Setup Multifuncional de Estudos de Controle Motor Humano Utilizando Estimulação Magnética Transcraniana, Eletromiografia, Captura de Movimento, e Realidade Virtual

Summary

Estimulação magnética transcraniana, eletromiografia e captura de movimento 3D são técnicas não invasivas comumente usadas para investigar a função neuromuscular em humanos. Neste artigo, descrevemos um protocolo que faz amostras síncronas de dados gerados por todas essas três ferramentas, juntamente com a adição exclusiva de apresentação e feedback de estímulos de realidade virtual.

Abstract

O estudo do controlo de movimento neuromuscular em seres humanos é conseguida com diversas tecnologias. Os métodos não-invasivos para investigação da função neuromuscular incluem a estimulação magnética transcraniana, eletromiografia, e captura de movimento tridimensional. O advento de soluções de realidade virtual prontamente disponíveis e de baixo custo tem se expandido as capacidades de pesquisadores em recriar ambientes e movimentos "mundo real" em um ambiente de laboratório. Análise do movimento naturalista não só irá reunir um maior entendimento do controle motor em indivíduos saudáveis, mas também permitir a concepção de experiências e estratégias de reabilitação que visam deficiências motoras específicas (por exemplo, acidente vascular cerebral). O uso combinado dessas ferramentas levará a compreensão cada vez mais profunda dos mecanismos neurais de controle do motor. Um requisito fundamental quando se combinam estes sistemas de aquisição de dados é a correspondência temporal, bem entre os vários fluxos de dados. TProtocolo descreve a sua conectividade de um sistema multifuncional geral, a sinalização intersistemas, e a sincronização temporal dos dados gravados. Sincronização dos sistemas de componentes é realizado principalmente através do uso de um circuito customizável, facilmente feito com componentes da prateleira e eletrônicos mínimas habilidades de montagem.

Introduction

A realidade virtual (VR) está rapidamente se tornando uma ferramenta de pesquisa acessível para utilização em diversas áreas, incluindo o estudo do movimento humano. O estudo do movimento do membro superior é especialmente beneficiado pela incorporação de VR. A realidade virtual permite a rápida personalização de parâmetros experimentais desenhados para investigar características cinemática e dinâmica específicas de controle de movimento do braço. Estes parâmetros podem ser ajustados individualmente para cada assunto. Por exemplo, a localização de alvos virtuais podem ser escalados para garantir idêntica postura braço inicial entre os indivíduos. A realidade virtual também permite a manipulação de feedback visual durante as experiências, que é uma ferramenta valiosa na investigação visuomotor ^1-5.

O uso de ambientes de realidade virtual realistas com outras ferramentas biomecânicas também vai permitir cenários de movimento naturalista em que para testar padrões de movimento. Este arranjo está se tornando cada vez mais valioso para oestudo e prática da reabilitação após a doença e lesão ^6,7. Que imitam movimentos e ambientes naturalistas (por exemplo, realizando movimentos em uma cozinha virtual) em uma clínica permitirá especialistas em reabilitação para descrever mais precisamente deficiências de um indivíduo em um contexto de mundo real. Descrições de imparidade altamente individualizados permitirá estratégias de tratamento mais focados, aumentando potencialmente a eficácia e reduzindo a duração da reabilitação.

Combinando VR com outras ferramentas, tais como a estimulação magnética transcraniana (TMS), eletromiografia de superfície (EMG), e cheio de captura de movimento do corpo, cria uma plataforma extremamente poderosa e flexível para o estudo do controle neuromuscular do movimento em seres humanos. A estimulação magnética transcraniana é um poderoso método não invasivo de medição da excitabilidade e integridade funcional das vias descendentes do motor (por exemplo, trato corticoespinhal) através respons EMGes, como potenciais evocados motores ^(MPE) 8. Sistemas de captura de movimento tridimensional modernos também permitir aos investigadores estudar a atividade neuromuscular, juntamente com resultantes cinemática e dinâmica do movimento. Isto permite a criação de modelos extremamente detalhados do sistema músculo-esquelético, bem como a testes de hipóteses sobre a estrutura e função dos controladores neurais. Estes estudos irão expandir nosso conhecimento científico do sistema sensório humano e levar a melhorias no tratamento do músculo-esquelético e doenças neurológicas.

