Methodenartikel

Meting van ruimtelijke stabiliteit in precisiegrip

3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/59699

⸱

4 juni 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Het doel van dit protocol is om het centrum van druk (COP) vervanging te meten met behulp van een hoge ruimtelijke resolutie sensor blad om de ruimtelijke stabiliteit in een precisie grip weer te geven. Het gebruik van dit protocol zou kunnen bijdragen tot een beter begrip van de fysiologie en pathofysiologie van het grijpen.

Samenvatting

Het doel van het protocol is om indirect de richting van de vingerkracht te evalueren tijdens manipulatie van een handobject op basis van de biomechanische relaties waarin afgeweken krachtrichting centrum van drukvervanging (COP) veroorzaakt. Om dit te evalueren, wordt een dunne, flexibele en hoge ruimtelijke resolutie druksensorplaat gebruikt. Het systeem maakt het mogelijk om het COP-traject te meten naast de krachtamplitude en de temporele regulatie ervan. Een reeks experimenten wees uit dat een verhoogde baanlengte een sensorimotorische tekort weerspiegelde bij beroertepatiënten, en dat het verminderde COP-traject een compenserende strategie weerspiegelt om te voorkomen dat een object uit de handgreep bij ouderen glijdt. Bovendien zou het COP-traject ook kunnen worden verminderd door dubbele taakinterferentie. Dit artikel beschrijft de experimentele procedure en bespreekt hoe vinger COP bijdraagt aan een goed begrip van de fysiologie en pathofysiologie van het grijpen.

Inleiding

Force control is de basis van precisiegrip. In vergelijking met power grip, precisie grip evalueert de minimale kracht output weerspiegelt de mogelijkheid om een object te manipuleren. Meerdere sensorimotorsystemen dragen bij aan precisiegrip. Tijdens een grip- en lifttaak maakt visuele informatie bijvoorbeeld de perceptie van de grootte en vorm van het object mogelijk. Nadat de vingertoppen het object hebben aangeraakt, worden tactiele signalen naar de somatosensorische cortex geleverd om de precisiegreepkracht aan te passen. Gripkracht (GF) wordt gegenereerd wanneer de vingertoppen contact maken met het object en deze toeneemt tijdens de hijsfase1. Wanneer een object de doelhoogte in de lucht nadert, produceren gezonde jonge volwassenen de minimale GF om cutane input van de vingerpullen te optimaliseren en energie te besparen. Aan de andere kant, oudere volwassenen gebruiken een grote grip kracht om te voorkomen dat het object glijden uit hun greep2. Bij beroertepatiënten wordt het begin van de gripkracht vertraagd en wordt de mogelijkheid om de veiligheidsmarge aan te passen aangetast als gevolg van sensorische en motorische tekorten. Overdreven grip kracht wordt beschouwd als een strategische reactie ter compensatie van sensorische en motorische tekorten3.

Het standaardprotocol voor het meten van GF-controle in precisiegrip werd voorgesteld door Johansson en Westling in de jaren 19804. Ze ontwikkelden een apparaat om zowel de belasting als de gripkrachten tegelijkertijd te monitoren. Sindsdien zijn GF amplitude en de temporele regulatie ervan gebruikt als typische kinetische parameters in tal van studies over precisiegrip. Een andere kinetische parameter is de krachtrichting5. De krachtrichting vloeit voort uit een combinatie van grip en hefkrachten. Om stabiele precisiegreep te behouden, moeten goed gerichte grip- en hefkrachten tussen duim en wijsvinger worden gegenereerd en kan de afwijkende krachtrichting ruimtelijke instabiliteit veroorzaken. Hoewel verschillende load cell-type kracht richting instrumenten worden gebruikt in het grijpen studies, deze instrumenten hebben een beperking in termen van het toezicht op de grip kracht controle in het manipuleren van objecten van verschillende grootte en vormen die worden gebruikt in het dagelijks leven. Zo is een flexibele en attachable sensor essentieel om de relaties tussen gripkrachtcontrole en dagelijkse functies te onderzoeken.

