방법 논문

정밀 그립의 공간 안정성 측정

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DOI:

10.3791/59699

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2020년 6월 4일

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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

이 논문에서

요약

이 프로토콜의 목표는 정밀 그립에서 공간 안정성을 반영하기 위해 고공간 해상도 센서 시트를 사용하여 압력(COP) 교체의 중심을 측정하는 것입니다. 이 프로토콜의 사용은 사람의 생리학 및 병리 생리학의 더 큰 이해에 기여할 수 있었습니다.

초록

프로토콜의 목적은 분산 된 힘 방향이 압력 의 중심 (COP) 교체를 일으키는 생체 역학 적 관계에 따라 핸드헬드 물체를 조작하는 동안 손가락 힘의 방향을 간접적으로 평가하는 것이다. 이를 평가하기 위해 얇고 유연하며 높은 공간 해상도 압력 센서 시트가 사용됩니다. 이 시스템은 힘 진폭과 시간적 조절 외에도 COP 궤적을 측정할 수 있습니다. 일련의 실험은 증가된 궤도 길이가 뇌졸중 환자의 감각 운동 적자를 반영하고, COP 궤적을 감소시키는 것은 노인의 손 그립에서 물체가 미끄러지는 것을 피하기 위한 보상 전략을 반영한다는 것을 발견했습니다. 또한, 이중 작업 간섭에 의해 COP 궤도도 감소될 수 있습니다. 이 문서는 실험 적인 절차를 설명 하 고 손가락 COP 파악의 생리학 및 병리 생리학의 이해에 기여 하는 방법에 대해 설명 합니다.

서론

힘 제어는 정밀 그립의 기본 기초입니다. 파워 그립과 비교하여 정밀 그립은 물체를 조작하는 기능을 반영하는 최소한의 힘 출력을 평가합니다. 여러 감각 모터 시스템은 정밀 그립에 기여합니다. 예를 들어 그립 및 리프트 작업 중에 시각적 정보를 통해 개체의 크기와 모양을 인식할 수 있습니다. 손끝이 물체에 닿은 후, 촉각 신호가 체감각 피질로 전달되어 정밀 그립력을 조절합니다. 그립력(GF)은 손끝이 물체와 접촉할 때 생성되며, 리프팅 단계1동안 증가한다. 물체가 공기 중의 목표 높이에 접근하면 건강한 젊은 성인은 최소한의 GF를 생성하여 손가락 펄프에서 분리 입력을 최적화하고 에너지를 절약합니다. 한편, 노인은 큰 그립력을 사용하여 물체가 그립2에서미끄러지지 않도록 합니다. 뇌졸중 환자에서는 그립력의 발병이 지연되고 감각 및 모터 적자로 인해 안전 마진을 조정할 수있는 능력이 손상됩니다. 과장된 그립력은 감각및 모터 적자를 보상하기 위한 전략적 대응으로 간주됩니다3.

정밀 그립에서 GF 제어를 측정하는 표준 프로토콜은 1980 년대4에서요한슨과 웨스트링에 의해 제안되었다. 부하와 그립력을 동시에 모니터링하는 장치를 개발했습니다. 그 이후로, GF 진폭과 그 시간적 조절은 정밀 그립에 대한 수많은 연구에서 전형적인 운동 매개 변수로 사용되었습니다. 또 다른 운동 매개 변수는 힘 방향5입니다. 힘 방향은 그립과 리프트 힘의 조합으로 인해 발생합니다. 안정적인 정밀 그립을 유지하기 위해서는 엄지손가락과 검지 손가락 사이에 제대로 지시된 그립및 리프트 힘이 생성되어야 하며, 이탈된 힘 방향은 공간 불안정을 유발할 수 있다. 다양한 로드 셀 형 힘 방향 계측기는 잡기 연구에 사용되지만, 이러한 계측기는 일상 생활에 사용되는 다양한 크기와 모양의 물체를 조작하는 그립 력 제어를 모니터링하는 측면에서 한계가 있습니다. 따라서 그립 력 제어와 일일 기능 간의 관계를 조사하기 위해서는 유연하고 부착 가능한 센서가 필수적입니다.