No entanto, um grande problema com os sistemas multifuncionais é a sincronização de fluxos de dados gravados separadamente (por exemplo, captura de movimento, EMG, etc.). O objetivo deste protocolo é para descrever um arranjo generalizável de sistemas comuns disponíveis no mercado para gravar simultaneamente medições biomecânicos e fisiológicos durante o movimento. Outros pesquisadores que utilizam equipamentos dediferentes fabricantes podem ter de alterar elementos deste protocolo para atender suas necessidades específicas. No entanto, os princípios gerais deste protocolo ainda deve ser aplicável.

Protocol

Todos os participantes envolvidos na experimentação submetidos a procedimentos de consentimento aprovado pelo Institutional Review Board Universidade West Virginia (IRB).

1. Características sistema global, projeto, e General Experimental Tarefa

Nota: A configuração completa é composta pelos seguintes componentes principais: equipamento EMG e aquisição (DAQ) equipamento digital associado; um sistema de captura de movimento (este protocolo incorpora um sistema de LED ativo); uma unidade de TMS com uma bobina figura-de-oito e equipamentos de localização estereotáxica; um fone de ouvido VR e computador e software associado; e um costume sincronização circuito. A Figura 1 apresenta esquematicamente a conectividade entre os componentes de protocolo.

1. Conexão dos componentes do sistema
   1. Conecte EMG pré-amplificador para amplificador principal.
   2. Ligue a saída do amplificador de EMG para DAQ gravação bloco de entrada equipamento usando BNC ou connec semelhanteções.
   3. DAQ conectar equipamentos de gravação para computador dedicado que irá executar um script de aquisição de dados (arquivo suplementar).
   4. Ligue o computador de controle VR saída paralela a unidade de circuito personalizado (veja a próxima seção para mais detalhes).
   5. Conecte sincronização e captura de movimento acionar saídas de circuito personalizado para DAQ bloco de gravação ao lado de conexões de sinal EMG.
   6. Disparador de captura de movimento Split e conectá-la à porta "de entrada analógica Start" no equipamento EMG DAQ, bem como a conexão de gatilho no computador que controla o equipamento de captura de movimento.
      Nota: A diferença temporal entre o início das respectivas correntes de aquisição de dados para o equipamento descrito (captura de movimento e EMG) pode variar 160-190 ms. Esta diferença temporal, motivou a concepção do circuito de sincronização descrito neste protocolo e é provavelmente causado por software e hardware diferenças entre estes dois sistemas.
   7. Conecte TMS acionar porta na unidade de circuito personalizado para BNC acionamento de entrada na unidade de controlo TMS.
2. Estabelecer a conectividade de rede entre as VR e de captura de movimento computadores usando o software fornecido pelo fabricante e conexões de rede físicas.
3. Conecte-VR VR fone de ouvido para computador e garantir a operabilidade com todos os scripts / programas que exibem ambientes virtuais para os participantes.

Figura 1:. Conectividade de instalação inteira Este esquema descreve a conectividade geral entre os elementos do nosso sistema. O circuito de sincronização é descrito em outras partes do texto com mais detalhes. O traço azul corresponde ao sinal que inicia tanto a captura de movimentos e fluxos de dados EMG. Este evento é a fonte do atraso temporal até 190 ms usando o equipamento descrito neste protocolo. O traço vermelho corresponde à synchronizat iniciou-VRion evento que é concomitantemente registrado pela captura de movimento e sistemas de EMG e, posteriormente, utilizados para o alinhamento temporal dos respectivos fluxos de dados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Detalhes Gerais do Sistema de Integração e sincronização