Het doel van dit protocol is om indirect de vingerkrachtrichting te evalueren tijdens manipulatie van een object op basis van de biomechanische relatie waarin afwijkende krachtrichting centrum van druk (COP) vervanging veroorzaakt. De COP is het centrum van alle krachten, en vertegenwoordigt hoe de krachten in evenwicht zijn op de sensor plaat. Het gebruik van COP om grip force control te evalueren werd voor het eerst voorgesteld door Augurelle et al.6. Ze controleerden cop verplaatsing om de rol van cutane feedback te onderzoeken en vond dat afgeweken COP opgetreden na digitale anesthesie. Cop-verplaatsing werd echter alleen verticaal gecontroleerd in hun studie; daarom is de COP-verplaatsing in een driedimensionale ruimte niet voldoende geëvalueerd. Om deze beperking op te lossen werd een dunne, flexibele en hoge ruimtelijke resolutie druksensor gebruikt om COP te meten. Relatief hoge sensor met een ruimtelijke resolutie (~60-100 punten per cm2)om gripkrachtcontrole te meten is gebruikt7,8, maar recente vooruitgang in ruimtelijke resolutie (248 punten per cm2) maakt het meten van het COP-traject mogelijk als parameter om ruimtelijke stabiliteit te kwantificeren. Dit document beschrijft de experimentele procedure en bespreekt hoe vinger COP bijdraagt aan het begrip van de fysiologie en pathofysiologie van het grijpen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

De reeks studies in het onderhavige document werden goedgekeurd door Gunma University Ethical Review Board for Medical Research Involving Human Subjects.

OPMERKING: Inclusiecriteria voor deelnemers waren de mogelijkheid om het gebruik van minimale kracht te begrijpen en de mogelijkheid om de taak uit te voeren met de duim en wijsvinger. Uitsluitingscriteria werden geselecteerd op basis van het doel van de experimenten.

1. Voorbereiding van de uitrusting

  1. Sluit twee sensorconnectorkabels aan op de USB-poorten van een computer. Trek de hendel op die aan de sensorconnector is bevestigd en plaats het tabblad van de sensor in de invoegsleuf. Breng de bijgevoegde hendel terug naar zijn oorspronkelijke positie.
  2. Open de sensorsoftware op een computer. Zorg ervoor dat real-time drukverdelingskaarten automatisch op de monitor worden weergegeven wanneer de sensorbladen correct zijn aangesloten.
  3. Drukaanpassing
    1. Plaats het sensorgebied van de sensorplaat één voor één in een compressorinstallatie.
    2. Zet de luchtklep van de compressorregelaar aan en begin druk uit te oefenen. Bedien de regelaar en pas aan de juiste belastingswaarde (d.w.z. 172 kPa) om de indicator op de controller te controleren. Zorg ervoor dat het hele gebied van de sensorplaat gelijkmatig op de monitor staat.
  4. Voer tijdens het uitoefenen van druk op de sensorplaten evenwicht en kalibratie uit.
    OPMERKING: Equilibration is een bewerking om de reactiviteit van de sensorcellen gelijk aan te passen. Kalibratie is een bewerking om de druk op de sensorplaat (ruwe som) om te zetten in een gewichtseenheid (gram of Newton) en deze weer te geven. Beide moeten worden gedaan voor de sensor blad voordat het verzamelen van gegevens voor elke deelnemer.
    1. Gereedschap selecteren | Evenwicht op het hoofdvenster van de software. Klik op Equilibrate-1 | Begin in het dialoogvenster Evenwicht. Schakel het evenwichtsresultaat in het dialoogvenster in en bevestig het venster van evenwichtswijzigingen van kleur naar grijs.
    2. Sla de evenwichtsinstellingen op door op Eq. Bestand opslaan in het dialoogvenster Evenwicht op te slaan. Voer de naam van het evenwichtsbestand in en klik op Opslaan in het dialoogvenster Opslaan als.
    3. Vervolgens kalibratie uitvoeren door Gereedschappen te selecteren | Kalibratie. Klik op Toevoegen en voer de belastingswaarde(134.33 N)in het vak Toegepaste kracht in.
    4. Klik op de knop Start in het dialoogvenster. Controleer het kalibratieresultaat in het kalibratiedialoogvenster en controleer of de kalibratie correct is uitgevoerd. de waarde van Newton wordt weergegeven als 134.33 en de waarde van geladen cellen komt overeen met die van de sensorplaten die worden gebruikt als de kalibratie correct is uitgevoerd.
    5. Sla daarna de kalibratie-instelling op door op Cal. bestand opslaante klikken. Voer de naam van het kalibratiebestand in en klik op Opslaan in het dialoogvenster Opslaan als. Schakel na de equilibratie en kalibratie de luchtklep op de regelaar uit en haal de sensorplaat uit de compressor.

