Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Klatka po klatce analiza wideo idiosynkratycznych ruchów sięgających do chwytania u ludzi

8.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56733

⸱

15 stycznia 2018

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, Thompson Rivers University, 2Department of Neuroscience, University of Lethbridge

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół opisuje, jak używać analizy wideo klatka po klatce do ilościowego określenia idiosynkratycznych ruchów od zasięgu do uchwycenia u ludzi. Do zademonstrowania techniki wykorzystuje się analizę porównawczą dotarcia u osób widzących i niewidzących zdrowych dorosłych, ale metoda ta może być również zastosowana do badania populacji rozwojowych i klinicznych.

Streszczenie

Chwyt, czynność sięgania w celu uchwycenia przedmiotu, jest centralnym elementem ludzkiego doświadczenia. Używamy go do karmienia się, pielęgnacji i manipulowania przedmiotami i narzędziami w naszym otoczeniu. Takie zachowania są upośledzone przez wiele zaburzeń sensomotorycznych, ale nasza obecna wiedza na temat ich kontroli neuronalnej jest daleka od kompletności. Obecne technologie do badania ruchów człowieka od zasięgu do uchwycenia często wykorzystują systemy śledzenia ruchu, które mogą być kosztowne, wymagać mocowania znaczników lub czujników do dłoni, utrudniać naturalny ruch i sensoryczne sprzężenie zwrotne oraz zapewniać wynik kinematyczny, który może być trudny do zinterpretowania. Chociaż ogólnie rzecz biorąc, są skuteczne w badaniu stereotypowych ruchów sięgających do chwytania u zdrowych widzących dorosłych, wiele z tych technologii napotyka dodatkowe ograniczenia podczas próby badania nieprzewidywalnych i idiosynkratycznych ruchów sięgania do chwytania małych niemowląt, niewidzących dorosłych i pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi. W związku z tym przedstawiamy nowatorski, niedrogi i wysoce niezawodny, a jednocześnie elastyczny protokół do ilościowego określania czasowej i kinematycznej struktury idiosynkratycznych ruchów typu reach-to-grasp u ludzi. Szybkie kamery wideo rejestrują wiele widoków ruchu od ręki do uchwycenia. Analiza wideo klatka po klatce jest następnie wykorzystywana do dokumentowania czasu i wielkości predefiniowanych zdarzeń behawioralnych, takich jak początek ruchu, zbieranie, maksymalna wysokość, apertura szczytowa, pierwszy kontakt i końcowe uchwycenie. Struktura czasowa ruchu jest rekonstruowana poprzez dokumentowanie względnej liczby klatek każdego zdarzenia, podczas gdy struktura kinematyczna ręki jest określana ilościowo za pomocą linijki lub funkcji miary w oprogramowaniu do edycji zdjęć w celu skalibrowania 2-wymiarowych odległości liniowych między dwiema częściami ciała lub między częścią ciała a celem. Analiza wideo klatka po klatce może dostarczyć ilościowego i kompleksowego opisu idiosynkratycznych ruchów od ręki do uchwycenia i umożliwi naukowcom rozszerzenie obszaru badań o większy zakres naturalistycznych zachowań chwytnych, kierowanych przez szerszą gamę modalności sensorycznych, zarówno w populacjach zdrowych, jak i klinicznych.

Wprowadzenie

Chwyt, czynność sięgania w celu uchwycenia przedmiotu, jest używana do wielu codziennych funkcji, takich jak zdobywanie artykułów spożywczych do jedzenia, pielęgnacja, manipulowanie przedmiotami, posługiwanie się narzędziami oraz komunikowanie się za pomocą gestów i słowa pisanego. Najbardziej znana teoria dotycząca neurobehawioralnej kontroli chwytu, teoria podwójnego kanału wzrokowo-motorycznego1,2,3,4, proponuje, że chwyt składa się z dwóch ruchów - zasięgu, który przenosi rękę do miejsca, w którym znajduje się cel, oraz chwytu, który otwiera, kształtuje i zamyka dłoń do rozmiaru i kształtu celu. Te dwa ruchy są zapośredniczone przez dysocjacyjne, ale oddziałujące na siebie ścieżki neuronowe od kory wzrokowej do ruchowej za pośrednictwem płata ciemieniowego 1,2,3,4. Behawioralne wsparcie dla teorii podwójnego kanału wzrokowo-ruchowego było niejednoznaczne, głównie ze względu na fakt, że ruch od sięgnięcia do uchwytu pojawia się jako pojedynczy, płynny akt i rozwija się przy niewielkim świadomym wysiłku. Niemniej jednak, prehension jest prawie zawsze badany w kontekście chwytu kierowanego wizualnie, w którym zdrowy uczestnik sięga, aby uchwycić widoczny obiekt docelowy. W tych okolicznościach akcja jawi się jako pojedynczy ruch, który rozwija się w przewidywalny i stereotypowy sposób. Przed dotarciem do celu oczy skupiają się na celu. Gdy ramię wysuwa palce, otwieraj je, dopasuj je do rozmiaru obiektu, a następnie zacznij zamykać. Oczy odłączają się od celu tuż przed kontaktem z celem, a ostatnie uchwycenie celu następuje niemal natychmiast po nim5. Kiedy jednak usunie się wzrok, struktura ruchu jest zasadniczo inna. Ruch rozdziela się na swoje składowe w taki sposób, że najpierw używany jest zasięg otwartej ręki do zlokalizowania celu poprzez dotknięcie go, a następnie wskazówki dotykowe związane z kształtowaniem przewodnika kontaktu z celem i zamknięciem dłoni do uchwycenia6.