Nota: A sincronização dos sistemas de aquisição de dados separados neste protocolo de captura de movimento (EMG) e é realizada através da utilização de um sinal de evento que é comum a todos os fluxos de gravação. Usando um evento comum, todos os sinais podem ser temporalmente realinhados após a coleta de dados para minimizar discrepâncias de gravação em tempo real (para cima de 190 ms usando o equipamento neste protocolo). Neste protocolo, o sinal comum origina do sistema VR como um sinal de porta paralela. O sinal comum é encaminhado para um circuito que permite a sincronização dos dados em separadoflui com gravação direta com sinais EMG e, simultaneamente desativando uma captura de movimento LED. O circuito é construído utilizando ferramentas e técnicas básicas para a construção de componentes electrónicos, semelhante aos circuitos descrito noutro local ^9.

1. Design, Layout e Construção de sincronização Circuit
   1. Identificar quaisquer mecanismos baseados em TTL provocando analógicas em unidades de controle do equipamento (por exemplo, TMS, captura de movimento) e familiarizar-se com as exigências desencadeantes, tais como direção de pulso TTL (positivo / negativo) e amplitude. Mecanismos analógicos provocando muitas vezes possuem "BNC" conectores coaxiais comuns que fazem componentes de conexão simples.
   2. Adicionar um LED adicional para o sistema de captura de movimento a ser utilizado para a sincronização de sinal; rota fios do LED através do circuito de sincronização (Figura 3).
   3. Determinar os parâmetros de componentes eléctricos (isto é, resistência, capacitância) necessária para turn fora da sincronização de LED para um período específico de tempo. Encontre a quantidade de tempo que a sincronização de LED do circuito está desligada pela equação: t = 1.1 * R1 * C1. Desta vez é sugerido para ser menos do que a duração média de um movimento experimental. Por exemplo, a experiência descrita actualmente necessária uma resistência e condensador avaliado em cerca de um megaohm e um microfarad, respectivamente.
   4. Use um ferro de solda para aderir componentes elétricos para uma "Prototipagem" impresso ou "projeto" placa de circuito seguindo o esquema mostrado na Figura 3 Coloque este circuito em uma caixa de "projeto" de plástico comumente disponíveis.; ele provavelmente vai ser necessário fazer furos na caixa para os conectores BNC. O circuito pode ser facilmente alimentado por energia USB 5 V a partir de um computador de mesa; será necessário desconstruir um cabo USB para isolar os fios de alimentação e de terra. Capacitores de bypass também pode ser necessária para regular a alimentação do 555chip (não mostrado na Figura 3).
   5. Inspecione a placa de circuito para todas as pontes de solda não intencionais entre os componentes elétricos. Se encontrado, remover a solda com uma ferramenta de sucção ou aquecer a solda e remover mecanicamente a conexão em ponte.

Figura 2:. Fluxograma Julgamento Este fluxograma descreve os eventos de estímulo e de sinal que ocorrem durante um julgamento típico experimental que inclui estimulação TMS. Códigos de porta paralela que ocorrem ao longo de um ensaio são mostrados nos símbolos esquemáticos DB25 (luz azul).

2. Detalhes de sincronização
   1. Usando um fluxograma semelhante à Figura 2, determinar quando peças individuais do equipamento devem ser desencadeada durante o curso de um movimento experimental. Por exemplo, alguns equipamentos pode ser desencadeada individualmente, enquanto outros podem ser disparados simultaneamente.
   Em pontos de tempo que exigem desencadeantes ou de sinalização (por exemplo, símbolos azuis de porta paralela na Figura 2), determinar quais portas paralelas sinalizar linhas de usar e incorporá-las no sistema VR. Isto é conseguido através do envio de valores numéricos para a porta paralela nos momentos especificados durante os movimentos, cada linha representa um dígito binário. Para mais detalhes sobre a sinalização baseada porta paralela, consulte a discussão.