2. Meting

  1. Voorbereiding
    1. Sluit elk apparaat aan en start de software op volgens stap 1.1. en 1.2. Zorg ervoor dat twee real-time drukverdelingskaarten voor elk sensorblad worden weergegeven wanneer de sensorplaten tegelijkertijd via de kabel worden aangesloten.
      OPMERKING: In dit experiment zijn twee sensorbladen nodig om respectievelijk de duim en wijsvinger te meten. Het is noodzakelijk om voor elk van hen evenwicht en kalibratie uit te voeren volgens de in punt 1.4 beschreven procedures.
    2. De in stap 1.4.2 gemaakte bestanden voor evenwicht en kalibratie in herinnering roepen. en 1.4.5. Als de real-time drukverdelingskaart actief is, selecteert u Gereedschappen | Taakverdelingsbestandladen . Selecteer het evenwichtsbestand en klik op Openen. Selecteer vervolgens Gereedschappen | Kalibratiebestand laden. Selecteer het kalibratiebestand en klik op Openen. Zorg ervoor dat de real-time drukverdelingskaart wordt weergegeven in Newtons na het laden van kalibratiebestand. Voer het bovenstaande uit voor elk van de twee kaarten.
    3. Bevestig de drukgevoelige delen van de twee sensorplaten aan beide zijden van de ijzeren kubus met dubbelzijdige tape. Om te voorkomen dat de sensorplaten beschadigd raken, snijdt u 3−5 mm lengtes tape en plaatst u deze op de vier hoeken aan de buitenkant van de ijzeren kubus. Zorg ervoor dat het oppervlak van de sensorplaat zich aan de buitenkant bevindt.
    4. Plaats de ijzeren kubus op een instelling staan op een tafel voor de meting.
    5. Nadat u de meetomgeving hebt ingesteld, moet u de opname-instellingen voor de filmframes, de periode en de frequentie herstellen. Selecteer de opties | Opdracht Acquisitieparameter. Voer in het dialoogvenster gegevensverwerving 36000 in de filmframes, 0,01 in de periode en 100 in de frequentie in. Klik op OK en sluit het dialoogvenster.
  2. De meting starten
    OPMERKING: Figuur 1 toont een grip- en lifttaak.
    1. Laat de deelnemer voor een tafel zitten en de tafelhoogte aanpassen (schoudergewrichtflexie 0° en ellebooggewrichtsflexie 90° positie). Zet de ijzeren kubus en de instelling staan 30 cm van de deelnemer in het midsagittale vlak op de tafel. Veeg de vingerpullen van de deelnemer af met een alcoholuitstrijkje of towelette.
    2. Geef de deelnemer als volgt mondelinge instructies: "Gebruik minimale kracht met uw duim en wijsvinger om beide zijden van de ijzeren kubus waaraan de sensorbladen zijn bevestigd te grijpen. Til hem daarna ongeveer 5 cm boven de instellingsstandaard op, houd hem 5-7 s vast en plaats hem vervolgens terug op de stand."
    3. Als de deelnemer klaar is, geeft u hem een aanwijzing om de taak te starten en start u een opname door op Opnemen op de werkbalk te klikken. Klik op Center Of Force Trajectory om de COP te controleren tijdens het opnemen. Wanneer de taak is afgelopen, klikt u op Stoppen op de werkbalk. Sla na de opname de filmgegevens op door Bestand te selecteren | Film opslaan als. Voer de naam van het filmbestand in en klik op Opslaan in het dialoogvenster.
      OPMERKING: Het gewicht van de ijzeren kubus, het aantal liften en het interval tussen taken moeten worden overwogen op basis van het doel van het experiment en de moeilijkheidsgraad van de taak.
  3. Wijzig de meetomstandigheden op basis van het doel van het experiment. Als u bijvoorbeeld het effect van dubbele taakinterferentie in een grip- en lifttaak wilt onderzoeken, past u de meetomstandigheden als volgt aan, afhankelijk van het type storing.
    1. Voor posturale interferentie, laat de deelnemer voor een tafel staan en de tafelhoogte aanpassen. Geef de deelnemer als volgt mondelinge instructies: "Ga op één been staan en gebruik minimale kracht met je duim en wijsvinger om de ijzeren kubus ongeveer 5 cm boven de instellingsstandaard op te tillen. Houd hem 5-7 s vast en plaats hem vervolgens terug op de stand."
    2. Voor visuele interferentie, laat de deelnemer voor een tafel zitten en de tafelhoogte aanpassen. Geef de deelnemer mondelinge instructies als volgt: "Sluit je ogen. Gebruik minimale kracht met uw duim en wijsvinger om de ijzeren kubus ongeveer 5 cm boven de instellingsstandaard op te tillen. Houd hem 5-7 s vast en plaats hem terug op de stand." Laat de deelnemers de sensoren aanraken zonder meer dan 0,5 N te overschrijden voordat ze hun ogen sluiten.
    3. Voor cognitieve interferentie, laat de deelnemer voor een tafel zitten en de tafelhoogte aanpassen. Geef de deelnemer mondelinge instructies als volgt: "Als berekeningstaak trek je 7 continu zo nauwkeurig mogelijk af van 100. Gebruik tijdens het uitvoeren van de berekening minimale kracht met uw duim en wijsvinger om de ijzeren kubus ongeveer 5 cm boven de instellingsstandaard op te tillen. Houd hem 5-7 s vast en plaats hem terug op de stand."
    4. Voor contralaterale handbeweging interferentie (Figuur 2), hebben de deelnemer zitten voor een tafel en de tafel hoogte aan te passen. Plaats het peg-bord op 30 cm van de deelnemer in het middenvlak naast de ijzeren kubus en houd rekening met de grootte en het aantal pinnen om de taakmoet aan te passen. Geef de deelnemer als volgt mondelinge instructies: "Manipuleer de ijzeren kubus met minimale kracht met uw duim en wijsvinger. Til en houd de ijzeren kubus ongeveer 5 cm boven de instellingsstandaard met één hand en keer de pin om met de andere hand. Herhaal dit met de andere hand."