Kwantyfikacja ruchu od ręki do ręki jest najczęściej osiągana za pomocą trójwymiarowego (3D) systemu śledzenia ruchu. Mogą to być systemy śledzenia w podczerwieni, systemy śledzenia elektromagnetycznego lub systemy śledzenia oparte na wideo. Chociaż takie systemy są skuteczne w pozyskiwaniu kinematycznych miar chwytu u zdrowych dorosłych uczestników wykonujących stereotypowe ruchy sięgające w kierunku widocznych obiektów docelowych, mają one szereg wad. Oprócz tego, że są bardzo drogie, systemy te wymagają mocowania czujników lub znaczników na ramieniu, dłoni i palcach uczestnika. Są one zwykle mocowane za pomocą taśmy medycznej, która może utrudniać dotykowe sprzężenie zwrotne z dłoni, zmieniać naturalne zachowania motoryczne i rozpraszać uczestników7. Ponieważ systemy te na ogół generują dane liczbowe związane z różnymi zmiennymi kinematycznymi, takimi jak przyspieszenie, opóźnienie i prędkość, nie są również idealne do badania, w jaki sposób ręka styka się z celem. Podczas korzystania z tych systemów wymagane są dodatkowe czujniki lub sprzęt, aby określić, która część ręki styka się z celem, gdzie na celu dochodzi do kontaktu i jak może zmienić się konfiguracja ręki w celu manipulowania celem. Ponadto najczęściej stosowane systemy śledzenia w podczerwieni wymagają użycia specjalistycznej kamery do śledzenia lokalizacji znaczników na dłoni w przestrzeni 3D6. Wymaga to bezpośredniej linii wzroku między aparatem a czujnikami na dłoni. W związku z tym wszelkie idiosynkrazje w ruchu prawdopodobnie zaciemnią tę linię wzroku i spowodują utratę krytycznych danych kinematycznych. Istnieje jednak duża liczba przypadków, w których idiosynkrazje w ruchu "sięgaj po sięgnij po sięgnięcie" są w rzeczywistości normą. Należą do nich we wczesnym okresie rozwoju, kiedy niemowlęta dopiero uczą się sięgać i chwytać przedmioty; gdy obiekt docelowy nie jest widoczny i należy użyć wskazówek dotykowych w celu kierowania zasięgiem i uchwytem; gdy obiekt docelowy ma nietypowy kształt lub teksturę; oraz gdy uczestnik ma którekolwiek z różnych zaburzeń sensomotorycznych, takich jak udar, choroba Huntingtona, choroba Parkinsona, porażenie mózgowe itp. We wszystkich tych przypadkach ruch "sięgnij do ręki" nie jest ani przewidywalny, ani stereotypowy, ani niekoniecznie kieruje nim wizja. W związku z tym zdolność systemów śledzenia ruchu 3D do wiarygodnego ilościowego określania czasowej i kinematycznej struktury tych ruchów może być poważnie ograniczona z powodu zakłóceń w sensorycznym sprzężeniu zwrotnym z ręki, zmian w naturalnym zachowaniu motorycznym, utraty danych i/lub trudności w interpretacji idiosynkratycznego wyjścia kinematycznego z tych urządzeń.

Niniejszy artykuł opisuje nowatorską technikę ilościowego określania idiosynkratycznych ruchów od ręki do chwytania w różnych populacjach ludzkich, która jest przystępna cenowo, nie utrudnia sensorycznego sprzężenia zwrotnego z ręki ani naturalnego zachowania motorycznego, i jest niezawodna, ale może być elastycznie modyfikowana, aby dopasować się do różnych paradygmatów eksperymentalnych. Technika ta polega na użyciu wielu szybkich kamer wideo do rejestrowania ruchu od ręki do uchwycenia pod różnymi kątami. Film jest następnie analizowany w trybie offline poprzez przechodzenie przez klatki wideo pojedynczo i używanie kontroli wizualnej do dokumentowania kluczowych zdarzeń behawioralnych, które razem dostarczają ilościowego opisu czasowej i kinematycznej organizacji ruchu sięgania do chwytania. W niniejszym artykule opisano analizę porównawczą wizualnie i niewizualnie kierowanych ruchów sięgania do chwytania u zdrowych dorosłych ludzi6,8,9,10 w celu wykazania skuteczności tej techniki; Jednak zmodyfikowane wersje tej techniki zostały również wykorzystane do ilościowego określenia działań sięgających do chwytania u ludzkich niemowląt11 i naczelnych innych niż ludzie12. Kompleksowe wyniki analizy wideo klatka po klatce z tych badań są jednymi z pierwszych, które dostarczają dowodów behawioralnych na poparcie teorii podwójnego kanału wzrokowo-ruchowego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały zatwierdzone przez Komitet Badawczy Uniwersytetu w Lethbridge oraz Radę ds. Etyki Badań Naukowych Uniwersytetu Thompson Rivers dla Ludzi.

1. Uczestnicy

  1. Uzyskanie świadomej zgody osób dorosłych, które mają normalne lub skorygowane do normalnego widzenie i są w dobrym zdrowiu, bez historii zaburzeń neurologicznych lub sensomotorycznych (chyba że celem jest zbadanie określonej populacji klinicznej).