Figura 3:. Sincronização Circuit Este esquema mostra o layout do nosso circuito de sincronização de costume. A saída padrão da porta NAND é um estado de alta tensão; esta tensão de saída é enviado para a porta de um transistor através do qual o circuito de LED de sincronização é encaminhado. Este estado padrão torna o circuito fechado, que mantém o LED em um estado iluminado. Ao receber uma Trigge syncr sinal de porta paralela (traço vermelho em destaque), um estado interno do dispositivo 555 é invertida tornando a saída em um estado de alta, fechando o LED (azul traço). Quando isto ocorre, a tensão em C1 (vestígio verde) acumula-se a uma tensão que repõe o estado interno do 555, reactivando o LED. O sinal de disparo de sincronismo porta paralela também é directamente encaminhada para um conector BNC que está ligado à porta de entrada do disparador TMS. Nota: A direção desse sinal de disparo pode ter que ser invertida (de-positiva para negativa curso ou vice-versa) dependendo dos requisitos de equipamentos específicos de um investigador. A adição de um chip de "inverter" nesta saída de disparo seria facilmente realizar essa tarefa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Procedimentos Experimentais

1. Procedimentos de Segurança e ao consentimento informado
   1. Ensure que os procedimentos experimentais são todos aprovados por um Conselho de Revisão Institucional (IRB). Explicar todos os procedimentos para os participantes e adquirir o consentimento informado com IRB aprovado documentação.
   2. Depois de adquirir o consentimento informado, realizar uma triagem de segurança TMS básica com os participantes para garantir que eles não têm zumbido, uma história familiar de epilepsia ou convulsões ou outras condições com riscos elevados de apreensão.
   3. Durante a estimulação TMS, requerem estritamente o uso de tampões de proteção para evitar danos auditivos.
2. A eletromiografia Colecção
   1. Dependendo dos objetivos científicos de estudo de um leitor, determinar de que músculos do braço para gravar sinais de EMG. Para o estudo descrito neste protocolo, torques gerados no ombro e cotovelo durante o movimento foram investigados. Assim, os sinais de EMG foram registradas a partir dos principais músculos superficiais que atuam sobre estas duas juntas, como o deltóide, peitoral, bíceps, tríceps, e brachioradialis.
   2. Faça todas as conexões elétricas necessárias entre vários equipamentos EMG incluindo amplificadores, pré-amplificadores, cabos de sensores, e almofadas de sensor de acordo com as especificações do fabricante, conectando conectores correspondentes.
   3. Prepare cada local do eletrodo levemente limpá-lo com um algodão embebido em álcool, removendo qualquer excesso de pêlos com uma lâmina de barbear, e pela aplicação de um gel abrasivo suave. A preparação adequada site irá garantir eletrodo-a-pele valores de impedância consistente e baixo (<10 KOhms) e alta relação sinal-ruído de sinais EMG gravados.
   4. Têm assuntos realizar contrações isométricas projetadas para isolar músculos individuais de interesse com base em descrições anatômicos e biomecânicos ^aceites 10. Por exemplo, para isolar o bíceps, peça ao participante para resistir a uma extensão imposta do cotovelo.
   5. Depois de ter assuntos realizar contrações musculares com isolamento, apor diferenciais eletrodos EMG bipolares sobre o mais grosso, porti Central, ou "barriga", de cada músculo em locais aceitos ^11. Isso garante a cobertura de um número máximo de fibras musculares e minimiza "crosstalk" entre os músculos vizinhos. Certifique-se de alinhar eixos mais longos dos eletrodos bipolares ao longo dos músculos, paralela às fibras.
   6. Apor o eletrodo terra EMG de acordo com especificações do equipamento (por exemplo, a pele sobre a vértebra C7).
   7. Grave sinais EMG amplificada através de equipamentos DAQ controlado por um script de computador personalizado. O script utilizado no actual protocolo é anexado como arquivo suplementar.
   8. Ajuste ganhos aplicados a sinais registados a nível desejado movendo mostradores no pré-amplificador EMG. Evite valores de ganho que causam sinais gravados exceder a faixa de entrada do aparelho de controlo (tipicamente 5V). Os valores comuns ganho EMG estão entre 1,000-4,000.
   9. Execute contrações isométricas semelhantes às realizadas na etapa 3.2.4 e inspecionar visualmente signa EMGls para assegurar que eles são de alta qualidade (ou seja, alta relação sinal-ruído). Reposicionar eletrodos e mudar o ganho de sinal se necessário.
3. Motion Capture Sistema de Preparação