3. Gegevensanalyse

  1. Analyse van de gripkracht
    1. Start de software op de computer. Klik op Bestand | Open Film,selecteer het filmbestand voor analyse en Open.
    2. Als de geregistreerde drukverdelingskaart wordt weergegeven, klikt u op Meerdere vensterweergave op de kaart en verwijst u door in het venster Grafiek 1. Zoek het punt in de tijd dat de belasting (gripkracht) begint te worden toegepast in elke lift, en let op de tijd met betrekking tot deze grafiek.
    3. Sla daarna de gripkrachtgegevens op in ASCII-indeling. Bestand selecteren | Sla ASCII op nadat het venster grafiek 1 is geactiveerd. Selecteer in het dialoogvenster objectgrafiek 1 deelvensters met de bestandsnaam en klik op ASCII opslaan. Selecteer in het dialoogvenster Waarden kracht, druk en gebied opslaan. Geef Kracht op in het vak Y-as, Tijd in het vak X-as en Absoluut in de Y-modus. Klik op OK in het eigenschappenvenster. Voer de ASCII-bestandsnaam in en klik op Opslaan in het dialoogvenster.
    4. Als informatie over de contactgebieden tussen vingerpullen en sensorbladen nodig is, geeft u Contactgebied op in het vak Y-as en klikt u op OK. Voer de ASCII-bestandsnaam in en klik op Opslaan in het dialoogvenster.
    5. Open vervolgens het filmbestand. Controleer of het bestand is geopend in spreadsheetindeling en Frames, Tijd, Absolute tijd, Raw Sum en Force worden genoteerd. Zoek met betrekking tot de tijd die in stap 3.1.2 is vermeld, een cel waarop de belasting begint te worden toegepast; de belastingswaarden beginnen te stijgen en hoger te zijn dan 0,5N in de force row.
    6. Bereken de totale gripkracht die wordt gebruikt in een bereik, de som van de waarden uit de cel die in de krachtlijn is toegepast.
  2. Analyse van het drukcentrum
    1. Start de software. Klik op Bestand | Open Film,selecteer het filmbestand voor analyse en klik op Openen.
    2. Als de drukverdelingskaart actief is, klikt u op Naar voren afspelen om de film af te spelen. Zorg ervoor dat het COP-traject op de drukverdelingskaart wordt weergegeven. Zoek het frame dat de COP in elke lift begint te verschijnen met Next Frame of Previous Frame, de opdrachten om de frames vooruit of achteruit te bewegen. Houd dan rekening met dat framenummer.
    3. Sla daarna de COP-gegevens op in ASCII-indeling. Bestand selecteren | Sla ASCII op met de distributiekaart actief. Geef Het forcerencentrum op in het dialoogvenster gegevenstype en Hele film in het dialoogvenster Filmbereik. Klik op OK in het eigenschappenvenster. Voer de ASCII-bestandsnaam in en klik op Opslaan in het dialoogvenster.
    4. Open vervolgens het filmbestand. Controleer of het bestand wordt geopend in spreadsheetindeling en OPMERKINGEN Frame, Tijd, Absolute tijd, Rij, Col en Raw Sum worden genoteerd. Met betrekking tot het frame dat in stap 3.2.2 is vermeld, zoekt u een cel (1) die de COP begint te verschijnen.