2. Konfiguracja eksperymentalna

  1. Wybierz jagody, kulki pączkowe i plasterki pomarańczy, które posłużą jako osiąganie celów. Zmierz podzbiór dziesięciu każdego z celów wzdłuż ich najdłuższej osi, aby określić średnią długość każdego celu.
    UWAGA: Używaj celów, które są jednolite pod względem kształtu i rozmiaru. Średnia wielkość tarcz z jagodami wynosiła 12,41 ± 0,33 mm, średnia wielkość tarcz z kulkami pączków wynosiła 28,82 ± 1,67 mm, a średnia wielkość tarcz z plasterkami pomarańczy wynosiła 60,53 ± 0,83 mm.
  2. Określ numer badania i kolejność eksperymentu. Poinformuj uczestników, że ukończą w sumie 60 prób dotarcia podzielonych na 4 bloki (2 bloki w stanie Wizja i 2 bloki w stanie Brak widzenia), przy czym każdy blok będzie składał się z 15 prób dotarcia (5 powtórzeń dla każdego z 3 docelowych obiektów). Poinformuj uczestnika, że dla każdego bloku obiekty docelowe zostaną przedstawione w losowej kolejności, określonej przez generator liczb losowych. Upewnij się, że kolejność prezentacji bloków jest zrównoważona między uczestnikami.
  3. Posadź uczestnika na nieruchomym krześle bez podłokietników w cichym, dobrze oświetlonym pomieszczeniu wolnym od zakłóceń. Powiedz uczestnikowi, aby usiadł prosto na krześle z obiema stopami spoczywającymi płasko i prostopadle na podłodze, a jego ręce spoczywają otwarte i dłonią skierowaną w dół na górnej części ud.
  4. Dostosuj wysokość samodzielnego cokołu o regulowanej wysokości do długości tułowia siedzącego uczestnika tak, aby szczyt cokołu znajdował się w połowie odległości między górną częścią biodra uczestnika a mostkiem uczestnika. Umieść postument bezpośrednio przed linią środkową uczestnika.
  5. Powiedz uczestnikowi, aby wyciągnął swoją dominującą rękę bezpośrednio w kierunku szczytu piedestału. Dostosuj położenie cokołu tak, aby znajdował się na linii środkowej uczestnika, ale w odległości równej w pełni wyprostowanemu ramieniu i dłoni uczestnika, tak aby wyciągnięty środkowy palec uczestnika stykał się z dystalną krawędzią cokołu. Po ustawieniu postumentu poproś uczestnika, aby cofnął wyciągniętą rękę na kolana.
  6. Ustaw 1 szybką kamerę wideo strzałkowo do uczestnika, po tej samej stronie, co niedominująca ręka uczestnika, w odległości 1 m od cokołu, aby zarejestrować widok z boku dominującej ręki uczestnika. Dostosuj pozycję i przybliżenie kamery, aż czubek głowy uczestnika, początkowa pozycja ręki na górnej części uda i sięgający cel na cokole będą wyraźnie widoczne pod tym kątem kamery.
  7. Ustaw drugą kamerę wideo w odległości 1 m przed cokołem, aby uchwycić widok uczestnika z przodu. Dostosuj pozycję i przybliżenie kamery, aż czubek głowy uczestnika, początkowa pozycja ręki na udzie i sięgający cel na cokole będą wyraźnie widoczne pod tym kątem kamery.
    UWAGA: Dodatkowe kamery wideo mogą być umieszczone powyżej, poniżej lub przed uczestnikiem i cokołem, zgodnie z życzeniem.
  8. Ustaw każdą kamerę tak, aby nagrywała wideo w najwyższej możliwej rozdzielczości z szybkością 60, 120 lub 300 klatek na sekundę z czasem otwarcia migawki 1/250sekundy (lub do 1/1000 sekundy, jeśli ruch będzie wykonywany bardzo szybko). Ustaw obie kamery tak, aby każdy plik wideo był zapisywany jako plik AVI, MP4 lub MOV. Użyj mocnej lampy zawierającej chłodne diody LED (które generują znikome ciepło), aby oświetlić uczestnika i obszar testowy. Ustaw każdą kamerę tak, aby ustawiała ostrość na środku cokołu.
    UWAGA: Przy tak dużej liczbie klatek na sekundę i czasach otwarcia migawki potrzebna jest silna lampa, aby oświetlić uczestnika i obszar testowy. Zapewni to, że poszczególne klatki wideo będą wystarczająco oświetlone i wolne od artefaktów ruchu.
  9. Poinstruuj uczestnika, aby rozpoczynał każdą próbę docierania z otwartymi, zrelaksowanymi rękami i dłonią spoczywającą na grzbiecie górnej części ud.
  10. Powiedz uczestnikowi, że na początku każdej próby eksperymentator umieści na piedestale obiekt docelowy – jagodę, kulkę pączka lub plasterek pomarańczy – i że uczestnik ma czekać, aż eksperymentator wyda słowne polecenie "1, 2, 3, Go", aby sięgnąć dominującą ręką. Chwyć docelowy przedmiot, a następnie umieść go w ustach, tak jakby mieli zamiar go zjeść.
  11. Powiedz uczestnikowi, że powinien wykonać zadanie tak naturalnie, jak to tylko możliwe, ale w rzeczywistości nie musi jeść docelowego przedmiotu. Poinstruuj uczestnika, że po umieszczeniu przedmiotu docelowego w ustach powinien następnie użyć ręki niedominującej, aby wyjąć cel z ust i umieścić go w pojemniku na odpady znajdującym się na podłodze obok ręki niedominującej uczestnika. Poinstruuj uczestnika, aby następnie powrócił obiema rękami do pozycji wyjściowej na górnej części ud w ramach przygotowań do następnej próby.
  12. Wybierz opaskę na oczy, która nie jest uciążliwa, ale zasłania zarówno dołek, jak i widzenie peryferyjne celu. Zapewnij tę opaskę na oczy wszystkim uczestnikom na początku wszystkich bloków próbnych No Vision i upewnij się, że założyli ją przed umieszczeniem docelowego obiektu na piedestale.
    UWAGA: Podczas wykonywania bloków próbnych No Vision, uczestnicy mają zawiązane oczy przed rozpoczęciem pierwszego badania No Vision. W ten sposób zawiązuje się im oczy przed umieszczeniem docelowego obiektu na piedestale, co zapewnia, że uczestnik nie widzi, który z możliwych obiektów docelowych jest umieszczony na piedestale w danej próbie No Vision.
  13. Naciśnij przycisk "nagrywaj" na obu kamerach wideo przed rozpoczęciem eksperymentu i upewnij się, że pozycja i położenie każdej kamery nie zmieniają się w czasie trwania zadania eksperymentalnego dla danego uczestnika.