이 프로토콜의 목적은 분산된 힘 방향이 압력 센터(COP) 교체를 유발하는 생체 역학 적 관계에 기초하여 물체를 조작하는 동안 손가락 힘 방향을 간접적으로 평가하는 것이다. COP는 모든 힘의 중심이며 센서 시트에서 힘이 어떻게 균형을 이루는지를 나타냅니다. 그립 력 제어를 평가하기 위해 COP의 사용은 먼저 Augurelle 외 에 의해제안되었다. 6. 그들은 코핀 피드백의 역할을 조사하기 위해 COP 변위를 모니터링하고 탈피 된 COP가 디지털 마취 후 발생했다는 것을 발견했습니다. 그러나, COP 변위는 그들의 연구 결과에서 수직으로만 감시되었습니다; 따라서 3차원 공간에서 의 COP 변위가 적절히 평가되지 않았다. 이러한 한계를 해결하기 위해 얇고 유연하며 높은 공간 분해능 압력 센서 시트가 COP.비교적 높은 공간 해상도 센서(cm2당 60~100점)를 측정하여 그립력 제어를 측정하였으나최근공간 해상도(cm2당 248점)를 측정하여 공간 안정성을 정량화하는 파라미터로서 COP 궤적을 측정할 수 있도록 하였다. 이 논문은 실험 적인 절차를 설명하고 손가락 COP가 잡기의 생리학 및 병리 생리학의 이해에 어떻게 기여하는지 설명합니다.

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프로토콜

본 논문에 있는 일련의 연구 결과는 인간 과목을 관련시키는 의학 연구를 위한 군마 대학 윤리 검토 위원회에 의해 승인되었습니다.

참고: 참가자의 포함 기준은 최소한의 힘의 사용과 엄지 와 검지 손가락으로 작업을 수행하는 기능을 이해하는 기능이었습니다. 배제 기준은 실험의 목적에 따라 선택되었다.

1. 장비 준비

  1. 두 개의 센서 커넥터 케이블을 컴퓨터의 USB 포트에 연결합니다. 센서 커넥터에 부착된 레버를 당기고 센서의 탭을 삽입 슬롯에 삽입합니다. 연결된 레버를 원래 위치로 반환합니다.
  2. 컴퓨터에서 센서 소프트웨어를 엽니다. 센서 시트가 올바르게 연결되면 실시간 압력 분포 맵이 모니터에 자동으로 표시되는지 확인합니다.
  3. 압력 조정
    1. 센서 시트의 감지 영역을 하나씩 압축기 장비에 삽입합니다.
    2. 압축기 컨트롤러의 공기 밸브를 켜고 압력을 가하기 시작합니다. 레귤레이터를 운영하고 적절한 부하 값(예: 172 kPa)에 조정하여 컨트롤러의 표시기를 확인합니다. 센서 시트의 전체 영역이 모니터에 동일하게 가압되었는지 확인합니다.
  4. 센서 시트에 압력을 가하는 동안 평형 및 교정을 수행합니다.
    참고: 평형은 센서 셀의 반응성을 균등하게 조정하는 작업입니다. 교정은 센서 시트(raw sum)의 압력을 중량 단위(그램 또는 뉴턴)로 변환하여 표시하는 작업입니다. 두 참가자에 대한 데이터 수집을 시작하기 전에 센서 시트에 대해 모두 수행해야 합니다.
    1. 도구 선택 | 소프트웨어 기본 창에 대한 평형. 평형-1을 클릭 | 평형 대화 상자에서 시작합니다. 대화 상자의 평형을 확인하고 평형 창이 회색으로 변경되어 있는지 확인합니다.
    2. 평형 대화 상자에 Eq. 파일 저장을 클릭하여 평형 설정을 저장합니다. 평형 파일 이름을 입력하고 대화 상자 저장을 클릭합니다.
    3. 다음으로 도구를 선택하여 교정을 수행 | 교정. 추가를 클릭하고 적용 힘 상자에서 부하값(134.33 N)을 입력합니다.
    4. 대화 상자에서 시작 단추를 클릭합니다. 교정 결과 보정 대화 상자가 있는지 확인하고 교정이 올바르게 수행된지 확인합니다. 뉴턴의 값은 134.33으로 표시되고 교정이 올바르게 수행된 경우 로드된 셀의 값이 사용되는 센서 시트의 값과 일치합니다.
    5. 그런 다음 Cal. File 을 클릭하여 교정 설정을 저장합니다. 교정 파일 이름을 입력하고 대화 상자 저장을 클릭합니다. 평형 및 교정 후 컨트롤러의 공기 밸브를 끄고 압축기에서 센서 시트를 추출합니다.

