Method Article

경 두개 자기 자극, 근전도, 모션 캡쳐, 가상 현실을 이용하여 인간의 모터 제어 유학을위한 다기능 설치

DOI:

10.3791/52906

⸱

September 3rd, 2015

 ,  ,  , 
1Department of Human Performance and Applied Exercise Science, Division of Physical Therapy, West Virginia University

In This Article

Summary

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경두개 자기 자극, 근전도 검사 및 3D 모션 캡처는 인간의 신경근 기능을 조사하기 위해 일반적으로 사용되는 비침습적 기술입니다. 이 백서에서는 이러한 세 가지 도구 모두에서 생성된 데이터를 동기식으로 샘플링하는 프로토콜과 가상 현실 자극 프레젠테이션 및 피드백의 고유한 추가에 대해 설명합니다.

Abstract

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인간의 운동 신경 근육 조절의 연구는 다양한 기술을 수행 할 수 있습니다. 신경 근육 기능을 조사하는 비 침습적 방법은 경 두개 자기 자극, 근전도, 3 차원 모션 캡처를 포함한다. 용이하게 이용 가능하고 비용 효율적인 가상 현실 솔루션의 출현은 실험실 설정에서 "실제"환경과의 움직임을 재현 연구자의 능력을 확대하고있다. 자연주의 운동 분석은 건강한 사람들의 모터 제어의 더 큰 이해를 가너뿐만 아니라 실험과 특정 모터 장애 (예 : 뇌졸중)을 대상으로 재활 전략의 디자인을 허용 할뿐만 아닙니다. 이러한 도구의 병용은 모터 제어의 신경 메커니즘을 점점 더 깊은 이해로 이어질 것입니다. 이러한 데이터 수집 시스템을 조합 한 핵심 요구 사항은 다양한 데이터 스트림들 사이의 시간적 대응하여 미세하다. 티그의 프로토콜은 다기능 시스템의 전반적인 연결, 시스템 간 신호 및 기록 된 데이터의 시간 동기화를 설명합니다. 구성 요소 시스템의 동기화는 기본적으로 쉽게 선반 구성 요소와 최소한의 전자 조립 기술 오프로 만든 사용자 정의 회로를 사용하여 수행됩니다.

Introduction

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가상 현실 (VR)이 빠르게 동작 인간 연구를 포함한 다수의 분야에서 사용하기위한 액세스 연구 도구가되고있다. 상지 운동의 연구는 특히 VR을 혼입함으로써 유익된다. 가상 현실은 팔의 움직임 컨트롤의 특정 운동 학적 및 동적 기능을 조사하기위한 실험 매개 변수의 빠른 사용자 정의를 허용합니다. 이러한 매개 변수는 개별적으로 각각의 피사체에 대해 조정될 수있다. 예를 들어, 가상 목표물의 위치는 대상에서 동일 초기 암 상태를 확인하기 위해 확장 할 수 있습니다. 5 - 가상 현실은 visuomotor 연구 1에 매우 중요한 도구입니다 실험을하는 동안 시각적 피드백의 조작을 할 수 있습니다.

다른 생체 역학 도구를 사용하여 사실적인 가상 현실 환경에서의 사용은 움직임 패턴을 테스트하여 자연 운동 시나리오를 허용합니다. 이러한 형태는 점점 중요한 있다는연구와 질병과 상해 6,7 후 재활 연습. 임상 환경에서 (가상 부엌에서 동작을 수행하는 등) 모방 움직임과 자연 환경은보다 정확하게 실세계 상황에서 개인의 장애를 설명하는 재활 전문가를 가능하게 할 것이다. 고도로 개인화 손상 설명 잠재적 효능을 증가시키고 회복 기간을 줄일 더 집중 치료 전략을 허용한다.

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Protocol

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실험에 관련된 모든 참가자는 웨스트 버지니아 대학의 임상 시험 심사위원회 (IRB)의 승인을 동의 절차를 거쳐.

1. 전체 시스템의 특성, 디자인, 및 일반 실험 작업

참고 : 전체 설치는 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성되어 있습니다 : EMG 장비 및 디지털 수집 (DAQ) 장비를 연결; 모션 캡쳐 시스템 (이 프로토콜은 능동 LED 시스템을 포함); 그림 -의 개의 코일과 정위 현지화 장비와 TMS 부; 가상 현실 헤드셋 및 관련 컴퓨터 및 소프트웨어; 및 사용자 동기화 회로.도 1은 본 프로토콜 구성 요소 사이의 연결을 설명합니다.

  1. 시스템 구성 요소의 연결
    1. 메인 앰프에 EMG 프리 앰프를 연결합니다.
    2. BNC 또는 이와 유사한 터에 연결을 사용하여 장비의 입력 블록을 기록 DAQ에 EMG 앰프의 출력을 연결합니다TIONS.
    3. 데이터 수집 스크립트 (추가 파일)을 실행합니다 전용 컴퓨터에 DAQ 기록 장치를 연결합니다.
    4. 사용자 정의 회로부 (자세한 내용은 다음 섹션 참조) VR 제어 컴퓨터 병렬 출력을 연결합니다.
    5. 동기화 및 근전도 신호 연결과 함께....