3. Zbieranie danych

  1. Rozpocznij eksperyment od szybkiego stuknięcia palcem wskazującym w górną środkową powierzchnię cokołu.
    UWAGA: Moment zetknięcia się palca wskazującego z cokołem będzie służył jako wskazówka czasowa, która będzie widoczna we wszystkich nagraniach wideo.
  2. Umieść obiekt kalibracyjny o znanym rozmiarze, taki jak plastikowy sześcian o długości 1 cmi 3 cm, na środku górnej części cokołu, tak aby każda kamera miała widok z przodu i równolegle do jednej strony sześcianu. Pozostaw obiekt kalibracyjny na cokole na około 5 sekund, tak aby każda kamera wideo zarejestrowała go w niezakłócony sposób, a następnie usuń obiekt kalibracyjny przed pierwszą próbą dotarcia.
  3. Poinformuj uczestnika, że eksperyment ma się rozpocząć, upewnij się, że uczestnik ma na sobie opaskę na oczy, jeśli ma zamiar ukończyć blok próbny bez wzroku i poproś uczestnika o ustne potwierdzenie, czy jest gotowy do rozpoczęcia.
  4. Umieść pierwszy obiekt docelowy na piedestale i użyj sygnału "1, 2, 3, Go", aby zasygnalizować uczestnikowi, aby wykonał próbę dotarcia.
  5. Powtarzaj krok 3.4., aż uczestnik ukończy łącznie 60 prób dotarcia. Upewnij się, że uczestnik nosi opaskę na oczy tylko w przypadku blokad próbnych No Vision.
  6. Po zakończeniu 60 prób dotarcia przerwij nagrywanie z kamery wideo. Odpowiedz na wszelkie ostatnie pytania, które może mieć uczestnik i pozwól mu odejść.

4. Przygotuj filmy do analizy wideo klatka po klatce

  1. Pobierz pliki wideo z kamery wideo na bezpieczny komputer, na którym zainstalowano oprogramowanie do edycji wideo.
  2. Otwórz pliki wideo w oprogramowaniu do edycji wideo. W oknie startowym, które zostanie otwarte, kliknij przycisk Nowy projekt. W polu Video Display Format (Format wyświetlania wideo) wybierz opcję Frames (Klatki). W polu Capture Format (Format przechwytywania) wybierz opcję DV. Kliknij przycisk OK | Tak.
  3. Kliknij kartę Przeglądarka multimediów i przejdź do wyszukiwania plików wideo dla swojego uczestnika. Kliknij i przytrzymaj jeden z plików wideo, aby przeciągnąć go i upuścić na sąsiedniej osi czasu. Spowoduje to, że nagranie wideo pojawi się w oknie programu. Użyj strzałek na klawiaturze, aby przejść do przodu i/lub do tyłu przez nagranie wideo.
  4. Użyj strzałek na klawiaturze, aby przejść do klatki wideo, która przedstawia moment, w którym eksperymentator stuka palcem wskazującym w szczyt piedestału. Zatrzymaj nagranie wideo na tej klatce, tak aby głowica odtwarzania (na osi czasu) znalazła się dokładnie w tej klatce, w której palec eksperymentatora po raz pierwszy zetknął się z postumentem.
  5. Użyj funkcji przycinania w oprogramowaniu do edycji wideo, aby przyciąć (usunąć) wszystkie klatki przed bieżącą klatką. Aby to zrobić, kliknij przycisk Oznacz w | Plik | Eksport | Opcje multimediów. W wyświetlonym oknie Export Settings (Ustawienia eksportu) wybierz opcję H.264 (H.264) jako opcję formatu (Match Source) jako opcję predefiniowaną.
  6. Kliknij nazwę wyjściową i przeglądaj, aby znaleźć folder, w którym chcesz zapisać nowo przycięty rekord wideo. Podaj nową nazwę pliku dla nowo przyciętego nagrania wideo, które tworzysz, a następnie kliknij przycisk Zapisz. Spowoduje to powrót do ustawień eksportu. Kliknij opcję Eksportuj.
  7. Powtórz kroki 4.1-4.6 dla wszystkich nagrań wideo dla każdego uczestnika, aby utworzyć nowo przycięty plik wideo, który odpowiada każdemu z oryginalnych plików wideo. Nowo przyciętych plików wideo należy używać tylko do wszystkich kolejnych analiz wideo klatka po klatce.
    UWAGA: W nowo przyciętych plikach wideo, klatka 1 każdego pliku wideo będzie przedstawiać to samo zdarzenie behawioralne (np. moment pierwszego kontaktu między palcem eksperymentatora a piedestałem) i jest zasadniczo zsynchronizowana w czasie. Pozwala to na szybkie i łatwe przełączanie się między różnymi wyświetleniami wideo pojedynczego zdarzenia behawioralnego w ramach jednej sesji testowej dla jednego uczestnika.
  8. Zamknij i ponownie otwórz oprogramowanie do edycji wideo. Powtórz kroki 4.2. oraz 4.3. Wybierz i przeciągnij wszystkie nowo przycięte nagrania wideo dla jednego uczestnika na osobne osie czasu w oprogramowaniu do edycji wideo w celu analizy wideo klatka po klatce. Umożliwi to nawigację po wielu wyświetleniach wideo dla każdego uczestnika w sposób zsynchronizowany czasowo. Aby zmienić nagranie wideo (np. z przodu lub z boku) wyświetlane w oknie programu, po prostu kliknij i przeciągnij oś czasu wideo, która zawiera preferowany widok wideo, na górę innych osi czasu wideo.
    UWAGA: Krok 4.8. odbywa się za pomocą oprogramowania do edycji wideo i służy do tymczasowej synchronizacji czasowej wszystkich wyświetleń wideo od jednego uczestnika.