   1. Calibrar câmeras de rastreamento de movimento com instruções e equipamentos fornecidos pelo fabricante de acordo com as instruções do fabricante.
   2. Usando fita e outros materiais de embalagem, anexar sensores de diodo emissor de luz ativas para pontos ósseos perto as articulações do braço e outros pontos anatômicos de juro utilizada na construção de modelos biomecânicos: a falange distal dos processos dedo indicador, radial e ulnar estilóide no pulso , olécrano nos processos de cotovelo, coracóide e acrômio no ombro, sternoclavicular entalhe, apêndice xifóide e processo espinhoso de C7. Anexar outro LED para o fone de ouvido VR para definir o ponto de vista no ambiente virtual.
   3. Conecte cada LED para um feixe de cabos que é ligado à unidade driver wireless. Ligue un motorista-lo e assegurar iluminação apropriada de todos os LEDs.
   4. Posicione a sincronização de LED em uma localização conveniente, longe do assunto, mas dentro da visão clara das câmeras.
4. Estimulação Magnética Transcraniana Localização Estereotáxica
   1. Calibrar hardware e software projetado para o registo TMS ^12, para permitir a colocação da bobina precisa. Isso geralmente envolve bobinas TMS co-registrar com marcos anatômicos, tais como o nasion, pontos pré-auriculares e ponta do nariz. Registro de estereotáxica entre um participante ea bobina de estimulação é parte integrante de localização estimulação consistente.
5. MEP Localização Hot-spot e MEP Pprocedures Threshold
   1. Realize chamadas técnicas de "hot-spot" para localizar regiões TMS-sensíveis do córtex que produzem os maiores eurodeputados amplitude com o menor limite com a estimulação ^8,13,14. A estimulação magnética transcraniana para estudar sistemas de motor, tipicamenteenvolve estimular uma área cortical que controla o movimento em uma parte específica do corpo (por exemplo, o braço ea mão) ^15.
   2. Registrar a localização de sites de estimulação ideais no couro cabeludo participantes com o equipamento de registo estereotáxica calibrados e software associado. Depois de cada local é gravado com o software, assegurar a sua precisão, deslocando o local e estimular novamente, à procura de respostas MEP semelhantes.
6. Tarefa comportamental em Realidade Virtual
   1. Design os parâmetros da tarefa de comportamento (por exemplo, atingindo movimentos) a serem utilizados na experiência. No estudo atual, a tarefa é chegar a alvos virtuais colocados sequencialmente em diferentes localizações espaciais. O tamanho dos alvos define a precisão com que os participantes se mover. Projetar os movimentos tais que diferentes direções e magnitudes de torques articulares são evocados como participantes para alcançar metas.
   2. Configure o ambiente VR que orientaindivíduos através da tarefa comportamental utilizando software VR comercial que seja compatível com o sistema de fone de ouvido e rastreamento de movimento de acordo com o protocolo do fabricante. Familiarize-se com os recursos computacionais necessários do pacote de software e requisitos de linguagem de programação. Pacotes de software VR comum têm a capacidade de ser programado com idiomas, incluindo Python, C ++, C #, e outros. Além disso, as saídas analógicas programa através da porta paralela para sincronização e marcação de eventos específicos de interesse (Figura 2). Na experiência actual, o software gera VR eventos no início de cada repetição da tarefa e por vezes de estimulação TMS desejado.
   3. Ligue a saída VR para o circuito de sincronização (Figura 3) e / ou outro equipamento a ser sincronizado com o uso de cabos conectores correspondentes.
   4. Instrua temas para executar a tarefa comportamental VR. No estudo atual, o ambiente era VRapresentado usando um head-mounted display em que os participantes viram matrizes de alvos esféricos. Usando o software VR, programa específico sequências de movimentos, alterando a aparência de alvos (cor, localização, etc.) e familiarizar os participantes com estas acções. Além disso informar os participantes de quaisquer outras restrições de movimento desejados. Por exemplo, os participantes do estudo foram solicitados a manter todos os segmentos de braço dentro de um plano vertical de movimento ao alcançar para alvos.
   5. Uma vez que os participantes estão acostumados com os dados experimentais movimentos, EMG registro e captura de movimento, e sincronizar sinais usando scripts personalizados ou pacotes de software fornecidos pelo fabricante. Ajustar a taxa de amostragem de cada sistema de aquisição de dados para os valores desejados; adicionalmente, familiarizar-se com e ajustar todos os parâmetros específicos do fabricante, como rastreamento de movimento-intensidade LED.

