ分析

  1. グリップ力の解析
    1. コンピュータでソフトウェアを起動します。[ ファイル] メニューの [ファイル] をクリックします [ムービー] を開き、解析するムービー ファイルを選択して 、[ 開く] をクリックします。
    2. 記録された圧力分布マップが表示されたら、マップ上の 複数ウィンドウ ビュー をクリックし、グラフ 1 ウィンドウを参照します。各リフトで荷重(グリップ力)が適用され始める時点を見つけ、このグラフを参照して時間をメモします。
    3. その後、グリップ フォース データを ASCII 形式で保存します。 ファイルの 選択 |グラフ 1 ウィンドウをアクティブにした後 、ASCII を保存します。オブジェクト グラフ 1 ダイアログ ボックスで、[ファイル名 を含むペイン ] を選択し 、[ASCIIの保存] をクリックします。ダイアログ ボックスで、[ 力、圧力、面積の値を保存]を選択します。[Y 軸] ボックスで [力 ] ボックス、[X 軸] ボックスで [時間 ] 、[Y モードで 絶対] を指定します。プロパティ ダイアログ ボックスで [OK] を クリックします。ASCII ファイル名を入力し、ダイアログ ボックスで [保存 ] をクリックします。
    4. 指のパルプとセンサーシートの間の接触領域に関する情報が必要な場合は、[Y 軸] ボックスに 接触領域 を指定し 、[OK]をクリックします。ASCII ファイル名を入力し、ダイアログ ボックスで [保存 ] をクリックします。
    5. 次に、ムービーファイルを開きます。ファイルがスプレッドシート形式で開かれ、フレーム、時間、絶対時間、生合計、および強制が表示されていることを確認します。ステップ 3.1.2.で示された時間を参照して、荷重が適用され始めるセルを見つけます。荷重値が増加し始め、力行で 0.5N を超えます。
    6. 範囲で使用される合計グリップフォースを計算します。
  2. 圧力の中心の分析
    1. ソフトウェアを起動します。[ ファイル] メニューの [ファイル] をクリックします [ムービー] を開き、分析するムービー ファイルを選択して [ 開く] をクリックします。
    2. 圧力分布マップがアクティブな状態で、[ 再生] をクリックしてムービーを再生します。圧力分布マップに COP 軌道が表示されていることを確認します。フレームを前後に移動するコマンドである[次のフレーム]または[前のフレーム]を使用して、各リフトに COP が表示され始めるフレームを見つけます。その後、そのフレーム番号に注意してください。
    3. その後、COP データを ASCII 形式で保存します。 ファイルの 選択 |分散マップをアクティブにして ASCII を 保存 します。[データ型] ダイアログ ボックスで [フォースの中心 ] を指定し、[ムービー範囲] ダイアログ ボックスで [全体のムービー ] を指定します。プロパティ ダイアログ ボックスで [OK] を クリックします。ASCII ファイル名を入力し、ダイアログ ボックスで [保存 ] をクリックします。
    4. 次に、ムービーファイルを開きます。ファイルがスプレッドシート形式で開き、コメントフレーム、時間、絶対時間、行、コル、および未和が表示されることを確認します。手順 3.2.2.で示されているフレームを参照して、COP が表示され始めるセル (1) を見つけます。
    5. フレーム間の COP 軌道の長さを計算します。COP が表示され始めるフレームを含む行の後のセル (2) を選択します。次の計算式を挿入します: (=SQRT(((2) 行セル (1))、2+(Col セル (2) -Col セル (1))^2)。範囲内のフレーム間の COP 軌道の長さの合計は、その範囲内の合計の COP 軌道です。
      注: グラフ 1 ウィンドウでは、縦線に荷重値(N)が表示され、水平線に時間が表示されます。この荷重値は、グリップ力に対応します。ASCII 形式で保存されたデータは、スプレッドシートやテキスト エディタなどのアプリケーションで使用できます。この実験では、参加者はタスクで5-7 sの立方体を保持するように指示されたので、グリップ力とCOP軌道は最初の出現から4 sのために計算され、記録されました。COPデータの広がりシートでは、X軸とY軸座標上のCOPの位置を値として示している。

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結果

いくつかの研究は、オブジェクトの操作中に指の力を測定するための実験的なプロトコルと2つの運動パラメータ(COP軌道とGF)を導入しています。これまでの研究では、脳卒中患者9においてCOP軌道が増加することが判明した。子宮頸部骨髄症患者において、GFは、皮圧閾値および上肢機能10と相関した。健康な若い被験者では、GFは認知障害11で増加した。同様の誇張されたGFは、逆の手の動きの干渉で発見されました. 図3 は、若年および高齢の代表的な成人のための単一および二重タスクにおけるCOP軌道および優勢な人差し指のGFトレースを示す。GFは、逆の手の動きの干渉で増加しました.対照的に、COP軌道は減少する傾向がありました(未公開データ)。

栗原ら9 は、脳卒中患者における把握のグリップ力の協調を調査した。その結果、GPは非パレティックハンドと有...

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ディスカッション

この実験手順は、柔軟な圧力センサシートが精密グリップ中の空間安定性を評価するのに役立つ可能性があることを示します。グリップ力の方向の変化は、指のスリップなどの空間的な不安定性を把握することを表します。しかし、既存のロードセル型力方向計器には、自然な手の届く動きを保証するという点で制限があります。この技術的問題を解決するために、生体力学的関係に基づいて指パルプと接触面の間の領域のCOP軌道を監視した。この結果は、COP変位が力方向の逸脱によって引き起こされることを示唆している。したがって、この研究では、COP軌道の長さが、精密グリップにおける空間安定性を評価するのに有用な運動パラメータであることを発見した。

実験の結果に影響を与える重要な要因は、各参加者が実験プロトコルを理解することであった。参加者が実験の目的を理解していない場合、空間的不安定性を避けるために比較的大きなGFを使用する傾向がありました。意図的に誇張されたGFは精密グリップの評価を妨げる。結果に影響を与えるもう 1 つの要因は、指先と物体の接触面の間の領域です。指先が物体の表面に正しく接触していない場合、COPは適切に...

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開示事項

著者らは、競合する財政的利益はないと宣言している。

謝辞

西田T.(技術者、販売部、Nitta株式会社ニッタ株式会社)に技術サポートをいただき、ありがとうございます。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アルコール綿棒ワイプ参加者's finger pulps
コンプレッサー新田株式会社センサーシートに圧力をかける
コンプレッサー田株式会社
両面テープセンサーシートを鉄の立方体に取り付けるために使用
鉄の角型 鉄の角型150-250g、30回;30回;30 mm
センサーコネクタセンサーシートをコンピューターに接続します。
センサーシート圧力マッピング センサー 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
設定スタンド測定中に鉄の立方体を設定します
ソフトウェア;I-SCAN 5027, Ver. 7.51新田製作
テーブル測定用
新のコンピューターコントローラー コンプレッサーの操作に使用 所

参考文献

  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).
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