5. Analiza wideo klatka po klatce: organizacja czasowa

  1. Dla każdej próby sięgania opisz czasową organizację ruchu od sięgania do chwytania za pomocą strzałek na klawiaturze, aby przechodzić przez zsynchronizowane w czasie nagrania wideo klatka po klatce. Zapisz w arkuszu kalkulacyjnym (Tabela uzupełniająca 1) numer pierwszej klatki dla każdego kluczowego zdarzenia behawioralnego opisanego w krokach 5.1.1-5.1.6, które są również opisane w Tabeli 1 i zilustrowane w Rysunek 1.
    UWAGA: Podczas gdy wszystkie 6 kluczowych zdarzeń behawioralnych jest zazwyczaj obecnych w każdym badaniu klinicznym, niektóre z nich mogą nie zawsze być obecne w badaniach klinicznych dotyczących braku wzroku.
    1. Zidentyfikuj początek ruchu, który definiuje się jako pierwsze widoczne uniesienie dłoni z dala od grzbietu górnej części uda.
    2. Zidentyfikuj kolekcję, która jest definiowana jako tworzenie pozycji zamkniętej dłoni, w której palce maksymalnie zginają się i zamykają. Ogólnie rzecz biorąc, zbieranie następuje po rozpoczęciu ruchu i przed szczytową aperturą.
    3. Zidentyfikuj maksymalną wysokość, która jest definiowana jako maksymalna wysokość najbardziej proksymalnej kostki palca wskazującego, gdy ręka sięga w kierunku obiektu docelowego.
    4. Zidentyfikuj otwór szczytowy, który definiuje się jako maksymalne otwarcie dłoni (mierzone między środkowym końcem palca wskazującego a środkowym końcem kciuka), które występuje po pobraniu, ale przed pierwszym kontaktem. Czasami cyfry otwierają się ponownie po pierwszym kontakcie z obiektem docelowym, w takim przypadku zapisz również numer klatki tego drugiego otworu szczytowego.
    5. Zidentyfikuj pierwszy kontakt, który jest zdefiniowany jako pierwszy punkt kontaktu między ręką a obiektem docelowym.
    6. Zidentyfikuj końcowe uchwycenie, które definiuje się jako moment, w którym cała manipulacja obiektem docelowym jest zakończona, a uczestnik mocno trzyma się przedmiotu docelowego.

6. Analiza wideo klatka po klatce: Skala kalibracji kinematycznej

  1. Utwórz skalę kalibracji dla każdego uczestnika, której można użyć do przeliczenia pomiarów odległości pobranych z nagrania wideo z pikseli na centymetry.
    1. Przeciągnij i upuść interesujący Cię zapis wideo na oś czasu programu do edycji wideo, jak w krokach 4.2 i 4.3. Przesuń głowicę odtwarzania do klatki przedstawiającej obiekt kalibracji i kliknij przycisk Eksportuj klatkę. W oknie Eksportuj klatkę, które zostanie otwarte, wprowadź nazwę obrazu nieruchomej klatki w polu opcji Nazwa, wprowadź TIFF w polu opcji Format i kliknij pole opcji Ścieżka, aby przejść do folderu, w którym chcesz zapisać obraz nieruchomej klatki.
    2. Otwórz ten plik obrazu z nieruchomą ramką w programie do edycji zdjęć. Kliknij Obraz | Analiza | Ustawianie skali pomiaru | Niestandardowy, aby przekształcić wskaźnik myszy w narzędzie linijki. Użyj narzędzia linijki, aby kliknąć po jednej stronie kostki kalibracyjnej o długości 1 cm3, przeciągnij narzędzie linijki na przeciwną stronę kostki kalibracyjnej, utrzymując linię tak poziomą, jak to możliwe, i zwalniając kliknięcie po przeciwnej stronie kostki.
      UWAGA: Po wykonaniu kroku 6.1.2. Po zakończeniu program do edycji zdjęć automatycznie obliczy długość linii, która została narysowana w pikselach i wyświetli tę wartość w opcji Długość piksela w otwartym oknie Skala pomiaru.
    3. W oknie Skala miary wprowadź wartość 10 w polu opcji Długość logiczna i milimetry w polu opcji Jednostki logiczne. Kliknij przycisk Zapisz ustawienie predefiniowane. W oknie Measurement Scale Preset (Ustawienie wstępne skali pomiaru) wprowadź widok wideo i kod/numer odpowiedniego uczestnika (np. SideView-Participant1) w polu opcji Preset Name (Nazwa ustawienia wstępnego), a następnie kliknij przycisk OK.
    4. Kliknij przycisk OK w oknie Skala pomiaru.
      UWAGA: Powtórz kroki od 6.1.1 do 6.1.4. dla każdego wyświetlenia filmu dla każdego uczestnika.