2. 측정

  1. 준비
    1. 각 장치를 연결하고 1.1 단계에 따라 소프트웨어를 시작합니다. 및 1.2. 센서 시트가 케이블을 통해 동시에 연결될 때 각 센서 시트에 대한 두 개의 실시간 압력 분배 맵이 표시되어 있는지 확인합니다.
      참고: 이 실험에서는 각각 엄지와 검지 손가락을 측정하려면 두 개의 센서 시트가 필요합니다. 섹션 1.4에 설명된 절차에 따라 각각에 대해 평형 및 교정을 수행해야 합니다.
    2. 1.4.2 단계에서 생성된 평형 및 교정 파일을 기억하십시오. 및 1.4.5. 실시간 압력 분포 맵이 활성화되면 도구를 선택 | 적재 평형 파일. 평형 파일을 선택하고 열립니다. 그런 다음 도구를 선택 | 캘리브레이션 파일로드. 교정 파일을 선택하고 열기를 클릭합니다. 교정 파일을 로드한 후 실시간 압력 분포 맵이 뉴턴에 표시되는지 확인합니다. 두 맵 각각에 대해 위의 작업을 수행합니다.
    3. 양면 테이프를 사용하여 두 센서 시트의 압력에 민감한 부품을 철 큐브의 양쪽에 부착합니다. 센서 시트가 손상되지 않도록 하기 위해 3-5mm 길이의 테이프를 자르고 철 큐브 바깥쪽에 있는 네 개의 모서리에 놓습니다. 센서 시트의 표면이 외부에 있는지 확인합니다.
    4. 측정 하기 전에 테이블에 설정 스탠드 위에 철 큐브를 배치 합니다.
    5. 측정 환경을 정렬한 후 동영상 프레임, 기간 및 주파수에 대한 기록 설정을 수정합니다. 옵션 선택 | 획득 매개 변수 명령입니다. 데이터 수집 매개 변수 대화 상자에서 동영상 프레임에 36000, 기간에 0.01, 주파수에서 100을 입력합니다. 확인을 클릭하고 대화 상자를 닫습니다.
  2. 측정 시작
    참고: 그림 1은 그립 및 리프트 작업을 보여 줍니다.
    1. 참가자가 테이블 앞에 앉아서 테이블 높이를 조정하십시오 (참가자의 어깨 관절 굴곡 0° 및 팔꿈치 관절 굴곡 90° 위치). 테이블에 있는 미드세이탈 평면의 참가자로부터 30cm 의 설정 으로 아이언 큐브를 설정합니다. 술 면봉이나 수건으로 참가자의 손가락 펄프를 닦아냅니다.
    2. 참가자에게 다음과 같이 구두 지침을 제공합니다: "엄지와 검지 손가락으로 최소한의 힘을 사용하여 센서 시트가 부착된 철 큐브의 양쪽을 파악하십시오. 그 후, 설정 스탠드 위에 약 5cm 를 들어 올려 5-7 s를 잡고 설정 스탠드에 다시 놓습니다."
    3. 참가자가 준비된 경우 도구 모음에서 레코드를 클릭하여 작업을 시작하고 녹음을 시작하는 단서를 제공합니다. 기록하는 동안 COP를 모니터링하는 힘 궤적 센터를 클릭합니다. 작업이 끝나면 도구 모음에서 중지를 클릭합니다. 녹화 후 파일을 선택하여 동영상 데이터를 저장 | 로 영화를 저장합니다. 동영상 파일 이름을 입력하고 대화 상자에 저장을 클릭합니다.
      참고: 철 큐브의 무게, 리프트 수 및 작업 사이의 간격은 실험 및 작업 난이도의 목적에 따라 고려해야 합니다.
  3. 실험의 목적에 따라 측정 조건을 변경합니다. 예를 들어 그립 및 리프트 작업에서 이중 작업 간섭의 효과를 조사하려면 간섭 유형에 따라 측정 조건을 다음과 같이 조정합니다.
    1. 자세 간섭의 경우 참가자가 테이블 앞에 서서 테이블 높이를 조정합니다. 참가자에게 다음과 같이 구두 지침을 제공합니다 : "한 쪽 다리에 서서 엄지와 검지 손가락으로 최소한의 힘을 사용하여 설정 스탠드 위의 약 5cm 의 철 큐브를 들어 올립니다. 5-7 s를 잡고 설정 스탠드에 다시 놓습니다."
    2. 시각적 간섭의 경우 참가자가 테이블 앞에 앉아서 테이블 높이를 조정해야 합니다. 참가자에게 다음과 같이 구두 지침을 주십시오: "눈을 감습니다. 엄지와 검지 손가락으로 최소한의 힘을 사용하여 설정 스탠드 위로 약 5cm 높이의 아이언 큐브를 들어 올립니다. 5-7s를 잡고 설정 스탠드에 다시 놓습니다." 참가자가 눈을 감기 전에 0.5 N을 초과하지 않고 센서를 만질 수 있습니다.
    3. 인지 간섭의 경우 참가자가 테이블 앞에 앉아서 테이블 높이를 조정해야 합니다. 참가자에게 다음과 같이 구두 지침을 제공합니다: "계산 작업으로, 지속적으로 7에서 100을 가능한 한 정확하게 뺍니다. 계산을 수행하는 동안 엄지와 검지 손가락으로 최소한의 힘을 사용하여 설정 스탠드 위의 철 큐브를 약 5cm 들어 올립니다. 5-7s를 잡고 설정 스탠드에 다시 놓습니다."
    4. 반대로 손 이동간섭(도 2)의경우 참가자가 테이블 앞에 앉아서 테이블 높이를 조정합니다. 아이언 큐브 옆에 있는 미드세이탈 평면에 참가자로부터 30cm 의 페그 보드를 놓고 작업 난이도를 조정하기 위해 못의 크기와 수를 고려합니다. 참가자에게 다음과 같이 구두 지침을 제공합니다: "엄지와 검지 손가락을 사용하여 최소한의 힘으로 철 큐브를 조작하십시오. 한 손으로 설정 스탠드 위에 약 5cm 의 아이언 큐브를 들어 올리고 잡고 다른 손으로 페그를 반전시다. 반대쪽 손을 사용하여 반복합니다."