Results

Sincronização dos numerosos fluxos de dados nesta configuração permite gravar a cinemática, atividade muscular contínua (EMG), e instantâneos de atividade neuromuscular (MEPs) que ocorrem durante os movimentos do membro superior. Ensaios repetidos de um dado movimento são necessárias para reconstruir perfis de resposta MEP durante um movimento inteiro. A Figura 4 mostra os dados recolhidos a partir de um sujeito. A Figura 4A mostra um exemplo desses fluxos de dados durante um único ensa...

Discussion

O objectivo deste artigo é descrever um método para a incorporação de VR para o estudo do movimento humano e um método para a sincronização de vários fluxos de dados. Realidade Virtual irá expandir as capacidades dos pesquisadores que tentam recriar cenários de movimento do mundo real em um ambiente de laboratório. Combinando VR com outras metodologias de gravação e de estímulo neuromuscular constitui um poderoso conjunto de ferramentas para estudar exaustivamente mecanismos de controle motor humanos. Os conjuntos de da...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Estimulador magnético transcraniano	Magstim	N/A	TMS estimulador e bobinas
Impulse X2	PhaseSpace	N/A	Sistema de captura de movimento
MA300 Sistema EMG multicanal avançado	Sistemas de laboratório de movimento	MA300-28	Pré-amplificador e amplificador EMG
Norotrode Eletrodos EMG	Miotrônica	N/A	ELÉCTRODOS
EMGBNC-2111 Bloco de conectores BNC blindado de extremidade única	National Instruments	779347-01	Bloco de conectores BNC
NI PXI-1033 Chassi PXI de 5 slots com controladora MXI-Express integrada	Chassi de aquisição de dados	Instruments	779757-01
NI PXI-6254 16 bits, 1 MS/s (Multicanal), 1,25 MS/s (1 canal), 32 entradas analógicas	Placa
DAQ National Instruments 779118-01Cabo SHC68-68-EPM (2m)	National Instruments	192061-02	Cabo blindado
DK1 ou DK2	Oculus VR	N/A	Ocuclus Rift headset
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	Software de realidade virtual
C1 e C2 capacitores variados		N/A	Ajuste os valores para se adequar aos
resistores R1 e R2	variados	N/A	Ajuste os valores para se adequar
CD4011 porta NAND	variada	N / A	porta NAND
2N2222 transistor	variado	N / A	Transistor
NE555 circuito temporizador	variado	N / A	Circuito temporizador
DB25 e conectores USB	variados	N / A	paralelo e conectores USB