7. Analiza wideo klatka po klatce: struktura kinematyczna

  1. Dla każdej próby sięgania należy opisać strukturę kinematyczną ruchu od sięgania do uchwytu za pomocą linijki w oprogramowaniu do edycji zdjęć, aby zarejestrować odpowiednie pomiary odległości opisane w krokach 7.4-7.9 i w Tabeli 1.
  2. Użyj oprogramowania do edycji wideo, aby wyeksportować obraz z nieruchomą klatką (krok 6.1.1.), który przedstawia każde z następujących zdarzeń behawioralnych: zbieranie, maksymalna wysokość, apertura szczytowa, pierwszy kontakt i końcowe ujęcie (dla każdej próby).
  3. Otwórz obraz nieruchomej klatki, który przedstawia kluczowe zdarzenie behawioralne będące przedmiotem zainteresowania w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Kliknij Obraz | Analiza | Ustaw skalę pomiaru i wybierz wstępnie ustawioną skalę kalibracji, która odpowiada widokowi wideo i uczestnikowi przedstawionemu na obrazie, z którego chcesz wykonać pomiar odległości (np. SideView-Participant1).
    UWAGA: Wybranie odpowiedniej wstępnie ustawionej skali kalibracji zapewni, że wszystkie kolejne odległości zmierzone za pomocą narzędzia linijki zostaną dokładnie przeliczone z pikseli na milimetry. Wstępnie ustawiona skala kalibracji pozostanie automatycznie wybrana dla wszystkich kolejnych plików obrazów, które zostaną otwarte. W związku z tym nie ma potrzeby powtarzania kroku 7.3. , dopóki nie przełączysz się na analizowanie obrazów z nieruchomymi klatkami z innego widoku wideo lub od innego uczestnika.
  4. Otwórz obraz nieruchomej klatki, który przedstawia kluczowe zdarzenie behawioralne związane z kolekcjonowaniem w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Wybierz narzędzie linijki i użyj go, aby narysować linię prostą między środkową końcówką kciuka a środkową końcówką palca wskazującego.
  5. Kliknij Obraz | Analiza | Zapisz pomiary, co spowoduje otwarcie dziennika pomiarów. Zapisz długość tego wiersza jako odległość zbierania w arkuszu kalkulacyjnym (Tabela uzupełniająca 1).
  6. Otwórz nieruchomy obraz klatki, który przedstawia maksymalną wysokość w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Użyj narzędzia linijki, aby zmierzyć odległość w pionie między szczytem cokołu a szczytem kostki wskazującej uczestnika. Zapisz długość tej linii jako maksymalną odległość wysokości w arkuszu kalkulacyjnym.
  7. Otwórz obraz nieruchomej klatki, który przedstawia szczytową przysłonę w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Użyj linijki, aby zmierzyć odległość między środkową końcówką kciuka a środkową końcówką palca wskazującego. Zapisz długość tej linii jako szczytową odległość apertury w arkuszu kalkulacyjnym.
  8. Otwórz obraz nieruchomej klatki, który przedstawia pierwszy kontakt w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Użyj linijki, aby zmierzyć odległość między środkową końcówką kciuka a środkową końcówką palca wskazującego. Zapisz długość tej linii jako pierwszą odległość otworu kontaktowego w arkuszu kalkulacyjnym.
  9. Otwórz nieruchomy obraz kadru, który przedstawia ostateczny chwyt w oprogramowaniu do edycji zdjęć. Użyj linijki, aby zmierzyć odległość między środkową końcówką kciuka a środkową końcówką palca wskazującego. Zapisz długość tej linii jako ostateczną odległość otworu uchwytu w arkuszu kalkulacyjnym.