3. 데이터 분석

  1. 그립력 분석
    1. 컴퓨터에서 소프트웨어를 시작합니다. 파일 클릭 | 동영상을 열고분석을 위해 영화 파일을 선택하고 엽니다.
    2. 기록된 압력 분포 맵이 나타나면 맵에서 여러 창 보기를 클릭하고 그래프 1 창을 참조하십시오. 각 리프트에 하중(그립 력)이 적용되기 시작하는 시간을 찾아 이 그래프를 참조하여 시간을 기록합니다.
    3. 그런 다음 그립 력 데이터를 ASCII 형식으로 저장합니다. 파일 선택 | 그래프 1 창을 활성화한 후 ASCII를 저장합니다. 개체 그래프 1 대화 상자에서 파일 이름이 있는 창창을 선택하고 ASCII 저장을 클릭합니다. 대화 상자에서 힘 저장, 압력 및 영역 값을 선택합니다. Y축 상자의 힘, X축 상자의 시간 및 Y 모드의 절대체를 지정합니다. 속성 대화 상자에서 확인을 클릭합니다. ASCII 파일 이름을 입력하고 대화 상자에 저장을 클릭합니다.
    4. 손가락 펄프와 센서 시트 사이의 접촉 영역에 대한 정보가 필요한 경우 Y축 상자에 연락처 영역을 지정하고 확인을 클릭합니다. ASCII 파일 이름을 입력하고 대화 상자에 저장을 클릭합니다.
    5. 다음으로 동영상 파일을 엽니다. 파일이 스프레드시트 형식으로 열리고 프레임, 시간, 절대 시간, 원시 합계 및 힘이 기록되어 있는지 확인합니다. 3.1.2 단계에서 언급된 시간을 참조하여 부하가 적용되기 시작하는 셀을 찾습니다. 부하 값이 증가하기 시작하고 힘 행에서 0.5N을 초과합니다.
    6. 범위에서 사용되는 총 그립력을 계산하여 힘 줄에 적용된 셀의 값의 합입니다.
  2. 압력 중심 분석
    1. 소프트웨어를 시작합니다. 파일 클릭 | 동영상을 열고분석을 위해 영화 파일을 선택하고 열립니다.
    2. 압력 분포 맵이 활성화되면 앞으로 재생을 클릭하여 동영상을 재생합니다. 압력 분포 맵에 COP 궤적이 나타나는지 확인합니다. COP가 다음 프레임 또는 이전 프레임을 사용하여 각 리프트에 나타나기 시작하는 프레임을 찾습니다. 그런 다음 프레임 번호를 유의하십시오.
    3. 그 후, ASCII 형식으로 COP 데이터를 저장합니다. 파일 선택 | 배포 맵을 활성 상태로 ASCII를 저장합니다. 데이터 형식 대화 상자와 전체 동영상 대화 상자에서 힘 중심을 지정합니다. 속성 대화 상자에서 확인을 클릭합니다. ASCII 파일 이름을 입력하고 대화 상자에 저장을 클릭합니다.
    4. 다음으로 동영상 파일을 엽니다. 스프레드시트 형식과 댓글 프레임, 시간, 절대 시간, 행, 콜 및 원시 합계로 파일이 열리는지 확인합니다. 3.2.2.2단계에서 언급된 프레임을 참조하면 COP가 나타나기 시작하는 셀(1)을 찾습니다.
    5. 프레임 사이의 COP 궤적 길이를 계산합니다. COP가 나타나기 시작하는 프레임을 포함하여 행 후 셀(2)을 선택합니다. 다음 계산 공식을 삽입합니다. (=SQRT((행 셀(2) -행 셀(1))^2+(콜 셀(2) -Col 셀(1))^2). 범위의 프레임 사이의 COP 궤적 길이의 합은 해당 범위 내에서 총 COP 궤적입니다.
      참고: 그래프 1 창에서 세로 선은 로드 값(N)을 표시하고 가로 선은 시간(들)을 표시합니다. 이 부하 값은 그립 력에 해당합니다. ASCII 형식으로 저장된 데이터는 스프레드시트 및 텍스트 편집기와 같은 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다. 이 실험에서 참가자들은 5-7s의 큐브를 작업에서 개최하도록 지시받았기 때문에 그립 력과 COP 궤적을 계산하여 첫 등장에서 4 초 동안 기록했습니다. COP 데이터의 스프레드 시트에서, X-및 Y축 좌표에 대한 COP의 위치는 값으로 표시됩니다.