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Results

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이 설정에서 수많은 데이터 스트림의 동기화는 하나가 상지의 운동 과정에서 발생하는 운동, 지속적인 근육 활동 (EMG), 그리고 순간 신경 근육 활동 (유럽 의회 의원)를 기록 할 수 있습니다. 주어진 운동의 반복 실험은 전체 움직임 위에 MEP 응답 정보를 재구성해야한다. 하나에서 수집 4 표시 데이터도 대상.도 4a는 대응하는 동기화 신호 및 이벤트와 단일 시험 중에 이러한 데이터 스트림의 예를 나타낸다. 동기화 이벤트에 대한 신호의 시간 정렬은 신호 분석 소프트웨어 (신호가 공통 시간 앵커 같은 동기화 이벤트를 사용하는 시간에서 "이동"된다)를 사용하여 간단한 사후 절차이다. 신호는 시간 정규화 각 이동 시험의 기간으로 할 수있다. 동기화없이, EMG와 모션 캡쳐 데이터 스트림 GR 같은 시간적 차이를 가질 수있다160-190 밀리로 먹는다. 그러나, 또한 동기화를 이용하여 넓게 TTL 신호를 사용하기 위해, 사용자는 자신의 신호 (본 예에서는 대략 밀리 초)의.......

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Discussion

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이 문서의 목적은 인간의 움직임에 대한 연구와 다양한 데이터 스트림을 동기화하기위한 방법에 VR을 통합하는 방법을 설명하는 것이다. 가상 현실은 실험실 환경에서 실제 이동 시나리오를 다시 시도 연구원의 기능을 확장합니다. 다른 신경 근육 기록 및 자극 방법과 결합 VR 종합적으로 인간의 모터 제어 메커니즘을 연구하기위한 도구의 강력한 제품군을 형성한다. 꼼꼼하게 설계 실험 중 얻은 결과 다차원 데이터 세트는 운동 신경 제어에 대한 우리의 이해를 깊게 할 수 있습니다.

이 시스템의 중요한 특징 중 하나는 공통 VR 생성 이벤트와 전기 생리 및 모션 캡쳐 데이터 스트림을 동기화하는 기능이다. 이 프로토콜에 기재된 정의는 다른 회로 특급의 고유 한 요구를 충족시키기 위해 변경 될 수있는 유연하고 비용 효과적인 토대 역할다른 분야 9 솔루션과 유사한 erimental 패러다임 및 장비,. 공통 동기화 이벤트가 우리 VR 소프트웨어를 동작하는 컴퓨터에서 유래 병렬 .......

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Disclosures

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저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

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이 작품은 NIH 보조금 P20의 GM109098, NSF 및 WVU 사전 스폰서 쉽 프로그램 (VG) 및 WVU 부서 시작 기금에 의해 지원되었다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
경두개 자기 자극기MagstimN/ATMS 자극기 및 코일
Impulse X2PhaseSpaceN/A모션 캡처 시스템
MA300 고급 다중 채널 EMG 시스템모션 랩 시스템MA300-28EMG 프리앰프 및 증폭기
Norotrode EMG 전극MyotronicsN/AEMG 전극
BNC-2111 단일 종단, 차폐된 BNC 커넥터 블록내쇼날인스트루먼트779347-01BNC 커넥터 블록
MXI-Express 컨트롤러가 통합된 NI PXI-1033
5-슬롯 PXI 섀시		NI779757-01DAQ 섀시
NI PXI-6254
16비트, 1 MS/s (다채널), 1.25 MS/s (1 채널), 32 아날로그 입력		내쇼날인스트루먼트779118-01DAQ 카드
SHC68-68-EPM 케이블 (2m)National Instruments192061-02차폐 케이블
DK1 또는 DK2Oculus VR해당 없음Ocuclus Rift 헤드셋
Vizard 5 LiteWorldVizN/A가상 현실 소프트웨어
C1 및 C2 커패시터다양함N/A
R1 및 R2 저항조정N/A적절하게 값 조정
CD4011 NAND 게이트가변N/ANAND 게이트
2N2222 트랜지스터가변N/A트랜지스터
NE555 타이머 회로가변N/A타이머 회로
DB25 및 USB 커넥터가변N/A병렬 및 USB 커넥터
에 맞게 값

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions. Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).
  2. McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R.

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Transcranial Magnetic StimulationElectromyographyMotion CaptureVirtual RealityData SynchronizationHuman Motor ControlNeuromuscular ActivityTemporal AlignmentCustom Synchronization CircuitBiomechanical Signals

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