8. Analiza wideo klatka po klatce: Miary topograficzne

  1. Wykonując powyższą analizę wideo klatka po klatce, należy również udokumentować dodatkowe cechy topograficzne ruchu sięgającego do uchwycenia, takie jak część dłoni do pierwszego kontaktu, punkty kontaktu, punkty chwytania, regulacje, rodzaj chwytu i strategia chwytania (Tabela 2).
    1. Udokumentuj w arkuszu kalkulacyjnym, która część ręki jest używana do nawiązania pierwszego kontaktu z celem dla każdej próby, dla każdego uczestnika. Użyj następującej notacji: 1 = kciuk, 2 = palec wskazujący, 3 = palec środkowy, 4 = palec serdeczny, 5 = mały palec, 6 = dłoń, 7 = grzbiet dłoni.
    2. Określ pierwsze punkty kontaktu, eksportując nieruchomy obraz klatki celu, otwierając go w oprogramowaniu do edycji zdjęć i używając narzędzia pędzla programu, aby zaznaczyć miejsce na tarczy, w którym nawiązano pierwszy kontakt między ręką a celem dla każdej próby. Dostosuj rozmiar, krycie i kolor narzędzia pędzla do swoich potrzeb. Powtarzaj ten krok, aż utworzysz pojedynczą mapę topograficzną, która wskaże lokalizację pierwszych punktów kontaktowych na celu dla każdego uczestnika.
      UWAGA: Przykład zagregowanych punktów pierwszego kontaktu u wszystkich uczestników jednego badania znajduje się w Reprezentatywnych wynikach poniżej.
    3. Określ punkty chwytania, eksportując nieruchomy obraz klatki celu, otwierając go w oprogramowaniu do edycji zdjęć i używając pędzla programu, aby zaznaczyć miejsce na tarczy, w którym ręka styka się z celem w momencie końcowego chwytu dla każdej próby. Dostosuj rozmiar, krycie i kolor narzędzia pędzla do swoich potrzeb. Powtarzaj ten krok, aż utworzysz pojedynczą mapę topograficzną, która wskaże położenie punktów chwytu na celu dla każdego uczestnika.
      UWAGA: Przykład zagregowanych punktów chwytu u wszystkich uczestników jednego badania można znaleźć w Reprezentatywnych wynikach poniżej.
      1. Wizualnie określ średnie miejsca kontaktu chwytu kciuka i przeciwstawnej cyfry na tarczy dla widzących uczestników. Oznacz te dwa miejsca kontaktu jako "podstawowe punkty kontaktowe chwytania"
      2. Użyj pędzla, aby zaznaczyć "punkty kontaktowe chwytania linii bazowej" na mapie topograficznej, która ilustruje pierwsze punkty kontaktu dla każdego uczestnika. Następnie użyj linijki (patrz kroki od 6.1 do 6.1.4 i 7.5.), aby zmierzyć odległość liniową 2D między każdym pierwszym punktem kontaktowym a odpowiednim punktem kontaktowym linii bazowej. Powtórz ten krok dla każdego pierwszego punktu kontaktowego dla każdego uczestnika w stanie widzenia i braku widzenia. Oblicz średnią "odległość do punktu kontaktowego na linii bazowej" dla każdego uczestnika, która wskaże, jak bardzo średnio lokalizacja pierwszego kontaktu uczestnika różniła się od punktu kontaktowego podstawowego chwytania.
      3. Użyj pędzla, aby zaznaczyć "punkty kontaktowe linii bazowej" na mapie topograficznej, która ilustruje punkty kontaktowe dla każdego uczestnika. Następnie użyj narzędzia Linijka (patrz kroki 6.1 i 6.1.4 oraz 7.5.), aby zmierzyć odległość liniową 2D między każdym punktem uchwytu a odpowiednim punktem styku linii bazowej. Powtórz ten krok dla każdego punktu chwytu dla każdego uczestnika wizji i warunków braku widzenia. Oblicz średnią "odległość do punktu kontaktowego na linii podstawowej" dla każdego uczestnika, która wskaże, jak daleko średnio różniły się punkty kontaktowe chwytania uczestnika od punktu kontaktowego chwytania na linii podstawowej.
    4. Określ liczbę korekt dokonanych w każdej próbie, sprawdzając zapis wideo, odnotowując wszelkie przypadki, w których uczestnik zwolnił i ponownie nawiązał kontakt z celem między klatką pierwszego kontaktu a klatką końcowego chwytu. Zapisz łączną liczbę korekt na badanie dla każdego uczestnika w arkuszu kalkulacyjnym.
    5. Określ rodzaj chwytu używanego do podniesienia celu dla każdej próby i zapisz go w arkuszu kalkulacyjnym: (i) chwyt szczypcowy: charakteryzujący się chwytaniem celu między opuszkami kciuka a jedną inną cyfrą tej samej ręki, (ii) chwyt precyzyjny: charakteryzujący się chwytaniem celu między opuszkami kciuka i co najmniej dwiema innymi palcami tej samej ręki, lub (iii) Power Grip: Charakteryzuje się chwytaniem celu między dłonią a palcami tej samej ręki.
    6. Określ strategię chwytania (preformowanie, dotyk, a następnie chwytanie, wariant 1, wariant 2 lub wariant 3; patrz reprezentatywne wyniki poniżej) zastosowany dla każdej próby i zapisz ją w arkuszu kalkulacyjnym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W tej sekcji przedstawiono przykłady wyników, jakie można uzyskać, stosując klatkową analizę wideo do badania idiosynkratycznych ruchów sięgania i chwytania pod kierunkiem niewizualnych bodźców sensorycznych. Głównym wnioskiem jest to, że gdy uczestnicy mogą wykorzystać wzrok do uprzedniego zidentyfikowania zarówno właściwości zewnętrznych (lokalizacja/orientacja), jak i wewnętrznych (rozmiar/kształt) obiektu docelowego, integrują oni sięganie i chwytanie w jeden płynny akt prehensyjny, w...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W niniejszym artykule opisano, w jaki sposób można wykorzystać analizę wideo klatka po klatce do ilościowego określenia organizacji czasowej, struktury kinematycznej i podzbioru cech topograficznych ruchów człowieka od sięgania do uchwytu. Technika ta może być wykorzystana do badania typowych wizualnie kierowanych ruchów sięgania do chwytania, ale także idiosynkratycznych ruchów sięgania do chwytania. Takie ruchy są trudne do zbadania przy użyciu tradycyjnych systemów śledzenia ruchu 3D, ale są powszechne u rozwijających...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Alexis M. Wilson i Marisie E. Bertoli za pomoc w sfilmowaniu i przygotowaniu filmu do tego rękopisu. Badania te były wspierane przez Kanadyjską Radę ds. Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (JMK, JRK, IQW), Alberta Innovates-Health Solutions (JMK) oraz Kanadyjskie Instytuty Badań nad Zdrowiem (IQW).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Szybkie kamery wideoCasiohttp://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_f1/ lub http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_100/Casio EX-F1 Szybka kamera lub szybka kamera Casio EX-100 służy do zbierania szybkich nagrań wideo
Adobe PhotoshopAdobehttp://www.adobe.com/ca/products/photoshop.htmlOprogramowanie służące do kalibracji i pomiaru odległości na poszczególnych klatkach wideo
Adobe Premiere ProAdobehttp://www.adobe.com/ca/products/premiere.html?sdid=KKQOM&mv=search&s_kwcid=AL!3085!3!193588412847!e!!g!!adobe%20premiere%20pro&ef_id=WDd17AAABAeTD6-D:20170606160204:sOprogramowanie służące do przeprowadzania analizy wideo klatka po klatce
Postument z regulacją wysokościSanushttp://www.sanus.com/en_US/products/speaker-stands/htb3/Statyw głośnikowy o regulowanej wysokości z wykonaną na zamówienie trójkątną płytą górną o wymiarach 9 cm x 9 cm x 9 cm przymocowaną do blatu za pomocą służy jako cokół sięgający
1 cm Zasoby edukacyjne dotyczące kostki kalibracyjnej(Walmart)https://www.walmart.com/ip/Learning-Resources-Centimeter-Cubes-Set-500/24886372Plastikowy sześcian o średnicy 1 cm służy do przekształcania miar odległości z pikseli na centymetry
Liniapunktowa światła studyjnegohttps://www.bhphotovideo.com/c/product/1035910-REG/dot_line_rs_5620_1600w_led_light.htmlMocna lampa z chłodnym światłem LED służąca do oświetlania uczestnika i obszaru testowego
3-wymiarowa (3D) maska do spaniaKfinehttps://www.amazon.com/Kfine-Sleeping-Contoured-lightweight-Comfortable/dp/B06W5CDY78?th=1Używana jako opaska na oczy do zasłaniania widzenia w stanie braku wzroku
Pomarańczowe plastryNieNie dotyczyPlasterki pomarańczy służyły jako duże cele sięgające
Kulki pączkoweTim Hortonshttp://www.timhortons.com/ca/en/menu/timbits.phpStaromodne gładkie timbity od Tima Hortona służyły jako średniej wielkości cele sięgające
JagodyN/AN/ABlueberries służyły jako małe cele sięgające
dotyczy