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결과

여러 연구는 개체의 조작 중에 손가락 력을 측정하기 위해 실험 프로토콜과 두 개의 운동 매개 변수 (COP 궤적 및 GF)를 도입했다. 이전 연구에서는, 뇌졸중 환자에서 COP 궤적 증가 발견9. 자궁 경부 골수증 환자에서, GF는 칼압력 임계값 및 상부 말단기능(10)과상관관계가 있다. 건강한 젊은 피험자에서, GF는 인지 간섭으로 증가11. 유사한 과장된 GF는 반대로 손 이동 간섭에서 발견되었다. 도 3은 대표적인 청년 및 노인을 위한 단일 및 이중 작업에서 지배적인 검지 손가락의 COP 궤적 및 GF 흔적을 나타낸다. GF는 반대로 손 이동 간섭에서 증가. 반면, COP 궤적(미게시 데이터)은 감소하는 경향이 있었습니다.

구리하라 외9는 뇌졸중 환자에...

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토론

이 실험 절차는 유연한 압력 센서 시트가 정밀 그립 동안 공간 안정성을 평가하는 데 유용할 수 있다는 증거를 제공합니다. 변경된 그립력 방향은 손가락 미끄러짐과 같은 공간 불안정을 파악하는 것을 나타냅니다. 그러나, 기존 로드 셀 형 힘 방향 계측기는 자연스러운 그립 이동을 보장하는 측면에서 한계가 있다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 생체 역학 적 관계를 기반으로 손가락 펄프와 접촉 면 사이의 영역의 COP 궤적을 모니터링했습니다. 결과는 COP 변위가 이탈한 힘 방향에 기인한다는 것을 건의합니다. 따라서, 연구 결과는 COP 궤적 길이가 정밀 그립에서 공간 안정성을 평가하기 위한 유용한 운동 파라미터임을 발견했다.

실험의 결과에 영향을 미치는 중요한 요소는 실험 프로토콜에 대한 각 참가자의 이해였습니다. 참가자가 실험의 목적을 이해하지 못하는 경우 공간 불안정을 피하기 위해 상대적으로 큰 GF를 사용하는 경향이 있었습니다. 의도적으로 과장된 GF는 정밀 그립의 평가를 방...

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공개 사항

저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

감사의 글

니시다 티씨(기술자, 영업부, 장치 성능 재료사업부, 일본 오사카 니타 주식회사) 기술 지원에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
알코올 면봉닦음 참가자' s finger pulps
압축기Nitta Corporation시트에 압력을 가합니다
압축기
컨트롤러Nitta Corporation압축기를 조작하는 데 사용
양면 테이프센서 시트를 아이언 큐브에 부착하는 데 사용
Iron cube Iron cube150-250g, 30× 30&타임스; 30mm
센서 커넥터센서 시트를 컴퓨터에 연결합니다.
센서 시트압력 매핑 센서 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
설정 스탠드측정하는 동안 아이언 큐브를 놓습니다
. I-SCAN 5027, Ver. 7.51닛타 주식회사
테이블측정에 사용
압축기의 센서 의 컴퓨터

참고문헌

  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).
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