    5. Bereken de COP-trajectlengte tussen frames. Selecteer een cel (2) na de rij inclusief het frame dat de COP begint te verschijnen. De volgende berekeningsformule invoegen: (=SQRT((Rijcel (2) -Rijcel (1))^2+(Col cel (2) -Col cel (1))^2). De som van de COP-trajectlengte tussen frames in een bereik is het totale COP-traject binnen dat bereik.
      OPMERKING: In het venster grafiek 1 toont de verticale lijn de belastingswaarde (N) en de horizontale lijn de tijd (en). Deze belastingswaarde komt overeen met de gripkracht. Gegevens die zijn opgeslagen in de ASCII-indeling, kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals spreadsheets en teksteditors. In dit experiment kregen de deelnemers de opdracht om de kubus voor 5-7 s in de taak te houden, zodat de gripkracht en cop-baan werden berekend en geregistreerd voor 4 s vanaf hun eerste verschijning. In het spreadsheet van de COP-gegevens wordt de positie van de COP op X- en Y-ascoördinaten weergegeven als een waarde.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Verschillende studies hebben experimentele protocollen en twee kinetische parameters (het COP-traject en de GF) geïntroduceerd om vingerkracht te meten tijdens manipulatie van een object. In eerdere studies bleek dat het COP-traject toenam bij beroertepatiënten9. Bij cervicale myelopathiepatiënten correleerde de GF met de cutane drukdrempel en de bovenste extremiteitsfunctie10. Bij gezonde jonge proefpersonen steeg de GF met cognitieve interferentie11

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Deze experimentele procedure levert het bewijs dat een flexibele druksensor plaat nuttig kan zijn voor het evalueren van ruimtelijke stabiliteit tijdens precisiegrip. Veranderde grip kracht richting staat voor het grijpen van ruimtelijke instabiliteit, zoals een vinger slip. Echter, bestaande load cell-type kracht richting instrumenten hebben een beperking in termen van het waarborgen van een natuurlijke reach-to-grip beweging. Om dit technische probleem op te lossen, werd het COP-traject van het gebied tussen de vingerp...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

Wij danken de heer T. Nishida (technicus, afdeling Verkoop, Divisie van Device Performance Materials, Nitta Co, Ltd, Osaka, Japan.) voor technische ondersteuning.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Alcohol doekjeWisch de vingertoppen van de deelnemer
CompressorNitta CorporationBreng druk uit op de sensorzetels
Computer
Controller van de compressorNitta CorporationGebruiken om de compressor te bedienen
Dubbelzijdig plakbandGebruiken om de sensorzetels aan de ijzeren kubus te bevestigen
IJzeren kubus150-250g, 30×30×30 mm
Sensor connectorVerbind de sensorzetels met de computer.
SensorvelPressure Mapping Sensor 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
Instelling standaardPlaats de ijzeren kubus erop tijdens de meting
Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51Nitta Corporation
TabelGebruiken voor de meting

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

DrukpuntGrijpkrachtDruksensorvelSensorkalibratieGegevensacquisitieKrachtsrichtingTrajectlengteDual task interferentie

Gerelateerde artikelen