Bibliografia

  1. Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Different evolutionary origins for the Reach and the Grasp: an explanation for dual visuomotor channels in primate parietofrontal cortex. Front Neurol. 4 (208), (2013).
  2. Whishaw, I. Q., Karl, J. M. The contribution of the reach and the grasp to shaping brain and behaviour. Can J Exp Psychol. 68 (4), 223-235 (2014).
  3. Jeannerod, M. Intersegmental coordination during reaching at natural visual objects. Attention and Performance IX. Long, J., Badeley, A. , Hillsdale: Lawrence Erlbaum Associates. 153-169 (1981).
  4. Arbib, M. A. Perceptual structures and distributed motor control. Handbook of Physiology. Brooks, V. B. 2, American Psychological Society. 1449-1480 (1981).
  5. De Bruin, N., Sacrey, L. A., Brown, L. A., Doan, J., Whishaw, I. Q. Visual guidance for hand advance but not hand withdrawal in a reach-to-eat task in adult humans: reaching is a composite movement. J Mot Behav. 40 (4), 337-346 (2008).
  6. Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Hand shaping using hapsis resembles visually guided hand shaping. Exp Brain Res. 219 (1), 59-74 (2012).
  7. Domellöff, E., Hopkins, B., Francis, B., Rönnqvist, L. Effects of finger markers on the kinematics of reaching movements in young children and adults. J Appl Biomech. 23 (4), 315-321 (2007).
  8. Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Oral hapsis guides accurate hand preshaping for grasping food targets in the mouth. Exp Brain Res. 221 (2), 223-240 (2012).
  9. Karl, J. M., Schneider, L. R., Whishaw, I. Q. Nonvisual learning of intrinsic object properties in a reaching task dissociates grasp from reach. Exp Brain Res. 225 (4), 465-477 (2013).
  10. Hall, L. A., Karl, J. M., Thomas, B. L., Whishaw, I. Q. Reach and Grasp reconfigurations reveal that proprioception assists reaching and hapsis assists grasping in peripheral vision. Exp Brain Res. 232 (9), 2807-2819 (2014).
  11. Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Haptic grasping configurations in early infancy reveal different developmental profiles for visual guidance of the Reach versus the Grasp. Exp Brain Res. 232 (9), 3301-3316 (2014).
  12. Whishaw, I. Q., Karl, J. M., Humphrey, N. K. Dissociation of the Reach and the Grasp in the destriate (V1) monkey Helen: a new anatomy for the dual visuomotor channel theory of reaching. Exp Brain Res. 234 (8), 2351-2362 (2016).
  13. Timmann, D., Stelmach, G. E., Bloedel, J. R. Grasping component alterations and limb transport. Exp Brain Res. 108 (3), 486-492 (1996).
  14. Saling, M., Mescheriakov, S., Molokanova, E., Stelmach, G. E., Berger, M. Grip reorganization during wrist transport: the influence of an altered aperture. Exp Brain Res. 108 (3), 493-500 (1996).
  15. Whishaw, I. Q., Faraji, J., Kuntz, J., Mirza Ahga, B., Patel, M., Metz, G. A. S., et al. Organization of the reach and grasp in head-fixed vs freely-moving mice provides support for multiple motor channel theory of neocortical organization. Exp Brain Res. 235 (6), 1919-1932 (2017).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ruchy idiosynkratycznewideo o wysokiej pr dko cioprogramowanie do edycji wideopomiar za pomoc narz dzia linijkidokumentacja zdarze behawioralnychczasowa struktura kinematycznaruchy ludzkiej d oninaturalistyczne zachowania chwytne
Klatka po klatce analiza wideo idiosynkratycznych ruchów sięgających do chwytania u ludzi
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.